核磁共振波譜學概論

核磁共振波譜學龐文民目前一頁\總數(shù)七十一頁\編于十四點聯(lián)系方法中國科技大學理化科學實驗中心高分子微結(jié)構(gòu)與NMR實驗室（106）

龐文前二頁\總數(shù)七十一頁\編于十四點本課程主要內(nèi)容：第一講：核磁共振波譜學概述第二講：核磁共振基本原理第三講：核磁共振氫譜第四講：核磁共振碳譜第五講：核磁共振二維譜第六講：固體核磁共振譜第七講：核磁共振波譜儀介紹第八講：核磁共振實例及解析目前三頁\總數(shù)七十一頁\編于十四點第一講：核磁共振波譜學概述：什么是核磁共振核磁共振的發(fā)展歷史核磁共振譜的主要參數(shù)核磁共振的特點及其應(yīng)用目前四頁\總數(shù)七十一頁\編于十四點核磁共振概念核磁共振（NuclearMagneticResonance，簡寫為NMR），是指核磁矩不為零的核，在外磁場的作用下，核自旋能級發(fā)生塞曼分裂（ZeemanSplitting），共振吸收某一特定頻率的射頻（radiofrequency簡寫為rf或RF）輻射的物理過程。1946年Stanford的Bloch和Harvard的Purcell各自獨立觀察到核磁共振現(xiàn)象。1952年獲得諾貝爾物理獎目前五頁\總數(shù)七十一頁\編于十四點核磁共振現(xiàn)象許多原子核是有磁性的在磁場中磁矩繞磁場作Larmor進動在特定頻率的電磁波照射下發(fā)生共振核磁共振信號強度對電磁波頻率作圖就是通?？吹降暮舜殴舱褡V圖B0目前六頁\總數(shù)七十一頁\編于十四點正戊醇C5H11OH的質(zhì)子去耦13C譜

CH3CH2OH質(zhì)子譜的精細結(jié)構(gòu)核磁譜提供原子核所處環(huán)境的信息,是目前最有用的結(jié)構(gòu)分析手段之一目前七頁\總數(shù)七十一頁\編于十四點主要的核磁共振參數(shù)化學位移偶合常數(shù)弛豫參數(shù)T1,T2,NOE提供了化學分子的分子拓撲結(jié)構(gòu)與空間結(jié)構(gòu)的信息,以及分子運動和分子相互作用的信息目前八頁\總數(shù)七十一頁\編于十四點目前九頁\總數(shù)七十一頁\編于十四點核磁共振波譜學的發(fā)展歷史目前十頁\總數(shù)七十一頁\編于十四點目前十一頁\總數(shù)七十一頁\編于十四點目前十二頁\總數(shù)七十一頁\編于十四點目前十三頁\總數(shù)七十一頁\編于十四點核磁共振波譜學發(fā)展史上的里程碑目前十四頁\總數(shù)七十一頁\編于十四點目前十五頁\總數(shù)七十一頁\編于十四點目前十六頁\總數(shù)七十一頁\編于十四點1946年Stanford的Bloch和Harvard的Purcell各自獨立觀察到核磁共振現(xiàn)象。1952年獲得諾貝爾物理獎30年代Rabi和Gorter等做了許多工作。1936年Gorter試圖觀察LiF中的7Li核的共振吸收。不幸的是，由于所使用的LiF太純，使樣品的弛豫時間太長而失敗。目前十七頁\總數(shù)七十一頁\編于十四點固體(石蠟)中核磁矩共振吸收目前十八頁\總數(shù)七十一頁\編于十四點布洛赫《物理評論》“核感應(yīng)”的論文目前十九頁\總數(shù)七十一頁\編于十四點目前二十頁\總數(shù)七十一頁\編于十四點目前二十一頁\總數(shù)七十一頁\編于十四點瑞士的Ernst對二維NMR進行了深入研究，于1976年用量子統(tǒng)計的系綜理論對二維NMR原理進行詳盡的理論闡述，1983年又提出乘積算符理論，大大簡化了脈沖序列的分析。目前二十二頁\總數(shù)七十一頁\編于十四點二維NMR1比列時的Jeener于1971年提出二維NMR的思想2瑞士的Ernst對二維NMR進行了深入研究，于1976年用量子統(tǒng)計的系綜理論對二維NMR原理進行詳盡的理論闡述，1983年又提出乘積算符理論，大大簡化了脈沖序列的分析。目前二十三頁\總數(shù)七十一頁\編于十四點二維NMR脈沖傅立葉變換及多維核磁共振波譜技術(shù)的發(fā)展使得NMR可以用于蛋白質(zhì)溶液結(jié)構(gòu)解析瑞士的Wüthrich首先將2D-NMR的方法用于蛋白質(zhì)，發(fā)展了將2D-NMR和距離幾何結(jié)合得到蛋白質(zhì)在溶液中的空間結(jié)構(gòu)的方法，第一個用NMR方法解析出蛋白質(zhì)的空間結(jié)構(gòu),獲得2002年諾貝爾化學獎

目前二十四頁\總數(shù)七十一頁\編于十四點目前二十五頁\總數(shù)七十一頁\編于十四點瑞士的Wüthrich第一個用NMR方法解析出蛋白質(zhì)的空間結(jié)構(gòu)目前二十六頁\總數(shù)七十一頁\編于十四點TheNobelPrizeinPhysiologyormedicine2003目前二十七頁\總數(shù)七十一頁\編于十四點核磁共振成像技術(shù)（MRI）目前二十八頁\總數(shù)七十一頁\編于十四點核磁共振是發(fā)展中的學科

新實驗方法目前二十九頁\總數(shù)七十一頁\編于十四點8名科學家獲得6次諾貝爾獎

3次物理學獎

2次化學獎

1次醫(yī)學生理學獎

1993年恩斯特預(yù)言：下一次？。。。。。。核磁共振波譜學發(fā)展的歷史

多學科交叉的歷史目前三十頁\總數(shù)七十一頁\編于十四點1960:KIS1.25MHzPermanentMagnet目前三十一頁\總數(shù)七十一頁\編于十四點核磁共振譜儀(Bruker)目前三十二頁\總數(shù)七十一頁\編于十四點高場核磁共振譜儀的發(fā)展為核磁共振應(yīng)用于生物大分子奠定了基礎(chǔ)目前三十三頁\總數(shù)七十一頁\編于十四點化學位移和自旋偶合的相繼發(fā)現(xiàn)將NMR信號與化學結(jié)構(gòu)聯(lián)系起來，NMR開始廣泛用于化學目前三十四頁\總數(shù)七十一頁\編于十四點蛋白質(zhì)的1H譜

蛋白質(zhì)的第一張1H譜(核糖核酸酶,40MHz),記于1957年[AdaptedfromJeremyN.S.Evans(1995)BiomolecularNMRSpectroscopy.p.3,OxfordUniversityPressInc.]

2.0mMRnaseT1的900MHz1H譜目前三十五頁\總數(shù)七十一頁\編于十四點核磁共振波譜的主要參數(shù)目前三十六頁\總數(shù)七十一頁\編于十四點NMR觀測結(jié)果能提供物質(zhì)結(jié)構(gòu)的基本信息

1、靜態(tài)結(jié)構(gòu)①.化學位移（δ）②.偶合常數(shù)（J）

2、動態(tài)結(jié)構(gòu)③.縱向弛豫（T1），即自旋－晶格弛豫④.橫向弛豫（T2），即自旋－自旋弛豫⑤.核歐沃豪斯增強效應(yīng)（NuclearOverhauserEffect，簡稱為NOE）弛豫時間目前三十七頁\總數(shù)七十一頁\編于十四點1HNMR目前三十八頁\總數(shù)七十一頁\編于十四點13CNMR目前三十九頁\總數(shù)七十一頁\編于十四點DEPTs目前四十頁\總數(shù)七十一頁\編于十四點COSY目前四十一頁\總數(shù)七十一頁\編于十四點HSQC目前四十二頁\總數(shù)七十一頁\編于十四點HMBC目前四十三頁\總數(shù)七十一頁\編于十四點TOCSY目前四十四頁\總數(shù)七十一頁\編于十四點NOESY目前四十五頁\總數(shù)七十一頁\編于十四點11BNMR目前四十六頁\總數(shù)七十一頁\編于十四點19F目前四十七頁\總數(shù)七十一頁\編于十四點23Na目前四十八頁\總數(shù)七十一頁\編于十四點29Si目前四十九頁\總數(shù)七十一頁\編于十四點31P目前五十頁\總數(shù)七十一頁\編于十四點195Pt目前五十一頁\總數(shù)七十一頁\編于十四點核磁共振的特點及其應(yīng)用目前五十二頁\總數(shù)七十一頁\編于十四點核磁共振技術(shù)的特點及其應(yīng)用核磁共振基本原理-引言龐文民核磁共振的方法與技術(shù)作為分析物質(zhì)的手段，由于其可深入到物質(zhì)內(nèi)部而不破壞樣品，并具有迅速、準確、分辨率高等優(yōu)點而得以迅速發(fā)展和廣泛應(yīng)用。涉及化工、石油、橡膠、建材、食品、冶金、地質(zhì)、國防、環(huán)保、紡織及其它工業(yè)部門。從物理學滲透到化學、生物、地質(zhì)、藥學、醫(yī)學、農(nóng)業(yè)、環(huán)境、礦業(yè)、腦科學、量子計算機、納米材料、C60、軟物質(zhì)、超導材料以及材料等學科。目前五十三頁\總數(shù)七十一頁\編于十四點

核磁共振(NuclearMagneticResonance,NMR)物質(zhì)分子由自旋量子數(shù)I≠0的原子核在外磁場中受到射頻輻照所產(chǎn)生的共振吸收現(xiàn)象。而實際上我們檢測的是被觀測核周圍環(huán)境對其吸收的精確頻率來量度的，結(jié)果可衡量該原子在分子中化學環(huán)境如何，以此來推測物質(zhì)分子結(jié)構(gòu)。目前五十四頁\總數(shù)七十一頁\編于十四點表：不同頻率電磁波的種類及運動模式電磁波的種類劃分波長范圍躍遷方式研究應(yīng)用技術(shù)m表示通常各表示宇宙線<10-12

X-ray10-12~10-81A

電子振動產(chǎn)生相干次生x-rayX衍射光譜紫外線遠紫外

近紫外1x10-8~2x10-7

2x10-7~4x10-710~200nm

200~400nm外層電子躍遷UV.熒光,

原子吸收光譜可見光4x10-7~8x10-7400~800nm外層電子躍遷可見光紅外線近紅外中紅外遠紅外8x10-7~2.5x10-62.5x10-6~2.5x10-52.5x10-5~2x10-312500~4000cm-14000~400cm-1400~5cm-1振動

旋轉(zhuǎn)

IR

Raman電磁波微波超短波短波中波長波2x10-3~11~1010~102102~103103~104150GHz~330MHz330~33MHz33~3.3MHz3300~330KHz330~33KHz電子自旋核自旋

ESR,雷達,微波爐NMR,電視,FM.通訊,無線電等.目前五十五頁\總數(shù)七十一頁\編于十四點NMR在物質(zhì)微結(jié)構(gòu)解析中的位置結(jié)構(gòu)∽性能相關(guān)聯(lián)：

一次結(jié)構(gòu)(化學結(jié)構(gòu))化學反應(yīng)二次結(jié)構(gòu)(序列結(jié)構(gòu))生物分子\蛋白質(zhì)功能高次結(jié)構(gòu)(凝聚態(tài)\相結(jié)構(gòu))固體物性動態(tài)結(jié)構(gòu)一般與物質(zhì)機能化關(guān)聯(lián)NMR可應(yīng)用于多層次結(jié)構(gòu)解析出發(fā)物或粗產(chǎn)物質(zhì)－－純物質(zhì)－－譜儀－數(shù)據(jù)處理(確認)

最近以來發(fā)展趨勢：色譜-質(zhì)譜-NMR連用，但要求技術(shù)高。萃取、精餾(對液態(tài))重結(jié)晶、升華（對固態(tài)）氣液色譜(已發(fā)展很快)A.非分光法B.分光法目前五十六頁\總數(shù)七十一頁\編于十四點核磁共振在物質(zhì)科學中的應(yīng)用NMR波譜學是物理學、化學以及生命科學等多學科研究物質(zhì)成分、結(jié)構(gòu)和動態(tài)強有力的常規(guī)工具。它對有機化學、生物化學、材料化學、植物化學、藥物化學乃至物理化學、無機化學等均起著積極的推動作用。它在藥學、化工、石油、橡膠、建材、食品、冶金、地質(zhì)國防、環(huán)保、紡織及其它工業(yè)部門用途日益廣泛。波譜學有很強的理論性，也有很高的應(yīng)用性，快速、靈敏、準確是它的應(yīng)用特點。目前五十七頁\總數(shù)七十一頁\編于十四點核磁共振在物理學中的主要應(yīng)用核磁矩的測量量子算法驗證。。。。。。目前五十八頁\總數(shù)七十一頁\編于十四點核磁共振在化學中的主要應(yīng)用基本化學結(jié)構(gòu)的確定、立體構(gòu)型和構(gòu)象的確定；化學反應(yīng)機理研究、化學反應(yīng)速度測定；化學、物理變化過程的跟蹤；化學平衡的研究及平衡常數(shù)的測定；溶液中分子的相互作用及分子運動的研究（氫鍵相互作用、分子鏈的纏結(jié)、膠束的結(jié)構(gòu)等）；混合物的快速成分分析。目前五十九頁\總數(shù)七十一頁\編于十四點核磁共振在生命科學中的應(yīng)用核磁共振基本原理-引言龐文民1）測定生物大分子在溶液中的三維結(jié)構(gòu)：是目前為止唯一能夠準確測定生物大分子在溶液中的三維結(jié)構(gòu)的方法；最具前沿科學的不溶性蛋白或膜蛋白空間三位結(jié)構(gòu)研究也需要用到固體核磁。2）蛋白質(zhì)與核酸的相互作用：分子生物學、分子遺傳學、基因調(diào)控、藥物設(shè)計等領(lǐng)域中都要涉及的重大問題；3）蛋白質(zhì)卷曲和折疊研究：研究卷曲和折疊的動力學過程；4）藥物設(shè)計：研究激素-受體復(fù)合物；酶與底物的復(fù)合物；功能蛋白與靶分子復(fù)合物，特別是關(guān)于結(jié)合點的結(jié)構(gòu)信息。目前六十頁\總數(shù)七十一頁\編于十四點核磁共振在醫(yī)學中的應(yīng)用核磁共振成像技術(shù)（MRI）主要是臨床診斷的成像、研究動植物形態(tài)的微成像、功能成像和分子成像。目前六十一頁\總數(shù)七十一頁\編于十四點核磁共振在材料科學中的主要應(yīng)用高功率固體NMR是研究高分子聚合物、玻璃、陶瓷、煤、樹脂、新型表面活性劑、壓電物質(zhì)的研究等非常重要的、有的時候甚至是唯一的方法。利用核磁共振方法有可能解決某些屬于分子結(jié)構(gòu)和晶體結(jié)構(gòu)的問題，有可能研究固體中分子運動的性質(zhì)，研究結(jié)構(gòu)相變（例如鐵電體的結(jié)構(gòu)相變），研究磁性材料中不同晶格位置上的超精細場等。利用核磁共振方法研究硅酸鹽材料中硅結(jié)構(gòu)的變化，可以知道水泥中硅的聚合度。可以研究硅酸鹽玻璃中鋁的配位結(jié)構(gòu)及其變化。核磁共振技術(shù)在創(chuàng)新藥物研究及藥物質(zhì)量控制方面具有廣泛的應(yīng)用，不僅能定性定量分析藥物及雜質(zhì)，而且能建立復(fù)雜的中藥指紋圖譜。目前六十二頁\總數(shù)七十一頁\編于十四點核磁共振在工業(yè)領(lǐng)域中的應(yīng)用在石油分析中，用它做定性和定量分析。運用核磁共振磁力儀，在油氣勘探中可直接尋找油氣藏，確定圈閉面積及油氣水界面，提供可靠的油氣地質(zhì)儲量，為勘探人員尋找油氣開辟了新途徑；在實驗室，利用核磁共振成像技術(shù)，可以描述巖心結(jié)構(gòu)、構(gòu)造、小斷層、含油飽和度等，為油田開發(fā)、部署生產(chǎn)井提供可靠的數(shù)據(jù)。該技術(shù)具有分析速度快、成本低、巖樣無損、準確性高等特點，是目前較為理想的儲層快速評價技術(shù)。在日用化學和食品工業(yè)中，使用核磁測量物質(zhì)的含水量和含油量以及其它性質(zhì)。精細有機合成，環(huán)保中水質(zhì)穩(wěn)定劑和水質(zhì)處理劑的機理、過程研究，合成反應(yīng)過程的在線監(jiān)控和原料、最終產(chǎn)品的質(zhì)量監(jiān)控都離不開使用NMR譜儀。目前六十三頁\總數(shù)七十一頁\編于十四點PicoSpin-45微型核磁共振波譜儀共振頻率：45MHz分辨率：優(yōu)于100ppb信噪比：≥300,純水單次掃描液體石英毛細管：300umID重量：4.7kg目前六十四頁\總數(shù)七十一頁\編于十四點

JosephP.Hornak,Ph.D.

Copyright?1997-99J.P.Hornak.AllRightsReserved.目前六十五頁\總數(shù)七十一頁\編于十四點參考文獻：1.ContemporaryInstrumentalAnalysis,KennethA.Rubiuon(影印版),第十一章,科學出版社.白春禮主編2003,p477-513.2.譜學導論,范康年,北京，科學出版社，2001年3.現(xiàn)代核磁共振實用技術(shù)及應(yīng)用，毛希安，2000年4.核磁共振原理與試驗方法，高漢賓等，2008年5.生物大分子多維核磁共振，夏佑林等，1999年6.核磁共振實驗200例——實用教程，陶家洵等譯，2008年7.