核磁共振简介

核磁共振简介,王雨松2014年11月19日,核磁共振是磁矩不为零的原子核，在外磁场作用下自旋能级发生塞曼分裂，共振吸收某一定频率的射频辐射的物理过程。,什么是核磁共振？,孤立原子核，在同样强度的外磁场中，只对某一特定频率的射频场敏感。分子结构中不同位置的原子核，所感受到的外加磁场的强度各不相同，从而对不同频率的射频场敏感，导致核磁共振信号的差异。,核磁共振研究领域,液体核磁共振：有机小分子、高分子、生物大分子固体核磁共振：高分子、无机材料、生物大分子磁共振成像：医学（人体、小动物）,核磁共振谱仪,温控单元,自动进样器,前置放大器,超导磁体,机柜,探头,液体核磁1）核磁管（干净、完好）2）氘代试剂（适合的）3）溶液浓度 1H谱：510毫克（稀溶液可提高分辨率） 13C谱：2030毫克（浓溶液可提高灵敏度）,NMR样品的准备, ,溶剂太少 溶剂太多,0.5ml溶剂4cm高,液体核磁 1H谱,化学位移耦合积分面积,1H谱的特点：,灵敏度最高（测试时间短，几分钟）定量关系好（同一分子中不同种类氢的比例、混合物中各组分的比例 聚合物的数均分子量、共聚比例等）复杂化合物谱峰重叠严重,液体核磁 13C谱,13C谱的特点：,灵敏度低（测试时间长，1小时几十小时）通常的13C谱图，谱峰面积没有定量关系化学位移数值变化范围较宽，且谱线较窄，很少重叠碳的级数容易测定对于化合物的立体结构敏感,液体核磁 DEPT 13C谱,通过三张13C谱，区分化合物中伯、仲、叔、季四种碳,液体核磁 COSY谱,相邻碳上的氢原子之间有相关峰,同核相关,液体核磁 HSQC谱,化学键直接相连的碳原子和氢原子有相关峰,异核相关（近程）,液体核磁 HMBC谱,相隔两根或三根化学键的碳原子和氢原子有相关峰主要用于确定季碳的位置,异核相关（远程）,一维多核实验技术,11B,19F,23Na,29Si,31P,195Pt,1D sel-NOE,*,*,*,选择性照射,溶剂峰抑制,由于计算机动态范围的限制，溶剂峰被抑制后，微弱的信号才可见。,扩散实验 DOSY,反复优化参数（、）,扩散序谱是一种利用脉冲梯度场核磁共振对溶液中具有不同扩散系数(D)的成分进行虚拟分离的一种核磁共振技术。,例：不同分子大小的三种物质（咖啡因、乙二醇、水）的混合物，因其扩散系数不同，得到了虚拟分离。,固体核磁,样品不溶解样品溶解，但是结构改变研究从液体到固体的结构变化固相反应等研究领域： 无机材料：分子筛、玻璃、陶瓷等； 有机固体：高分子、膜蛋白等样品要求： 干燥、不导电、无磁性的固体粉末 高速旋转时，体积不膨胀、不爆炸。,为什么要固体核磁？,液体NMR与固体NMR的区别,（1）谱线： 固体谱线宽、分辨率低 液体谱线窄、分辨率高 原因：液体分子的快速运动把使谱线增宽的各种内部相互作用 平均为零。（2）硬件： a. High power (1000W) short pulse width (激发谱宽大） low power (100 W) large pulse width (激发谱宽小） b. 魔角旋转（MAS）探头（3）差别在减小 HR-MAS probe、 Nano-probe 介于固体与液体之间（凝胶、生物组织等）样品 液体NMR的实验方法用于固体NMR,仪器介绍,7mm 4mm 2.5mm,400MHz宽腔固体核磁共振,定子,400km/hr 600km/hr 800km/hr 线速度,选择适合的盖子,选择适当直径的转子,探头与样品管盖子,固体NMR的发展过程,四、五十年代：宽线NMR1958年: R. Andrew, I. Lowe, 魔角旋转（magic angle spinning, MAS) 消除同核偶极相互作用、化学位移各向异性 1968年：J. Waugh et al., 多脉冲（multiple pulse, WAHUHA四脉冲） 消除同核偶极相互作用 （同核去偶） 1972年， A. Pines et al. , 交叉极化 (cross polarization, CP) 通过极化转移，增强稀核的灵敏度1988年，A. Pines, Llor, 双旋转（DOR）、动角旋转（DAS） 消除半整数四极核中心跃迁的二阶四极作用1989年, A. Schaffer, T. Gullion, 旋转回波双共振 (REDOR) 测量异核间距离(空间联系) 1994年, H. W. Spiess 双量子魔角旋转(DQ-MAS) 测量同核间距离(空间联系)1995年，L. Frydman 多量子魔角旋转（MQ-MAS） 消除半整数四极核中心跃迁的二阶四极作用,魔角旋转（MAS）,魔角旋转(Magic angle spinning, MAS)使得不同取向的晶位表现出相同的平均取向，从而平均掉偶极哈密顿各向异性的空间部分。,固体中的相互作用H = HZ + HRF + HD + Hcs + HQ + Hj Hz 核磁矩与外磁场的相互作用(106-109Hz) HRF 核自旋与射频场的相互作用 HD 偶极-偶极相互作用 ( 0 - 105 Hz ) Hcs 化学位移各向异性相互作用 ( 0 - 104 Hz ) HQ 四极相互作用 ( 0 - 109 Hz),谱线增宽,魔角旋转（MAS）,19F 谱,静态，单脉冲,转速=10kHz，单脉冲,转速=20kHz，单脉冲,转速=30kHz，单脉冲,聚偏氟乙烯（PVDF）,*,*,*,*,*,* 为旋转边带,交叉极化与魔角旋转（CP/MAS),交叉极化的脉冲序列,Hartman-Hahn匹配条件静止：IB1I= SB1S，即1I = 1S 魔角旋转： 1S = 1In r n=0,1,2,I,S,CP+MAS,MAS,交叉极化使得信号强度明显增加,困难：1. 13C、15N等核天然丰度低； 2. T1一般比较长； 3. 同位素富集较昂贵。,13C,交叉极化与魔角旋转（CP/MAS),甘氨酸在不同转速时的CP/MAS 13C谱,*,*,*,*,静态,1kHz,5kHz,15kHz,8kHz,12kHz,5kHz,13C,13C,*,*,*,*,*,*,*,*,*,*,*,*,交叉极化与魔角旋转（CP/MAS),Non-Quaternary Suppression (NQS)非季碳抑制（谱图仅显示季碳信号）,Total Sideband Suppression (TOSS)全边带抑制（在低转速下，谱图几乎看不到旋转边带）,Cross Polarization / Magic Angle Spinning (CP/MAS),甘氨酸，转速 = 5kHz,13C,*,*,*,*,*,*,CRAMPS (1D&2D),Combined Rotation And Multiple Pulse NMR Spectroscopy (CRAMPS),1H,1H,转速=12kHz，Dumbo,转速=12kHz，单脉冲,转速=34kHz，单脉冲,1H,一维氢谱,二维氢谱,13C-1H相关谱 HETCOR,13C,1H,样品：13C labelled tyrosine,400MHz，4mm探头，约70min,9 3 1 5 6 2 4 8 7,13C-13C相关谱 RFDR,13C,Mixtime = 1.2ms,Mixtime = 8ms,13C,Radio Frequency-Driven Recoupling(RFDR),400MHz，2.5mm探头，约70min,13C,9 3 1,5 6 2,4 8 7,样品：13C labelled tyrosine,9 3 1,5 6 2,4 8 7,9 3 1,5 6 2,4 8 7,(C7/C9),(C1、5/C7),(C1、5/C3),19F-19F相关谱 RFDR,19F,19F,样品：PVDF,Radio Frequency-Driven Recoupling(RFDR),400MHz，2.5mm探头，约70min,外磁场强度对中心跃迁二阶四极作用的影响,Experimental and modeled central transition 27Al MAS spectrum of the aluminoborate (A9B2) compound acquired at 17.6 T.,27Al MAS spectra of A9B2 compoundfrom 14 to 40 T.,引自Z. H. Gan et al. JACS, 2002,5634,27Al MAS 17.6T/750MHz,27Al MAS 17.6T/750MHz,RbNO3的87Rb 3QMAS谱图,多量子魔角旋转(MQMAS),F1维是各向同性高分辨的，消除了二阶四级线型,400MHz，4mm探头，约60min,晶型差异,400 MHz spectrometer, spinning speed 15 kHz, measurement time 40 min,13C CP/MAS spectra of cortisone acetate（醋酸可的松）,DCBA,引自bruker的ppt,静态变角（单晶）探头,3603303002702402101801501209060300,（H2N)2C-NH-CH2-CH2-CH2-CH(COOH) NH3+ H2PO4-,31P 谱,温馨提示,一、安全因强磁场存在，装有心脏起搏器、假肢人员禁止进入核磁共振实验室；磁卡、手表、可磁化物体（扳手、钢瓶）等不要靠近超导磁体；二、溶剂做液体核磁时，必须使用氘代试剂，0.5毫升；采集的信号为溶解在溶剂中的部分；因溶剂效应，在不同的溶剂中，谱图可能有变化；重水交换实验可用于确定活泼氢信号；三、核磁管不得使用破损的核磁管，以免损坏探头；核磁管中尽量不要有悬浮物，会影响匀场，降低谱图分辨率；核磁管的清洗要注意是否有溶剂残留，烘干不要温度太高，避免核磁管弯曲；光敏感的样品可用锡箔纸包裹核磁管，测试过程也会注意避光；空气、水敏感的样品，可将核磁管抽真空后，封管；四、变温变温实验要注意溶剂的沸点、凝固点是否合适；变温实验时，样品可能会发生构型翻转，导致峰型变化；变温实验风险较大，要在有人值守时进行；,核磁数据 ？ 谱图,以一维氢谱为例：,1. 软件下载：10用户名：mnova，密码：mnova核磁共振谱图处理软件MestReNova正版软件，校内联网电脑均可激活2. 核磁数据下载（理化中心）10用户名：导师姓名的全拼，密码：样品测试完成后，数据会上传服务器，请自行下载数据，并及时取回核磁管。,请下载整个文件夹！,1D谱图,谱图打开,1D fid文件/2D ser文件,1D 谱图处理,Fid信号+窗函数,手动调相位先调0级相位再调1级相位,1D 谱图处理,手动校正基线,标化学位移,1D 谱图处理,手动积分,谱图缩放,指定横坐标的两端,局部放大,分峰拟合,多重性分析,谱图输出,谱图模板,显示模板,处理参数模板,多谱图比较,13C谱,DEPT90,DEPT135,CH+CH3,CH2,CH,按住ctrl键 选择多个谱图,举例：19F NMR,原始谱图,调整相位,窗函数,基线校正,2D 谱图处理,在2D谱图上添加1D谱图,2D谱图处理,f1 f2两个维度分别调整相位,按住Ctrl 键可微调,调整等高线的圈数和密度,2D谱图处理,2D谱图,HSQC,常用工具书,1.现代核磁共振实用技术及应用，毛希安，2000年2.核磁共振原理与试验方法，高汉宾、张振芳，2008年3.生物大分子多维核磁共振，夏佑林等，1999年4.核磁共振实验200例实用教程，陶家洵等译，2008年5.有机化合物结构鉴定与有机波谱学，宁永成，2000年6.波谱数据表有机化