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2019-11-29核磁共振的前世今生與未來
600 期
Author 作者
周三和／臺灣師範大學化學學士，臺大生化碩士及美國西雅圖華盛頓大學化學博士，發表超過140篇研究論文、評論和書籍。
長期以來，核磁共振被認為是鑑定有機小分子，如中草藥成份或其它天然物分子結構一個不可或缺的工具。只是利用過去傳統的一維核磁共振技術，如化學位移及耦合常數等，所能解析的有機分子結構一般分子量都小於一千道爾頓（Dalton, Da），大大限制了此技術用於生物大分子結構解的能力。但是隨著各種軟硬體的發展，大部份的問題都已獲得解決。而高解析核磁共振學已被成功運用於生物大分子的結構解析，大幅度增進核磁共振學在現代科學技術上的應用。
因此，2002年諾貝爾獎委員會決定授予瑞士蘇黎世聯邦理工學院（ETH Zürich）的沃斯里希諾貝爾化學獎，因為他開發出一系列「利用多維核磁共振光譜學研究溶液中生物大分子的三維結構」的技術。目前此方法廣泛用於結構生物學，以解析溶液中生物大分子的空間結構，特別是蛋白質與核酸。
核磁共振的濫觴
核磁共振的物理現象首次在1946年由布洛赫（Felix Bloch）與珀塞爾（Edward Purcell）的研究小組發現， 其原理是基於某些核的磁性，如在生化大分子中代表性最強的質子氫（1H）、同位素碳（13C）和氮（15N）原子，當它們被置於一個外加磁場中時，這些原子核除了自轉外，亦能沿著磁場軸方向產生公轉，並具有順磁與逆磁二種特性，而產生一定的能量差（順磁原子能量較低，而逆磁原子能量較高）。此種關係有如地球與太陽之間的引力關係，即地球除了自轉外，亦須沿著太陽公轉，才能免於地球被太陽的重力吸引而產生碰撞。有趣的是，當額外加入一外加頻率時（其能量與此原子核在該外加磁場下的順磁與逆磁能量差相當），這些元素就會產生共振現象，而順磁原子可吸收此一定能量而變成逆磁，進而達到順磁與逆磁的原子數目相等。
因此科學家們可利用此一外加能量的頻率，來探測這些原子的特徵旋轉頻率。由於原子的共振頻率不僅取決於磁場的強弱，還取決於它們所在的化學環境的不同，如化學位移（chemical shift）。此外，分子不同核之間，如質子的自旋會產生干擾，從而產生可用於解析生化大分子結構上的重要參數，如化學位移、耦合常數（scalar coupling constant）及歐佛豪瑟核效應頻譜（nuclear overhauser effect, NOE）〔註一〕，這些參數則是使用 高解析核磁共振技術建立生化大分子結構的基礎。
核磁共振所面臨的難題
利用核磁共振研究生化大分子結構解析面臨一些重大的挑戰，如生化大分子的原子數目太多造成光譜重疊度太大，使敏感度（sensitivity）及光譜分辨率（resolution）不佳，所以個別的原子無法被循序判讀（sequential assignment）的技術定位。而重疊度太大的原因主要有兩個，其一為生化大分子的質子數目極多，對一個擁有約300個胺基酸的蛋白質來說，它本身就有將近1000個氫質子，而當這些眾多的氫原子的吸收頻率都位於10 ppm（百萬分點濃度）之中時，可想像光譜重疊度的嚴重性。
另外一個雪上加霜的缺點為，一個生化大分子的分子量動輒50000 Da以上，質量是500 Da小分子的1000 倍以上，造成其光譜線半峰全寬（full width at half maximum, FWHM）大量擴大。所以當兩效應加成以後，一般蛋白質分子的核磁共振光譜就顯得極其寬廣無章，無法偵測出個別原子的吸收位置及頻率，從而造成利用核磁共振研究生化大分子結構的一大難題。……【更多內容請閱讀科學月刊第600期】