核磁新技術(shù)的光輝 
—— 熱烈祝賀庫爾特·維特里希榮獲2002年諾貝爾化學(xué)獎 

瑞士布魯克公司北京代表處 

值此歡慶庫爾特·維特里希（Prof. Kurt·Wuethrich）教授榮獲2002年諾貝爾化學(xué)獎的時刻，談一談核磁共振新技術(shù)顯得特別有意義。瑞士科學(xué)家?guī)鞝柼?middot;維特里希教授1938年生于瑞士阿爾貝格，1964年獲瑞士巴塞爾大學(xué)無機化學(xué)博士學(xué)位，從1980年起擔(dān)任瑞士蘇黎世聯(lián)邦高等工業(yè)大學(xué)（ETH）的分子生物物理學(xué)教授，還任美國加利福尼亞州拉霍亞市斯克里普斯研究所客座教授。因“發(fā)明了利用核磁共振技術(shù)測定溶液中生物大分子三維結(jié)構(gòu)的方法”而獲得2002年諾貝爾化學(xué)獎。瑞士科學(xué)家?guī)鞝柼?middot;維特里希擁有布魯克多臺高場核磁共振譜儀，特別是擁有布魯克世界的900兆核磁共振譜儀。 
所有生物都含有包括ＤＮＡ和蛋白質(zhì)在內(nèi)的生物大分子，“看清”它們的真面目曾經(jīng)是科學(xué)家的夢想。如今這一夢想已成為現(xiàn)實。２００２年諾貝爾化學(xué)獎表彰的就是這一領(lǐng)域的兩項成果。 

這兩項成果一項是美國科學(xué)家約翰·芬恩與日本科學(xué)家田中耕一“發(fā)明了對生物大分子的質(zhì)譜分析法”；另一項是瑞士科學(xué)家?guī)鞝柼?middot;維特里希“發(fā)明了利用核磁共振技術(shù)測定溶液中生物大分子三維結(jié)構(gòu)的方法”。 

質(zhì)譜分析法是化學(xué)領(lǐng)域中非常重要的一種分析方法。它通過測定分子質(zhì)量和相應(yīng)的離子電荷實現(xiàn)對樣品中分子的分析。 

美國科學(xué)家約翰·芬恩與日本科學(xué)家田中耕一發(fā)明了殊途同歸的兩種方法。約翰·芬恩對成團的生物大分子施加強電場，田中耕一則用激光轟擊成團的生物大分子。這兩種方法都成功地使生物大分子相互完整地分離，同時也被電離。它們的發(fā)明奠定了科學(xué)家對生物大分子進行進一步分析的基礎(chǔ)。 
如果說*項成果解決了“看清”生物大分子“是誰”的問題，那么第二項成果則解決了“看清”生物大分子“是什么樣子”的問題。 

第二項成果涉及核磁共振技術(shù)?？茖W(xué)家在１９４５年發(fā)現(xiàn)磁場中的原子核會吸收一定頻率的電磁波，這就是核磁共振現(xiàn)象。由于不同的原子核吸收不同的電磁波，因而通過測定和分析受測物質(zhì)對電磁波的吸收情況就可以判定它含有哪種原子，原子之間的距離多大，并據(jù)此分析出它的三維結(jié)構(gòu)。這種技術(shù)已經(jīng)廣泛地應(yīng)用到醫(yī)學(xué)診斷領(lǐng)域。 

不過，zui初科學(xué)家只能將這種方法用于分析小分子的結(jié)構(gòu)，因為生物大分子非常復(fù)雜，分析起來難度很大。瑞士科學(xué)家?guī)鞝柼?middot;維特里希發(fā)明了一種新方法，這種方法的原理可以用測繪房屋的結(jié)構(gòu)來比喻：我們首先選定一座房屋的所有拐角作為測量對象，然后測量所有相鄰拐角間的距離和方位，據(jù)此就可以推知房屋的結(jié)構(gòu)。維特里希選擇生物大分子中的質(zhì)子（氫原子核）作為測量對象，連續(xù)測定所有相鄰的兩個質(zhì)子之間的距離和方位，這些數(shù)據(jù)經(jīng)計算機處理后就可形成生物大分子的三維結(jié)構(gòu)圖。 

這種方法的優(yōu)點是可對溶液中的蛋白質(zhì)進行分析，進而可對活細胞中的蛋白質(zhì)進行分析，能獲得“活”蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)，其意義非常重大。１９８５年，科學(xué)家利用這種方法*次繪制出蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)。目前，科學(xué)家已經(jīng)利用這一方法繪制出１５－２０％的已知蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)。 

zui近兩年來，人類基因組圖譜、水稻基因組草圖以及其他一些生物基因組圖譜破譯成功后，生命科學(xué)和生物技術(shù)進入后基因組時代。這一時代的重點課題是破譯基因的功能，破譯蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)和功能，破譯基因怎樣控制合成蛋白質(zhì)，蛋白質(zhì)又是怎樣發(fā)揮生理作用等。在這些課題中，判定生物大分子的身份，“看清”它們的結(jié)構(gòu)非常重要。專家認(rèn)為，在未來２０年內(nèi)，生物技術(shù)將蓬勃發(fā)展，很可能成為繼信息技術(shù)之后推動經(jīng)濟發(fā)展和社會進步的主要動力，由這３位諾貝爾化學(xué)獎得主發(fā)明的“對生物大分子進行確認(rèn)和結(jié)構(gòu)分析的方法”將在今后繼續(xù)發(fā)揮重要作用。 

而核磁共振譜儀在生物大分子研究方面應(yīng)用中的一大要求就是高場，其優(yōu)點不僅提高了靈敏度，更重要的是增大化學(xué)位移的赫茨數(shù)，將低場時密集在一起的不同立體位置上的核對應(yīng)的共振峰分開，以便進行分析和確定結(jié)構(gòu)。隨著核磁技術(shù)的發(fā)展，庫爾特·維特里希教授的實驗室里全部使用了布魯克公司的*的核磁共振譜儀。從400兆、600兆到750兆，并在900兆核磁譜儀正式安裝前，使用了一段時間的800兆核磁譜儀。庫爾特·維特里希教授實驗室于2002年2月正式開始使用布魯克900兆核磁譜儀。 
高場核磁譜儀的關(guān)鍵首先是磁體，布魯克公司是世界上能生產(chǎn)900兆超導(dǎo)磁體的為數(shù)不多的廠家之一，并在技術(shù)上居地位。布魯克公司使用了的超導(dǎo)材料，*的超導(dǎo)焊接技術(shù)，磁體超穩(wěn)定技術(shù)，即工作溫度為2K的雙冷卻技術(shù)和高超的杜瓦制造技術(shù)確保了磁場的穩(wěn)定度（包括zui小的場漂移）、均勻度和zui小的液氦消耗。布魯克公司的900兆核磁共振譜儀在世界上已經(jīng)安裝并投入正常使用的已有4臺：美國SCRIPPS研究所、瑞士聯(lián)邦高等工業(yè)大學(xué)ETH、德國法蘭克福大學(xué)和慕尼黑大學(xué)。 
核磁共振在生物大分子上的應(yīng)用，要求譜儀有高穩(wěn)定度、高分辨率、高靈敏度、好線型和適合于各種特殊脈沖系列實驗要求的性能（如：成形發(fā)射脈沖、梯度場、多通道）。 這樣才能取得*的核磁參數(shù)。布魯克的 Avance 核磁譜儀是全數(shù)字化的譜儀，數(shù)字鎖、數(shù)字頻率和相位發(fā)生器、過速采樣、數(shù)字濾波、數(shù)字信號處理器、數(shù)字正交檢波、數(shù)字化的前置放大器、數(shù)字化的路由連接、數(shù)字化的變溫單元、數(shù)字梯度場等等大大提高了譜儀的性能。數(shù)字鎖的優(yōu)點：2H頻率可調(diào)（± 1 MHz），引入鎖場的化學(xué)位移偏移（± 200 ppm），保證了不同溶劑時，可以鎖在同一磁場上，使*勻場值基本不變，而且譜儀可根據(jù)實驗所用溶劑自動校正化學(xué)位移，不需TMS作標(biāo)準(zhǔn)， 如果超導(dǎo)磁場多年后漂移超出磁場可調(diào)范圍， 就可以用改變氘頻率和觀察核的頻率來解決，而不需調(diào)超導(dǎo)磁場， 如果出現(xiàn)特定的頻率強干擾，也可改變頻率來避開這種干擾；鎖通道采用雙通道正交檢波，提高了信噪比；引入傅立葉變換，能做到快速鎖定；用數(shù)字化的校正補償電壓，保證了*的效果，提高了抗外來磁干擾的能力，保證了磁場的*穩(wěn)定度，同時又保證了有脈沖梯度場時的鎖場穩(wěn)定。 過速采樣和數(shù)字濾波，提高了ADC的動態(tài)范圍；提高了靈敏度； 消除了折疊峰。數(shù)字正交檢波（DQD）又消除了鏡像峰和零頻泄漏。數(shù)字頻率和相位發(fā)生器（SGU），擴大了頻率范圍（3 – 1100 MHz），保證了頻率分辨率為0.005Hz，相位分辨率為0.006度，開關(guān)時間小于 300 ns，脈沖幅度的數(shù)字化控制，幅度控制范圍為90 db，分辨率為0.1 db，開關(guān)時間為 50 ns，保證了成形脈沖的精度。布魯克公司的自動調(diào)諧匹配探頭（ATM）， 實現(xiàn)了全自動調(diào)諧匹配，簡化了調(diào)諧匹配手續(xù)，保證了90度和180度脈沖的正確設(shè)定，從而保證了不同樣品都得到*匹配，獲得*質(zhì)量的譜圖（一維和多維）。其它一系列的數(shù)字化部件和的軟件，使布魯克的Avance核磁譜儀具有*的功能，以滿足用戶的不同需要。繼1991年諾貝爾化學(xué)獎得主理查德·恩斯特（Prof. Richard·Ernst）教授（使用的全部是布魯克的核磁共振譜儀）之后，庫爾特·維特里希教授應(yīng)用布魯克公司的儀器所得到的結(jié)果，是布魯克公司的核磁譜儀支持世界上zui前沿的科研工作的又一個的證明。我們相信，隨著核磁技術(shù)的發(fā)展，布魯克公司的核磁譜儀也將為科技界作出更多更大的貢獻！ 
由于一些生物樣品提取十分困難，而核磁譜儀本質(zhì)上是低靈敏度的儀器，所以如何提高核磁譜儀的靈敏度成為一個重大的課題。為此，人們作過許多努力，采取不少方法如：提高場強、去耦、進行累加、設(shè)計微量探頭等等。利用低溫減少熱噪聲，一向是提高信號噪聲比的方法，1999年布魯克公司克服了在機械設(shè)計十分精密的探頭上，將發(fā)射/接收線圈穩(wěn)定地保持低溫而讓樣品保持在室溫，又不能擴大探頭的體積，不能減低探頭的其它指標(biāo)，并且還加上自屏蔽的z方向的梯度場線圈，所遇到的種種困難，又推出了世界上*個超低溫探頭（配備有超低溫平臺， 同時冷卻前置放大器），使同一場強下的靈敏度提高3 - 4倍， 同時保持探頭的其它性能指標(biāo)不變， 一樣配有梯度場。但當(dāng)線圈冷卻到25K 以下時，樣品的溫度必須保持在室溫附近。超低溫探頭的冷卻是用閉環(huán)的液氦系統(tǒng)，無氦氣損耗。的技術(shù)帶來優(yōu)異的成果。布魯克的超低溫探頭受到了核磁界的*青睞，兩三年內(nèi)已有100多家用戶安裝并使用了這種探頭（其中在中國有兩家），進行著大量的、*的科研工作！ 
隨著核磁共振應(yīng)用的發(fā)展，核磁技術(shù)的發(fā)展是飛速的，核磁技術(shù)的發(fā)展又更拓展了核磁的應(yīng)用，我們相信：核磁共振技術(shù)必將為人類的進步作出更加輝煌的貢獻。 







核磁新技術(shù)的光輝 
—— 熱烈祝賀庫爾特·維特里希榮獲2002年諾貝爾化學(xué)獎 
魏 嘉 戴培麟 張建平 李維超 滕 斌 
瑞士布魯克公司北京代表處 

值此歡慶庫爾特·維特里希（Prof. Kurt·Wuethrich）教授榮獲2002年諾貝爾化學(xué)獎的時刻，談一談核磁共振新技術(shù)顯得特別有意義。瑞士科學(xué)家?guī)鞝柼?middot;維特里希教授1938年生于瑞士阿爾貝格，1964年獲瑞士巴塞爾大學(xué)無機化學(xué)博士學(xué)位，從1980年起擔(dān)任瑞士蘇黎世聯(lián)邦高等工業(yè)大學(xué)（ETH）的分子生物物理學(xué)教授，還任美國加利福尼亞州拉霍亞市斯克里普斯研究所客座教授。因“發(fā)明了利用核磁共振技術(shù)測定溶液中生物大分子三維結(jié)構(gòu)的方法”而獲得2002年諾貝爾化學(xué)獎。瑞士科學(xué)家?guī)鞝柼?middot;維特里希擁有布魯克多臺高場核磁共振譜儀，特別是擁有布魯克世界的900兆核磁共振譜儀。 
所有生物都含有包括ＤＮＡ和蛋白質(zhì)在內(nèi)的生物大分子，“看清”它們的真面目曾經(jīng)是科學(xué)家的夢想。如今這一夢想已成為現(xiàn)實。２００２年諾貝爾化學(xué)獎表彰的就是這一領(lǐng)域的兩項成果。 

這兩項成果一項是美國科學(xué)家約翰·芬恩與日本科學(xué)家田中耕一“發(fā)明了對生物大分子的質(zhì)譜分析法”；另一項是瑞士科學(xué)家?guī)鞝柼?middot;維特里希“發(fā)明了利用核磁共振技術(shù)測定溶液中生物大分子三維結(jié)構(gòu)的方法”。 

質(zhì)譜分析法是化學(xué)領(lǐng)域中非常重要的一種分析方法。它通過測定分子質(zhì)量和相應(yīng)的離子電荷實現(xiàn)對樣品中分子的分析。 

美國科學(xué)家約翰·芬恩與日本科學(xué)家田中耕一發(fā)明了殊途同歸的兩種方法。約翰·芬恩對成團的生物大分子施加強電場，田中耕一則用激光轟擊成團的生物大分子。這兩種方法都成功地使生物大分子相互完整地分離，同時也被電離。它們的發(fā)明奠定了科學(xué)家對生物大分子進行進一步分析的基礎(chǔ)。 
如果說*項成果解決了“看清”生物大分子“是誰”的問題，那么第二項成果則解決了“看清”生物大分子“是什么樣子”的問題。 

第二項成果涉及核磁共振技術(shù)?？茖W(xué)家在１９４５年發(fā)現(xiàn)磁場中的原子核會吸收一定頻率的電磁波，這就是核磁共振現(xiàn)象。由于不同的原子核吸收不同的電磁波，因而通過測定和分析受測物質(zhì)對電磁波的吸收情況就可以判定它含有哪種原子，原子之間的距離多大，并據(jù)此分析出它的三維結(jié)構(gòu)。這種技術(shù)已經(jīng)廣泛地應(yīng)用到醫(yī)學(xué)診斷領(lǐng)域。 

不過，zui初科學(xué)家只能將這種方法用于分析小分子的結(jié)構(gòu)，因為生物大分子非常復(fù)雜，分析起來難度很大。瑞士科學(xué)家?guī)鞝柼?middot;維特里希發(fā)明了一種新方法，這種方法的原理可以用測繪房屋的結(jié)構(gòu)來比喻：我們首先選定一座房屋的所有拐角作為測量對象，然后測量所有相鄰拐角間的距離和方位，據(jù)此就可以推知房屋的結(jié)構(gòu)。維特里希選擇生物大分子中的質(zhì)子（氫原子核）作為測量對象，連續(xù)測定所有相鄰的兩個質(zhì)子之間的距離和方位，這些數(shù)據(jù)經(jīng)計算機處理后就可形成生物大分子的三維結(jié)構(gòu)圖。 

這種方法的優(yōu)點是可對溶液中的蛋白質(zhì)進行分析，進而可對活細胞中的蛋白質(zhì)進行分析，能獲得“活”蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)，其意義非常重大。１９８５年，科學(xué)家利用這種方法*次繪制出蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)。目前，科學(xué)家已經(jīng)利用這一方法繪制出１５－２０％的已知蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)。 

zui近兩年來，人類基因組圖譜、水稻基因組草圖以及其他一些生物基因組圖譜破譯成功后，生命科學(xué)和生物技術(shù)進入后基因組時代。這一時代的重點課題是破譯基因的功能，破譯蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)和功能，破譯基因怎樣控制合成蛋白質(zhì)，蛋白質(zhì)又是怎樣發(fā)揮生理作用等。在這些課題中，判定生物大分子的身份，“看清”它們的結(jié)構(gòu)非常重要。專家認(rèn)為，在未來２０年內(nèi)，生物技術(shù)將蓬勃發(fā)展，很可能成為繼信息技術(shù)之后推動經(jīng)濟發(fā)展和社會進步的主要動力，由這３位諾貝爾化學(xué)獎得主發(fā)明的“對生物大分子進行確認(rèn)和結(jié)構(gòu)分析的方法”將在今后繼續(xù)發(fā)揮重要作用。 

而核磁共振譜儀在生物大分子研究方面應(yīng)用中的一大要求就是高場，其優(yōu)點不僅提高了靈敏度，更重要的是增大化學(xué)位移的赫茨數(shù)，將低場時密集在一起的不同立體位置上的核對應(yīng)的共振峰分開，以便進行分析和確定結(jié)構(gòu)。隨著核磁技術(shù)的發(fā)展，庫爾特·維特里希教授的實驗室里全部使用了布魯克公司的*的核磁共振譜儀。從400兆、600兆到750兆，并在900兆核磁譜儀正式安裝前，使用了一段時間的800兆核磁譜儀。庫爾特·維特里希教授實驗室于2002年2月正式開始使用布魯克900兆核磁譜儀。 
高場核磁譜儀的關(guān)鍵首先是磁體，布魯克公司是世界上能生產(chǎn)900兆超導(dǎo)磁體的為數(shù)不多的廠家之一，并在技術(shù)上居地位。布魯克公司使用了的超導(dǎo)材料，*的超導(dǎo)焊接技術(shù)，磁體超穩(wěn)定技術(shù)，即工作溫度為2K的雙冷卻技術(shù)和高超的杜瓦制造技術(shù)確保了磁場的穩(wěn)定度（包括zui小的場漂移）、均勻度和zui小的液氦消耗。布魯克公司的900兆核磁共振譜儀在世界上已經(jīng)安裝并投入正常使用的已有4臺：美國SCRIPPS研究所、瑞士聯(lián)邦高等工業(yè)大學(xué)ETH、德國法蘭克福大學(xué)和慕尼黑大學(xué)。 
核磁共振在生物大分子上的應(yīng)用，要求譜儀有高穩(wěn)定度、高分辨率、高靈敏度、好線型和適合于各種特殊脈沖系列實驗要求的性能（如：成形發(fā)射脈沖、梯度場、多通道）。 這樣才能取得*的核磁參數(shù)。布魯克的 Avance 核磁譜儀是全數(shù)字化的譜儀，數(shù)字鎖、數(shù)字頻率和相位發(fā)生器、過速采樣、數(shù)字濾波、數(shù)字信號處理器、數(shù)字正交檢波、數(shù)字化的前置放大器、數(shù)字化的路由連接、數(shù)字化的變溫單元、數(shù)字梯度場等等大大提高了譜儀的性能。數(shù)字鎖的優(yōu)點：2H頻率可調(diào)（± 1 MHz），引入鎖場的化學(xué)位移偏移（± 200 ppm），保證了不同溶劑時，可以鎖在同一磁場上，使*勻場值基本不變，而且譜儀可根據(jù)實驗所用溶劑自動校正化學(xué)位移，不需TMS作標(biāo)準(zhǔn)， 如果超導(dǎo)磁場多年后漂移超出磁場可調(diào)范圍， 就可以用改變氘頻率和觀察核的頻率來解決，而不需調(diào)超導(dǎo)磁場， 如果出現(xiàn)特定的頻率強干擾，也可改變頻率來避開這種干擾；鎖通道采用雙通道正交檢波，提高了信噪比；引入傅立葉變換，能做到快速鎖定；用數(shù)字化的校正補償電壓，保證了*的效果，提高了抗外來磁干擾的能力，保證了磁場的*穩(wěn)定度，同時又保證了有脈沖梯度場時的鎖場穩(wěn)定。 過速采樣和數(shù)字濾波，提高了ADC的動態(tài)范圍；提高了靈敏度； 消除了折疊峰。數(shù)字正交檢波（DQD）又消除了鏡像峰和零頻泄漏。數(shù)字頻率和相位發(fā)生器（SGU），擴大了頻率范圍（3 – 1100 MHz），保證了頻率分辨率為0.005Hz，相位分辨率為0.006度，開關(guān)時間小于 300 ns，脈沖幅度的數(shù)字化控制，幅度控制范圍為90 db，分辨率為0.1 db，開關(guān)時間為 50 ns，保證了成形脈沖的精度。布魯克公司的自動調(diào)諧匹配探頭（ATM）， 實現(xiàn)了全自動調(diào)諧匹配，簡化了調(diào)諧匹配手續(xù)，保證了90度和180度脈沖的正確設(shè)定，從而保證了不同樣品都得到*匹配，獲得*質(zhì)量的譜圖（一維和多維）。其它一系列的數(shù)字化部件和的軟件，使布魯克的Avance核磁譜儀具有*的功能，以滿足用戶的不同需要。繼1991年諾貝爾化學(xué)獎得主理查德·恩斯特（Prof. Richard·Ernst）教授（使用的全部是布魯克的核磁共振譜儀）之后，庫爾特·維特里希教授應(yīng)用布魯克公司的儀器所得到的結(jié)果，是布魯克公司的核磁譜儀支持世界上zui前沿的科研工作的又一個的證明。我們相信，隨著核磁技術(shù)的發(fā)展，布魯克公司的核磁譜儀也將為科技界作出更多更大的貢獻！ 
由于一些生物樣品提取十分困難，而核磁譜儀本質(zhì)上是低靈敏度的儀器，所以如何提高核磁譜儀的靈敏度成為一個重大的課題。為此，人們作過許多努力，采取不少方法如：提高場強、去耦、進行累加、設(shè)計微量探頭等等。利用低溫減少熱噪聲，一向是提高信號噪聲比的方法，1999年布魯克公司克服了在機械設(shè)計十分精密的探頭上，將發(fā)射/接收線圈穩(wěn)定地保持低溫而讓樣品保持在室溫，又不能擴大探頭的體積，不能減低探頭的其它指標(biāo)，并且還加上自屏蔽的z方向的梯度場線圈，所遇到的種種困難，又推出了世界上*個超低溫探頭（配備有超低溫平臺， 同時冷卻前置放大器），使同一場強下的靈敏度提高3 - 4倍， 同時保持探頭的其它性能指標(biāo)不變， 一樣配有梯度場。但當(dāng)線圈冷卻到25K 以下時，樣品的溫度必須保持在室溫附近。超低溫探頭的冷卻是用閉環(huán)的液氦系統(tǒng)，無氦氣損耗。的技術(shù)帶來優(yōu)異的成果。布魯克的超低溫探頭受到了核磁界的*青睞，兩三年內(nèi)已有100多家用戶安裝并使用了這種探頭（其中在中國有兩家），進行著大量的、*的科研工作！ 
隨著核磁共振應(yīng)用的發(fā)展，核磁技術(shù)的發(fā)展是飛速的，核磁技術(shù)的發(fā)展又更拓展了核磁的應(yīng)用，我們相信：核磁共振技術(shù)必將為人類的進步作出更加輝煌的貢獻。