NMR基礎(chǔ)知識(shí)簡(jiǎn)介

NMR基礎(chǔ)知識(shí)簡(jiǎn)介2023年2月4日2

化學(xué)結(jié)構(gòu)鑒定天然產(chǎn)物化學(xué)有機(jī)合成化學(xué)

動(dòng)態(tài)過(guò)程的研究

反應(yīng)動(dòng)力學(xué)研究平衡過(guò)程（化學(xué)平衡或構(gòu)象平衡）

三維結(jié)構(gòu)研究

蛋白質(zhì)

DNA.蛋白/DNA復(fù)合物多糖

藥物設(shè)計(jì)

NMR研究構(gòu)效關(guān)系（SAR）

醫(yī)學(xué)

－磁共振成像（MRI）NMR的應(yīng)用領(lǐng)域2023年2月4日3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Solids成像NMRNMR樣品要求2023年2月4日4NMR譜圖包含的信息Information:Larmor頻率 原子核化學(xué)位移: 結(jié)構(gòu)測(cè)定(功能團(tuán))J-偶合:

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

動(dòng)力學(xué)

1H13CCH3>C=CH-HHCCCHHHHDJHHHCJCHC>C=C<CH32023年2月4日5吸收（或發(fā)射）光譜，檢測(cè)分子中某種原子核對(duì)射頻的吸收。

只有自旋量子數(shù)（I）不為零的核才有NMR信號(hào)

質(zhì)量數(shù)和原子序數(shù)都為偶數(shù)I=0(12C,16O)

質(zhì)量數(shù)為偶數(shù)，原子序數(shù)為奇數(shù)I=整數(shù)(14N,2H,10B)

質(zhì)量數(shù)為奇數(shù)I=半整數(shù)(1H,13C,15N,31P)

原子核的自旋態(tài)是量子化的:

m=I,(I-1),(I-2),…,-I

m

為磁量子數(shù).NMR背景2023年2月4日6

對(duì)于

1H,13C,15N,31P（生物相關(guān)的核）:

m=1/2,-1/2

這表明這些核只有兩種狀態(tài)（能級(jí)）.

原子核另一個(gè)重要的參數(shù)是磁矩（m）:

m=gIh/2p

磁矩是一個(gè)矢量，它給出了“原子核磁體”的方向和大?。◤?qiáng)度）

h

為普朗克常數(shù)

g

為旋磁比,不同的原子核具有不同的旋磁比.

不同的原子核具有不同的磁矩NMR背景2023年2月4日7

在基態(tài)下核自旋是無(wú)序的，

彼此之間沒(méi)有能量差。它們的能態(tài)是簡(jiǎn)并的:

由于原子核具有核磁矩，當(dāng)外加一個(gè)強(qiáng)磁場(chǎng)時(shí)（Bo）,核磁矩的取向會(huì)與外磁場(chǎng)平行或反平行:

取向與外磁場(chǎng)平行核的數(shù)目總是比取向反平行的核稍多.Bo=gh/4p磁場(chǎng)的作用

（對(duì)

I=?）2023年2月4日8

當(dāng)外加一個(gè)磁場(chǎng)時(shí)，取向與外磁場(chǎng)（Bo）平行和反平行的核之間會(huì)有能量差:

每個(gè)能級(jí)都有不同的布居數(shù)（N）,

布居數(shù)的差別與能量差有關(guān)遵守Boltzmman分布: Na/Nb=eDE/kT

400

MHz（Bo

=9.5T）下的1H，能量差為3.8x10-5Kcal/mol Na/Nb

=1.000064

與UV或IR相比，布居數(shù)的差別很小。Bo=0Bo>0DE=hnab能量和布居數(shù)2023年2月4日9

原子核的能量（對(duì)于一個(gè)核自旋）與核磁矩和外加磁場(chǎng)的大小成正比:E=-m

.

Bo

E(up)=ghBo

/4p---E(down)=-ghBo

/4p

DE=ghBo

/2p

這個(gè)能量的差就是每個(gè)核可以吸收的能量（與信號(hào)的強(qiáng)度和靈敏度直接相關(guān)）:

磁體的磁場(chǎng)越強(qiáng)

（大的Bo），NMR譜儀的靈敏度就越高。

具有較大g值的核，吸收或發(fā)射的能量就越大，也就越靈敏。靈敏度與m、

Na-Nb及“線圈的磁通量”都成正比，這三者都與

g成正比，所以靈敏度與g3成正比。

如果考慮同位素的天然豐度,13C(~1%)的靈敏度要比1H低上6400倍。g13C=6,728rad/G

g1H=26,753rad/G僅僅是

g

的原因

，1H的靈敏度就大約是13C的64倍能量和靈敏度2023年2月4日10

能量與頻率是相關(guān)的，我們可以作一些簡(jiǎn)單的數(shù)學(xué)變換：

DE=hn

n=gBo

/2p

DE=ghBo/2p

對(duì)于1H來(lái)說(shuō)，在通常的磁體中(2.35-18.6T),其共振的頻率在100-800MHz之間。對(duì)13C,是其頻率的1/4。

在解釋有些NMR原理時(shí),我們需要用到圓周運(yùn)動(dòng)。

對(duì)于描述圓周運(yùn)動(dòng)Hz并不是一個(gè)好的單位。我們把進(jìn)動(dòng)（或Larmor

）頻率定義為

w:

w

=

2pn

wo

=gBo

（弧度）10-10 10-8

10-6

10-4

10-2

100

102

wavelength(cm)

g-rays

x-rays

UV

VIS

IR

m-wave

radio能量和頻率2023年2月4日11

wo與什么樣的進(jìn)動(dòng)相關(guān)呢?有一個(gè)現(xiàn)象我們還沒(méi)涉及，它就是自旋角動(dòng)量

l,所有的核都具有自旋角動(dòng)量。

我們可以粗略的認(rèn)為核繞著自己的z軸旋轉(zhuǎn)。如果核磁矩m不為零，它就是一個(gè)旋轉(zhuǎn)的原子磁體。

如果我們外加一個(gè)強(qiáng)磁場(chǎng)

Bo,磁矩

m

與

Bo

相互作用會(huì)產(chǎn)生一個(gè)扭力。不論磁矩

m

的初始取向如何，他都將傾向與

Bo平行。lBoBoor...mm進(jìn)動(dòng)和旋轉(zhuǎn)的陀螺2023年2月4日12

由于自旋角動(dòng)量

l

的原因，磁矩為

m

的核會(huì)自旋,因此兩個(gè)力會(huì)同時(shí)作用在它上面，一個(gè)力把它拉向

Bo方向，另一個(gè)使它保持自旋。最終結(jié)果是

m繞著

Bo進(jìn)動(dòng)。

理解進(jìn)動(dòng)最好的辦法是想象一個(gè)旋轉(zhuǎn)的陀螺在重力作用下的運(yùn)動(dòng)情景。

核磁矩

m

繞著B(niǎo)o進(jìn)動(dòng)的頻率與從能級(jí)差值計(jì)算所得的頻率是相等的。

雖然這兩個(gè)頻率沒(méi)有明顯的聯(lián)系，但是由嚴(yán)格的量子力學(xué)推導(dǎo)也可以得到這一結(jié)論。

有些現(xiàn)象對(duì)于經(jīng)典NMR模型來(lái)說(shuō)可以把它們看作一個(gè)黑匣子。Bowom進(jìn)動(dòng)2023年2月4日13

宏觀磁化矢量

Mo,與布居數(shù)的差（Na–Nb）成正比，它是所有核磁矩m

共同作用的結(jié)果

我們可以把每一個(gè)小磁矩

m

分為在

z

軸和

<xy>

平面上兩個(gè)分量。

<xy>

平面上分量的取向是隨即的，彼此相互抵消。對(duì)于z方向分量的和即為宏觀磁化矢量。它與Na–Nb成正比。

在實(shí)際的樣品中討論宏觀磁化矢量更復(fù)合實(shí)際情況，所以在后面的部分中我們將使用宏觀磁化矢量來(lái)描述。

m

和

Mo之間有一個(gè)很重要的不同點(diǎn)。前者是量子化的，只能有兩個(gè)狀態(tài)（a

或

b），后者是對(duì)于所有自旋而言的，它具有連續(xù)的狀態(tài)數(shù)目。MoyxzxyzBoBo宏觀磁化矢量2023年2月4日14

NMR激發(fā)需要核自旋體系吸收能量。能量的來(lái)源是一個(gè)由變化的電場(chǎng)所產(chǎn)生的振蕩的射頻電磁輻射。MozxiB1

=C*cos(wot)B1Transmittercoil(y)yBoNMR激發(fā)2023年2月4日15RF脈沖核磁信號(hào)只能在核磁化矢量位于XY平面時(shí)才能被檢測(cè)到.使用與原子核Larmor頻率相同無(wú)線電射頻即可將M從Z-軸轉(zhuǎn)向X-或Y-軸.MMrf+M當(dāng)觀測(cè)信號(hào)時(shí),RF脈沖是處于關(guān)閉狀態(tài).NMR信號(hào)是在毫伏(microvolts)而RF脈沖是在千伏kilovolts.2023年2月4日16

前面我們已經(jīng)介紹了脈沖，下面我們來(lái)看看脈沖的作用原理。射頻脈沖是頻率為wo的連續(xù)波（cosine）與階梯函數(shù)的組合結(jié)果。

這是脈沖在時(shí)間域的形狀。通過(guò)對(duì)其進(jìn)行FT變換，我們可以分它在頻率域的覆蓋范圍。

對(duì)其進(jìn)行FT的結(jié)果是一個(gè)中心位于

wo，兩邊覆蓋一定頻率寬度的信號(hào)。其覆蓋的頻率寬度與tp成反比：f1/t.*=tpFTwo脈沖2023年2月4日17

脈沖的寬度不只和其覆蓋的頻率范圍有關(guān)，它還表明外加射頻場(chǎng)B1的作用時(shí)間。因此，它就是外加扭力對(duì)宏觀磁化矢量Mo的作用時(shí)間。

特定傾倒角脈沖的寬度也儀器本身有關(guān)（B1），我們習(xí)慣上以脈沖使宏觀磁化矢量?jī)A倒的角度來(lái)標(biāo)識(shí)脈沖。所以我們常見(jiàn)的脈沖有

p/4、p

/2

和

p

脈沖。zxMxyyzxyMoB1qttpqt=g*tp*B1脈沖寬度和傾倒角2023年2月4日18

最常用的脈沖是p

/2脈沖，它使磁化矢量完全傾倒到

<xy>平面：

p

脈沖也很重要，它使得自旋體系的布居數(shù)反轉(zhuǎn)。

原則上講我們可以得到任意角度的脈沖。zxMxyyzxyMop/2zx-MoyzxyMop一些常用的脈沖2023年2月4日19通過(guò)RF脈沖的照射，磁化矢量將以RF脈沖的照射方向?yàn)檩S在垂直于RF脈沖的照射方向的平面內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)。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(dòng)。

-只要RF脈沖打開(kāi)，則磁化矢量的轉(zhuǎn)動(dòng)就不會(huì)停止。-磁化矢量的轉(zhuǎn)動(dòng)速度取決于脈沖強(qiáng)度。-脈沖長(zhǎng)度將決定磁化矢量停止的位置。Mrfxyz45o90o180o270o360oRF脈沖2023年2月4日2090o

或p/2脈沖將給出最大的信號(hào)，所以也就成為準(zhǔn)確測(cè)定此參數(shù)的原因之一。在特定的功率強(qiáng)度下，通過(guò)采集一系列不同脈沖長(zhǎng)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(lái)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(lái)描述其標(biāo)準(zhǔn)單位是dB。MrfxyzPulselength90180270360RF脈沖2023年2月4日21信號(hào)接收MB0接受/發(fā)射線圈經(jīng)過(guò)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(dòng)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。信號(hào)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(hào)使之頻率降低到聲頻范圍。模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器將此信號(hào)數(shù)字化。Vt2023年2月4日22

Nyquist原理表明采樣的速度至少要是最快的信號(hào)（頻率最高）的兩倍。

如果采樣的速度是信號(hào)頻率的兩倍，我們就可以清楚的記錄這一頻率的信號(hào)。

如果采樣速率降低一半，我們就只能得到頻率為真實(shí)頻率?的信號(hào)。這些信號(hào)會(huì)折疊回我們的譜中，相位會(huì)與其它的峰不同。這種現(xiàn)象叫做

aliasing.SR=1/(2*SW)數(shù)據(jù)采集2023年2月4日23采樣快慢決定了觀測(cè)的譜圖的頻率范圍，在Bruker儀器中，采樣的快慢由駐留時(shí)間參數(shù)(DW)確定。駐留時(shí)間和譜寬間的關(guān)系由下試確定：sw=1000Hzsw=500Hzdw=0.5msdw=1ms數(shù)據(jù)采集2023年2月4日24接收器(Receiver)檢測(cè)方法:具有Larmor頻率NMR信號(hào)與激發(fā)脈沖混合，所得的差被數(shù)字化。混合檢測(cè)的信號(hào)(10-800MHz)參照頻率(10-800MHz)自由衰減信號(hào)(FID)(audio:0-100kHz)接受器(RX22)數(shù)字化器(HADC)計(jì)算機(jī)儲(chǔ)存2023年2月4日25

當(dāng)宏觀磁化矢量Mo受到p

/2

脈沖的傾倒到<xy>平面后，檢測(cè)線圈中會(huì)出現(xiàn)NMR信號(hào)。

核自旋系統(tǒng)會(huì)向平衡態(tài)恢復(fù)，宏觀磁化矢量Mo在

<xy>

平面內(nèi)的馳豫可用指數(shù)函數(shù)描述。所以檢測(cè)線圈會(huì)檢測(cè)到一個(gè)衰減的cosine信號(hào)（單個(gè)自旋種類）w

=

woMxyw

-

wo>0timeMxytime自由感應(yīng)衰減（FID）2023年2月4日26

在實(shí)際的樣品中可能存在數(shù)以百計(jì)的自旋系統(tǒng)，它們的共振頻率各不相同。我們用射頻脈沖同時(shí)激發(fā)所有的頻率，接收線圈會(huì)同時(shí)檢測(cè)到所有頻率的信號(hào)。我們看到的結(jié)果是所有信號(hào)的疊加，這就是FID信號(hào)。

對(duì)FID信號(hào)進(jìn)行FT處理就可以得到NMR譜圖。自由感應(yīng)衰減（FID）2023年2月4日27NMR譜儀2023年2月4日28NMR譜儀2023年2月4日29

NMR譜儀2023年2月4日30NMR探頭2023年2月4日31NMR譜儀:術(shù)語(yǔ)和簡(jiǎn)寫(xiě)AV系統(tǒng):CCU: 通訊控制單元CommunicationControlUnitTCU: 時(shí)間控制單元TimingControlUnitFCU: 頻率控制單元FrequencyControlUnitGCU： 梯度控制單元GradientControlUnitSGU: 信號(hào)產(chǎn)生單元AmplitudeSettingUnitDRU: 數(shù)字化接收單元DigitalReceiverUnitBSMS: 布魯克智能磁體控制系統(tǒng)BrukerSmartMagnetSystemACB: 功放控制板AmplifierControlBoardRXAD: 接收器與模/數(shù)轉(zhuǎn)換器ReceiverandAnalogtoDigitalConverter HPPR: 前置放大器Pre-amplifierSLCB： 樣品和液氦液面控制板SampleandLevelControlBoardSCB： 勻場(chǎng)控制板ShimmingControlBoardLCB: 鎖場(chǎng)控制板LockControlBoardLTX： 鎖場(chǎng)信號(hào)發(fā)射板LockTransmitterLRX： 鎖場(chǎng)信號(hào)接受板LockRecieverTOPSPIN: 運(yùn)行軟件OperatingSoftware2023年2月4日32

通常

B1

的頻率會(huì)設(shè)置的比其它所有信號(hào)的頻率都高（或低）。這樣作的目的是為了避免有信號(hào)的頻率高于（或低于）參考頻率。這樣計(jì)算機(jī)就可以知道信號(hào)的正負(fù)了。

這樣做會(huì)有兩個(gè)問(wèn)題：第一個(gè)是噪音問(wèn)題，多余的噪音會(huì)折疊回NMR譜中，影響信噪比。第二個(gè)是激發(fā)脈沖問(wèn)題，激發(fā)較寬的譜寬需要更高功率的脈沖。

最好的解決辦法是把參考頻率設(shè)置到譜頻率的中間。carrier正交檢測(cè)(QuadratureDetection)2023年2月4日33由于NMR檢測(cè)器不能檢測(cè)出順時(shí)針或反時(shí)針?lè)较虻暮舜判盘?hào),傅立葉轉(zhuǎn)換后,將給出+w

和–w兩個(gè)峰.xVtxVtFT0-ww正交檢測(cè)2023年2月4日34

怎樣才能區(qū)別信號(hào)的頻率比參考頻率快還是慢呢？解決這個(gè)問(wèn)題的辦法就是使用兩個(gè)檢測(cè)器，其相位相差90度。

頻率高的信號(hào)與頻率低的信號(hào)正負(fù)相反，這樣就可以區(qū)分開(kāi)頻率的正負(fù)。w(B1)BFBFPH=0PH=90PH=0PH=90FFSS正交檢測(cè)2023年2月4日35NMRSignalReference(SFO1)90o0oADCABRealImaginary數(shù)學(xué)處理通過(guò)使用具有900相位差的兩個(gè)基本點(diǎn)檢測(cè)器，正負(fù)頻率就很容易區(qū)分開(kāi)。實(shí)際應(yīng)用中，并非使用兩個(gè)檢測(cè)器，而是使用一個(gè)檢測(cè)器。將檢測(cè)到的信號(hào)分成兩部分并分別送到具有償使用900相位差兩個(gè)通道中。正交檢測(cè)2023年2月4日36ChannelAChannelBFTFTChannelA+B正交檢測(cè)2023年2月4日37

頻域譜寬度(SW)和中心頻率（O1P）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(cè)的原子核Larmor頻率;o1p是偏置頻率可以用來(lái)改變頻域譜圖的中央點(diǎn).o1po1po1p2023年2月4日38在實(shí)際測(cè)試未知樣品時(shí),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swo1pnewo1pswswnewsw

頻域譜寬度(SW)和中心頻率（O1P）2023年2月4日39ADCNMR信號(hào)通常包含許多共振頻率及振輻.為能更好的描述NMR信號(hào),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(guò)飽和.RG太低RG太高RG適當(dāng)2023年2月4日40NMR信號(hào)被稱為自由衰減信號(hào)(FreeInductionDecay或FID).此信號(hào)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-自旋馳豫造成.(T2relaxation)在BRUKER儀器中,時(shí)域信號(hào)的數(shù)據(jù)點(diǎn)是由參數(shù)TD

設(shè)定.為使時(shí)域信號(hào)能夠被完全采集到,TD應(yīng)為一適當(dāng)?shù)闹?以免使信號(hào)被截?cái)?truncation).自由衰減信號(hào)(FreeInductionDecay)TDsetproper*TDtoosmall2023年2月4日41在測(cè)量NMR信號(hào)的同時(shí),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(cè)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(hào)平均是指通過(guò)增加掃描次數(shù)來(lái)壓制噪音而增加信號(hào)強(qiáng)度的方法.N次額外的掃描回給出倍的增強(qiáng)的信號(hào)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(shí),一定要考慮T1弛豫的影響,也就是說(shuō)要考慮參數(shù)D1的設(shè)置信號(hào)平均(SignalAveraging)noiselevelsignal2023年2月4日42FID譜圖NSS/N14162561(ref)2x4x16x信號(hào)平均(SignalAveraging)2023年2月4日43

到目前為止我們還沒(méi)談到宏觀磁化矢量回復(fù)到平衡態(tài)的過(guò)程。這一過(guò)程就是馳豫過(guò)程。馳豫分為兩種類型，它們都與時(shí)間成指數(shù)衰減關(guān)系。縱向馳豫（自旋－晶格馳豫）

（T1）

它主要影響磁化矢量在z

軸方向的分量（Mz）-自旋系統(tǒng)與周圍的環(huán)境發(fā)生能量交換，

自旋系統(tǒng)回復(fù)到平衡態(tài)。-與其它核的偶極偶合以及順磁物質(zhì)會(huì)

影響到T1時(shí)間的大小。橫向馳豫（自旋－自旋馳豫）（T2）

它主要影響磁化矢量在<xy>平面的分量（Mxy）-自旋－自旋相互作用使得Mxy散相-還會(huì)受到磁場(chǎng)不均運(yùn)性的影響-小于T1MzzxyMxyzxy馳豫現(xiàn)象(Relaxation)2023年2月4日44弛豫效應(yīng)NMR信號(hào)是一個(gè)以常數(shù)為T(mén)2的指數(shù)方式衰減的函數(shù)。

T2就是橫向弛豫過(guò)程的時(shí)間常數(shù)。此外，在XY平面的磁化矢量需要一定的時(shí)間回到Z-軸上。這一過(guò)程需要的時(shí)間就叫縱向弛豫時(shí)間，其時(shí)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(chǎng)的大小有關(guān)。信號(hào)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(shí)磁化矢量完全回到Z-軸。有時(shí)為節(jié)省時(shí)間，使用小角度的脈沖，重復(fù)掃描以達(dá)到增強(qiáng)信號(hào)的目的。T1=30s,4scansa.D1=150s;90opulse;600s;b.D1=15s;90opulse;60s;c.D1=15s;30opulse;60s.abc2023年2月4日45傅立葉轉(zhuǎn)換(FourierTransformation)在核磁共振實(shí)驗(yàn)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(shí)際上,NMR信號(hào)包含許多共振頻率的復(fù)合信號(hào).分析研究這樣一個(gè)符合信號(hào)顯然是很困難的.傅立葉轉(zhuǎn)換(FT)提供了一種更為簡(jiǎn)單的分析研究方法.就是將時(shí)域信號(hào)通過(guò)傅立葉轉(zhuǎn)換成頻域信號(hào).在頻域信號(hào)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.timefrequencyFT2023年2月4日46

現(xiàn)在計(jì)算機(jī)中已經(jīng)有了FID數(shù)據(jù)。我們可以對(duì)FID做一些處理，比如數(shù)字濾波等。真正的NMR信號(hào)主要位于FID前面的部分，隨著

Mxy

的衰減，F(xiàn)ID的后部主要以噪音為主。

直觀上講數(shù)字濾波就是給FID乘上一個(gè)函數(shù)，使噪音比例較大的FID末端變得較小。主要為信號(hào)主要為噪音1數(shù)據(jù)處理－窗口函數(shù)(WindowFunction)2023年2月4日47

對(duì)于下面原始的FID，我們分別使用一個(gè)正的和負(fù)的LB值，以說(shuō)明它們對(duì)最終譜圖的影響。FTFTLB=-1.0HzLB=5.0Hz靈敏度和分辨率的增強(qiáng)（EM）2023年2月4日48

Gaussian/Lorentzian（GM）：提高分辨率。相比純粹用負(fù)的LB值來(lái)提高分辨率，對(duì)信噪比的不良影響要小一些。Cosine–

相移

cosine：主要用于二維譜。

窗口函數(shù)的選擇與具體的實(shí)驗(yàn)相關(guān)。F(t)=e-(t*LB+s2t2/2)F(t)=cos(pt/tmax)其它有用的窗口函數(shù)2023年2月4日49SW-spectralwidth(Hz)SI-datasize(points)

數(shù)據(jù)的大小與譜寬（采樣速度）、和采樣時(shí)間有關(guān)。數(shù)據(jù)的點(diǎn)數(shù)越多采樣的時(shí)間就越長(zhǎng)。

即使數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)空間足夠大，過(guò)長(zhǎng)的采樣時(shí)間也會(huì)使實(shí)驗(yàn)的時(shí)間變得很長(zhǎng)。

我們把每個(gè)點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的Hz數(shù)定義為數(shù)字分辨率。

DR=SW/SI

對(duì)于SW為5KHz，F(xiàn)ID點(diǎn)數(shù)為16K的數(shù)據(jù)，其數(shù)字分辨率為：0.305Hz/point.

一個(gè)很明顯的問(wèn)題是：當(dāng)SW很大而SI很小時(shí)，數(shù)字分辨率就很低，不能準(zhǔn)確的反映出譜峰形狀。數(shù)據(jù)大小和沖零(ZeroFilling)2023年2月4日50

當(dāng)采樣時(shí)間不是足夠長(zhǎng)（數(shù)據(jù)點(diǎn)數(shù)較少）時(shí)，通過(guò)沖零可以提高數(shù)字分辨率。

沖零就是在FT前，在FID的末端加上大小為零的點(diǎn)。通常沖零的點(diǎn)數(shù)為1倍或2倍。

通過(guò)這種方法可以提高數(shù)字分辨率，通常可以提高譜圖的質(zhì)量。如果最初的FID點(diǎn)數(shù)太少，通過(guò)沖零也不能得到好的譜圖。8Kdata8Kzero-fill8KFID16KFID沖零2023年2月4日51沖零在Topspin軟件中，沖零是通過(guò)設(shè)置SI的值來(lái)實(shí)現(xiàn)的。當(dāng)SI大于TD時(shí)，軟件會(huì)自動(dòng)沖零TD=SI=128TD=128;SI=1024TDTDSI2023年2月4日52在BRUKER儀器中，相位調(diào)整首先對(duì)最大峰進(jìn)行零級(jí)相位調(diào)整PH0，然后以一級(jí)相位調(diào)整PH1來(lái)調(diào)節(jié)其他的峰。1.

FTphase2.Adjustph0onbiggestpeak3.Adjustotherpeakswithph1相位調(diào)整(Phasing)2023年2月4日53NMR: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-kHz2023年2月4日54化學(xué)位移(ChemicalShift)在磁場(chǎng)中，由于原子核外電子的運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生一個(gè)小的磁場(chǎng)Be(localfield)，此小磁場(chǎng)與外加磁場(chǎng)(B0)方向相反，從而使原子核感受到一個(gè)比外加磁場(chǎng)小的磁場(chǎng)(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(shí)際感受到的磁場(chǎng): B=(1-s)B0s化學(xué)位移常數(shù)2023年2月4日55PPM單位由于化學(xué)位移是與外加磁場(chǎng)成正比，所以在不同的磁場(chǎng)下所的化學(xué)位移數(shù)值也不同。也會(huì)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(chǎng)。0Hz15003000450060000ppm48120Hz15003000450060000ppm4812參照樣品峰300MHz500MHz300MHz500MHz1ppm=300Hz1ppm=500Hz2023年2月4日560ppm428610HC=OHC=CH2CH3即使使用不同的儀器或在不同的場(chǎng)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)鑒定成為可能..化學(xué)位移(ChemicalShift)2023年2月4日57自旋-自旋偶合(ScalarCoupling)相鄰的原子核可以通過(guò)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(guò)化學(xué)鍵的間接作用.CHCHHC異核J-coupling同核J-couplingJCHJHH2023年2月4日58自旋-自旋偶合引起共振線的分裂而形成多重峰.多重峰實(shí)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/2JCH自旋-自旋偶合(ScalarCoupling)2023年2月4日59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(gè)相鄰的核相互偶合將給出(n+1)重峰.2.等價(jià)組合具有相同的共振頻率.其強(qiáng)度與等價(jià)組合數(shù)有關(guān).3.磁等價(jià)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:HaHbCCwawbJABHBHBHAHAJAB2023年2月4日60HaHbCCHcAB,CBCAAB,C是化學(xué)等價(jià)的核JAB=JAC同核J-偶合(HomonuclearJ-Coupling)2023年2月4日61HaHbCCHcB,C是化學(xué)不等價(jià)的核JAC=10HzJAC=4HzJBC=7HzABCwAJACJAC同核J-偶合(HomonuclearJ-Coupling)2023年2月4日62異核J-偶合(HeteronuclearJ-Coupling)*CH*CH2*CH3CH1H2H3CH1H2CH1*CC2023年2月4日63由于一些核的自然豐度并非如此100%。因此譜圖中可能出現(xiàn)偶合分裂的峰和無(wú)偶合的峰。氯仿中的氫譜是一個(gè)典型的例子。x100H-13CH-13C105HzH-12C異核J-偶合(HeteronuclearJ-Coupling)2023年2月4日64NMR:鎖場(chǎng)(Lock)實(shí)驗(yàn)對(duì)磁場(chǎng)穩(wěn)定性的要求可以通過(guò)鎖場(chǎng)實(shí)現(xiàn)，通過(guò)不間斷的測(cè)量一參照信號(hào)(氘信號(hào))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(guò)增加或減少輔助線圈(Z0)的電流來(lái)進(jìn)行矯正。2DLockTXLockRXLockfreq.DZ0-coil2023年2月4日65勻場(chǎng)(Shimming)在樣品中，磁場(chǎng)強(qiáng)度應(yīng)該是均勻且單一，以使相同的核無(wú)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(chǎng)線圈按繞制所提供的函數(shù)方式給出補(bǔ)償以消除磁場(chǎng)的不均勻性，從而得到窄的線形.實(shí)際應(yīng)用中可分為低溫勻場(chǎng)(cryo-shims)線圈和室溫勻場(chǎng)線圈(RT-shims)。低溫勻場(chǎng)線提供較大的矯正。2023年2月4日66去偶(Decoupling)原子核間的偶合導(dǎo)致譜圖的復(fù)雜化。CHJCHCHJCHoriginalfrequencyww+J/2w-J/2JCH2023年2月4日67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(shí)，偶合方式的分析就不是那么容易。*CH3-CH2-未去偶?xì)淙ヅ既ヅ?Decoupling)2023年2月4日68氫對(duì)碳的偶合作用可以通過(guò)對(duì)氫施加一個(gè)脈沖消除。此一技術(shù)稱為去偶。對(duì)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(wú)法感覺(jué)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(shuō)，對(duì)氫核的飽和照射使碳核原來(lái)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/2去偶(Decoupling)2023年2月4日69氫去偶除簡(jiǎn)化碳譜還因?yàn)橛泻说腛