核磁共振简介20141119

核磁共振简介王雨松2014年11月19日核磁共振是磁矩不为零的原子核，在外磁场作用下自旋能级发生塞曼分裂，共振吸收某一定频率的射频辐射的物理过程。什么是核磁共振？孤立原子核，在同样强度的外磁场中，只对某一特定频率的射频场敏感。分子结构中不同位置的原子核，所感受到的外加磁场的强度各不相同，从而对不同频率的射频场敏感，导致核磁共振信号的差异。核磁共振研究领域液体核磁共振：有机小分子、高分子、生物大分子固体核磁共振：高分子、无机材料、生物大分子磁共振成像：医学（人体、小动物）核磁共振谱仪温控单元自动进样器前置放大器超导磁体机柜探头液体核磁1）核磁管（干净、完好）2）氘代试剂（适合的）3）溶液浓度1H谱：5~10毫克（稀溶液可提高分辨率）13C谱：20~30毫克（浓溶液可提高灵敏度）NMR样品的准备√××溶剂太少溶剂太多0.5ml溶剂4cm高液体核磁—1H谱化学位移耦合积分面积1H谱的特点：灵敏度最高（测试时间短，几分钟）定量关系好（同一分子中不同种类氢的比例、混合物中各组分的比例

聚合物的数均分子量、共聚比例等）复杂化合物谱峰重叠严重液体核磁—13C谱13C谱的特点：灵敏度低（测试时间长，1小时~几十小时）通常的13C谱图，谱峰面积没有定量关系化学位移数值变化范围较宽，且谱线较窄，很少重叠碳的级数容易测定对于化合物的立体结构敏感液体核磁—DEPT13C谱通过三张13C谱，区分化合物中伯、仲、叔、季四种碳液体核磁—COSY谱相邻碳上的氢原子之间有相关峰同核相关液体核磁—HSQC谱化学键直接相连的碳原子和氢原子有相关峰异核相关（近程）液体核磁—HMBC谱相隔两根或三根化学键的碳原子和氢原子有相关峰主要用于确定季碳的位置异核相关（远程）一维多核实验技术11B19F23Na29Si31P195Pt1Dsel-NOE***选择性照射溶剂峰抑制水峰未抑制水峰抑制由于计算机动态范围的限制，溶剂峰被抑制后，微弱的信号才可见。扩散实验DOSY反复优化参数（Δ、δ）扩散序谱是一种利用脉冲梯度场核磁共振对溶液中具有不同扩散系数(D)的成分进行虚拟分离的一种核磁共振技术。例：不同分子大小的三种物质（咖啡因、乙二醇、水）的混合物，因其扩散系数不同，得到了虚拟分离。√固体核磁样品不溶解样品溶解，但是结构改变研究从液体到固体的结构变化固相反应等研究领域：无机材料：分子筛、玻璃、陶瓷等；有机固体：高分子、膜蛋白等样品要求：干燥、不导电、无磁性的固体粉末高速旋转时，体积不膨胀、不爆炸。为什么要固体核磁？液体NMR与固体NMR的区别（1）谱线：固体谱线宽、分辨率低液体谱线窄、分辨率高原因：液体分子的快速运动把使谱线增宽的各种内部相互作用平均为零。（2）硬件：

a.Highpower(1000W)shortpulsewidth(激发谱宽大）

lowpower(100W)largepulsewidth(激发谱宽小）

b.魔角旋转（MAS）探头（3）差别在减小

HR-MASprobe、Nano-probe

介于固体与液体之间（凝胶、生物组织等）样品液体NMR的实验方法用于固体NMR仪器介绍7mm4mm2.5mm400MHz宽腔固体核磁共振定子400km/hr

600km/hr800km/hr线速度

选择适合的盖子选择适当直径的转子探头与样品管盖子探头类型最高转速转子容量适用核盖子材料适用温度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固体NMR的发展过程四、五十年代：宽线NMR1958年:R.Andrew,I.Lowe,魔角旋转（magicanglespinning,MAS)

消除同核偶极相互作用、化学位移各向异性1968年：J.Waughetal.,多脉冲（multiplepulse,WAHUHA四脉冲）消除同核偶极相互作用（同核去偶）1972年，A.Pinesetal.,交叉极化(crosspolarization,CP)

通过极化转移，增强稀核的灵敏度1988年，A.Pines,Llor,双旋转（DOR）、动角旋转（DAS）消除半整数四极核中心跃迁的二阶四极作用1989年,A.Schaffer,T.Gullion,旋转回波双共振

(REDOR)

测量异核间距离(空间联系)1994年,H.W.Spiess双量子魔角旋转(DQ-MAS)

测量同核间距离(空间联系)1995年，L.Frydman多量子魔角旋转（MQ-MAS）消除半整数四极核中心跃迁的二阶四极作用魔角旋转（MAS）魔角旋转(Magicanglespinning,MAS)使得不同取向的晶位表现出相同的平均取向，从而平均掉偶极哈密顿各向异性的空间部分。固体中的相互作用H=HZ+HRF+HD+Hcs+HQ+HjHz

核磁矩与外磁场的相互作用(106-109Hz)HRF

核自旋与射频场的相互作用

HD

偶极-偶极相互作用(0-105Hz)Hcs

化学位移各向异性相互作用(0-104Hz)HQ

四极相互作用(0-109Hz)谱线增宽魔角旋转（MAS）19F谱静态，单脉冲转速=10kHz，单脉冲转速=20kHz，单脉冲转速=30kHz，单脉冲聚偏氟乙烯（PVDF）******为旋转边带交叉极化与魔角旋转

（CP/MAS)交叉极化的脉冲序列Hartman-Hahn匹配条件静止：I·B1I=S·B1S，即1I=1S

魔角旋转：1S

=

1I±nrn=0,1,2…ISCP+MASMAS交叉极化使得信号强度明显增加困难：1.13C、15N等核天然丰度低；

2.T1一般比较长；

3.同位素富集较昂贵。13C交叉极化与魔角旋转

（CP/MAS)甘氨酸在不同转速时的CP/MAS13C谱****静态1kHz5kHz15kHz8kHz12kHz5kHz13C13C************交叉极化与魔角旋转

（CP/MAS)Non-QuaternarySuppression(NQS)非季碳抑制（谱图仅显示季碳信号）TotalSidebandSuppression

(TOSS)全边带抑制（在低转速下，谱图几乎看不到旋转边带）CrossPolarization/MagicAngleSpinning(CP/MAS)甘氨酸，转速=5kHz13C******CRAMPS(1D&2D)CombinedRotationAndMultiplePulseNMRSpectroscopy(CRAMPS)1H1H转速=12kHz，Dumbo转速=12kHz，单脉冲转速=34kHz，单脉冲1H一维氢谱二维氢谱13C-1H相关谱HETCOR13C1H样品：13Clabelledtyrosine400MHz，4mm探头，约70min93156248

713C-13C相关谱RFDR13CMixtime=1.2msMixtime=8ms13CRadioFrequency-DrivenRecoupling(RFDR)400MHz，2.5mm探头，约70min13C931,562,487样品：13Clabelledtyrosine931,562,487931,562,487(C7/C9)(C1、5/C7)(C1、5/C3)19F-19F相关谱RFDR19F19F样品：PVDFRadioFrequency-DrivenRecoupling(RFDR)400MHz，2.5mm探头，约70min外磁场强度对中心跃迁

二阶四极作用的影响Experimentalandmodeledcentraltransition27AlMASspectrumofthealuminoborate(A9B2)compoundacquiredat17.6T.27AlMASspectraofA9B2compoundfrom14to40T.引自Z.H.Ganetal.JACS,2002,563427AlMAS17.6T/750MHz27AlMAS17.6T/750MHzRbNO3的87Rb3QMAS谱图多量子魔角旋转

(MQMAS)F1维是各向同性高分辨的，消除了二阶四级线型400MHz，4mm探头，约60min晶型差异400MHzspectrometer,spinningspeed15kHz,

measurementtime40min13CCP/MASspectraofcortisoneacetate（醋酸可的松）DCBA引自bruker的ppt静态变角（单晶）探头360°330°300°270°240°210°180°150°120°90°60°30°0°（H2N)2C-NH-CH2-CH2-CH2-CH(COOH)NH3+·H2PO4-31P谱温馨提示一、安全因强磁场存在，装有心脏起搏器、假肢人员禁止进入核磁共振实验室；磁卡、手表、可磁化物体（扳手、钢瓶）等不要靠近超导磁体；二、溶剂做液体核磁时，必须使用氘代试剂，0.5毫升；采集的信号为溶解在溶剂中的部分；因溶剂效应，在不同的溶剂中，谱图可能有变化；重水交换实验可用于确定活泼氢信号；三、核磁管不得使用破损的核磁管，以免损坏探头；核磁管中尽量不要有悬浮物，会影响匀场，降低谱图分辨率；核磁管的清洗要注意是否有溶剂残留，烘干不要温度太高，避免核磁管弯曲；光敏感的样品可用锡箔纸包裹核磁管，测试过程也会注意避光；空气、水敏感的样品，可将核磁管抽真空后，封管；四、变温变温实验要注意溶剂的沸点、凝固点是否合适；变温实验时，样品可能会发生构型翻转，导致峰型变化；变温实验风险较大，要在有人值守时进行；核磁数据？谱图以一维氢谱为例：1.软件下载：

ftp://10

用户名：mnova，密码：mnova

核磁共振谱图处理软件MestReNova

正版软件，校内联网电脑均可激活

2.核磁数据下载（理化中心）

10用户名：导师姓名的全拼，密码：样品测试完成后，数据会上传服务器，请自行下载数据，并及时取回核磁管。

请下载整个文件夹！1D谱图谱图打开1Dfid文件/2Dser文件1D谱图处理Fid信号+窗函数手动调相位先调0级相位再调1级相位1D谱图处理手动校正基线标化学位移1D谱图处理手动积分谱图缩放指定横坐标的两端局部放大