核磁共振基本原理

第六章

核磁共振波譜分析法第一節(jié)

核磁共振基本原理nuclearmagneticresonancespectroscopy;NMRprinciplesofnuclearmagneticresonance

2023/2/3核磁共振波譜學(xué)的發(fā)展

1946年，Purcell和Bloch觀察到核磁共振現(xiàn)象。于1952年獲得諾貝爾物理獎(jiǎng)2023/2/31945-1951年間，化學(xué)位移和自旋偶合的發(fā)現(xiàn)，NMR技術(shù)的化學(xué)應(yīng)用。1953年世界上第一臺(tái)商品化NMR譜儀.1964年世界上第一臺(tái)超導(dǎo)磁場(chǎng)的NMR譜儀1971年世界上第一臺(tái)脈沖傅立葉變換NMR譜儀2023/2/31976年R.R.Ernst發(fā)表了二維核磁共振的理論和實(shí)驗(yàn)的文章。獲得1991年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)2023/2/31．原子核的自旋:atomicnuclearspin

一.基本原理如果放在外磁場(chǎng)中,原子核和電子一樣,存在自旋.從而有自旋角動(dòng)量(ρ)和磁矩μ2023/2/3核的自旋角動(dòng)量(ρ)是量子化的，不能任意取值，可用自旋量子數(shù)(I)來(lái)描述。I＝0、1/2、1……

h:普朗克常數(shù)

I=0，

ρ=0，無(wú)自旋，不能產(chǎn)生自旋角動(dòng)量，不會(huì)產(chǎn)生共振信號(hào)。

只有當(dāng)I

＞O時(shí)，才能發(fā)生共振吸收,產(chǎn)生共振信號(hào)。

I的取值可用下面關(guān)系判斷：

2023/2/32023/2/32.自旋核在外加磁場(chǎng)中的取向(旋轉(zhuǎn)方向)

取向數(shù)

=2I+1

在沒有外磁場(chǎng)時(shí)，自旋核的取向是任意的,并且自旋產(chǎn)生的磁場(chǎng)方向也是任意的.

如果把H核放在外磁場(chǎng)中,由于磁場(chǎng)間的相互作用,氫核的磁場(chǎng)方向會(huì)發(fā)生變化:如:H的I=1/2,則:2023/2/3每一種取向都對(duì)映一個(gè)能級(jí)狀態(tài)，有一個(gè)ms

。如：1H核：標(biāo)記ms為－1/2和+1/22023/2/3H0m=1/2m=-1/2m=1m=-1m=0m=2m=1m=0m=-1m=-2I=1/2I=1I=2zzz1Prm=1/2

m=-1/2H0HE2=+mβH0△E=E2－E1=2mβH0E1=－mβH0自旋核在磁場(chǎng)中的行為2023/2/3能級(jí)分布與弛豫過(guò)程不同能級(jí)上分布的核數(shù)目可由Boltzmann定律計(jì)算：磁場(chǎng)強(qiáng)度2.3488T；25C；1H的共振頻率與分配比：兩能級(jí)上核數(shù)目差：1.610-5；弛豫(relaxtion)——高能態(tài)的核以非輻射的方式回到低能態(tài)。飽和(saturated)——低能態(tài)的核等于高能態(tài)的核。2023/2/3討論:共振條件：0=

H0/(2)（1）對(duì)于同一種核，磁旋比

為定值，H0變，射頻頻率變。（2）不同原子核，磁旋比不同，產(chǎn)生共振的條件不同，需要的磁場(chǎng)強(qiáng)度H0和射頻頻率不同。（3）固定H0，改變（掃頻），不同原子核在不同頻率處發(fā)生共振（圖）。也可固定，改變H0（掃場(chǎng)）。掃場(chǎng)方式應(yīng)用較多。氫核（1H）：1.409T共振頻率60MHz2.305T共振頻率100MHz磁場(chǎng)強(qiáng)度H0的單位：1高斯（GS）=10-4T（特拉斯）2023/2/3氫核（1H）：14092G共振頻率60MHz2.305T共振頻率100MHz磁場(chǎng)強(qiáng)度H0的單位：1高斯（GS）=10-4T（特拉斯）2023/2/3討論:在1950年，Proctor等人研究發(fā)現(xiàn)：質(zhì)子的共振頻率與其結(jié)構(gòu)（化學(xué)環(huán)境）有關(guān)。在高分辨率下，吸收峰產(chǎn)生化學(xué)位移和裂分，如右圖所示。由有機(jī)化合物的核磁共振圖，可獲得質(zhì)子所處化學(xué)環(huán)境的信息，進(jìn)一步確定化合物結(jié)構(gòu)。2023/2/3四、核磁共振波譜儀

nuclearmagneticresonancespectrometer1．永久磁鐵：提供外磁場(chǎng)，要求穩(wěn)定性好，均勻，不均勻性小于六千萬(wàn)分之一。掃場(chǎng)線圈。2．射頻振蕩器：線圈垂直于外磁場(chǎng)，發(fā)射一定頻率的電磁輻射信號(hào)。60MHz或100MHz。2023/2/3核磁共振波譜儀2023/2/32023/2/32023/2/33．射頻信號(hào)接受器（檢測(cè)器）：當(dāng)質(zhì)子的進(jìn)動(dòng)頻率與輻射頻率相匹配時(shí)，發(fā)生能級(jí)躍遷，吸收能量，在感應(yīng)線圈中產(chǎn)生毫伏級(jí)信號(hào)。4．樣品管：外徑5mm的玻璃管,測(cè)量過(guò)程中旋轉(zhuǎn),磁場(chǎng)作用均勻。2023/2/3NMR譜儀600MHz磁體探頭機(jī)柜RF產(chǎn)生RF放大信號(hào)檢測(cè)數(shù)據(jù)采集控制數(shù)據(jù)信息交流運(yùn)行控制磁體控制前置放大器計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)儲(chǔ)存;數(shù)據(jù)處理;總體控制.2023/2/3NMR譜儀:探頭RF接口RF線圈+調(diào)諧元件(電容器)HelmholtzSolenoid2023/2/3RF-CoilinNMRProbes2023/2/3傅立葉變換核磁共振波譜儀不是通過(guò)掃場(chǎng)或掃頻產(chǎn)生共振；恒定磁場(chǎng)，施加全頻脈沖，產(chǎn)生共振，采集產(chǎn)生的感應(yīng)電流信號(hào)，經(jīng)過(guò)傅立葉變換獲得一般核磁共振譜圖。（類似于一臺(tái)多道儀）2023/2/32023/2/3超導(dǎo)核磁共振波譜儀：

永久磁鐵和電磁鐵：

磁場(chǎng)強(qiáng)度<25kG超導(dǎo)磁體：鈮鈦或鈮錫合金等超導(dǎo)材料制備的超導(dǎo)線圈；在低溫4K，處于超導(dǎo)狀態(tài)；磁場(chǎng)強(qiáng)度>100kG開始時(shí)，大電流一次性勵(lì)磁后，閉合線圈，產(chǎn)生穩(wěn)定的磁場(chǎng)，長(zhǎng)年保持不變；溫度升高，“失超”；重新勵(lì)磁。超導(dǎo)核磁共振波譜儀：

200-400HMz；可高達(dá)600-700HMz；2023/2/32023/2/390年代末核磁共振波譜技術(shù)的新進(jìn)展高場(chǎng)超導(dǎo)核磁譜儀的使用900MHz

800MHz2023/2/3樣品的制備：試樣濃度：5-10%；需要純樣品15-30mg；傅立葉變換核磁共振波譜儀需要純樣品1mg；標(biāo)樣濃度（四甲基硅烷TMS）：1%；溶劑：1H譜四氯化碳，二硫化碳；氘代溶劑：氯仿，丙酮、苯、二甲基亞砜的氘代物；2023/2/3NMR圖2023/2/31.化學(xué)位移:

吸收峰所在的相對(duì)不同位置.

在照射頻率確定時(shí)，都是H核，所以吸收峰的位置應(yīng)該是相同的,而實(shí)際不是這樣.(1).化學(xué)位移的由來(lái)——屏蔽效應(yīng)化學(xué)位移是由核外電子的屏蔽效應(yīng)引起的。

2023/2/3

H核在分子中是被價(jià)電子所包圍的。因此，在外加磁場(chǎng)的同時(shí)，還有核外電子繞核旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生感應(yīng)磁場(chǎng)H’。如果感應(yīng)磁場(chǎng)與外加磁場(chǎng)方向相反，則H核的實(shí)際感受到的磁場(chǎng)強(qiáng)度為：

式中：σ為屏蔽常數(shù)

核外電子對(duì)H核產(chǎn)生的這種作用，稱為屏蔽效應(yīng)(如果產(chǎn)生磁場(chǎng)與外加磁場(chǎng)同向,稱之為去屏蔽效應(yīng))。

2023/2/3顯然，核外電子云密度越大，屏蔽效應(yīng)越強(qiáng)，要發(fā)生共振吸收就勢(shì)必增加外加磁場(chǎng)強(qiáng)度，共振信號(hào)將移向高場(chǎng)區(qū)；，共振信號(hào)將移向低場(chǎng)區(qū)。2023/2/3(2).

化學(xué)位移的表示方法

化學(xué)位移的差別約為百萬(wàn)分之十，精確測(cè)量十分困難，現(xiàn)采用相對(duì)數(shù)值。以四甲基硅（TMS）為標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)，規(guī)定：它的化學(xué)位移為零，然后，根據(jù)其它吸收峰與零點(diǎn)的相對(duì)距離來(lái)確定它們的化學(xué)位移值。儀器頻率2023/2/3為什么選用TMS(四甲基硅烷)作為標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)?

(1)屏蔽效應(yīng)強(qiáng)，共振信號(hào)在高場(chǎng)區(qū)(δ值規(guī)定為

0)，絕大多數(shù)吸收峰均出現(xiàn)在它的左邊。

(2)結(jié)構(gòu)對(duì)稱，是一個(gè)單峰。

(3)容易回收(b.p低)，與樣品不反應(yīng)、不締合。

2023/2/3(3).影響化學(xué)位移(電子云密度)的因素:a.電負(fù)性:元素的電負(fù)性↑，通過(guò)誘導(dǎo)效應(yīng)，使H核的核外電子云密度↓，屏蔽效應(yīng)↓，共振信號(hào)→低場(chǎng)。例如：

CHaHb高

場(chǎng)低

場(chǎng)屏蔽效應(yīng)：HaHbO2023/2/3b磁各向異性效應(yīng)：

A.雙鍵碳上的質(zhì)子

雙鍵碳上的質(zhì)子位于π鍵環(huán)流電子產(chǎn)生的感生磁場(chǎng)與外加磁場(chǎng)方向一致的區(qū)域（稱為去屏蔽區(qū)），去屏蔽效應(yīng)的結(jié)果，使雙鍵碳上的質(zhì)子的共振信號(hào)移向稍低的磁場(chǎng)區(qū)

δ=9.4～10

δ=4.5～5.7

2023/2/3c.共軛效應(yīng):電子云密度增加→磁屏蔽增加d.Vanderwaals效應(yīng):在空間中兩個(gè)氫核靠的很近時(shí),核外電子會(huì)互相排斥,這時(shí)氫核電子密度下降,δ值變大.2023/2/3第六節(jié)核磁共振碳譜(13C)簡(jiǎn)介有機(jī)化合物中C元素的重要性；核磁共振碳譜與氫譜的差別信號(hào)強(qiáng)度低：13C豐度為1.1％；磁旋比比1H小四倍；為1H譜圖的1/6000?；瘜W(xué)位移范圍寬δ0～250(350)，有利于結(jié)構(gòu)分析。耦合常數(shù)大13C與直接相連的1H的耦合常數(shù)在125～250Hz；一般通過(guò)質(zhì)子噪聲去耦，得到單峰。2023/2/3弛豫時(shí)間長(zhǎng)比1H慢；可得到較多信息；不能用于定量共振方法多、信息多質(zhì)子噪聲去耦、偏共振去耦、門控去耦。譜圖簡(jiǎn)單一般為一級(jí)譜圖。2023/2/32023/2/32023/2/3第七節(jié)二維核磁共振譜二維譜是兩個(gè)獨(dú)立頻率變量的信號(hào)函數(shù)S(ω1,ω2);目前，主要是先得到以獨(dú)立時(shí)間為變量的信號(hào)函數(shù)S(t1,t2)，再經(jīng)過(guò)傅立葉轉(zhuǎn)換成為兩個(gè)獨(dú)立頻率變量的信號(hào)函數(shù)。2023/2/3二維譜圖的表示方法2023/2/3二維譜圖舉例12023/2/3譜圖舉例22023/2/3生物大分子空間結(jié)構(gòu)的測(cè)定方法X射線晶體學(xué)多維核磁共振波譜學(xué)2023/2/3

2023/2/3核磁共振的特點(diǎn)蛋白質(zhì)處于溶液狀態(tài)適合研究蛋白質(zhì)-蛋白質(zhì)，蛋白質(zhì)-核酸，蛋白質(zhì)-配基相互作用可研究蛋白質(zhì)分子內(nèi)部運(yùn)動(dòng)可研究膜蛋白核磁共振基本原理11講吳季輝2023/2/3NMRstructureoftherecombinantmurineprionprotein核磁共振基本原理11講吳季輝2023/2/3核磁技術(shù)和應(yīng)用范圍2023/2/3蛋白質(zhì)三維空間結(jié)構(gòu)測(cè)定樣品制備記錄核磁共振譜譜峰歸屬確定二級(jí)結(jié)構(gòu)單元約束條件的建立從NMR數(shù)據(jù)到分子模型核磁共振基本原理11講吳季輝2023/2/3藥物設(shè)計(jì)和篩選2023/2/32023/2/3hr-MASofbiologicaltissue相同強(qiáng)度LipidCH2-COLipidCH2-C=CLipidCH2-CH2-COLipidCH2LipidCH3CitrateLactateAlanine放大＊１０人前列腺組織（prostatetissu）良性