固态NMR能作什麽.PDF

固態NMR能做些什麼？ 固態NMR除在“傳統”領域如固態物理（半導體， 超導體等）、固體化學、礦物學、材料學等不可缺少: 固態 NMR在分析各類固態化合物和材料（從簡單無機/有 機分子礦物、有機金屬錯合物、半導體到超導體、高分子 聚合物等）是不可缺少的工具已是眾所周知的了。它對難 溶體系，或希望比較固液差別的研究必不可少。 舉例而言： （A）在傳統固態物理中，固態NMR起著重要作用。 例如，通過變溫NMR實驗，可以由NMR光譜線型的變化清 楚地顯示超導體的轉變點。其他相變如鐵磁相變、晶格畸 變導致的電荷密度波等均可由NMR得到精準的判據。 （B） 材料的力光電磁等物性的研究：由一些探針 核（如鋁、鈉、碳、矽、磷、氫等）的光譜可以推測探針 核附近的電子及幾何結構，並與該材料的性質關連起來， 有助於暗示如何進行材料的修飾和改進。它在奈米材料領 域的應用日益增加。 （C） 催化劑結構及功能：現在固態NMR已經是表徵 分子篩如沸石的最主要的工具。 （D） 礦物鑑定：在很多情形下，固態NMR能提供X 光的互補訊息。 固態NMR也已經在生物物理、生物化學、製藥學等領域發 揮越來越重要的作用： 例如，在結構蛋白（與生物膜結合的蛋白、纖維蛋白、外 衣蛋白等）之結構和運動之測量，金屬離子/小分子與生物 分子之結合位點的確定等方面表現出不可取代的功用和廣 闊的前景。主要原因是：一方面由於上述體系運動較慢， NMR譜線展寬，液態NMR難以給出有用資訊；另一方面，上 述很多體系難以做成足夠大的單晶，X射線繞射不能用。而 固態 NMR 能處理慢運動和寬相關時間範圍，又不要求樣品 是單晶，故它有液態NMR及X射線不能代替之處。另外也 發現，很多液態試樣或非固非液的軟物質試樣必須在固態 NMR譜儀上研究。反映這一趨勢的現象之一是西方幾乎所有 研究型大學均已配備固態 NMR 設備，美加地區擁有五台以 上高場固態NMR譜儀的學校逐年增加。 固態NMR在生物大分子結構測定或製藥學、藥理學等領 域開始顯示獨特的功用,儘管這方面還是較少為人所知。故 這裡作為一個重點介紹以突顯固態 NMR 應用之廣泛性以及 它作為一學門之發展活力。 對比生物分子的分子式確定（如DNA測序），生物大 分子結構和運動之確定﹐是生物學之更重要任務﹐也是一 個複雜得多的任務。隨著X-射線及溶液NMR之不斷改進﹐ 越來越多的生物大分子之結構甚至運動形態(一項難得多 的任務)得以確定。不過﹐這兩種方法具有各自的限制。 如X-射線要求樣品能製備成足夠大的單晶﹐但這可能是問 題﹐例如人類基因組裡有40%的DNA分子編碼的蛋白質是 不能滿足這一要求的﹔另一方面﹐單晶結構也往往難以與 分子運動尤其是生理條件下的運動狀態相關起來。 溶液NMR則要求分子作快速各向同性運動以得到窄譜 ﹐而很有幾類生物大分子如膜蛋白、纖維蛋白等都不具有 這一性質。純粹理論模擬雖然近期隨超級計算機的發展亦 有所進展﹐但目前尚無結果顯示其在結構確定或運動學研 究方面的能取代實驗的威力。 近年來越來越多的人注意到﹐上述幾類X-射線和溶液 NMR無法對付的體系有可能憑借固體NMR而的以研究。業 已發展的幾類固體NMR方法已顯示出這個領域的潛力和前 景。這主要是因為固體NMR能處理非週期、長程、取向的 相互作用。 一些重要的基本化合物的相互作用張量已經由固態 NMR測定出來﹐例如，所有二十種天然氨基酸的C-13化學 位移張量﹐四種核酸鹼基的 N-15 化學位移張量以及一些 DNA的N-14四極耦合常數已由固體NMR準確地測量出來。 幾個典型的膜蛋白分子的結構甚至運動也有相當的研究。 顯示了固態NMR能提供獨特資訊之前景。但確定一個生物 分子的完整的三維結構並不是生物固體NMR的全部。有些 要害位置的結構或運動信息往往可以提供很重要的生物學 結論﹐而它們常可以用較簡潔的實驗獲得。這在近年已形 成一個相當活躍的領域﹐例如﹐幾種重要蛋白的三級結構 ﹐離子與生物分子的結合位點；一些DNA分子的運動模式 等可以被很準確地確定下來；幾種重要疾病的研究如腦年 痴呆症、動脈硬化、骨質增生等也藉助於固態NMR而得到 獨特的新資訊。 我們必須指出﹐近十年的發展﹐固體NMR目前遠未形 成一套象用溶液NMR定結構的那種“標準化”步驟。但這 些年的進展使人們相信