核磁共振(NMR)的過去,現在和將來

物理學、諾貝爾獎以及目前正在解決過程化學、生物醫學和藥物開發以及食品和環境安全問題技術的出現。

布魯克拜厄斯賓有限公司(Bruker BioSpin)副總裁 Clemens Anklin 博士

　　最近一項關於製藥發現-科學家尋找下一種新型暢銷藥使用方法的調查顯示，核磁共振(NMR)波譜技術在基於片段的先導化合物發現(1)中佔據主導地位。此外，調查食品欺詐的工作人員使用 NMR 技術鑑定了仿製奶酪和冰淇淋等產品中牛奶脂肪和/或牛奶蛋白被替換為成本更低的非牛奶成分，如大豆、澱粉或植物油(2)。

　　近60年前，當 Günther Laukien 博士(現任布魯克 CEO 之父)在1958年的《物理學百科全書》(3)上發表了他的重要論文《高頻核磁波譜學》，他和其他先驅們一起建造了他們的第一批儀器，現代 NMR 應用將遠遠超出他們的想像。

　　本文回顧了這項技術創造者們的工作，並對推動 NMR 技術發展到今天這一地位的關鍵進展進行了反思——科學家們將其作為首選技術尋找一種信息豐富、無損的分析工具來揭示固體或液體樣品中分子的結構、特徵、濃度和行為。

　　在初期

　　NMR與建立該領域的兩家主要公司-布魯克和瓦裡安-的早期發展是不可分割的。Günther Laukien 在圖賓根大學學習物理，1952年搬到斯圖加特的實驗物理研究所工作。致力於 NMR 技術，他在核磁共振波譜學方面進行博士後研究，並在1958年發表了關於高頻核磁共振的開創性論文。論文描述了當時已知的理論方面，同時也涵蓋了構建實驗系統的實際考慮。1960年，他被任命為卡爾斯魯厄大學實驗物理學教授。

　　瓦裡安公司成立於1948年，由史丹福大學的科學家在斯坦福工業園區內成立。該公司的早期目標之一是將 Felix Bloch 於1946年共同發現的核磁共振波譜技術商業化。隨後，Edward M.Purcel 和 Felix Bloch 因這項工作獲1952年諾貝爾物理學獎。

　　在 Laukien 研究的同時，瓦裡安公司開始建造第一臺商用高解析度譜儀。在連續波掃描方法和電磁鐵的基礎上，設計用於分析化學。Laukien 意識到這項技術的強大之處，也看到了脈衝譜儀的市場需求，但目前還沒有商業化的設備。他著手建立自己的公司來滿足這一需要，於1960年成立布魯克物理公司。

　　這兩家公司之間的激烈競爭推動了許多 NMR 技術的早期發展和創新。有關關鍵裡程碑的摘要，請參見下面的時間圖解。

　　從專家到日常

　　經過近30年的發展，NMR 已成為一種成熟的技術，並得到了廣泛應用;在有機化學領域，幾乎沒有一篇論文不報導 NMR 數據。

　　接下來，讓我們來看看這些初始系統的發展，可以確定發展到今天這些系統的三個關鍵領域：更高的磁體場強，以提高靈敏度;探頭技術改進和新設計以提高性能;以及計算機能力的迅速提高使軟體得以開發，簡化數據處理，並向非專業人士開放這項技術。下面的時間圖解突出顯示了「第二波」發展中的一些關鍵裡程碑。有趣的是，一些 NMR 的先行者和早期採用者就這項技術從1980年到2010年的幾十年間的發展進行了個人敘述和回顧，提供了大量吸引人的見解(4、5和6)。

　　挑戰極限-關注點是什麼?

　　NMR 在其傳統應用之外的影響還在繼續，例如，2016年9月在小分子 NMR 會議(SMASH)上發表的演講和海報中有以下亮點:

　　此外，期刊上有許多論文提出或評論 NMR 在一系列重要新領域的潛在貢獻。許多代表了 NMR 波譜學應用的重大變化：例如，在代謝組學中，通過收集大量譜圖數據和代謝產物的基礎數據，統計分析可以揭示某種代謝障礙或疾病的標誌物。一旦建立了一個模型，單個樣本的測量就可以判斷該樣本屬於正常樣本還是異類樣本，甚至可以對疾病性質進行診斷。 這需要NMR 並將其交送臨床科學家。他們可以問：這是我所期望的嗎?用「是」或「不是」來回答。

　　在生物製藥領域，研究人員正在使用 NMR 技術對單克隆抗體(mAbs)的結構進行表徵。NMR 技術在生物製劑生產或放大中的另一個應用是監測生長培養基的組成。識別到某些營養物質的消耗或潛在有毒代謝物的積累可以顯著提高產量和發酵效率。

　　在過去的幾年中，氟在製藥工業中的使用量急劇增加。如今，十大暢銷小分子藥物中有五種含有氟。F19NMR 不僅在藥物發現方面提供了獨特的方法，而且在含氟分子的表徵和定量方面也提供了獨特的方法。同時推出一些具有高靈敏度的低溫探頭用來觀察核。

　　隨著結構生物學、天然產品、高分子科學、石油化工產品和材料科學等領域的最新研究廣泛開展，新的應用領域似乎不斷湧現。

　　結論

　　70多年前，一位才華橫溢的科學家首次測量了核磁自旋，這項工作最終在1943年獲得了諾貝爾獎。從20世紀50年代中期到2010年，一小部分公司相互激勵，開發 NMR 相關技術、儀器和應用，而在實驗室裡使用NMR系統的科學家們在其應用方式上極具創新性。起初，布魯克公司和瓦裡安公司競爭激烈，但布魯克逐漸成為了主導者，並在今天繼續這項工作，與客戶和合作者一起構建應用程式基礎和開發新的工具。可以看出，NMR已成為許多行業必不可少工具，隨著NMR技術向新方法和新應用領域的擴展，其創新也在繼續。

　　參考

　　1 http://practicalfragments.blogspot.ch/2016/10/poll-results-affiliation-metrics-and.html 

　　2 Monakhova Y等。利用 NMR 波譜和化學計量學方法，在植物油脂的基礎上研究仿製奶酪和仿製冰淇淋的鑑別。國際食品科學雜誌2013;367841

　　3 Laukien G.物理學百科全書手冊，38/1卷。

　　4 編輯 Flügge S.柏林：Springer;1958.頁碼120-376

　　5 Richard R. Ernst, Angew。化學家 Int.Ed.2010，49，8310-8315

　　6 Antalek M.https://benchtopthoughts.com/2014/10/17/the-end-of-an-era-varian-and-the-birth-and-growth-of-nmr/(訪問日期：2017年5月15日)

　　7 J W Emsley 和 J Feeney，核磁共振波譜學進展50(2007)，179-198

（布魯克投稿）