核磁新技術的光輝 
—— 熱烈祝賀庫爾特·維特里希榮獲2002年諾貝爾化學獎 

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年諾貝爾化學獎的時刻，談一談核磁共振新技術顯得特別有意義。瑞士科學家?guī)鞝柼亍ぞS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無機化學博士學位，從1980年起擔任瑞士蘇黎世聯(lián)邦高等工業(yè)大學（ETH）的分子生物物理學教授，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測定溶液中生物大分子三維結構的方法”而獲得2002年諾貝爾化學獎。瑞士科學家?guī)鞝柼亍ぞS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和蛋白質在內的生物大分子，“看清”它們的真面目曾經(jīng)是科學家的夢想。如今這一夢想已成為現(xiàn)實。２００２年諾貝爾化學獎表彰的就是這一領域的兩項成果。 

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

質譜分析法是化學領域中非常重要的一種分析方法。它通過測定分子質量和相應的離子電荷實現(xiàn)對樣品中分子的分析。 

美國科學家約翰·芬恩與日本科學家田中耕一發(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)明奠定了科學家對生物大分子進行進一步分析的基礎。 
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。科學家在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構。這種技術已經(jīng)廣泛地應用到醫(yī)學診斷領域。 

不過，*初科學家只能將這種方法用于分析小分子的結構，因為生物大分子非常復雜，分析起來難度很大。瑞士科學家?guī)鞝柼亍ぞS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構來比喻：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構。維特里希選擇生物大分子中的質子（氫原子核）作為測量對象，連續(xù)測定所有相鄰的兩個質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構圖。 

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

*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，生命科學和生物技術進入后基因組時代。這一時代的重點課題是破譯基因的功能，破譯蛋白質的結構和功能，破譯基因怎樣控制合成蛋白質，蛋白質又是怎樣發(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”它們的結構非常重要。專家認為，在未來２０年內，生物技術將蓬勃發(fā)展，很可能成為繼信息技術之后推動經(jīng)濟發(fā)展和社會進步的主要動力，由這３位諾貝爾化學獎得主發(fā)明的“對生物大分子進行確認和結構分析的方法”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的共振峰分開，以便進行分析和確定結構。隨著核磁技術的發(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。 
高場核磁譜儀的關鍵首先是磁體，布魯克公司是世界上能生產900兆超導磁體的為數(shù)不多的廠家，并在技術上居地位。布魯克公司使用了的超導材料，特有的超導焊接技術，磁體超穩(wěn)定技術，即工作溫度為2K的雙冷卻技術和高超的杜瓦制造技術確保了磁場的穩(wěn)定度（包括*小的場漂移）、均勻度和*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ETH、德國法蘭克福大學和慕尼黑大學。 
核磁共振在生物大分子上的應用，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*佳的核磁參數(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（± 1 MHz），引入鎖場的化學位移偏移（± 200 ppm），保證了不同溶劑時，可以鎖在同一磁場上，使*佳勻場值基本不變，而且譜儀可根據(jù)實驗所用溶劑自動校正化學位移，不需TMS作標準， 如果超導磁場多年后漂移超出磁場可調范圍， 就可以用改變氘頻率和觀察核的頻率來解決，而不需調超導磁場， 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*佳的效果，提高了抗外來磁干擾的能力，保證了磁場的長期穩(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，開關時間為 50 ns，保證了成形脈沖的精度。布魯克公司的自動調諧匹配探頭（ATM）， 實現(xiàn)了全自動調諧匹配，簡化了調諧匹配手續(xù)，保證了90度和180度脈沖的正確設定，從而保證了不同樣品都得到*佳匹配，獲得*佳質量的譜圖（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核磁譜儀具有獨特的功能，以滿足用戶的不同需要。繼1991年諾貝爾化學獎得主理查德·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·維特里希教授應用布魯克公司的儀器所得到的結果，是布魯克公司的核磁譜儀支持世界上*前沿的科研工作的又一個的證明。我們相信，隨著核磁技術的發(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，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不變， 一樣配有梯度場。但當線圈冷卻到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。卓越的技術帶來優(yōu)異的成果。布魯克的超低溫探頭受到了核磁界的極大青睞，兩三年內全球已有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！ 
隨著核磁共振應用的發(fā)展，核磁技術的發(fā)展是飛速的，核磁技術的發(fā)展又更拓展了核磁的應用，我們相信：核磁共振技術必將為人類的進步作出更加輝煌的貢獻。 







核磁新技術的光輝 
—— 熱烈祝賀庫爾特·維特里希榮獲2002年諾貝爾化學獎 
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年諾貝爾化學獎的時刻，談一談核磁共振新技術顯得特別有意義。瑞士科學家?guī)鞝柼亍ぞS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無機化學博士學位，從1980年起擔任瑞士蘇黎世聯(lián)邦高等工業(yè)大學（ETH）的分子生物物理學教授，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測定溶液中生物大分子三維結構的方法”而獲得2002年諾貝爾化學獎。瑞士科學家?guī)鞝柼亍ぞS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和蛋白質在內的生物大分子，“看清”它們的真面目曾經(jīng)是科學家的夢想。如今這一夢想已成為現(xiàn)實。２００２年諾貝爾化學獎表彰的就是這一領域的兩項成果。 

這兩項成果一項是美國科學家約翰·芬恩與日本科學家田中耕一“發(fā)明了對生物大分子的質譜分析法”；另一項是瑞士科學家?guī)鞝柼亍ぞS特里�！鞍l(fā)明了利用核磁共振技術測定溶液中生物大分子三維結構的方法”。 

質譜分析法是化學領域中非常重要的一種分析方法。它通過測定分子質量和相應的離子電荷實現(xiàn)對樣品中分子的分析。 

美國科學家約翰·芬恩與日本科學家田中耕一發(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)明奠定了科學家對生物大分子進行進一步分析的基礎。 
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�？茖W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構。這種技術已經(jīng)廣泛地應用到醫(yī)學診斷領域。 

不過，*初科學家只能將這種方法用于分析小分子的結構，因為生物大分子非常復雜，分析起來難度很大。瑞士科學家?guī)鞝柼亍ぞS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構來比喻：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構。維特里希選擇生物大分子中的質子（氫原子核）作為測量對象，連續(xù)測定所有相鄰的兩個質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構圖。 

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

*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，生命科學和生物技術進入后基因組時代。這一時代的重點課題是破譯基因的功能，破譯蛋白質的結構和功能，破譯基因怎樣控制合成蛋白質，蛋白質又是怎樣發(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”它們的結構非常重要。專家認為，在未來２０年內，生物技術將蓬勃發(fā)展，很可能成為繼信息技術之后推動經(jīng)濟發(fā)展和社會進步的主要動力，由這３位諾貝爾化學獎得主發(fā)明的“對生物大分子進行確認和結構分析的方法”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的共振峰分開，以便進行分析和確定結構。隨著核磁技術的發(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。 
高場核磁譜儀的關鍵首先是磁體，布魯克公司是世界上能生產900兆超導磁體的為數(shù)不多的廠家，并在技術上居地位。布魯克公司使用了的超導材料，特有的超導焊接技術，磁體超穩(wěn)定技術，即工作溫度為2K的雙冷卻技術和高超的杜瓦制造技術確保了磁場的穩(wěn)定度（包括*小的場漂移）、均勻度和*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ETH、德國法蘭克福大學和慕尼黑大學。 
核磁共振在生物大分子上的應用，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*佳的核磁參數(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（± 1 MHz），引入鎖場的化學位移偏移（± 200 ppm），保證了不同溶劑時，可以鎖在同一磁場上，使*佳勻場值基本不變，而且譜儀可根據(jù)實驗所用溶劑自動校正化學位移，不需TMS作標準， 如果超導磁場多年后漂移超出磁場可調范圍， 就可以用改變氘頻率和觀察核的頻率來解決，而不需調超導磁場， 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*佳的效果，提高了抗外來磁干擾的能力，保證了磁場的長期穩(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，開關時間為 50 ns，保證了成形脈沖的精度。布魯克公司的自動調諧匹配探頭（ATM）， 實現(xiàn)了全自動調諧匹配，簡化了調諧匹配手續(xù)，保證了90度和180度脈沖的正確設定，從而保證了不同樣品都得到*佳匹配，獲得*佳質量的譜圖（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核磁譜儀具有獨特的功能，以滿足用戶的不同需要。繼1991年諾貝爾化學獎得主理查德·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·維特里希教授應用布魯克公司的儀器所得到的結果，是布魯克公司的核磁譜儀支持世界上*前沿的科研工作的又一個的證明。我們相信，隨著核磁技術的發(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，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不變， 一樣配有梯度場。但當線圈冷卻到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。卓越的技術帶來優(yōu)異的成果。布魯克的超低溫探頭受到了核磁界的極大青睞，兩三年內全球已有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！ 
隨著核磁共振應用的發(fā)展，核磁技術的發(fā)展是飛速的，核磁技術的發(fā)展又更拓展了核磁的應用，我們相信：核磁共振技術必將為人類的進步作出更加輝煌的貢獻。