核磁共振波谱技术简化复杂混合物分析

王中泰

核磁共振波谱技术简化复杂混合物分析

对于从事各种化学应用的科学家来说，复杂混合物的研究是一个关键的挑战。无论他们是在分析复杂的药物配方、生物流体聚集体，还是流动的混合物，能够识别和量化这些混合物中的成分对正在进行的研究至关重要。核磁共振(NMR)波谱学已经成为解决这一分析挑战的一项重要技术。

由Patrick Giraudeau教授领导的南特大学磁共振、同位素组学、代谢组学和监测研究小组（简称MIMM）正在解开这些混合物的复杂性。MIMM团队专注于定量分析和尖端核磁共振波谱方法的发展，与食品科学，食品化学安全，法医学，健康和植物科学的合作者共同探索各种各样的研究问题。他们的研究方法不断发展，推动核磁共振波谱高灵敏特性的极致应用，更好地理解复杂混合物分析。

1、复杂的混合物具有挑战性
在制药和医学科学、食品和环境化学以及微生物学领域都有复杂混合物，它们通常含有数千种成分。生物混合物(如体液)和天然混合物(如环境或食物样本)尤其具有挑战性，因为它们含有不同浓度的多种化学结构物质，从小分子(如氨基酸和糖)到较大的分子(如脂质和蛋白质)。i

表征复杂混合物是分析科学家面临的最具挑战性的任务之一。在合成化学中，分子结构可能非常相似，因此难以分离和表征，然而，生物样品可能更加复杂。准确的定量尤其重要，特别是在代谢组学领域。生物样品的定量分析，可以更好地定义代谢过程，有助于提高对临床代谢性疾病的理解。

2、当前的分析方法
复杂的混合物分离通常需要冗长的分析和工作流程。然而，没有一种单一的方法能够进行所需的全面量化。许多分析化学家，包括教授博士Giraudeau，开发和使用一系列的方法，最大限度地提高分析灵敏度和通量。

气相色谱法或液相色谱法(GC或LC)以及质谱法(MS)已广泛用于解决复杂混合物的分析挑战。广泛使用的GC-MS和LC-MS可以根据其化学性质(如极性、大小和电荷)将复杂混合物分离成单独的组分。通过提供高灵敏度和选择性，即使在浓度非常低的情况下，也可以检测和定量化合物，这在复杂混合物含有微量化合物的分析中很重要。

然而，使用GC-MS和LC-MS有局限性。它们容易受到实验室、用户和仪器不一致的影响，导致分析不可重复。此外，这两种方法都需要复杂的样品制备和不同的色谱技术。

与GC-MS或LC-MS一样，核磁共振波谱被认为是代谢组学分析的关键技术，可以实现准确的分子鉴定，解析和定量。Iii

3、核磁共振波谱会是答案吗?
核磁共振波谱已被证明是代谢组学分析的强大工具，因为它不仅稳健、稳定和具有可重现性等特点，而且与LC-MS不同，它是非破坏性的，样品制备的过程也很简单。核磁共振技术是通用的，可应用于液体、固体和气体等不同样品类型的分析，也可以用来分析各种类别的化合物，如小分子，聚合物，蛋白质和核酸等。

核磁共振还可以获得相对和绝对代谢物浓度，是检测和量化混合物中多种化合物的强大工具。核磁共振可实现较高的谱图分辨率，能够检测和鉴定具有相似化学位移的化合物，这在分析含有密切相关化合物的混合物时非常重要。

然而，与色谱方法相比，核磁共振用于复杂混合物分析的一个缺点是灵敏度较低。历史上，核磁共振在复杂混合物中的应用受到信号重叠和提高灵敏度的需要的限制。Giraudeau教授和他的团队正在开发定量核磁共振波谱方法来解决这些挑战。

在MMIM团队的推动下，三种核磁共振技术得到了加强，进一步提升对复杂混合物的分析能力。这三种技术是，定量二维核磁共振，超快二维核磁共振和溶解动态核极化(d-DNP)核磁共振。

4、使核磁共振技术具有更高灵敏度和更高分辨率
特别是在制药领域的应用，定量二维核磁共振已成为一种非常有效的工具。Giraudeau教授强调相比质子核磁共振(1H NMR)，二维核磁共振在分离和定量污染样品(如抗凝血剂肝素)方面更具优势。与传统的多维方法不同，二维核磁共振允许在提供结构和定量信息的同时，对一维波谱中的重叠峰进行有效分辨，这种能力对于理解复杂混合物方面的帮助是无价的。

为了帮助解决复杂混合物中信号重叠的挑战，该团队使用超快2D NMR进行高通量分析，而不是求助于色谱等物理分离技术。传统的多维方法耗时长，需要数小时才能获得波谱。然而，利用超快速二维核磁共振，该团队可以同时分析数百个样品，从而实现实时监测，促进正在进行的化学反应的研究。
d-DNP NMR是一种创造超极化核自旋态的技术，为代谢物的检测和量化开辟了新的可能性。通过增强核磁共振信号，d-DNP核磁共振使13C核磁共振信号的检测灵敏度提高了几个数量级vi。事实上，使用d-DNP的代谢研究报告称，其敏感性提高了1万多倍vii，为生物样品中微量代谢物浓度的检测铺平了道路。

虽然d-DNP核磁共振不是一项新技术，但Giraudeau教授和他的团队正在探索其在核磁共振代谢组学中的潜力，特别是在自然丰度方面。他们的研究揭示了以前未见过的结果，MIMM团队通过利用d-DNP NMR的力量，正在推动NMR高灵敏性的极致应用，并在代谢组学研究中设定新的标准。

5、结语
现代化学分析技术必须能够快速准确地处理复杂的混合物，这样才能取得发现和进步。南特大学的Patrick Giraudeau教授和他的团队进行的这项研究有可能彻底改变复杂的混合物分析。他们的工作证明了核磁共振在解决复杂混合物挑战方面的价值，特别是在代谢组学研究中。

d-DNP核磁共振、超快二维核磁共振和定量二维核磁共振的发展显著增强了核磁共振用于复杂混合物分析的能力。它有可能成为未来分析科学家从生物制药研究、食品分析、生物燃料和环境科学等应用领域的首选定量技术。

图源：来自布鲁克官网

作者简介Patrick Giraudeau教授是南特大学分析化学专业全职教授，也是MIMM研究团队的负责人。他还领导CEISAM研究所的核磁共振平台，Corsaire多位点代谢组学平台和MetaboHUB代谢组学和通量组学基础设施的一部分。他的教学学科包括核磁共振波谱学和其他波谱方法，他的研究专长是核磁共振定量分析方法的发展。他是the Ampere Society的副主席，Euromar董事会的成员，以及theMagnetic Resonance in Chemistry and Magnetic Resonance的副主编。