本所化学学科以化学、生物、医学、物理和材料等学科中的重大科学问题为牵引，开展以磁共振、光谱等多种方法为手段的多学科交叉的前沿创新研究，推动磁共振等分析方法与化学、生命、材料和医学等领域的紧密结合与交叉，从而促进我国化学学科的发展。 

    经过多年积累，本所化学学科已发展成为学术研究特色鲜明、学术队伍结构合理、在国内外富有影响力的研究集体，总体研究水平已进入国内同学科前列，成为一个产生原创性研究成果、培养高水平人才、能够承担国家科技进步与社会发展重任的科研、教学基地。 

    本学科依托于波谱与原子分子物理国家重点实验室、中国科学院生物磁共振重点实验室、国家大型科学仪器武汉磁共振中心等国家和省部级科研平台，拥有国内规模最大的核磁共振谱仪：现有液体核磁共振谱仪8台，包括600MHz 四台，850、800、700、500MHz谱仪各一台，其中800MHz谱仪适用于液体和固体核磁共振；固体核磁共振专用谱仪5台，800、600、500、400和300MHz谱仪各一台，建有完备的生物、化学等实验平台，硬件水平已接近国际先进水平。 

    本学科汇聚了一批优秀的科技人才。核心团队在2009与2012年获国家创新群体资助（生物磁共振分析），这是分析化学领域第4个获国家基金委员会资助的创新研究群体。现有国家杰出青年基金获得者7名、国家优秀青年基金获得者2名、霍华德休斯国际青年科学家奖获得者1名等，业已形成一支梯队合理、结构优化、活力迸发的人才队伍。 

    本学科学术气氛浓厚，国内外学术交流广泛，曾多次主办国内外NMR会议，为推动波谱学的发展做出了重要贡献。 

研究方向 

？ 生物波谱分析	生物波谱分析是研究生物样品的物质组成和结构，确定生物分子在不同环境状态和演变过程中成分、含量和构象的时空变化的学科。其研究涉及分析化学、生物化学和结构生物学等领域，用波谱学方法对参与生命活动的代谢物小分子和蛋白质大分子进行检测，致力于从原子、分子的水平揭示生命活动的规律。  　　本方向以生物核磁共振（NMR）方法为主要检测手段，X射线和荧光等方法为辅助，开展从溶液，细胞，组织，器官，活体等系体中生物分子结构、相互作用和动力学及代谢组学的分析相关的理论、方法和仪器装置、以及应用基础研究，进而分析特定生物分子在生命现象中的作用，阐明其生物学意义。同时以分析化学、医学和生物化学等方向的重大科学问题为导向，开展以核磁共振为核心手段的多学科交叉的前沿领域创新研究。  　　本方向在国内独具特色和优势，是分析化学领域第4个获国家基金委员会资助的创新研究群体的核心研究方向，研究团队由多名生物波谱分析领域的国际权威专家组成。经过20多年的学科积累，在生物波谱分析理论、方法和应用研究中取得了多项创新成果，在国际上产生了显著影响。  伴随着检测仪器和检测方法的发展，当前生物波谱分析学科发展迅速，并且呈现出明显的研究热点，如：生物大分子结构的时空转换与其生物学功能之间的关系；蛋白质所处环境对其结构与功能的影响；代谢物与生理病理发生发现的关系。对于上述热点问题的研究有助于步步深入探索生命活动的本质，使我们更好地从“微观”的角度了解重大疾病和重要生理活动的发生与发展，为药物和医疗手段提供新的研发思路。
？ 影像/成像分析	磁共振成像（MRI）因其能用于无损获得生物体内空间分辨和时间分辨的信息，不仅现已成为临床放射诊断中最重要的手段之一，还在神经科学、生理学、心理学、药理学、病理学、遗传发育等基础研究领域中有着广泛的应用。  　　本方向以磁共振成像方法学与应用研究为主，具体研究领域包括：针对人类重大神经与精神疾病、人体肺部重大疾病的诊疗，发展快速、超高灵敏度、高特异性的磁共振成像检测新方法与新技术；开展临床前转化型影像学研究；以嗅觉神经生物学研究为牵引，开展小动物脑功能成像技术、方法与应用研究；磁共振成像分析与代谢组学、其它神经影像（如PET和电生理记录等）、分子生物学以及遗传学等多学科之间的交叉与融合；开展多模态（MRI-荧光、MRI-CT、MRI-超声等）分子影像与造影剂的设计、合成与应用研究。  我所是国内最早开展磁共振成像分析研究的单位。1996年建立了国内首个4.7T小动物磁共振成像平台；2009年购置7T小动物成像仪，2018年将添置9.4T超高场小动物成像仪。在小动物磁共振成像分析研究、神经环路标记与示踪研究方面有深厚的积累，已成为我国在相关领域开放共享的重要实验平台
？ 仪器分析	仪器分析是化学学科的一个重要分支，它是以物质的物理和物理化学性质为基础建立起来的一种分析方法，是体现学科交叉、科学与技术高度结合的一个综合性极强的科技分支。  　　本方向主要发展以核磁共振为主，其他多种仪器分析为辅的综合分析仪器和技术，并具有独立研发具有我国自主知识产权的先进核磁共振波谱仪与成像仪、提高磁共振灵敏度的极化仪（动态核极化、激光抽运自旋）等科学分析仪器能力。  　　我所在本方向上具有长期积累，有独特的学科优势，在国内磁共振仪器分析方向具有重要的学术地位。叶朝辉院士曾自主研制出世界上频率最高、微波功率最大的动态核极化谱仪（DNP）；所依托的波谱与原子分子物理国家重点实验在2010年被国家重点实验室评估专家组认为“在方法学研究和仪器自主研制等方面发挥了国家大型科学仪器平台作用，引领了我国多学科交叉的磁共振波谱学的发展”；多年来主持了 “300－500MHz核磁共振谱仪的研制”、“500MHz超导核磁共振波谱仪的工程化开发”、“用于人体肺部重大疾病研究的磁共振成像系统研制”、“脉冲动态核极化-核磁共振分子影像装置”等一系列国家级重大、重点项目。  磁共振的仪器分析发展极为迅速，应用和产业化前景极为广阔，我所将持续把磁共振谱仪研制作为重要发展方向之一。
？ 能源材料物理化学	能源材料物理化学方向是物理化学最为活跃的重要分支，近年来随着人类对能源、环境和健康等问题的普遍关注，其作用和地位日益突出。研究能源材料（催化材料、高分子材料和电池材料等）的结构与性能关系，对于新型能源材料的开发与设计都具有重要意义。  　　本方向是通过发展固体核磁共振（NMR）实验新方法和新技术，结合其它谱学技术及理论计算，研究与能源优化利用、环境保护有关的重要催化材料、高分子材料和电池材料的微观结构和性能的关系。      经过近30年的积累，本方向在能源材料构效关系的固体磁共振研究方面形成了独特的优势，处于国际领先水平。取得了一系列高水平科研成果：建立了利用系列用于催化剂活性中心表征的固体NMR方法，并被国内外同行广泛使用；建立了用于主客体相互作用表征的双共振固体NMR方法，揭示了“超分子反应活性中心”结构和催化作用机制；建立了用于多相催化反应机理研究的原位固体NMR方法，揭示了甲烷、CO和甲醇等C1资源在沸石分子筛上活化与转化的机制；建立了电池原位NMR研究方法，用以揭示电池充放电过程中发生的物质（态）以及物理化学性质的变化。
？ 生物物理化学	生物物理化学方向是研究生物体化学组成和生命活动化学变化及其规律的交叉学科，立足于化学、生物学、物理学，采用物理、化学的技术和手段研究生物大分子的结构、动力学及功能，进而在原子分子水平揭示生命活动的本质。  　　本方向是建立和发展以核磁共振为主，X光、荧光、量热、计算、模拟等为辅的技术和方法，研究蛋白质在溶液中、在磷脂双层膜环境下、在细胞环境下的高分辨率结构及动态变化，在原子分子水平解释蛋白质的生理、病理功能。  　　本方向的实验平台在硬件上已接近国际先进水平，拥有高水平的研究团队，团队成员的工作既有交叉，又有各自的特色；既有方法学研究，也有应用研究。承担了多项国家级项目。      随着基因组学、蛋白质组学及结构组学的深入发展，大量蛋白质的三维立体结构被解析出来，它们为探究蛋白质结构功能关系奠定了坚实的基础，但也提出了新的需求，如：蛋白质是如何在不同结构之间转换？蛋白质之间、蛋白质与小分子之间如何相互作用？蛋白质在膜环境下、在细胞内的结构与动态过程与晶体结构、简单溶液环境下是否相同？我们是否能够调节蛋白质的动态变化？对这些问题的研究，不仅能阐明生命在原子、分子水平的动态过程，揭示疾病发生发展机制，还将有助于治疗疾病新靶标的发现和新药物的开发。
？ 理论与计算化学	理论与计算化学方向是化学科学的一个重要分支学科，它以量子力学、经典力学和统计力学为理论基础，并结合计算数学和计算机技术最新成果，为化学观测提供解释和预测，它所关注的对象包括从单个化学键的形成和断裂到生物大分子和功能材料的性质。理论与计算化学的发展为化学科学提供了许多重要概念（如分子轨道）和新的分析手段，并已经成为化学教育和研究中不可缺少的组成部分。根据研究对象的不同，理论与计算化学主要分支包括量子化学（采用量子力学方法研究化学体系的电子结构）、分子模拟（采用经典力学研究复杂化学体系）和量子动力学（采用量子力学方法研究反应分子反应动力学）等。  　　本方向建立多原子反应量子动力学新方法,应用量子化学和分子模拟手段研究复杂化学体系和生物分子的相互作用和动力学，在理论与计算化学的多个方向开展研究工作，既包括理论方法的发展，又包括和实验科学家紧密合作的应用研究。包括：  　　（1）化学反应动力学理论方法的发展和应用。基元反应是化学的中心问题，对于基元反应的准确理论计算，需要采用严格量子力学方法，是化学动力学的前沿问题。我所针对五原子/六原子反应，发展了一系列量子动力学新方法并已成功应用于解释H+CH4，O+CH4气相反应和CH4在Ni表面化学吸附解离等过程的实验观测。  　　（2）生物大分子的理论模拟。生物分子动态结构变化是其功能行使的基础，也与许多重大疾病的致病机理紧密关联。理论计算模拟是研究生物大分子动态结构变化的最主要手段之一。我们针对固有无序蛋白结构转换及错误折叠相关的致病机制、药物分子诱导靶标蛋白构象变化以及生物大分子相互作用和聚集等方向开展工作。  　　（3）量子化学新算法和计算软件包。量子化学在物理、化学和材料科学众多领域得到广泛应用，其发展和计算机领域的进步密切相关。近年来GPU（图形处理器）获得较大进展，我们发展了结合CPU和GPU异构并行计算的量子化学软件包WESP,实现在单一计算节点内CPU和GPU计算资源的完全利用。