NMR8-韋芝良-雙共振及NOE

電子科學(xué)系韋芝良雙共振及NOE雙共振；NOE；總結(jié)；1.雙共振單頻共振及多頻共振在z方向上加上B0，而在垂直z的方向上加上射頻場B1，這稱為單頻共振。如果在垂直z的方向上再加上B2，B3等等，這稱為多頻共振定義：在同一個樣品中由兩個以上的耦合核組成的系統(tǒng)，或有耦合關(guān)系的兩個自旋系統(tǒng)，激發(fā)一個核或一個自旋系統(tǒng)，而同時觀測另一個核或自旋系統(tǒng)的躍遷，使兩個核或兩個自旋系統(tǒng)同時發(fā)生共振的現(xiàn)象稱為雙共振。意義：雙共振實驗可以在確定一些隱藏譜線、簡化譜圖、提高靈敏度、確定耦合常數(shù)的相對符號、化學(xué)位移、能級圖等方面起重要作用，因而在確定化合物結(jié)構(gòu)上有幫助。分類：雙共振包含的主要內(nèi)容有：核磁—核磁雙共振；自旋回波雙共振；電子—核雙共振；核磁—核電四極雙共振；光磁雙共振等。雙共振按照照射核和觀察核的種類，可以有“同核雙共振”和“異核雙共振”。習(xí)慣上將B2場照射的核寫在括號內(nèi)，而將觀察核寫在括號外，如13C{1H}表示觀察的是13C核，B2照射的是1H核。按B2場分類，可以是單相干射頻場或無規(guī)射頻場。在13C-FT-NMR中把強的無規(guī)噪聲場照射到1H核上就可以把所有的1H和13C核間的J耦合去掉。按B2的照射方式，B2可以是連續(xù)照射方式。但是在FT-NMR中常常采用“門控照射”方式，即可以按照需要設(shè)計成在某一時間內(nèi)加上去耦器，而在另一段時間內(nèi)不加去耦器。按B2的強度不同，實驗條件和效果的差異，又可細(xì)分為自旋去耦，自旋微擾，核Overhauser效應(yīng)以及核間雙共振等。目的：去掉不需要的偶合，從而使頻譜得到簡化，更有效地歸譜圖。自旋去耦方式：用一個強脈沖，使其中一個核的兩個能級態(tài)發(fā)生劇烈的跳動，從而對外的平均為零，兩個態(tài)沒有區(qū)別，使得原來分裂的譜線重聚。具體地分：寬帶去耦最常用的去耦方法，它使多重線變成單線，簡化了圖譜，增強了譜線的強度。實驗時，在正常照射頻率外附加一個頻帶相當(dāng)寬的去偶場，頻率覆蓋了所有質(zhì)子的共振頻率范圍(一般寬度至少為1kHz)，那么樣品中C和H間的耦合被全部去除，每個碳原子僅出一條共振譜線。脈沖傅里葉變換譜儀上最常用的是噪聲調(diào)相寬帶去耦，即噪聲去耦。由計算機產(chǎn)生偽隨機函數(shù)來控制射頻相位交替反轉(zhuǎn)的時間間隔。

實現(xiàn)方式之一：寬帶去耦優(yōu)點： 位移范圍寬、分辨良好、碳特征明顯；全部氫的耦合信息被去除；碳與氫構(gòu)成AXn體系，對所有氫進行飽和照射，C的譜線得到加強。噪聲調(diào)相實際上由隨機函數(shù)來控制射頻相位交替反轉(zhuǎn)的時間間隔，利用相位的突然反轉(zhuǎn)產(chǎn)生大的頻率覆蓋范圍。局限：1、需要足夠強的射頻場功率才能保證去耦范圍覆蓋全部1H核。當(dāng)樣品的介電常數(shù)較大，特別是當(dāng)樣品的酸堿度或離子強度大而導(dǎo)電性能較強時，由介電損耗和導(dǎo)電損耗所導(dǎo)致的樣品的發(fā)熱效應(yīng)是很顯著的，由此造成在去耦時鎖場電平線不穩(wěn)定，而且長時間實驗容易使儀器不穩(wěn)定而損壞儀器。2、C信號受到T1和NOE效應(yīng)影響：T1很長的樣品，根本不產(chǎn)生信號；T1較長的樣品，信號弱；T1短的，信號強。NOE效應(yīng)程度不一，寬帶去耦譜圖各峰的高度比和積分不能代表各種C原子的相互比例數(shù)。缺乏有關(guān)C級數(shù)的信息，無法未知分子中有多少個CH3-、CH2-、CH-和C-選擇性去耦〔單頻率連續(xù)波去耦〕選擇一個頻率正好等于某個質(zhì)子的共振頻率，連續(xù)作用于樣品，單獨對該質(zhì)子譜線進行干擾，其它質(zhì)子譜線不受影響。根據(jù)去耦場強的大小，可分為：核選擇性去耦：多重峰選擇性去耦：線選擇性去耦：局限： 需要將1H核射頻場的中心頻率對準(zhǔn)某個1H核的共振峰進行照射。它頻帶非常非常窄，偏置效應(yīng)十分顯著。當(dāng)連續(xù)波沒有對準(zhǔn)1H照射時，隨著偏離程度不同會出現(xiàn)不同程度的偏共振去耦效應(yīng)(耦合沒有消除，只是耦合分裂被消窄)。當(dāng)偏離太遠(yuǎn)，對1H就無法進行擾動，甚至連偏共振效應(yīng)都沒有。偏共振去耦原那么上可以從未去耦的13C譜中得知13C核相耦合的質(zhì)子數(shù)目，從而確定其結(jié)構(gòu)；但實際上由于分子中13C與質(zhì)子相距很近，耦合很強，13C的譜線分裂的距離很大，不同的13C核的多重線相互重疊很難區(qū)分。如果使去耦頻率不完全對準(zhǔn)質(zhì)子共振頻率，而稍微偏離一些，并用功率較大的B2連續(xù)輻照質(zhì)子，那么這個去耦功率就能使耦合常數(shù)減小，從而減小13C多重線的距離。耦合常數(shù)的數(shù)值與去耦功率及頻偏大小有關(guān)。只要調(diào)整這兩個參數(shù)就可以使耦合常數(shù)在完全去耦與不去偶之間變化。這樣既到達縮小耦合常數(shù)J值防止譜線重疊，又保存了自旋耦合的信息。1H13CνCHνCH2νCH3νCνCHνCH2νCH3未去耦寬帶去耦偏共振去耦偏共振去耦選擇性去耦脈沖方法去耦去耦不一定非要使H核不停地躍遷，快速旋轉(zhuǎn)。如果引入自旋回波技術(shù)(spinecho)，并且對C核總是在回波點上采樣，也可以獲得去耦的效果。對于異核耦合系統(tǒng)，如CH，當(dāng)位于橫向的C因耦合而分裂的二支磁化強度在耦合作用下散開后，對另一核H施加180脈沖，將實現(xiàn)C分量的回波重聚。自旋回波去耦只是間歇式地發(fā)脈沖，與寬帶去耦相比，射頻場作用的時間可以縮短100倍甚至1000倍，可大大減輕發(fā)熱效應(yīng)。假設(shè)將組合脈沖應(yīng)用到去耦技術(shù)中，可大幅度降低去耦功率。組合脈沖去耦組合脈沖是指將假設(shè)干個相位不同的脈沖組合在一起而到達單個脈沖的效果。最簡單的組合脈沖就是組合脈沖(/2)x()y(/2)x，相當(dāng)于一個()y脈沖。當(dāng)脈沖功率較低以至于出現(xiàn)偏置效應(yīng)時，兩邊的二個(/2)x脈沖就起到補償偏置效應(yīng)的作用。因此用組合脈沖去耦就不需要寬帶去耦那樣強的射頻功率。去偶點的附近性能還是比較好的，因此如果重復(fù)地排列組合脈沖就會得到一連串的效果比較好的去偶點。自旋微擾當(dāng)微擾射頻場強B2的值小于自旋去耦的值()，受B2干擾的能級不僅粒子數(shù)分布發(fā)生變化，而且會從原來的簡并態(tài)變成非簡并態(tài)，即B2使能級分裂，從而使被觀測譜也分裂。這種用B2干擾圖譜中某條譜線，而掃描觀測其它譜線強度與形狀的變化，稱為自旋微擾。2.NOE規(guī)律：圖譜中與被干擾的譜線無公共能級的那些譜線不發(fā)生變化；有公共能級的譜線都分裂為雙線。觀測譜線和干擾譜線如果是前進式躍遷，那么觀測譜線強度增強，但譜線分裂較差；如果兩者是反射式躍遷，譜線強度下降，但譜線分裂較好。譜線的裂距與干擾場B2的強度成正比，并且與被干擾線的強度的平方根成正比。

核間雙共振—INDOR在INDOR實驗中所觀測的是某條譜線幅度的變化，它的大小取決于干擾場B2的強度。射頻場B2使共振能級上的布居數(shù)發(fā)生微小變化，從而影響與這個躍遷能級有關(guān)的被觀測譜線的強度。連續(xù)波實驗方法是觀測射頻場B1始終監(jiān)視某條觀測譜線的共振信號，而掃描B2，使它通過整個圖譜，觀測譜線的強度隨掃描而發(fā)生的變化，就是INDOR信號。INDOR信號有如下，規(guī)律：被監(jiān)視的譜線與被干擾的譜線無共同能級時，無INDOR信號。有共同能級時出現(xiàn)INDOR信號。INDOR信號有正有負(fù)，由兩個譜線的躍遷的能級關(guān)系確定，一般前進式躍遷出現(xiàn)正的INDOR信號。反射式躍遷出現(xiàn)負(fù)的INDOR信號。脈沖傅里葉變換的實驗方法是在去耦通道加門控選擇性去耦，使某一躍遷的能級布居數(shù)發(fā)生變化，影響被觀測譜中與這兩個能級有關(guān)的共振線的強度。觀測譜與常規(guī)譜相減就是核間雙共振信號—INDOR譜。INDOR方法是分析復(fù)雜波譜的有效方法，用它可以發(fā)現(xiàn)隱藏的信號，把重疊的譜線區(qū)分開，用它可以測量耦合常數(shù)、確定譜線的歸屬。但它對儀器精度和穩(wěn)定度要求嚴(yán)格。INDOR的靈敏度比較低。CH間的NOENOE:用一個高頻場作用到樣品上使電子發(fā)生共振并到達飽和狀態(tài)，于是有關(guān)電子能級上的布居數(shù)到達相等，從而破壞的核自旋能級上的布居數(shù)平衡分布，通過熱弛豫建立新的平衡，這時核自旋有關(guān)能級上的布居數(shù)差增加很多，核極化增強.NOE是飽和電子共振，觀測核共振信號。NOE是飽和一種核共振，觀測另一種核的共振信號，是核與核之間的效應(yīng)。NOE主要有兩方面的應(yīng)用:1、提高信噪比；2、獲得耦合信息。使S躍遷飽和的含義是通過用脈沖激發(fā)使得S核的能級之間布居數(shù)相等，從而不產(chǎn)生核磁共振信號，如以下圖所示：在上圖中W1S躍遷是不可能發(fā)生的〔兩個能級的布居數(shù)是相等的〕并且W1I也不發(fā)生〔因為激發(fā)頻率不對〕，在這種情況下，W0IS和W2IS成為弛豫的唯一方式。W2IS得到增強，W0IS被減弱。aa(***)(***)

abbb(*)W1SW1SW1IW1Iba(*)W2ISW0ISNuclearOverhauserEffectNOE:對AX自旋系統(tǒng)中的A施加gB2

aabbabbaaabbabbaX1X2A2A1X1X2A2A1{A}X1

Dp=2X2

Dp=2X1

Dp=2X2

Dp=2在照射后的的一段時間內(nèi)，X的磁化強度沒有發(fā)生變化，即在這個時候參加去偶是沒有作用。NOE:零量子躍遷X1

Dp=1X2

Dp=1W0

弛豫后，會造成X的衰減

(50%)。弛豫需要T1時間來建立新的布居數(shù)分布。aabbabbaX1X2A2A1abaabbbaX1X2A2A1aabbabbaX1X2A2A1{A}X1

Dp=2X2

Dp=2…T1Dec.continueabaabbbaX1X2A2A1delayW0W0W1:單量子弛豫不造成NOE.通過偶極偶極相互作用，產(chǎn)生了一個新的布居數(shù)分布〔雙量子和零量子〕。如果W2發(fā)生較多〔小分子---快速運動---大頻率〕Level

增

level

即使有去偶也增大

aabbabbaX1X2A2A1W2W0W2

路徑產(chǎn)生正的NOELevel

增

level

即使有去偶也增大如果W0發(fā)生較多〔大分子---慢速運動---小頻率〕W0

路徑產(chǎn)生負(fù)的NOEWecannotdetectW2ISorW0IS,buttheyaffectthewaythespinsystemrelaxes.Onehasarateclosetotwice

w,whiletheotheroneisalmostzero(proportionaltoenergydifference).Soonewillberelatedtoveryslowmotions,andtheotheronetofasttumbling...Ifwenowputallthisinabigequation(theSolomonequation)wegetsomethingthatwillhelpusseeseveralthings.Wehave

NOEenhancementfactor

ofnucleiIwhennucleiSissaturated:First,ifthemoleculetumblesrapidly(allsmallorganicgunk)wehavethatundersaturationoftheStransitionsW2ISwilldominate,sothemaximumenhancementforIisgS/gI.Ifwearelookingatthe13Csignalwhiledecoupling(saturating)1H,wegetanenhancementof~4.Ifthemoleculetumblesslowly,asaprotein,W0ISdominates,andwehaveamaximumNOEof-gS/gI.Sincehereweareinterestedin1H-1HNOE,thetheoreticalenhancementwillbe~-1.NuclearOverhauserEffect(evenmore…)sIS=W2IS-W0IS=crossrelaxationraterIS=2W1S+W2IS+W0IS=longitudinalrelaxationrate電子—核雙共振(ENDOR)一種是Overhauser效應(yīng)，利用電子自旋共振飽和，通過自旋—晶格間的熱弛豫使核的能級布居數(shù)發(fā)生變化，增強核極化使NMR信號提高數(shù)百倍。這是檢測低靈敏度、低自然豐度的核信號的重要方法之一?！鰪姾舜殴舱竦撵`敏度另一種情形也是使自旋共振飽和，但通過核磁共振使電子自旋共振在相應(yīng)能級上消除飽和，從而以高的分辨率定