核磁共振技术在植物代谢研究中的应用

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核磁共振技术在植物代谢研究中的应用

作者：赵燕丁立建

来源：《现代仪器与医疗》2013年第01期

摘要基于核磁共振技术（Nuclear Magnetic Resonance， NMR）和模式识别技术的代谢组学研究是近几年发展起来的一种新的组学技术。该文简要综述核磁共振技术用于植物代谢研究的实验设计、图谱的获取、模式识别技术及其最新应用。

关键词核磁共振植物代谢组学模式识别技术

代谢组学是定量研究生物体内源性代谢物整体及其变化规律的科学，它与基因组和基因

组学、转录组和转录组学、蛋白组和蛋白组学等一起构成系统生物学（systems biology），是整体系统生物学（global systems biology）的重要组成部分。植物代谢组学是代谢组学的一个

重要分支，很多研究集中在细胞代谢组学这个相对独立的分支。与传统植物化学研究不同，它是从整体出发，系统地、全面地研究植物中代谢产物的成分、结构、合成途径及相关的基因功能，判断基因表达水平的变化，从而推断基因的功能及其对代谢流的影响[1]。

核磁共振技术作为研究代谢组学中结构分析的一种有利工具，已经有20多年的历史，广泛应用于植物代谢、微生物代谢、药物毒性和疾病诊断中[2～5]。该方法对样品无损伤，不破坏样品的结构和性质，无辐射损伤；可在一定的温度和缓冲液范围内选择实验条件，能够在接近生理条件下进行实验；可研究化学交换、扩散及内部运动等动力学过程，给出丰富的有关动态特性信息[6]。同时，混合物中不同代谢物的核磁共振响应系数一致，属于无偏向检测技

术。由于植物代谢要比微生物、药物等的代谢复杂，尤其是水生植物代谢研究很少，本文就核磁共振技术在植物代谢研究中的最新应用及所面临的主要问题进行综述。

1 代谢组分析技术与模式识别方法

1.1 代谢组核磁共振技术的分析过程

代谢组学研究一般包括4个步骤：（1）确定研究对象，给予研究对象一定的刺激，如基因的改变，体内生物过程的催化或抑制，致病或致病物质的引入，以及各种环境因素的改变和刺激时间、强度的变化等等；（2）样品的前处理，前处理方法将依赖代谢物提取方法进行选择，如氯仿提取、酸提取、水提取、甲醇提取等[7～9]；（3）用核磁共振分析手段测定其中

代谢物的种类、含量等数据并对这些数据进行预处理，包括滤噪、重叠峰解析、峰对齐、峰匹配、标准化和归一化等，将这些元数据转变为适合多变量分析的数据形式，使相同的代谢产物在生成的数据矩阵中由同一个变量表示，所有样品具有相同的变量数；（4）采用模式识别和多维统计分析等方法进行数据分析，建立代谢物时空变化与生物体特性的关系，达到从不同层次和水平上阐述生物体对相应刺激响应目的。

代谢组学的研究方法和研究流程

代谢组学的研究方法和研究流程分子微生物学１12３０0０0３林兵 随着人类基因组计划等重大科学项目的实施，基因组学、转录组学及蛋白质组学在研究人类生命科学的过程中发挥了重要的作用，与此同时, 代谢组学(ｍｅtaｂoloｍiｃs）在2０世纪90年代中期产生并迅速地发展起来，与基因组学、转录组学、蛋白质组学共同组成系统生物学。基因组学、转录组学、蛋白质组学和代谢组学等各种组学0在生命科学领域中发挥了重要的作用，它们分别从调控生命过程的不同层面进行研究, 使人们能够从分子水平研究生命现象, 探讨生命的本质, 逐步系统地认识生命发展的规律.这些组学手段加上生物信息学, 成为系统生物学的重要组成部分。 代谢组学的出现和发展是必要的, 同时也是必须的。对于基因组学和蛋白质组学在生命科学研究中的缺点和不足, 代谢组学正好可以进行弥补。代谢组学研究的是生命个体对外源性物质（药物或毒物)的刺激、环境变化或遗传修饰所做出的所有代谢应答, 并且检测这种应答的全貌及其动态变化。代谢组学方法为生命科学的发展提供了有力的现代化实验技术手段, 同时也为新药临床前安全性评价与实践提供了新的技术支持与保障. 1 代谢组学的概念及发展 代谢组学最初是由英国帝国理工大学Ｊereｍｙ N ichｏｌson教授提出的，他认为代谢组学是将人体作为一个完整的系统，机体的生理病理过程作为一个动态的系统来研究, 并且将代谢组学定义为生物体对病理生理或基因修饰等刺激产生的代谢物质动态应答的定量测定。20０0年，德国马普所的Fｉeｈn等提出了代谢组学的概念，但是与Ｎ ichoｌs ｏn提出的代谢组学不同, 他是将代谢组学定位为一个静态的过程，也可以称为/代谢物组学, 即对限定条件下的特定生物样品中所有代谢产物的定性定量分析。同时Ｆieｈn还将代谢组学按照研究目的的不同分为4类: 代谢物靶标分析，代谢轮廓（谱)分析, 代谢组学，代谢指纹分析。现在代谢组学在国内外的研究都在迅速地发展, 科学家们对代谢组学这一概念也进行了完善, 作出了科学的定义: 代谢组学是对一个生物系统的细胞在给定时间和条件下所有小分子代谢物质的定性定量分析，从而定量描述生物内源性代谢物质的整体及其对内因和外因变化应答规律的科学。 与基因组学、转录组学、蛋白质组学相同, 代谢组学的主要研究思想是全局观点。与传统的代谢研究相比, 代谢组学融合了物理学、生物学及分析化学等多学科知识, 利用现代化的先进的仪器联用分析技术对机体在特定的条件下整个代谢产物谱的变化进行检测，并通过特殊的多元统计分析方法研究整体的生物学功能状况。由于代谢组学的研究对象是人体或动物体的所有代谢产物, 而这些代谢产物的产生都是由机体的内源性物质发生反应生成的，因此，代谢产物的变化也就揭示了内源性物质或是基因水平的变化，这使研究对象从微观的基因变为宏观的代谢物，宏观代谢表型的研究使得科学研究的对象范围缩小而且更加直观，易于理解, 这点也是代谢组学研究的优势之一. 代谢组学的优势主要包括：对机体损伤小，所得到的信息量大，相对于基因组学和蛋白质组学检测更加容易。由于代谢组学发展的时间较短, 并且由于代谢组学的分析对象是无偏向性的样品中所有的小分子物质，因此对分析手段的要求比较高, 在数据处理和模式识别上也不成熟，存在一些不足之处。同时生物体代谢物组变化快, 稳定性较难控制，当机体的生理和药理效应超敏时，受试物即使没有相关毒性，也可能引起明显的代谢变化，导致假阳性结果。 代谢组学应用领域大致可以分为以下7个方面：

核磁共振技术及应用-综述

核磁共振技术及应用-综述-标准化文件发布号：（9456-EUATWK-MWUB-WUNN-INNUL-DDQTY-KII

核磁共振技术及应用 学号：2011201373 姓名：杨海源 摘要:综述核磁共振技术的基本原理与优势以及该技术作为一种检测分析手段在生物医药、食品、化工业中的应用进展。核磁共振(Nuclear Magnetic Resonance, NMR) 是以原子核自旋的共振跃迁为探测对象的谱学方法。其最基本原理是，原子核在磁场中受到磁化， 自旋角动量发生进动，当外加能量（射频场）与原子核震动频率相 同时，原子核吸收能量发生能级跃迁，产生共振吸收信号。此方法专属性强、准确快捷, 可与其它方法相互补充, 用于诸多环节且有很 好的应用前景。但在实际的应用中也还存在一些问题, 有待于进一步深入研究。 关键词:核磁共振技术，NMR，生物，食品，石油，分析，检测 Abstract The technology of nuclear magnetic resonance( NMR ) applying in biological medicine,food,chemical industry detection at home and abroad was summarized. The most basic principles of nuclei by magnetized in a magnetic field , the spin angular momentum precession , plus energy nuclei vibration frequency at the same time , the nuclei absorb energy level transition occurs , resonance absorption signal. According to current situation, it has some advantages in food detect ion such as fastness, accuracy, intactness. However, there are still some shortcomings, and we should further research to solve them in future. 1.前言

核磁共振技术及其应用分解

核磁共振技术及其在食品分析检测中 的应用 The Technology of Nuclear Magnetic Resonance and Its Application in food analysis and detection

摘要 核磁共振分析技术是利用物理原理, 通过对核磁共振谱线特征参数的测定来分析物质的分子结构与性质.它不破坏被测样品的内部结构, 是一种无损检测方法. 本文重点介绍了核磁共振技术的原理及其在食品中的水分、油脂、玻璃态转变、碳水化合物、蛋白质及品质鉴定等方面的研究进展。 关键词：核磁共振技术；应用；食品；分析；检测。

Abstract The technology of nuclear magnetic resonance analysis can be used to determine the structure and the nature of molecules and it is a nondestructive test. This article introduces briefly its principles and its application in food detection was summarized in the aspect of moisture, oil, glass transition, carbohydrate, protein and quality detection. Keywords: technology of the nuclear magnetic resonance; application; food;analysis;detection.

代谢组学的数据分析技术

代谢组学的数据分析技术 摘要：代谢组学是效仿基因组学和蛋白质组学的研究思想，对生物体内所有代谢物进行定量分析，并寻找代谢物与生理病理变化的相对关系的研究方式，是系统生物学的组成部分。其研究对象大都是相对分子质量1000以内的小分子物质。先进分析检测技术结合模式识别和专家系统等计算分析方法是代谢组学研究的基本方法。文章主要综述了将代谢组学中的图谱、数据信息转换为相应的参数所采用的分析方法。 关键词：代谢组学；数据分析方法 代谢组学是以代谢物分析的整体方法来研究功能蛋白如何产生能量和处理体内物质，评价细胞和体液内源性和外源性代谢物浓度及功能关系的新兴学科，是系统生物学的重要组成部分，其相应的研究能反映基因组、转录组和蛋白组受内外环境影响后相互协调作用的最终结果，更接近反映细胞或生物的表型，因此被越来越广泛地应用。而代谢组学的数据分析包括预处理和统计分析方法，多元统计分析方法主要分为两大类：非监督和监督方法，非监督方法包括主成分分析PCA；聚类分析CA等；监督方法包括显著性分析、偏最小二乘法等，本文就是主要综述代谢组学图谱信息转化为参数信息所采用的数据分析方法。 1预处理 数据的预处理过程包括以下：谱图的处理；生成原始的数据矩阵；数据的归一化以及标准化处理过程。针对实验性质、条件以及样品等因素采用不同的预处理方法。在实际应用过程中，预处理可以通过实验系统自带的软件如XCMS软件。进行，因此一般较容易获得所需的数据形式。 2数据分析方法 2.1 主成分分析PCA是多元统计中最常用的一种方法，它是在最大程度上提取原始信息的同时对数据进行降维处理的过程，其目的是将分散的信息集中到几个综合指标即主成分上，有助于简化分析和多维数据的可视化，进而通过主成分来描述机体代谢变化的情况。PCA 的具体过程是通过一种空间转换，形成新的样本集，按照贡献率的大小进行排序，贡献率最大的称为第一主成分，依次类推。经验指出，当累计贡献率大于85％时所提取的主成分就能代表原始数据的绝大多数信息，可停止提取主成分。在代谢组数据处理中，PCA是最早且广泛使用的多变量模式识别方法之一。，具有不损失样品基本信息、对原始数据进行降维处理的同时避免原始数据的共线性问题等优点，但在实际应用过程中，PCA存在着自身的缺点[1]：离群样本点的存在严重影响其生物标志物的寻找；非保守性的代谢组分扰乱正确的分类以及尺度的差异影响小浓度组分的表现等，其他的问题之前也有讨论[2]。针对PCA 的缺陷采用了不同的改进措施，与此同时，为了简化计算，侯咏佳等[3]。提出了一种主成分分析算法的FPGA实现方案，通过Givens算法和CORD IC算法的矢量旋转，用简单的移位和加法操作来实现协方差矩阵的特征分析，只需计算上三角元素，因此计算复杂度小、迭代收敛速度快。 2.2 聚类分析CA是用多元统计技术进行分类的一种方法。其主要原理是：利用同类样本应彼此相似，相类似的样本在多维空间里的彼此距离应较小，而不同类的样本在多维空间里的

核磁共振技术的应用

核磁共振技术的应用 一、简介： 19世纪人们致力于探索化学分子的性质，化学反应第一次能被预言，由此导致了化学工业前所未有的发展。 20世纪上半叶的量子力学革命，使人们能理解分子结构的起因并能计算分子的电子结构。化学键从一系列规则发展成为具有坚实基础的可靠理论。20世纪下半叶，量子力学知识最终得到充分的利用。人们很快认识到：通过紫外、可见、红外光谱区的光谱，分子的分立能级之间的跃迁对于分子的鉴定是非常特征的。同时也认识到X射线衍射对晶体物质分子结构鉴定的重要性。与此同时，质谱成为确定分子的结构学和连接顺序的强有力的方法。最后，核磁共振被认为是研究分子性质的最通用，最权威的技术：从三维结构到分子动力学、化学平衡、化学反应和超分子集体。 在以往的50年里，光谱学已经全然改变了化学家、生物学家、生物医学家、材料学家、药学家等的日常工作。光谱技术成为探究大自然中分子内部秘密的最可靠、最有效的手段之一，它们在将来的科学和技术发展中仍将必不可少。 建立在（光）波谱学基础上的结构鉴定是化学和物理的边缘科学，是化学的前沿学科之一。NMR波谱学是物理学、化学以及生命科学等多学科研究物质成分、结构和动态强有力的常规工具。它对有机化学、生物化学、材料化学、植物化学、药物化学乃至物理化学、无机化学等均起着积极的推动作用。它在药学、化工、石油、橡胶、建材、食品、冶金、地质国防、环保、纺织及其它工业部门用途日益广泛。波谱学有很强的理论性，也有很高的应用性，快速、灵敏、准确是它的应用特点。 波谱学中的核磁共振是1946年由美国斯坦福大学F. Bloch和哈佛大学E. M. Purcell 各自独立发现的，两人因此获得1952年诺贝尔物理学奖。50多年来，核磁共振不仅形成为一门有完整理论的新兴学科———核磁共振波谱学，而且，在这50年间已有12位科学家因对核磁共振的杰出贡献而获得诺贝尔奖。 现在，核磁共振的方法与技术作为分析物质的手段，由于其可深入到物质内部而不破坏样品，并具有迅速、准确、分辨率高等优点而得以迅速发展和广泛应用，在世界的许多大学、研究机构和企业集团，都可以听到核磁共振这个名词，包括我们在日常生活中熟悉的大集团。而且它在化工、石油、橡胶、建材、食品、冶金、地质、国防、环保、纺织及其它工业部门用途日益广泛。已经从物理学渗透到化学、生物、地质、药学、医学、农业、环境、矿业、脑科学、量子计算机、纳米材

核磁共振技术及应用研究进展

科技信息 核磁共振（ＮｕｃｌｅａｒＭａｇｎｅｔｉｃＲｅｓｏｎａｎｃｅ，简称ＮＭＲ）是交变磁场与物质相互作用的一种物理现象，最早于１９４６年被Ｂｌｏｃｈ和Ｐｕｒｃｅｌｌ等人用实验所证实［１］。核磁共振的发现具有十分重要的意义，不仅为量子力学的基本原理提供了直接的验证，而且为多个学科领域的研究提供了一种不可或缺的分析与测量手段。他们二人由于这项重大发现，共同分享了１９５２年的诺贝尔物理奖。 最初的核磁共振技术主要用于核物理方面，现今已经被化学，食品，医学，生物学，遗传学以及材料科学等领域广泛采用，已经成为在这些领域开展研究工作的有力工具。 在以往的半个世纪中，ＮＭＲ技术经历了几次飞跃。１９４５年ＮＭＲ信号的发现，１９４８年核磁弛豫理论的建立。１９５０年化学位移和耦合的发现以及１９６５年傅立叶变换谱学的诞生，迎来了ＮＭＲ的真正的繁荣期；自从７０年代以来，ＮＭＲ发展异常迅猛，形成了液体高分辨，固体高分辨和ＮＭＲ成像三雄鼎立的新局面。二维ＮＭＲ的发展，使得液体ＮＭＲ的应用迅速扩展到生物领域；交叉极化技术的发展，使５０年代就发明出来的固体魔角旋转技术在材料科学中发挥了巨大的作用；ＮＭＲ成像技术的发展，使ＮＭＲ进入了与人类生命息息相关的医学领域。 目前，ＮＭＲ技术已经成为研究高分子链结构的主要手段，对聚合物的构型，构象分析，立体异构的鉴定和序列分布，支化结构的长度和数量，共聚物和共缩聚物组成的定性，定量以及序列结构测定等均有独特的长处［２］。 核磁共振技术主要有两个学科分支：核磁共振波谱（Ｎｕ－ｃｌｅａｒＭａｇｎｅｔｉｃＲｅｓｏｎａｎｃｅＳｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ）和磁共振成像（ＭａｇｎｅｔｉｃＲｅｓｏｎａｎｃｅＩｍａｇｉｎｇ，简称ＭＲＩ）。核磁共振波谱技术是基于化学位移理论发展起来的，主要用于测定物质的化学成分和分子结构［３］。核磁共振成像技术诞生于１９７３年，它是一种无损测量技术，可以用于获取多种物质的内部结构图像。由于核磁共振可获取的信息丰富，因此应用领域十分广泛，如分析化学、生命科学、材料检测、石油勘探和水资源探查等。 １核磁共振的基本原理 核磁共振是指原子核在外磁场作用下，其在能级之间共振跃迁的现象。原子核磁性的大小一般用磁矩μ表示，μ具有方向性，μ＝νｈＩ，ｈ是普朗克常数，Ｉ为自旋量子数，简称自旋。旋磁比ν实际上是原子核磁性大小的度量，ν值大表示原子核的磁性强，反之亦然。在天然同位素中，以氢原子核（质子）的ν值最大（４２．６ＭＨｚ／Ｔ），因此检测灵敏度最高，这也是质子首先被选择为ＮＭＲ研究对象的重要原因之一。 当把有磁矩的核（Ｉ≠０）置于某磁场中，该原子核在磁场的行为就好似陀螺的运动—— —拉莫尔进动，其频率由下式决定：ω＝２πν。式中ω为角频率，ν为拉莫尔进动频率。当外加射频场的频率与原子核的拉莫尔频率相等时，处于低能态的核便吸收射频能，从低能态跃迁到高能态，此即核磁共振现象。没有自旋的原子核（Ｉ＝０）没有磁矩，这类核观察不到ＮＭＲ信号，如１４Ｃ，１６Ｏ，３２Ｓ等，Ｉ＝１／２的原子核是ＮＭＲ中研究得最多的核，如：１Ｈ，１３Ｃ，１９Ｆ，１５Ｎ等。 原子核的角动量通常称为核的自旋，是原子核的一个重要特性。由于原子核由质子和中子组成，质子和中子是具有自旋为１／２的粒子，它们在核内还有相对运动，因而具有相应的轨道角动量。所有核子的轨道角动量和自旋角动量的矢量和就是原子核的自旋。原子核自旋角动量ＰＩ，遵循量子力学的角动量规则，它的大小为：ＰＩ＝［Ｉ（Ｉ＋１）］１／２ｈＩ为整数或半整数Ｉ是核自旋量子数。原子核自旋在空间给定Ｚ方向上的投影ＰＩＺ为：ＰＩＺ＝ｍＩｈ，ｍＩ＝Ｉ，Ｉ－１，…，－Ｉ＋１，－Ｉ其中ｍＩ叫磁量子数。实验发现，所有基态的原子核的自旋都满足下面的规律：偶Ａ核的自旋为整数，其中，偶偶核（质子数和中子数都是偶数）的自旋都为零；奇Ａ核的自旋都是半整数。核子是费米子，因此，核子数Ａ为偶数的原子核是玻色子，遵循玻色—— —爱因斯坦统计；核子数Ａ为奇数的原子核是费米子，遵守费米—— —狄拉克统计。原子核磁矩原子核是一个带电的系统，而且有自旋，所以应该具有磁矩。和原子磁矩相似，原子核磁矩μＩ和原子核角动量ＰＩ有关系式：μＩ＝μＮｇＩ［Ｉ（Ｉ＋１）］１／２μＺ＝ｍＩμＮｇＩ其中，ｇＩ称为原子核的朗德因子，μＮ＝ｅｈ／（２ｍｐ）＝５．０５０８×１０－２７Ｊ／Ｔ，称作核磁子。质子质量ｍｐ比电子质量ｍｅ大１８３６倍，所以核磁子比玻尔磁子小１８３６倍，可见原子核的磁相互作用比电子的磁相互作用弱得多。这个弱的相互作用正是原子光谱的超精细结构的来源。核磁共振由于原子核具有磁矩，当将被测样品放在外磁场Ｂ０中，则与磁场相互作用而获得附加的能量。Ｗ＝－μＩ?Ｂ０＝－ｍＩμＮｇＩＢ０，ｍＩ有２Ｉ＋１取值，即能级分裂成２Ｉ＋１个子能级，根据选择定则△ｍＩ＝±１，两相邻子能级间可以发生跃迁，跃迁能量：△Ｅ＝μＮ－ｇＩＢ０若其能级差△Ｅ与垂直于磁场方向上的电磁波光子的能量相等，则处在不同能级上的磁性核发生受激跃迁，由于处在低能级上的核略多于处在高能级上的核，故其净结果是低能级的核吸收了电磁波的能量ｈ＂跃迁到高能级上，这就是核磁共振吸收。该频率ｖ＝μＮｇＩＢ０／ｈ称为共振频率［４］。 ２核磁共振技术的实验装置 实现核磁共振可采取两种途径：一种是保持外磁场不变，而连续地改变入射电磁波频率；另一种是用一定频率的电磁波照射，而调节磁场的强弱。图１为核磁共振现象的装置示意图，采用调节入射电磁波频率的方法来达到核磁共振。样品装在小瓶中，并置于磁铁两极之间，瓶外绕有线圈，通有由射频振荡器输出的射频电流。于是，由线圈向样品发射电磁波。调制振荡器的作用是使射频电磁波的频率在样品共振频率附近连续变化，当频率正好与核磁共振频率吻合时，射频振荡器的输出就会出现一个吸收峰，这可以在示波器上显示出来，同时由频率计即刻读出这时的共振频率值。 图１核磁共振实验装置示意图 核磁共振技术及应用研究进展 临沧师范高等专科学校数理系王东云 ［摘要］核磁共振分析技术是利用物理原理，通过对核磁共振谱线特征参数的测定来分析物质的分子结构与性质。 它不破坏被测样品的内部结构，是一种无损检测方法。本文重点介绍了核磁共振技术的原理及其在化学、生命科学中的应用。 ［关键词］核磁共振技术原理应用 基金项目：本文为临沧师范高等专科学校校级课题。 博士?专家论坛 ３５３ ——

基于核磁共振技术的定量代谢组学研究

基于核磁共振技术的定量代谢组学研究 江春迎, 王映红* (中国医学科学院、北京协和医学院药物研究所, 天然药物活性物质与功能国家重点实验室, 北京 100050) 摘要: 核磁共振技术 (NMR) 既可用于混合体系的定性分析, 又可以用于其定量分析。在过去的几十年里, 随着分析技术以及各种实验技术的迅速发展, 基于核磁共振的定量分析方法已广泛应用于生物样本的分析。核 磁共振定量分析技术应用于代谢组学, 并成为定量代谢组学 (quantitative metabolomics) 研究中的重要手段。本 文将论述这种新分析方法相比于传统方法的优势及不足之处, 同时论述其研究过程中需考虑的重要因素以及其 在代谢组学研究中的应用。 关键词: 核磁共振; 代谢; 代谢组学 中图分类号: R917 文献标识码:A 文章编号: 0513-4870 (2014) 07-0949-07 Quantitative metabolomics based on NMR JIANG Chun-ying, WANG Ying-hong* (State Key Laboratory of Bioactive Substances and Functions of Natural Medicines, Institute of Materia Medica, Chinese Academy of Medical Sciences and Peking Union Medical College, Beijing 100050, China) Abstract: Nuclear magnetic resonance (NMR) spectroscopy can be used to both identify and quantify chemicals from complex mixtures. Over the last several decades, significant technical and experimental advances have made quantitative nuclear magnetic resonance (qNMR) a valuable analytical tool for quantitative measurements of a wide variety of samples. This particular approach is now being exploited to characterize the metabolomes of many different biological samples and is called quantitative metabolomics or targeted metabolic profiling. In this review, some of the strengths, limitations of NMR-based quantitative metabolomics will be discussed as well as the practical considerations necessary for acquisition with an emphasis on their use for bioanalysis. Recent examples of the application of this particular approach to metabolomics studies will be also presented. Key words: qNMR; metabolism; metabolomics 代谢 (metabolism) 是生命活动中所有生物化学反应的总称, 代谢活动是生命活动的本质特征和物质基础。因此, 对代谢物的分析向来就是研究生命活动分子基础的一个重要突破口。由于生物化学反应是连续的, 多数代谢途径之间相互关联, 代谢是以网络的形式在生物系统中发挥作用的, 要认识代谢系统的整体性和网络化, 就需要从整体出发, 采用综合与 收稿日期: 2013-12-15; 修回日期: 2014-03-15. *通讯作者 Tel: 86-10-63165216, E-mail: wyh@https://www.wendangku.net/doc/c19722977.html, 系统的策略, 即系统生物学的思想[1, 2], 这种研究哲学的转变促成了代谢组及代谢组学概念的诞生[3, 4]。它与基因组和基因组学、转录和转录组学、蛋白组和蛋白组学等一起构成了系统生物学, 是整体系统生物学的重要组成部分。 代谢组分析主要使用色谱?质谱联用技术 (GC- MS或LC-MS) 和核磁共振波谱技术 (NMR)。NMR 的优点非常明显: ① NMR样品只需要简单的预处理, 尿液和血清是经常使用的样品; ②无损伤性, 不会破坏样品的结构和性质; ③可在接近生理条件下进 ·综述·

核磁共振技术及其运用

淮海工学院课程设计报告书 题目：核磁共振技术及其运用 学院：海洋学院 专业：生物技术 班级：生技101 姓名：余阔海 学号： 521002129 2011年10月10日

核磁共振技术及其运用 一、概述： 早在1924年Pauli就预见某些原子核具有自旋和磁矩的性质，它们在磁场中可以发生能级的分裂。1946年美国科学家布洛赫(Bloch，斯坦福大学)和珀 塞尔（Purcell，哈佛大学）分别发现在射频区（频率0.1～100MHz,波长1～1000m）的电磁波能与暴露在强磁场中的磁性原子核(或称磁性核或自旋核)相互作用,引起磁性原子核在外磁场中发生核自旋能级的共振跃迁,从而产生吸收信号,他们把这种原子对射频辐射的吸收称为核磁共振(nuclear magnetic resonance spectroscopy,NMR)，NMR和红外光谱，可见—紫外光谱相同之处是微观粒子吸收电磁波后在不同能级上跃迁。引起核磁共振的电磁波能量很低, 不会引起振动或转动能级跃迁,更不会引起电子能级跃迁。.根据核磁共振图谱上吸收峰位置、强度和精细结构可以研究分子的结构。他们也因此分享了1952年的诺贝尔物理奖。所产生的波谱，叫核磁共振（波）谱。通过研究核磁共振波谱获得相关信息的方法，称为核磁共振波谱法。 1953年出现了世界上第一台商品化的核磁共振波谱仪。1956年，曾在Block 实验室工作的Varian制造出第一台高分辩率的仪器，从此，核磁共振波谱法成了化学家研究化合物的有力工具，并逐步扩大其应用领域。七十年代以后，由于科学技术的发展，科学仪器的精密化、自动化，核磁共振波谱法得到迅速发展，在许多领域中已得到广泛应用，特别在有机化学、生物化学领域中的研究和应用发挥着巨大的作用。八十年代以来，又不断出现新仪器，如高强磁场的超导核磁共振波谱仪，脉冲傅里叶变换核磁共振波谱仪，大大提高灵敏度和分辨率，使灵敏度小的原子核能被测定；计算机技术的应用和多脉冲激发方法的采用，产生二维谱，对判断化合物的空间结构起重大作用。瑞士科学家恩斯特R.R.Ernst 教授因对二维谱的贡献而获得1991年的Nobel化学奖（对核磁共振光谱高分辩方法发展作出重大贡献）。。瑞士科学家库尔特·维特里希因“发明了利用核磁共振技术测定溶液中生物大分子三维结构的方法”而获得2002年诺贝尔化学奖。

核磁共振及其应用

核磁共振及其应用 发布范围：公开2010-02-03 16:26 核磁共振现象是由美国科学家柏塞尔 (E.M.Purcell)和瑞士科学家布洛赫(E.Blo ch)于1945年12月和1946年1月分别独立 发现的。他们共享了1952年诺贝尔物理学 奖。 核磁共振(nuclear magnetic resonan ce)是原子核的磁矩在恒定磁场和高频磁场同时作用，且满足一定条件时所发生的共振吸收现象，是一种利用原子核在磁场中的能量变化来获得关于核信息的技术。50多年来，由核磁共振转化为探索物质微观结构和性质的高新技术已取得了惊人的进展。目前，核磁共振已在物理学、化学、材料科学、生命科学等领域得到广泛应用。 如同电子具有自旋角动量和自旋磁矩一样，核也具有自旋角动量和自旋磁矩。核自旋 即是原子核内所有核子的自旋角动量与轨道角动量的矢量和，其大小 ，其中I为核自旋量子数。在外磁场方向(设磁场沿z方向)的投影为 ，称为核自旋磁量子数,I一定时，有(2I +1)个取值。 自旋不为零的原子核有磁矩，它与核自旋的关系为，式中为质子的质量，称为核的朗德因子，它取决于核的内部结构与特性，且是一个无量纲的量。于是，旋磁比。 核磁子在外磁场(沿z轴)方向的投影

, 其中 称作核磁子。通常将取最大值I时的 称为核的磁矩，记作 (1) 这磁矩在空间的可能取向如图2所示，它位于核磁矩在外磁场(沿z轴)中旋进的锥面上。磁矩与磁场的相互作用能为 （2） 由于同一I下有(2I +1)个值，因而原来得一个核能级附加上相互作用能，将会有(2 I +1)个能量值，称为为子能级。相邻两个子能级的能量差(因其值相差为1)为 (3) 例如，氢核的基态核能级，在恒定磁场中的分裂情况如图3所示。 已知核磁矩在外磁场的作用下旋进，可以求得其旋进角速度为，若再在垂直于 的方向加一个频率在射频范围的交变磁场B (如图4所示)，当其频率与核磁矩旋进频

代谢组学技术在烟草研究中的应用进展_王小莉

2016-02，37（1）中国烟草科学 Chinese Tobacco Science 89 代谢组学技术在烟草研究中的应用进展 王小莉，付博，赵铭钦*，贺凡，王鹏泽，刘鹏飞 （河南农业大学烟草学院，国家烟草栽培生理生化研究基地，郑州 450002） 摘要：简述了作为研究植物生理生化和基因功能新方法的代谢组学在烟草研究中的主要技术流程及其应用现状，归纳了不同生态环境和不同组织中烟草代谢物差异及产生原因，总结了生物和非生物胁迫及化学诱导处理等条件下的烟草生理生化变化及相关基因功能。最后提出了目前烟草代谢组学研究所面临的问题，并指出与其他组学整合应用是代谢组学在烟草研究领域的发展趋势。 关键词：烟草；代谢组学；胁迫；化学诱导；基因功能 中图分类号：S572.01 文章编号：1007-5119（2016）01-0089-08 DOI：10.13496/j.issn.1007-5119.2016.01.016 Research of Metabolomics in Tobacco WANG Xiaoli, FU Bo, ZHAO Mingqin*, HE Fan, WANG Pengze, LIU Pengfei (College of Tobacco Science, Henan Agricultural University, National Tobacco Physiology and Biochemistry Research Center, Zhengzhou 450002, China) Abstract: Metabolomics has been considered one of the most effective means of investigating physiological and biochemical processes and gene function of plants. Here we review the main process of metabolomics and its application status in tobacco research, the regulation mechanisms of physiological and biochemical reactions when tobacco responds to different environmental, biotic and abiotic stresses, chemically induced processes and genetic modifications. Finally, issues of critical significance to current tobacco metabolomics research are discussed and it is noted that integration with other omics is the trend of metabolomics research in tobacco. Keywords: tobacco; metabolomics; stress; chemical induction; gene function 代谢组学与基因组学、转录组学和蛋白质组学分别从不同层面研究生物体对环境或基因改变的响应，它们都是系统生物学的重要组成部分。植物代谢组学是21世纪初产生的一门新学科，主要通过研究植物的次生代谢物受环境或基因扰动前后差异来研究植物代谢网络和基因功能[1-2]。与微生物和动物相比，植物的独特性在于它拥有复杂的代谢途径，目前发现的次生代谢产物达20万种以上[3]。代谢物差异是植物对基因或环境改变的最终响应[4]，因此，对代谢物进行全面解析，探索相关代谢网络和基因调控机制，是从分子层面深入认识植物生命活动规律的一个重要环节[5-7]。 烟草不仅是重要的经济作物，同时还是一种重要的模式植物，作为生物反应器在研究植物遗传、发育、防御反应和转基因等领域中具有重要意义[8-10]。烟草代谢物非常丰富，目前从烟叶中已鉴定出3000多种[11]，且代谢物理化性质和含量差异较大，给烟草化学及代谢规律研究带来挑战。传统的烟草化学主要集中于研究某一类化学成分或某几种重要物质，如萜类[12]、生物碱类[13]、多酚类等[14]，这很难全面地系统地阐述烟草代谢网络。随着系统生物学的发展，烟草越来越广泛地被用于基因组学、转录组学、蛋白质组学和代谢组学的研究中，例如采用系统生物学的方法找出 基金项目：中国烟草总公司浓香型特色优质烟叶开发（110201101001 TS-01）；上海烟草集团责任有限公司“浓香型特色优质烟叶风格定位研究及样品检测”（szbcw201201150） 作者简介：王小莉（1983-），女，博士研究生，主要从事烟草生理生化研究。E-mail：xiaoliwang325@https://www.wendangku.net/doc/c19722977.html, *通信作者，E-mail：zhaomingqin@https://www.wendangku.net/doc/c19722977.html, 收稿日期：2015-09-09 修回日期：2015-11-19

核磁共振技术在生命科学领域的应用

兵工自动化2013-04 Ordnance Industry Automation 32(4) ·84· doi: 10.7690/bgzdh.2013.04.024 核磁共振技术在生命科学领域的应用 戴曰梅 (山东信息职业技术学院，山东潍坊261061) 摘要：为进一步推动核磁共振技术(nuclear magnetic resonance，NMR)在更多领域与更多学科中的应用，对其在生命科学领域的应用进行研究。介绍核磁共振的原理，分别详细综述核磁共振技术在生物学、药物学和医学诊断等方面的应用，为相关研究应用提供参考借鉴。 关键词：原子核；核磁共振；蛋白质；生物膜；代谢组学；药物发现；药物分析；医学诊断 中图分类号：TP391 文献标志码：A Applications of NMR in Life Sciences Dai Yuemei (Shandong College of Information Technology, Weifang 261061, China) Abstract:Aimed at the further applications of nuclear magnetic resonance (NMR) technology in more fields and disciplines, the NMR’s applications in life sciences were researched. This paper introduced the principles of NMR, describe the applications of NMR in biology, pharmacology and medical diagnosis in detail. All the above would provide references in the related researches and applications. Key words: nuclei; NMR; protein; bio-membrane; metabonomics; drug development; drug analysis; medical diagnosis 0 引言 核磁共振技术(nuclear magnetic resonance，NMR)是一种利用外加恒定磁场，激发磁矩不为零的原子核，使其发生能量跃迁的技术手段。最早的研究始于20世纪一二十年代的分子束实验，之后核磁共振实验技术一直处于基础实验阶段。直至二战结束，美国斯坦福大学的布洛赫(Felix Bloch)和哈佛大学的普舍尔(Edward Mills Purcell)几乎同时分别用不同的新方法，在核磁属性的精确测定方面取得了里程碑式的进展，二人也因此共同获得了1952年的诺贝尔物理奖[1]。而在这一年，瓦里安公司也成功地研制出了世界上第1台商用核磁共振谱仪，并将其首先应用到了石油化工领域。之后，随着对弛豫现象的解释和超导，计算机、傅里叶变换技术的应用以及生物大分子的核磁测量技术等一系列理论和技术手段的突破，核磁共振技术越来越多的应用于其他多领域和多学科[2-5]，尤其是生命科学领域；因此，笔者对其在生命科学领域的应用进行研究，文中的生命科学是一个广义范畴，涉及生物学、药学以及临床医学等多学科。 1 核磁共振的原理 核磁共振是磁共振的一种，磁共振是指在稳恒磁场作用下，磁矩不为零的原子或原子核对电磁辐射能的共振吸收现象。如果此共振由原子核磁矩引起，则为核磁共振(NMR)；如果由电子自旋磁矩引起，则为电子自旋共振(electron spin resonance，ESR)，也称顺磁共振(electron paramagnetic resonance，EPR)。另外还有一种比较特殊的磁共振现象，即铁磁共振(ferromagnetic resonance，FMR)，这是由磁铁物质中的磁畴磁矩引起的。 原子核磁矩最早由泡利(Pauli)提出，他认为原子核具有磁矩，且核磁矩与其本身的自旋运动相关。核磁矩(μ)一般用来表示原子核的磁性大小，计算公式为μ=νhI，h为普朗克常数，I为自旋，即自旋量子数的简称，I具有方向性，因此μ也具有方向性。ν为旋磁比，实际上是原子核磁性大小的度量，ν值越大，原子核磁性越强，ν值越小，原子核磁性越弱。在天然同位素中，氢核(质子)的ν值最大，可达42.6 MHz/T，因此质子的μ值最大，其核磁检测灵敏度也相应地达到最高，而这也是质子成为核磁共振研究的首选对象的原因之一。 将磁矩不为零的原子核置于磁场中，核磁矩将绕磁场做拉莫尔运动，若在垂直于外磁场的方向上再加上一个交变磁场，当外加交变磁场的频率与原子核的拉莫尔频率相等时，处于低能态的原子核便能吸收射频能，从而从低能态跃迁到高能态，即发生所谓的核磁共振现象。没有自旋的原子核(I=0，如14C，16O，32S等)磁矩为零，不能在外加交变磁场的作用下产生能态跃迁，因此也观察不到核磁共 收稿日期：2012-10-25；修回日期：2012-11-17 作者简介：戴曰梅(1973—)，女，山东人，硕士，讲师，从事应用电子技术、计算机应用技术研究。

代谢组学分析系统技术指标

代谢组学分析系统 1.工作条件： 1.1 电压：220V（±10%）单相，50Hz(±1)。 1.2 环境温度：19-22o C 1.3 相对湿度：<70% * 2.设备用途和基本组成 2.1 仪器用途：所提供仪器为高分辨率，高灵敏度、高通量的分析系统，配以 专业的数据分析处理软件构成代谢组学专用分析系统，从而快速 寻找标记物。 2.2 仪器组成 2.2.1 仪器由超效液相色谱-四极杆/二级碰撞室/飞行时间质谱组成的系统，和 专用代谢组学分析软件以及代谢物分析软件构成，具有先进的中医药代 谢组学研究分析功能。 * 2.2.2 质谱主机要求配置同一厂家生产的液相色谱仪，具有良好的兼容性。 * 2.2.3 具备准确质量测定功能 准确质量测定的内标必须有独立于实测样品的通道进入离子源，内标不得 干扰实际样品的数据结果，并且质量准度<2ppm。 2.2.4 真空系统 要求完全被保护的多级真空系统，具有自动断电保护功能，采用分子涡轮 泵。离子源和质谱间有隔断阀。便于源清洗和日常维护。 * 2.2.5 碰撞室具有两级碰撞功能。分为以下部分： 捕获富集单元：具有离子传输富集、碰撞室两种功能 传输单元：具有离子传输、碰撞室两种功能 * 2.2.6 检测器 检测器由单个微通道板离子计数检测，可检测正负离子和采集MS和 MS/MS的数据, TDC转换速率>4.0 GHz。 * 2.2.7 数据采集和处理系统 工作站用于仪器控制和采集, 1024MB RAM, 200GB硬盘，DVD-ROM，

刻录光盘驱动器，1.44MB 3.5英寸软驱。 软件基于Windows XP 操作系统的应用软件包括集成化的仪器控制、数据处理等软件，代谢组学分析软件以及代谢物分析软件等。 3 仪器的详细技术指标 3.1 液相色谱仪 * 液相色谱仪必须是能够耐超高压（1000bar）的超高效液相色谱仪(UPLC)。3.1.1 可编程二元梯度泵。 溶剂数量：4 流速范围：0.010 - 2mL/min，步进0.001mL/min， 流速精度：< 0.075% RSD，流速准确度：±1%， 泵耐压：0 - 15000psi（1000bar） 梯度设定范围：0 - 100% *系统延迟体积：< 120uL 3.1.2 二极管阵列检测器 波长范围：190-700nm. *测量范围：0.0001～4.0000AUFS *采样速率：40点/秒 流通池：500nl低扩散 3.1.3 自动进样器系统 样品数量：96孔板、384孔板、24x4ml瓶、48x2ml瓶 进样范围：0.1- 50 μL, “针内针”样品探针。 温度范围：4-40摄氏度 3.1.4 在线脱气系统 真空脱气：六通道在线脱气机 3.1.5 柱加热系统 控温范围：室温+5---65摄氏度 3.1.6 专用色谱柱； * 1.7μ, 2.1 mm x 50 mm Column

核磁共振技术及应用 综述

核磁共振技术及应用 学号：2011201373 姓名：杨海源 摘要:综述核磁共振技术的基本原理与优势以及该技术作为一种检 测分析手段在生物医药、食品、化工业中的应用进展。核磁共振(Nuclear Magnetic Resonance, NMR) 是以原子核自旋的共振跃迁为探测对象的谱学方法。其最基本原理是，原子核在磁场中受到磁化，自旋角动量发生进动，当外加能量（射频场）与原子核震动频率相同时，原子核吸收能量发生能级跃迁，产生共振吸收信号。此方法专属性强、准确快捷, 可与其它方法相互补充, 用于诸多环节且有很好的应用前景。但在实际的应用中也还存在一些问题, 有待于进一步深入研究。 关键词:核磁共振技术，NMR，生物，食品，石油，分析，检测 Abstract The technology of nuclear magnetic resonance( NMR ) applying in biological medicine,food,chemical industry detection at home and abroad was summarized. The most basic principles of nuclei by magnetized in a magnetic field , the spin angular momentum precession , plus energy nuclei vibration frequency at the same time , the nuclei absorb energy level transition occurs , resonance absorption signal. According to current situation, it has some advantages in food detect ion such as fastness, accuracy, intactness. However, there are still some shortcomings, and we should further research to solve them in future. 1.前言