资源描述
2020年9月6日,1,目录,1 系统简介 2 核磁共振仪器的组成及工作原理 3 核磁共振原理:原子核间的相互作用 4 仪器的分辨率及稳定性 5 RF 脉冲 6 去偶 7 水峰的压制技术 8 两维核磁共振 9 核磁共振中梯度场的应用 10. 高分辨魔角旋转光谱 11. 固体核磁共振,2020年9月6日,2,简单介绍,2020年9月6日,3,核磁共振 : 简介,核磁共振或简称NMR是一种用来研究物质的分子结构及物理特性的光谱学方法.它是众多光谱分析法中的一员. 其它的分析方法:电子自旋共振 (ESR/EPR) 红外光谱学 (IR) 质谱学 (MS) 色谱学 (LC/GC/HPLC) X-ray (SCD/XRF/XRD) 核磁共振成像 或称MRI 已经频繁的使用在医院的疾病的诊断中.,2020年9月6日,4,核磁共振 : 简介,虽然一小部分核磁共振仪器在工业上被用来做质量控制,但核磁共振仪器现大部分仍局限在实验室使用. 应用范围:结构确定 Structure Determination 化学鉴定 Chemical Identification 聚合物特性测定 Polymer Characterization 药品开发 Drug Development 催化研究 Catalysis 用户:化学公司 Chemical Companies 药剂化学 Pharmaceutical Companies 石油化工 Petrochemical Industry 高分子材料Polymer Industry 大学 Universities 医院 Hospitals,2020年9月6日,5,核磁共振 : 简介,核磁共振研究的材料称为样品. 样品可以处于液态,固态. 众所周知,宏观物质是由大量的微观原子或由大量原子构成的分子组成, 原子又是由质子与中子构成的原子核及核外电子组成.核磁共振研究的对象是原子核. 一滴水大约由1022分子组成.,m,mm (10-6m),nm (10-9m),A (10-10m),2020年9月6日,6,核磁共振 : 简介,具有非零自旋量子数的原子核具有自旋角动量,因而也就具有磁矩, 例如象1H, 31P, 13C, 15N 等原子核.磁矩是一矢量.如果含有此类核的物质置放于磁场中,原来无规则的磁矩矢量会重新排列而平行于外加的磁场.与外磁场同向和反向的磁矢量符合Boltzmann分布.在数量上同向与反向的差别很小,但正是这一微小的差别造就了核磁共振光谱学.,B0,M,单位体积内原子核磁矩的矢量和定义为宏观磁化强度矢量 M (macroscopic magnetization.其方向与外磁场方向相同,2020年9月6日,7,在磁场中,原来简并的能级分裂成不同的能级状态.如果用适当频率的电磁辐射照射就可观察到核自旋能级的跃迁.原子核能级的变化不仅取决于外部磁场强度的大小及不同种类的原子核,而且取决于原子核外部电子环境.这样我们就可获得原子核外电子环境的信息.宏观上讲,当用适当频率的电磁辐射(RF)照射样品,宏观磁化强度矢量从Z-轴转到X或Y轴上.通过接受器,傅立叶转换就得到核磁共振谱图.,核磁共振 : 简介,B0,M,B0,M,RF 脉冲,接收器 Receiver,FT,S(t),S(w),2020年9月6日,8,核磁共振 : 简介,样品:非磁性及非导电 灵敏度:样品需含 1015 原子核,溶液,固体Solids,成像,NMR,2020年9月6日,9,核磁共振 : 简介,Larmor 频率,化学位移,自旋-自旋偶合,e.g. B0=11.7 T, w(1H)=500 MHz w(13C)=125 MHz 化学位移 B0 kHz 自旋-自旋偶合 Hz-kHz,2020年9月6日,10,核磁共振 : 简介,Information: Larmor 频率原子核 化学位移: 结构测定(功能团) J-偶合: 结构测定(原子的相关性) 偶极偶合:结构测定 (空间位置关系) 弛豫:动力学,1H,13C,CH3,C=CH-,C=C,CH3,2020年9月6日,11,核磁共振 : 简介,分辨率可通过提高外磁场强度和增加谱图的维数而提高. nD NMR (n=2,3,4),1D 谱,2D (轮廓图),2020年9月6日,12,NMR 谱仪,FM,Audio,反馈,2020年9月6日,13,NMR 谱仪,磁体,探头,机柜,RF 产生 RF 放大 信号检测 数据采集控制 数据信息交流 运行控制 磁体控制,前置放大器,计算机,数据储存; 数据处理; 总体控制.,2020年9月6日,14,NMR 谱仪:机柜,AQX (Digital) CCU TCU FCU RCU,VT unit,BSMS shim lock CCU,AQR ASU Router ACB ADC RX22,Amplifier,Amplifier,PTS,2020年9月6日,15,NMR 谱仪: 探头,RF 接口,RF 线圈 + 调谐元件 (电容器),Helmholtz,Solenoid,2020年9月6日,16,RF-Coil in NMR Probes,2020年9月6日,17,NMR 谱仪: 术语和简写,AVANCE 系统: FCU:频率控制单元 Frequency Control Unit ASU:频辐设置单元 Amplitude Setting Unit TCU:时间控制单元 Timing Control Unit CCU:协调控制单元 Communication Control Unit RCU:接收控制单元 Receiver Control Unit BSMS:布鲁可智能磁体控制系统 Bruker Smart Magnet System LOT:发射/调谐开关 Local Oscillator and Tune Board ACB:功放控制板 Amplifier Control Board RX22:接收器 Receiver ADC:数字/摸拟转换器 Analog to Digital Converter HPPR:前置放大器 Pre-amplifier LCB:锁场控制板 Lock Control Board PTS:频率合成器 brand of synthesizer used XwinNMR: 运行软件 Operating Software LINUX/WINDOWS:计算机操作系统 SGI Operating Software Pulse Program:脉冲程序 Operator Instructions for experiment,2020年9月6日,18,NMR 谱仪: 术语和简写,AV 系统: FCU:频率控制单元 Frequency Control Unit SGU:信号产生单元 Amplitude Setting Unit TCU:时间控制单元 Timing Control Unit CCU:协调控制单元 Communication Control Unit RCU:接收控制单元 Receiver Control Unit BSMS:布鲁可智能磁体控制系统 Bruker Smart Magnet System ACB:功放控制板 Amplifier Control Board RX22:接收器 Receiver ADC:数字/摸拟转换器 Analog to Digital Converter HPPR:前置放大器 Pre-amplifier LCB:锁场控制板 Lock Control Board XwinNMR: 运行软件 Operating Software LINUX/WINDOWS:计算机操作系统 SGI Operating Software Pulse Program:脉冲程序 Operator Instructions for experiment,2020年9月6日,19,2. NMR 检测,A: 磁化强度矢量, Larmor 频率 B: RF 脉冲, 脉冲功率, 探头, 电击放电 C: 磁化强度矢量进动, 旋转坐标系, 接收器,前置放大器 D: 接收器增益值, 弛预时间 (T1,T2) E: 傅立叶转换, 正交检测, 频率扫描宽度, 折反峰 folding,B0,M,B0,M,RF pulse,Receiver,FT,S(t),S(w),A,E,C,B,D,2020年9月6日,20,2. a: 宏观磁化强度矢量,M,具有非零自旋量子数的原子核具有自旋角动量,因而也就具有磁矩.在磁场中,原来无规则的磁矩矢量会重新排列而平行于外加的磁场.与外磁场同向和反向的磁矩矢量符合Boltzmann分布.磁矩矢量沿磁场方向的进动使XY平面上的投影相互抵消.由于沿磁场方向能量较低,故原子分布较多一些而造成一个沿Z-轴的非零合磁矩矢量.虽然在理论上经常讨论单一原子的情形,但在实际上,单一原子的核磁信号非常小而无法观测.故此我们定义单位体积内原子核磁矩的矢量和为宏观磁化强度矢量 其方向与外磁场方向相同.以此矢量来描述宏观样品的核磁特性.,2020年9月6日,21,2. a: Larmor 频率,核磁矩沿外磁场方向进动的频率称为Larmor 频率w或共振频率.此频率的大小取决于原子核的种类及外磁场的大小.,g 是磁旋比. 它是原子核本身的属性并只能通过实验获取.,在案BRUKER 仪器上,原子核的频率是通过参数BFn (MHz)设置. 如BF1 代表第一通道. 更精细的频率调节可用参数On来完成. On叫频率偏差频率或偏置频,所以总频率为SFOn: SFO1=BF1+O1,2020年9月6日,22,2. b: RF 脉冲,核磁信号只能在核磁化矢量位于XY平面时才能被检测到.使用与原子核Larmor频率相同无线电射频即可将M 从Z-轴转向X-或Y-轴.,+,M,当观测信号时,RF 脉冲是处于关闭状态. NMR信号是在微伏(microvolts)而RF脉冲是在千伏kilovolts.,2020年9月6日,23,2. b.旋转坐标系,为了更好的描述与简化所研究的体系而引进旋转坐标系统.旋转坐标系统中的Z-轴与传统的三维坐标系的Z-轴一致,而其X-与Y-轴却以与核磁共振频率相同(Larmor 频率)的频率绕Z-轴旋转.在此体系中,核磁矩不在围绕Z-轴旋转而是静止在某一点上.,x,z,y,x,y,z,传统坐标系,X-与Y-轴以Larmor 频率围绕Z-轴旋转,旋转坐标系,2020年9月6日,24,实际应用上的例子. 当磁化矢量被转到XY平面后,它仍以Larmor 频率绕Z-轴旋转.同样的,核磁信号也以大致相当的频率饶Z旋转.然而此高频信号(数百兆赫)是不可能被数字化的,即使使用高分辨的ADC. 实际应用上,就将检测到的信号与一参照频率想混合而得到其差频.此差频落在100KHz的范围内(声频)并很容易被数字化.,2. b.旋转坐标系,2020年9月6日,25,通过RF脉冲的照射,磁化矢量将以RF脉冲的照射方向为轴在垂直于RF脉冲的照射方向的平面内转动.如使用X-脉冲则磁化矢量将围绕X-轴方向在YZ平面内转动. -只要RF脉冲打开,则磁化矢量的转动就不会停止. -磁化矢量的转动速度取决于脉冲强度. -脉冲长度将决定磁化矢量停止的位置.,M,rf,x,y,z,45o,90o,180o,270o,360o,2. b: RF 脉冲,2020年9月6日,26,90o 或p/2 脉冲将给出最大的信号.所以也就成为准确测定此参数的原因之一. 在特定的功率强度下,通过采集一系列不同脉冲长度的谱图以确定最大值或零强度点.此点就给出90o或180o的脉冲. 在BRUKER 仪器, RF 脉冲一般以pn (e.g. p1)等参数来描述其标准单位是微秒(ms). 功率强度是以pln, (e.g.pl1)等参数来描述其标准单位是dB.,M,rf,x,y,z,Pulse length,90,180,270,360,2. b: RF 脉冲,2020年9月6日,27,2. b: RF 产生,频率合成器 Sythesizer,频率控制单元 FCU,时间控制单元 TCU,频辐设置单元 ASU,功放 Amplifier (BLAH, BLAX),到探头,电脑指令,2020年9月6日,28,2. c: 信号接收,M,B0,接受/发射线圈,经过脉冲照射后, 磁化矢量被转到XY平面上并绕Z-轴旋转. 由于此转动切割了接受器的线圈,并在接受器的线圈中产生振荡电流.其频率就是Larmor频率. 在NMR 中,接收线圈与发射线圈是同一线圈. X信号首先被送到前置放大器然后送到接收器.接收器分解此信号使之频率降低到声频范围.模拟数字转换器将此信号数字化.,V,t,2020年9月6日,29,2. c: 前置放大器(Preamp),去接收器的信号,从功放来的RF 脉冲,HPPR,前置放大器 HPPR,前置放大器有两种用途: 1. 放大检测的NMR信号 (从微伏到毫伏) 2. 分离高能RF脉冲与低能 NMR信号. 前置放大器含有一接收发射开关(T/R).其作用就是阻止高压RF脉冲进入敏感的低压的信号接收器.,2020年9月6日,30,2. c: 接收器(Receiver),检测方法: 具有Larmor频率NMR信号与激发脉冲混合,所得的差被数字化.,2020年9月6日,31,2. c: 接收器(Receiver),mixing,信号 (10-800 MHz),SFO1 + 22 MHz (32-822 MHz),自由衰减信号 (FID) (audio: 0-100 kHz),接收器 (RX22),Digitizer (HADC),计算机储存,RX22 检测过程: 具有Larmor频率NMR信号将被混合两次. 首先将信号与SFO1+22MHz的脉冲混合.然后将所得信号再与22 MHz混合而得到具有音频的自由衰减信号(FID). 使用22MHz频率是为避免频率泄露与部件间的频率干扰.,混合(I),mixing,混合(II),IF 22 MHz,2020年9月6日,32,2. c: ADC,NMR 信号通常包含许多共振频率及振辐.为能更好的描述NMR信号, 我们一般使用16 或18 bit ADC. 增益值(RG)应被调节到一适当的值.既能充分利用又不至于使接收器过饱和.,RG 太低,RG 太高,RG 适当,2020年9月6日,33,NMR 信号被称为自由衰减信号 (Free Induction Decay 或 FID). 此信号并不能象COS涵数一样保持同样的振辐持续下去,而是以指数的方式衰减为零. 此一现象是由所谓的自旋-自旋弛预造成.(T2 relaxation) 在BRUKER仪器中,时域信号的数据点是由参数TD 设定.为使时域信号能够被完全采集到,TD应为一适当的值,以免使信号被剪断( truncation).,2. d: 自由衰减信号(Free Induction Decay),TD set proper,*,TD too small,2020年9月6日,34,在测量NMR信号的同时,由于仪器的电子元件及样品本身产生的噪音也同样被接收线圈检测到. 为了得到适当信噪比的图谱我们一般可以增加扫描次数以达到要求的信噪比(S/N), 信号平均是指通过增加扫描次数来压制噪音而增加信号强度的方法. N次额外的扫描回给出 倍的增强的信号强度 在BRUKER仪器中,扫描次数是由参数ns设置. 另外,增加扫描次数时,一定要考虑T1弛豫的影响, 也就是说要考虑参数D1的设置,2. d: 信号平均(Signal Averaging),noise level,signal,2020年9月6日,35,FID,谱图,NS,S/N,1,4,16,256,1 (ref),2x,4x,16x,2. d: 信号平均(Signal Averaging),2020年9月6日,36,2. d: 弛豫效应(Relaxation),NMR信号是一个以常数为T2的指数方式衰减的涵数. T2就是横向弛豫过程的时间常数. 此外,在XY平面的磁化矢量需要一定的时间回到Z-轴上.这一过程需要的时间就叫纵向弛豫时间.其时间常数是T1. T1 和T2 与原子核的种类,样品的特性及状态,温度以及外加磁场的大小有关. 信号平均方法成功的关键就是要正确设定参数D1. D1必须是五倍的T1以保证在下次扫描时磁化矢量完全回到Z-轴. 有时为节省时间,使用小角度的脉冲,重复扫描以达到增强信号的目的.,T1=30s, 4 scans a. D1=150s; 90o pulse; 600s; b. D1=15s; 90o pulse; 60s; c. D1=15s; 30o pulse; 60s.,a,b,c,2020年9月6日,37,2. e: 傅立叶转换(Fourier Transformation),在核磁共振实验中,由于原子核所处的电子环境不同,而具有不同的共振频率.实际上,NMR信号包含许多共振频率的复合信号.分析研究这样一个符合信号显然是很困难的. 傅立叶转换(FT)提供了一种更为简单的分析研究方法.就是将时域信号通过傅立叶转换成频域信号.在频域信号的图谱中,峰高包含原子核数目的信息,而位置则揭示原子核周围电子环境的信息.,time,frequency,FT,2020年9月6日,38,2. e: 傅立叶转换(Fourier Transformation),由于NMR检测器不能检测出顺时针或反时针方向的核磁信号,傅立叶转换后,将给出+w 和 w两个峰.,x,FT,0,-w,w,2020年9月6日,39,NMR Signal,Reference (SFO1),90o,0o,A D C,A,B,Real,Imaginary,数学处理,为了区分顺时针与反时针旋转产生的峰.正交检测方法被用来解决这一问题.通过使用具有900相位差的两个基本点检测器,正负频率就很容易区分开.实际应用中,并非使用两个检测器,而是使用一个检测器.将检测到的信号分成两部分并分别送到具有偿使用900相位差两个通道中.,2. e: 正交检测(Quadrature Detection),2020年9月6日,40,Channel A,Channel B,FT,FT,Channel A + B,2. e: 正交检测(Quadrature Detection),2020年9月6日,41,2. e:傅立叶转换对,cosine,Exponential (slow),Exponential (fast),block,pulse,noise,2020年9月6日,42,2. e: 填零(ZeroFilling),在数据采集时,最好只采集数据直到信号衰减为零,但由于数据点较少而影响谱峰的分辨率.增加采集时间由于信号已没,所采集到的只是噪音.在FID的尾部通过填零的方法可以很好的解决这个文题.,TD=SI=128,TD=128; SI=1024,TD,TD,SI,2020年9月6日,43,2. e: 线宽因子(LineBroadening),Lb=0,Lb=5,Lb=10,NMR信号一般都集中在FID的前部,后部含有的大部分为噪音.将FID乘一权重指数函数就能迫使尾部的FID为零.其程度由参数LB控制.当然还有其他的权重涵数可以利用.使用这些涵数虽可提高信噪比却一牺牲分辨率为代价.在BRUKER仪器中,这些涵数统称为窗口涵数.,2020年9月6日,44,一个有问题的图谱可以通过检查FID来诊断.时域上两个涵书的乘积经傅立叶转化后,其频域的涵数将具有前两时域涵数单独转化成频域涵数的所有特征(convolution theory). 例如一个被剪切的FID可以被看成是FID乘以一常数涵.傅立叶转化后所得涵数具有FID及常数涵数的共同特征.,=,x,FT,2. e:傅立叶转换,2020年9月6日,45,正确图谱,Spike,Arcing,Bad lineshape (shimming),2. e: 傅立叶转换(Fourier Transformation),2020年9月6日,46,采样快慢决定了观测的谱图的频率范围而由所谓的驻留时间参数(DW)确定.两者间的关系由下试确定.,sw=1000 Hz,sw=500 Hz,dw= 0.5ms,dw= 1 ms,2. e: 傅立叶转换(Fourier Transformation),2020年9月6日,47,2. e: 峰折返(Folding),当NMR 信号数字化时速度太慢时会导致对FID信号频率的错误表达.数学上为能正确确定一经过坐标原点的周期涵数的频率,在某一周期内必须有两个已知点.所以对FID信号数字化采样时,也必须在某一周期内采集到至少两个点(Nyquist Theorem). 如果不这样就会产生峰折返.不产生峰折返所能达到的最大频率叫Nyquist Frequency.,真实峰,出现峰,2020年9月6日,48,2. e: 频域谱图宽度(Spectral Window),在BRUKER的仪器中,频域谱图的中央点是由参数SFo1 (=SF + o1)确定. 其中,SF 是所观测的原子核Larmor频率; o1 是偏置频率可以用来改变频域谱图的中央点.,2020年9月6日,49,在实际测试未知样品时,可以使用较大的SW值采样.然后调整O1采样.最后再调整SW.,1. 较大 sw,2. 调整 o1,3. 调整 sw,o1,new o1,sw,sw,new sw,2. e: 频域谱图宽度(Spectral Window),2020年9月6日,50,2. e: 相位调整(Phasing),通常所采集到的谱图含有吸收(absorption)与扩散(dispersion)组份. 通过相位调整可以的到纯粹的吸收峰.,Re,Im,Re,Im,In phase,Out of phase,2020年9月6日,51,在BRUKER仪器中,相位调整首先对最大峰进行零级相位调整PH0,然后以一级相位调整PH1来调节其他的峰.,1. FT phase,2. Adjust ph0 on biggest peak,3. Adjust other peaks with ph1,2. e: 相位调整(Phasing),2020年9月6日,52,3. NMR: 原子核间的相互作用,分子中的原子并不是孤立存在,它不仅在相互间发生作用也同周围环境发生作用,从而导致相同的原子核却有不同的核磁共振频率.,2020年9月6日,53,3. NMR: 化学位移(Chemical Shift),在磁场中,由于原子核外电子的运动而产生一个小的磁场Be(local field).此小磁场与外加磁场(B0)方向相反.从而使原子核感受到一个比外加磁场小的磁场(B0+Blo).此一现象我们称做化学位移作用或屏敝作用.,B0,Be,原子核实际感受到的磁场: B = (1-s) B0 s化学位移常数,2020年9月6日,54,3. NMR: PPM 单位,由于化学位移是与外加磁场成正比,所以在不同的磁场下所的花絮位移数值也不同.也会引起许多麻烦.引入ppm并使用同意参照样品,就是光谱独立于外加磁场.,参照样品峰,300 MHz,500 MHz,300 MHz,500 MHz,1 ppm = 300 Hz,1 ppm = 500 Hz,2020年9月6日,55,HC=O,HC=,CH2,CH3,即使使用不同的仪器或在不同的场强下,相同的官能团具有相同的ppm值.不同的官能团由于存在于不同的电子环境因而具有不同的化学位移,从而使结构坚定成为可能.,3. NMR: 化学位移(Chemical Shift),2020年9月6日,56,3. NMR: 自旋-自旋偶合(Scalar Coupling),相邻的原子核可以通过中间媒介(电子云)而发生作用.此中间媒介就是所谓的化学键.这一作用就叫自旋-自旋偶合作用(J-偶合).特点是通过化学键的间接作用.,C,H,C,H,H,C,异核 J-coupling,同核 J-coupling,JCH,JHH,2020年9月6日,57,自旋-自旋偶合引起共振线的分裂而形成多重峰.多重峰实际代表了相互作用的原子核彼此间能够出现的空间取向组合.,原始频率,w,w-J/2,w+J/2,JCH,3. NMR: 自旋-自旋偶合(Scalar Coupling),2020年9月6日,58,3. NMR: 同核J-偶合(Homonuclear J-Coupling),多重峰出现的规则: 1. 某一原子核与N个相邻的核相互偶合将给出(n+1)重峰. 2. 等价组合具有相同的共振频率.其强度与等价组合数有关. 3. 磁等价的核之间偶合作用不出现在谱图中. 4. 偶合具有相加性. 例如:,2020年9月6日,59,Ha,Hb,C,C,Hc,A,B,C,B,C,A,A,B,C是化学等价的核,JAB=JAC,3. NMR: 同核J-偶合(Homonuclear J-Coupling),2020年9月6日,60,Ha,Hb,C,C,Hc,B,C是化学不等价的核,JAC=10 Hz,JAC=4 Hz,JBC=7 Hz,A,B,C,wA,JAC,JAC,3. NMR: 同核J-偶合(Homonuclear J-Coupling),2020年9月6日,61,3. NMR: 异核J-偶合(Heteronuclear J-Coupling),*CH,*CH2,*CH3,*C,2020年9月6日,62,由于一些核的自然丰度并非如此100%.顾此谱图中可能出现偶合分裂的峰和无偶合的峰.氯仿中的氢谱是一个典型的例子.,x100,H-13C,H-13C,105 Hz,H-12C,3. NMR: 异核J-偶合(Heteronuclear J-Coupling),2020年9月6日,63,4. NMR: 分辨率与稳定性(Resolution and Stability),为能区分微小的化学位移和偶合常数,高的分辨率仪器(0.1Hz)是必须的.它不仅要求外磁场必须具有相当的稳定性,同时要求处于同位置但相同的核给出相同的共振频率也就是说线宽要非常得心应手小. 稳定性是通过稳定的磁体及锁场系统来实现,而小的线宽则通过能提供均匀场强的磁体及匀场来完成.,2020年9月6日,64,4. NMR: 锁场(Lock),实验对磁场稳定性的要求可以通过锁场实现.通过不间断的测量一参照信号(氘信号)并与标准频率进行比较. 如果出现偏差,则此差值被反馈到磁体并通过增加或减少辅助线圈(Z0)的电流来进行矫正.,2D,Lock TX,Lock RX,Lock freq.,D,Z0-coil,2020年9月6日,65,4. NMR: 匀场(Shimming),在样品中,磁场强度应该是均匀且单一,以使相同的核无论处于样品的何种位置都应给出相同的共振峰.为达此目的,一系列所谓匀场线圈按绕制所提供的涵数方式给出补偿以消除磁场的不均匀性,从而得到窄的线形.实际应用中可分为低温匀场(cryo-shims)线圈和室温匀场线圈RT-shims). 低温匀场线提供较大的矫正.,2020年9月6日,66,4. NMR: 匀场(Shimming),匀场线圈分为两组: 改变Z-轴方向场强的称为纵向匀场(axial, on-axis or z-shims); 改变垂直与Z-轴方向场强的称为横向匀场(transverse or off-axis shims).,2020年9月6日,67,4. NMR: 匀场效果(Effect of Z-Shims), Z,+ Z2,- Z2,+ Z4,- Z4, Z3, Z5,2020年9月6日,68,4. NMR: 匀场(Shimming),匀场需要丰富经验为基础.通过观察锁场信号高低,样品信号线形及FID.,2020年9月6日,69,4. NMR: 匀场(Shimming),当初次安装仪器或探头时,旋转与非旋转样品线形是一个标准的参考数据. 氢谱的线形数据是通过测量氘代丙酮中3%的氯仿而得. 数据 0.3/7/14表明 Hz at 50%;半峰宽 7 Hz at 0.55%;碳卫星峰高度的峰宽 14 Hz at 0.11%1/5碳卫星峰高度的峰宽,13C satellites,215 Hz,2020年9月6日,70,4. NMR: Shimming,样品旋转 在 50,0.55 and 0.11%处确定峰宽数值,50%,0.11%,0.55%,旋转边带,2020年9月6日,71,4. NMR: 匀场(Shimming),50%,0.11%,0.55%,样品不旋转 在 50,0.55 and 0.11%处确定峰宽数值,2020年9月6日,72,5. NMR: RF 脉冲,在传统坐标系中,由于外加磁场对原子核的作用，磁化矢量以Larmor 频率绕外加磁场进动. 如果旋转坐标系的旋转频率与原子核的共振频率相同，在旋转坐标系中则没有磁场而磁化矢量也就会静止不动但如果旋转坐标系的旋转频率与原子核的共振频率有差别，则磁场就会出现而磁化矢量会围绕此小磁场运动此小磁场叫偏置场,传统坐标系,旋转坐标系,在共振,共振偏置,旋转坐标系,2020年9月6日,73,5. NMR: RF 脉冲,z,w1= weff,x,M,在共振的 RF脉冲,共振偏置的脉冲,如果 RF 脉冲施加在原子核的共振频率，则磁化矢量就绕施加的场转动.,如果 RF 脉冲未施加在原子核的共振频率则磁化矢量就绕施加的场与磁场的合场方向转动.,2020年9月6日,74,5. NMR: 共振与偏置共振（On and off resonance）,在共振,接近共振,偏置共振,通过改变以达 到共振频率,2020年9月6日,75,由于核磁共振的样品经常包含多余一个的峰，脉冲不可能对所有的共振进行在共振激发但若以高功率的脉冲（使有效场尽可能贴近平面）仍可达到近似的效果实际应用上使用短而强的脉冲,RF (O1),5. NMR: RF 脉冲,2020年9月6日,76,5. NMR: RF 脉冲,2020年9月6日,77,计算脉冲强度: 若 p/2 脉冲 10 ms 则2p 脉冲 40 ms 那么 w1 1/40ms = 25 kHz,若 p/2 脉冲太长，可以增加功率是其变短不要超过探头所能负担的功率否则会损坏探头！,RF功率放大器的输出功率是用dB. dB的数值表示与最大输出功率相比实际输出功率衰减的程度 由上式可看出每 6 dB 衰减将使输出的伏特值减半而使脉冲长度加倍在仪器中，脉冲强度由ln设定dB表示小强度，表示大强度,Attenuation(dB)= -20 log (V/Vmax),5. NMR: RF 脉冲,2020年9月6日,78,5. NMR: 脉冲测定（Paropt）,Paropt 是一程序它可改变某一参数（，等）并将一系列处理的谱图列出谱图储存在处理数控的文件中,运行Paropt, 首先要得到一谱图以确定谱图战士区域(dp1). 然后在特定的脉冲强度改变值最大峰为何，第一个零点为,dp1,2020年9月6日,79,通过限定激发宽度，我们就可选择的激发某一特定区域施加等幅或调制振幅与相位选择性脉冲可完成这一使命,等幅,调制 RF,选择激发,Dante,软脉冲,整形脉冲,Adiabatic Pulses,Shaped Dante,5. NMR: 选择性脉冲（Selective RF Pulses）,2020年9月6日,80,通过对脉冲的时域涵数傅立叶转换，此脉冲的激发图象可在频域谱中直观的表现出来,frequency,FT,频率,时间,5. NMR: 选择性脉冲（Selective RF Pulses）,2020年9月6日,81,激发脉冲的时域与频域关系，可使制作整形脉冲和选择激发区域变得容易,5. NMR: 选择性脉冲（Selective RF Pulses）,2020年9月6日,82,5. NMR: 选择性脉冲（Selective RF Pulses）,2020年9月6日,83,选择脉冲的长度决定激发区域,Gauss: 4 ms,hard p/2 pulse,Gauss: 2 ms,Gauss: 1 ms,5. NMR: 选择性脉冲（Selective RF Pulses）,2020年9月6日,84,Eburp, 20 ms,通过改变选择脉冲的频率可以改变选择激发的位置 spoffs1 etc.,5. NMR: 选择性脉冲（Selective RF Pulses）,2020年9月6日,85,.,5. NMR:整形脉冲的一些特性,2020年9月6日,86,6. NMR: Decoupling,原子核间的偶合导致谱图的复杂化,original frequency,w,w+J/2,w-J/2,JCH,2020年9月6日,87,6. NMR: 去偶(Decoupling),如果峰数不多，偶合的方式仍可分析出但当很多锋出现时，偶合方式的分析就不是那么容易,*CH3-CH2-,未去偶,氢去偶,2020年9月6日,88,氢对碳的偶合作用可以通过对氢施加一个脉冲消除.此一技术称为去偶.对氢核的饱和照射,促使氢核的自旋状态快速的变换,临近的碳核无法感觉到氢核的自旋状态的取向而只感受到氢核两种取想的平均效果.具体的说,对氢核的饱和照射使碳核原来的两条共振线w-J/2和w+J/2合并平均而得到(w-J/2)+(w+J/2)/2=w.,p-pulse on H,这相当于使用一系列1800脉冲快速照射氢核.,w+J/2,w-J/2,w+J/2,w-J/2,w+J/2,w-J/2,6. NMR: 去偶(Decoupling),2020年9月6日,89,氢去偶除简化碳谱还因为有核的Overhauser效应而增加信噪比.,decoupled,coupled,C-H,C-H2,*CH3-CH2-,6. NMR: 去偶(Decoupling),2020年9月6日,90,实际应用中,一个连续脉冲照射在氢的共振频率而不是使用一系列1800脉冲.次法称为宽带去偶. 去偶实验应注意以下两点: 1.氢脉冲应施加在氢的共振频率上. 2脉冲的强度要足够强但又要比探头承受的强度低.,6. NMR: 去偶(Decoupling),2020年9月6日,91,6. NMR: 去偶与脉冲强度的关系,去偶与脉冲强度的关系,2020年9月6日,92,6. NMR: 去偶,脉冲强度及偏值频率的关系,Proton resonance offset,Proton RF power,2020年9月6日,93,6. NMR: 组合脉冲去偶(Composite Pulse Decoupling),在工作上的去偶实验很易成功,但偏置共振中,去偶效率随偏置频率的增加很快降低.虽可增加脉冲强度,但探头对大功率的承受程度又阻止无限增加脉冲强度. 好的解决方法就是将去偶的强度均匀开以增加去偶的宽度. 一系列的组合脉冲适用于此一目的. Waltz, Garp, Dipsi, Mlev etc. 称为组合脉冲去偶序列或CPD.使用这些脉冲序列要设置两个基本点参数900脉冲长度及强度.,2020年9月6日,94,7. NMR: 水峰压制(Water Suppression),核磁共振实验样品有许多是溶在水中,而水的共振信号又是实际样品的数千甚至数万倍.ADC的资源基本上被用来描述水峰而很少一部分用来描述实际的样品以致样品的信号被淹没在噪音.,x 64,问题: - 动态范围; - 实际样品的信号低S/N; -实际样品的信号淹没在基线噪音中; - 接近水峰的信号”骑”在水峰上. 解决方法: 在采样前压制水峰. 一经常用到的方法是预饱和.,2020年9月6日,95,7. NMR: 预饱和(Presaturation),使用一长约定1-2s而低的脉冲选择的使水峰达饱和状态,然后用一硬900脉冲激发样品.其结果是使接受器的增益参数增加而提高动态范围及S/N.,压水峰实验: 1. 脉冲序列 zgpr; 2. 预饱和时间为 1.5s; 3. O1移到水峰位置. 4. 逐渐的增加脉冲强度; 5.优化匀场条件,并准确调整O1位置.,2020年9月6日,96,8. Two-Dimensional NMR,如果使用两个基本点脉冲采集一系列谱图,同时依此增加两脉冲的时间间隔t1.第一个脉冲将磁化矢量转到XY平面上,此磁化矢量将围绕Z-轴旋转.由于在不同时间内磁化矢量转到不同的位置,导致第二个脉冲过后采集到的FID具有不同的相位和振幅.于是可以说这一系列FID的相位和振幅被t1所调制.,增加t1,t1,t2,2020年9月6日,97,8. 2D NMR,FID的相位及振幅被t1调制也就等于谱图的相位及振幅被t1调制.从傅立叶转换中很容易看到这一点.,FT (t2),t2,t1,t1,f2,2020年9月6日,98,8. 2D NMR,对t1进行第二次傅立叶转换就可以确定调制频率.就是将所有谱图的第一个点进行傅立叶转换,然后第二个点一直到所有的点.所得的谱图就是一个单位均为频率的两维谱图.,FT (t1),f2,f2,f1,t1,2020年9月6日,99,8. 2D NMR,2D NMR 谱图常以轮廓图表示而不用三维的方式.相同情况同样使用在地图上,2020年9月6日,100,8. 2D NMR,两维谱图可简化图谱增加分辨率同时也可得到原子间的相关关系.,2020年9月6日,101,8. 2D NMR: Cosy,2D Cosy 谱中,交叉峰 f1=a, f2=b 表明a与b有自旋-自旋偶合作用.投影图将给出一般的氢谱,2020年9月6日,102,8. 2D NMR: Cosy,500 MHz N-type COSY spectrum of Strychnine,.,Cosy 经常用于氢的二维谱.在此基础上演化出Tocsy, and DQF-Cosy.,2020年9月6日,103,8. 2D NMR: Noesy,Noesy的交叉峰表示原子相互在空间上相邻.其强度可用来估算原子间距并以此推断分子的空间结构.,Ha,Hb,fc,Hc,2020年9月6日,104,8. 2D NMR: Noesy,Noesy 经常被用来确定一些生物大分子象蛋白质,核酸, DNA, RNA 等.,水中gramicidine 的400 MHz Noesy 谱.,2020年9月6日,105,8. 2D NMR: 异核相关谱(Heteronuclear Correlation),C-H异核相关谱给出碳氢的偶合关系.,2020年9月6日,106,8. 2D NMR: Heteronuclear Correlation,异核相关谱可通过观测碳(1H-13C Hetcor) 或观测氢 (HMQC, HSQC). 观测氢的实验也称做反相实验.,13C-1H HMQC of Sucrose in D2O,13C,1H,2020年9月6日,107,核磁共振光谱中的磁场梯度原理Principles of Magnetic Field Gradients in NMR Spectroscopy,9. 磁场梯度(Magnetic Field Gradients),2020年9月6日,108,梯度场被广泛的应用在核磁共振实验,其特点是: - 消除额外干扰信号而增加动态范围. - 节省时间(不在需要相位循环) - 减少信号干扰( t1-噪音) - 提高谱图质量.,9. 磁场梯度(Magnetic Field Gradients),2020年9月6日,109,Worst case scenario Cosy spectrum.,t1-噪音峰,中央峰 (axial peaks),扫描循环太快,在相同条件下采集的梯度场 Cosy 谱,9. 磁场梯度(Magnetic Field Gradients),2020年9月6日,110,同性均匀磁场,进动频率 (Larmor) w 正比与 gi B0 gi 磁旋比. g1H=4 g13C 若 B0 = 11.7T 那么 w1H=500 MHz 在旋转坐标系(w) 磁化矢量静止不动,9. 梯度场,2020年9月6日,111,在外磁场施加一个Z方向的梯度场.,施加的梯度场与外磁场叠加,因此,原子核将经历一个不同的磁场.因而将围绕新的磁场以不同的频率进动. w(z) = g B0 + g z Gz,9. 梯度场,2020年9月6日,112,在旋转坐标西中,假如梯度场强为 20 G/cm 线圈的有效长度是 1 cm. 1Gauss相当于 4258 Hz氢的频率. 处于 z = +0.5 cm的原子核就会以0.5*20*4258 = 42580 Hz的速度旋转, 而在z = 0的原子则静止不动.,在外磁场施加一个Z方向的梯度场.,9. 梯度场,2020年9月6日,113,由于所处不同平面位置的原子核将感受到不同的磁场而磁化矢量具有不同的旋转频率,从而形螺旋状,其螺矩取决于梯度场的强度.,9. 梯度场,2020年9月6日,114,MRI/NMR imaging,叠加在主磁场上的梯度场使原子核的共振频率成为空间的涵数.在核磁成象(MRI)实验中,磁化矢量是在梯度场打开的情况下检测的.所以MRI谱图给出频率的分布.每一频率层表明样品中的不同位置而其强度表明具有相同频率原子核的数量.,(Reproduced from Ernst et al. Principles Of Nuclear Magnetic Resonance in One and Two Dimensions, Oxford University Press),9. 梯度场成象,2020年9月6日,115,x,y,x,z,image plane,y,9. Gradients: Imaging,2020年9月6日,116,9. 梯度场在NMR的应用,由于梯度场使处于不同位置的原子核具有不同的频率,因此在施加梯度场前转到XY平面的聚焦的磁化矢量,在梯度场打开后会很快散开.梯度场关闭磁化矢量将以没有梯度场时的频率旋转.梯度场实际是以脉冲的形式施加在样品上.不同强度的梯度场脉冲可以使磁化矢量散开相同的程度,只是施加梯度场的时间不同而已.,磁化矢量,注意:只有横向磁化矢量被散焦,而纵向磁化矢量不受影响.,2020年9月6日,117,9. 梯度场(水峰压制),1. 选择激发水峰,2. 施加梯度场打散水峰信号,3. 900硬脉冲激发其他峰信号.,2020年9月6日,118,p/2,p/2,RF,水峰,梯度,FID,ref: Doddrell et al.J.Mag.Reson 1986,70,176,2mM Sucrose in H2O top: single pulse bot: Submerge,rg=1,rg=64,x8,9. 梯度场(水峰压制),SUBMERGE: 使用梯度场及 选择性脉冲的水峰压制,2020年9月6日,119,在许多应用中,被梯度场打散的确信号有通过施加梯度场重新聚焦形成回波. 两个基本的脉冲序列,gradient recalled echo和gradient spin echo.,1. Gradient Recalled Echo,9. 梯度回波,2020年9月6日,120,9. 梯度回波,2020年9月6日,121,2a. 自旋回波,2b. 梯度回波,9. 梯度回波,2020年9月6日,122,9. 梯度回波,2020年9月6日,123,选择1800脉冲翻转除水外 原子核的自旋状态,2mM Sucrose in H2O top: single pulse bot: Watergate,rg=1,rg=64,水门(WATERGATE) 利用梯度回波的水峰压制,9. 梯度场:水峰压制,2020年9月6日,124,9. 梯度场替代脉冲相循环,许多NMR 实验利用 RF 脉冲的相循环以选择需要的”coherences”(同相重叠态). 梯度场可实现同一目的从而消除了相循环. 例如COSY 实验. 为实现正交检测,消除横向轴峰需要四步相循环. 而使用梯度场一步即可完成.,2020年9月6日,125,9. COSY P/N 选择: 一次扫描,500 MHz vinylbromide的氢 COSY谱. 只扫描一次导致P,N-型谱同时出现.,N-type 对角线,Axial peaks,P-type 对角线,2020年9月6日,126,500MHz vinylbromide的氢COSY谱. 扫描四次消除横向轴峰及实现正交检测.,RF,p/2,FID,t1,相位,0,0 90 180 270,0 180 0 180,9. COSY P/N 选择: 相循环,2020年9月6日,127,500MHz vinylbromide的氢COSY谱. 使用梯度场扫描一次消除横向轴峰及实现正交检测.,RF,p/2,梯度场,FID,t1,1,n,n=1 P-type,9. COSY P/N 选择: 梯度场,2020年9月6日,128,n=-1 N-type,500MHz vinylbromide的氢COSY谱. 使用梯度场扫描一次消除横向轴峰及实现正交检测.,RF,p/2,梯度场,FID,t1,1,n,9. COSY P/N 选择: 梯度场,2020年9月6日,129,500MHzN-type Strychnine的氢 COSY谱.使用梯度场扫描一次,9. COSY P/N 选择: 梯度场,2020年9月6日,130,9. 多量子过滤中的梯度场,500 MHz 使用单(上)双(下)量子过滤的重水中蔗糖的氢谱.,RF,p/2,梯度场,FID,1,n,多量子同相重叠态的”阶”指两状态的磁量子数之差.处在多量子同相重叠态的核磁子散相的速度与其”阶”成正比.通过使用一定比例的一对梯度检测之前而可以选择的聚焦某一处于多量子同相重叠态的原子核.,2020年9月6日,131,甲乙醚: CH3-CH2-OCH3 MQ 选择(1:n)的两梯度场,CH2,OCH3,CH3,n=1,n=2,n=3,n=4,n=5,9. 多量子过滤中的梯度场,2020年9月6日,132,500 MHz 双量子过滤的 COSY 谱(m of 1,4 androstene-di
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