核磁共振基本原理ppt课件

第六章 核磁共振波谱分析法 第一节 核磁共振基本原理 nuclear magnetic resonance spectroscopy; NMR principles of nuclear magnetic resonance * 核磁共振波谱学的发展核磁共振波谱学的发展 v 19461946年年， PurcellPurcell和和 BlochBloch观察到核观察到核 磁共振现象。磁共振现象。 于于19521952年年获得获得 诺贝尔物理奖诺贝尔物理奖 Date 1945-19511945-1951年间，化学位移和自旋偶合的发现，年间，化学位移和自旋偶合的发现， NMRNMR技术的化学应用。技术的化学应用。 19531953年年 世界上第一台商品化世界上第一台商品化NMRNMR谱仪谱仪. . 19641964年年 世界上第一台超导磁场的世界上第一台超导磁场的NMRNMR谱仪谱仪 19711971年世界上第一台脉冲傅立叶变换年世界上第一台脉冲傅立叶变换NMRNMR谱仪谱仪 Date 1976年R.R.Ernst发表了二维核磁共振的理论 和实验的文章。获得1991年诺贝尔化学奖诺贝尔化学奖 Date 1原子核的自旋:atomic nuclear spin 一一. .基本原理基本原理 如果放在外磁场中, 原子核和电子一样, 存在自旋.从而有自旋角 动量()和磁矩 Date 核的自旋角动量()是量子化的，不能任意取 值，可用自旋量子数(I)来描述。 I0、1/2、1 h:普朗克常数 I = 0， =0， 无自旋，不能产生自旋角动量 ，不会产生共振信号。 只有当I O时，才能发 生共振吸收,产生共振信号。 I 的取值可用下面关系判断： Date Date 2.自旋核在外加磁场中的取向(旋转方向) 取向数 = 2 I + 1 在没有外磁场时，自旋核的取向是任意的,并且自旋 产生的磁场方向也是任意的. 如果把H核放在外磁场中,由于磁场间的相互作用, 氢核的磁场方向会发生变化: 如:H的I=1/2,则: Date 每一种取向都对映一个能级状态，有一个ms 。如： 1H核：标记ms为1/2 和 +1/2 Date H0 m=1/2 m=-1/2 m=1 m= - 1 m=0 m=2 m=1 m=0 m= - 1 m= - 2 I=1/2 I=1I=2 zzz 1 P r m=1/2 m= -1/2 H0 H E2=+ m H0 E= E2 E1 = 2m H0 E1= m H0 自旋核在磁场中的行为 Date 能级分布与弛豫过程 不同能级上分布的核数目可由Boltzmann 定律计算： 磁场强度2.3488 T；25C；1H 的共振频率与分配比： 两能级上核数目差：1.610-5； 弛豫(relaxtion)高能态的核以非辐射的方式回到低能态。 饱和(saturated)低能态的核等于高能态的核。 Date 讨论: 共振条件： 0 = H0 / (2 ) （1）对于同一种核 ，磁旋比 为定值， H0变，射频频率变。 （2）不同原子核，磁旋比 不同，产生共振的条件不同，需 要的磁场强度H0和射频频率不同。 （3） 固定H0 ，改变（扫频） ，不同原子核在不同频率处 发生共振（图）。也可固定 ，改变H0 （扫场）。扫场方式 应用较多。 氢核（1H）： 1.409 T 共振频率 60 MHz 2.305 T 共振频率 100 MHz 磁场强度H0的单位：1高斯（GS）=10-4 T（特拉斯） Date v氢核（1H）： 14092G 共振频率 60 MHz v 2.305 T 共振频率 100 MHz v 磁场强度H0的单位：1高斯（GS）=10-4 T（ 特拉斯） Date 讨论: 在1950年，Proctor等人研究发现：质子的共振频率与其结 构（化学环境）有关。在高分辨率下，吸收峰产生化学位移 和裂分，如右图所示。 由有机化合物的核磁共振图，可获得质子所处化学环境的 信息，进一步确定化合物结构。 Date 四、核磁共振波谱仪 nuclear magnetic resonance spectrometer 1永久磁铁：提供外磁 场，要求稳定性好，均匀 ，不均匀性小于六千万分 之一。扫场线圈。 2 射频振荡器：线圈垂 直于外磁场，发射一定频 率的电磁辐射信号。 60MHz或100MHz。 Date 核磁共振波谱仪 Date Date Date 3 射频信号接受器（检 测器）：当质子的进动频 率与辐射频率相匹配时， 发生能级跃迁，吸收能量 ，在感应线圈中产生毫伏 级信号。 4样品管：外径5mm的 玻璃管,测量过程中旋转, 磁场作用均匀。 Date NMR 谱仪 600 MHz 磁体 探头机柜 RF 产生 RF 放大 信号检测 数据采集控制 数据信息交流 运行控制 磁体控制 前置放大器 计算机 数据储存; 数据处理; 总体控制. Date NMR 谱仪: 探头 RF 接口 RF 线圈 + 调谐元件 (电容器) Helmholtz Solenoid Date RF-Coil in NMR Probes Date 傅立叶变换核磁共振波谱仪 不是通过扫场或扫频产 生共振； 恒定磁场，施加全频脉 冲，产生共振，采集产生 的感应电流信号，经过傅 立叶变换获得一般核磁共 振谱图。 （类似于一台多道仪） Date Date 超导核磁共振波谱仪： 永久磁铁和电磁铁： 磁场强度100 kG 开始时，大电流一次性励磁后，闭合 线圈，产生稳定的磁场，长年保持不变； 温度升高，“失超”；重新励磁。 超导核磁共振波谱仪： 200-400HMz；可 高达600-700HMz； Date Date 90年代末核磁共振波谱技术的新进展 高场超导核磁谱仪的使用高场超导核磁谱仪的使用 900900MHzMHz 800MHz Date 样品的制备： 试样浓度：5-10%；需要纯样品15-30 mg； 傅立叶变换核磁共振波谱仪需要纯样品1 mg ； 标样浓度（四甲基硅烷 TMS） ： 1%； 溶剂：1H谱 四氯化碳，二硫化碳； 氘代溶剂：氯仿，丙酮、苯、二甲基亚砜的氘代物； Date NMR图 Date 1.化学位移: 吸收峰所在的相对不同位置. 在照射频率确定时，都是H核，所以吸收峰的位置 应该是相同的,而实际不是这样. (1).化学位移的由来 屏蔽效应 化学位移是由核外电子的屏蔽效应引起的。 Date H核在分子中是被价电子所包围的。因此，在外加 磁场的同时，还有核外电子绕核旋转产生感应磁场H 。如果感应磁场与外加磁场方向相反，则H核的实际感 受到的磁场强度为： 式中：为屏蔽常数 核外电子对H核产生的这种作用，称为屏蔽效应(如 果产生磁场与外加磁场同向,称之为去屏蔽效应)。 Date 显然，核外电子云密度越大，屏蔽效应越强，要发 生共振吸收就势必增加外加磁场强度，共振信号将移向 高场区；，共振信号将移向低场区。 Date (2). 化学位移的表示方法 化学位移的差别约为百万分之十，精确测量十分 困难，现采用相对数值。以四甲基硅（TMS）为标准 物质，规定：它的化学位移为零，然后，根据其它吸 收峰与零点的相对距离来确定它们的化学位移值。 仪器频率 Date 为什么选用TMS(四甲基硅烷)作为标准物质? (1)屏蔽效应强，共振信号在高场区(值规定为 0)，绝大多数吸收峰均出现在它的左边。 (2)结构对称，是一个单峰。 (3)容易回收(b.p低)，与样品不反应、不缔合。 Date (3).影响化学位移(电子云密度)的因素: a.电负性: 元素的电负性，通过诱导效应，使H核的核外电子 云密度，屏蔽效应，共振信号低场。例如： C H a H b 高 场 低 场 屏 蔽 效 应 ：H a H b O Date b磁各向异性效应： A.双键碳上的质子 双键碳上的质子位于键环流电子产生的感生磁场与 外加磁场方向一致的区域（称为去屏蔽区），去屏蔽效应 的结果，使双键碳上的质子的共振信号移向稍低的磁场区 =9.410 = 4.55.7 Date c.共轭效应 :电子云密度增加磁屏蔽增加 d.Van der waals 效应 :在空间中两个氢核靠 的很近时,核外电子会互相排斥,这时氢核电 子密度下降, 值变大. Date 第六节 核磁共振碳谱(13C)简介 v有机化合物中C元素的重要性； v核磁共振碳谱与氢谱的差别 信号强度低： v13C丰度为1.1；磁旋比比1H小四倍； v为1H谱图的1/6000。 化学位移范围宽 v0250(350)，有利于结构分析。 耦合常数大 v13C与直接相连的1H的耦合常数在125250Hz； v一般通过质子噪声去耦，得到单峰。 Date 弛豫时间长 v比1H慢； v可得到较多信息； v不能用于定量 共振方法多、信息多 v质子噪声去耦、偏共振去耦、门控去耦。 谱图简单 v一般为一级谱图。 Date Date Date 第七节 二维核磁共振谱 v二维谱是两个独立频率变量的信号函数S(1,2); v目前，主要是先得到以独立时间为变量的信号函数 S(t1,t2)，再经过傅立叶转换成为两个独立频率变 量的信号函数。 Date 二维谱图的表示方法 Date 二维谱图举例1 Date 谱图举例2 Date 生物大分子空间结构的 测定方法 X射线晶体学多维核磁共振波谱学 Date Date 核磁共振的特点 蛋白质处于溶液状态 适合研究蛋白质-蛋白质， 蛋白质-核酸，蛋白质-配基相互作用 可研究蛋白质分子内部运动 可研究膜蛋白 核磁共振基本原理 11讲 吴季辉 Date NMR structure of the recombinant murine prion protein 核磁共振基本原理 11讲 吴季辉 Date 核磁技术和应用范围 Date 蛋白质三维空间结构测定 v样品制备 v记录核磁共振谱 v谱峰归属 v确定二级结构单元 v约束条件的建立 v从NMR数据到分子模型 核磁共振基本原理 11讲 吴季辉 Date 药物设计和筛选药物设计和筛选 Date Date hr-MAS of biological tissue 相同强度 Lipid CH2-CO Lipid CH2-C=C Lipid CH2-CH2-CO Lipid CH2 Lipid CH3 Citrate Lactate Alanine 放大 人前列腺组织（prostate tissu）良性 vs. 恶性 癌症组织给出更多的脂类 物含量（lip