结构生物学导论核磁共振

结构生物学导论核磁共振第一页，共三十五页，编辑于2023年，星期五一、核磁共振现象的产生二、化学位移三、核磁共振仪四、生物大分子核磁共振图谱五、生物大分子核磁共振结构解析六、其他核磁共振技术第二页，共三十五页，编辑于2023年，星期五一、核磁共振现象的产生1.原子核的属性原子核＝质子＋中子其中，质子的数目决定原子核所带电荷数，质子和中子数之和等于原子的质量，如：第三页，共三十五页，编辑于2023年，星期五自旋现象第四页，共三十五页，编辑于2023年，星期五原子核的自旋和自旋角动量原子核有自旋运动，在量子力学中用自旋量子数I描述原子核的运动状态，I值与核的质量数和所带核电荷数有关。第五页，共三十五页，编辑于2023年，星期五原子核自旋时产生自旋角动量，其自旋角动量P与自旋量子数I的关系为：式中，h为普朗克常数，6.63×10－34J.SB当空间存在静磁场，且磁场方向沿Z轴，根据量子力学，自旋角动量在Z轴上的分量PZ等于：m为原子核的磁量子数，可取I、I-1、I-2…-I第六页，共三十五页，编辑于2023年，星期五带电荷的原子核在磁场中做自旋运动，好比一个通电的线圈，能够产生感应磁场，核磁矩为：γ称为磁旋比，是原子核的基本属性之一，特定的原子核其γ一定，核的磁旋比越大，核的磁性越强。第七页，共三十五页，编辑于2023年，星期五2.磁性核在外磁场B0中的行为处在外磁场中的磁核具有一定的能量E，设外磁场方向与Z轴同，核磁矩μ与Z轴夹角为θ，则又因为所以第八页，共三十五页，编辑于2023年，星期五

在量子力学中，m为原子核的磁量子数，可取I、I-1、I-2、…、-I，所以能量E产生了裂分。对于1H，13C等I=1/2的核，m＝＋1/2和－1/2，裂分为两个能级；对于I=1的核，m＝1、0、－1，裂分为三个能级。EE-1/2E1/2B第九页，共三十五页，编辑于2023年，星期五对于1H为例，I=1/2EB当B0＝0时，ΔE=0,即当外磁场不存在时，能级是简并的，对于同一核，当B0越大，ΔE越大，对于同一外磁场，磁旋比越大的核，ΔE也越大。第十页，共三十五页，编辑于2023年，星期五3.核磁共振产生的条件当外界电磁波提供的能量恰好等于相邻能级间的能量差，核就能吸收能量并从低能级跃迁到高能级，这种跃迁称为核磁共振。被吸收电磁波的频率为：第十一页，共三十五页，编辑于2023年，星期五由上式可知，对于同一种核，磁旋比一定，B0增大，共振频率v随之增大。如1H，当B0＝1.400T时，v＝60MHz，当B0＝2.350T时，v＝100MHz。当B0相同时，不同核因为磁旋比不同，其共振频率也不同，例如当B0＝2.350T时，对1H为100MHz，13C为25MHz，19F为94MHz。第十二页，共三十五页，编辑于2023年，星期五4.驰豫过程（1）核自旋能级分布在没有外磁场时，1H核的两种自旋状态分布概率是相等的，当置于磁场中，处在低能级核和高能级核的分布，可由波尔兹曼分布规律计算。磁场强度2.3488T；25C；1H的核数分配比：两能级上核数目差：1.610-5；第十三页，共三十五页，编辑于2023年，星期五随着NMR吸收过程的进行，低能态核不断的跃迁到高能态核，如果不能有效的让高能态核回到低能态，则低能态的核数越来越少，一定时间后，Ni＝Nj，这时不再产生射频吸收，核磁共振现象消失，这种现象称为“饱和”。根据波尔兹曼定律，提高外磁场强度和降低工作温度，可以减小Ni/Nj值，从而提高灵敏度。第十四页，共三十五页，编辑于2023年，星期五(2)弛豫过程（relaxation）采取某一过程，它能够使处在高能级的原子核回到低能级，以保持低能级核多于高能级核，这一过程称为弛豫。两类：自旋－晶格弛豫和自旋－自旋弛豫自旋－晶格弛豫（spin-latticerelaxation

）：自旋核与周围分子（固体的晶格）交换能量的过程。自旋－自旋弛豫（spin-spinrelaxation

）：自旋核与自旋核之间的能量交换过程。第十五页，共三十五页，编辑于2023年，星期五二、化学位移

根据上式可知，一种原子核在同一个外磁场中只会产生一个共振频率的吸收峰，如1H，当B0＝1.400T时，v＝60MHz。但，实验结果并非如此！第十六页，共三十五页，编辑于2023年，星期五我们在讨论核磁共振基本原理的时候，把原子核当成孤立的粒子，没有考虑核外电子的作用。1.屏蔽常数核外电子云在受到外磁场的诱导产生一个方向与B0相反、大小与B0成正比的诱导磁场，使得原子核受到的外磁场强度减小，这就叫核外电子对原子核的屏蔽效应。第十七页，共三十五页，编辑于2023年，星期五如果用屏蔽常数δ表示屏蔽作用的大小，那么原子核受到的外磁场强度不再是B0，而是B0（1－δ），则共振频率为：电子云密度越大，核受到屏蔽作用就越大，共振频率越小。第十八页，共三十五页，编辑于2023年，星期五2.化学位移1.不同化学环境中的共振频率差别很小，如1H因屏蔽作用引起共振频率差别0～1500Hz，所以绝对值难以测定。2.不同的仪器B0不同，引起共振频率大小不同，所以没有可比性。第十九页，共三十五页，编辑于2023年，星期五

为了解决这两个问题，采用基准物质的谱峰位置作为核磁谱图原点，不同官能团的原子核谱峰相对与原点距离δ表示化学位移。400223240134Δv/Hz60MHz和100MHz仪器上测得1，2，2－三氯丙烷的1HNMR谱第二十页，共三十五页，编辑于2023年，星期五化学位移δ的计算：如上例：第二十一页，共三十五页，编辑于2023年，星期五基准物质：四甲基硅烷（TMS）优点：1.化学性质稳定2.对称结构3.Si电负性小（1.9），不会产生干扰；4.沸点低，易回收。第二十二页，共三十五页，编辑于2023年，星期五三、核磁共振谱仪1．永久磁铁：提供外磁场，要求稳定性好，均匀，不均匀性小于六千万分之一。扫场线圈。2．射频振荡器：线圈垂直于外磁场，发射一定频率的电磁辐射信号。60MHz或100MHz。3．射频信号接受器（检测器）：当质子的进动频率与辐射频率相匹配时，发生能级跃迁，吸收能量，在感应线圈中产生毫伏级信号。4．样品管：外径5mm的玻璃管,测量过程中旋转,磁场作用均匀。第二十三页，共三十五页，编辑于2023年，星期五NMR仪器照片及其内部结构第二十四页，共三十五页，编辑于2023年，星期五NMR仪和NMR成像系统第二十五页，共三十五页，编辑于2023年，星期五四、生物大分子核磁共振图谱第二十六页，共三十五页，编辑于2023年，星期五核磁共振二维图谱初步分析第二十七页，共三十五页，编辑于2023年，星期五五、生物大分子核磁共振结构解析第二十八页，共三十五页，编辑于2023年，星期五液体核磁共振结构第二十九页，共三十五页，编辑于2023年，星期五六、其他核磁共振技术固态核磁共振（Solid-stateNMR）核磁共振成像第三十页，共三十五页，编辑于2023年，星期五固态核磁共振（Solid-stateNMR）固体聚合物由于驰豫（高能态返回到低能态的过程）时间短且多存在各向异性相互作用致使NMR谱线增宽而无法分辨精细结构，因此，需要开发新的技术来解决这一问题。固态NMR采用的技术有：Magicanglespinning,MASCrosspolariztion,CPHigh-powerprotondecoupling,HPD第三十一页，共三十五页，编辑于2023年，星期五核磁共振成像聚合物共混体系核磁共振图像彩色MRI脑部图像