有機(jī)合成核磁共振解析教程

有機(jī)合成核磁共振解析教程第1頁/共152頁2023年4月14日2核磁共振:簡介核磁共振或簡稱NMR是一種用來研究物質(zhì)的分子結(jié)構(gòu)及物理特性的光譜學(xué)方法.它是眾多光譜分析法中的一員.其它的分析方法: 電子自旋共振(ESR/EPR)

紅外光譜學(xué)(IR)

質(zhì)譜學(xué)(MS)

色譜學(xué)(LC/GC/HPLC) X-ray(SCD/XRF/XRD)核磁共振成像或稱MRI

已經(jīng)頻繁的使用在醫(yī)院的疾病的診斷中.第2頁/共152頁2023年4月14日3核磁共振:簡介雖然一小部分核磁共振儀器在工業(yè)上被用來做質(zhì)量控制,但核磁共振儀器現(xiàn)大部分仍局限在實驗室使用.應(yīng)用范圍: 結(jié)構(gòu)確定StructureDetermination

化學(xué)鑒定ChemicalIdentification

聚合物特性測定PolymerCharacterization

藥品開發(fā)DrugDevelopment

催化研究Catalysis用戶: 化學(xué)公司ChemicalCompanies

藥劑化學(xué)PharmaceuticalCompanies

石油化工PetrochemicalIndustry

高分子材料PolymerIndustry

大學(xué)Universities

醫(yī)院Hospitals第3頁/共152頁2023年4月14日4核磁共振:簡介核磁共振研究的材料稱為樣品.樣品可以處于液態(tài),固態(tài).眾所周知,宏觀物質(zhì)是由大量的微觀原子或由大量原子構(gòu)成的分子組成,原子又是由質(zhì)子與中子構(gòu)成的原子核及核外電子組成.核磁共振研究的對象是原子核.一滴水大約由1022分子組成.HCHHmmm(10-6m)nm(10-9m)A(10-10m)第4頁/共152頁2023年4月14日5核磁共振:簡介具有非零自旋量子數(shù)的原子核具有自旋角動量,因而也就具有磁矩,例如象1H,31P,13C,15N

等原子核.磁矩是一矢量.如果含有此類核的物質(zhì)置放于磁場中,原來無規(guī)則的磁矩矢量會重新排列而平行于外加的磁場.與外磁場同向和反向的磁矢量符合Boltzmann分布.在數(shù)量上同向與反向的差別很小,但正是這一微小的差別造就了核磁共振光譜學(xué).B0M單位體積內(nèi)原子核磁矩的矢量和定義為宏觀磁化強(qiáng)度矢量M

(macroscopicmagnetization.其方向與外磁場方向相同第5頁/共152頁2023年4月14日6在磁場中,原來簡并的能級分裂成不同的能級狀態(tài).如果用適當(dāng)頻率的電磁輻射照射就可觀察到核自旋能級的躍遷.原子核能級的變化不僅取決于外部磁場強(qiáng)度的大小及不同種類的原子核,而且取決于原子核外部電子環(huán)境.這樣我們就可獲得原子核外電子環(huán)境的信息.宏觀上講,當(dāng)用適當(dāng)頻率的電磁輻射(RF)照射樣品,宏觀磁化強(qiáng)度矢量從Z-軸轉(zhuǎn)到X或Y軸上.通過接受器,傅立葉轉(zhuǎn)換就得到核磁共振譜圖.核磁共振:簡介B0MB0MRF脈沖接收器ReceiverFTS(t)S(w)第6頁/共152頁2023年4月14日7核磁共振:簡介樣品:

非磁性及非導(dǎo)電靈敏度:

樣品需含?1015

原子核

溶液固體Solids600MHz成像NMR第7頁/共152頁2023年4月14日8核磁共振:簡介Larmor頻率化學(xué)位移自旋-自旋偶合e.g.B0=11.7T, w(1H)=500MHz

w(13C)=125MHz化學(xué)位移~B0

?kHz自旋-自旋偶合?Hz-kHz第8頁/共152頁2023年4月14日9核磁共振:簡介Information:Larmor頻率 原子核化學(xué)位移: 結(jié)構(gòu)測定(功能團(tuán))J-偶合:

結(jié)構(gòu)測定(原子的相關(guān)性)偶極偶合: 結(jié)構(gòu)測定(空間位置關(guān)系)弛豫:

動力學(xué)

1H13CCH3>C=CH-HHCCCHHHHDJHHHCJCHC>C=C<CH3第9頁/共152頁2023年4月14日10核磁共振:簡介分辨率可通過提高外磁場強(qiáng)度和增加譜圖的維數(shù)而提高.nDNMR(n=2,3,4)1D譜2D(輪廓圖)第10頁/共152頁2023年4月14日11NMR譜儀FMAudio反饋600譜儀第11頁/共152頁2023年4月14日12NMR譜儀600MHz磁體探頭機(jī)柜RF產(chǎn)生RF放大信號檢測數(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算機(jī)數(shù)據(jù)儲存;數(shù)據(jù)處理;總體控制.第12頁/共152頁2023年4月14日13NMR譜儀:機(jī)柜AQX(Digital)CCUTCUFCURCUVTunitBSMSshimlockCCUAQRASURouterACBADCRX22AmplifierAmplifierPTS第13頁/共152頁2023年4月14日14NMR譜儀:探頭RF接口RF線圈+調(diào)諧元件(電容器)HelmholtzSolenoid第14頁/共152頁2023年4月14日15RF-CoilinNMRProbes第15頁/共152頁2023年4月14日16NMR譜儀:術(shù)語和簡寫AVANCE系統(tǒng):FCU: 頻率控制單元FrequencyControlUnitASU: 頻輻設(shè)置單元AmplitudeSettingUnitTCU: 時間控制單元TimingControlUnitCCU: 協(xié)調(diào)控制單元CommunicationControlUnitRCU: 接收控制單元ReceiverControlUnitBSMS: 布魯可智能磁體控制系統(tǒng)BrukerSmartMagnetSystemLOT: 發(fā)射/調(diào)諧開關(guān)LocalOscillatorandTuneBoardACB: 功放控制板AmplifierControlBoardRX22: 接收器ReceiverADC: 數(shù)字/摸擬轉(zhuǎn)換器AnalogtoDigitalConverterHPPR: 前置放大器Pre-amplifierLCB: 鎖場控制板LockControlBoardPTS: 頻率合成器brandofsynthesizerusedXwinNMR: 運(yùn)行軟件OperatingSoftwareLINUX/WINDOWS: 計算機(jī)操作系統(tǒng)SGIOperatingSoftwarePulseProgram: 脈沖程序OperatorInstructionsforexperiment第16頁/共152頁2023年4月14日17NMR譜儀:術(shù)語和簡寫AV系統(tǒng):FCU: 頻率控制單元FrequencyControlUnitSGU: 信號產(chǎn)生單元AmplitudeSettingUnitTCU: 時間控制單元TimingControlUnitCCU: 協(xié)調(diào)控制單元CommunicationControlUnitRCU: 接收控制單元ReceiverControlUnitBSMS: 布魯可智能磁體控制系統(tǒng)BrukerSmartMagnetSystemACB: 功放控制板AmplifierControlBoardRX22: 接收器ReceiverADC: 數(shù)字/摸擬轉(zhuǎn)換器AnalogtoDigitalConverterHPPR: 前置放大器Pre-amplifierLCB: 鎖場控制板LockControlBoardXwinNMR: 運(yùn)行軟件OperatingSoftwareLINUX/WINDOWS: 計算機(jī)操作系統(tǒng)SGIOperatingSoftwarePulseProgram: 脈沖程序OperatorInstructionsforexperiment第17頁/共152頁2023年4月14日182.NMR檢測A:磁化強(qiáng)度矢量,Larmor頻率B:RF脈沖,脈沖功率,探頭,電擊放電C:磁化強(qiáng)度矢量進(jìn)動,旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系,接收器,前置放大器D:接收器增益值,弛預(yù)時間(T1,T2)E:傅立葉轉(zhuǎn)換,正交檢測,頻率掃描寬度,折反峰folding

B0MB0MRFpulseReceiverFTS(t)S(w)AECBD第18頁/共152頁2023年4月14日19B0yxz2.a:宏觀磁化強(qiáng)度矢量600MHzB0yxzM 具有非零自旋量子數(shù)的原子核具有自旋角動量,因而也就具有磁矩.在磁場 中,原來無規(guī)則的磁矩矢量會重新排列而平行于外加的磁場.與外磁場同向和反向的磁矩矢量符合Boltzmann分布.磁矩矢量沿磁場方向的進(jìn)動使XY平面上的投影相互抵消.由于沿磁場方向能量較低,故原子分布較多一些而造成一個沿Z-軸的非零合磁矩矢量.雖然在理論上經(jīng)常討論單一原子的情形,但在實際上,單一原子的核磁信號非常小而無法觀測.故此我們定義單位體積內(nèi)原子核磁矩的矢量和為宏觀磁化強(qiáng)度矢量其方向與外磁場方向相同.以此矢量來描述宏觀樣品的核磁特性.第19頁/共152頁2023年4月14日202.a:Larmor頻率核磁矩沿外磁場方向進(jìn)動的頻率稱為Larmor頻率w或共振頻率.此頻率的大小取決于原子核的種類及外磁場的大小.g

是磁旋比.它是原子核本身的屬性并只能通過實驗獲取.在案BRUKER儀器上,原子核的頻率是通過參數(shù)BFn(MHz)設(shè)置.如BF1代表第一通道.更精細(xì)的頻率調(diào)節(jié)可用參數(shù)On來完成.On叫頻率偏差頻率或偏置頻,所以總頻率為SFOn:SFO1=BF1+O1第20頁/共152頁2023年4月14日212.b:RF脈沖核磁信號只能在核磁化矢量位于XY平面時才能被檢測到.使用與原子核Larmor頻率相同無線電射頻即可將M從Z-軸轉(zhuǎn)向X-或Y-軸.MMrf+M當(dāng)觀測信號時,RF脈沖是處于關(guān)閉狀態(tài).NMR信號是在微伏(microvolts)而RF脈沖是在千伏kilovolts.第21頁/共152頁2023年4月14日222.b.旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系為了更好的描述與簡化所研究的體系而引進(jìn)旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系統(tǒng).旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系統(tǒng)中的Z-軸與傳統(tǒng)的三維坐標(biāo)系的Z-軸一致,而其X-與Y-軸卻以與核磁共振頻率相同(Larmor頻率)的頻率繞Z-軸旋轉(zhuǎn).在此體系中,核磁矩不在圍繞Z-軸旋轉(zhuǎn)而是靜止在某一點(diǎn)上.MrfMrfxzyx’y’zxzyy’‘傳統(tǒng)坐標(biāo)系X-與Y-軸以Larmor頻率圍繞Z-軸旋轉(zhuǎn)‘旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系第22頁/共152頁2023年4月14日23實際應(yīng)用上的例子.當(dāng)磁化矢量被轉(zhuǎn)到XY平面后,它仍以Larmor頻率繞Z-軸旋轉(zhuǎn).同樣的,核磁信號也以大致相當(dāng)?shù)念l率饒Z旋轉(zhuǎn).然而此高頻信號(數(shù)百兆赫)是不可能被數(shù)字化的,即使使用高分辨的ADC.實際應(yīng)用上,就將檢測到的信號與一參照頻率想混合而得到其差頻.此差頻落在100KHz的范圍內(nèi)(聲頻)并很容易被數(shù)字化.混合檢測的信號(10-800MHz)參照頻率(10-800MHz)自由衰減信號(FID)(audio:0-100kHz)接受器(RX22)數(shù)字化器(HADC)計算機(jī)儲存2.b.旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系第23頁/共152頁2023年4月14日24通過RF脈沖的照射,磁化矢量將以RF脈沖的照射方向為軸在垂直于RF脈沖的照射方向的平面內(nèi)轉(zhuǎn)動.如使用X-脈沖則磁化矢量將圍繞X-軸方向在YZ平面內(nèi)轉(zhuǎn)動.-只要RF脈沖打開,則磁化矢量的轉(zhuǎn)動就不會停止.-磁化矢量的轉(zhuǎn)動速度取決于脈沖強(qiáng)度.-脈沖長度將決定磁化矢量停止的位置.Mrfxyz45o90o180o270o360o2.b:RF脈沖第24頁/共152頁2023年4月14日2590o

或p/2脈沖將給出最大的信號.所以也就成為準(zhǔn)確測定此參數(shù)的原因之一.在特定的功率強(qiáng)度下,通過采集一系列不同脈沖長度的譜圖以確定最大值或零強(qiáng)度點(diǎn).此點(diǎn)就給出90o或180o的脈沖.在BRUKER儀器,RF脈沖一般以pn(e.g.p1)等參數(shù)來描述其標(biāo)準(zhǔn)單位是微秒(ms).功率強(qiáng)度是以pln,(e.g.pl1)等參數(shù)來描述其標(biāo)準(zhǔn)單位是dB.MrfxyzPulselength901802703602.b:RF脈沖第25頁/共152頁2023年4月14日262.b:RF產(chǎn)生頻率合成器Sythesizer頻率控制單元FCU時間控制單元TCU頻輻設(shè)置單元ASU功放Amplifier(BLAH,BLAX)到探頭電腦指令第26頁/共152頁2023年4月14日272.c:信號接收MB0接受/發(fā)射線圈經(jīng)過脈沖照射后,磁化矢量被轉(zhuǎn)到XY平面上并繞Z-軸旋轉(zhuǎn).由于此轉(zhuǎn)動切割了接受器的線圈,并在接受器的線圈中產(chǎn)生振蕩電流.其頻率就是Larmor頻率.在NMR中,接收線圈與發(fā)射線圈是同一線圈.X信號首先被送到前置放大器然后送到接收器.接收器分解此信號使之頻率降低到聲頻范圍.模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器將此信號數(shù)字化.Vt第27頁/共152頁2023年4月14日282.c:前置放大器(Preamp)去接收器的信號從功放來的RF脈沖HPPR控制1HXD前置放大器HPPR前置放大器有兩種用途:1.放大檢測的NMR信號(從微伏到毫伏)2.分離高能RF脈沖與低能NMR信號.前置放大器含有一接收發(fā)射開關(guān)(T/R).其作用就是阻止高壓RF脈沖進(jìn)入敏感的低壓的信號接收器.第28頁/共152頁2023年4月14日292.c:接收器(Receiver)檢測方法:具有Larmor頻率NMR信號與激發(fā)脈沖混合,所得的差被數(shù)字化.混合檢測的信號(10-800MHz)參照頻率(10-800MHz)自由衰減信號(FID)(audio:0-100kHz)接受器(RX22)數(shù)字化器(HADC)計算機(jī)儲存第29頁/共152頁2023年4月14日302.c:接收器(Receiver)mixing信號(10-800MHz)SFO1+22MHz(32-822MHz)自由衰減信號(FID)(audio:0-100kHz)接收器(RX22)Digitizer(HADC)計算機(jī)儲存RX22檢測過程:具有Larmor頻率NMR信號將被混合兩次.首先將信號與SFO1+22MHz的脈沖混合.然后將所得信號再與22MHz混合而得到具有音頻的自由衰減信號(FID).使用22MHz頻率是為避免頻率泄露與部件間的頻率干擾.混合(I)mixing混合(II)IF22MHz第30頁/共152頁2023年4月14日312.c:ADCNMR信號通常包含許多共振頻率及振輻.為能更好的描述NMR信號,我們一般使用16或18bitADC.增益值(RG)應(yīng)被調(diào)節(jié)到一適當(dāng)?shù)闹?既能充分利用又不至于使接收器過飽和.RG太低RG太高RG適當(dāng)?shù)?1頁/共152頁2023年4月14日32NMR信號被稱為自由衰減信號(FreeInductionDecay或FID).此信號并不能象COS涵數(shù)一樣保持同樣的振輻持續(xù)下去,而是以指數(shù)的方式衰減為零.此一現(xiàn)象是由所謂的自旋-自旋弛預(yù)造成.(T2relaxation)在BRUKER儀器中,時域信號的數(shù)據(jù)點(diǎn)是由參數(shù)TD

設(shè)定.為使時域信號能夠被完全采集到,TD應(yīng)為一適當(dāng)?shù)闹?以免使信號被剪斷(truncation).2.d:自由衰減信號(FreeInductionDecay)TDsetproper*TDtoosmall第32頁/共152頁2023年4月14日33在測量NMR信號的同時,由于儀器的電子元件及樣品本身產(chǎn)生的噪音也同樣被接收線圈檢測到.為了得到適當(dāng)信噪比的圖譜我們一般可以增加掃描次數(shù)以達(dá)到要求的信噪比(S/N),信號平均是指通過增加掃描次數(shù)來壓制噪音而增加信號強(qiáng)度的方法.N次額外的掃描回給出倍的增強(qiáng)的信號強(qiáng)度在BRUKER儀器中,掃描次數(shù)是由參數(shù)ns設(shè)置.另外,增加掃描次數(shù)時,一定要考慮T1弛豫的影響,也就是說要考慮參數(shù)D1的設(shè)置2.d:信號平均(SignalAveraging)noiselevelsignal第33頁/共152頁2023年4月14日34FID譜圖NSS/N14162561(ref)2x4x16x2.d:信號平均(SignalAveraging)第34頁/共152頁2023年4月14日352.d:弛豫效應(yīng)(Relaxation)NMR信號是一個以常數(shù)為T2的指數(shù)方式衰減的涵數(shù).T2就是橫向弛豫過程的時間常數(shù).此外,在XY平面的磁化矢量需要一定的時間回到Z-軸上.這一過程需要的時間就叫縱向弛豫時間.其時間常數(shù)是T1.T1

和T2

與原子核的種類,樣品的特性及狀態(tài),溫度以及外加磁場的大小有關(guān).信號平均方法成功的關(guān)鍵就是要正確設(shè)定參數(shù)D1.D1必須是五倍的T1以保證在下次掃描時磁化矢量完全回到Z-軸.有時為節(jié)省時間,使用小角度的脈沖,重復(fù)掃描以達(dá)到增強(qiáng)信號的目的.T1=30s,4scansa.D1=150s;90opulse;600s;b.D1=15s;90opulse;60s;c.D1=15s;30opulse;60s.abc第35頁/共152頁2023年4月14日362.e:傅立葉轉(zhuǎn)換(FourierTransformation)在核磁共振實驗中,由于原子核所處的電子環(huán)境不同,而具有不同的共振頻率.實際上,NMR信號包含許多共振頻率的復(fù)合信號.分析研究這樣一個符合信號顯然是很困難的.傅立葉轉(zhuǎn)換(FT)提供了一種更為簡單的分析研究方法.就是將時域信號通過傅立葉轉(zhuǎn)換成頻域信號.在頻域信號的圖譜中,峰高包含原子核數(shù)目的信息,而位置則揭示原子核周圍電子環(huán)境的信息.timefrequencyFT第36頁/共152頁2023年4月14日372.e:傅立葉轉(zhuǎn)換(FourierTransformation)由于NMR檢測器不能檢測出順時針或反時針方向的核磁信號,傅立葉轉(zhuǎn)換后,將給出+w

和–w兩個峰.xVtxVtFT0-ww第37頁/共152頁2023年4月14日38NMRSignalReference(SFO1)90o0oADCABRealImaginary數(shù)學(xué)處理為了區(qū)分順時針與反時針旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的峰.正交檢測方法被用來解決這一問題.通過使用具有900相位差的兩個基本點(diǎn)檢測器,正負(fù)頻率就很容易區(qū)分開.實際應(yīng)用中,并非使用兩個檢測器,而是使用一個檢測器.將檢測到的信號分成兩部分并分別送到具有償使用900相位差兩個通道中.2.e:正交檢測(QuadratureDetection)第38頁/共152頁2023年4月14日39ChannelAChannelBFTFTChannelA+B2.e:正交檢測(QuadratureDetection)第39頁/共152頁2023年4月14日402.e:傅立葉轉(zhuǎn)換對cosineExponential (slow)Exponential (fast)blockpulsetimefrequencyFTtimefrequencyFTnoise第40頁/共152頁2023年4月14日412.e:填零(ZeroFilling)在數(shù)據(jù)采集時,最好只采集數(shù)據(jù)直到信號衰減為零,但由于數(shù)據(jù)點(diǎn)較少而影響譜峰的分辨率.增加采集時間由于信號已沒,所采集到的只是噪音.在FID的尾部通過填零的方法可以很好的解決這個文題.TD=SI=128TD=128;SI=1024TDTDSI第41頁/共152頁2023年4月14日422.e:線寬因子(LineBroadening)Lb=0Lb=5Lb=10NMR信號一般都集中在FID的前部,后部含有的大部分為噪音.將FID乘一權(quán)重指數(shù)函數(shù)就能迫使尾部的FID為零.其程度由參數(shù)LB控制.當(dāng)然還有其他的權(quán)重涵數(shù)可以利用.使用這些涵數(shù)雖可提高信噪比卻一犧牲分辨率為代價.在BRUKER儀器中,這些涵數(shù)統(tǒng)稱為窗口涵數(shù).第42頁/共152頁2023年4月14日43一個有問題的圖譜可以通過檢查FID來診斷.時域上兩個涵書的乘積經(jīng)傅立葉轉(zhuǎn)化后,其頻域的涵數(shù)將具有前兩時域涵數(shù)單獨(dú)轉(zhuǎn)化成頻域涵數(shù)的所有特征(convolutiontheory).例如一個被剪切的FID可以被看成是FID乘以一常數(shù)涵.傅立葉轉(zhuǎn)化后所得涵數(shù)具有FID及常數(shù)涵數(shù)的共同特征.=xFT2.e:傅立葉轉(zhuǎn)換第43頁/共152頁2023年4月14日44正確圖譜SpikeArcingBadlineshape(shimming)2.e:傅立葉轉(zhuǎn)換(FourierTransformation)第44頁/共152頁2023年4月14日45采樣快慢決定了觀測的譜圖的頻率范圍而由所謂的駐留時間參數(shù)(DW)確定.兩者間的關(guān)系由下試確定.sw=1000Hzsw=500Hzdw=0.5msdw=1ms2.e:傅立葉轉(zhuǎn)換(FourierTransformation)第45頁/共152頁2023年4月14日462.e:峰折返(Folding)當(dāng)NMR信號數(shù)字化時速度太慢時會導(dǎo)致對FID信號頻率的錯誤表達(dá).數(shù)學(xué)上為能正確確定一經(jīng)過坐標(biāo)原點(diǎn)的周期涵數(shù)的頻率,在某一周期內(nèi)必須有兩個已知點(diǎn).所以對FID信號數(shù)字化采樣時,也必須在某一周期內(nèi)采集到至少兩個點(diǎn)(NyquistTheorem).

如果不這樣就會產(chǎn)生峰折返.不產(chǎn)生峰折返所能達(dá)到的最大頻率叫NyquistFrequency.真實峰出現(xiàn)峰第46頁/共152頁2023年4月14日472.e:頻域譜圖寬度(SpectralWindow)在BRUKER的儀器中,頻域譜圖的中央點(diǎn)是由參數(shù)SFo1(=SF+o1)確定.其中,SF是所觀測的原子核Larmor頻率;o1是偏置頻率可以用來改變頻域譜圖的中央點(diǎn).o1o1o1第47頁/共152頁2023年4月14日48在實際測試未知樣品時,可以使用較大的SW值采樣.然后調(diào)整O1采樣.最后再調(diào)整SW.1.較大sw2.調(diào)整o13.調(diào)整swo1newo1swswnewsw2.e:頻域譜圖寬度(SpectralWindow)第48頁/共152頁2023年4月14日492.e:相位調(diào)整(Phasing)通常所采集到的譜圖含有吸收(absorption)與擴(kuò)散(dispersion)組份.

通過相位調(diào)整可以的到純粹的吸收峰.ReImReImInphaseOutofphase第49頁/共152頁2023年4月14日50在BRUKER儀器中,相位調(diào)整首先對最大峰進(jìn)行零級相位調(diào)整PH0,然后以一級相位調(diào)整PH1來調(diào)節(jié)其他的峰.1.

FTphase2.Adjustph0onbiggestpeak3.Adjustotherpeakswithph12.e:相位調(diào)整(Phasing)第50頁/共152頁2023年4月14日513.NMR:原子核間的相互作用分子中的原子并不是孤立存在,它不僅在相互間發(fā)生作用也同周圍環(huán)境發(fā)生作用,從而導(dǎo)致相同的原子核卻有不同的核磁共振頻率.Larmor頻率化學(xué)位移自旋-自旋偶合e.g.B0=11.7T, w(1H)=500MHz

w(13C)=125MHz化學(xué)位移~B0

?kHz自旋-自旋偶合?Hz-kHz第51頁/共152頁2023年4月14日523.NMR:化學(xué)位移(ChemicalShift)在磁場中,由于原子核外電子的運(yùn)動而產(chǎn)生一個小的磁場Be(localfield).此小磁場與外加磁場(B0)方向相反.從而使原子核感受到一個比外加磁場小的磁場(B0+Blo).此一現(xiàn)象我們稱做化學(xué)位移作用或屏敝作用.B0Be原子核實際感受到的磁場: B=(1-s)B0s化學(xué)位移常數(shù)第52頁/共152頁2023年4月14日533.NMR:PPM單位由于化學(xué)位移是與外加磁場成正比,所以在不同的磁場下所的花絮位移數(shù)值也不同.也會引起許多麻煩.引入ppm并使用同意參照樣品,就是光譜獨(dú)立于外加磁場.0Hz15003000450060000ppm48120Hz15003000450060000ppm4812參照樣品峰300MHz500MHz300MHz500MHz1ppm=300Hz1ppm=500Hz第53頁/共152頁2023年4月14日540ppm428610HC=OHC=CH2CH3即使使用不同的儀器或在不同的場強(qiáng)下,相同的官能團(tuán)具有相同的ppm值.不同的官能團(tuán)由于存在于不同的電子環(huán)境因而具有不同的化學(xué)位移,從而使結(jié)構(gòu)堅定成為可能..3.NMR:化學(xué)位移(ChemicalShift)第54頁/共152頁2023年4月14日553.NMR:自旋-自旋偶合(ScalarCoupling)相鄰的原子核可以通過中間媒介(電子云)而發(fā)生作用.此中間媒介就是所謂的化學(xué)鍵.這一作用就叫自旋-自旋偶合作用(J-偶合).特點(diǎn)是通過化學(xué)鍵的間接作用.CHCHHC異核J-coupling同核J-couplingJCHJHH第55頁/共152頁2023年4月14日56自旋-自旋偶合引起共振線的分裂而形成多重峰.多重峰實際代表了相互作用的原子核彼此間能夠出現(xiàn)的空間取向組合.CHJCHCHJCH原始頻率ww-J/2w+J/2JCH3.NMR:自旋-自旋偶合(ScalarCoupling)第56頁/共152頁2023年4月14日573.NMR:同核J-偶合(HomonuclearJ-Coupling)多重峰出現(xiàn)的規(guī)則:1.

某一原子核與N個相鄰的核相互偶合將給出(n+1)重峰.2.等價組合具有相同的共振頻率.其強(qiáng)度與等價組合數(shù)有關(guān).3.磁等價的核之間偶合作用不出現(xiàn)在譜圖中.4.偶合具有相加性.例如:HaHbCCwawbJABHBHBHAHAJAB第57頁/共152頁2023年4月14日58HaHbCCHcAB,CBCAAB,C是化學(xué)等價的核JAB=JAC3.NMR:同核J-偶合(HomonuclearJ-Coupling)第58頁/共152頁2023年4月14日59HaHbCCHcB,C是化學(xué)不等價的核JAC=10HzJAC=4HzJBC=7HzABCwAJACJAC3.NMR:同核J-偶合(HomonuclearJ-Coupling)第59頁/共152頁2023年4月14日603.NMR:異核J-偶合(HeteronuclearJ-Coupling)*CH*CH2*CH3CH1H2H3CH1H2CH1*CC第60頁/共152頁2023年4月14日61由于一些核的自然豐度并非如此100%.顧此譜圖中可能出現(xiàn)偶合分裂的峰和無偶合的峰.氯仿中的氫譜是一個典型的例子.x100H-13CH-13C105HzH-12C3.NMR:異核J-偶合(HeteronuclearJ-Coupling)第61頁/共152頁2023年4月14日624.NMR:分辨率與穩(wěn)定性(ResolutionandStability)為能區(qū)分微小的化學(xué)位移和偶合常數(shù),高的分辨率儀器(0.1Hz)是必須的.它不僅要求外磁場必須具有相當(dāng)?shù)姆€(wěn)定性,同時要求處于同位置但相同的核給出相同的共振頻率也就是說線寬要非常得心應(yīng)手小.穩(wěn)定性是通過穩(wěn)定的磁體及鎖場系統(tǒng)來實現(xiàn),而小的線寬則通過能提供均勻場強(qiáng)的磁體及勻場來完成.第62頁/共152頁2023年4月14日634.NMR:鎖場(Lock)實驗對磁場穩(wěn)定性的要求可以通過鎖場實現(xiàn).通過不間斷的測量一參照信號(氘信號)并與標(biāo)準(zhǔn)頻率進(jìn)行比較.如果出現(xiàn)偏差,則此差值被反饋到磁體并通過增加或減少輔助線圈(Z0)的電流來進(jìn)行矯正.2DLockTXLockRXLockfreq.DZ0-coil第63頁/共152頁2023年4月14日644.NMR:勻場(Shimming)在樣品中,磁場強(qiáng)度應(yīng)該是均勻且單一,以使相同的核無論處于樣品的何種位置都應(yīng)給出相同的共振峰.為達(dá)此目的,一系列所謂勻場線圈按繞制所提供的涵數(shù)方式給出補(bǔ)償以消除磁場的不均勻性,從而得到窄的線形.實際應(yīng)用中可分為低溫勻場(cryo-shims)線圈和室溫勻場線圈RT-shims).低溫勻場線提供較大的矯正.第64頁/共152頁2023年4月14日654.NMR:勻場(Shimming)勻場線圈分為兩組:改變Z-軸方向場強(qiáng)的稱為縱向勻場(axial,on-axisorz-shims);改變垂直與Z-軸方向場強(qiáng)的稱為橫向勻場(transverseoroff-axisshims).第65頁/共152頁2023年4月14日664.NMR:勻場效果(EffectofZ-Shims)±Z+Z2-Z2+Z4-Z4±Z3±Z5第66頁/共152頁2023年4月14日674.NMR:勻場(Shimming)x,y,zz,z2x,y,xy,xz,yz,x2y2z,z2,z3x,y,xy,xz,yz,x2y2,xz2,yz2,x2y2z,xyzz,z2,z3,z4x,y,xy,xz,yz,x2y2,xz2,yz2,x2y2z,xyz,x3y3,x2y2z2z,z2,z3,z4,z5,z6SpinningNon-spinning勻場需要豐富經(jīng)驗為基礎(chǔ).通過觀察鎖場信號高低,樣品信號線形及FID.第67頁/共152頁2023年4月14日684.NMR:勻場(Shimming)當(dāng)初次安裝儀器或探頭時,旋轉(zhuǎn)與非旋轉(zhuǎn)樣品線形是一個標(biāo)準(zhǔn)的參考數(shù)據(jù).氫譜的線形數(shù)據(jù)是通過測量氘代丙酮中3%的氯仿而得.數(shù)據(jù)

0.3/7/14表明Hzat50%;半峰寬7Hzat0.55%;碳衛(wèi)星峰高度的峰寬14Hzat0.11%1/5碳衛(wèi)星峰高度的峰寬13Csatellites215Hz第68頁/共152頁2023年4月14日694.NMR:Shimming樣品旋轉(zhuǎn)在50,0.55and0.11%處確定峰寬數(shù)值50%0.11%0.55%旋轉(zhuǎn)邊帶第69頁/共152頁2023年4月14日704.NMR:勻場(Shimming)50%0.11%0.55%樣品不旋轉(zhuǎn)在50,0.55and0.11%處確定峰寬數(shù)值第70頁/共152頁2023年4月14日715.NMR:RF脈沖B0M在傳統(tǒng)坐標(biāo)系中,由于外加磁場對原子核的作用，磁化矢量以Larmor頻率繞外加磁場進(jìn)動.如果旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的旋轉(zhuǎn)頻率與原子核的共振頻率相同，在旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中則沒有磁場而磁化矢量也就會靜止不動．但如果旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的旋轉(zhuǎn)頻率與原子核的共振頻率有差別，則磁場就會出現(xiàn)而磁化矢量會圍繞此小磁場運(yùn)動．此小磁場叫偏置場．DwMM傳統(tǒng)坐標(biāo)系旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系在共振共振偏置旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系第71頁/共152頁2023年4月14日725.NMR:RF脈沖zw1=

weffxzw1Dwxweffzw1=

weffxM在共振的RF脈沖共振偏置的ＲＦ脈沖如果RF脈沖施加在原子核的共振頻率，則磁化矢量就繞施加的ＲＦ場轉(zhuǎn)動.如果RF脈沖未施加在原子核的共振頻率則磁化矢量就繞施加的ＲＦ場與磁場的合場方向轉(zhuǎn)動.Mzweffxweff第72頁/共152頁2023年4月14日735.NMR:共振與偏置共振（Onandoffresonance）在共振接近共振偏置共振通過改變Ｏ１以達(dá)到共振頻率第73頁/共152頁2023年4月14日74由于核磁共振的樣品經(jīng)常包含多余一個的峰，ＲＦ脈沖不可能對所有的共振進(jìn)行在共振激發(fā)．但若以高功率的脈沖（使有效場盡可能貼近ＸＹ平面）仍可達(dá)到近似的效果．實際應(yīng)用上使用短而強(qiáng)的脈沖．zw1Dwxweffzw1=

weffxzw1DwxweffRF(O1)5.NMR:RF脈沖第74頁/共152頁2023年4月14日75p/2=6ms020000400006000080000Dw(Hz)020000400006000080000Dw(Hz)p/2=18msp=36ms磁化矢量與偏置共振的關(guān)系5.NMR:RF脈沖第75頁/共152頁2023年4月14日76計算脈沖強(qiáng)度:

若p/2脈沖10ms

則2p

脈沖40ms

那么w1＝1/40ms=25kHz若p/2脈沖太長，可以增加功率是其變短．不要超過探頭所能負(fù)擔(dān)的功率否則會損壞探頭?。?！RF功率放大器的輸出功率是用dB.dB的數(shù)值表示與最大輸出功率相比實際輸出功率衰減的程度．由上式可看出每6dB衰減將使輸出的伏特值減半而使９００脈沖長度加倍．在ＢＲＵＫＥＲ儀器中，脈沖強(qiáng)度由Ｐl(wèi)n設(shè)定．１２０dB表示小強(qiáng)度，０表示大強(qiáng)度．Attenuation(dB)=-20log(V/Vmax)5.NMR:RF脈沖第76頁/共152頁2023年4月14日775.NMR:９００脈沖測定（Paropt）Paropt是一ＡＵ程序．它可改變某一參數(shù)（Ｐ１，Ｄ１，Ｏ１等）并將一系列處理的譜圖列出．譜圖儲存在處理數(shù)控９９９的文件中．運(yùn)行Paropt,首先要得到一譜圖以確定譜圖戰(zhàn)士區(qū)域．(dp1).然后在特定的脈沖強(qiáng)度改變Ｐ１值．最大峰為何９００，第一個零點(diǎn)為１８００．dp1第77頁/共152頁2023年4月14日78通過限定激發(fā)寬度，我們就可選擇的激發(fā)某一特定區(qū)域．施加等幅或調(diào)制振幅與相位選擇性脈沖可完成這一使命．等幅調(diào)制RF選擇激發(fā)Dante軟脈沖整形脈沖AdiabaticPulsesShapedDante5.NMR:選擇性脈沖（SelectiveRFPulses）第78頁/共152頁2023年4月14日79通過對ＲＦ脈沖的時域涵數(shù)傅立葉轉(zhuǎn)換，此脈沖的激發(fā)圖象可在頻域譜中直觀的表現(xiàn)出來．frequencyFT頻率時間5.NMR:選擇性脈沖（SelectiveRFPulses）第79頁/共152頁2023年4月14日8015001000500-5000-1000-1500Hz激發(fā)脈沖的時域與頻域關(guān)系，可使制作整形脈沖和選擇激發(fā)區(qū)域變得容易．RFshapeExcitedregionFT5.NMR:選擇性脈沖（SelectiveRFPulses）第80頁/共152頁2023年4月14日81RectangleSincSinc(3)GaussHalfGaussDantePulseExcitationFTPulseExcitationFT5.NMR:選擇性脈沖（SelectiveRFPulses）第81頁/共152頁2023年4月14日82選擇脈沖的長度決定激發(fā)區(qū)域．Gauss:4ms‘hard’p/2pulseGauss:2msGauss:1ms5.NMR:選擇性脈沖（SelectiveRFPulses）第82頁/共152頁2023年4月14日83Eburp,20ms通過改變選擇脈沖的頻率可以改變選擇激發(fā)的位置

spoffs1etc.5.NMR:選擇性脈沖（SelectiveRFPulses）第83頁/共152頁2023年4月14日84.5.NMR:整形脈沖的一些特性第84頁/共152頁2023年4月14日856.NMR:Decoupling原子核間的偶合導(dǎo)致譜圖的復(fù)雜化．CHJCHCHJCHoriginalfrequencyww+J/2w-J/2JCH第85頁/共152頁2023年4月14日866.NMR:去偶(Decoupling)如果峰數(shù)不多，偶合的方式仍可分析出．但當(dāng)很多鋒出現(xiàn)時，偶合方式的分析就不是那么容易．*CH3-CH2-未去偶?xì)淙ヅ嫉?6頁/共152頁2023年4月14日87氫對碳的偶合作用可以通過對氫施加一個脈沖消除.此一技術(shù)稱為去偶.對氫核的飽和照射,促使氫核的自旋狀態(tài)快速的變換,臨近的碳核無法感覺到氫核的自旋狀態(tài)的取向而只感受到氫核兩種取想的平均效果.具體的說,對氫核的飽和照射使碳核原來的兩條共振線w-J/2和w+J/2合并平均而得到[(w-J/2)+(w+J/2)]/2=w.CHJCHCHJCHp-pulseonH這相當(dāng)于使用一系列1800脈沖快速照射氫核.C-HpHC-HpHpHpHC-HC-HC-HC-HpHw+J/2w-J/2w+J/2w-J/2w+J/2w-J/26.NMR:去偶(Decoupling)第87頁/共152頁2023年4月14日88氫去偶除簡化碳譜還因為有核的Overhauser效應(yīng)而增加信噪比.decoupledcoupledC-HC-H2*CH3-CH2-6.NMR:去偶(Decoupling)第88頁/共152頁2023年4月14日89實際應(yīng)用中,一個連續(xù)脈沖照射在氫的共振頻率而不是使用一系列1800脈沖.次法稱為寬帶去偶.去偶實驗應(yīng)注意以下兩點(diǎn):1.氫脈沖應(yīng)施加在氫的共振頻率上.2脈沖的強(qiáng)度要足夠強(qiáng)但又要比探頭承受的強(qiáng)度低.6.NMR:去偶(Decoupling)第89頁/共152頁2023年4月14日906.NMR:去偶與脈沖強(qiáng)度的關(guān)系01.55去偶與脈沖強(qiáng)度的關(guān)系第90頁/共152頁2023年4月14日916.NMR:去偶,脈沖強(qiáng)度及偏值頻率的關(guān)系ProtonresonanceoffsetProtonRFpower第91頁/共152頁2023年4月14日926.NMR:組合脈沖去偶(CompositePulseDecoupling)在工作上的去偶實驗很易成功,但偏置共振中,去偶效率隨偏置頻率的增加很快降低.雖可增加脈沖強(qiáng)度,但探頭對大功率的承受程度又阻止無限增加脈沖強(qiáng)度.好的解決方法就是將去偶的強(qiáng)度均勻開以增加去偶的寬度.一系列的組合脈沖適用于此一目的.Waltz,Garp,Dipsi,Mlevetc.稱為組合脈沖去偶序列或CPD.使用這些脈沖序列要設(shè)置兩個基本點(diǎn)參數(shù)900脈沖長度及強(qiáng)度.第92頁/共152頁2023年4月14日937.NMR:水峰壓制(WaterSuppression)核磁共振實驗樣品有許多是溶在水中,而水的共振信號又是實際樣品的數(shù)千甚至數(shù)萬倍.ADC的資源基本上被用來描述水峰而很少一部分用來描述實際的樣品以致樣品的信號被淹沒在噪音.x64問題:-動態(tài)范圍;-實際樣品的信號低S/N;-實際樣品的信號淹沒在基線噪音中;-接近水峰的信號”騎”在水峰上.解決方法:在采樣前壓制水峰.一經(jīng)常用到的方法是預(yù)飽和.第93頁/共152頁2023年4月14日947.NMR:預(yù)飽和(Presaturation)使用一長約定1-2s而低的脈沖選擇的使水峰達(dá)飽和狀態(tài),然后用一硬900脈沖激發(fā)樣品.其結(jié)果是使接受器的增益參數(shù)增加而提高動態(tài)范圍及S/N.zgrg=1zgprrg=64壓水峰實驗:1.脈沖序列zgpr;2.預(yù)飽和時間為1.5s;3.O1移到水峰位置.4.逐漸的增加脈沖強(qiáng)度;5.優(yōu)化勻場條件,并準(zhǔn)確調(diào)整O1位置.第94頁/共152頁2023年4月14日958.Two-DimensionalNMR如果使用兩個基本點(diǎn)脈沖采集一系列譜圖,同時依此增加兩脈沖的時間間隔t1.第一個脈沖將磁化矢量轉(zhuǎn)到XY平面上,此磁化矢量將圍繞Z-軸旋轉(zhuǎn).由于在不同時間內(nèi)磁化矢量轉(zhuǎn)到不同的位置,導(dǎo)致第二個脈沖過后采集到的FID具有不同的相位和振幅.于是可以說這一系列FID的相位和振幅被t1所調(diào)制.增加t1t1t2第95頁/共152頁2023年4月14日968.2DNMRFID的相位及振幅被t1調(diào)制也就等于譜圖的相位及振幅被t1調(diào)制.從傅立葉轉(zhuǎn)換中很容易看到這一點(diǎn).FT(t2)t2t1t1f2第96頁/共152頁2023年4月14日978.2DNMR對t1進(jìn)行第二次傅立葉轉(zhuǎn)換就可以確定調(diào)制頻率.就是將所有譜圖的第一個點(diǎn)進(jìn)行傅立葉轉(zhuǎn)換,然后第二個點(diǎn)一直到所有的點(diǎn).所得的譜圖就是一個單位均為頻率的兩維譜圖.FT(t1)f2f2f1t1第97頁/共152頁2023年4月14日988.2DNMR2DNMR譜圖常以輪廓圖表示而不用三維的方式.相同情況同樣使用在地圖上1020304050602040600.511.52102030405060102030405060第98頁/共152頁2023年4月14日998.2DNMR兩維譜圖可簡化圖譜增加分辨率同時也可得到原子間的相關(guān)關(guān)系.第99頁/共152頁2023年4月14日1008.2DNMR:Cosy2DCosy

譜中,交叉峰f1=a,f2=b表明a與b有自旋-自旋偶合作用.投影圖將給出一般的氫譜543210012345C交叉峰s對角線峰第100頁/共152頁2023年4月14日1018.2DNMR:Cosy500MHzN-typeCOSYspectrumofStrychnine,.RFp/2FIDp/2t1Cosy

經(jīng)常用于氫的二維譜.在此基礎(chǔ)上演化出Tocsy,andDQF-Cosy.第101頁/共152頁2023年4月14日1028.2DNMR:NoesyNoesy的交叉峰表示原子相互在空間上相鄰.其強(qiáng)度可用來估算原子間距并以此推斷分子的空間結(jié)構(gòu).HaHb012345543210fafbfcHc第102頁/共152頁2023年4月14日1038.2DNMR:NoesyNoesy

經(jīng)常被用來確定一些生物大分子象蛋白質(zhì),核酸,DNA,RNA等.水中g(shù)ramicidine的400MHzNoesy譜.第103頁/共152頁2023年4月14日1048.2DNMR:異核相關(guān)譜(HeteronuclearCorrelation)1008060402002543101H13CC-H異核相關(guān)譜給出碳?xì)涞呐己详P(guān)系.第104頁/共152頁2023年4月14日1058.2DNMR:HeteronuclearCorrelation異核相關(guān)譜可通過觀測碳(1H-13CHetcor)或觀測氫(HMQC,HSQC).觀測氫的實驗也稱做反相實驗.FID1Hp/2p13Cp/2p/2DDt113C-1HHMQCofSucroseinD2O13C1H第105頁/共152頁2023年4月14日106核磁共振光譜中的磁場梯度原理PrinciplesofMagneticFieldGradientsinNMRSpectroscopy9.磁場梯度(MagneticFieldGradients)第106頁/共152頁2023年4月14日107梯度場被廣泛的應(yīng)用在核磁共振實驗,其特點(diǎn)是:-消除額外干擾信號而增加動態(tài)范圍.-節(jié)省時間(不在需要相位循環(huán))-減少信號干擾(t1-噪音)-提高譜圖質(zhì)量.9.磁場梯度(MagneticFieldGradients)第107頁/共152頁2023年4月14日108‘Worstcase’scenarioCosyspectrum.t1-噪音峰中央峰(axialpeaks)掃描循環(huán)太快在相同條件下采集的梯度場Cosy譜9.磁場梯度(MagneticFieldGradients)第108頁/共152頁2023年4月14日109同性均勻磁場進(jìn)動頻率(Larmor)w

正比與giB0gi

磁旋比.

g1H=4g13C若B0=11.7T那么w1H=500MHz在旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系(w)磁化矢量靜止不動zB0uvzxy9.梯度場第109頁/共152頁2023年4月14日110在外磁場施加一個Z方向的梯度場.施加的梯度場與外磁場疊加,因此,原子核將經(jīng)歷一個不同的磁場.因而將圍繞新的磁場以不同的頻率進(jìn)動.w(z)=gB0+gzGzzB0uv+++++zGzzxy9.梯度場第110頁/共152頁2023年4月14日111在旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)西中,假如梯度場強(qiáng)為20G/cm線圈的有效長度是1cm.1Gauss相當(dāng)于4258Hz氫的頻率.處于z=+0.5cm的原子核就會以0.5*20*4258=42580Hz的速度旋轉(zhuǎn),而在z=0的原子則靜止不動.zB0uv+++++00.250.5-0.25-0.5

02129042580-21290-42580wz(Hz)zGzzxyz(cm)在外磁場施加一個Z方向的梯度場.9.梯度場第111頁/共152頁2023年4月14日112由于所處不同平面位置的原子核將感受到不同的磁場而磁化矢量具有不同的旋轉(zhuǎn)頻率,從而形螺旋狀,其螺矩取決于梯度場的強(qiáng)度.zB0uv+++++zGzzxy9.梯度場第112頁/共152頁2023年4月14日113MRI/NMRimaging疊加在主磁場上的梯度場使原子核的共振頻率成為空間的涵數(shù).在核磁成象(MRI)實驗中,磁化矢量是在梯度場打開的情況下檢測的.所以MRI譜圖給出頻率的分布.每一頻率層表明樣品中的不同位置而其強(qiáng)度表明具有相同頻率原子核的數(shù)量.(ReproducedfromErnstetal.PrinciplesOfNuclearMagneticResonanceinOneandTwoDimensions,OxfordUniversityPress)9.梯度場成象第113頁/共152頁2023年4月14日114xyxzimageplaney9.Gradients:Imaging第114頁/共152頁2023年4月14日1159.梯度場在NMR的應(yīng)用由于梯度場使處于不同位置的原子核具有不同的頻率,因此在施加梯度場前轉(zhuǎn)到XY平面的聚焦的磁化矢量,在梯度場打開后會很快散開.梯度場關(guān)閉磁化矢量將以沒有梯度場時的頻率旋轉(zhuǎn).梯度場實際是以脈沖的形式施加在樣品上.不同強(qiáng)度的梯度場脈沖可以使磁化矢量散開相同的程度,只是施加梯度場的時間不同而已.磁化矢量注意:只有橫向磁化矢量被散焦,而縱向磁化矢量不受影響.信號XY第115頁/共152頁2023年4月14日1169.梯度場(水峰壓制)1.選擇激發(fā)水峰2.施加梯度場打散水峰信號3.900硬脈沖激發(fā)其他峰信號.000第116頁/共152頁2023年4月14日117p/2p/2RF水峰梯度FIDref:Doddrelletal.J.Mag.Reson1986,70,1762mMSucroseinH2Otop:singlepulsebot:Submergerg=1rg=64x89.梯度場(水峰壓制)SUBMERGE:使用梯度場及選擇性脈沖的水峰壓制第117頁/共152頁2023年4月14日118在許多應(yīng)用中,被梯度場打散的確信號有通過施加梯度場重新聚焦形成回波.兩個基本的脈沖序列,‘gradientrecalledecho’和‘gradientspinecho’.1.GradientRecalledEcho5RF梯度場FID1234p/2XY143259.梯度回波第118頁/共152頁2023年4月14日119RFp/2梯度場FIDstartacquisition時間(ms)05101520259.梯度回波第119頁/共152頁2023年4月14日1202a.自旋回波2b.梯度回波RFFID12345p/2pRFFID梯度場123456p/2pXY143256XY143259.梯度回波第120頁/共152頁2023年4月14日121RFp/2梯度場FID開始采樣時間(ms)0510152025p9.梯度回波第121頁/共152頁2023年4月14日122RFp/2梯度場FIDref:Piottoetal.J.Biomol.NMR(1992),2,661選擇1800脈沖翻轉(zhuǎn)除水外原子核的自旋狀態(tài)2mMSucroseinH2Otop:singlepulsebot:Watergaterg=1rg=64水門(WATERGATE)利用梯度回波的水峰壓制9.梯度場:水峰壓制第122頁/共152頁2023年4月14日1239.梯度場替代脈沖相循環(huán)許多NMR實驗利用RF脈沖的相循環(huán)以選擇需要的”coherences”(同相重疊態(tài)).梯度場可實現(xiàn)同一目的從而消除了相循環(huán).

例如COSY

實驗.為實現(xiàn)正交檢測,消除橫向軸峰需要四步相循環(huán).而使用梯度場一步即可完成.RFp/2gradientFIDp/2t11nn=1N-typen=-1P-type第123頁/共152頁2023年4月14日1249.COSYP/N選擇:一次掃描500MHzvinylbromide的氫COSY譜.只掃描一次導(dǎo)致P,N-型譜同時出現(xiàn).RFp/2FIDp/2t1相位00CHHHC=BrN-type對角線AxialpeaksP-type對角線第124頁/共152頁2023年4月14日125500MHzvinylbromide的氫COSY譜.掃描四次消除橫向軸峰及實現(xiàn)正交檢測.RFp/2FIDp/2t1相位009018027001800180CHHHC=Br9.COSYP/N選擇:相循環(huán)第125頁/共152頁2023年4月14日126500MHzvinylbromide的氫COSY譜.使用梯度場掃描一次消除橫向軸峰及實現(xiàn)正交檢測.RFp/2梯度場FIDp/2t11nn=1P-typeCHHHC=Br9.COSYP/N選擇:梯度場第126頁/共152頁2023年4月14日127n=-1N-typeCHHHC=Br500MHzvinylbromide的氫COSY譜.使用梯度場掃描一次消除橫向軸峰及實現(xiàn)正交檢測.RFp/2梯度場FIDp/2t11n9.COSYP/N選擇:梯度場第127頁/共152頁2023年4月14日128500MHzN-type

Strychnine的氫COSY譜.使用梯度場掃描一次9.COSYP/N選擇:梯度場第128頁/共152頁2023年4月14日1299.多量子過濾中的梯度場500MHz使用單(上)雙(下)量子過濾的重水中蔗糖的氫譜.RFp/2梯度場FIDp/2p/21n多量子同相重疊態(tài)的”階”指兩狀態(tài)的磁量子數(shù)之差.處在多量子同相重疊態(tài)的核磁子散相的速度與其”階”成正比.通過使用一定比例的一對梯度檢測之前而可以選擇的聚焦某一處于多量子同相重疊態(tài)的原子核.第129頁/共152頁2023年4月14日130甲乙醚:CH3-CH2-OCH3MQ選擇(1:n)的兩梯度場CH2OCH3CH3n=1n=2n=3n=4n=59.多量子過濾中的梯度場第130頁/共152頁2023年4月14日131500MHz雙量子過濾的COSY譜(mof1,4androstene-dione),一次掃描.9.多量子過濾中的梯度場第131頁/共152頁2023年4月14日1329.異核梯度實驗在1H-13C反相實驗中,一個需要解決的問題是抑制那些沒有與13C相連的氫的信號.梯度提供了一種比相循環(huán)更有效的方法.x128氯仿上:單脈沖下:一維梯度的HSQC.rg=1rg=64第132頁/共152頁2023年4月14日133梯度場作用在不同的核將引起不同的進(jìn)動頻率.w(z)=giGzz.例如z=0.5andGz=20G/cm的氫核,具有42580Hz,而碳核10625Hz(g13C=1/4g1H).13CFID1Htransfergradient14gradient14or在一些異核的實驗中,有時利用將磁化矢量從一個核轉(zhuǎn)到另一個核上.磁化矢量轉(zhuǎn)移后,如果需要使用梯度場重新聚焦時,要注意根據(jù)磁旋比調(diào)整梯度場的強(qiáng)度或長度.9.異核梯度實驗第133頁/共152頁2023年4月14日1349.異核多量子相關(guān)圖FID1Hp/2p13Cp/2p/2Dt1梯度場221重水中蔗糖的13C-1HHMQC第134頁/共152頁2023年4月14日135FID1Hp/2p13Cp/2p/2DDt1gradient2219.異核多量子相關(guān)圖重水中蔗糖的13C-1HHMQC