有机波谱分析课件绪论

l随着科学技术的发展，新的仪器分析方法不断随着科学技术的发展，新的仪器分析方法不断出现，应用也越来越广泛。近二十年来，紫外出现，应用也越来越广泛。近二十年来，紫外或紫外或紫外- -可见光谱，红外光谱，核磁共振波谱可见光谱，红外光谱，核磁共振波谱以及质谱等构成现代仪器分析的重要内容。以及质谱等构成现代仪器分析的重要内容。l这些方法与经典的分析方法相比不仅具有快速、这些方法与经典的分析方法相比不仅具有快速、灵敏、准确等优点，还具有样品用量少，不破灵敏、准确等优点，还具有样品用量少，不破坏样品等优点，现已成为化学工作者测定有机坏样品等优点，现已成为化学工作者测定有机化合物结构及定性、定量不可缺少的重要手段化合物结构及定性、定量不可缺少的重要手段之一。之一。l人们通常将人们通常将UV（UV-vis），），IR，NMR和和MS称称为为“波谱分析波谱分析”，也有称为有机仪器分析。，也有称为有机仪器分析。一波谱分析的发展一波谱分析的发展v由于近代物理学，电子学和计算机的发展，产由于近代物理学，电子学和计算机的发展，产生了许多新的仪器分析方法，如变换红外光谱生了许多新的仪器分析方法，如变换红外光谱法，脉冲变换核磁共振，色谱法，脉冲变换核磁共振，色谱-质谱联用等大质谱联用等大型精密仪器并已应用于科研和生产中。型精密仪器并已应用于科研和生产中。v仪器实现了自动化、数字化、计算机化。仪器实现了自动化、数字化、计算机化。v电子计算机提高了仪器分析的灵敏度、准确度电子计算机提高了仪器分析的灵敏度、准确度和分辨率，并可进行连续自动分析、自动检索和分辨率，并可进行连续自动分析、自动检索等。等。v各种分析方法互相渗透，联用。如：具有各种分析方法互相渗透，联用。如：具有高度高度分离能力分离能力的气相色谱、液相色谱与具有强的的气相色谱、液相色谱与具有强的鉴鉴别能力别能力的质谱，红外光谱联用，可以达到快速的质谱，红外光谱联用，可以达到快速剖析样品，分析的目的。剖析样品，分析的目的。二波谱分析的内容：二波谱分析的内容：l波谱分析主要包括：波谱分析主要包括：UV，IR，NMR和和MS。由于近年来有机化学的快速发展，。由于近年来有机化学的快速发展，要求先进的分析方法跟踪反应过程，确定要求先进的分析方法跟踪反应过程，确定化合物结构以及定性、定量分析，因而自化合物结构以及定性、定量分析，因而自然地形成了波谱分析的分析方法。然地形成了波谱分析的分析方法。三波谱分析的特点：三波谱分析的特点：快速：快速：获得正确的情报比经典化学分获得正确的情报比经典化学分析方法快得多。析方法快得多。样品用量少：样品用量少：一般只需几微克到几十一般只需几微克到几十毫克（一般毫克（一般5-20mg）。）。准确、重复性好。准确、重复性好。紫外可见光谱紫外可见光谱 (UV-VIS);红外（拉曼）光谱红外（拉曼）光谱 (IR，Raman);质谱质谱 (MS); 核磁共振谱核磁共振谱 (NMR); X线衍射线衍射; 折射率折射率; 电诱导率电诱导率; 熔点熔点; UV -VIS ; IR(Raman); MS; NMRCharacteristics of Important Spectrometric Methods H-1 C-13 MS IR/RAMAN UV-VIS ORD/CD X-RAYRadiation type RF RF IR UV to Vis UV to Vis X-raySpectral scale 0-15 0-220 50-4000 400-4000 200-800 185-600 Typical units ppm ppm amu cm-1 nm nmAverage sample 1mg 5mg 1mg 1mg 1mg 1mgMolecular formula Partial Partial Yes No No No YesFunctional groups Yes Yes Limited Yes Very limited Very limited YesSubstructures Yes limited Yes limited limited No YesCarbon connectivity Yes Yes No No No No YesSubstitute Yes Yes No Limited No No Yes regiochemistrySubstitute Yes Yes No Limited No No Yes stereochemistryAnalysis of Yes Yes Yes Yes No No Yesisomer mixtures (GC, LC/MS) (GC/IR) (if separate)Purity information Yes Yes Yes Yes Limited Limited LimitedSingle crystalSteps in establishing a molecular structurePurecompound MolecularformulaFunctionalgroupsSubstructuresVery secure 3D molecularstructureUnsaturation numberWorking 2DstructuresList ofworking 2DstructuresNew 2DmolecularstructureKnownmolecularstructureReasonable 3D molecularstructureMS, NMRNMR, IRNMRUVX-RAYDereplicate by MFDraw all isomersDereplicateby structureNMRORDMolecularmodelingTotalsynthesisNMR, MS, IR,UV 波谱分析法被广泛地应用于各科研生产中，本波谱分析法被广泛地应用于各科研生产中，本校化学化工学院实验室具有：校化学化工学院实验室具有：HP6890/5973 GC/MS 产于美国产于美国PE公司公司GC-14B 产于日本岛津公司产于日本岛津公司HPLC 产于美国产于美国Waters公司公司FT-IR 产于美国产于美国PE, 伯乐公司伯乐公司UN-Vis 产于日本岛津公司产于日本岛津公司 参考书参考书：l1 回瑞华，侯冬岩编著近代有机仪器分析吉林大学出版社l2Dudley H. Williams, M.A.Ph.D. Spectroscopic methods in organic chemistryl3William L. Budde James W. Eichelberger Organics analiysis using gas chromatography/ Msss spectrometry-A techniques & procedures manual.l4姚新生等编著有机化合物波谱分析人民卫生出版社l5洪山海编著光谱解析法在有机化学中的应用 科学出版社l6陈耀祖编著有机分析 高等教育出版社l7陈德恒等编著有机结构分析 科学出版社l8Siluer Stein.R.M 诺贝尔化学奖享有世界最高荣誉，设有物理、诺贝尔化学奖享有世界最高荣誉，设有物理、化学、生物或医学、文学和和平五项奖。化学、生物或医学、文学和和平五项奖。1901年，年，瑞典皇家科学学院成立，根据诺贝尔遗愿，诺贝尔瑞典皇家科学学院成立，根据诺贝尔遗愿，诺贝尔奖金委员会首次颁奖。截止到奖金委员会首次颁奖。截止到2003年，诺贝尔奖的年，诺贝尔奖的颁发已有一百多年的历史了。期间共颁发化学奖颁发已有一百多年的历史了。期间共颁发化学奖94次，次，8年因第一、二次世界大战末颁奖。年因第一、二次世界大战末颁奖。 从最近几十年来诺贝尔化学奖颁奖的情况来看，化学从最近几十年来诺贝尔化学奖颁奖的情况来看，化学科学逐渐出现了和生命科学相融合的趋势。在科学逐渐出现了和生命科学相融合的趋势。在2020世纪的最世纪的最后后2525年里，诺贝尔化学奖有三分之一左右给予化学与分子年里，诺贝尔化学奖有三分之一左右给予化学与分子生物学领域研究的成果。其中大部分获得项目往往直接或生物学领域研究的成果。其中大部分获得项目往往直接或间接地在波谱分析方面获得了突破，可以说谁掌握了这一间接地在波谱分析方面获得了突破，可以说谁掌握了这一领域内的最先进的理论和实验技能并能充分利用它，谁就领域内的最先进的理论和实验技能并能充分利用它，谁就有可能在这一领域处于领先地位，如：有可能在这一领域处于领先地位，如：20022002年诺贝尔化学年诺贝尔化学奖由在质谱和核磁共振这两个重要领域的科学家们分享。奖由在质谱和核磁共振这两个重要领域的科学家们分享。获奖者，质谱领域的获奖者，质谱领域的JohnJohnB BFenn Fenn 和和KoIchiKoIchi Tanaka Tanaka，核，核磁共振领域的磁共振领域的Kort WuthrichKort Wuthrich，对生物化学领域的进一步发，对生物化学领域的进一步发展作出了贡献。把波谱分析测试手段和设计合成方法应用展作出了贡献。把波谱分析测试手段和设计合成方法应用于生命科学领域中的物质组成和结构的分析、新物质的设于生命科学领域中的物质组成和结构的分析、新物质的设计与合成以及生命活动的反应机理的研究，将化学科学理计与合成以及生命活动的反应机理的研究，将化学科学理论、技术和生命科学技术、应用逐步融合，将是未来一个论、技术和生命科学技术、应用逐步融合，将是未来一个非常重要的趋势和这两个学科发展的必然导向。非常重要的趋势和这两个学科发展的必然导向。 瑞典皇家科学院于瑞典皇家科学院于10月月9日宣布，将日宣布，将2002年诺贝年诺贝尔化学奖授予美国科学家约翰尔化学奖授予美国科学家约翰芬恩芬恩(John BFenn)、日本科学家田中耕一、日本科学家田中耕一(Koichi Tanaka)和瑞士科学家和瑞士科学家库尔特库尔特维特里希维特里希(Kurt Wuthrich)，以表彰他们发明，以表彰他们发明了识别和分析生物大分子结构的方法即在质谱和核磁了识别和分析生物大分子结构的方法即在质谱和核磁共振方面的贡献共振方面的贡献 。2002年诺贝尔化学奖简介年诺贝尔化学奖简介为什么要研究生物大分子为什么要研究生物大分子? ? 所有活的有机体所有活的有机体细菌，植物和动物细菌，植物和动物都包含有相同类型的大分都包含有相同类型的大分子，这些大分子承担着我们所称之为生命现象的活动。细胞内发生的子，这些大分子承担着我们所称之为生命现象的活动。细胞内发生的活动由核酸活动由核酸(如如DNA)控制，核酸可以称之为细胞的指挥者，同时各种控制，核酸可以称之为细胞的指挥者，同时各种蛋白质是细胞内活动的最主要的参与者。每种蛋白质都具有各自生物蛋白质是细胞内活动的最主要的参与者。每种蛋白质都具有各自生物功能，并可能会随着所处环境的变化而改变。例如血红蛋白的功能是功能，并可能会随着所处环境的变化而改变。例如血红蛋白的功能是给身体中所有的细胞运送氧气。蛋白质研究本身并不新鲜，但是，蛋给身体中所有的细胞运送氧气。蛋白质研究本身并不新鲜，但是，蛋白质组成学，如研究不同的蛋白质和其他物质在细胞中怎样相互作用白质组成学，如研究不同的蛋白质和其他物质在细胞中怎样相互作用，是一个比较新的研究领域，在最近几年里发展很快。随着越来越多，是一个比较新的研究领域，在最近几年里发展很快。随着越来越多有机体基因序列作图的完成及研究前沿的不断推进，新的问题出现了有机体基因序列作图的完成及研究前沿的不断推进，新的问题出现了：人的：人的3万多个基因是怎样编码成千上万种不同的蛋白质的。如果一万多个基因是怎样编码成千上万种不同的蛋白质的。如果一个基因受到损害或丢失会发生什么情况个基因受到损害或丢失会发生什么情况?老年痴呆症或疯牛病这样的老年痴呆症或疯牛病这样的疾病是怎样产生的疾病是怎样产生的?能否用新的化学物质更迅速地诊断及治疗那些正能否用新的化学物质更迅速地诊断及治疗那些正在威胁人类的疾病。为了能够解决这样一些问题，化学家们一直不断在威胁人类的疾病。为了能够解决这样一些问题，化学家们一直不断地探求更多的有关蛋白质的知识，以及它们之间，它们和细胞中其他地探求更多的有关蛋白质的知识，以及它们之间，它们和细胞中其他分子是如何共同发挥功能的。这是因为蛋白质结构上的微小的变化会分子是如何共同发挥功能的。这是因为蛋白质结构上的微小的变化会决定他们的功能。决定他们的功能。生物大分子革命性的分析方法生物大分子革命性的分析方法 质谱是根据质量迅速鉴定一个物质。这一技质谱是根据质量迅速鉴定一个物质。这一技术很久以来被化学家们用来分析小分子和中等大术很久以来被化学家们用来分析小分子和中等大小的分子，这个方法非常灵敏，以至于每种含量小的分子，这个方法非常灵敏，以至于每种含量极微的分子都有可能被检测到。毒品和药物的检极微的分子都有可能被检测到。毒品和药物的检测、食品控制和环境分析等都是目前常规使用质测、食品控制和环境分析等都是目前常规使用质谱技术的领域。谱技术的领域。质谱鉴定分子的方法 质谱技术早在十九世纪末就出现了，最早用于小分子分析是由质谱技术早在十九世纪末就出现了，最早用于小分子分析是由 Joseph J. Thompson 在在1912年报道的。二十世纪有许多诺贝尔奖直年报道的。二十世纪有许多诺贝尔奖直接依赖于质谱分析。接依赖于质谱分析。例如，例如，Harold Urey 发现氘发现氘(获得获得1934年诺贝尔年诺贝尔化学奖化学奖)，富勒烯，富勒烯，“足球碳足球碳”的发现使的发现使Robert Carl, Sir Harold Kroto和和 Richard Smalley 获得获得1996年诺贝尔化学奖。年诺贝尔化学奖。将质谱用于大将质谱用于大分子分析这一目标同样长期吸引着科学家们。二十世纪分子分析这一目标同样长期吸引着科学家们。二十世纪70年代，在年代，在气相中将大分子转化为离子获得了许多成功，这种技术称为气相中将大分子转化为离子获得了许多成功，这种技术称为“解吸解吸”技术，形成了在过去二十年里这一领域革命的基础。大分子相对于技术，形成了在过去二十年里这一领域革命的基础。大分子相对于其它分子来说或许是大的，但是在这里我们还是认为它具有小的不其它分子来说或许是大的，但是在这里我们还是认为它具有小的不可思议的结构。例如血红蛋白分子，它的质量是可思议的结构。例如血红蛋白分子，它的质量是10-19克，如何去称克，如何去称这么小的重量。秘诀就是使单个的蛋白质分子与其它分子分离，扩这么小的重量。秘诀就是使单个的蛋白质分子与其它分子分离，扩散成一簇自由飞行、带电的蛋白质离子。接下来测量这些离子的质散成一簇自由飞行、带电的蛋白质离子。接下来测量这些离子的质量量并因此而鉴定这个蛋白质的常用方法是让它们在一个真空室内并因此而鉴定这个蛋白质的常用方法是让它们在一个真空室内加速并测量它们的飞行时间。它们按顺序到达目的地，这一顺序是加速并测量它们的飞行时间。它们按顺序到达目的地，这一顺序是由它们的电荷和它们的质量决定的，最快到达的是那些最轻的，带由它们的电荷和它们的质量决定的，最快到达的是那些最轻的，带有最高电荷的离子。有最高电荷的离子。 目前，有两种原理可以使蛋白质在不破环结构目前，有两种原理可以使蛋白质在不破环结构和构型的状态下转移到气相，正是这些方法背后的和构型的状态下转移到气相，正是这些方法背后的发现将要共同获得诺贝尔化学奖金的一半。发现将要共同获得诺贝尔化学奖金的一半。 其中一个由其中一个由John BFenn发明的方法中，样品由发明的方法中，样品由很强的电场导致喷雾并产生小的，带电荷的自由飞很强的电场导致喷雾并产生小的，带电荷的自由飞行的离子。行的离子。 另一种方法是用一束强激光脉冲使样品离子化。另一种方法是用一束强激光脉冲使样品离子化。如果处在合适的条件下如果处在合适的条件下(如能量，样品的结构和化学如能量，样品的结构和化学环境环境)，分子吸收部分激光脉冲能量并成为自由离子，分子吸收部分激光脉冲能量并成为自由离子被释放。第一个表明这种被释放。第一个表明这种“软激光解吸软激光解吸”现象可能现象可能被用于分析蛋白质这样的大分子的是被用于分析蛋白质这样的大分子的是KoIchi Tanaka。 在在19881988年，年，John BJohn BFennFenn发表了两篇有关大分子的电发表了两篇有关大分子的电喷雾现象的论文，对质谱技术具有突破性意义。在第一篇喷雾现象的论文，对质谱技术具有突破性意义。在第一篇论文里，对未知质量的聚乙二醇的分析表明这一方法可以论文里，对未知质量的聚乙二醇的分析表明这一方法可以使大分子带高电荷。第二篇文章报道了用这一方法分析中使大分子带高电荷。第二篇文章报道了用这一方法分析中等大小的完整蛋白质。离子的产生是通过电场使样品喷雾等大小的完整蛋白质。离子的产生是通过电场使样品喷雾形成带电液滴，随着水分子逐渐从液滴蒸发，仅留下形成带电液滴，随着水分子逐渐从液滴蒸发，仅留下“光光秃秃秃秃”自由飞行的蛋白质分子。这一方法被称为电喷雾离自由飞行的蛋白质分子。这一方法被称为电喷雾离子化子化( (ESI)ESI)。 当分子带有很强的电荷时，质量电荷比变得很小，当分子带有很强的电荷时，质量电荷比变得很小，这样该物质就可以用普通的质谱仪进行分析。另一个好处这样该物质就可以用普通的质谱仪进行分析。另一个好处是同一个分子会产生一系列峰，因为每一个峰都带有不同是同一个分子会产生一系列峰，因为每一个峰都带有不同数目的电荷。虽然这一复杂的谱图在最初使研究者深感迷数目的电荷。虽然这一复杂的谱图在最初使研究者深感迷惑，但它给出的信息使鉴定更容易了。惑，但它给出的信息使鉴定更容易了。 John BFenn的贡献：的贡献：(通过喷雾飞行通过喷雾飞行) 与此同时，在日本京都岛津仪器公司，一个年轻的日本工与此同时，在日本京都岛津仪器公司，一个年轻的日本工程师报道了一种完全不同的技术进行了这一研究。即在程师报道了一种完全不同的技术进行了这一研究。即在1987年年的一个讨论会及的一个讨论会及1988年发表的论文中，表述了蛋白质分子应该年发表的论文中，表述了蛋白质分子应该可以通过软激光解吸可以通过软激光解吸(SLD)的方法被离子化。一束激光脉冲打的方法被离子化。一束激光脉冲打在样品上，在样品上，与喷雾的方法不同样品是处在固相或粘液相中，与喷雾的方法不同样品是处在固相或粘液相中，当当样品从激光脉冲中吸收能量，被爆破成很小的单位，分子一个样品从激光脉冲中吸收能量，被爆破成很小的单位，分子一个接一个被释放，以带低电荷的完整的分子离子形式飞行，这些接一个被释放，以带低电荷的完整的分子离子形式飞行，这些离子被一个电场加速并用上面提到的记录它们的飞行时间的方离子被一个电场加速并用上面提到的记录它们的飞行时间的方式检测。式检测。Tanaka第一个报道了激光技术对生物大分子分析应用第一个报道了激光技术对生物大分子分析应用的可能性。这一原理是今天多种有力的激光解吸方法的基础，的可能性。这一原理是今天多种有力的激光解吸方法的基础，特别是简称为特别是简称为MALDI(基质辅助激光解吸离子化基质辅助激光解吸离子化)，SELDI(表表面增强激光解吸离子化面增强激光解吸离子化)，DLOS(直接芯片离子化直接芯片离子化)的技术。的技术。Tanaka的贡献：的贡献：(通过爆破飞行通过爆破飞行) 电喷雾离子化和软激光解吸都有许多应用领域。电喷雾离子化和软激光解吸都有许多应用领域。复杂的生化分析在几年前还只是梦想，而现在已经成复杂的生化分析在几年前还只是梦想，而现在已经成为可能。研究蛋白质的相互作用对了解生命中的信号为可能。研究蛋白质的相互作用对了解生命中的信号系统是非常重要的，这种非共价生物分子复合物可用系统是非常重要的，这种非共价生物分子复合物可用 ESI 分析，这一方法在速度、灵敏度和鉴别实际的相分析，这一方法在速度、灵敏度和鉴别实际的相互作用方面都优于其他方法，使得这一技术迅速在世互作用方面都优于其他方法，使得这一技术迅速在世界各地的实验室传播。今天，软激光解吸界各地的实验室传播。今天，软激光解吸(以以MALDI的形式的形式)和电喷雾已经成为多肽、蛋白质和糖结构分析和电喷雾已经成为多肽、蛋白质和糖结构分析的标准方法。这使得迅速分析完整细胞和活组织中的的标准方法。这使得迅速分析完整细胞和活组织中的蛋白质成为可能。下面一些当前研究领域内的例子描蛋白质成为可能。下面一些当前研究领域内的例子描绘了绘了2002年诺贝尔奖产生的应用的多样性。包括：年诺贝尔奖产生的应用的多样性。包括：质谱的应用质谱的应用药物开发：药物开发： 药物开发的早期阶段已经发生了变化。与液相分离相结合药物开发的早期阶段已经发生了变化。与液相分离相结合 ESIMS使每天分析几百个物质成为可能。使每天分析几百个物质成为可能。疟疾：疟疾： 科学家最近发现了研究疟疾传播的新方法。由于软激光解吸科学家最近发现了研究疟疾传播的新方法。由于软激光解吸方法的出现使早期诊断成为可能，在这里携氧的血红蛋白被用方法的出现使早期诊断成为可能，在这里携氧的血红蛋白被用来吸收激光脉冲能量。来吸收激光脉冲能量。卵巢癌，乳癌和前列腺癌：卵巢癌，乳癌和前列腺癌： 在过去几年中，不断有用于各种不同类型癌症早期诊断的新在过去几年中，不断有用于各种不同类型癌症早期诊断的新方法的报道。通过使用粘附有肿瘤分子的表面并用方法的报道。通过使用粘附有肿瘤分子的表面并用SLD分析技分析技术，术，“化学家化学家”能够比医生更早发现癌症。能够比医生更早发现癌症。食品控制：食品控制： ESI 技术同样使小分子分析向前发展，我们已经知道，我们技术同样使小分子分析向前发展，我们已经知道，我们所吃的食品的制备过程会产生许多对健康有害的物质，例如丙所吃的食品的制备过程会产生许多对健康有害的物质，例如丙烯酰胺会导致癌症。使用质谱技术，食品在各种不同的生产阶烯酰胺会导致癌症。使用质谱技术，食品在各种不同的生产阶段都可以进行分析，通过改变温度和配方，有害物质可以被避段都可以进行分析，通过改变温度和配方，有害物质可以被避免或减少。免或减少。 质谱能够回答诸如质谱能够回答诸如“是什么是什么”和和“有多少种有多少种”蛋蛋白质这样的问题，而核磁共振则回答这种蛋白质白质这样的问题，而核磁共振则回答这种蛋白质“是是什么样子什么样子”的问题。的问题。 对任何一种显微镜而言，即使是最大的蛋白质都对任何一种显微镜而言，即使是最大的蛋白质都显得太小而不能获得足够的分辨率。因此，要想能够显得太小而不能获得足够的分辨率。因此，要想能够获得一个蛋白质真正的图像，必须采用其他手段。核获得一个蛋白质真正的图像，必须采用其他手段。核磁共振就是这样一种方法。通过对核磁共振谱图中的磁共振就是这样一种方法。通过对核磁共振谱图中的谱峰进行解释，人们可以得到所研究的分子的三维结谱峰进行解释，人们可以得到所研究的分子的三维结构。核磁共振所用的样品是处于溶液状态，类似于蛋构。核磁共振所用的样品是处于溶液状态，类似于蛋白质在细胞内的环境。白质在细胞内的环境。核磁共振在生物大分子中的应用核磁共振在生物大分子中的应用 早在早在1945年，物理学家年，物理学家 Felix 和和Edward Purcell 就发现把有些原子核就发现把有些原子核放在强磁场下，由于所谓核自旋的作用，它们能够吸收特定波长的电磁放在强磁场下，由于所谓核自旋的作用，它们能够吸收特定波长的电磁波，即发生共振。这项发现使他们赢得了波，即发生共振。这项发现使他们赢得了1952年的诺贝尔物理学奖。随年的诺贝尔物理学奖。随后，人们发现核共振的频率不仅依赖于磁场的强度和原子类别，还依赖后，人们发现核共振的频率不仅依赖于磁场的强度和原子类别，还依赖于原子所处的环境。而且，不同核的核自旋能够相互影响，从而产生精于原子所处的环境。而且，不同核的核自旋能够相互影响，从而产生精细结构，即在核磁共振谱图中产生更多的谱峰。最初，核磁共振的应用细结构，即在核磁共振谱图中产生更多的谱峰。最初，核磁共振的应用受到其低灵敏度的限制，因而需要浓度极高的样品。但是在受到其低灵敏度的限制，因而需要浓度极高的样品。但是在1966年，瑞年，瑞士化学家士化学家Richard Ernst(1991年诺贝尔化学奖得主年诺贝尔化学奖得主)认为，如果用非常短而认为，如果用非常短而强的射频脉冲来照射样品，以取代缓慢改变照射频率的方法，将会极大强的射频脉冲来照射样品，以取代缓慢改变照射频率的方法，将会极大地提高灵敏度。在上世纪地提高灵敏度。在上世纪70年代，他还在发展核磁共振方法学上作出了年代，他还在发展核磁共振方法学上作出了贡献，如寻找怎样确定分子中相邻核贡献，如寻找怎样确定分子中相邻核(例如由化学键相连的原子例如由化学键相连的原子)的方法。的方法。 通过对核磁共振谱图中的信号进行解释，人们能够获得分子结构的通过对核磁共振谱图中的信号进行解释，人们能够获得分子结构的信息。这种方法被成功地应用于小分子。但对大分子而言，要想将不同信息。这种方法被成功地应用于小分子。但对大分子而言，要想将不同原子核的共振信号区分开来是非常困难的。一张大分子的核磁共振谱图原子核的共振信号区分开来是非常困难的。一张大分子的核磁共振谱图有数千个谱峰，看起来就象一片片的草坪，根本不能确定哪个峰属于哪有数千个谱峰，看起来就象一片片的草坪，根本不能确定哪个峰属于哪个原子。最终解决这个问题的科学家是瑞士的化学家个原子。最终解决这个问题的科学家是瑞士的化学家Kurt Wuthrich。 在在2020世纪世纪8080年代初，年代初，Kurt WuthrichKurt Wuthrich发展了一套怎样发展了一套怎样将核磁共振方法延伸到生物大分子领域的思路。他发明了将核磁共振方法延伸到生物大分子领域的思路。他发明了一套系统方法：一套系统方法：将每一个核磁共振信号与大分子中的氢核将每一个核磁共振信号与大分子中的氢核( (质子质子) )一一对应起来。一一对应起来。这种方法叫做这种方法叫做“序列指认序列指认”，目前，目前已经成为所有核磁共振结构研究的基石。他还指出了怎样已经成为所有核磁共振结构研究的基石。他还指出了怎样能够在大量质子中确定每一对质子间的距离。利用这些信能够在大量质子中确定每一对质子间的距离。利用这些信息，通过基于距离几何的一种数学方法，就能够计算分子息，通过基于距离几何的一种数学方法，就能够计算分子的三维结构。的三维结构。19851985年，利用年，利用Kurt Wuthrich Kurt Wuthrich 的方法确定了的方法确定了第一个蛋白质的结构。到目前为止，在上万个已知的蛋白第一个蛋白质的结构。到目前为止，在上万个已知的蛋白质结构中，有大约质结构中，有大约15152020的结构是由核磁共振方法确定的结构是由核磁共振方法确定的。其他的结构则主要是由的。其他的结构则主要是由X-X-射线晶体学方法确定的，只射线晶体学方法确定的，只有很少几个是由其它方法如电子衍射或中子衍射确定的。有很少几个是由其它方法如电子衍射或中子衍射确定的。 Kurt Wuthrich使核磁共振使核磁共振应用于蛋白质成为可能应用于蛋白质成为可能 在许多方面，核磁共振都能对在许多方面，核磁共振都能对X射线晶体学结构测定进行补射线晶体学结构测定进行补充。如果对同一种蛋白质用两种方法进行研究，一种在溶液状态，充。如果对同一种蛋白质用两种方法进行研究，一种在溶液状态，一种在结晶状态，通常可以得到相同的结果，只是在一些受环境一种在结晶状态，通常可以得到相同的结果，只是在一些受环境影响的影响的表面区域表面区域二者有不同。这些区域在晶体中受到紧密堆积的二者有不同。这些区域在晶体中受到紧密堆积的临近蛋白质分子的影响，而在溶液中则受到周围溶剂分子的影响。临近蛋白质分子的影响，而在溶液中则受到周围溶剂分子的影响。X射线晶体学的能力体现在能够精确测定相当大的分子的三维结射线晶体学的能力体现在能够精确测定相当大的分子的三维结构，而核磁共振则有另外一些独特的优势。在溶液中进行研究就构，而核磁共振则有另外一些独特的优势。在溶液中进行研究就意味着可以模拟生理条件。核磁共振的一项特殊能力就是可以研意味着可以模拟生理条件。核磁共振的一项特殊能力就是可以研究分子中无结构的和非常活动的部分，因而可以阐明分子的运动究分子中无结构的和非常活动的部分，因而可以阐明分子的运动性、动力学以及这些特性在蛋白质链中各部分的差异。对蛋白质性、动力学以及这些特性在蛋白质链中各部分的差异。对蛋白质进行稳定同位素标记也有助于确定分子结构。用核磁共振确定的进行稳定同位素标记也有助于确定分子结构。用核磁共振确定的蛋白质结构的一个例子就是：与一系列危险疾病蛋白质结构的一个例子就是：与一系列危险疾病(如疯牛病如疯牛病)的发展的发展相关的阮病毒蛋白相关的阮病毒蛋白(Stanley Prusiner 因此获得因此获得1997年诺贝尔医学年诺贝尔医学奖奖)。和他的同事们利用核磁共振对该蛋白的研究结果表明，正常。和他的同事们利用核磁共振对该蛋白的研究结果表明，正常形态的阮病毒蛋白由两部分构成。在水溶液中，其中大约一半的形态的阮病毒蛋白由两部分构成。在水溶液中，其中大约一半的蛋白链形成一个有序的、相当刚性的三维结构，而另一半则没有蛋白链形成一个有序的、相当刚性的三维结构，而另一半则没有任何结构而且非常活动。核磁共振还能用来研究其它生物大分子任何结构而且非常活动。核磁共振还能用来研究其它生物大分子如如 DNA和和 RNA 的结构和动力学。的结构和动力学。 在制药工业中，核磁共振还被用来确定在制药工业中，核磁共振还被用来确定潜在靶潜在靶蛋蛋白质分子的结构和性质。新设计的药物分子要能够与白质分子的结构和性质。新设计的药物分子要能够与蛋白质的结构相配合，就象钥匙和锁那样。也许核磁蛋白质的结构相配合，就象钥匙和锁那样。也许核磁共振在工业中最重要的用途是用来寻找能够与指定生共振在工业中最重要的用途是用来寻找能够与指定生物大分子相互作用的潜在小分子药物。如果小分子能物大分子相互作用的潜在小分子药物。如果小分子能够与大分子作用，那么大分子的核磁共振谱图通常就够与大分子作用，那么大分子的核磁共振谱图通常就会发生变化。用这种方法可以在新药研发的早期对大会发生变化。用这种方法可以在新药研发的早期对大量的候选药物分子进行量的候选药物分子进行“筛选筛选”。 我们把我们把100多年来诺贝尔化学奖的获奖项目进行多年来诺贝尔化学奖的获奖项目进行了分类整理和统计分析，从中可以看到波谱分析在了分类整理和统计分析，从中可以看到波谱分析在化学、生物研究领域内的发展中的作用化学、生物研究领域内的发展中的作用。直接或间直接或间接地与波谱分析相关的获奖项目如下：接地与波谱分析相关的获奖项目如下： 波谱分析与诺贝尔化学奖波谱分析与诺贝尔化学奖1902 HERMANN EMIL FISCHER(1852-1919,德国柏德国柏林大学林大学)他在糖和嘌呤衍生物合成上的特殊贡献他在糖和嘌呤衍生物合成上的特殊贡献得到认可。得到认可。1907 EDUARD BUCHNER(1860-1917,德国柏林农业德国柏林农业大学大学)因为他的生物化学研究和发现无细胞发酵因为他的生物化学研究和发现无细胞发酵现象。现象。1915 RICHARD MARTIN WILLSTATTER(1872-1942,德国慕尼黑大学德国慕尼黑大学)因为他在植物色素，特别因为他在植物色素，特别是叶绿素方面的研究。是叶绿素方面的研究。1918 F. HABER(1868-1934,德国德国Kaiser-Wilhelm 研究研究所所)因为他发明了工业合成氨的方法。因为他发明了工业合成氨的方法。1923 FRITZ PREGL(1869-1930,奥地利奥地利Graz大学大学) 因因为他发明了有机化合物的微量分析方法。为他发明了有机化合物的微量分析方法。1926 THE(THEODOR) SVEDBERG(1884-1971,瑞典瑞典Uppsala大学大学)因为他在分离体系方面的研究。因为他在分离体系方面的研究。1927 H. O. WIELAND(1877-1957,德国慕尼黑大学德国慕尼黑大学)因为因为他在胆汁酸与相关物质构成方面的研究。他在胆汁酸与相关物质构成方面的研究。1928 ADOLF OTTO REINHOLD WINDAUS(1876-1959,德国德国Goettingen 大学大学)表彰他在研究固醇类成分及表彰他在研究固醇类成分及其与维生素关系上作出的贡献。其与维生素关系上作出的贡献。1929 Sir ARTHUR HARDEN(1865-1940,英国伦敦大学英国伦敦大学)、HANS KARL AUGUST SIMON VON EULER-CHELPIN (1873-1964, 瑞典斯德哥尔摩大学瑞典斯德哥尔摩大学)因为因为他们在糖发酵和发酵酶类方面的研究。他们在糖发酵和发酵酶类方面的研究。1930 S. FISCHER(1881-1945,德国慕尼黑技术研究所德国慕尼黑技术研究所)因因为他在血红素成分和叶绿素成分方面的研究，特别为他在血红素成分和叶绿素成分方面的研究，特别是在血红素合成上的贡献。是在血红素合成上的贡献。1937 Sir WALTER NORMAN HAWORTH(1883-1950,英国伯明翰大学英国伯明翰大学)因为他在碳水化合物和维生素因为他在碳水化合物和维生素C方面的研究；方面的研究；PAUL KARRER(1889-1971,瑞士瑞士苏黎世大学苏黎世大学)因为他在类胡萝卜素、核黄素、维因为他在类胡萝卜素、核黄素、维生素生素A和和B2方面的研究。方面的研究。1938 RICHARD KUHN(1900-1967,德国海德堡大学德国海德堡大学和德国和德国Kaiser-Wilhelm研究所研究所)表彰他在类胡萝表彰他在类胡萝卜素和维生素方面的研究。卜素和维生素方面的研究。1939 ADOLF FRIEDRICH JOHANN BUTE-NANDT(1903-1995,德国柏林大学和德国德国柏林大学和德国Kaiser-Wilhelm研究所研究所)表彰他在性激素方面的工作；表彰他在性激素方面的工作；LEOPOLD RUZICKA(1887-1976,瑞士联邦技术瑞士联邦技术研究所研究所)表彰他在聚亚甲基和高级萜烯方面的工表彰他在聚亚甲基和高级萜烯方面的工作。作。1943 GEORGE DE HEVESY(1885-1966, 瑞典斯德哥瑞典斯德哥尔摩大学尔摩大学)表彰他在利用同位素作为化学研究中表彰他在利用同位素作为化学研究中的示踪原子方面的工作。的示踪原子方面的工作。1945 ARTTURI ILMARI VIRTANEN(1895-1973,芬芬兰赫尔辛基大学兰赫尔辛基大学) 表彰他在农业和营养化学，特表彰他在农业和营养化学，特别是饲料保藏方法方面的研究和发明。别是饲料保藏方法方面的研究和发明。1946 JAMES BATCHELLER SUMNER(1887-1955,美国美国Cornell大学大学)因为他发现了酶能够结晶；因为他发现了酶能够结晶；JOHN HOWARD NORTHROP(1891-1987,美国美国洛 克 菲 勒 医 学 研 究 所洛 克 菲 勒 医 学 研 究 所 ) 、 W E N D E L L MEREDITH STANLEY(1904-1971,美国洛克菲美国洛克菲勒医学研究所勒医学研究所) 因为他们制备了纯净状态的酶和因为他们制备了纯净状态的酶和病毒蛋白质。病毒蛋白质。1947 Sir ROBERT ROBINSON(1886-1975,英国牛津英国牛津大学大学)表彰他在有关植物产品的生物价值，特别表彰他在有关植物产品的生物价值，特别是在生物碱价值方面的研究。是在生物碱价值方面的研究。 1948 ARNE WILHELM KAURIN TISELIUS(1902-1971,瑞典瑞典Uppsala大学大学)表彰他在电泳和吸附分表彰他在电泳和吸附分析方面的研究，特别是在血清蛋白的复杂性上的析方面的研究，特别是在血清蛋白的复杂性上的发现。发现。1952 ARCHER JOHN PORTER MARTIN(1910-,英国英国国立医学研究所国立医学研究所)、RICHARD LAU-RENCE MILLINGTON SYNGE(1914-1994,英国英国Rowett研究所研究所)因为他们发明了分配色谱法。因为他们发明了分配色谱法。1953 HERMANN STAUDINGER(1881-1965,德国德国Freiburg大学和国立大分子化学研究所大学和国立大分子化学研究所) 因为他因为他开创了大分子化学研究领域。开创了大分子化学研究领域。1954 LINUS CARL PAULING(1901-1994,美国加州理美国加州理工学院工学院) 表彰他在有关化学键本质及其应用于解表彰他在有关化学键本质及其应用于解释复合物结构方面的研究。释复合物结构方面的研究。1955 VINCENT DU VIGNEAUD(1901-1978,美国美国Cornell大学大学) 表彰他对在生化方面具有重要性的表彰他对在生化方面具有重要性的硫化物的研究，特别是首次合成了多肽激素。硫化物的研究，特别是首次合成了多肽激素。1957 Lord ALEXANDER R TODD(1907-1997,英国剑英国剑桥大学桥大学)表彰他在研究核苷酸和核苷酸辅酶上的表彰他在研究核苷酸和核苷酸辅酶上的成绩。成绩。1958 FREDERICK SANGER(1918-,英国剑桥大学英国剑桥大学)表表彰他在蛋白质结构，特别是胰岛素结构方面的工彰他在蛋白质结构，特别是胰岛素结构方面的工作。作。1961 MELVIN CADVIN(1911-,美国加州大学美国加州大学)表彰他表彰他在研究植物的二氧化碳吸收方面取得的成绩。在研究植物的二氧化碳吸收方面取得的成绩。1962 MAX FERDINAND PERUTZ(1914-,英国剑桥英国剑桥分子生物学实验室分子生物学实验室)、Sir JOHN COWDERY KENDREW(1917-1997, 英国剑桥分子生物学英国剑桥分子生物学实验室实验室)表彰他们在研究球蛋白结构上取得的成表彰他们在研究球蛋白结构上取得的成绩。绩。1964 DOROTHY CROWFOOT HODGKIN(1910-1994,英国皇家协会，牛津大学英国皇家协会，牛津大学)因为她用因为她用X射线射线技术来确定重要生化物质的结构。技术来确定重要生化物质的结构。1970 LUIS F LELOIR(1906-1987,阿根廷布宜诺斯艾阿根廷布宜诺斯艾利斯生物化学研究所利斯生物化学研究所)因为他发现了糖核苷酸及因为他发现了糖核苷酸及其在碳水化合物生物合成中的作用。其在碳水化合物生物合成中的作用。1972 CHRISTIAN B ANFINSEN(1916-1995,美国国立美国国立卫生研究院卫生研究院)因为他在核糖核酸酶，特别是氨基酸因为他在核糖核酸酶，特别是氨基酸序列和生物活性结构之间的联系上的研究；序列和生物活性结构之间的联系上的研究；STAN-FORD MOORE(1913-1982,美国洛克菲勒大学美国洛克菲勒大学)、WILLIAM H STEIN(1911-1980, 美国洛克菲勒大美国洛克菲勒大学学)表彰他们对核糖核酸酶分子活性中心的化学结表彰他们对核糖核酸酶分子活性中心的化学结构与催化活动之间关系的认识。构与催化活动之间关系的认识。1975 Sir JOHN WARCUP CORNFORTH(1917-,英国英国Sussex大学大学)表彰他在酶催化反应的立体化学方面表彰他在酶催化反应的立体化学方面的研究；的研究；VLADIMIR PRELOG(1906-,瑞士工业大瑞士工业大学学)表彰他在有机分子立体化学和反应方面的研究。表彰他在有机分子立体化学和反应方面的研究。 1978 PETER D. MITCHELL(1920-1992,英国格林研究英国格林研究所所)表彰他通过化学渗透理论公式来认识生物能量表彰他通过化学渗透理论公式来认识生物能量转移过程。转移过程。1980 PAUL BERG(1926-,美国斯旦福大学美国斯旦福大学)因为他对核因为他对核酸生化特性的基础研究，特别是对重组酸生化特性的基础研究，特别是对重组DNA的的研究；研究；WALTER GILBERT(1932-,美国坎布里奇美国坎布里奇生物实验室生物实验室)、FREDERICK SANGER(1918-,英英国剑桥医学研究协会分子生物学实验室国剑桥医学研究协会分子生物学实验室)因为他因为他们在核酸碱基序列确定方面的贡献。们在核酸碱基序列确定方面的贡献。 1982 Sir AARON KLUG(1926-,英国剑桥医学研究协英国剑桥医学研究协会分子生物学实验室会分子生物学实验室)因为他开发了电子显微镜因为他开发了电子显微镜晶体图，并且在结构上阐述核酸晶体图，并且在结构上阐述核酸-蛋白质复合体蛋白质复合体在生物学中的重要性。在生物学中的重要性。1984 ROBERT BRUCE MERRIFIELD(1921-,美国洛美国洛克菲勒大学克菲勒大学)因为他开发了化学固相合成方法。因为他开发了化学固相合成方法。1988JOHANN DEISENHOFER(1943-,联邦德国联邦德国Howard Hughes 医学研究所和美国德克萨斯大学西南医学中心生医学研究所和美国德克萨斯大学西南医学中心生物化学研究室物化学研究室)、ROBERT HUBER(1937-,联邦德国马普联邦德国马普生物化学学院生物化学学院) 、HARTMUT MICHEL(1948,联邦德国联邦德国马普生物物理学学院马普生物物理学学院)表彰他们对光合反应中心的三维结表彰他们对光合反应中心的三维结构的确定。构的确定。1989SIDNEY ALTMAN(1939-,美国耶鲁大学美国耶鲁大学)、THOMAS R CECH(1947-,美国科罗拉多大学美国科罗拉多大学)表彰他们发现了表彰他们发现了RNA的的催化特性。催化特性。 1991RICHARD R ERNST(1933-,瑞士工业大学瑞士工业大学)表彰他在高表彰他在高分辨核磁共振波谱学分析方法的发展上作出的贡献。分辨核磁共振波谱学分析方法的发展上作出的贡献。1993KARY B MULLIS(1944-,美国加州拉霍亚美国加州拉霍亚)表彰他发明了表彰他发明了PCR(聚合酶链式反应聚合酶链式反应)方法；方法；MICHAEL SMITH(1932-,加拿大温哥华大不列颠哥伦比亚大学加拿大温哥华大不列颠哥伦比亚大学)表彰他对建立寡核表彰他对建立寡核苷酸碱基位点直接突变并且用以研究蛋白质方面所作的苷酸碱基位点直接突变并且用以研究蛋白质方面所作的重要贡献重要贡献。1997 PAUL D BOYER(1918-,美国加州大学美国加州大学) 、JOHN E WALKER(英国剑桥医学研究协会分子英国剑桥医学研究协会分子生物学实验室生物学实验室)因为他们阐明了催化因为他们阐明了催化ATP合成的合成的酶学机制；酶学机制；JENS C SKOU(1918-,丹麦丹麦Aarhus大大学学)因为他第一个发现离子转运酶因为他第一个发现离子转运酶,Na+,K+-ATPase。 2001 WILLIAM S KNOWLES(1917-,美国密苏里州美国密苏里州孟山都公司孟山都公司) 、RYOJI NOYORI(1938-,日本名日本名古屋大学古屋大学)因为他们发现手性催化的还原反应；因为他们发现手性催化的还原反应；K BARRY SHARPLESS(1941-,美国美国Scripps研究研究所所)因为他发现手性催化的氧化反应。因为他发现手性催化的氧化反应。2002 JohnBFenn（美国），（美国）， KoIchi Tanaka（日（日本），本）， Kort Wuthrich（瑞士）质谱与核磁共振（瑞士）质谱与核磁共振技术加快了生命科学研究的步伐。技术加快了生命科学研究的步伐。