NMR基础知识简介

1、 NMR基础知识简介基础知识简介2022年5月19日2 化学结构鉴定 天然产物化学 有机合成化学 动态过程的研究 反应动力学 研究平衡过程（化学平衡或构象平衡） 三维结构研究 蛋白质 DNA. 蛋白/DNA复合物 多糖 药物设计 NMR研究构效关系（SAR） 医学 磁共振成像（MRI）2022年5月19日3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NMR2022年5月19日4Information: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1H13CCH3C=CH

2、-HHCCCHHHHDJHHHCJCHCC=C 0D DE = h n na ab b2022年5月19日9 原子核的能量（对于一个核自旋）与核磁矩和外加磁场的大小成正比 : E = - m m . . Bo E(up) = g g h Bo / 4p p - E(down) = - g g h Bo / 4p p D DE = g g h Bo / 2p p 这个能量的差就是每个核可以吸收的能量（与信号的强度和灵敏度直接相关）: 磁体的磁场越强 （大的Bo），NMR谱仪的灵敏度就越高。 具有较大g g值的核，吸收或发射的能量就越大，也就越灵敏。灵敏度与m m、 Na a - Nb b及“线圈

3、的磁通量”都成正比，这三者都与 g g成正比，所以灵敏度与g g3成正比。 如果考虑同位素的天然丰度, 13C (1%) 的灵敏度要比1H低上6400倍。g g13C = 6,728 rad / Gg g1H = 26,753 rad / G仅仅是 g g 的原因 ， 1H 的灵敏度就大约是13C的64倍2022年5月19日10 能量与频率是相关的，我们可以作一些简单的数学变换： D DE = h n n n n = g g Bo / 2p p D DE = g g h Bo / 2p p 对于1H来说，在通常的磁体中 (2.35 - 18.6 T), 其共振的频率在100-800 MHz之间

4、。对13C, 是其频率的1/4。 在解释有些 NMR原理时, 我们需要用到圆周运动。 对于描述圆周运动Hz并不是一个好的单位。我们把进动（或Larmor ）频率定义为 w w: w w = 2pn pn w wo = g g Bo （弧度） 10-1010-8 10-6 10-4 10-2 100 102 wavelength (cm) g-rays x-rays UV VIS IR m-wave radio2022年5月19日11 w wo与什么样的进动相关呢? 有一个现象我们还没涉及，它就是自旋角动量 l, 所有的核都具有自旋角动量。 我们可以粗略的认为核绕着自己的 z 轴旋转。如果核磁矩

5、m m不为零，它就是一个旋转的原子磁体。 如果我们外加一个强磁场 Bo, 磁矩 m m 与 Bo 相互作用会产生一个扭力。不论磁矩 m m 的初始取向如何，他都将倾向与 Bo平行。lBoBoor.m mm m2022年5月19日12 由于自旋角动量 l 的原因，磁矩为 m m 的核会自旋, 因此两个力会同时作用在它上面，一个力把它拉向 Bo方向，另一个使它保持自旋。最终结果是 m m 绕着 Bo进动。 理解进动最好的办法是想象一个旋转的陀螺在重力作用下的运动情景。 核磁矩 m m 绕着Bo进动的频率与从能级差值计算所得的频率是相等的。 虽然这两个频率没有明显的联系，但是由严格的量子力学推导也可

6、以得到这一结论。 有些现象对于经典NMR模型来说可以把它们看作一个黑匣子。Bow wom m2022年5月19日13 宏观磁化矢量 Mo, 与布居数的差（Na a Nb b）成正比，它是所有核磁矩m m 共同作用的结果 我们可以把每一个小磁矩 m m 分为在 z 轴和 平面上两个分量。 平面上分量的取向是随即的，彼此相互抵消。对于z方向分量的和即为宏观磁化矢量。它与Na a Nb b成正比。 在实际的样品中讨论宏观磁化矢量更复合实际情况，所以在后面的部分中我们将使用宏观磁化矢量来描述。 m m 和 Mo之间有一个很重要的不同点。前者是量子化的，只能有两个状态（a a 或 b b），后者是对于所

7、有自旋而言的，它具有连续的状态数目。MoyxzxyzBoBo2022年5月19日14 NMR激发需要核自旋体系吸收能量。能量的来源是一个由变化的电场所产生的振荡的射频电磁辐射。MozxiB1 = C * cos (w wot)B1Transmitter coil (y)yBo2022年5月19日15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.MMrf+M当观测信号时,RF 脉冲是处于关闭状态. NMR信号是在毫伏(microvolts)而RF脉冲是在千伏kilovolts.2022年5月19日16 前面我们已

8、经介绍了脉冲，下面我们来看看脉冲的作用原理。射频脉冲是频率为w wo 的连续波（cosine）与阶梯函数的组合结果。 这是脉冲在时间域的形状。通过对其进行FT变换，我们可以分它在频率域的覆盖范围。 对其进行FT的结果是一个中心位于 w wo，两边覆盖一定频率宽度的信号。其覆盖的频率宽度与tp 成反比：f 1 / t.*=tpFTw wo2022年5月19日17 脉冲的宽度不只和其覆盖的频率范围有关，它还表明外加射频场B1的作用时间。因此，它就是外加扭力对宏观磁化矢量Mo的作用时间。 特定倾倒角脉冲的宽度也仪器本身有关（B1），我们习惯上以脉冲使宏观磁化矢量倾倒的角度来标识脉冲。所以我们常见的脉

9、冲有 p p / 4、p p / 2 和 p p 脉冲。zxMxyyzxyMoB1q qttpq qt = g g * tp * B12022年5月19日18 最常用的脉冲是p p / 2脉冲，它使磁化矢量完全倾倒到 平面： p p 脉冲也很重要，它使得自旋体系的布居数反转。 原则上讲我们可以得到任意角度的脉冲。zxMxyyzxyMop p / 2zx-MoyzxyMop p2022年5月19日19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

10、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。Mrfxyz45o90o180o270o360o2022年5月19日2090o 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。)/lg(2001VVdB )/lg(1001PPdBMrfxyzPulse length90

11、180270360)/lg(2001VVdB2022年5月19日21MB0接受接受/发射线圈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。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。Vt2022年5月19日22 Nyquist 原理表明采样的速度至少要是最快的信号（频率最高）的两倍。 如果采样的速度是信号频率的两倍，我们就可以清楚的记录这一频率的信号。 如果采样速率降低一半，我

12、们就只能得到频率为真实频率 的信号。这些信号会折叠回我们的谱中，相位会与其它的峰不同。这种现象叫做 aliasing.SR = 1 / (2 * SW)2022年5月19日23采样快慢决定了观测的谱图的频率范围，在Bruker仪器中，采样的快慢由驻留时间参数(DW)确定。驻留时间和谱宽间的关系由下试确定：swdw12sw=1000 Hzsw=500 Hzdw= 0.5msdw= 1 ms2022年5月19日24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。混合检测的信号(10-800 MHz)参照频率(10-800 MHz)自由衰减信号 (FID)(audio: 0

13、-100 kHz)接受器 (RX22)数字化器 (HADC)计算机储存2022年5月19日25 当宏观磁化矢量Mo受到 p p / 2 脉冲的倾倒到平面后，检测线圈中会出现NMR信号。 核自旋系统会向平衡态恢复，宏观磁化矢量Mo在 平面内的驰豫可用指数函数描述。所以检测线圈会检测到一个衰减的cosine信号（单个自旋种类）w w = w woMxyw w - w wo 0timeMxytime2022年5月19日26 在实际的样品中可能存在数以百计的自旋系统，它们的共振频率各不相同。我们用射频脉冲同时激发所有的频率，接收线圈会同时检测到所有频率的信号。我们看到的结果是所有信号的叠加，这就是FI

14、D信号。 对FID信号进行FT处理就可以得到NMR谱图。2022年5月19日272022年5月19日282022年5月19日29 2022年5月19日302022年5月19日31AV 系统系统:CCU:通讯控制单元 Communication Control Unit TCU:时间控制单元 Timing Control UnitFCU:频率控制单元 Frequency Control UnitGCU：梯度控制单元 Gradient Control UnitSGU:信号产生单元 Amplitude Setting UnitDRU:数字化接收单元 Digital Receiver UnitBSMS

15、:布鲁克智能磁体控制系统 Bruker Smart Magnet SystemACB:功放控制板 Amplifier Control BoardRXAD:接收器与模/数转换器 Receiver and Analog to Digital ConverterHPPR:前置放大器 Pre-amplifierSLCB：样品和液氦液面控制板 Sample and Level Control BoardSCB：匀场控制板 Shimming Control BoardLCB:锁场控制板 Lock Control BoardLTX：锁场信号发射板 Lock TransmitterLRX：锁场信号接受板 Lo

16、ck RecieverTOPSPIN: 运行软件 Operating Software2022年5月19日32 通常 B1 的频率会设置的比其它所有信号的频率都高（或低）。这样作的目的是为了避免有信号的频率高于（或低于）参考频率。这样计算机就可以知道信号的正负了。 这样做会有两个问题：第一个是噪音问题，多余的噪音会折叠回NMR谱中，影响信噪比。第二个是激发脉冲问题，激发较宽的谱宽需要更高功率的脉冲。 最好的解决办法是把参考频率设置到谱频率的中间。carrier2022年5月19日33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. xVtxVtF

17、T0-ww2022年5月19日34 怎样才能区别信号的频率比参考频率快还是慢呢？解决这个问题的办法就是使用两个检测器，其相位相差90度。 频率高的信号与频率低的信号正负相反，这样就可以区分开频率的正负。w w (B1)BFBFPH = 0PH = 90PH = 0PH = 90FFSS2022年5月19日35NMR SignalReference (SFO1)90o0oADCABRealImaginary数学处理通过使用具有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

18、中。2022年5月19日36Channel AChannel BFTFTChannel A + B2022年5月19日37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; o1p 是偏置频率可以用来改变频域谱图的中央点.o1po1po1p2022年5月19日38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 sw2. 调整 o13. 调整 swo1pnew o1pswswnew sw2022年5月19日39NMR 信号通常包含许多共振频率及振辐.为能更好的描述NMR

19、信号, 我们一般使用16 或18 bit ADC. 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2022年5月19日40NMR 信号被称为自由衰减信号 (Free Induction Decay 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-自旋驰豫造成.(T2 relaxation)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,以免使信号被截断( truncation).TD set proper*TD

20、 too small2022年5月19日41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次额外的扫描回给出 倍的增强的信号强度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noiselevelsignaln2022年5月19日42FID谱图NSS/N14162561 (ref)2x4x16x20

21、22年5月19日43 到目前为止我们还没谈到宏观磁化矢量回复到平衡态的过程。这一过程就是驰豫过程。驰豫分为两种类型，它们都与时间成指数衰减关系。纵向驰豫（自旋晶格驰豫） （T1） 它主要影响磁化矢量在 z 轴方向的分量（Mz） - 自旋系统与周围的环境发生能量交换， 自旋系统回复到平衡态。 - 与其它核的偶极偶合以及顺磁物质会 影响到T1时间的大小。横向驰豫（自旋自旋驰豫）（T2） 它主要影响磁化矢量在平面的分量（Mxy） - 自旋自旋相互作用使得Mxy散相 - 还会受到磁场不均运性的影响 - 小于T1MzzxyMxyzxy2022年5月19日44NMR信号是一个以常数为T2的指数方式衰减的函

22、数。 T2就是横向弛豫过程的时间常数。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必须是五倍的必须是五倍的T1以保证在下次扫描时磁化矢量完全以保证在下次扫描时磁化矢量完全回到回到Z-轴。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, 4 scansa. D1=150s; 90o pulse; 600s;b. D1=15s; 90o pulse

23、; 60s;c. D1=15s; 30o pulse; 60s.abc2022年5月19日45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.timefrequencyFT2022年5月19日46 现在计算机中已经有了FID数据。我们可以对FID做一些处理，比如数字滤波等。真正的NMR信号主要位于FID前面的部分，

24、随着 Mxy 的衰减，FID的后部主要以噪音为主。 直观上讲数字滤波就是给 FID乘上一个函数，使噪音比例较大的FID末端变得较小。主要为信号主要为噪音12022年5月19日47 对于下面原始的FID，我们分别使用一个正的和负的LB值，以说明它们对最终谱图的影响。FTFTLB = -1.0 HzLB = 5.0 Hz2022年5月19日48 Gaussian/Lorentzian（GM）：提高分辨率。相比纯粹用负的LB值来提高分辨率，对信噪比的不良影响要小一些。 Cosine 相移 cosine：主要用于二维谱。 窗口函数的选择与具体的实验相关。F(t) = e - ( t * LB + s

25、s2 t2 / 2 )F(t) = cos( p p t / tmax )2022年5月19日49SW - spectral width (Hz)SI - data size (points) 数据的大小与谱宽（采样速度）、和采样时间有关。数据的点数越多采样的时间就越长。 即使数据的存储空间足够大，过长的采样时间也会使实验的时间变得很长。 我们把每个点所对应的Hz 数定义为数字分辨率。 DR = SW / SI 对于 SW 为5 KHz，FID 点数为16K的数据，其数字分辨率为：0.305 Hz/point. 一个很明显的问题是：当SW很大而SI很小时，数字分辨率就很低，不能准确的反映出谱峰

26、形状。2022年5月19日50 当采样时间不是足够长（数据点数较少）时，通过冲零可以提高数字分辨率。 冲零就是在FT前，在FID的末端加上大小为零的点。通常冲零的点数为1倍或2倍。 通过这种方法可以提高数字分辨率，通常可以提高谱图的质量。如果最初的FID点数太少，通过冲零也不能得到好的谱图。8K data8K zero-fill8K FID16K FID2022年5月19日51在Topspin软件中，冲零是通过设置SI的值来实现的。当SI大于TD时，软件会自动冲零TD=SI=128TD=128; SI=1024TDTDSI2022年5月19日52在BRUKER仪器中，相位调整首先对最大峰进行零

27、级相位调整PH0，然后以一级相位调整PH1来调节其他的峰。1. FT phase2. Adjust ph0on biggest peak3. Adjust otherpeaks with ph12022年5月19日53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.0BEgwDLarmor 频率化学位移自旋-自旋偶合e.g. B0=11.7 T, w(1H)=500 MHzw(13C)=125 MHz化学位移 B0 kHz自旋-自旋偶合 Hz-kHz2022年5月19日54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

28、(local field)，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。B0Be原子核实际感受到的磁场:B = (1-s s) B0s化学位移常数2022年5月19日55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化学位移数值也不同。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。0 Hz15003000450060000 ppm48120 Hz15003000450060000 ppm4812参照样品峰ppmsamplereferencereferencewww

29、300 MHz500 MHz300 MHz500 MHz1 ppm = 300 Hz1 ppm = 500 Hz2022年5月19日560 ppm428610HC=OHC=CH2CH3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，从而使结构鉴定成为可能.2022年5月19日57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.CHCHHC异核J-coupling同核 J-couplingJCHJHH2022年5月1

30、9日58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.CHJCHCHJCH原始频率ww-J/2w+J/2JCH2022年5月19日59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:HaHbCCwawbJABHBHBHAHAJABobserved spincoupled spinintensityAB1B1BA1A12022年5月19日60HaHbCCHcAB,CBCAAB,

31、C是化学等价的核JAB=JAC2022年5月19日61HaHbCCHcB,C是化学不等价的核JAC=10 HzJAC=4 HzJBC=7 HzABCwAJACJAC2022年5月19日62*CH*CH2*CH3CH1H2H3CH1H2CH1*CC2022年5月19日63由于一些核的自然丰度并非如此100%。因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。x100H-13CH-13C105 HzH-12C2022年5月19日64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

32、减少辅助线圈(Z0)的电流来进行矫正。2DLockTXLockRXLockfreq.DZ0-coil2022年5月19日65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函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。2022年5月19日66原子核间的偶合导致谱图的复杂化。CHJCHCHJCHoriginal frequencyww+J/2w-J/2JCH2022年5月19日67如果峰

33、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2022年5月19日68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。CHJCHCHJCHp-pulse on H这相当于使用一系列1800脉冲快速照射氢核。C-HpHC-HpHpHpHC-HC-HC-HC-HpHw w+J/2

34、w w-J/2w+w+J/2w w-J/2w w+J/2w w-J/22022年5月19日69氢去偶除简化碳谱还因为有核的Overhauser效应而增加信噪比。decoupledcoupledC-HC-H2*CH3-CH2-2022年5月19日70如果使用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。此法称为连续波（CW）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。2022年5月19日71.55去偶与脉冲强度的关系2022年5月19日72在中心频率的去偶实验很易实现，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, Mlev etc。称为组合脉冲去偶序列或CPD。使用这些脉冲序列要设置