核磁共振基本原理課件

核磁共振基本原理核磁共振波譜學的發(fā)展

1946年，Purcell和Bloch觀察到核磁共振現(xiàn)象。于1952年獲得諾貝爾物理獎2024/1/71945-1951年間，化學位移和自旋偶合的發(fā)現(xiàn)，NMR技術的化學應用。1953年世界上第一臺商品化NMR譜儀.1964年世界上第一臺超導磁場的NMR譜儀1971年世界上第一臺脈沖傅立葉變換NMR譜儀2024/1/71976年R.R.Ernst發(fā)表了二維核磁共振的理論和實驗的文章。獲得1991年諾貝爾化學獎2024/1/71．原子核的自旋:atomicnuclearspin

一.基本原理如果放在外磁場中,原子核和電子一樣,存在自旋.從而有自旋角動量(ρ)和磁矩μ2024/1/7核的自旋角動量(ρ)是量子化的，不能任意取值，可用自旋量子數(shù)(I)來描述。I＝0、1/2、1……

h:普朗克常數(shù)

I=0，

ρ=0，無自旋，不能產生自旋角動量，不會產生共振信號。

只有當I

＞O時，才能發(fā)生共振吸收,產生共振信號。

I的取值可用下面關系判斷：

2024/1/72024/1/72.自旋核在外加磁場中的取向(旋轉方向)

取向數(shù)

=2I+1

在沒有外磁場時，自旋核的取向是任意的,并且自旋產生的磁場方向也是任意的.

如果把H核放在外磁場中,由于磁場間的相互作用,氫核的磁場方向會發(fā)生變化:如:H的I=1/2,則:2024/1/7每一種取向都對映一個能級狀態(tài)，有一個ms

。如：1H核：標記ms為－1/2和+1/22024/1/7H0m=1/2m=-1/2m=1m=-1m=0m=2m=1m=0m=-1m=-2I=1/2I=1I=2zzz1Prm=1/2

m=-1/2H0HE2=+mβH0△E=E2－E1=2mβH0E1=－mβH0自旋核在磁場中的行為2024/1/7能級分布與弛豫過程不同能級上分布的核數(shù)目可由Boltzmann定律計算：磁場強度2.3488T；25C；1H的共振頻率與分配比：兩能級上核數(shù)目差：1.610-5；弛豫(relaxtion)——高能態(tài)的核以非輻射的方式回到低能態(tài)。飽和(saturated)——低能態(tài)的核等于高能態(tài)的核。2024/1/7討論:共振條件：

0=

H0/(2)（1）對于同一種核，磁旋比

為定值，H0變，射頻頻率

變。（2）不同原子核，磁旋比

不同，產生共振的條件不同，需要的磁場強度H0和射頻頻率

不同。（3）固定H0，改變

（掃頻），不同原子核在不同頻率處發(fā)生共振（圖）。也可固定

，改變H0（掃場）。掃場方式應用較多。氫核（1H）：1.409T共振頻率60MHz2.305T共振頻率100MHz磁場強度H0的單位：1高斯（GS）=10-4T（特拉斯）2024/1/7氫核（1H）：14092G共振頻率60MHz2.305T共振頻率100MHz磁場強度H0的單位：1高斯（GS）=10-4T（特拉斯）2024/1/7討論:在1950年，Proctor等人研究發(fā)現(xiàn)：質子的共振頻率與其結構（化學環(huán)境）有關。在高分辨率下，吸收峰產生化學位移和裂分，如右圖所示。由有機化合物的核磁共振圖，可獲得質子所處化學環(huán)境的信息，進一步確定化合物結構。2024/1/7四、核磁共振波譜儀

nuclearmagneticresonancespectrometer1．永久磁鐵：提供外磁場，要求穩(wěn)定性好，均勻，不均勻性小于六千萬分之一。掃場線圈。2．射頻振蕩器：線圈垂直于外磁場，發(fā)射一定頻率的電磁輻射信號。60MHz或100MHz。2024/1/7核磁共振波譜儀2024/1/72024/1/72024/1/73．射頻信號接受器（檢測器）：當質子的進動頻率與輻射頻率相匹配時，發(fā)生能級躍遷，吸收能量，在感應線圈中產生毫伏級信號。4．樣品管：外徑5mm的玻璃管,測量過程中旋轉,磁場作用均勻。2024/1/7NMR譜儀600MHz磁體探頭機柜RF產生RF放大信號檢測數(shù)據(jù)采集控制數(shù)據(jù)信息交流運行控制磁體控制前置放大器計算機數(shù)據(jù)儲存;數(shù)據(jù)處理;總體控制.2024/1/7NMR譜儀:探頭RF接口RF線圈+調諧元件(電容器)HelmholtzSolenoid2024/1/7RF-CoilinNMRProbes2024/1/7傅立葉變換核磁共振波譜儀不是通過掃場或掃頻產生共振；恒定磁場，施加全頻脈沖，產生共振，采集產生的感應電流信號，經過傅立葉變換獲得一般核磁共振譜圖。（類似于一臺多道儀）2024/1/72024/1/7超導核磁共振波譜儀：

永久磁鐵和電磁鐵：

磁場強度<25kG超導磁體：鈮鈦或鈮錫合金等超導材料制備的超導線圈；在低溫4K，處于超導狀態(tài)；磁場強度>100kG開始時，大電流一次性勵磁后，閉合線圈，產生穩(wěn)定的磁場，長年保持不變；溫度升高，“失超”；重新勵磁。超導核磁共振波譜儀：

200-400HMz；可高達600-700HMz；2024/1/72024/1/790年代末核磁共振波譜技術的新進展高場超導核磁譜儀的使用900MHz

800MHz2024/1/7樣品的制備：試樣濃度：5-10%；需要純樣品15-30mg；傅立葉變換核磁共振波譜儀需要純樣品1mg；標樣濃度（四甲基硅烷TMS）：1%；溶劑：1H譜四氯化碳，二硫化碳；氘代溶劑：氯仿，丙酮、苯、二甲基亞砜的氘代物；2024/1/7NMR圖2024/1/71.化學位移:

吸收峰所在的相對不同位置.

在照射頻率確定時，都是H核，所以吸收峰的位置應該是相同的,而實際不是這樣.(1).化學位移的由來——屏蔽效應化學位移是由核外電子的屏蔽效應引起的。

2024/1/7

H核在分子中是被價電子所包圍的。因此，在外加磁場的同時，還有核外電子繞核旋轉產生感應磁場H’。如果感應磁場與外加磁場方向相反，則H核的實際感受到的磁場強度為：

式中：σ為屏蔽常數(shù)

核外電子對H核產生的這種作用，稱為屏蔽效應(如果產生磁場與外加磁場同向,稱之為去屏蔽效應)。

2024/1/7顯然，核外電子云密度越大，屏蔽效應越強，要發(fā)生共振吸收就勢必增加外加磁場強度，共振信號將移向高場區(qū)；，共振信號將移向低場區(qū)。2024/1/7(2).

化學位移的表示方法

化學位移的差別約為百萬分之十，精確測量十分困難，現(xiàn)采用相對數(shù)值。以四甲基硅（TMS）為標準物質，規(guī)定：它的化學位移為零，然后，根據(jù)其它吸收峰與零點的相對距離來確定它們的化學位移值。儀器頻率2024/1/7為什么選用TMS(四甲基硅烷)作為標準物質?

(1)屏蔽效應強，共振信號在高場區(qū)(δ值規(guī)定為

0)，絕大多數(shù)吸收峰均出現(xiàn)在它的左邊。

(2)結構對稱，是一個單峰。

(3)容易回收(b.p低)，與樣品不反應、不締合。

2024/1/7(3).影響化學位移(電子云密度)的因素:a.電負性:元素的電負性↑，通過誘導效應，使H核的核外電子云密度↓，屏蔽效應↓，共振信號→低場。例如：

CHaHb高

場低

場屏蔽效應：HaHbO2024/1/7b磁各向異性效應：

A.雙鍵碳上的質子

雙鍵碳上的質子位于π鍵環(huán)流電子產生的感生磁場與外加磁場方向一致的區(qū)域（稱為去屏蔽區(qū)），去屏蔽效應的結果，使雙鍵碳上的質子的共振信號移向稍低的磁場區(qū)

δ=9.4～10

δ=4.5～5.7

2024/1/7c.共軛效應:電子云密度增加→磁屏蔽增加d.Vanderwaals效應:在空間中兩個氫核靠的很近時,核外電子會互相排斥,這時氫核電子密度下降,δ值變大.2024/1/7第六節(jié)核磁共振碳譜(13C)簡介有機化合物中C元素的重要性；核磁共振碳譜與氫譜的差別信號強度低：13C豐度為1.1％；磁旋比比1H小四倍；為1H譜圖的1/6000?；瘜W位移范圍寬δ0～250(350)，有利于結構分析。耦合常數(shù)大13C與直接相連的1H的耦合常數(shù)在125～250Hz；一般通過質子噪聲去耦，得到單峰。2024/1/7弛豫時間長比1H慢；可得到較多信息；不能用于定量共振方法多、信息多質子噪聲去耦、偏共振去耦、門控去耦。譜圖簡單一般為一級譜圖。2024/1/72024/1/72024/1/7第七節(jié)二維核磁共振譜二維譜是兩個獨立頻率變量的信號函數(shù)S(ω1,ω2);目前，主要是先得到以獨立時間為變量的信號函數(shù)S(t1,t2)，再經過傅立葉轉換成為兩個獨立頻率變量的信號函數(shù)。2024/1/7二維譜圖的表示方法2024/1/7二維譜圖舉例12024/1/7譜圖舉例22024/1/7生物大分子空間結構的測定方法X射線晶體學多維核磁共振波譜學2024/1/7

2024/1/7核磁共振的特點蛋白質處于溶液狀態(tài)適合研究蛋白質-蛋白質，蛋白質-核酸，蛋白質-配基相互作用可研究蛋白質分子內部運動可研究膜蛋白核磁共振基本原理11講吳季輝2024/1/7NMRstructureoftherecombinantmurineprionprotein核磁共振基本原理11講吳季輝2024/1/7核磁技術和應用范圍2024/1/7蛋白質三維空間結構測定樣品制備記錄核磁共振譜譜峰歸屬確定二級結構單元約束條件的建立從NMR數(shù)據(jù)到分子模型核磁共振基本原理11講吳季輝2024/1/7藥物設計和篩選2024/1/72024/1/7hr-MASofbiologicaltissue相同強度LipidCH2-COLipidCH2-C=CLipidCH2-CH2-COLipidCH2LipidCH3CitrateLactateAlanine放大＊１０人前列腺組織（prostatetissu）良性

vs.惡