核磁共振實驗課

核磁共振實驗課第1頁，共18頁，2023年，2月20日，星期五

核磁共振與Nobel的不解之緣-獲得最多的一個科學專題6次-1943年諾貝爾物理獎授予用分子束測定質(zhì)子所釋放的核磁函數(shù)的德國科學家O.Stem施泰恩-1944年諾貝爾物理獎授予發(fā)現(xiàn)分子束磁共振的美國科學家Rabi；-1952年的諾貝爾物理獎授予發(fā)現(xiàn)宏觀物質(zhì)NMR現(xiàn)象的兩位美國科學家Purcell和Bloch；-1992年諾貝爾化學獎單獨授予瑞士科學家Ernst，表彰他對NMR波譜學實現(xiàn)和發(fā)展傅里葉變換、多維技術(shù)的貢獻；-2002年的諾貝爾化學獎的一半授予瑞士科學家Wüthrich，表彰他用多維NMR波譜學在測定溶液中蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的三維構(gòu)象方面的開創(chuàng)性貢獻；-2003年的諾貝爾生理和醫(yī)學獎授予美國科學家Lauterbur和英國科學家Mansfield，表彰他們在磁共振成象(magneticresonanceimaging,MRI)技術(shù)領(lǐng)域的突破性成就。后三次諾貝爾獎標志著NMR的研究領(lǐng)域已從早期的物理學進入到化學和生命科學的廣闊天地。第2頁，共18頁，2023年，2月20日，星期五NMR的應(yīng)用領(lǐng)域化學結(jié)構(gòu)鑒定：天然產(chǎn)物化學、有機合成化學動態(tài)過程的研究：反應(yīng)動力學、研究平衡過程（化學平衡或構(gòu)象平衡三維結(jié)構(gòu)研究：蛋白質(zhì)DNA/DNA復(fù)合物、多糖藥物設(shè)計：NMR研究構(gòu)效關(guān)系醫(yī)學磁共振成像（MRI)第3頁，共18頁，2023年，2月20日，星期五核磁共振實驗課內(nèi)容一、核磁共振的基本原理二、核磁共振儀器三、核磁共振實驗四、核磁共振譜解析第4頁，共18頁，2023年，2月20日，星期五一、核磁共振的產(chǎn)生核磁共振:是一種物理現(xiàn)象，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方法.NMR激發(fā)樣品時，原子核在不同頻率（共振頻率）產(chǎn)生共振。射頻頻率與磁場強度Bo是成正比的，在進行核磁共振實驗時，所用的磁強強度越高，發(fā)生核磁共振所需的射頻頻率也越高。這些頻率就是核子被外來射頻脈沖激發(fā)而發(fā)射出的頻率第5頁，共18頁，2023年，2月20日，星期五核磁共振的實現(xiàn)頻率掃描（掃頻）：固定磁場強度，改變射頻頻率磁場掃描（掃場）：固定射頻頻率，改變磁場強度實際上多用后者。各種核的共振條件不同，如：在1.4092特斯拉的磁場,各種核的共振頻率為：

1H60.000MHZ13C15.086MHZ19F56.444MHZ

31P24.288MHZ對于1H核，不同的頻率對應(yīng)的磁場強度：射頻

40MHZ磁場強度0.9400特斯拉

601.40921002.35002004.70003007.1000500

11.7500第6頁，共18頁，2023年，2月20日，星期五核磁共振的分類固體核磁共振（半固體）

不溶性的高分子材料、膜蛋白、剛性的金屬及非金屬材料。液體核磁共振

有機化合物，天然產(chǎn)物，生物大分子。核磁共振成像

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。第7頁，共18頁，2023年，2月20日，星期五二、核磁共振的譜儀分類：按磁場源分：永久磁鐵、電磁鐵、超導磁場按交變頻率分：40，60，90，100，200，500，--，800，900MHZ（兆赫茲），頻率越高，分辨率越高按射頻源和掃描方式不同分：連續(xù)波NMR譜儀（CW-NMR)脈沖傅立葉變換NMR譜儀(FT-NMR)①連續(xù)波譜儀：固定電磁波頻率，連續(xù)掃描靜磁感強度或者固定靜磁感強度，連續(xù)改變電磁波頻率，具有該種工作方式的譜儀。缺點：效率低、采樣慢、難于累加，更不能實現(xiàn)核磁共振的新技術(shù)。②傅立葉變換譜儀：先就要使不同基團的核同時共振，同時產(chǎn)生各自的核磁共振信號。為達到這點，我們在某一時刻對樣品應(yīng)加一個相當寬的頻譜的射頻。70年代商用譜儀問世。優(yōu)點：可對少量樣品進行累加測試，完成多種連續(xù)波譜儀不能完成的實驗，例如，多種多樣的核磁共振二維譜。第8頁，共18頁，2023年，2月20日，星期五在靜磁場中,原來簡并的核能級分裂成不同的能級狀態(tài).如果用相應(yīng)頻率的射頻場（RF脈沖）照射，就可觀察到核自旋在能級間的躍遷（能級間的原子核數(shù)差值減小或消失）。或者說,當相應(yīng)頻率的射頻場(RF)脈沖照射時,宏觀磁化矢量將圍繞著射頻場作用的方向從Z-軸轉(zhuǎn)到X-Y平面上.由該平面上的檢測線圈檢測出時間域的FID信號,再通過傅立葉變換得到頻率域的核磁共振譜圖.FTNMR：磁化矢量、射頻脈沖和FID信號B0MB0MRF脈沖，覆蓋了很寬的頻率范圍。接收器ReceiverFTS(t)S(w)FID信號第9頁，共18頁，2023年，2月20日，星期五NMR儀器的主要組成部件從空間上分，主要有兩大部分磁體（含探頭）和譜儀磁體：提供強而均勻的磁場探頭:探頭是核磁譜儀的核心部件，它固定于磁體或磁鐵的中心，為圓柱形。作用有：放置樣品、發(fā)射射頻波脈沖、檢測核磁共振信號、通過壓縮空氣對樣品旋轉(zhuǎn)譜儀：如射頻發(fā)生器，前置放大器，接收器等等。由于是傅里葉變換分析儀器，必須有相應(yīng)的計算機硬件、軟件。高頻核磁譜儀一般配有工作站，以進行復(fù)雜的運算和操作。第10頁，共18頁，2023年，2月20日，星期五900M核磁共振儀第11頁，共18頁，2023年，2月20日，星期五核磁共振靜磁場－超導磁體第12頁，共18頁，2023年，2月20日，星期五常用的核磁共振（NMR）實驗常見一維核磁實驗：1H13C13C－DEPT135o(CHCH3正,CH2負)13C－DEPT90o(CH正)

第13頁，共18頁，2023年，2月20日，星期五核磁共振波譜的測定樣品：純度高，固體樣品和粘度大液體樣品必須溶解。溶劑：氘代試劑(CDCl3,C6D6,CD3OD,CD3COCD3,C5D5N)標準：四甲基硅烷(CH3)4Si，縮寫：TMS

優(yōu)點：信號簡單，且在高場，其他信號在低場，值為正值；沸點低（26。5C)，利于回收樣品；易溶于有機溶劑；化學惰性此外還有：六甲基二硅醚（HMDC,值為0.07ppm),4,4-二甲基-4-硅代戊磺酸鈉（DSS,水溶性，作為極性化合物的內(nèi)標，但三個CH2的值為0.5~3.0ppm,對樣品信號有影響）

第14頁，共18頁，2023年，2月20日，星期五NMR測試步驟1、選擇測試模版：例如1H、13C、dept1352、建立新的實驗數(shù)據(jù)目錄名①命令edc（回車）②設(shè)置新實驗的名稱（NAME）、實驗號（EXPNO）、處理號PROCNO）③點擊SAVE3、鎖場①打命令Lock（回車）②點擊所用氘代溶劑4、探頭調(diào)諧atma5、梯度勻場：打命令topshim（回車）6、自動增益：打命令rga（回車）7、采樣：打命令zg（回車）8、數(shù)據(jù)處理：傅立葉變換fp、相位校正apk、校正基線abs、定標、標峰、積分第15頁，共18頁，2023年，2月20日，星期五NMR解譜1、判斷參考標準物峰、溶劑峰、旋轉(zhuǎn)邊帶、雜質(zhì)峰。2、根據(jù)譜峰的化學位移值，粗略判斷它們分別所屬基團或可能的基團。由1H積分判斷各峰所含1H原子的數(shù)目之比。先判斷特殊的峰。CH3O-，CH3N-，CH3-，CH3CO-3、復(fù)雜譜峰的H譜仔細分析。4、已知化學分子式，應(yīng)計算其不飽和度，了解可能存在的環(huán)及雙鍵數(shù)目。5、對于復(fù)雜譜或常規(guī)譜不能確定分子結(jié)構(gòu)，應(yīng)用其他譜圖結(jié)合分析不飽和度＝F+1+(T-O)/2其中：

F：化合價為4價的原子個數(shù)（主要是C原子），

T：化合價為3價的原子個數(shù)（主要是N原子），

O：化合價為1價的原子個數(shù)（主要是H原子），

第16頁，共18頁，2023年，2月20日，星期五碳譜按化學位移分區(qū)1、飽和碳原子區(qū)《100，飽和碳原子若不直接和雜原子O、S、N、F