核磁共振基本原理-.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,第六章 核磁共振波谱分析法,第一节 核磁共振基本原理,nuclear magnetic resonance spectroscopy;NMR,principles of nuclear magnetic resonance,2025/12/12 周五,核磁共振波谱学的发展,1946年,，,Purcell,和,Bloch,观察到核磁共振现象。于,1952年,获得,诺贝尔物理奖,2025/12/12 周五,1945-1951年间，化学位移和自旋偶合的发现，,NMR,技术的化学应用。,1953年 世界上第一台商品化,NMR,谱仪.,1964年 世界上第一台超导磁场的,NMR,谱仪,1971年世界上第一台脉冲傅立叶变换,NMR,谱仪,2025/12/12 周五,1976年,R.R.Ernst,发表了二维核磁共振的理论和实验的文章。获得,1991年,诺贝尔化学奖,2025/12/12 周五,1,原子核的自旋,:,atomic nuclear spin,一,.,基本原理,如果放在外磁场中,原子核和电子一样,存在自旋,.,从而有自旋角,动量,(,),和磁矩,2025/12/12 周五,2.,自旋核在外加磁场中的,取向,(,旋转方向,),取向数,=2,I,+1,在没有外磁场时，自旋核的取向是任意的,并且自旋产生的磁场方向也是任意的,.,如果把,H,核放在外磁场中,由于磁场间的相互作用,氢核的磁场方向会发生变化,:,如,:H,的,I=1/2,则,:,2025/12/12 周五,每一种取向都对映一个能级状态，有一个,m,s,。如：,1,H,核：标记,ms,为,1/2,和,+1/2,2025/12/12 周五,H,0,m,=,1,/,2,m,=,-,1,/,2,m,=,1,m,=,-,1,m,=,0,m,=,2,m,=,1,m,=,0,m,=,-,1,m,=,-,2,I,=,1,/,2,I,=,1,I,=,2,z,z,z,1,P,r,m=,1/2,m=,-1/2,H,0,H,E,2,=+,m H,0,E,=,E,2,E,1,=2,m H,0,E,1,=,m H,0,自旋核在磁场中的行为,2025/12/12 周五,能级分布与弛豫过程,不同能级上分布的核数目可由,Boltzmann,定律计算：,磁场强度2.3488,T；25C；,1,H,的共振频率与分配比：,两能级上核数目差：1.610,-5,；,弛豫(,relaxtion),高能态的核以非辐射的方式回到低能态。,饱和(,saturated),低能态的核等于高能态的核。,2025/12/12 周五,讨论:,共振条件：,0,=,H,0,/(,2),（1）对于同一种核，磁旋比,为定值，,H,0,变，射频频率,变。,（2）不同原子核，磁旋比,不同产生共振的条件不同，需要的磁场强度,H,0,和射频频率,不同。,（3）固定,H,0,，改变,（扫频），不同原子核在不同频率处发生共振（图）。也可固定,，改变,H,0,（扫场）。扫场方式应用较多。,氢核（,1,H）：1.409 T,共振频率 60,MHz,2.305 T,共振频率 100,MHz,磁场强度,H,0,的单位：1高斯（,GS）=10,-4,T（,特拉斯）,2025/12/12 周五,氢核（1,H）：14092G,共振频率 60,MHz,2.305 T,共振频率 100,MHz,磁场强度,H,0,的单位：1高斯（,GS）=10-4 T（,特拉斯）,2025/12/12 周五,讨论:,在1950年，,Proctor,等人研究发现：质子的共振频率与其结构（化学环境）有关。在高分辨率下，吸收峰产生化学位移和裂分，如右图所示。,由有机化合物的核磁共振图，可获得质子所处化学环境的信息，进一步确定化合物结构。,2025/12/12 周五,四、核磁共振波谱仪,nuclear magnetic resonance spectrometer,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。60,MHz,或100,MHz。,2025/12/12 周五,核磁共振波谱仪,2025/12/12 周五2025/12/12 周五,2025/12/12 周五,3 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5,mm,的玻璃管,测量过程中旋转,磁场作用均匀。,2025/12/12 周五,NMR 谱仪,600 MHz,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,.,2025/12/12 周五,NMR 谱仪:探头,RF,接口,RF,线圈,+,调谐元件,(,电容器,),Helmholtz,Solenoid,2025/12/12 周五,RF-Coil in NMR Probes,2025/12/12 周五,傅立叶变换核磁共振波谱仪,不是通过扫场或扫频产生共振；,恒定磁场，施加全频脉冲，产生共振，采集产生的感应电流信号，经过傅立叶变换获得一般核磁共振谱图。,（类似于一台多道仪）,2025/12/12 周五,2025/12/12 周五,超导核磁共振波谱仪：,永久磁铁和电磁铁：,磁场强度100,kG,开始时，大电流一次性励磁后，闭合线圈，产生稳定的磁场，长年保持不变；温度升高，“失超”；重新励磁。,超导核磁共振波谱仪：,200-400,HMz；,可 高达600-700,HMz；,2025/12/12 周五,2025/12/12 周五,90年代末核磁共振波谱技术的新进展,高场超导核磁谱仪的使用,900,MHz,800MHz,2025/12/12 周五,样品的制备：,试样浓度,：5-10%；需要纯样品15-30,mg；,傅立叶变换核磁共振波谱仪需要纯样品1,mg,；,标样浓度,（四甲基硅烷,TMS）,：,1%；,溶剂,：,1,H,谱 四氯化碳，二硫化碳；,氘代溶剂,：氯仿，丙酮、苯、二甲基亚砜的氘代物；,2025/12/12 周五,NMR,图,2025/12/12 周五,1.,化学位移,:,吸收峰所在的相对不同位置,.,在照射频率确定时，,都是,H,核,，所以吸收峰的位置应该是相同的,而实际不是这样,.,(1).,化学位移的由来,屏蔽效应,化学位移是由核外电子的屏蔽效应引起的。,2025/12/12 周五,H,核在分子中,是被,价电子,所包围的。因此，在,外加磁场的同时，还有核外电子,绕核旋转产生,感应磁场,H,。如果感应磁场与外加磁场方向相反，则,H,核的实际感受到的磁场强度为：,式中：,为屏蔽常数,核外电子对,H,核产生的这种作用，称为,屏蔽效应,(,如果产生磁场与外加磁场同向,称之为,去屏蔽效应,),。,2025/12/12 周五,显然，核外电子云密度越大，屏蔽效应越强，要发,生共振吸收就势必增加外加磁场强度，共振信号将移向高场区；，共振信号将移向低场区。,2025/12/12 周五,(2).,化学位移的表示方法,化学位移的差别约为百万分之十，精确测量十分困难，现采用相对数值。以,四甲基硅（,TMS,）,为标准物质，规定：它的化学位移为零，然后，根据其它吸收峰与零点的相对距离来确定它们的化学位移值。,仪器频率,2025/12/12 周五,为什么选用,TMS,(,四甲基硅烷,),作为,标准物质,?,(,1,),屏蔽效应强，共振信号在高场区,(,值规定为,0,),，绝大多数吸收峰均出现在它的左边。,(,2,),结构对称，是一个单峰。,(,3,),容易回收,(,b.p,低,),，与样品不反应、不缔合。,2025/12/12 周五,(3).,影响化学位移,(,电子云密度,),的因素,:,a.,电负性,:,元素的,电负性,，通过诱导效应，使,H,核的,核外电子,云密度，屏蔽效应，,共振信号低场。,例如：,C,H,a,H,b,高,场,低,场,屏,蔽,效,应,：,H,a,H,b,O,2025/12/12 周五,b,磁各向异性效应：,A.,双键碳上的质子,双键碳上的,质子,位于,键环流电子产生的,感生磁场与外加磁场方向一致的区域,（称为去屏蔽区），,去屏蔽效应的结果，使双键碳上的,质子,的,共振信号移,向稍低的磁场区,=9.4,10,=4.5,5.7,2025/12/12 周五,c.,共轭效应,:,电子云密度增加磁屏蔽增加,d.Van der waals,效应在空间中两个氢核靠,的很近时,核外电子会互相排斥,这时氢核电,子密度下降,值变大,.,2025/12/12 周五,第六节 核磁共振碳谱,(,13,C),简介,有机化合物中,C,元素的重要性；,核磁共振碳谱与氢谱的差别,信号强度低,：,13,C,丰度为,1.1,；磁旋比比,1,H,小四倍；,为,1,H,谱图的,1/6000,。,化学位移范围宽,0,250(350),，有利于结构分析。,耦合常数大,13,C,与直接相连的,1,H,的耦合常数在,125,250Hz,；,一般通过质子噪声去耦，得到单峰。,2025/12/12 周五,弛豫时间长,比,1,H,慢；,可得到较多信息；,不能用于定量,共振方法多、信息多,质子噪声去耦、偏共振去耦、门控去耦。,谱图简单,一般为一级谱图。,2025/12/12 周五,2025/12/12 周五,2025/12/12 周五,第七节 二维核磁共振谱,二维谱是两个独立频率变量的信号函数,S(1,2);,目前，主要是先得到以独立时间为变量的信号函数,S(t1,t2),，再经过傅立叶转换成为两个独立频率变量的信号函数。,2025/12/12 周五,二维谱图的表示方法,2025/12/12 周五,二维谱图举例1,2025/12/12 周五,谱图举例2,2025/12/12 周五,生物大分子空间结构的测定方法,X,射线晶体学,多维核磁共振波谱学,2025/12/12 周五,2025/12/12 周五,核磁共振的特点,蛋白质处于溶液状态,适合研究蛋白质,-,蛋白质，,蛋白质,-,核酸，蛋白质,-,配基相互作用,可研究蛋白质分子内部运动,可研究膜蛋白,核磁共振基本原理,11,讲,吴季辉,2025/12/12 周五,NMR structure of the recombinant murine,prion protein,核磁共振基本原理,11,讲,吴季辉,2025/12/12 周五,核磁技术和应用范围,2025/12/12 周五,蛋白质三维空间结构测定,样品制备,记录核磁共振谱,谱峰归属,确定二级结构单元,约束条件的建立,从,NMR,数据到分子模型,核磁共振基本原理,11,讲,吴季辉,2025/12/12 周五,药物设计和筛选,2025/12/12 周五,2025/12/12 周五,hr-MAS of biological tissue,相同强度,Lipid,CH,2,-CO,Lipid,CH,2,-C=C,Lipid,CH,2,-CH,2,-CO,Lipid,CH,2,Lipid,CH,3,Citrate,Lactate,Alanine,放大,人前列腺组织,（,prostate tissu,）,良性,vs.,恶性,癌症组织给出更多的脂类物含量（,lipid,）！,2025/12/12 周五,用,NMR,连续监测蛋白质复性过程,Stopped-flow,19,F NMR spectra of the refolding of 6-,19,F-tryptophan labeled,Escherichia coli,dihydrofolate reductase following dilution from 5.5 to 2.75 M urea at 5,C,in the presence of 3.8 mM NADP,+,2025/12/12 周五,