仪器分析核磁有机波谱学nmr

1、2012-6-1n 静磁场Bo的不均匀度使得NMR信号展宽，定量的描述是采用一个衰减因子T2。T2越 小，时域信号FID衰减越快，相应的频域信号就越宽。通过仔细匀场，信号能变窄， 衰减因子T2变大。但是T2不可能成为无穷大，因此NMR信号的宽度总有一部分是静磁场不均匀度的贡献。2012-6-1XMUNMR50 = B0Ø B0导致0 不同，在不同频率处出峰Ø 对所有静磁场， B0都是在一定范围内分布2012-6-1XMUNMR42012-6-1XMUNMR3匀场的意义n NMR实验与其他常规谱学实验相比，实验前的准备工作要多得多，其中设法获得一个均匀的磁场是非常重要的。 假

2、如磁场不均匀，实验所测的谱图不但信号的分辨率下降，裂峰不清楚，而且还会出现峰形的畸变。2012-6-1XMUNMR2BrukerData Acquisiton Guide 实验设置向导XMUNMR1核 磁 共 振 氢 谱 实 验-2叶剑良20122012-6-1XMUNMR02012-6-1n 对于一般小谱，磁场均匀度的贡献约为80左右，对于生物大谱，不均匀度的贡献大致为3040。在固体实验中，固体样品的T2一般为毫秒量级，当T2为几百毫秒时，匀场便不是那么重要了。2012-6-1XMUNMR6n 另外，不同样品其介电性质和磁化率相差很大，当更换新样品进试时，磁场的分布将发生很大的变化，甚至同

3、一样品取出后重新放入也会对均匀度有一定的影响，所以，匀场是获得好谱图的必需步骤。2012-6-1XMUNMR10匀场、锁场前的预备工作2012-6-1XMUNMR11n 磁场的不均匀是绝对的，而均匀只是相对的。任何NMR实验都应该在尽可能均匀的磁场中进行，因此做好匀场是十分重要的。2012-6-1XMUNMR9所谓均匀的磁场，即希望在样品的每一几何位置上都应该有同样的磁场强度B0。在 每次采样之前仔细调整磁场的分布，使之 达到尽可能的均匀，这个过程就称为匀场。2012-6-1XMUNMR8磁场不均匀对不同核的影响磁场不均匀度的粗略描述同样匀场条件下，1/T2对1H信号增宽是1Hz，对13C信号

4、增宽是0.25Hz， 对15N信号增宽是0.1Hz2012-6-1XMUNMR72012-6-1匀场技术匀场是一种补偿静磁场的不均匀性的过程Ø 在磁体的内腔壁和探头之间有一个装有20到30组匀场线圈的中心管，各组线圈着多组各个方向的磁场梯度，磁场梯度则是由线圈中的直流电生的。Ø 匀场就是调节各组线圈中的电流，使之产生的附加磁场能抵消静磁场的不均匀，在探头发射线圈所含的范围内保持最大的均匀性。Ø 匀场的好坏通常是由锁场电平信号的高低来表示的， 可以通过观察采样时FID信号延续的长短来确定。2012-6-1XMUNMR17n 自动锁场只需选择所用溶剂2012-6-1X

5、MUNMR16“慢通过”频域信号2012-615n 在这种共振的条件下，磁场若有所漂移，则频率亦作相应变动，这时谱仪给出弥补磁 场，以保证共振频率D不变。这样就能保证在较长时间的实验中，不致于因场的漂移而影响谱图质量。这种技术叫“场频联锁”。n D= (B0+B1)n 2H (D) 信号的锁场电平是我们可观察的指示。2012-6-1XMUNMR14场频连锁n 在NMR中，有一个专门的2H(D)频道， 其功能是“锁住” 2H (D) 信号，达到锁场的目的。所谓锁场，是用一特定的频率跟踪特定的信号，使之永远达到共振D= B0 。2012-6-1XMUNMR13锁场2012-6-1XMUNMR122

6、012-6-1n Bruker 公司最近新推了一种新的匀场方法,叫做TOPSHIMn TOPSHIM的内核还是GRADSHIM.只是依据是谱的峰形.最大的好处是快速（时间大约10秒-1分钟）,效果很多n TOPSHIM 需要硬件： AVANCEII； 软件： topspin2.0以上配置Gradient shimming with spectrum optimization, M. Weiger atal., J. Magn. Reson. 182 (2006), 38-48.2012-6-1XMUNMR21旋转边带Ø 样品管的旋转使得x，y方向上磁场的不均匀被平均 掉了，样品管的旋

7、转只是平均了磁场的不均匀性而不是真正的。Ø 若x，y方向上磁场不均匀到一定程度，这种平均在 谱峰的左右会造成一对称之为旋转边带的小峰，旋 转边带越强，说明x，y方向上磁场越不均匀。Ø 旋转边带与中间主峰的频率差等于样品管的旋转速 率，这也是区别它们与其它小峰的方法：随着样品 管旋转速率的改变，旋转边带与主峰的频率差也会 作相应的改变。Ø 目前仪器由于磁场本身的均匀性较好，匀场比较容 易，测试样品可以在静止状态下进行的，尤其是高场谱仪。2012-6-1XMUNMR22NMR测试中的注意事项2012-6-1XMUNMR23经过匀场，可以在实验时为所测样品找到最合适的一

8、组匀场值，使得信号的峰最窄，分辨率最高，而且峰形最对称。2012-6-1XMUNMR202012-6-1XMUNMR192012-6-1XMUNMR182012-6-1样品问题：匀场问题：Ø 若匀场较差（谱峰不裂分），可以调标准匀场参¾建议样品高度在3.8-4.5 cm，若样品高度较数，再重新匀场低，最好补加溶剂Ø 若做含金属原子样品，或溶剂高度较低的样品¾同一批样品中性质相近，溶剂相同的样品放在一后，匀场时间较长，匀场效果不好，可以调标准起做。匀场参数，再重新匀场¾做性质相近，溶剂相同的样品时可不用再锁场，HØ 若多个CDCl3作溶

9、剂样品无法锁场，且样品不含谱可不用再调谐金属原子，请通知值班调整参数¾若样品浓度较稀，请在参数设置中增加累加次数（ns）；否则按缺省参数做。Ø 若调标准匀场参数，再重新匀场，效果仍然不好，请通知值班调整参数2012-6-1XMUNMR242012-6-1XMUNMR25转子问题：拿转子中的样品时，捏在转子黑块处。捏¾在此处易造成色块磨损。色块磨损后，谱仪在旋转时无 法识别、调整转速，且此时谱仪始终处于调整转速的状态，增大谱仪损耗。若转子黑块已磨损，请马上通知值班补上色块¾样品管转子时不紧，请让送样人更换样品管，否则¾可能会损伤探头，或无法从磁体

10、中取出样品（样品管拔出，转子掉入磁体）若样品无法弹出，请通知值班解决，并请相关课题¾组用Varian转子（在196）检查核磁管质量拿转子中的样品时，捏在转子黑块处2012-6-1XMUNMR262012-6-1XMUNMR27弹出样品前需做的操作：Ø 请先停止样品旋转（ro off）Ø 请锁场2012-6-1XMUNMR292012-6-1XMUNMR282012-6-1n 观测核、中心频率、谱宽、基本频率、共振偏置确定谱外观n 采样点数、采样间隔、采样时间、数字分辨率结合谱宽和增益决定谱的质量。2012-6-1XMUNMR35n 采样参数：观测核(NUC 1)、

11、中心频率(BF1)、谱宽(SW, SWH)、采样点数(TD) 或采样时间(AQ)、增益(RG)，基本频率(SFO1)、共振偏置(O1, O1P) 、采样间隔(D1)、数字分辨率。2012-6-1XMUNMR342012 6 1XMUNMR312012-6-1XMUNMR302012-6-1Spectralwidthn 谱宽（sw）由样品及核种类确定.一般有机化合物1H谱谱宽为010ppm，生物某些OH峰的 值可高于14ppm,顺磁性蛋白样品的最高化学位移有50ppm以上。13C谱谱宽一般0200ppm。-6-1XMUNMR37调谐n 在中心频率确定之后，先对探头进行调谐，然后再设定以下的各项参

12、数。n 调谐的目的是使接收线圈的共振频率与所设定的中心频率相一致，以便使仪器有最高的接收灵敏度。调谐时仪器有特定的监测器指示调谐质量的好坏。2012-6-1XMUNMR41中心频率中心频率中心频率2012-6-1XMUNMR402. 调整中心频率3. 调整 sw1. 较大 swsw中心频率swnew中心频率Bruker谱仪 1H NMR：中心频率(偏至）：O1(Hz); O1P(ppm) 6.175 谱宽: SW（ppm) 21 ppm; SWH(Hz)2012-6-1XMUNMR39中心频率和谱宽确定方法预先设定某一中心频率，用较大的谱宽测谱。若信号全部出现，则将谱宽设定在信号所覆盖的范围，

13、这时中心频率也就确定了；若信号未完全出现，那么作略微的调整就行；若信号完全未出现，就需要大范围地移动偏置，直到所有的信号都出现为止。2012-6-1XMUNMR38n 观测核的设置：即选择所要测试谱的类型，选定后即调用相应核的标准参数n 观测核一确定，核的基本频率也随之确定。基本频率是核的大致共振频率，但不精确指示测试样品的共振频率。Bruker谱仪 1H NMR：中心频率：SFO1MHz： 400.1324710基本频率: BF1MHz: 4002012-6-1XMUNMR362012-6-1采样时间(采样点数)需要观测FID后合理确定。原则是应该有足够的采样时间(采样点数)以便保证出现严重

14、的截尾效应(即采样时间(采样点数)太少，FID信号还未衰减完全就停止采样，谱图将有明显的振荡尾波效应)。2012-6-1XMUNMR44Mostly signalMostly noise00.100.200.300.400.50sect1但是，采样时间(采样点数)太多次也没time有意义，因为后面一些点所下来的主要是噪音。Bruker谱仪1HNMR：0. 0.20.300 400 500. 0. 0.800 901 00ect1采样参数：AQs：3.9846采样点数：TD:65536(64K）2012-6-1XMUNMR462012-6-1XMUNMR47time2012-6-1XMUNMR4

15、5TD too smallTD set propern 上面介绍的观测核、中心频率、谱宽参数基本上确定了谱的外观。但获得的谱的质量的好坏，就要靠合理地设定采样时间(采样点数) 。2012-6-1XMUNMR432012 6 1XMUNMR422012-6-1n 在实验中，什么情况下增益影响信噪比，什么情况下不影响是不甚清楚的。一般总选择适当的增益:增益不能大到超过采样计算机所的信号强度的范围。一旦超过，就会出现溢出现象（也称计算机动态范围饱和），其结果是FID的幅值被截平，Fourier变换后的谱将出现难以计数的假峰。2012-6-1XMUNMR50533.3脉冲序列参数的意义及设定n 简单的

16、脉冲序列由脉间及脉冲后的采样时Ø 脉冲前的等待时间是系统有足够的宏观（Ø 脉冲的作用是为了建Ø 采样时间是为了检测2012-6-1冲、脉冲前等待时间组成。为了保证实验之前纵向）磁化强度 立横向磁化强度 横向磁化强度。XMUNMRBruker谱仪 1H NMR：采样增益：RG： 2050(AV II); 203(AV III)自动确定采样增益指令：rga2012-6-1XMUNMR52RG 太低RG 适当RG 太高2012-6-1XMUNMR51n 噪音来源十分复杂，大致分两类：Ø 一类随增益提高而放大，记为n1；另一类不受增益影响，记为n2，设增益倍数为

17、k，于是信噪比与增益的关系为S/N=ks/（kn1+n2）Ø 当n2>> kn1,我们看到k的增大直接导致S/N增大。Ø 当n2<< kn1时,无论k如何变化,S/N仍保持不变。2012-6-1XMUNMR49增益n 信号增益gain，是对信号的放大。NMR信号本身是非常弱的感生电流，需要进行电流放大。一般增益与信噪比没有特定关系，但有的时候提高信号增益可使信噪比有一定的增强。2012-6-1XMUNMR482012-6-1累加次数n 累加次数依据样品浓度来确定，H谱累加时间一般都很短，即使样品浓度为毫摩尔甚至更低，进行H的测定都不成问题。累加16次

18、足够。n Bruker谱仪相关参数：NSn DS: 4； 8；16；32；64；2012-6-1XMUNMR59Bruker谱仪相关参数： PULPROG: zg30 D1s: 12012-6-1XMUNMR58 测定900脉冲，有两种取值，或者根据最弱信号确定1800的脉宽，取其一半；或者根据最弱信号确定3600的脉宽，取其1/42012-6-1XMUNMR57n 在章动时 M y = M 0 sinq0 = M 0 sin(g B1tp )zzqtMotpxxB1Mxyyy 0=900，信号最强； 0=1800,信号强度为0； 0=3600,信号强度又为02012-6-1XMUNMR56n

19、 简单的单脉冲实验，可以选用900脉冲，但准确的900脉冲宽度需要测定。但脉冲前的等待时间理论上需大于等于5 T1，因H谱采样时间短，设为23 T1也可以。n 若为长时间累加的实验，一般不选用900脉冲。n 如果辐射阻尼效应可以忽略，并且在发脉冲之前磁化强度位于平衡态，则900脉冲测定依据磁化强度绕射频场的章动效应。2012-6-1XMUNMR552012-6-1XMUNMR542012-6-1Zero FillingfrequencyPoints from zero filling fall betweenthe real points and improve digital resolut

20、ion.frequency2012-6-1XMUNMR65n FFT所需的数据点，变换点数，必是2的偶次 方，如32K or 32K or 64K；采样点数无此要求。所以，变换点数和采样点数常常不相等：Ø 若变换点数 < 采样点数，位于尾部的数据点自动丢弃Ø 若变换点数 > 采样点数，多出的点就自动补0参与变换Ø 一般变换点数要大于采样点数。2012-6-1XMUNMR64¾在时,最好 零，但需增加采样时间¾FID最后部分由于信号的大部分是噪音。¾若不增加采样时间由于峰的分辨率。¾在FID的尾部通过填零这个问题。

21、2012-6-1充零数据直到信号衰减为。已基本消失,所到数据点较少而影响谱的方法可以较好地解决XMUNMR63BrukerData Processing Guide 图谱处理向导XMUNMR62数据处理NMR实验的信号率、幅度、相位和衰减域信号不直观，若不进对于两个以上信号的F 么信息。2012-6-1是时域FID，包含频因子等信息。但时行Fourier变换， ID，几乎得不到什XMUNMR61空扫次数n 空扫指光发脉冲而不采样n 二维实验为使采样在稳态中进行，需要空扫4次或16次。n 简单一维实验，空扫可设为0或2。n Bruker谱仪相关参数：DSn DS: 0； 1；22012-6-1X

22、MUNMR602012-6-1Zero FillingN+kNN+kN:k=1: adds information to the spectrum! (it takes imaginary data into account)k>1: improvement of digital resolution2012-6-1XMUNMR67Zero FillingXMUNMR682012-6-1XMUNMR692012-6-1XMUNMR70Bruker谱仪相关参数：SISI: 32K(default)； 64K；128K2012-6-1XMUNMR71裘祖文p172; 高汉宾p77-78发射频

23、率位于图谱一端 取样速率³2D(D为频率范围). 最低频率2F 2D 称Nyquist频率。8K data0.0.0 6.8. 011.2.2 21ec8K ata oin16K data oinCollect data until FID goes to zero. However, you still may not be able to define the top of the peak. Then zero fill.2012-6-1XMUNMR668K zero-fill2012-6-1窗函数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

24、函数就能H (w) Ä S (w) Û h(t) × s(t) Aims:suppressing of ripple in spectrum迫使尾部的FID为零.其程度由参数LB.当Improving S/N Resolution enhancements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.Lineshape transformation窗函数是一种用以谱的信噪比或分辨率而人为设定的函数。2012-6-1XMUNMR722012-6-1XMUNMR73n 指数窗×指数衰减的FID Fourier变换=>信号

25、加宽n 指数窗×指数衰减的FID Fourier变换=>信噪比高的成分的权得到加 强，信噪比较差的权得到相对削弱=>谱的信噪比提高2012-6-1LB = 5.0 HzLB = -1.0 HzFTFTBest signal:noise when LB equals the line width without line broadening2012-6-1XMUNMR77Lb=0Lb=5Lb=102012-6-1XMUNMR76展宽因子lbn 滤波匹配：若信号自然线宽为nHz，则最佳窗函数的展宽因子也应设为nHzn H实验原则上不进行任何窗函数处理，也不需要展宽因子，所以可以设lb0