核磁共振新技术及应用-xuesheng教学资料

1、 发 展 19451951年：年： 是发明是发明NMR法并奠定理论和实验基法并奠定理论和实验基 础的时期础的时期. Bloch和和Burcell由此获得了由此获得了1952年度年度 的的Nobel奖金。奖金。 19511960年年 是连续波核磁共振是连续波核磁共振(CWNMR)大发大发 展的时期展的时期 由于发现了化学位移和由于发现了化学位移和J偶合现象，偶合现象， 使使NMR的巨大作用已开始为化学家的巨大作用已开始为化学家 和生物学家所公认，他们用和生物学家所公认，他们用1H、19F、 31P NMR解决了许多重要的科学难解决了许多重要的科学难 题。题。 发发 展展 发发 展展 20世纪世纪

2、60年代年代NMR进入第三个进入第三个 阶段：即阶段：即脉冲脉冲Fourier变换变换NMR技术技术 (FTNMR)的兴起的兴起 从根本上提高了从根本上提高了NMR的的灵敏度灵敏度.实现实现 了常规测定天然丰度较低的了常规测定天然丰度较低的13C核核； 这一时期发展起来的双频和多频技这一时期发展起来的双频和多频技 术使得术使得NMR面目为之一新；面目为之一新； 此外磁场实现了超导化，谱仪的结此外磁场实现了超导化，谱仪的结 构有了很大的变化。构有了很大的变化。 发发 展展 20世纪世纪70年代后，由于年代后，由于计算机计算机 和和NMR技术的不断发展并日趋技术的不断发展并日趋 成熟，因而成熟，因

3、而NMR在深度和广度在深度和广度 方面都有了新的飞跃性的发展。方面都有了新的飞跃性的发展。 1952年诺贝尔物理学奖年诺贝尔物理学奖：布洛赫布洛赫(Felix Bloch ) (b) OmpA; (c) PagP Fernndez C, Wthrich K. NMR Solution Structure Determination of Membrane Proteins Reconstituted in Detergent Micelles. FEBS Letters 555: 144-50, 2003. 三、核磁共振基本原理三、核磁共振基本原理 核磁共振原理核磁共振原理 实现实现核核磁共振

4、的两种方法磁共振的两种方法 检测共振信号的方法检测共振信号的方法 傅里叶傅里叶(Fourier)(Fourier)变换变换 核磁共振原理核磁共振原理 在外磁场B B0中塞曼分裂图： 半数以上的原子核具有自旋，旋转时产生一半数以上的原子核具有自旋，旋转时产生一 小磁场。当加一外磁场，这些原子核的能级小磁场。当加一外磁场，这些原子核的能级 将分裂，既塞曼效应。将分裂，既塞曼效应。 共振条件： = 0 = 0 实现实现核核磁共振的两种方法磁共振的两种方法 a扫场法: 改变0 b扫频法: 改变 检测共振信号的方法检测共振信号的方法 吸收法 感应法 平衡法 优点是比较简单，样品 不易饱和，缺点是振荡频率

5、 的稳定性较差，噪音电平较 高。一般只用于宽谱的波谱 仪与测场仪 优点是工作稳定度 高，噪音低，但漏电流 相位不易调整。常用在 商业波谱仪 优点是频率稳定好，噪 音低，缺点是频率调谐范围 不够宽。常用于灵敏度和分 辨力高的波谱仪 傅里叶傅里叶(Fourier)变换变换 时域信号 F变换 频域信号 频域谱 S（t1,t2,） S(1, 2,) 核磁共振新技术核磁共振新技术 核磁双共振核磁双共振 二维核磁共振二维核磁共振 NMR成像技术成像技术 魔角旋转技术魔角旋转技术 极化转移技术极化转移技术 核磁双共振核磁双共振 双核自旋系统检测器 2扰动 1脉冲 双共振是同时用两种频率的射频场作用在两种核组

6、成的系统上，第一射频场 B1使某种核共振，第二射频场B2使另外一种核共振，这样两个原子核同时发生共 振。 第二射频场为干扰场，通 常用一个强射频场干扰图谱中 某条谱线，另一个射频场观察 其他谱线的强度、形状和精细 结构的变化，从而确定各条谱 线之间的关系，区分相互重叠 的谱线。 二维核磁共振二维核磁共振及多维核磁共振及多维核磁共振 二维核磁共振使NMR技术产生了一次革命性的变化，它将挤在一维谱中 的谱线在二维空间展开（二维谱）,从而较清晰地提供了更多的信息。 二维核磁共振的脉冲序列 预备期 发展期 混合期 探测期 S(t1,t2) S(t1,2) S(1,2) F(t2)F(t1) t2t1

7、1 2 二维谱示意图 2D 在研究更大分子体系时，谱线也出现了严重的重叠，为 了解决这一问题，人们将 2D 推广到 3D 甚至多维。 NMR成像技术成像技术 投影重建成像方法 Fourier成像方法 弛豫时间成像方法 逐点扫描方法 线扫描方法 切片扫描方法 高分率成像和快速成像法 FourierFourier成像方法成像方法 Fourier成像是应用十分广泛的一种方法，它与二维（多维）NMR相似。 核磁共振的脉冲序列 预备期 发展期 混合期 探测期 S(t1,t2) S(t1,2) S(1,2) F(t2)F(t1) t2t1 S(,) = 0+GXX) 2 = 0+Gyy) GXXGyy 魔

8、角旋转技术魔角旋转技术 在固体中自旋之间的耦合较强，共振谱较宽，掩盖了其他精细的谱 线结构，耦合能大小与核的相对位置在磁场中的取向有关，其因子是 (3cos2-1)，如果有一种方法使=54.440（魔角），则3cos-1=0， 相互作用减小，达到了窄化谱线的目的。魔角旋转技术就是通过样品的旋 转来达到减小相互作用的，当样品高速旋转时与的差别就会平均掉。 极化转移技术极化转移技术 灵敏核 非灵敏核 检测 （非灵敏核） J 脉冲序列1 脉冲序列2 极化转移(PT)是一种非常实技术 ，它用二种特殊的脉冲序列分别作 用于非灵敏核和灵敏核两种不同的 自旋体系上。通过两体系间极化强 度的转移，从而提高非灵

9、敏核的观 测灵敏度，基本的技巧是从高灵敏 度的富核处“借”到了极化强度。 核磁共振应用核磁共振应用 核磁共振适合于液体、固体。如今的高分辨技术，还将核磁用于核磁共振适合于液体、固体。如今的高分辨技术，还将核磁用于 了半固体及微量样品的研究。核磁谱图已经从过去的一维谱图了半固体及微量样品的研究。核磁谱图已经从过去的一维谱图 （1D）发展到如今的二维（）发展到如今的二维（2D）、三维（）、三维（3D）甚至四维（）甚至四维（4D） 谱图，它们将分子结构和分子间的关系表现得更加清晰。谱图，它们将分子结构和分子间的关系表现得更加清晰。 在世界的许多大学、研究机构和企业集团包括我们在日常生活中在世界的许多

10、大学、研究机构和企业集团包括我们在日常生活中 熟悉的大集团。而且它在化工、石油、橡胶、建材、食品、冶金、熟悉的大集团。而且它在化工、石油、橡胶、建材、食品、冶金、 地质、国防、环保、纺织及其它工业部门用途日益广泛。地质、国防、环保、纺织及其它工业部门用途日益广泛。 在中国，其应用主要在基础研究方面，企业和商业应用普及率不在中国，其应用主要在基础研究方面，企业和商业应用普及率不 高，主要原因是产品开发不够、使用成本较高。但在石油化工、高，主要原因是产品开发不够、使用成本较高。但在石油化工、 医疗诊断方法应用较多。医疗诊断方法应用较多。 四、一些实际的应用四、一些实际的应用 分子结构的测定分子结构

11、的测定 化学位移各向异性的研究化学位移各向异性的研究 金属离子同位素的应用金属离子同位素的应用 动力学核磁研究动力学核磁研究 质子密度成像质子密度成像 T1T2成像成像 化学位移成像化学位移成像 其它核的成像其它核的成像 指定部位的高分辨成像指定部位的高分辨成像 元素的定量分析元素的定量分析 有机化合物的结构解析有机化合物的结构解析 表面化学表面化学 有机化合物中异构体的区分和确定有机化合物中异构体的区分和确定 大分子化学结构的分析大分子化学结构的分析 生物膜和脂质的多形性研究生物膜和脂质的多形性研究 脂质双分子层的脂质分子动态结构脂质双分子层的脂质分子动态结构 生物膜蛋白质生物膜蛋白质脂质的

12、互相作用脂质的互相作用 压力作用下血红蛋白质结构的变化压力作用下血红蛋白质结构的变化 生物体中水的研究生物体中水的研究 生命组织研究中的应用生命组织研究中的应用 生物化学中的应用生物化学中的应用 在表面活性剂方面的研究在表面活性剂方面的研究 原油的定性鉴定和结构分析原油的定性鉴定和结构分析 沥青化学结构分析沥青化学结构分析 涂料分析涂料分析 农药鉴定农药鉴定 食品分析食品分析 药品鉴定药品鉴定 NMR及相关术语介绍 核磁共振波谱是化合物分子在磁场中受到 另一射频磁场的照射，当照射场的频率 等于原子核在外磁场的回旋频率时，有 磁距的原子核就会吸收一定的能量产生 能级的跃迁，即发生核磁共振，以吸收

13、 峰的频率对吸收强度作图所得到的图谱。 1HNMR和 和13C-NMR，能提供分子，能提供分子 中有关中有关氢及碳氢及碳原子的原子的类型、数目、类型、数目、 互相连接方式、周围化学环境以及互相连接方式、周围化学环境以及 构型、构象等结构信息构型、构象等结构信息。 在进行中药有效成分的结构测定时，在进行中药有效成分的结构测定时， NMR谱与其它光谱相比其作用更为谱与其它光谱相比其作用更为 重要。重要。 1D NMR及相关术语介绍 （1） 1H-核磁共振（1H NMR） 1H NMR通过测定化学位移（）、 质子数以及裂分情况（重峰数及偶 合常数J）可以得出分子中1H 的类型、 数目及相邻原子或原子

14、团的信息。 化学位移（）：是指1H核因为周围化学 环境的不同，其外围电子云密度，以及 绕核旋转时产生的磁的屏蔽效应也就不 同。在一定的外磁场作用下其回旋频率 也不同，因而需要相应频率的射频磁场 才能发生共振而得到吸收信号。 这些信号将会出现在不同的区域，我们 在实际应用当中以四甲基硅烷TMS为内 标物，将其化学位移定为0，测定各质子 共振频率与它的相对距离，这个相对值 就是质子的化学位移值。 峰 型 单峰（s） 双峰(d) 三重峰(t) 四重峰(q) dd峰 dt峰 质子数： 过去是根据氢谱上峰的积分面积并 结合已知分子式求得每个信号所相 当的氢个数，现在1HNMR可以直接 给出每个信号代表的

15、质子个数，并 可以直接获得分子中总质子数。 信号的裂分及偶合常数： 磁不等同的两个或两组1H核在一定 距离内会因相互自旋偶合干扰而使 信号发生裂分，而出现单峰，双峰， 多重峰等。裂分间的距离称为偶合 常数。其大小取决于间隔键的距离。 按间隔键的多少可分为偕偶、邻偶 及远程偶合。 此外还有同核去偶、重氢交换，加 入反应试剂、及各种双照射技术等 许多帮助结构分析的辅助技术。 二、13C NMR及相关术语介绍 1. 13C NMR的优点 的优点 提供有机化合物骨架；提供有机化合物骨架； 化学位移范围宽（化学位移范围宽（0250）化学环境微小）化学环境微小 差别也能区别；差别也能区别； 有许多新实验技

16、术提供辅助信息，有助有许多新实验技术提供辅助信息，有助 于谱图解析。于谱图解析。 2. 13C NMR测定困难测定困难 信噪比低，约是氢谱的信噪比低，约是氢谱的1/6000 ； 1H对 对13C的偶合作用使谱峰增多，的偶合作用使谱峰增多， 严重交叉。如严重交叉。如CHCH3 3CHCH2 2OHOH CH3 CH2 3. 质子噪声去偶（宽带去偶）谱质子噪声去偶（宽带去偶）谱 去掉所有质子对碳的偶合，每一种碳原子去掉所有质子对碳的偶合，每一种碳原子 只出一个峰；只出一个峰； 简化谱图，便于识别；简化谱图，便于识别； 提高信噪比；提高信噪比； 偶合信息全部丢失偶合信息全部丢失; ; 峰高与碳原子个

17、数无严格定量关系。峰高与碳原子个数无严格定量关系。 4.4. 13 13C C 化学位移 化学位移 一般特点一般特点 大小次序与它们相连的氢有一定的对应性；大小次序与它们相连的氢有一定的对应性； 分子内核相互作用的影响大于分子间的作用。分子内核相互作用的影响大于分子间的作用。 各类碳原子的化学位移值各类碳原子的化学位移值 饱和碳饱和碳 070 炔碳炔碳 7090 烯碳烯碳 100150 芳碳芳碳 120160 羰基碳羰基碳 150220 5. 碳谱的特殊实验技术碳谱的特殊实验技术 定量碳谱（反转门控去偶谱） 谱峰强度与碳原子个数成正比； 测量时间长。 DEPT谱 分DEPT45，DEPT90，

18、DEPT135等； 用于区分伯、仲、叔、季碳原子。 宽带去偶谱宽带去偶谱 反转门控去偶谱反转门控去偶谱 二、二维谱简介二、二维谱简介 经两次傅里叶变换得到的，两个坐标都是频经两次傅里叶变换得到的，两个坐标都是频 率。率。 表示方法：堆积图和等高线图。表示方法：堆积图和等高线图。 最常用的二维谱：最常用的二维谱： H-H相关（相关（H-H COSY） C-H相关（相关（C-H COSY，HMQC） C-H远程相关（远程相关（HMBC） 与核磁共振有关的联用技术与核磁共振有关的联用技术 核磁共振波谱是当今应用于溶液、固态及晶体分子结构分析的核磁共振波谱是当今应用于溶液、固态及晶体分子结构分析的 最

19、为有效的方法之一。最为有效的方法之一。 混合物的结构测定通常需要预先将混合物分离成较纯的单体，混合物的结构测定通常需要预先将混合物分离成较纯的单体， 然后再测试每个组分的谱学数据。这样就会遇到诸多的问题，然后再测试每个组分的谱学数据。这样就会遇到诸多的问题， 比如样品处理时间太长，分离所得到的样品量太少以及普通制比如样品处理时间太长，分离所得到的样品量太少以及普通制 备用的分离手段达不到分离要求或分离中易变物质，使备用的分离手段达不到分离要求或分离中易变物质，使NMR 的应用受到一定的限制。的应用受到一定的限制。 LC-NMR联用联用是把是把HPLC的分离能力和的分离能力和NMR提供最大量结构

20、信提供最大量结构信 息的能力结合起来达到鉴定化合物结构的目的。这也是息的能力结合起来达到鉴定化合物结构的目的。这也是LC- NMR近几年得到快速发展的原因之一。近几年得到快速发展的原因之一。LC-NMR技术已在许技术已在许 多领域中得到应用。其硬件和软件已商品化，技术日臻完善。多领域中得到应用。其硬件和软件已商品化，技术日臻完善。 常见的13C-NMR谱类型及其特征 a.噪音去偶谱（全氢去偶或宽带去偶） 采用宽频电磁辐射照射1H，使其对 13C偶合全部消除，13C信号以单峰形 式出现，对于判断其化学位移十分 方便。 b.选择氢核去偶及远程选择氢核去偶： 对某个氢核进行选择性照射，以消除 其偶合

21、影响，与之相关联的13C信号发 生改变，根据峰的裂分变化情况，结 合化学位移，可以推断分子中存在的 片段结构。 c.DEPT谱： 通过改变照射1H核的脉冲宽度（） 或设定不同的弛豫时间，使不同类 型的13C在图谱上呈现单峰并分别呈 现正向峰或倒置峰。 = 45 时 季C信号消失，其它都向上 = 90 时 季C信号消失 CH3 , CH2信号消失 CH = 135 时 季C信号消失 CH3, CH CH2 （3）二维核磁共振波谱（2D-NMR） 2D-NMR技术使一维核磁共振谱中复杂 和堆积难于分辨的信号得以识别。 包括：同核的 1H- 1H化学位移相关 （ 1H- 1HCOSY）谱，异核的13

22、C- 1HCOSY谱、以及NOESY（示氢核之间 的NOE关系）谱等。 同核的1H-1H化学位移相关谱(1H-1H COSY)： 是同一个偶合体系中质子之间的偶合相关 谱。可以用来确定质子的化学位移以及质 子之间的偶合关系和连接顺序。 1H检测的异核化学位移相关谱特别 是13C-1H化学位移相关谱，对于鉴定 化合物的结构是十分重要的方法。 它包括HMQC谱和HMBC谱。 HMQC谱是通过1H检测的异核多量 子相关谱，此谱反映1H核和与其直 接相连的13C的关联关系。 HMBC谱是通过1H检测的异核多键 相关谱，反映1H核和与其远程偶合 的13C的关联关系。 4 .NOESY谱（1H 核之间NO

23、E相关） NOE效应：选择照射一种质子使其饱和， 则与该质子在立体空间位置上接近的另 一个或数个质子信号强度增高的效应称 为核的Overhauser效应，简称NOE。 NOE主要用来确定两种质子在分子立 体空间结构中是否距离相近，若存在 NOE，则表示相近； NOE 越大，则两者 在空间的距离就越近。NOE是确定分子 中某些基团的位置，立体构型和优势构 象的重要手段之一。 NOESY谱是为了在二维图谱上观察 NOE效应而开发 出来的新技术。在 其谱中，空间相近的质子间NOE效 应可以观测到，并能作为相关峰出 现在图谱上。 2D NMR 小分子天然产物研究中小分子天然产物研究中 的应用举例的应用举例 1. 1H-NMR 化学位移化学位移- H(ppm)-020ppm 偶合常数偶合常数-J(Hz) 质子数质子数 峰的裂分峰的裂分-二重峰二重峰(d)即双峰即双峰 三重峰三重峰(t) 四重峰四重峰(q) 多重峰多重峰(m) 解析实例解析实例 例例1：C3H7Cl的的NMR。 CH3CH2CH2Cl a bc 例例2