生物物理技術(shù)-3

1、電荷電荷自旋自旋原子核原子核自旋角自旋角動量動量自旋磁自旋磁矩矩自旋角動量自旋角動量J宏觀宏觀轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)動I自旋量子數(shù)自旋量子數(shù)自旋自旋原原子子核核NMRNMR簡介簡介1. 總論總論v NMR是研究處于磁場中的是研究處于磁場中的原子核原子核對射頻輻射對射頻輻射(Radio-frequency Radiation) 的吸收，它是對各種有機(jī)和無機(jī)物的成分、結(jié)構(gòu)進(jìn)行定性分析的最強(qiáng)的吸收，它是對各種有機(jī)和無機(jī)物的成分、結(jié)構(gòu)進(jìn)行定性分析的最強(qiáng) 有力的工具之一，有時亦可進(jìn)行定量分析。有力的工具之一，有時亦可進(jìn)行定量分析。v 在強(qiáng)磁場中，原子核發(fā)生能級分裂在強(qiáng)磁場中，原子核發(fā)生能級分裂(能級極?。涸谀芗墭O?。涸?/p>

2、1.41T磁場中，磁能磁場中，磁能 級差約為級差約為25 10-3J)，當(dāng)吸收外來電磁輻射，當(dāng)吸收外來電磁輻射(109-1010nm, 4-900MHz)時，時， 將發(fā)生核能級的躍遷將發(fā)生核能級的躍遷-產(chǎn)生所謂產(chǎn)生所謂NMR現(xiàn)象?，F(xiàn)象。射頻輻射射頻輻射原子核原子核(強(qiáng)磁場下能級分裂強(qiáng)磁場下能級分裂)吸收吸收能級躍遷能級躍遷NMR 測定有機(jī)化合物的結(jié)構(gòu)，測定有機(jī)化合物的結(jié)構(gòu)，1HNMR氫原子的位置、環(huán)境以及官能團(tuán)和氫原子的位置、環(huán)境以及官能團(tuán)和 C骨架上的骨架上的H原子相對數(shù)目）原子相對數(shù)目）v 與與UV-Vis和紅外光譜法類似，和紅外光譜法類似，NMR也屬于吸收光譜，只是研究的對也屬于吸收光譜

3、，只是研究的對 象是處于強(qiáng)磁場中的原子核對射頻輻射的吸收。象是處于強(qiáng)磁場中的原子核對射頻輻射的吸收。2. 發(fā)展歷史發(fā)展歷史1924年年：Pauli 預(yù)言預(yù)言了了NMR 的基本理論，即，有些核同時具有自旋和磁的基本理論，即，有些核同時具有自旋和磁 量子數(shù)，這些核在磁場中會發(fā)生分裂；量子數(shù)，這些核在磁場中會發(fā)生分裂；1946年年：Harvard 大學(xué)的大學(xué)的Purcel和和Stanford大學(xué)的大學(xué)的Bloch各自首次各自首次發(fā)現(xiàn)并證發(fā)現(xiàn)并證 實(shí)實(shí)NMR現(xiàn)象，并于現(xiàn)象，并于1952年分享了年分享了Nobel獎；獎；1953年：年：Varian開始商用儀器開始商用儀器開發(fā)開發(fā)，并于同年制作了第一臺高

4、分辨，并于同年制作了第一臺高分辨NMR 儀；儀；1956年年：Knight發(fā)現(xiàn)元素所處的化學(xué)環(huán)境對發(fā)現(xiàn)元素所處的化學(xué)環(huán)境對NMR信號有影響，而這一影信號有影響，而這一影 響與物質(zhì)分子結(jié)構(gòu)有關(guān)。響與物質(zhì)分子結(jié)構(gòu)有關(guān)。 1970年：年：Fourier(pilsed)-NMR 開始市場化（早期多使用的是連續(xù)波開始市場化（早期多使用的是連續(xù)波 NMR 儀器）。儀器）。 19911991年諾貝爾化學(xué)獎年諾貝爾化學(xué)獎授予了瑞士蘇黎世聯(lián)邦授予了瑞士蘇黎世聯(lián)邦高等工業(yè)學(xué)院的高等工業(yè)學(xué)院的R. R. Ernst教授，獎勵他在教授，獎勵他在NMRNMR方方面的貢獻(xiàn)。面的貢獻(xiàn)。 ErnstErnst教授畢生從事教授

5、畢生從事NMRNMR研究，他發(fā)明的傅立研究，他發(fā)明的傅立葉變換技術(shù)和二維技術(shù)使得葉變換技術(shù)和二維技術(shù)使得NMRNMR成為現(xiàn)代儀器分成為現(xiàn)代儀器分析不可缺少的重要手段。正是由于這一技術(shù)的發(fā)析不可缺少的重要手段。正是由于這一技術(shù)的發(fā)明，大量難以用明，大量難以用NMRNMR譜儀進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)得以完成。譜儀進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)得以完成。也正是由于這一技術(shù)，使得也正是由于這一技術(shù)，使得NMRNMR在化學(xué)、醫(yī)學(xué)、在化學(xué)、醫(yī)學(xué)、生命科學(xué)等領(lǐng)域中得以應(yīng)用。生命科學(xué)等領(lǐng)域中得以應(yīng)用。 20022002年諾貝爾化學(xué)獎授給了瑞士年諾貝爾化學(xué)獎授給了瑞士蘇黎世聯(lián)邦高等工業(yè)學(xué)院的庫爾蘇黎世聯(lián)邦高等工業(yè)學(xué)院的庫爾特特維特里希維特里希(

6、Kurt Wthrich)(Kurt Wthrich)教授教授。他發(fā)明了利用核磁共振他發(fā)明了利用核磁共振(NMR)(NMR)技術(shù)測定技術(shù)測定溶液中生物大分子三維結(jié)構(gòu)的方法，溶液中生物大分子三維結(jié)構(gòu)的方法，開拓了利用開拓了利用NMRNMR技術(shù)測定溶液中蛋白質(zhì)、技術(shù)測定溶液中蛋白質(zhì)、核酸三維結(jié)構(gòu)的核酸三維結(jié)構(gòu)的NMRNMR方法；把異核濾波方法；把異核濾波技術(shù)用于研究超分子結(jié)構(gòu)的分子間的技術(shù)用于研究超分子結(jié)構(gòu)的分子間的相互作用；研究大分子在溶液中的水相互作用；研究大分子在溶液中的水合作用；建立了橫向弛豫優(yōu)化的異核合作用；建立了橫向弛豫優(yōu)化的異核相關(guān)譜相關(guān)譜 (TROSY) (TROSY) 和交叉極化

7、增強(qiáng)和交叉極化增強(qiáng) (CRINEPT) (CRINEPT) 的實(shí)驗(yàn)方法，并將其運(yùn)用的實(shí)驗(yàn)方法，并將其運(yùn)用于大分子，分子量達(dá)于大分子，分子量達(dá)800 kDa800 kDa。 20022002年諾貝爾化學(xué)獎的另年諾貝爾化學(xué)獎的另一半分別授予給美國耶魯大學(xué)及弗一半分別授予給美國耶魯大學(xué)及弗吉尼亞聯(lián)邦大學(xué)的教授吉尼亞聯(lián)邦大學(xué)的教授John B. John B. FennFenn（他發(fā)明了對生物大分子進(jìn)行（他發(fā)明了對生物大分子進(jìn)行確認(rèn)和結(jié)構(gòu)分析的方法和對生物大確認(rèn)和結(jié)構(gòu)分析的方法和對生物大分子的質(zhì)譜分析方法分子的質(zhì)譜分析方法ESI-MSESI-MS）和日）和日本島津制作公司研發(fā)工程師、生命本島津制作公司

8、研發(fā)工程師、生命科學(xué)研究部主任田中耕一（科學(xué)研究部主任田中耕一（Koichi Koichi TanakaTanaka）（）（MALDI-TOF-MSMALDI-TOF-MS） 2003 2003 年諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎授予了美國年諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎授予了美國物理學(xué)家保羅物理學(xué)家保羅. .勞特布爾（勞特布爾（Paul C LauterburPaul C Lauterbur）和英國物理學(xué)家彼特和英國物理學(xué)家彼特. .曼斯菲爾德（曼斯菲爾德（Peter Peter MansfieldMansfield）。 獎勵他們在磁共振成像（獎勵他們在磁共振成像（MRIMRI）方面作出的貢）方面作出的貢獻(xiàn)。核磁

9、共振技術(shù)與獻(xiàn)。核磁共振技術(shù)與CTCT（計(jì)算機(jī)輔助體層攝影技（計(jì)算機(jī)輔助體層攝影技術(shù)術(shù)) )相結(jié)合，是當(dāng)今最普遍的臨床檢查技術(shù)，已相結(jié)合，是當(dāng)今最普遍的臨床檢查技術(shù)，已為廣大醫(yī)患者所接受。為廣大醫(yī)患者所接受。 一、原子核的自旋與磁矩一、原子核的自旋與磁矩若原子核存在自旋，自旋核的若原子核存在自旋，自旋核的角動量角動量P為：為： ) 1( IIP式中式中為為Plank常數(shù)，常數(shù)，I 為自旋量子數(shù)為自旋量子數(shù)。 原子核的磁矩原子核的磁矩與核自旋角與核自旋角動量動量P成正比關(guān)系：成正比關(guān)系：P =質(zhì)子和中子的自旋量子數(shù)均為質(zhì)子和中子的自旋量子數(shù)均為1/21/2質(zhì)子和中子的磁矩不相等，無法抵消質(zhì)子和中子

10、的磁矩不相等，無法抵消質(zhì)子質(zhì)子可看作帶正電的電流環(huán)，磁矩與可看作帶正電的電流環(huán)，磁矩與外磁場平行。外磁場平行。中子中子可看作一正一負(fù)面積不等的兩個可看作一正一負(fù)面積不等的兩個電流環(huán)，磁矩與外磁場反平行。電流環(huán)，磁矩與外磁場反平行。核子的磁矩一般服從能量最小原理，核子的磁矩一般服從能量最小原理，同種核子的磁矩成對抵消。同種核子的磁矩成對抵消。討討 論論1. 所有的偶偶核所有的偶偶核(質(zhì)子和中子數(shù)均為偶數(shù)的質(zhì)子和中子數(shù)均為偶數(shù)的原子核原子核)，例如，例如 、 、 等，等，I0，沒，沒有自旋現(xiàn)象；有自旋現(xiàn)象； C126O168S32162. 自旋量子數(shù)自旋量子數(shù)I 1的原子核的原子核： I1的有：的

11、有：2H 、14N ； I 的有：的有：11B、35Cl、79Br、81Br； 23 1H，13C，19F 31P等等 I 的有：的有：17O、127I ； 25 這類原子核的核電荷分布可看作是一這類原子核的核電荷分布可看作是一個個橢圓體橢圓體，電荷分布不均勻。它們的共振，電荷分布不均勻。它們的共振吸收常會產(chǎn)生復(fù)雜的情況。吸收常會產(chǎn)生復(fù)雜的情況。 3. 自旋量子數(shù)自旋量子數(shù) I 的原子核的原子核： 21 這些核可當(dāng)作一個電荷均勻分布的這些核可當(dāng)作一個電荷均勻分布的球體球體 奇奇數(shù)數(shù)奇數(shù)或奇數(shù)或偶數(shù)偶數(shù)1/2 1H,13C,19F,31P3/2 11B,35Cl質(zhì)質(zhì)量數(shù)量數(shù)原子序數(shù)原子序數(shù)自旋量

12、子數(shù)自旋量子數(shù)常常見見核核偶偶數(shù)數(shù)偶數(shù)偶數(shù)0 12C, 16O,32S奇數(shù)奇數(shù)1 2H, 14N ( (一一) )自旋核在外磁場中的自旋取向自旋核在外磁場中的自旋取向 與能級分裂與能級分裂 由于由于氫核氫核帶正電荷，帶正電荷，轉(zhuǎn)動時產(chǎn)生的磁場方向可轉(zhuǎn)動時產(chǎn)生的磁場方向可由由右手螺旋定則右手螺旋定則確定，由確定，由此可將旋轉(zhuǎn)的核看作是一此可將旋轉(zhuǎn)的核看作是一個小的磁鐵棒。個小的磁鐵棒。 當(dāng)置于外磁場當(dāng)置于外磁場 中時，相對于外磁場，中時，相對于外磁場，有有（2I+1）種取向：種取向：0H 兩能級間的能量差與磁場強(qiáng)度兩能級間的能量差與磁場強(qiáng)度H0成正比成正比,也與核的磁旋比也與核的磁旋比有關(guān)：有關(guān)

13、： hHE20= 原子核的運(yùn)動狀態(tài)原子核的運(yùn)動狀態(tài)除了自旋外，還要附除了自旋外，還要附加一個以外磁場方向加一個以外磁場方向?yàn)檩S線的回旋。為軸線的回旋。 這種回旋運(yùn)動稱為這種回旋運(yùn)動稱為拉摩爾進(jìn)動拉摩爾進(jìn)動(Larmor precession)。 進(jìn)動時有一定的頻率，稱為拉摩爾頻進(jìn)動時有一定的頻率，稱為拉摩爾頻率。自旋核的角速度率。自旋核的角速度 ，進(jìn)動頻率，進(jìn)動頻率 與外加磁場強(qiáng)度與外加磁場強(qiáng)度H0的關(guān)系為：的關(guān)系為：000002H=式中式中是各種核的特征常數(shù)，稱為是各種核的特征常數(shù)，稱為磁旋磁旋比比，各種原子核有它的固定值。，各種原子核有它的固定值。能量高能量高能量低能量低IHE0=由于由于

14、 ，故，故 21=I02 HE= 在外磁場的作用下，自旋核能級發(fā)生在外磁場的作用下，自旋核能級發(fā)生裂分：裂分：（ 磁矩）磁矩）對于氫核，能級差：對于氫核，能級差： E= 2 H0 （ 磁矩）磁矩）產(chǎn)生共振需吸收的能量：產(chǎn)生共振需吸收的能量： E= 2 H0 = h 0(由拉摩爾進(jìn)動方程：由拉摩爾進(jìn)動方程： 0 = 2 0 = H0 ; 共振條件：共振條件： 0 = H0 / (2 ) )1. 核有自旋核有自旋(磁性核磁性核)2. 外磁場外磁場,能級裂分能級裂分 3. 電磁波的頻率電磁波的頻率必須等于核的進(jìn)必須等于核的進(jìn)動頻率動頻率 ：H200=討討 論論 (1) 對于同一種核對于同一種核 ，磁

15、旋比，磁旋比 為定值，為定值， H0改變，改變，射頻頻率射頻頻率 變；變； (2) 不同原子核，磁旋不同原子核，磁旋比比 不同，產(chǎn)生共振不同，產(chǎn)生共振的條件不同，需要的的條件不同，需要的磁場強(qiáng)度磁場強(qiáng)度H0和射頻頻和射頻頻率率 不同。不同。 不同磁場（不同磁場（T T）下）下的共振頻率的共振頻率 ( (MHz)MHz)NuclearI4.69711.74414.09218.7901H1/22005006008002H130.70176.75392.102122.80413C1/250.288 125.721150.864201.15415N1/220.26550.64460.79681.062

16、31P1/280.961 202.404242.884323.84623Na3/252.902 132.256158.706211.610不同原子核的不同原子核的共振頻率相差很大共振頻率相差很大 不同能級上分布的核數(shù)目可由不同能級上分布的核數(shù)目可由Boltzmann 定定律計(jì)算：律計(jì)算： kThkTEkTEENNjiji expexpexp999984. 02981038066. 11000.10010626. 6exp23634KKJssJ11jiNN提高外磁場強(qiáng)度提高外磁場強(qiáng)度和和降低工作溫度降低工作溫度可使低能態(tài)的核可使低能態(tài)的核數(shù)相應(yīng)增加，從而提高數(shù)相應(yīng)增加，從而提高NMR信號的靈敏度

17、。信號的靈敏度。 飽和飽和(saturated)高低能態(tài)核數(shù)相等，高低能態(tài)核數(shù)相等，不再有射頻吸收，共振信號完全消失的現(xiàn)象不再有射頻吸收，共振信號完全消失的現(xiàn)象弛豫弛豫(relaxtion)高高能態(tài)的核以非輻射的能態(tài)的核以非輻射的方式釋放能量回到低方式釋放能量回到低能態(tài)的過程。能態(tài)的過程。自旋晶格弛豫自旋晶格弛豫 自旋自旋弛豫自旋自旋弛豫 據(jù)據(jù)Heisenberg測不準(zhǔn)原理，激發(fā)能量測不準(zhǔn)原理，激發(fā)能量 E與體系處于與體系處于激發(fā)態(tài)的平均時間激發(fā)態(tài)的平均時間(壽命壽命)成反比，與譜線變寬成反比，與譜線變寬 成成正比，即：正比，即： 式中，式中，為譜線寬度，它與弛豫時間為譜線寬度，它與弛豫時間

18、t成反比?？沙煞幢取？梢?，弛豫決定于處于高能級核壽命。弛豫時間長，見，弛豫決定于處于高能級核壽命。弛豫時間長，核磁共振信號窄；反之，譜線寬。弛豫可分為核磁共振信號窄；反之，譜線寬。弛豫可分為縱向縱向弛豫（弛豫（自旋自旋-晶格弛豫）和晶格弛豫）和橫向弛豫（橫向弛豫（自旋自旋-自旋弛自旋弛豫）。豫）。 1，hEhE4hE 因因此此而而 一、化學(xué)位移的產(chǎn)生一、化學(xué)位移的產(chǎn)生 根據(jù)核磁共振的基本方程：根據(jù)核磁共振的基本方程：H200= 對于同種類的原子核，例如氫核，對于同種類的原子核，例如氫核，為為定值，若外磁場強(qiáng)度一定，例如定值，若外磁場強(qiáng)度一定，例如14100高高斯，則共振吸收頻率為斯，則共振吸收

19、頻率為60MHz。也就是說。也就是說試樣中的氫核有相同的共振吸收頻率，產(chǎn)試樣中的氫核有相同的共振吸收頻率，產(chǎn)生一個單一的峰。生一個單一的峰。 實(shí)際上，每個原子核都被不實(shí)際上，每個原子核都被不斷運(yùn)動著的電子云所包圍。當(dāng)斷運(yùn)動著的電子云所包圍。當(dāng)氫核處于磁場中時氫核處于磁場中時,在外加磁在外加磁場的作用下，電子的運(yùn)動產(chǎn)生場的作用下，電子的運(yùn)動產(chǎn)生感應(yīng)磁場，其方向感應(yīng)磁場，其方向與外加磁場與外加磁場相反相反，因而外圍電子云起到對，因而外圍電子云起到對抗磁場的作用，這種對抗磁場抗磁場的作用，這種對抗磁場的作用稱為的作用稱為屏蔽作用屏蔽作用。 由于核外電子云的屏蔽作用，使原子核由于核外電子云的屏蔽作用，

20、使原子核實(shí)際受到的磁場作用減小，為了使氫核發(fā)實(shí)際受到的磁場作用減小，為了使氫核發(fā)生共振，必須生共振，必須增加外磁場的強(qiáng)度增加外磁場的強(qiáng)度以抵消電以抵消電子云的屏蔽作用子云的屏蔽作用。 我們將由屏蔽作用所引起的共振時磁我們將由屏蔽作用所引起的共振時磁場強(qiáng)度的移動現(xiàn)象稱為場強(qiáng)度的移動現(xiàn)象稱為化學(xué)位移化學(xué)位移。a 是赤裸的核，共振時的磁場強(qiáng)度為是赤裸的核，共振時的磁場強(qiáng)度為H1；b 是屏蔽的核，共振時的磁場強(qiáng)度為是屏蔽的核，共振時的磁場強(qiáng)度為H2；H2H11H2Hab no shielded nucleishielded nucleiab核外電子對核的屏蔽作用以核外電子對核的屏蔽作用以屏蔽常數(shù)屏蔽常

21、數(shù)表示：表示：)(=HH10 屏蔽作用的大小與核外電子云密切有關(guān)，屏蔽作用的大小與核外電子云密切有關(guān)，電電子云密度越大，屏蔽作用也越大，共振時所需的子云密度越大，屏蔽作用也越大，共振時所需的外加磁場強(qiáng)度也越強(qiáng)外加磁場強(qiáng)度也越強(qiáng)。而電子云密度又和氫核所。而電子云密度又和氫核所處的化學(xué)環(huán)境有關(guān)，與相鄰的基團(tuán)是斥電子的還處的化學(xué)環(huán)境有關(guān)，與相鄰的基團(tuán)是斥電子的還是吸電子等因素有關(guān)。是吸電子等因素有關(guān)。 化學(xué)位移的大小用化學(xué)位移的大小用位移常數(shù)位移常數(shù)表示。表示。 由于不可能找到一個赤裸的原子核進(jìn)由于不可能找到一個赤裸的原子核進(jìn)行核磁共振測定，因此化學(xué)位移沒有一行核磁共振測定，因此化學(xué)位移沒有一個絕對

22、標(biāo)準(zhǔn)。個絕對標(biāo)準(zhǔn)。 一般用一般用四甲基硅烷四甲基硅烷(TMS)作內(nèi)標(biāo)，人作內(nèi)標(biāo)，人為地把它的位移常數(shù)為地把它的位移常數(shù)定為零定為零。用用TMS作標(biāo)準(zhǔn)的原因：作標(biāo)準(zhǔn)的原因：(1) TMS中的中的12個個氫核處于完全相同的化學(xué)氫核處于完全相同的化學(xué)環(huán)境中，因此只有環(huán)境中，因此只有一個尖峰一個尖峰；(2) 它們外圍的電子云密度和一般的有機(jī)物它們外圍的電子云密度和一般的有機(jī)物相比是最密的，因此這些氫核都是最強(qiáng)烈的相比是最密的，因此這些氫核都是最強(qiáng)烈的被屏蔽著，共振時需要的外加磁場強(qiáng)度最被屏蔽著，共振時需要的外加磁場強(qiáng)度最強(qiáng)，強(qiáng)，位移常數(shù)位移常數(shù)最大最大，不會和其它化合物重，不會和其它化合物重疊；疊；

23、(3) TMS是化學(xué)惰性；是化學(xué)惰性；(4) 易溶于有機(jī)溶劑，且沸點(diǎn)低易溶于有機(jī)溶劑，且沸點(diǎn)低(27)。 因?yàn)橐驗(yàn)門MS共振時的磁場強(qiáng)度共振時的磁場強(qiáng)度H最高，現(xiàn)在最高，現(xiàn)在人為的把它的位移常數(shù)定為零做標(biāo)準(zhǔn)，因而一人為的把它的位移常數(shù)定為零做標(biāo)準(zhǔn)，因而一般有機(jī)物中的氫核的位移常數(shù)般有機(jī)物中的氫核的位移常數(shù)都是負(fù)值，為都是負(fù)值，為了方便起見，負(fù)號都不加。了方便起見，負(fù)號都不加。 凡是凡是值較大值較大的氫核，稱為的氫核，稱為低場低場，位于，位于圖譜的圖譜的左邊；左邊；氫核周圍電子云密度越高，氫核周圍電子云密度越高，屏蔽作用就越大屏蔽作用就越大，該質(zhì)子信號就要在越高，該質(zhì)子信號就要在越高的磁場下獲得

24、。的磁場下獲得。值較小值較小，為，為高場高場，位于，位于圖譜的圖譜的右面右面，TMS峰位于圖譜的最右面。峰位于圖譜的最右面。 位移常數(shù)位移常數(shù)一般用相對值來表示，因一般用相對值來表示，因?yàn)闅浜说臑闅浜说闹档臄?shù)量級一般為百萬分之值的數(shù)量級一般為百萬分之幾到十幾，常用幾到十幾，常用ppm表示：表示：ppmppmHHHTMSTMSTMSTMS661010=試樣試樣試樣試樣 左左 右右屏蔽作用：屏蔽作用： 小小 大大固定射頻：固定射頻： 低場低場 高高 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0 ppm CH2CH3低分辨低分辨高分辨高分辨J自旋偶合：兩個自旋偶合：兩個鄰近鄰近的、的、成鍵成鍵的的自旋對間具