核磁共振簡介20141119

核磁共振簡介王雨松2014年11月19日核磁共振是磁矩不為零的原子核，在外磁場作用下自旋能級發(fā)生塞曼分裂，共振吸收某一定頻率的射頻輻射的物理過程。什么是核磁共振？孤立原子核，在同樣強度的外磁場中，只對某一特定頻率的射頻場敏感。分子結(jié)構(gòu)中不同位置的原子核，所感受到的外加磁場的強度各不相同，從而對不同頻率的射頻場敏感，導(dǎo)致核磁共振信號的差異。核磁共振研究領(lǐng)域液體核磁共振：有機小分子、高分子、生物大分子固體核磁共振：高分子、無機材料、生物大分子磁共振成像：醫(yī)學(xué)（人體、小動物）核磁共振譜儀溫控單元自動進樣器前置放大器超導(dǎo)磁體機柜探頭液體核磁1）核磁管（干凈、完好）2）氘代試劑（適合的）3）溶液濃度1H譜：5~10毫克（稀溶液可提高分辨率）13C譜：20~30毫克（濃溶液可提高靈敏度）NMR樣品的準備√××溶劑太少溶劑太多0.5ml溶劑4cm高液體核磁—1H譜化學(xué)位移耦合積分面積1H譜的特點：靈敏度最高（測試時間短，幾分鐘）定量關(guān)系好（同一分子中不同種類氫的比例、混合物中各組分的比例

聚合物的數(shù)均分子量、共聚比例等）復(fù)雜化合物譜峰重疊嚴重液體核磁—13C譜13C譜的特點：靈敏度低（測試時間長，1小時~幾十小時）通常的13C譜圖，譜峰面積沒有定量關(guān)系化學(xué)位移數(shù)值變化范圍較寬，且譜線較窄，很少重疊碳的級數(shù)容易測定對于化合物的立體結(jié)構(gòu)敏感液體核磁—DEPT13C譜通過三張13C譜，區(qū)分化合物中伯、仲、叔、季四種碳液體核磁—COSY譜相鄰碳上的氫原子之間有相關(guān)峰同核相關(guān)液體核磁—HSQC譜化學(xué)鍵直接相連的碳原子和氫原子有相關(guān)峰異核相關(guān)（近程）液體核磁—HMBC譜相隔兩根或三根化學(xué)鍵的碳原子和氫原子有相關(guān)峰主要用于確定季碳的位置異核相關(guān)（遠程）一維多核實驗技術(shù)11B19F23Na29Si31P195Pt1Dsel-NOE***選擇性照射溶劑峰抑制水峰未抑制水峰抑制由于計算機動態(tài)范圍的限制，溶劑峰被抑制后，微弱的信號才可見。擴散實驗DOSY反復(fù)優(yōu)化參數(shù)（Δ、δ）擴散序譜是一種利用脈沖梯度場核磁共振對溶液中具有不同擴散系數(shù)(D)的成分進行虛擬分離的一種核磁共振技術(shù)。例：不同分子大小的三種物質(zhì)（咖啡因、乙二醇、水）的混合物，因其擴散系數(shù)不同，得到了虛擬分離?！坦腆w核磁樣品不溶解樣品溶解，但是結(jié)構(gòu)改變研究從液體到固體的結(jié)構(gòu)變化固相反應(yīng)等研究領(lǐng)域：無機材料：分子篩、玻璃、陶瓷等；有機固體：高分子、膜蛋白等樣品要求：干燥、不導(dǎo)電、無磁性的固體粉末高速旋轉(zhuǎn)時，體積不膨脹、不爆炸。為什么要固體核磁？液體NMR與固體NMR的區(qū)別（1）譜線：固體譜線寬、分辨率低液體譜線窄、分辨率高原因：液體分子的快速運動把使譜線增寬的各種內(nèi)部相互作用平均為零。（2）硬件：

a.Highpower(1000W)shortpulsewidth(激發(fā)譜寬大）

lowpower(100W)largepulsewidth(激發(fā)譜寬?。?/p>

b.魔角旋轉(zhuǎn)（MAS）探頭（3）差別在減小

HR-MASprobe、Nano-probe

介于固體與液體之間（凝膠、生物組織等）樣品液體NMR的實驗方法用于固體NMR儀器介紹7mm4mm2.5mm400MHz寬腔固體核磁共振定子400km/hr

600km/hr800km/hr線速度

選擇適合的蓋子選擇適當(dāng)直徑的轉(zhuǎn)子探頭與樣品管蓋子探頭類型最高轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)子容量適用核蓋子材料適用溫度2.5mmH/F/X35kHz12μl1H、19F、13C……Vespel-30...+80°C4mmH/X/Y15kHz75μl13C、27Al、31P、23Na、11B、7li、15N……Kel-FVespelZirconia，Boronnitrid-10°C...+50°C-30...+80°C-140°C...+300°C-140°C...+300°C7mmH/X7kHz250μl13C、29Si、15N……Kel-FZirconia，Macor

Boronnitrid-10°C...+50°C-140°C...+300°C-140°C...+300°C固體NMR的發(fā)展過程四、五十年代：寬線NMR1958年:R.Andrew,I.Lowe,魔角旋轉(zhuǎn)（magicanglespinning,MAS)

消除同核偶極相互作用、化學(xué)位移各向異性1968年：J.Waughetal.,多脈沖（multiplepulse,WAHUHA四脈沖）消除同核偶極相互作用（同核去偶）1972年，A.Pinesetal.,交叉極化(crosspolarization,CP)

通過極化轉(zhuǎn)移，增強稀核的靈敏度1988年，A.Pines,Llor,雙旋轉(zhuǎn)（DOR）、動角旋轉(zhuǎn)（DAS）消除半整數(shù)四極核中心躍遷的二階四極作用1989年,A.Schaffer,T.Gullion,旋轉(zhuǎn)回波雙共振

(REDOR)

測量異核間距離(空間聯(lián)系)1994年,H.W.Spiess雙量子魔角旋轉(zhuǎn)(DQ-MAS)

測量同核間距離(空間聯(lián)系)1995年，L.Frydman多量子魔角旋轉(zhuǎn)（MQ-MAS）消除半整數(shù)四極核中心躍遷的二階四極作用魔角旋轉(zhuǎn)（MAS）魔角旋轉(zhuǎn)(Magicanglespinning,MAS)使得不同取向的晶位表現(xiàn)出相同的平均取向，從而平均掉偶極哈密頓各向異性的空間部分。固體中的相互作用H=HZ+HRF+HD+Hcs+HQ+HjHz

核磁矩與外磁場的相互作用(106-109Hz)HRF

核自旋與射頻場的相互作用

HD

偶極-偶極相互作用(0-105Hz)Hcs

化學(xué)位移各向異性相互作用(0-104Hz)HQ

四極相互作用(0-109Hz)譜線增寬魔角旋轉(zhuǎn)（MAS）19F譜靜態(tài)，單脈沖轉(zhuǎn)速=10kHz，單脈沖轉(zhuǎn)速=20kHz，單脈沖轉(zhuǎn)速=30kHz，單脈沖聚偏氟乙烯（PVDF）******為旋轉(zhuǎn)邊帶交叉極化與魔角旋轉(zhuǎn)

（CP/MAS)交叉極化的脈沖序列Hartman-Hahn匹配條件靜止：I·B1I=S·B1S，即1I=1S

魔角旋轉(zhuǎn)：1S

=

1I±nrn=0,1,2…ISCP+MASMAS交叉極化使得信號強度明顯增加困難：1.13C、15N等核天然豐度低；

2.T1一般比較長；

3.同位素富集較昂貴。13C交叉極化與魔角旋轉(zhuǎn)

（CP/MAS)甘氨酸在不同轉(zhuǎn)速時的CP/MAS13C譜****靜態(tài)1kHz5kHz15kHz8kHz12kHz5kHz13C13C************交叉極化與魔角旋轉(zhuǎn)

（CP/MAS)Non-QuaternarySuppression(NQS)非季碳抑制（譜圖僅顯示季碳信號）TotalSidebandSuppression

(TOSS)全邊帶抑制（在低轉(zhuǎn)速下，譜圖幾乎看不到旋轉(zhuǎn)邊帶）CrossPolarization/MagicAngleSpinning(CP/MAS)甘氨酸，轉(zhuǎn)速=5kHz13C******CRAMPS(1D&2D)CombinedRotationAndMultiplePulseNMRSpectroscopy(CRAMPS)1H1H轉(zhuǎn)速=12kHz，Dumbo轉(zhuǎn)速=12kHz，單脈沖轉(zhuǎn)速=34kHz，單脈沖1H一維氫譜二維氫譜13C-1H相關(guān)譜HETCOR13C1H樣品：13Clabelledtyrosine400MHz，4mm探頭，約70min93156248

713C-13C相關(guān)譜RFDR13CMixtime=1.2msMixtime=8ms13CRadioFrequency-DrivenRecoupling(RFDR)400MHz，2.5mm探頭，約70min13C931,562,487樣品：13Clabelledtyrosine931,562,487931,562,487(C7/C9)(C1、5/C7)(C1、5/C3)19F-19F相關(guān)譜RFDR19F19F樣品：PVDFRadioFrequency-DrivenRecoupling(RFDR)400MHz，2.5mm探頭，約70min外磁場強度對中心躍遷

二階四極作用的影響Experimentalandmodeledcentraltransition27AlMASspectrumofthealuminoborate(A9B2)compoundacquiredat17.6T.27AlMASspectraofA9B2compoundfrom14to40T.引自Z.H.Ganetal.JACS,2002,563427AlMAS17.6T/750MHz27AlMAS17.6T/750MHzRbNO3的87Rb3QMAS譜圖多量子魔角旋轉(zhuǎn)

(MQMAS)F1維是各向同性高分辨的，消除了二階四級線型400MHz，4mm探頭，約60min晶型差異400MHzspectrometer,spinningspeed15kHz,

measurementtime40min13CCP/MASspectraofcortisoneacetate（醋酸可的松）DCBA引自bruker的ppt靜態(tài)變角（單晶）探頭360°330°300°270°240°210°180°150°120°90°60°30°0°（H2N)2C-NH-CH2-CH2-CH2-CH(COOH)NH3+·H2PO4-31P譜溫馨提示一、安全因強磁場存在，裝有心臟起搏器、假肢人員禁止進入核磁共振實驗室；磁卡、手表、可磁化物體（扳手、鋼瓶）等不要靠近超導(dǎo)磁體；二、溶劑做液體核磁時，必須使用氘代試劑，0.5毫升；采集的信號為溶解在溶劑中的部分；因溶劑效應(yīng)，在不同的溶劑中，譜圖可能有變化；重水交換實驗可用于確定活潑氫信號；三、核磁管不得使用破損的核磁管，以免損壞探頭；核磁管中盡量不要有懸浮物，會影響勻場，降低譜圖分辨率；核磁管的清洗要注意是否有溶劑殘留，烘干不要溫度太高，避免核磁管彎曲；光敏感的樣品可用錫箔紙包裹核磁管，測試過程也會注意避光；空氣、水敏感的樣品，可將核磁管抽真空后，封管；四、變溫變溫實驗要注意溶劑的沸點、凝固點是否合適；變溫實驗時，樣品可能會發(fā)生構(gòu)型翻轉(zhuǎn)，導(dǎo)致峰型變化；變溫實驗風(fēng)險較大，要在有人值守時進行；核磁數(shù)據(jù)？譜圖以一維氫譜為例：1.軟件下載：

ftp://10

用戶名：mnova，密碼：mnova

核磁共振譜圖處理軟件MestReNova

正版軟件，校內(nèi)聯(lián)網(wǎng)電腦均可激活

2.核磁數(shù)據(jù)下載（理化中心）

10用戶名：導(dǎo)師姓名的全拼，密碼：樣品測試完成后，數(shù)據(jù)會上傳服務(wù)器，請自行下載數(shù)據(jù)，并及時取回核磁管。

請下載整個文件夾！1D譜圖譜圖打開1Dfid文件/2Dser文件1D譜圖處理Fid信號+窗函數(shù)手動調(diào)相位先調(diào)0級相位再調(diào)1級相位1D譜圖處理手動校正基線標化學(xué)位移1D譜圖處理手動積分譜圖縮放指定橫坐標的兩端局部放大