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核磁共振原理及其在生物学中的应用 第六章多重共振 6 1 6 4 核磁共振基本原理7讲 1 在早期的连续波 CW 谱仪上多重共振指除了观测用的射频场 另外再加上其他照射场 若另加一个射频场 称为双共振实验现代的脉冲Fourier变换谱仪上多重共振是指核磁实验中施加针对不同核的射频脉冲 在采集信号时也可加上其他照射场 核磁共振基本原理7讲吴季辉 2 双共振实验 按照被照射的核和被观察的核是相同的还是不同的 可分为同核去耦和异核去耦 习惯上以A X 的方式表示 其中X放在括号内表示被照射的核 A表示被观察的核 因此13C 1H 就是指把射频场H2加在质子上 观察13C 3 按照照射场的磁场强度H2不同 又可分为以下几种类型 H2 2 2J 自旋去耦 H2 2 J 选择自旋去耦 H2 2 1 2 J 自旋轻扰 2H22T1T2 1 核欧沃豪斯效应 NOE 双共振实验用于使波谱简化和确定能级的排列 核磁共振基本原理7讲吴季辉 4 同核去耦 图 a 是正常氢谱 它是很复杂的 因为它属于ABCX3体系 图 b 是把去耦场频率设置在CHO峰上 此时谱就变成ABX3体系 图 c 是把去耦场频率设置在CH3峰上 这时谱就简化为ABC体系 图 d 是用两个去耦场 分别对准CHO与CH3共振照射 这时谱就极简单 核磁共振基本原理7讲吴季辉 5 去耦原理 有两种解释方法 若照射场H2以频率 X照射X核 则引起X自旋在 两个自旋态之间来回跃迁 若H2的功率足够大 这种来回跃迁的频率与耦合常数相比足够的高 对A核而言 B核的这两种取向就不再能够区分 A核的这两种相应的分裂就消失了 而变成单峰用矢量模型分析 考虑两个核磁矩在旋转坐标系中感受到的有效磁场 当两者垂直时没有耦合 核磁共振基本原理7讲吴季辉 6 核磁共振基本原理7讲吴季辉 7 其中 H0 J 是 与X之间自旋 自旋耦合产生的磁场 2 H0 J 相当于波谱中X多重峰中最外侧两个峰之间的距离 k表示z方向如自旋A的角动量矢量和自旋X的角动量矢量彼此近乎垂直 自旋 自旋相互作用为零 核磁共振基本原理7讲吴季辉 8 异核去耦 因为13C的天然丰度是0 01 所以一般来说不能观察到13C 13C之间的耦合13C 1H的耦合是可以观察到的 主要是大的1JCH 再加上许多较小的远程13C 1H耦合这使得一个典型的有机化合物的13C谱变得异常复杂 大量多重峰互相重叠 谱线难以确定归属13C 1H之间的耦合不仅使波谱复杂化 而且也使总的灵敏度降低为研究13C谱 通常需要进行质子噪声去耦 偏共振去耦和选择性的质子去耦 核磁共振基本原理7讲吴季辉 9 质子噪声去耦 将去耦器的频率设在质子区的中心 用一个带宽足以复盖全部质子区的噪声发生器来进行调制 这就等于同时照射所有的质子共振频率 从而使分子中所有的质子都去耦 有效地使波谱得到简化质子噪声去耦除了使自旋裂分消失而提高信噪比外 还由于去耦产生欧沃豪斯效应 提高信噪比 在极窄的条件下 照射质子观察13C NOE 2 988 信噪比提高近三倍 核磁共振基本原理7讲吴季辉 10 质子噪声去耦 11 偏共振去耦 虽然质子噪声去耦大大简化了13C谱 但是它也去掉了有用的耦合信息 给谱的鉴定带来困难 解决这个问题的一个办法是用偏共振去耦如果将质子去耦的频率定在质子区外1000 2000Hz 将噪声调制关闭 则可得到一个部分去耦的波谱 在这样的条件下 13C 1H的耦合除一键耦合1JCH存在外 其余远程耦合都除去 而且一键耦合减小到30 50Hz 在此情况下 CH3碳表现出四重峰 CH2碳表现为三重峰 CH碳表现为两重峰 而 C 季碳 表现为单峰 这对测定谱线归属特别有用 在质子噪声去耦波谱中所得到的欧沃豪斯效应的大部分在偏共振去耦中仍然保留 核磁共振基本原理7讲吴季辉 12 核磁共振基本原理7讲吴季辉 13 选择性质子去耦 选择性质子去耦主要是用单一频率选择性地照射单个质子 在13C谱上除去与这个质子的全部耦合 主要用于波谱鉴定 a 以C3 H质子频率照射 b 以C4 H质子频率照射 核磁共振基本原理7讲吴季辉 14 门去耦和反门去耦 核欧沃豪斯效应的建立 需要一个大体相当于自旋 晶格弛豫时间T1数量级的时间间隔 其消失也要时间去耦则是即时的 核磁共振基本原理7讲吴季辉 15 采集的信号是有耦合的波谱 因为这时去耦器已关闭 但保留有欧沃豪斯效应 核磁共振基本原理7讲吴季辉 H1观察射频场 H2去耦射频场 16 门去耦技术的主要用途 在质子谱中测同核欧沃豪斯增强 此时饱和照射是1H选择性照射常规质子谱是有耦合 没有NOE 门去耦质子谱是有耦合 有NOE 差谱得到质子NOE 核磁共振基本原理7讲吴季辉 17 门去耦技术的主要用途 在13C谱中得到既有耦合作用又有NOE增强的波谱 核磁共振基本原理7讲吴季辉 18 门去耦技术的主要用途 用来消除波谱中不需要的峰 如用来抑制溶剂峰 核磁共振基本原理7讲吴季辉 19 核磁共振基本原理7讲吴季辉 20 核磁共振基本原理7讲吴季辉 21 采集的信号是去耦的波谱 因为这时去耦器打开 没有欧沃豪斯效应 因为NOE效应需要时间建立反门去耦主要用于测量异核欧沃豪斯增强 核磁共振基本原理7讲吴季辉 反门去耦 22 质子噪声去耦 去耦的波谱 有欧沃豪斯效应反门去耦 去耦的波谱 无欧沃豪斯效应差谱 异核NOE 23 去耦方式的小结 照射方式脉冲前照射采样时照射NOE效应耦合裂分无照射无无无有质子噪声去耦有有有无门去耦有无有有反门去耦无有无无 照射核与观察核宽带去耦选择去耦不同 如13C 1H 可以可以相同 如1H 1H 不可以可以 脉冲同核去耦 核磁共振基本原理7讲吴季辉 24 组合脉冲去耦 理想的宽带去耦要求 对于给定的rf功率 具有较宽的有效的去耦宽带 或者反过来对于一定的去耦宽带所需的功率较低剩余分裂 剩余J耦合分裂 相对于观测核的线宽较小对脉冲长度的小误差 射频通道相位小误差以及去耦场的非均匀性不敏感 核磁共振基本原理7讲吴季辉 25 组合脉冲 组合脉冲 几个脉冲组合起来完成一个脉冲的作用 但具有更好的特性如在较宽的频率范围内起作用 对脉冲宽度的变化不太敏感 对频偏效应有一定的纠正 等等 组合90度脉冲 90 x 90 y 能补偿射频场不均一组合180度脉冲 R1 90 x 240 y 90 x R2 90 x 180 y 90 x R3 90 x 180 x 270 x 都可使磁化矢量在较宽的频率范围翻转180 核磁共振基本原理7讲吴季辉 26 MLEV组合脉冲 通常MLEV 16用于二维同核TOCSY序列 核磁共振基本原理7讲吴季辉 沿R相反方向组合180 脉冲 27 WALTZ 16组合脉冲 其中 数字表示90 脉冲的倍数 4表示4x90 x WALTZ 16不仅比MLEV 64具有较宽的去耦带宽 而且能克服去耦射频场不均匀性的影响通常WALTZ 16用于质子去耦 核磁共振基本原理7讲吴季辉 28 GARP组合脉冲 R中的数字表示脉冲的旋转