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(chǎng)B1，這稱(chēng)為單頻共振。如果在垂直z的方向上再加上B2，B3等等，這稱(chēng)為多頻共振定義：在同一個(gè)樣品中由兩個(gè)以上的耦合核組成的系統(tǒng)，或有耦合關(guān)系的兩個(gè)自旋系統(tǒng)，激發(fā)一個(gè)核或一個(gè)自旋系統(tǒng)，而同時(shí)觀(guān)測(cè)另一個(gè)核或自旋系統(tǒng)的躍遷，使兩個(gè)核或兩個(gè)自旋系統(tǒng)同時(shí)發(fā)生共振的現(xiàn)象稱(chēng)為雙共振。意義：雙共振實(shí)驗(yàn)可以在確定一些隱藏譜線(xiàn)、簡(jiǎn)化譜圖、提高靈敏度、確定耦合常數(shù)的相對(duì)符號(hào)、化學(xué)位移、能級(jí)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(lèi)：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(guān)察核的種類(lèi)，可以有“同核雙共振”和“異核雙共振”。習(xí)慣上將B2場(chǎng)照射的核寫(xiě)在括號(hào)內(nèi)，而將觀(guān)察核寫(xiě)在括號(hào)外，如13C{1H}表示觀(guān)察的是13C核，B2照射的是1H核。按B2場(chǎng)分類(lèi)，可以是單相干射頻場(chǎng)或無(wú)規(guī)射頻場(chǎng)。在13C-FT-NMR中把強(qiáng)的無(wú)規(guī)噪聲場(chǎng)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(mén)控照射”方式，即可以按照需要設(shè)計(jì)成在某一時(shí)間內(nèi)加上去耦器，而在另一段時(shí)間內(nèi)不加去耦器。按B2的強(qiáng)度不同，實(shí)驗(yàn)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(jiǎn)化，更有效地歸譜圖。自旋去耦方式：用一個(gè)強(qiáng)脈沖，使其中一個(gè)核的兩個(gè)能級(jí)態(tài)發(fā)生劇烈的跳動(dòng)，從而對(duì)外的平均為零，兩個(gè)態(tài)沒(méi)有區(qū)別，使得原來(lái)分裂的譜線(xiàn)重聚。具體地分：寬帶去耦最常用的去耦方法，它使多重線(xiàn)變成單線(xiàn)，簡(jiǎn)化了圖譜，增強(qiáng)了譜線(xiàn)的強(qiáng)度。實(shí)驗(yàn)時(shí)，在正常照射頻率外附加一個(gè)頻帶相當(dāng)寬的去偶場(chǎng)，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(gè)碳原子僅出一條共振譜線(xiàn)。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(jì)算機(jī)產(chǎn)生偽隨機(jī)函數(shù)來(lái)控制射頻相位交替反轉(zhuǎn)的時(shí)間間隔。

實(shí)現(xiàn)方式之一：寬帶去耦優(yōu)點(diǎn)： 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(duì)所有氫進(jìn)行飽和照射，C的譜線(xiàn)得到加強(qiáng)。噪聲調(diào)相實(shí)際上由隨機(jī)函數(shù)來(lái)控制射頻相位交替反轉(zhuǎn)的時(shí)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(qiáng)的射頻場(chǎng)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(qiáng)度大而導(dǎo)電性能較強(qiáng)時(shí)，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(shí)鎖場(chǎng)電平線(xiàn)不穩(wěn)定，而且長(zhǎng)時(shí)間實(shí)驗(yàn)容易使儀器不穩(wěn)定而損壞儀器。2、C信號(hào)受到T1和NOE效應(yīng)影響：T1很長(zhǎng)的樣品，根本不產(chǎn)生信號(hào)；T1較長(zhǎng)的樣品，信號(hào)弱；T1短的，信號(hào)強(qiáng)。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(jí)數(shù)的信息，無(wú)法未知分子中有多少個(gè)CH3-、CH2-、CH-和C-選擇性去耦〔單頻率連續(xù)波去耦〕選擇一個(gè)頻率正好等于某個(gè)質(zhì)子的共振頻率，連續(xù)作用于樣品，單獨(dú)對(duì)該質(zhì)子譜線(xiàn)進(jìn)行干擾，其它質(zhì)子譜線(xiàn)不受影響。根據(jù)去耦場(chǎng)強(qiáng)的大小，可分為：核選擇性去耦：多重峰選擇性去耦：線(xiàn)選擇性去耦：局限： 需要將1H核射頻場(chǎng)的中心頻率對(duì)準(zhǔn)某個(gè)1H核的共振峰進(jìn)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(méi)有對(duì)準(zhǔn)1H照射時(shí)，隨著偏離程度不同會(huì)出現(xiàn)不同程度的偏共振去耦效應(yīng)(耦合沒(méi)有消除，只是耦合分裂被消窄)。當(dāng)偏離太遠(yuǎn)，對(duì)1H就無(wú)法進(jìn)行擾動(dòng)，甚至連偏共振效應(yīng)都沒(méi)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(shí)際上由于分子中13C與質(zhì)子相距很近，耦合很強(qiáng)，13C的譜線(xiàn)分裂的距離很大，不同的13C核的多重線(xiàn)相互重疊很難區(qū)分。如果使去耦頻率不完全對(duì)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(gè)去耦功率就能使耦合常數(shù)減小，從而減小13C多重線(xiàn)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(gè)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(dá)縮小耦合常數(shù)J值防止譜線(xiàn)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(duì)C核總是在回波點(diǎn)上采樣，也可以獲得去耦的效果。對(duì)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(qiáng)度在耦合作用下散開(kāi)后，對(duì)另一核H施加180脈沖，將實(shí)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(chǎng)作用的時(shí)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(gè)相位不同的脈沖組合在一起而到達(dá)單個(gè)脈沖的效果。最簡(jiǎn)單的組合脈沖就是組合脈沖(/2)x()y(/2)x，相當(dāng)于一個(gè)()y脈沖。當(dāng)脈沖功率較低以至于出現(xiàn)偏置效應(yīng)時(shí)，兩邊的二個(gè)(/2)x脈沖就起到補(bǔ)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(qiáng)的射頻功率。去偶點(diǎn)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(huì)得到一連串的效果比較好的去偶點(diǎn)。自旋微擾當(dāng)微擾射頻場(chǎng)強(qiáng)B2的值小于自旋去耦的值()，受B2干擾的能級(jí)不僅粒子數(shù)分布發(fā)生變化，而且會(huì)從原來(lái)的簡(jiǎn)并態(tài)變成非簡(jiǎn)并態(tài)，即B2使能級(jí)分裂，從而使被觀(guān)測(cè)譜也分裂。這種用B2干擾圖譜中某條譜線(xiàn)，而掃描觀(guān)測(cè)其它譜線(xiàn)強(qiáng)度與形狀的變化，稱(chēng)為自旋微擾。2.NOE規(guī)律：圖譜中與被干擾的譜線(xiàn)無(wú)公共能級(jí)的那些譜線(xiàn)不發(fā)生變化；有公共能級(jí)的譜線(xiàn)都分裂為雙線(xiàn)。觀(guān)測(cè)譜線(xiàn)和干擾譜線(xiàn)如果是前進(jìn)式躍遷，那么觀(guān)測(cè)譜線(xiàn)強(qiáng)度增強(qiáng)，但譜線(xiàn)分裂較差；如果兩者是反射式躍遷，譜線(xiàn)強(qiáng)度下降，但譜線(xiàn)分裂較好。譜線(xiàn)的裂距與干擾場(chǎng)B2的強(qiáng)度成正比，并且與被干擾線(xiàn)的強(qiáng)度的平方根成正比。

核間雙共振—INDOR在INDOR實(shí)驗(yàn)中所觀(guān)測(cè)的是某條譜線(xiàn)幅度的變化，它的大小取決于干擾場(chǎng)B2的強(qiáng)度。射頻場(chǎng)B2使共振能級(jí)上的布居數(shù)發(fā)生微小變化，從而影響與這個(gè)躍遷能級(jí)有關(guān)的被觀(guān)測(cè)譜線(xiàn)的強(qiáng)度。連續(xù)波實(shí)驗(yàn)方法是觀(guān)測(cè)射頻場(chǎng)B1始終監(jiān)視某條觀(guān)測(cè)譜線(xiàn)的共振信號(hào)，而掃描B2，使它通過(guò)整個(gè)圖譜，觀(guān)測(cè)譜線(xiàn)的強(qiáng)度隨掃描而發(fā)生的變化，就是INDOR信號(hào)。INDOR信號(hào)有如下，規(guī)律：被監(jiān)視的譜線(xiàn)與被干擾的譜線(xiàn)無(wú)共同能級(jí)時(shí)，無(wú)INDOR信號(hào)。有共同能級(jí)時(shí)出現(xiàn)INDOR信號(hào)。INDOR信號(hào)有正有負(fù)，由兩個(gè)譜線(xiàn)的躍遷的能級(jí)關(guān)系確定，一般前進(jìn)式躍遷出現(xiàn)正的INDOR信號(hào)。反射式躍遷出現(xiàn)負(fù)的INDOR信號(hào)。脈沖傅里葉變換的實(shí)驗(yàn)方法是在去耦通道加門(mén)控選擇性去耦，使某一躍遷的能級(jí)布居數(shù)發(fā)生變化，影響被觀(guān)測(cè)譜中與這兩個(gè)能級(jí)有關(guān)的共振線(xiàn)的強(qiáng)度。觀(guān)測(cè)譜與常規(guī)譜相減就是核間雙共振信號(hào)—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(hào)，把重疊的譜線(xiàn)區(qū)分開(kāi)，用它可以測(cè)量耦合常數(shù)、確定譜線(xiàn)的歸屬。但它對(duì)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(gè)高頻場(chǎng)作用到樣品上使電子發(fā)生共振并到達(dá)飽和狀態(tài)，于是有關(guān)電子能級(jí)上的布居數(shù)到達(dá)相等，從而破壞的核自旋能級(jí)上的布居數(shù)平衡分布，通過(guò)熱弛豫建立新的平衡，這時(shí)核自旋有關(guān)能級(jí)上的布居數(shù)差增加很多，核極化增強(qiáng).NOE是飽和電子共振，觀(guān)測(cè)核共振信號(hào)。NOE是飽和一種核共振，觀(guān)測(cè)另一種核的共振信號(hào)，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(guò)用脈沖激發(fā)使得S核的能級(jí)之間布居數(shù)相等，從而不產(chǎn)生核磁共振信號(hào)，如以下圖所示：在上圖中W1S躍遷是不可能發(fā)生的〔兩個(gè)能級(jí)的布居數(shù)是相等的〕并且W1I也不發(fā)生〔因?yàn)榧ぐl(fā)頻率不對(duì)〕，在這種情況下，W0IS和W2IS成為弛豫的唯一方式。W2IS得到增強(qiáng)，W0IS被減弱。aa(***)(***)

abbb(*)W1SW1SW1IW1Iba(*)W2ISW0ISNuclearOverhauserEffectNOE:對(duì)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(shí)間內(nèi)，X的磁化強(qiáng)度沒(méi)有發(fā)生變化，即在這個(gè)時(shí)候參加去偶是沒(méi)有作用。NOE:零量子躍遷X1

Dp=1X2

Dp=1W0

弛豫后，會(huì)造成X的衰減

(50%)。弛豫需要T1時(shí)間來(lái)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(guò)偶極偶極相互作用，產(chǎn)生了一個(gè)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(yùn)動(dòng)---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(yùn)動(dòng)---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(guò)自旋—晶格間的熱弛豫使核的能級(jí)布居數(shù)發(fā)生變化，增強(qiáng)核極化使NMR信號(hào)提高數(shù)百倍。這是檢測(cè)低靈敏度、低自然豐度的核信號(hào)的重要方法之一?！鰪?qiáng)核磁共振的靈敏度另一種情形也是使自旋共振飽和，但通過(guò)核磁共振使電子自旋共振在相應(yīng)能級(jí)上消除飽和，從而以高的分辨率定