NMR8-韦芝良-双共振及NOE

电子科学系韦芝良双共振及NOE双共振；NOE；总结；1.双共振单频共振及多频共振在z方向上加上B0，而在垂直z的方向上加上射频场B1，这称为单频共振。如果在垂直z的方向上再加上B2，B3等等，这称为多频共振定义：在同一个样品中由两个以上的耦合核组成的系统，或有耦合关系的两个自旋系统，激发一个核或一个自旋系统，而同时观测另一个核或自旋系统的跃迁，使两个核或两个自旋系统同时发生共振的现象称为双共振。意义：双共振实验可以在确定一些隐藏谱线、简化谱图、提高灵敏度、确定耦合常数的相对符号、化学位移、能级图等方面起重要作用，因而在确定化合物结构上有帮助。分类：双共振包含的主要内容有：核磁—核磁双共振；自旋回波双共振；电子—核双共振；核磁—核电四极双共振；光磁双共振等。双共振按照照射核和观察核的种类，可以有“同核双共振”和“异核双共振”。习惯上将B2场照射的核写在括号内，而将观察核写在括号外，如13C{1H}表示观察的是13C核，B2照射的是1H核。按B2场分类，可以是单相干射频场或无规射频场。在13C-FT-NMR中把强的无规噪声场照射到1H核上就可以把所有的1H和13C核间的J耦合去掉。按B2的照射方式，B2可以是连续照射方式。但是在FT-NMR中常常采用“门控照射”方式，即可以按照需要设计成在某一时间内加上去耦器，而在另一段时间内不加去耦器。按B2的强度不同，实验条件和效果的差异，又可细分为自旋去耦，自旋微扰，核Overhauser效应以及核间双共振等。目的：去掉不需要的偶合，从而使频谱得到简化，更有效地归谱图。自旋去耦方式：用一个强脉冲，使其中一个核的两个能级态发生剧烈的跳动，从而对外的平均为零，两个态没有区别，使得原来分裂的谱线重聚。具体地分：宽带去耦最常用的去耦方法，它使多重线变成单线，简化了图谱，增强了谱线的强度。实验时，在正常照射频率外附加一个频带相当宽的去偶场，频率覆盖了所有质子的共振频率范围(一般宽度至少为1kHz)，那么样品中C和H间的耦合被全部去除，每个碳原子仅出一条共振谱线。脉冲傅里叶变换谱仪上最常用的是噪声调相宽带去耦，即噪声去耦。由计算机产生伪随机函数来控制射频相位交替反转的时间间隔。

实现方式之一：宽带去耦优点： 位移范围宽、分辨良好、碳特征明显；全部氢的耦合信息被去除；碳与氢构成AXn体系，对所有氢进行饱和照射，C的谱线得到加强。噪声调相实际上由随机函数来控制射频相位交替反转的时间间隔，利用相位的突然反转产生大的频率覆盖范围。局限：1、需要足够强的射频场功率才能保证去耦范围覆盖全部1H核。当样品的介电常数较大，特别是当样品的酸碱度或离子强度大而导电性能较强时，由介电损耗和导电损耗所导致的样品的发热效应是很显著的，由此造成在去耦时锁场电平线不稳定，而且长时间实验容易使仪器不稳定而损坏仪器。2、C信号受到T1和NOE效应影响：T1很长的样品，根本不产生信号；T1较长的样品，信号弱；T1短的，信号强。NOE效应程度不一，宽带去耦谱图各峰的高度比和积分不能代表各种C原子的相互比例数。缺乏有关C级数的信息，无法未知分子中有多少个CH3-、CH2-、CH-和C-选择性去耦〔单频率连续波去耦〕选择一个频率正好等于某个质子的共振频率，连续作用于样品，单独对该质子谱线进行干扰，其它质子谱线不受影响。根据去耦场强的大小，可分为：核选择性去耦：多重峰选择性去耦：线选择性去耦：局限： 需要将1H核射频场的中心频率对准某个1H核的共振峰进行照射。它频带非常非常窄，偏置效应十分显著。当连续波没有对准1H照射时，随着偏离程度不同会出现不同程度的偏共振去耦效应(耦合没有消除，只是耦合分裂被消窄)。当偏离太远，对1H就无法进行扰动，甚至连偏共振效应都没有。偏共振去耦原那么上可以从未去耦的13C谱中得知13C核相耦合的质子数目，从而确定其结构；但实际上由于分子中13C与质子相距很近，耦合很强，13C的谱线分裂的距离很大，不同的13C核的多重线相互重叠很难区分。如果使去耦频率不完全对准质子共振频率，而稍微偏离一些，并用功率较大的B2连续辐照质子，那么这个去耦功率就能使耦合常数减小，从而减小13C多重线的距离。耦合常数的数值与去耦功率及频偏大小有关。只要调整这两个参数就可以使耦合常数在完全去耦与不去偶之间变化。这样既到达缩小耦合常数J值防止谱线重叠，又保存了自旋耦合的信息。1H13CνCHνCH2νCH3νCνCHνCH2νCH3未去耦宽带去耦偏共振去耦偏共振去耦选择性去耦脉冲方法去耦去耦不一定非要使H核不停地跃迁，快速旋转。如果引入自旋回波技术(spinecho)，并且对C核总是在回波点上采样，也可以获得去耦的效果。对于异核耦合系统，如CH，当位于横向的C因耦合而分裂的二支磁化强度在耦合作用下散开后，对另一核H施加180脉冲，将实现C分量的回波重聚。自旋回波去耦只是间歇式地发脉冲，与宽带去耦相比，射频场作用的时间可以缩短100倍甚至1000倍，可大大减轻发热效应。假设将组合脉冲应用到去耦技术中，可大幅度降低去耦功率。组合脉冲去耦组合脉冲是指将假设干个相位不同的脉冲组合在一起而到达单个脉冲的效果。最简单的组合脉冲就是组合脉冲(/2)x()y(/2)x，相当于一个()y脉冲。当脉冲功率较低以至于出现偏置效应时，两边的二个(/2)x脉冲就起到补偿偏置效应的作用。因此用组合脉冲去耦就不需要宽带去耦那样强的射频功率。去偶点的附近性能还是比较好的，因此如果重复地排列组合脉冲就会得到一连串的效果比较好的去偶点。自旋微扰当微扰射频场强B2的值小于自旋去耦的值()，受B2干扰的能级不仅粒子数分布发生变化，而且会从原来的简并态变成非简并态，即B2使能级分裂，从而使被观测谱也分裂。这种用B2干扰图谱中某条谱线，而扫描观测其它谱线强度与形状的变化，称为自旋微扰。2.NOE规律：图谱中与被干扰的谱线无公共能级的那些谱线不发生变化；有公共能级的谱线都分裂为双线。观测谱线和干扰谱线如果是前进式跃迁，那么观测谱线强度增强，但谱线分裂较差；如果两者是反射式跃迁，谱线强度下降，但谱线分裂较好。谱线的裂距与干扰场B2的强度成正比，并且与被干扰线的强度的平方根成正比。

核间双共振—INDOR在INDOR实验中所观测的是某条谱线幅度的变化，它的大小取决于干扰场B2的强度。射频场B2使共振能级上的布居数发生微小变化，从而影响与这个跃迁能级有关的被观测谱线的强度。连续波实验方法是观测射频场B1始终监视某条观测谱线的共振信号，而扫描B2，使它通过整个图谱，观测谱线的强度随扫描而发生的变化，就是INDOR信号。INDOR信号有如下，规律：被监视的谱线与被干扰的谱线无共同能级时，无INDOR信号。有共同能级时出现INDOR信号。INDOR信号有正有负，由两个谱线的跃迁的能级关系确定，一般前进式跃迁出现正的INDOR信号。反射式跃迁出现负的INDOR信号。脉冲傅里叶变换的实验方法是在去耦通道加门控选择性去耦，使某一跃迁的能级布居数发生变化，影响被观测谱中与这两个能级有关的共振线的强度。观测谱与常规谱相减就是核间双共振信号—INDOR谱。INDOR方法是分析复杂波谱的有效方法，用它可以发现隐藏的信号，把重叠的谱线区分开，用它可以测量耦合常数、确定谱线的归属。但它对仪器精度和稳定度要求严格。INDOR的灵敏度比较低。CH间的NOENOE:用一个高频场作用到样品上使电子发生共振并到达饱和状态，于是有关电子能级上的布居数到达相等，从而破坏的核自旋能级上的布居数平衡分布，通过热弛豫建立新的平衡，这时核自旋有关能级上的布居数差增加很多，核极化增强.NOE是饱和电子共振，观测核共振信号。NOE是饱和一种核共振，观测另一种核的共振信号，是核与核之间的效应。NOE主要有两方面的应用:1、提高信噪比；2、获得耦合信息。使S跃迁饱和的含义是通过用脉冲激发使得S核的能级之间布居数相等，从而不产生核磁共振信号，如以下图所示：在上图中W1S跃迁是不可能发生的〔两个能级的布居数是相等的〕并且W1I也不发生〔因为激发频率不对〕，在这种情况下，W0IS和W2IS成为弛豫的唯一方式。W2IS得到增强，W0IS被减弱。aa(***)(***)

abbb(*)W1SW1SW1IW1Iba(*)W2ISW0ISNuclearOverhauserEffectNOE:对AX自旋系统中的A施加gB2

aabbabbaaabbabbaX1X2A2A1X1X2A2A1{A}X1

Dp=2X2

Dp=2X1

Dp=2X2

Dp=2在照射后的的一段时间内，X的磁化强度没有发生变化，即在这个时候参加去偶是没有作用。NOE:零量子跃迁X1

Dp=1X2

Dp=1W0

弛豫后，会造成X的衰减

(50%)。弛豫需要T1时间来建立新的布居数分布。aabbabbaX1X2A2A1abaabbbaX1X2A2A1aabbabbaX1X2A2A1{A}X1

Dp=2X2

Dp=2…T1Dec.continueabaabbbaX1X2A2A1delayW0W0W1:单量子弛豫不造成NOE.通过偶极偶极相互作用，产生了一个新的布居数分布〔双量子和零量子〕。如果W2发生较多〔小分子---快速运动---大频率〕Level

增

level

即使有去偶也增大

aabbabbaX1X2A2A1W2W0W2

路径产生正的NOELevel

增

level

即使有去偶也增大如果W0发生较多〔大分子---慢速运动---小频率〕W0

路径产生负的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电子—核双共振(ENDOR)一种是Overhauser效应，利用电子自旋共振饱和，通过自旋—晶格间的热弛豫使核的能级布居数发生变化，增强核极化使NMR信号提高数百倍。这是检测低灵敏度、低自然丰度的核信号的重要方法之一。——增强核磁共振的灵敏度另一种情形也是使自旋共振饱和，但通过核磁共振使电子自旋共振在相应能级上消除饱和，从而以高的分辨率定