核磁共振及其應(yīng)用

核磁共振及其應(yīng)用第1頁，共18頁，2023年，2月20日，星期一概述

核磁共振的方法與技術(shù)作為分析物質(zhì)的手段，由于其可深入物質(zhì)內(nèi)部而不破壞樣品，并具有迅速、準(zhǔn)確、分辨率高等優(yōu)點而得以迅速發(fā)展和廣泛應(yīng)用，已經(jīng)從物理學(xué)滲透到化學(xué)、生物、地質(zhì)、醫(yī)療以及材料等學(xué)科，在科研和生產(chǎn)中發(fā)揮了巨大作用。核磁共振是1946年由美國斯坦福大學(xué)布洛赫(F.Block)和哈佛大學(xué)珀賽爾(E.M.Purcell)各自獨立發(fā)現(xiàn)的，兩人因此獲得1952年諾貝爾物理學(xué)獎。50多年來，核磁共振已形成為一門有完整理論的新學(xué)科。第2頁，共18頁，2023年，2月20日，星期一12位因?qū)舜殴舱竦慕艹鲐暙I(xiàn)而獲得諾貝爾獎科學(xué)家

1944年I.Rabi1952年F.Block1952年E.M.Purcell1955年W.E.Lamb1955年P(guān).Kusch1964年C.H.Townes1966年A.Kastler1977年J.H.VanVleck1981年N.Bloembergen1983年H.Taube1989年N.F.Ramsey1991年R.R.Ernst第3頁，共18頁，2023年，2月20日，星期一核磁共振基本原理核磁共振原理實現(xiàn)核磁共振的兩種方法檢測共振信號的方法傅里葉(Fourier)變換第4頁，共18頁，2023年，2月20日，星期一核磁共振原理

半數(shù)以上的原子核具有自旋，旋轉(zhuǎn)時產(chǎn)生一小磁場。當(dāng)加一外磁場，這些原子核的能級將分裂，既塞曼效應(yīng)。在外磁場B0中塞曼分裂圖：第5頁，共18頁，2023年，2月20日，星期一共振條件：

=0=0

實現(xiàn)核磁共振的兩種方法a．掃場法:改變0b．掃頻法:改變第6頁，共18頁，2023年，2月20日，星期一檢測共振信號的方法

吸收法感應(yīng)法平衡法

優(yōu)點是比較簡單，樣品不易飽和，缺點是振蕩頻率的穩(wěn)定性較差，噪音電平較高。一般只用于寬譜的波譜儀與測場儀優(yōu)點是工作穩(wěn)定度高，噪音低，但漏電流相位不易調(diào)整。常用在商業(yè)波譜儀優(yōu)點是頻率穩(wěn)定好，噪音低，缺點是頻率調(diào)諧范圍不夠?qū)?。常用于靈敏度和分辨力高的波譜儀第7頁，共18頁，2023年，2月20日，星期一傅里葉(Fourier)變換

時域信號F變換頻域信號頻域譜S（t1,t2,…）S(1,2,…)第8頁，共18頁，2023年，2月20日，星期一核磁共振新技術(shù)

核磁雙共振

二維核磁共振

NMR成像技術(shù)魔角旋轉(zhuǎn)技術(shù)

極化轉(zhuǎn)移技術(shù)第9頁，共18頁，2023年，2月20日，星期一核磁雙共振

雙核自旋系統(tǒng)檢測器2擾動1脈沖雙共振是同時用兩種頻率的射頻場作用在兩種核組成的系統(tǒng)上，第一射頻場B1使某種核共振，第二射頻場B2使另外一種核共振，這樣兩個原子核同時發(fā)生共振。

第二射頻場為干擾場，通常用一個強射頻場干擾圖譜中某條譜線，另一個射頻場觀察其他譜線的強度、形狀和精細(xì)結(jié)構(gòu)的變化，從而確定各條譜線之間的關(guān)系，區(qū)分相互重疊的譜線。第10頁，共18頁，2023年，2月20日，星期一二維核磁共振及多維核磁共振

二維核磁共振使NMR技術(shù)產(chǎn)生了一次革命性的變化，它將擠在一維譜中的譜線在二維空間展開（二維譜）,從而較清晰地提供了更多的信息。

第11頁，共18頁，2023年，2月20日，星期一

NMR成像技術(shù)投影重建成像方法Fourier成像方法弛豫時間成像方法逐點掃描方法線掃描方法切片掃描方法高分率成像和快速成像法第12頁，共18頁，2023年，2月20日，星期一Fourier成像方法

Fourier成像是應(yīng)用十分廣泛的一種方法，它與二維（多維）NMR相似。第13頁，共18頁，2023年，2月20日，星期一魔角旋轉(zhuǎn)技術(shù)

在固體中自旋之間的耦合較強，共振譜較寬，掩蓋了其他精細(xì)的譜線結(jié)構(gòu)，耦合能大小與核的相對位置在磁場中的取向有關(guān)，其因子是(3cos2β-1)，如果有一種方法使β=θ=54.440（魔角），則3cosβ-1=0，相互作用減小，達(dá)到了窄化譜線的目的。魔角旋轉(zhuǎn)技術(shù)就是通過樣品的旋轉(zhuǎn)來達(dá)到減小相互作用的，當(dāng)樣品高速旋轉(zhuǎn)時β與θ的差別就會平均掉。第14頁，共18頁，2023年，2月20日，星期一極化轉(zhuǎn)移技術(shù)靈敏核非靈敏核檢測（非靈敏核）J脈沖序列1脈沖序列2

極化轉(zhuǎn)移(PT)是一種非常實技術(shù)，它用二種特殊的脈沖序列分別作用于非靈敏核和靈敏核兩種不同的自旋體系上。通過兩體系間極化強度的轉(zhuǎn)移，從而提高非靈敏核的觀測靈敏度，基本的技巧是從高靈敏度的富核處“借”到了極化強度。第15頁，共18頁，2023年，2月20日，星期一核磁共振應(yīng)用核磁共振適合于液體、固體。如今的高分辨技術(shù)，還將核磁用于了半固體及微量樣品的研究。核磁譜圖已經(jīng)從過去的一維譜圖（1D）發(fā)展到如今的二維（2D）、三維（3D）甚至四維（4D）譜圖，陳舊的實驗方法被放棄，新的實驗方法迅速發(fā)展，它們將分子結(jié)構(gòu)和分子間的關(guān)系表現(xiàn)得更加清晰。在世界的許多大學(xué)、研究機構(gòu)和企業(yè)集團，都可以聽到核磁共振這個名詞，包括我們在日常生活中熟悉的大集團。而且它在化工、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。在中國，其應(yīng)用主要在基礎(chǔ)研究方面，企業(yè)和商業(yè)應(yīng)用普及率不高，主要原因是產(chǎn)品開發(fā)不夠、使用成本較高。但在石油化工、醫(yī)療診斷方法應(yīng)用較多。第16頁，共18頁，2023年，2月20日，星期一一些實際的應(yīng)用分子結(jié)構(gòu)的測定化學(xué)位移各向異性的研究金屬離子同位素的應(yīng)用動力學(xué)核磁研究質(zhì)子密度成像T1T2成像化學(xué)位移成像其它核的成像指定部位的高分辨成像元素的定量分析有機化合物的結(jié)構(gòu)解析表面化學(xué)有機化合物中異構(gòu)體的區(qū)分和確定大分子化學(xué)結(jié)構(gòu)的分析生物膜和脂質(zhì)的多形性研究脂質(zhì)雙分子層的脂質(zhì)分子動態(tài)結(jié)構(gòu)生物膜蛋白質(zhì)——脂質(zhì)的互相作用壓力作用