核磁共振 .ppt

2020年1月29日 1 目录 1系统简介2核磁共振仪器的组成及工作原理3核磁共振原理 原子核间的相互作用4仪器的分辨率及稳定性5RF脉冲6去偶7水峰的压制技术8两维核磁共振9核磁共振中梯度场的应用10 高分辨魔角旋转光谱11 固体核磁共振 2020年1月29日 2 简单介绍 2020年1月29日 3 核磁共振 简介 核磁共振或简称NMR是一种用来研究物质的分子结构及物理特性的光谱学方法 它是众多光谱分析法中的一员 其它的分析方法 电子自旋共振 ESR EPR 红外光谱学 IR 质谱学 MS 色谱学 LC GC HPLC X ray SCD XRF XRD 核磁共振成像或称MRI已经频繁的使用在医院的疾病的诊断中 2020年1月29日 4 核磁共振 简介 虽然一小部分核磁共振仪器在工业上被用来做质量控制 但核磁共振仪器现大部分仍局限在实验室使用 应用范围 结构确定StructureDetermination化学鉴定ChemicalIdentification聚合物特性测定PolymerCharacterization药品开发DrugDevelopment催化研究Catalysis用户 化学公司ChemicalCompanies药剂化学PharmaceuticalCompanies石油化工PetrochemicalIndustry高分子材料PolymerIndustry大学Universities医院Hospitals 2020年1月29日 5 核磁共振 简介 核磁共振研究的材料称为样品 样品可以处于液态 固态 众所周知 宏观物质是由大量的微观原子或由大量原子构成的分子组成 原子又是由质子与中子构成的原子核及核外电子组成 核磁共振研究的对象是原子核 一滴水大约由1022分子组成 m mm 10 6m nm 10 9m A 10 10m 2020年1月29日 6 核磁共振 简介 具有非零自旋量子数的原子核具有自旋角动量 因而也就具有磁矩 例如象1H 31P 13C 15N等原子核 磁矩是一矢量 如果含有此类核的物质置放于磁场中 原来无规则的磁矩矢量会重新排列而平行于外加的磁场 与外磁场同向和反向的磁矢量符合Boltzmann分布 在数量上同向与反向的差别很小 但正是这一微小的差别造就了核磁共振光谱学 B0 M 单位体积内原子核磁矩的矢量和定义为宏观磁化强度矢量M macroscopicmagnetization 其方向与外磁场方向相同 2020年1月29日 7 在磁场中 原来简并的能级分裂成不同的能级状态 如果用适当频率的电磁辐射照射就可观察到核自旋能级的跃迁 原子核能级的变化不仅取决于外部磁场强度的大小及不同种类的原子核 而且取决于原子核外部电子环境 这样我们就可获得原子核外电子环境的信息 宏观上讲 当用适当频率的电磁辐射 RF 照射样品 宏观磁化强度矢量从Z 轴转到X或Y轴上 通过接受器 傅立叶转换就得到核磁共振谱图 核磁共振 简介 B0 M B0 M RF脉冲 接收器Receiver FT S t S w 2020年1月29日 8 核磁共振 简介 样品 非磁性及非导电灵敏度 样品需含 1015原子核 溶液 固体Solids 成像 NMR 2020年1月29日 9 核磁共振 简介 Larmor频率 化学位移 自旋 自旋偶合 e g B0 11 7T w 1H 500MHzw 13C 125MHz化学位移 B0 kHz自旋 自旋偶合 Hz kHz 2020年1月29日 10 核磁共振 简介 Information Larmor频率原子核化学位移 结构测定 功能团 J 偶合 结构测定 原子的相关性 偶极偶合 结构测定 空间位置关系 弛豫 动力学 1H 13C CH3 C CH C C CH3 2020年1月29日 11 核磁共振 简介 分辨率可通过提高外磁场强度和增加谱图的维数而提高 nDNMR n 2 3 4 1D谱 2D 轮廓图 2020年1月29日 12 NMR谱仪 FM Audio 反馈 2020年1月29日 13 NMR谱仪 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 2020年1月29日 14 NMR谱仪 机柜 AQX Digital CCUTCUFCURCU VTunit BSMSshimlockCCU AQRASURouterACBADCRX22 Amplifier Amplifier PTS 2020年1月29日 15 NMR谱仪 探头 RF接口 RF线圈 调谐元件 电容器 Helmholtz Solenoid 2020年1月29日 16 RF CoilinNMRProbes 2020年1月29日 17 NMR谱仪 术语和简写 AVANCE系统 FCU 频率控制单元FrequencyControlUnitASU 频辐设置单元AmplitudeSettingUnitTCU 时间控制单元TimingControlUnitCCU 协调控制单元CommunicationControlUnitRCU 接收控制单元ReceiverControlUnitBSMS 布鲁可智能磁体控制系统BrukerSmartMagnetSystemLOT 发射 调谐开关LocalOscillatorandTuneBoardACB 功放控制板AmplifierControlBoardRX22 接收器ReceiverADC 数字 摸拟转换器AnalogtoDigitalConverterHPPR 前置放大器Pre amplifierLCB 锁场控制板LockControlBoardPTS 频率合成器brandofsynthesizerusedXwinNMR 运行软件OperatingSoftwareLINUX WINDOWS 计算机操作系统SGIOperatingSoftwarePulseProgram 脉冲程序OperatorInstructionsforexperiment 2020年1月29日 18 NMR谱仪 术语和简写 AV系统 FCU 频率控制单元FrequencyControlUnitSGU 信号产生单元AmplitudeSettingUnitTCU 时间控制单元TimingControlUnitCCU 协调控制单元CommunicationControlUnitRCU 接收控制单元ReceiverControlUnitBSMS 布鲁可智能磁体控制系统BrukerSmartMagnetSystemACB 功放控制板AmplifierControlBoardRX22 接收器ReceiverADC 数字 摸拟转换器AnalogtoDigitalConverterHPPR 前置放大器Pre amplifierLCB 锁场控制板LockControlBoardXwinNMR 运行软件OperatingSoftwareLINUX WINDOWS 计算机操作系统SGIOperatingSoftwarePulseProgram 脉冲程序OperatorInstructionsforexperiment 2020年1月29日 19 2 NMR检测 A 磁化强度矢量 Larmor频率B RF脉冲 脉冲功率 探头 电击放电C 磁化强度矢量进动 旋转坐标系 接收器 前置放大器D 接收器增益值 弛预时间 T1 T2 E 傅立叶转换 正交检测 频率扫描宽度 折反峰folding B0 M B0 M RFpulse Receiver FT S t S w A E C B D 2020年1月29日 20 2 a 宏观磁化强度矢量 M 具有非零自旋量子数的原子核具有自旋角动量 因而也就具有磁矩 在磁场中 原来无规则的磁矩矢量会重新排列而平行于外加的磁场 与外磁场同向和反向的磁矩矢量符合Boltzmann分布 磁矩矢量沿磁场方向的进动使XY平面上的投影相互抵消 由于沿磁场方向能量较低 故原子分布较多一些而造成一个沿Z 轴的非零合磁矩矢量 虽然在理论上经常讨论单一原子的情形 但在实际上 单一原子的核磁信号非常小而无法观测 故此我们定义单位体积内原子核磁矩的矢量和为宏观磁化强度矢量其方向与外磁场方向相同 以此矢量来描述宏观样品的核磁特性 2020年1月29日 21 2 a Larmor频率 核磁矩沿外磁场方向进动的频率称为Larmor频率w或共振频率 此频率的大小取决于原子核的种类及外磁场的大小 g是磁旋比 它是原子核本身的属性并只能通过实验获取 在案BRUKER仪器上 原子核的频率是通过参数BFn MHz 设置 如BF1代表第一通道 更精细的频率调节可用参数On来完成 On叫频率偏差频率或偏置频 所以总频率为SFOn SFO1 BF1 O1 2020年1月29日 22 2 b RF脉冲 核磁信号只能在核磁化矢量位于XY平面时才能被检测到 使用与原子核Larmor频率相同无线电射频即可将M从Z 轴转向X 或Y 轴 M 当观测信号时 RF脉冲是处于关闭状态 NMR信号是在微伏 microvolts 而RF脉冲是在千伏kilovolts 2020年1月29日 23 2 b 旋转坐标系 为了更好的描述与简化所研究的体系而引进旋转坐标系统 旋转坐标系统中的Z 轴与传统的三维坐标系的Z 轴一致 而其X 与Y 轴却以与核磁共振频率相同 Larmor频率 的频率绕Z 轴旋转 在此体系中 核磁矩不在围绕Z 轴旋转而是静止在某一点上 x z y x y z 传统坐标系 X 与Y 轴以Larmor频率围绕Z 轴旋转 旋转坐标系 2020年1月29日 24 实际应用上的例子 当磁化矢量被转到XY平面后 它仍以Larmor频率绕Z 轴旋转 同样的 核磁信号也以大致相当的频率饶Z旋转 然而此高频信号 数百兆赫 是不可能被数字化的 即使使用高分辨的ADC 实际应用上 就将检测到的信号与一参照频率想混合而得到其差频 此差频落在100KHz的范围内 声频 并很容易被数字化 2 b 旋转坐标系 2020年1月29日 25 通过RF脉冲的照射 磁化矢量将以RF脉冲的照射方向为轴在垂直于RF脉冲的照射方向的平面内转动 如使用X 脉冲则磁化矢量将围绕X 轴方向在YZ平面内转动 只要RF脉冲打开 则磁化矢量的转动就不会停止 磁化矢量的转动速度取决于脉冲强度 脉冲长度将决定磁化矢量停止的位置 M rf x y z 45o 90o 180o 270o 360o 2 b RF脉冲 2020年1月29日 26 90o或p 2脉冲将给出最大的信号 所以也就成为准确测定此参数的原因之一 在特定的功率强度下 通过采集一系列不同脉冲长度的谱图以确定最大值或零强度点 此点就给出90o或180o的脉冲 在BRUKER仪器 RF脉冲一般以pn e g p1 等参数来描述其标准单位是微秒 ms 功率强度是以pln e g pl1 等参数来描述其标准单位是dB M rf x y z Pulselength 90 180 270 360 2 b RF脉冲 2020年1月29日 27 2 b RF产生 频率合成器Sythesizer 频率控制单元FCU 时间控制单元TCU 频辐设置单元ASU 功放Amplifier BLAH BLAX 到探头 电脑指令 2020年1月29日 28 2 c 信号接收 M B0 接受 发射线圈 经过脉冲照射后 磁化矢量被转到XY平面上并绕Z 轴旋转 由于此转动切割了接受器的线圈 并在接受器的线圈中产生振荡电流 其频率就是Larmor频率 在NMR中 接收线圈与发射线圈是同一线圈 X信号首先被送到前置放大器然后送到接收器 接收器分解此信号使之频率降低到声频范围 模拟数字转换器将此信号数字化 V t 2020年1月29日 29 2 c 前置放大器 Preamp 去接收器的信号 从功放来的RF脉冲 HPPR 前置放大器HPPR 前置放大器有两种用途 1 放大检测的NMR信号 从微伏到毫伏 2 分离高能RF脉冲与低能NMR信号 前置放大器含有一接收发射开关 T R 其作用就是阻止高压RF脉冲进入敏感的低压的信号接收器 2020年1月29日 30 2 c 接收器 Receiver 检测方法 具有Larmor频率NMR信号与激发脉冲混合 所得的差被数字化 2020年1月29日 31 2 c 接收器 Receiver mixing 信号 10 800MHz SFO1 22MHz 32 822MHz 自由衰减信号 FID audio 0 100kHz 接收器 RX22 Digitizer HADC 计算机储存 RX22检测过程 具有Larmor频率NMR信号将被混合两次 首先将信号与SFO1 22MHz的脉冲混合 然后将所得信号再与22MHz混合而得到具有音频的自由衰减信号 FID 使用22MHz频率是为避免频率泄露与部件间的频率干扰 混合 I mixing 混合 II IF22MHz 2020年1月29日 32 2 c ADC NMR信号通常包含许多共振频率及振辐 为能更好的描述NMR信号 我们一般使用16或18bitADC 增益值 RG 应被调节到一适当的值 既能充分利用又不至于使接收器过饱和 RG太低 RG太高 RG适当 2020年1月29日 33 NMR信号被称为自由衰减信号 FreeInductionDecay或FID 此信号并不能象COS涵数一样保持同样的振辐持续下去 而是以指数的方式衰减为零 此一现象是由所谓的自旋 自旋弛预造成 T2relaxation 在BRUKER仪器中 时域信号的数据点是由参数TD设定 为使时域信号能够被完全采集到 TD应为一适当的值 以免使信号被剪断 truncation 2 d 自由衰减信号 FreeInductionDecay TDsetproper TDtoosmall 2020年1月29日 34 在测量NMR信号的同时 由于仪器的电子元件及样品本身产生的噪音也同样被接收线圈检测到 为了得到适当信噪比的图谱我们一般可以增加扫描次数以达到要求的信噪比 S N 信号平均是指通过增加扫描次数来压制噪音而增加信号强度的方法 N次额外的扫描回给出倍的增强的信号强度在BRUKER仪器中 扫描次数是由参数ns设置 另外 增加扫描次数时 一定要考虑T1弛豫的影响 也就是说要考虑参数D1的设置 2 d 信号平均 SignalAveraging noiselevel signal 2020年1月29日 35 FID 谱图 NS S N 1 4 16 256 1 ref 2x 4x 16x 2 d 信号平均 SignalAveraging 2020年1月29日 36 2 d 弛豫效应 Relaxation NMR信号是一个以常数为T2的指数方式衰减的涵数 T2就是横向弛豫过程的时间常数 此外 在XY平面的磁化矢量需要一定的时间回到Z 轴上 这一过程需要的时间就叫纵向弛豫时间 其时间常数是T1 T1和T2与原子核的种类 样品的特性及状态 温度以及外加磁场的大小有关 信号平均方法成功的关键就是要正确设定参数D1 D1必须是五倍的T1以保证在下次扫描时磁化矢量完全回到Z 轴 有时为节省时间 使用小角度的脉冲 重复扫描以达到增强信号的目的 T1 30s 4scansa D1 150s 90opulse 600s b D1 15s 90opulse 60s c D1 15s 30opulse 60s a b c 2020年1月29日 37 2 e 傅立叶转换 FourierTransformation 在核磁共振实验中 由于原子核所处的电子环境不同 而具有不同的共振频率 实际上 NMR信号包含许多共振频率的复合信号 分析研究这样一个符合信号显然是很困难的 傅立叶转换 FT 提供了一种更为简单的分析研究方法 就是将时域信号通过傅立叶转换成频域信号 在频域信号的图谱中 峰高包含原子核数目的信息 而位置则揭示原子核周围电子环境的信息 time frequency FT 2020年1月29日 38 2 e 傅立叶转换 FourierTransformation 由于NMR检测器不能检测出顺时针或反时针方向的核磁信号 傅立叶转换后 将给出 w和 w两个峰 x FT 0 w w 2020年1月29日 39 NMRSignal Reference SFO1 90o 0o ADC A B Real Imaginary 数学处理 为了区分顺时针与反时针旋转产生的峰 正交检测方法被用来解决这一问题 通过使用具有900相位差的两个基本点检测器 正负频率就很容易区分开 实际应用中 并非使用两个检测器 而是使用一个检测器 将检测到的信号分成两部分并分别送到具有偿使用900相位差两个通道中 2 e 正交检测 QuadratureDetection 2020年1月29日 40 ChannelA ChannelB FT FT ChannelA B 2 e 正交检测 QuadratureDetection 2020年1月29日 41 2 e 傅立叶转换对 cosine Exponential slow Exponential fast block pulse noise 2020年1月29日 42 2 e 填零 ZeroFilling 在数据采集时 最好只采集数据直到信号衰减为零 但由于数据点较少而影响谱峰的分辨率 增加采集时间由于信号已没 所采集到的只是噪音 在FID的尾部通过填零的方法可以很好的解决这个文题 TD SI 128 TD 128 SI 1024 TD TD SI 2020年1月29日 43 2 e 线宽因子 LineBroadening Lb 0 Lb 5 Lb 10 NMR信号一般都集中在FID的前部 后部含有的大部分为噪音 将FID乘一权重指数函数就能迫使尾部的FID为零 其程度由参数LB控制 当然还有其他的权重涵数可以利用 使用这些涵数虽可提高信噪比却一牺牲分辨率为代价 在BRUKER仪器中 这些涵数统称为窗口涵数 2020年1月29日 44 一个有问题的图谱可以通过检查FID来诊断 时域上两个涵书的乘积经傅立叶转化后 其频域的涵数将具有前两时域涵数单独转化成频域涵数的所有特征 convolutiontheory 例如一个被剪切的FID可以被看成是FID乘以一常数涵 傅立叶转化后所得涵数具有FID及常数涵数的共同特征 x FT 2 e 傅立叶转换 2020年1月29日 45 正确图谱 Spike Arcing Badlineshape shimming 2 e 傅立叶转换 FourierTransformation 2020年1月29日 46 采样快慢决定了观测的谱图的频率范围而由所谓的驻留时间参数 DW 确定 两者间的关系由下试确定 sw 1000Hz sw 500Hz dw 0 5ms dw 1ms 2 e 傅立叶转换 FourierTransformation 2020年1月29日 47 2 e 峰折返 Folding 当NMR信号数字化时速度太慢时会导致对FID信号频率的错误表达 数学上为能正确确定一经过坐标原点的周期涵数的频率 在某一周期内必须有两个已知点 所以对FID信号数字化采样时 也必须在某一周期内采集到至少两个点 NyquistTheorem 如果不这样就会产生峰折返 不产生峰折返所能达到的最大频率叫NyquistFrequency 真实峰 出现峰 2020年1月29日 48 2 e 频域谱图宽度 SpectralWindow 在BRUKER的仪器中 频域谱图的中央点是由参数SFo1 SF o1 确定 其中 SF是所观测的原子核Larmor频率 o1是偏置频率可以用来改变频域谱图的中央点 2020年1月29日 49 在实际测试未知样品时 可以使用较大的SW值采样 然后调整O1采样 最后再调整SW 1 较大sw 2 调整o1 3 调整sw o1 newo1 sw sw newsw 2 e 频域谱图宽度 SpectralWindow 2020年1月29日 50 2 e 相位调整 Phasing 通常所采集到的谱图含有吸收 absorption 与扩散 dispersion 组份 通过相位调整可以的到纯粹的吸收峰 Re Im Re Im Inphase Outofphase 2020年1月29日 51 在BRUKER仪器中 相位调整首先对最大峰进行零级相位调整PH0 然后以一级相位调整PH1来调节其他的峰 1 FTphase 2 Adjustph0onbiggestpeak 3 Adjustotherpeakswithph1 2 e 相位调整 Phasing 2020年1月29日 52 3 NMR 原子核间的相互作用 分子中的原子并不是孤立存在 它不仅在相互间发生作用也同周围环境发生作用 从而导致相同的原子核却有不同的核磁共振频率 2020年1月29日 53 3 NMR 化学位移 ChemicalShift 在磁场中 由于原子核外电子的运动而产生一个小的磁场Be localfield 此小磁场与外加磁场 B0 方向相反 从而使原子核感受到一个比外加磁场小的磁场 B0 Blo 此一现象我们称做化学位移作用或屏敝作用 B0 Be 原子核实际感受到的磁场 B 1 s B0s化学位移常数 2020年1月29日 54 3 NMR PPM单位 由于化学位移是与外加磁场成正比 所以在不同的磁场下所的花絮位移数值也不同 也会引起许多麻烦 引入ppm并使用同意参照样品 就是光谱独立于外加磁场 参照样品峰 300MHz 500MHz 300MHz 500MHz 1ppm 300Hz 1ppm 500Hz 2020年1月29日 55 HC O HC CH2 CH3 即使使用不同的仪器或在不同的场强下 相同的官能团具有相同的ppm值 不同的官能团由于存在于不同的电子环境因而具有不同的化学位移 从而使结构坚定成为可能 3 NMR 化学位移 ChemicalShift 2020年1月29日 56 3 NMR 自旋 自旋偶合 ScalarCoupling 相邻的原子核可以通过中间媒介 电子云 而发生作用 此中间媒介就是所谓的化学键 这一作用就叫自旋 自旋偶合作用 J 偶合 特点是通过化学键的间接作用 C H C H H C 异核J coupling 同核J coupling JCH JHH 2020年1月29日 57 自旋 自旋偶合引起共振线的分裂而形成多重峰 多重峰实际代表了相互作用的原子核彼此间能够出现的空间取向组合 原始频率 w w J 2 w J 2 JCH 3 NMR 自旋 自旋偶合 ScalarCoupling 2020年1月29日 58 3 NMR 同核J 偶合 HomonuclearJ Coupling 多重峰出现的规则 1 某一原子核与N个相邻的核相互偶合将给出 n 1 重峰 2 等价组合具有相同的共振频率 其强度与等价组合数有关 3 磁等价的核之间偶合作用不出现在谱图中 4 偶合具有相加性 例如 2020年1月29日 59 Ha Hb C C Hc A B C B C A A B C是化学等价的核 JAB JAC 3 NMR 同核J 偶合 HomonuclearJ Coupling 2020年1月29日 60 Ha Hb C C Hc B C是化学不等价的核 JAC 10Hz JAC 4Hz JBC 7Hz A B C wA JAC JAC 3 NMR 同核J 偶合 HomonuclearJ Coupling 2020年1月29日 61 3 NMR 异核J 偶合 HeteronuclearJ Coupling CH CH2 CH3 C 2020年1月29日 62 由于一些核的自然丰度并非如此100 顾此谱图中可能出现偶合分裂的峰和无偶合的峰 氯仿中的氢谱是一个典型的例子 x100 H 13C H 13C 105Hz H 12C 3 NMR 异核J 偶合 HeteronuclearJ Coupling 2020年1月29日 63 4 NMR 分辨率与稳定性 ResolutionandStability 为能区分微小的化学位移和偶合常数 高的分辨率仪器 0 1Hz 是必须的 它不仅要求外磁场必须具有相当的稳定性 同时要求处于同位置但相同的核给出相同的共振频率也就是说线宽要非常得心应手小 稳定性是通过稳定的磁体及锁场系统来实现 而小的线宽则通过能提供均匀场强的磁体及匀场来完成 2020年1月29日 64 4 NMR 锁场 Lock 实验对磁场稳定性的要求可以通过锁场实现 通过不间断的测量一参照信号 氘信号 并与标准频率进行比较 如果出现偏差 则此差值被反馈到磁体并通过增加或减少辅助线圈 Z0 的电流来进行矫正 2D LockTX LockRX Lockfreq D Z0 coil 2020年1月29日 65 4 NMR 匀场 Shimming 在样品中 磁场强度应该是均匀且单一 以使相同的核无论处于样品的何种位置都应给出相同的共振峰 为达此目的 一系列所谓匀场线圈按绕制所提供的涵数方式给出补偿以消除磁场的不均匀性 从而得到窄的线形 实际应用中可分为低温匀场 cryo shims 线圈和室温匀场线圈RT shims 低温匀场线提供较大的矫正 2020年1月29日 66 4 NMR 匀场 Shimming 匀场线圈分为两组 改变Z 轴方向场强的称为纵向匀场 axial on axisorz shims 改变垂直与Z 轴方向场强的称为横向匀场 transverseoroff axisshims 2020年1月29日 67 4 NMR 匀场效果 EffectofZ Shims Z Z2 Z2 Z4 Z4 Z3 Z5 2020年1月29日 68 4 NMR 匀场 Shimming 匀场需要丰富经验为基础 通过观察锁场信号高低 样品信号线形及FID 2020年1月29日 69 4 NMR 匀场 Shimming 当初次安装仪器或探头时 旋转与非旋转样品线形是一个标准的参考数据 氢谱的线形数据是通过测量氘代丙酮中3 的氯仿而得 数据0 3 7 14表明Hzat50 半峰宽7Hzat0 55 碳卫星峰高度的峰宽14Hzat0 11 1 5碳卫星峰高度的峰宽 13Csatellites 215Hz 2020年1月29日 70 4 NMR Shimming 样品旋转在50 0 55and0 11 处确定峰宽数值 50 0 11 0 55 旋转边带 2020年1月29日 71 4 NMR 匀场 Shimming 50 0 11 0 55 样品不旋转在50 0 55and0 11 处确定峰宽数值 2020年1月29日 72 5 NMR RF脉冲 在传统坐标系中 由于外加磁场对原子核的作用 磁化矢量以Larmor频率绕外加磁场进动 如果旋转坐标系的旋转频率与原子核的共振频率相同 在旋转坐标系中则没有磁场而磁化矢量也就会静止不动 但如果旋转坐标系的旋转频率与原子核的共振频率有差别 则磁场就会出现而磁化矢量会围绕此小磁场运动 此小磁场叫偏置场 传统坐标系 旋转坐标系 在共振 共振偏置 旋转坐标系 2020年1月29日 73 5 NMR RF脉冲 z w1 weff x M 在共振的RF脉冲 共振偏置的 脉冲 如果RF脉冲施加在原子核的共振频率 则磁化矢量就绕施加的 场转动 如果RF脉冲未施加在原子核的共振频率则磁化矢量就绕施加的 场与磁场的合场方向转动 2020年1月29日 74 5 NMR 共振与偏置共振 Onandoffresonance 在共振 接近共振 偏置共振 通过改变 以达到共振频率 2020年1月29日 75 由于核磁共振的样品经常包含多余一个的峰 脉冲不可能对所有的共振进行在共振激发 但若以高功率的脉冲 使有效场尽可能贴近 平面 仍可达到近似的效果 实际应用上使用短而强的脉冲 RF O1 5 NMR RF脉冲 2020年1月29日 76 5 NMR RF脉冲 2020年1月29日 77 计算脉冲强度 若p 2脉冲10ms则2p脉冲40ms那么w1 1 40ms 25kHz 若p 2脉冲太长 可以增加功率是其变短 不要超过探头所能负担的功率否则会损坏探头 RF功率放大器的输出功率是用dB dB的数值表示与最大输出功率相比实际输出功率衰减的程度 由上式可看出每6dB衰减将使输出的伏特值减半而使 脉冲长度加倍 在 仪器中 脉冲强度由 ln设定 dB表示小强度 表示大强度 Attenuation dB 20log V Vmax 5 NMR RF脉冲 2020年1月29日 78 5 NMR 脉冲测定 Paropt Paropt是一 程序 它可改变某一参数 等 并将一系列处理的谱图列出 谱图储存在处理数控 的文件中 运行Paropt 首先要得到一谱图以确定谱图战士区域 dp1 然后在特定的脉冲强度改变 值 最大峰为何 第一个零点为 dp1 2020年1月29日 79 通过限定激发宽度 我们就可选择的激发某一特定区域 施加等幅或调制振幅与相位选择性脉冲可完成这一使命 等幅 调制RF 选择激发 Dante 软脉冲 整形脉冲 AdiabaticPulses ShapedDante 5 NMR 选择性脉冲 SelectiveRFPulses 2020年1月29日 80 通过对 脉冲的时域涵数傅立叶转换 此脉冲的激发图象可在频域谱中直观的表现出来 frequency FT 频率 时间 5 NMR 选择性脉冲 SelectiveRFPulses 2020年1月29日 81 激发脉冲的时域与频域关系 可使制作整形脉冲和选择激发区域变得容易 5 NMR 选择性脉冲 SelectiveRFPulses 2020年1月29日 82 5 NMR 选择性脉冲 SelectiveRFPulses 2020年1月29日 83 选择脉冲的长度决定激发区域 Gauss 4ms hard p 2pulse Gauss 2ms Gauss 1ms 5 NMR 选择性脉冲 SelectiveRFPulses 2020年1月29日 84 Eburp 20ms 通过改变选择脉冲的频率可以改变选择激发的位置spoffs1etc 5 NMR 选择性脉冲 SelectiveRFPulses 2020年1月29日 85 5 NMR 整形脉冲的一些特性 2020年1月29日 86 6 NMR Decoupling 原子核间的偶合导致谱图的复杂化 originalfrequency w w J 2 w J 2 JCH 2020年1月29日 87 6 NMR 去偶 Decoupling 如果峰数不多 偶合的方式仍可分析出 但当很多锋出现时 偶合方式的分析就不是那么容易 CH3 CH2 未去偶 氢去偶 2020年1月29日 88 氢对碳的偶合作用可以通过对氢施加一个脉冲消除 此一技术称为去偶 对氢核的饱和照射 促使氢核的自旋状态快速的变换 临近的碳核无法感觉到氢核的自旋状态的取向而只感受到氢核两种取想的平均效果 具体的说 对氢核的饱和照射使碳核原来的两条共振线w J 2和w J 2合并平均而得到 w J 2 w J 2 2 w p pulseonH 这相当于使用一系列1800脉冲快速照射氢核 w J 2 w J 2 w J 2 w J 2 w J 2 w J 2 6 NMR 去偶 Decoupling 2020年1月29日 89 氢去偶除简化碳谱还因为有核的Overhauser效应而增加信噪比 decoupled coupled C H C H2 CH3 CH2 6 NMR 去偶 Decoupling 2020年1月29日 90 实际应用中 一个连续脉冲照射在氢的共振频率而不是使用一系列1800脉冲 次法称为宽带去偶 去偶实验应注意以下两点 1 氢脉冲应施加在氢的共振频率上 2脉冲的强度要足够强但又要比探头承受的强度低 6 NMR 去偶 Decoupling 2020年1月29日 91 6 NMR 去偶与脉冲强度的关系 去偶与脉冲强度的关系 2020年1月29日 92 6 NMR 去偶 脉冲强度及偏值频率的关系 Protonresonanceoffset ProtonRFpower 2020年1月29日 93 6 NMR 组合脉冲去偶 CompositePulseDecoupling 在工作上的去偶实验很易成功 但偏置共振中 去偶效率随偏置频率的增加很快降低 虽可增加脉冲强度 但探头对大功率的承受程度又阻止无限增加脉冲强度 好的解决方法就是将去偶的强度均匀开以增加去偶的宽度 一系列的组合脉冲适用于此一目的 Waltz Garp Dipsi Mlevetc 称为组合脉冲去偶序列或CPD 使用这些脉冲序列要设置两个基本点参数900脉冲长度及强度 2020年1月29日 94 7 NMR 水峰压制 WaterSuppression 核磁共振实验样品有许多是溶在水中 而水的共振信号又是实际样品的数千甚至数万倍 ADC的资源基本上被用来描述水峰而很少一部分用来描述实际的样品以致样品的信号被淹没在噪音 x64 问题 动态范围 实际样品的信号低S N 实际样品的信号淹没在基线噪音中 接近水峰的信号 骑 在水峰上 解决方法 在采样前压制水峰 一经常用到的方法是预饱和 2020年1月29日 95 7 NMR 预饱和 Presaturation 使用一长约定1 2s而低的脉冲选择的使水峰达饱和状态 然后用一硬900脉冲激发样品 其结果是使接受器的增益参数增加而提高动态范围及S N 压水峰实验 1 脉冲序列zgpr 2 预饱和时间为1 5s 3 O1移到水峰位置 4 逐渐的增加脉冲强度 5 优化匀场条件 并准确调整O1位置 2020年1月29日 96 8 Two DimensionalNMR 如果使用两个基本点脉冲采集一系列谱图 同时依此增加两脉冲的时间间隔t1 第一个脉冲将磁化矢量转到XY平面上 此磁化矢量将围绕Z 轴旋转 由于在不同时间内磁化矢量转到不同的位置 导致第二个脉冲过后采集到的FID具有不同的相位和振幅 于是可以说这一系列FID的相位和振幅被t1所调制 增加t1 t1 t2 2020年1月29日 97 8 2DNMR FID的相位及振幅被t1调制也就等于谱图的相位及振幅被t1调制 从傅立叶转换中很容易看到这一点 FT t2 t2 t1 t1 f2 2020年1月29日 98 8 2DNMR 对t1进行第二次傅立叶转换就可以确定调制频率 就是将所有谱图的第一个点进行傅立叶转换 然后第二个点一直到所有的点 所得的谱图就是一个单位均为频率的两维谱图 FT t1 f2 f2 f1 t1 2020年1月29日 99 8 2DNMR 2DNMR谱图常以轮廓图表示而不用三维的方式 相同情况同样使用在地图上 2020年1月29日 100 8 2DNMR 两维谱图可简化图谱增加分辨率同时也可得到原子间的相关关系 2020年1月29日 101 8 2DNMR Cosy 2DCosy谱中 交叉峰f1 a f2 b表明a与b有自旋 自旋偶合作用 投影图将给出一般的氢谱 2020年1月29日 102 8 2DNMR Cosy 500MHzN typeCOSYspectrumofStrychnine Cosy经常用于氢的二维谱 在此基础上演化出Tocsy andDQF Cosy 2020年1月29日 103 8 2DNMR Noesy Noesy的交叉峰表示原子相互在空间上相邻 其强度可用来估算原子间距并以此推断分子的空间结构 Ha Hb fc Hc 2020年1月29日 104 8 2DNMR Noesy Noesy经常被用来确定一些生物大分子象蛋白质 核酸 DNA RNA等 水中gramicidine的400MHzNoesy谱 2020年1月29日 105 8 2DNMR 异核相关谱 HeteronuclearCorrelation C H异核相关谱给出碳氢的偶合关系 2020年1月29日 106 8 2DNMR HeteronuclearCorrelation 异核相关谱可通过观测碳 1H 13CHetcor 或观测氢 HMQC HSQC 观测氢的实验也称做反相实验 13C 1HHMQCofSucroseinD2O 13C 1H 2020年1月29日 107 核磁共振光谱中的磁场梯度原理PrinciplesofMagneticFieldGradientsinNMRSpectroscopy 9 磁场梯度 MagneticFieldGradients 2020年1月29日 108 梯度场被广泛的应用在核磁共振实验 其特点是 消除额外干扰信号而增加动态范围 节省时间 不在需要相位循环 减少信号干扰 t1 噪音 提高谱图质量 9 磁场梯度 MagneticFieldGradients 2020年1月29日 109 Worstcase scenarioCosyspectrum t1 噪音峰 中央峰 axialpeaks 扫描循环太快 在相同条件下采集的梯度场Cosy谱 9 磁场梯度 MagneticFieldGradients 2020年1月29日 110 同性均匀磁场 进动频率 Larmor w正比与giB0gi磁旋比 g1H 4g13C若B0 11 7T那么w1H 500MHz在旋转坐标系 w 磁化矢量静止不动 9 梯度场 2020年1月29日 111 在外磁场施加一个Z方向的梯度场 施加的梯度场与外磁场叠加 因此 原子核将经历一个不同的磁场 因而将围绕新的磁场以不同的频率进动 w z gB0 gzGz 9 梯度场 2020年1月29日 112 在旋转坐标西中 假如梯度场强为20G cm线圈的有效长度是1cm 1Gauss相当于4258Hz氢的频率 处于z 0 5cm的原子核就会以0 5 20 4258 42580Hz的速度旋转 而在z 0的原子则静止不动 在外磁场施加一个Z方向的梯度场 9 梯度场 2020年1月29日 113 由于所处不同平面位置的原子核将感受到不同的磁场而磁化矢量具有不同的旋转频率 从而形螺旋状 其螺矩取决于梯度场的强度 9 梯度场 2020年1月29日 114 MRI NMRimaging 叠加在主磁场上的梯度场使原子核的共振频率成为空间的涵数 在核磁成象 MRI 实验中 磁化矢量是在梯度场打开的情况下检测的 所以MRI谱图给出频率的分布 每一频率层表明样品中的不同位置而其强度表明具有相同频率原子核的数量 ReproducedfromErnstetal PrinciplesOfNuclearMagneticResonanceinOneandTwoDimensions OxfordUniversityPress 9 梯度场成象 2020年1月29日 115 x y x z imageplane y 9 Gradients Imaging 2020年1月29日 116 9 梯度场在NMR的应用 由于梯度场使处于不同位置的原子核具有不同的频率 因此在施加梯度场前转到XY平面的聚焦的磁化矢量 在梯度场打开后会很快散开 梯度场关闭磁化矢量将以没有梯度场时的频率旋转 梯度场实际是以脉冲的形式施加在样品上 不同强度的梯度场脉冲可以使磁化矢量散开相同的程度 只是施加梯度场的时间不同而已 磁化矢量 注意 只有横向磁化矢量被散焦 而纵向磁化矢量不受影响 2020年1月29日 117 9 梯度场 水峰压制 1 选择激发水峰 2 施加梯度场打散水峰信号 3 900硬脉冲激发其他峰信号 2020年1月29日 118 p 2 p 2 RF 水峰 梯度 FID ref Doddrelletal J Mag Reson1986 70 176 2mMSucroseinH2Otop singlepulsebot Submerge rg 1 rg 64 x8 9 梯度场 水峰压制 SUBMERGE 使用梯度场及选择性脉冲的水峰压制 2020年1月29日 119 在许多应用中 被梯度场打散的确信号有通过施加梯度场重新聚焦形成回波 两个基本的脉冲序列 gradientrecalledecho 和 gradientspinecho 1 GradientRecalledEcho 9 梯度回波 2020年1月29日 120 9 梯度回波 2020年1月29日 121 2a 自旋回波 2b 梯度回波 9 梯度回波 2020年1月29日 122 9 梯度回波 2020年1月29日 123 选择1800脉冲翻转除水外原子核的自旋状态 2mMSucroseinH2Otop singlepulsebot Watergate rg 1 rg 64 水门 WATERGATE 利用梯度回波的水峰压制 9 梯度场 水峰压制 2020年1月29日 124 9 梯度场替代脉冲相循环 许多NMR实验利用RF脉冲的相循环以选择需要的 coherences 同相重叠态 梯度场可实现同一目的从而消除了相循环 例如COSY实验 为实现正交检测 消除横向轴峰需要四步相循环 而使用梯度场一步即可完成 2020年1月29日 125 9 COSYP N选择 一次扫描 500MHzvinylbromide的氢COSY谱 只扫描一次导致P N 型谱同时出现 N type对角线 Axialpeaks P type对角线 2020年1月29日 126 500MHzvinylbromide的氢COSY谱 扫描四次消除横向轴峰及实现正交检测 RF p 2 FID t1 相位 0 090180270 01800180 9 COSYP N选择 相循环 2020年1月29日 127 500MHzvinylbromide的氢COSY谱 使用梯度场扫描一次消除横向轴峰及实现正交检测 RF p 2 梯度场 FID t1 1 n n 1P type 9 COSYP N选择 梯度场 2020年1月29日 128 n 1N type 500MHzvinylbromide的氢COSY谱 使用梯度场扫描一次消除横向轴峰及实现正交检测 RF p 2 梯度场 FID t1 1 n 9 COSYP N选择 梯度场 2020年1月29日 129 500MHzN typeStrychnine的氢COSY谱 使用梯度场扫描一次 9 COSYP N选择 梯度场 2020年1月29日 130 9 多量子过滤中的梯度场 500MHz使用单 上 双 下 量子过滤的重水中蔗糖的氢谱 RF p 2 梯度场 FID 1 n 多量子同相重叠态的 阶 指两状态的磁量子数之差 处在多量子同相重叠态的核磁子散相的速度与其 阶 成正比 通过使用一定比例的一对梯度检测之前而可以选择的聚焦某一处于多量子同相重叠态的原子核 2020年1月29日 131 甲乙醚 CH3 CH2 OCH3MQ选择 1 n 的两梯度场 CH2 OCH3 CH3 n 1 n 2 n 3 n 4 n 5 9 多量子过滤中的梯度场 2020年1月29日 132 500MHz双量子过滤的COSY谱 mof1 4androstene dione 一次扫描 9 多量子过滤中的梯度场 2020年1月29日 133 9 异核梯度实验 在1H 13C反相实验中 一个需要解决的问题是抑制那些没有与13C相连的氢的