核磁共振簡(jiǎn)介20141119

核磁共振簡(jiǎn)介王雨松2014年11月19日核磁共振是磁矩不為零的原子核，在外磁場(chǎng)作用下自旋能級(jí)發(fā)生塞曼分裂，共振吸收某一定頻率的射頻輻射的物理過(guò)程。什么是核磁共振？孤立原子核，在同樣強(qiáng)度的外磁場(chǎng)中，只對(duì)某一特定頻率的射頻場(chǎng)敏感。分子結(jié)構(gòu)中不同位置的原子核，所感受到的外加磁場(chǎng)的強(qiáng)度各不相同，從而對(duì)不同頻率的射頻場(chǎng)敏感，導(dǎo)致核磁共振信號(hào)的差異。核磁共振研究領(lǐng)域液體核磁共振：有機(jī)小分子、高分子、生物大分子固體核磁共振：高分子、無(wú)機(jī)材料、生物大分子磁共振成像：醫(yī)學(xué)（人體、小動(dòng)物）核磁共振譜儀溫控單元自動(dòng)進(jìn)樣器前置放大器超導(dǎo)磁體機(jī)柜探頭液體核磁1）核磁管（干凈、完好）2）氘代試劑（適合的）3）溶液濃度1H譜：5~10毫克（稀溶液可提高分辨率）13C譜：20~30毫克（濃溶液可提高靈敏度）NMR樣品的準(zhǔn)備√××溶劑太少溶劑太多0.5ml溶劑4cm高液體核磁—1H譜化學(xué)位移耦合積分面積1H譜的特點(diǎn)：靈敏度最高（測(cè)試時(shí)間短，幾分鐘）定量關(guān)系好（同一分子中不同種類氫的比例、混合物中各組分的比例

聚合物的數(shù)均分子量、共聚比例等）復(fù)雜化合物譜峰重疊嚴(yán)重液體核磁—13C譜13C譜的特點(diǎn)：靈敏度低（測(cè)試時(shí)間長(zhǎng)，1小時(shí)~幾十小時(shí)）通常的13C譜圖，譜峰面積沒有定量關(guān)系化學(xué)位移數(shù)值變化范圍較寬，且譜線較窄，很少重疊碳的級(jí)數(shù)容易測(cè)定對(duì)于化合物的立體結(jié)構(gòu)敏感液體核磁—DEPT13C譜通過(guò)三張13C譜，區(qū)分化合物中伯、仲、叔、季四種碳液體核磁—COSY譜相鄰碳上的氫原子之間有相關(guān)峰同核相關(guān)液體核磁—HSQC譜化學(xué)鍵直接相連的碳原子和氫原子有相關(guān)峰異核相關(guān)（近程）液體核磁—HMBC譜相隔兩根或三根化學(xué)鍵的碳原子和氫原子有相關(guān)峰主要用于確定季碳的位置異核相關(guān)（遠(yuǎn)程）一維多核實(shí)驗(yàn)技術(shù)11B19F23Na29Si31P195Pt1Dsel-NOE***選擇性照射溶劑峰抑制水峰未抑制水峰抑制由于計(jì)算機(jī)動(dòng)態(tài)范圍的限制，溶劑峰被抑制后，微弱的信號(hào)才可見。擴(kuò)散實(shí)驗(yàn)DOSY反復(fù)優(yōu)化參數(shù)（Δ、δ）擴(kuò)散序譜是一種利用脈沖梯度場(chǎng)核磁共振對(duì)溶液中具有不同擴(kuò)散系數(shù)(D)的成分進(jìn)行虛擬分離的一種核磁共振技術(shù)。例：不同分子大小的三種物質(zhì)（咖啡因、乙二醇、水）的混合物，因其擴(kuò)散系數(shù)不同，得到了虛擬分離?！坦腆w核磁樣品不溶解樣品溶解，但是結(jié)構(gòu)改變研究從液體到固體的結(jié)構(gòu)變化固相反應(yīng)等研究領(lǐng)域：無(wú)機(jī)材料：分子篩、玻璃、陶瓷等；有機(jī)固體：高分子、膜蛋白等樣品要求：干燥、不導(dǎo)電、無(wú)磁性的固體粉末高速旋轉(zhuǎn)時(shí)，體積不膨脹、不爆炸。為什么要固體核磁？液體NMR與固體NMR的區(qū)別（1）譜線：固體譜線寬、分辨率低液體譜線窄、分辨率高原因：液體分子的快速運(yùn)動(dòng)把使譜線增寬的各種內(nèi)部相互作用平均為零。（2）硬件：

a.Highpower(1000W)shortpulsewidth(激發(fā)譜寬大）

lowpower(100W)largepulsewidth(激發(fā)譜寬?。?/p>

b.魔角旋轉(zhuǎn)（MAS）探頭（3）差別在減小

HR-MASprobe、Nano-probe

介于固體與液體之間（凝膠、生物組織等）樣品液體NMR的實(shí)驗(yàn)方法用于固體NMR儀器介紹7mm4mm2.5mm400MHz寬腔固體核磁共振定子400km/hr

600km/hr800km/hr線速度

選擇適合的蓋子選擇適當(dāng)直徑的轉(zhuǎn)子探頭與樣品管蓋子探頭類型最高轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)子容量適用核蓋子材料適用溫度2.5mmH/F/X35kHz12μl1H、19F、13C……Vespel-30...+80°C4mmH/X/Y15kHz75μl13C、27Al、31P、23Na、11B、7li、15N……Kel-FVespelZirconia，Boronnitrid-10°C...+50°C-30...+80°C-140°C...+300°C-140°C...+300°C7mmH/X7kHz250μl13C、29Si、15N……Kel-FZirconia，Macor

Boronnitrid-10°C...+50°C-140°C...+300°C-140°C...+300°C固體NMR的發(fā)展過(guò)程四、五十年代：寬線NMR1958年:R.Andrew,I.Lowe,魔角旋轉(zhuǎn)（magicanglespinning,MAS)

消除同核偶極相互作用、化學(xué)位移各向異性1968年：J.Waughetal.,多脈沖（multiplepulse,WAHUHA四脈沖）消除同核偶極相互作用（同核去偶）1972年，A.Pinesetal.,交叉極化(crosspolarization,CP)

通過(guò)極化轉(zhuǎn)移，增強(qiáng)稀核的靈敏度1988年，A.Pines,Llor,雙旋轉(zhuǎn)（DOR）、動(dòng)角旋轉(zhuǎn)（DAS）消除半整數(shù)四極核中心躍遷的二階四極作用1989年,A.Schaffer,T.Gullion,旋轉(zhuǎn)回波雙共振

(REDOR)

測(cè)量異核間距離(空間聯(lián)系)1994年,H.W.Spiess雙量子魔角旋轉(zhuǎn)(DQ-MAS)

測(cè)量同核間距離(空間聯(lián)系)1995年，L.Frydman多量子魔角旋轉(zhuǎn)（MQ-MAS）消除半整數(shù)四極核中心躍遷的二階四極作用魔角旋轉(zhuǎn)（MAS）魔角旋轉(zhuǎn)(Magicanglespinning,MAS)使得不同取向的晶位表現(xiàn)出相同的平均取向，從而平均掉偶極哈密頓各向異性的空間部分。固體中的相互作用H=HZ+HRF+HD+Hcs+HQ+HjHz

核磁矩與外磁場(chǎng)的相互作用(106-109Hz)HRF

核自旋與射頻場(chǎng)的相互作用

HD

偶極-偶極相互作用(0-105Hz)Hcs

化學(xué)位移各向異性相互作用(0-104Hz)HQ

四極相互作用(0-109Hz)譜線增寬魔角旋轉(zhuǎn)（MAS）19F譜靜態(tài)，單脈沖轉(zhuǎn)速=10kHz，單脈沖轉(zhuǎn)速=20kHz，單脈沖轉(zhuǎn)速=30kHz，單脈沖聚偏氟乙烯（PVDF）******為旋轉(zhuǎn)邊帶交叉極化與魔角旋轉(zhuǎn)

（CP/MAS)交叉極化的脈沖序列Hartman-Hahn匹配條件靜止：I·B1I=S·B1S，即1I=1S

魔角旋轉(zhuǎn)：1S

=

1I±nrn=0,1,2…ISCP+MASMAS交叉極化使得信號(hào)強(qiáng)度明顯增加困難：1.13C、15N等核天然豐度低；

2.T1一般比較長(zhǎng)；

3.同位素富集較昂貴。13C交叉極化與魔角旋轉(zhuǎn)

（CP/MAS)甘氨酸在不同轉(zhuǎn)速時(shí)的CP/MAS13C譜****靜態(tài)1kHz5kHz15kHz8kHz12kHz5kHz13C13C************交叉極化與魔角旋轉(zhuǎn)

（CP/MAS)Non-QuaternarySuppression(NQS)非季碳抑制（譜圖僅顯示季碳信號(hào)）TotalSidebandSuppression

(TOSS)全邊帶抑制（在低轉(zhuǎn)速下，譜圖幾乎看不到旋轉(zhuǎn)邊帶）CrossPolarization/MagicAngleSpinning(CP/MAS)甘氨酸，轉(zhuǎn)速=5kHz13C******CRAMPS(1D&2D)CombinedRotationAndMultiplePulseNMRSpectroscopy(CRAMPS)1H1H轉(zhuǎn)速=12kHz，Dumbo轉(zhuǎn)速=12kHz，單脈沖轉(zhuǎn)速=34kHz，單脈沖1H一維氫譜二維氫譜13C-1H相關(guān)譜HETCOR13C1H樣品：13Clabelledtyrosine400MHz，4mm探頭，約70min93156248

713C-13C相關(guān)譜RFDR13CMixtime=1.2msMixtime=8ms13CRadioFrequency-DrivenRecoupling(RFDR)400MHz，2.5mm探頭，約70min13C931,562,487樣品：13Clabelledtyrosine931,562,487931,562,487(C7/C9)(C1、5/C7)(C1、5/C3)19F-19F相關(guān)譜RFDR19F19F樣品：PVDFRadioFrequency-DrivenRecoupling(RFDR)400MHz，2.5mm探頭，約70min外磁場(chǎng)強(qiáng)度對(duì)中心躍遷

二階四極作用的影響Experimentalandmodeledcentraltransition27AlMASspectrumofthealuminoborate(A9B2)compoundacquiredat17.6T.27AlMASspectraofA9B2compoundfrom14to40T.引自Z.H.Ganetal.JACS,2002,563427AlMAS17.6T/750MHz27AlMAS17.6T/750MHzRbNO3的87Rb3QMAS譜圖多量子魔角旋轉(zhuǎn)

(MQMAS)F1維是各向同性高分辨的，消除了二階四級(jí)線型400MHz，4mm探頭，約60min晶型差異400MHzspectrometer,spinningspeed15kHz,

measurementtime40min13CCP/MASspectraofcortisoneacetate（醋酸可的松）DCBA引自bruker的ppt靜態(tài)變角（單晶）探頭360°330°300°270°240°210°180°150°120°90°60°30°0°（H2N)2C-NH-CH2-CH2-CH2-CH(COOH)NH3+·H2PO4-31P譜溫馨提示一、安全因強(qiáng)磁場(chǎng)存在，裝有心臟起搏器、假肢人員禁止進(jìn)入核磁共振實(shí)驗(yàn)室；磁卡、手表、可磁化物體（扳手、鋼瓶）等不要靠近超導(dǎo)磁體；二、溶劑做液體核磁時(shí)，必須使用氘代試劑，0.5毫升；采集的信號(hào)為溶解在溶劑中的部分；因溶劑效應(yīng)，在不同的溶劑中，譜圖可能有變化；重水交換實(shí)驗(yàn)可用于確定活潑氫信號(hào)；三、核磁管不得使用破損的核磁管，以免損壞探頭；核磁管中盡量不要有懸浮物，會(huì)影響勻場(chǎng)，降低譜圖分辨率；核磁管的清洗要注意是否有溶劑殘留，烘干不要溫度太高，避免核磁管彎曲；光敏感的樣品可用錫箔紙包裹核磁管，測(cè)試過(guò)程也會(huì)注意避光；空氣、水敏感的樣品，可將核磁管抽真空后，封管；四、變溫變溫實(shí)驗(yàn)要注意溶劑的沸點(diǎn)、凝固點(diǎn)是否合適；變溫實(shí)驗(yàn)時(shí)，樣品可能會(huì)發(fā)生構(gòu)型翻轉(zhuǎn)，導(dǎo)致峰型變化；變溫實(shí)驗(yàn)風(fēng)險(xiǎn)較大，要在有人值守時(shí)進(jìn)行；核磁數(shù)據(jù)？譜圖以一維氫譜為例：1.軟件下載：

ftp://10

用戶名：mnova，密碼：mnova

核磁共振譜圖處理軟件MestReNova

正版軟件，校內(nèi)聯(lián)網(wǎng)電腦均可激活

2.核磁數(shù)據(jù)下載（理化中心）

10用戶名：導(dǎo)師姓名的全拼，密碼：樣品測(cè)試完成后，數(shù)據(jù)會(huì)上傳服務(wù)器，請(qǐng)自行下載數(shù)據(jù)，并及時(shí)取回核磁管。

請(qǐng)下載整個(gè)文件夾！1D譜圖譜圖打開1Dfid文件/2Dser文件1D譜圖處理Fid信號(hào)+窗函數(shù)手動(dòng)調(diào)相位先調(diào)0級(jí)相位再調(diào)1級(jí)相位1D譜圖處理手動(dòng)校正基線標(biāo)化學(xué)位移1D譜圖處理手動(dòng)積分譜圖縮放指定橫坐標(biāo)的兩端局部放大