核磁共振簡介

核磁共振簡介,王雨松2014年11月19日,核磁共振是磁矩不為零的原子核，在外磁場作用下自旋能級發(fā)生塞曼分裂，共振吸收某一定頻率的射頻輻射的物理過程。,什么是核磁共振？,孤立原子核，在同樣強度的外磁場中，只對某一特定頻率的射頻場敏感。分子結構中不同位置的原子核，所感受到的外加磁場的強度各不相同，從而對不同頻率的射頻場敏感，導致核磁共振信號的差異。,核磁共振研究領域,液體核磁共振：有機小分子、高分子、生物大分子固體核磁共振：高分子、無機材料、生物大分子磁共振成像：醫(yī)學（人體、小動物）,核磁共振譜儀,溫控單元,自動進樣器,前置放大器,超導磁體,機柜,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：510毫克（稀溶液可提高分辨率） 13C譜：2030毫克（濃溶液可提高靈敏度）,NMR樣品的準備, ,溶劑太少 溶劑太多,0.5ml溶劑4cm高,液體核磁 1H譜,化學位移耦合積分面積,1H譜的特點：,靈敏度最高（測試時間短，幾分鐘）定量關系好（同一分子中不同種類氫的比例、混合物中各組分的比例 聚合物的數均分子量、共聚比例等）復雜化合物譜峰重疊嚴重,液體核磁 13C譜,13C譜的特點：,靈敏度低（測試時間長，1小時幾十小時）通常的13C譜圖，譜峰面積沒有定量關系化學位移數值變化范圍較寬，且譜線較窄，很少重疊碳的級數容易測定對于化合物的立體結構敏感,液體核磁 DEPT 13C譜,通過三張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峰,同核相關,液體核磁 HSQC譜,化學鍵直接相連的碳原子和氫原子有相關峰,異核相關（近程）,液體核磁 HMBC譜,相隔兩根或三根化學鍵的碳原子和氫原子有相關峰主要用于確定季碳的位置,異核相關（遠程）,一維多核實驗技術,11B,19F,23Na,29Si,31P,195Pt,1D sel-NOE,*,*,*,選擇性照射,溶劑峰抑制,由于計算機動態(tài)范圍的限制，溶劑峰被抑制后，微弱的信號才可見。,擴散實驗 DOSY,反復優(yōu)化參數（、）,擴散序譜是一種利用脈沖梯度場核磁共振對溶液中具有不同擴散系數(D)的成分進行虛擬分離的一種核磁共振技術。,例：不同分子大小的三種物質（咖啡因、乙二醇、水）的混合物，因其擴散系數不同，得到了虛擬分離。,固體核磁,樣品不溶解樣品溶解，但是結構改變研究從液體到固體的結構變化固相反應等研究領域： 無機材料：分子篩、玻璃、陶瓷等； 有機固體：高分子、膜蛋白等樣品要求： 干燥、不導電、無磁性的固體粉末 高速旋轉時，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：液體分子的快速運動把使譜線增寬的各種內部相互作用 平均為零。（2）硬件： a. High power (1000W) short pulse width (激發(fā)譜寬大） low power (100 W) large pulse width (激發(fā)譜寬?。?b. 魔角旋轉（MAS）探頭（3）差別在減小 HR-MAS probe、 Nano-probe 介于固體與液體之間（凝膠、生物組織等）樣品 液體NMR的實驗方法用于固體NMR,儀器介紹,7mm 4mm 2.5mm,400MHz寬腔固體核磁共振,定子,400km/hr 600km/hr 800km/hr 線速度,選擇適合的蓋子,選擇適當直徑的轉子,探頭與樣品管蓋子,固體NMR的發(fā)展過程,四、五十年代：寬線NMR1958年: R. Andrew, I. Lowe, 魔角旋轉（magic angle spinning, MAS) 消除同核偶極相互作用、化學位移各向異性 1968年：J. Waugh et al., 多脈沖（multiple pulse, WAHUHA四脈沖） 消除同核偶極相互作用 （同核去偶） 1972年， A. Pines et al. , 交叉極化 (cross polarization, CP) 通過極化轉移，增強稀核的靈敏度1988年，A. Pines, Llor, 雙旋轉（DOR）、動角旋轉（DAS） 消除半整數四極核中心躍遷的二階四極作用1989年, A. Schaffer, T. Gullion, 旋轉回波雙共振 (REDOR) 測量異核間距離(空間聯系) 1994年, H. W. Spiess 雙量子魔角旋轉(DQ-MAS) 測量同核間距離(空間聯系)1995年，L. Frydman 多量子魔角旋轉（MQ-MAS） 消除半整數四極核中心躍遷的二階四極作用,魔角旋轉（MAS）,魔角旋轉(Magic angle spinning, MAS)使得不同取向的晶位表現出相同的平均取向，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 + Hj Hz 核磁矩與外磁場的相互作用(106-109Hz) HRF 核自旋與射頻場的相互作用 HD 偶極-偶極相互作用 ( 0 - 105 Hz ) Hcs 化學位移各向異性相互作用 ( 0 - 104 Hz ) HQ 四極相互作用 ( 0 - 109 Hz),譜線增寬,魔角旋轉（MAS）,19F 譜,靜態(tài)，單脈沖,轉速=10kHz，單脈沖,轉速=20kHz，單脈沖,轉速=30kHz，單脈沖,聚偏氟乙烯（PVDF）,*,*,*,*,*,* 為旋轉邊帶,交叉極化與魔角旋轉（CP/MAS),交叉極化的脈沖序列,Hartman-Hahn匹配條件靜止：IB1I= SB1S，即1I = 1S 魔角旋轉： 1S = 1In r n=0,1,2,I,S,CP+MAS,MAS,交叉極化使得信號強度明顯增加,困難：1. 13C、15N等核天然豐度低； 2. T1一般比較長； 3. 同位素富集較昂貴。,13C,交叉極化與魔角旋轉（CP/MAS),甘氨酸在不同轉速時的CP/MAS 13C譜,*,*,*,*,靜態(tài),1kHz,5kHz,15kHz,8kHz,12kHz,5kHz,13C,13C,*,*,*,*,*,*,*,*,*,*,*,*,交叉極化與魔角旋轉（CP/MAS),Non-Quaternary Suppression (NQS)非季碳抑制（譜圖僅顯示季碳信號）,Total Sideband Suppression (TOSS)全邊帶抑制（在低轉速下，譜圖幾乎看不到旋轉邊帶）,Cross Polarization / Magic Angle Spinning (CP/MAS),甘氨酸，轉速 = 5kHz,13C,*,*,*,*,*,*,CRAMPS (1D&2D),Combined Rotation And Multiple Pulse NMR Spectroscopy (CRAMPS),1H,1H,轉速=12kHz，Dumbo,轉速=12kHz，單脈沖,轉速=34kHz，單脈沖,1H,一維氫譜,二維氫譜,13C-1H相關譜 HETCOR,13C,1H,樣品：13C labelled tyrosine,400MHz，4mm探頭，約70min,9 3 1 5 6 2 4 8 7,13C-13C相關譜 RFDR,13C,Mixtime = 1.2ms,Mixtime = 8ms,13C,Radio Frequency-Driven Recoupling(RFDR),400MHz，2.5mm探頭，約70min,13C,9 3 1,5 6 2,4 8 7,樣品：13C labelled tyrosine,9 3 1,5 6 2,4 8 7,9 3 1,5 6 2,4 8 7,(C7/C9),(C1、5/C7),(C1、5/C3),19F-19F相關譜 RFDR,19F,19F,樣品：PVDF,Radio Frequency-Driven Recoupling(RFDR),400MHz，2.5mm探頭，約70min,外磁場強度對中心躍遷二階四極作用的影響,Experimental and modeled central transition 27Al MAS spectrum of the aluminoborate (A9B2) compound acquired at 17.6 T.,27Al MAS spectra of A9B2 compoundfrom 14 to 40 T.,引自Z. H. Gan et al. JACS, 2002,5634,27Al MAS 17.6T/750MHz,27Al MAS 17.6T/750MHz,RbNO3的87Rb 3QMAS譜圖,多量子魔角旋轉(MQMAS),F1維是各向同性高分辨的，消除了二階四級線型,400MHz，4mm探頭，約60min,晶型差異,400 MHz spectrometer, spinning speed 15 kHz, measurement time 40 min,13C CP/MAS spectra of cortisone acetate（醋酸可的松）,DCBA,引自bruker的ppt,靜態(tài)變角（單晶）探頭,3603303002702402101801501209060300,（H2N)2C-NH-CH2-CH2-CH2-CH(COOH) NH3+ H2PO4-,31P 譜,溫馨提示,一、安全因強磁場存在，裝有心臟起搏器、假肢人員禁止進入核磁共振實驗室；磁卡、手表、可磁化物體（扳手、鋼瓶）等不要靠近超導磁體；二、溶劑做液體核磁時，必須使用氘代試劑，0.5毫升；采集的信號為溶解在溶劑中的部分；因溶劑效應，在不同的溶劑中，譜圖可能有變化；重水交換實驗可用于確定活潑氫信號；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，會影響勻場，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，測試過程也會注意避光；空氣、水敏感的樣品，可將核磁管抽真空后，封管；四、變溫變溫實驗要注意溶劑的沸點、凝固點是否合適；變溫實驗時，樣品可能會發(fā)生構型翻轉，導致峰型變化；變溫實驗風險較大，要在有人值守時進行；,核磁數據 ？ 譜圖,以一維氫譜為例：,1. 軟件下載：10用戶名：mnova，密碼：mnova核磁共振譜圖處理軟件MestReNova正版軟件，校內聯網電腦均可激活2. 核磁數據下載（理化中心）10用戶名：導師姓名的全拼，密碼：樣品測試完成后，數據會上傳服務器，請自行下載數據，并及時取回核磁管。,請下載整個文件夾！,1D譜圖,譜圖打開,1D fid文件/2D ser文件,1D 譜圖處理,Fid信號+窗函數,手動調相位先調0級相位再調1級相位,1D 譜圖處理,手動校正基線,標化學位移,1D 譜圖處理,手動積分,譜圖縮放,指定橫坐標的兩端,局部放大,分峰擬合,多重性分析,譜圖輸出,譜圖模板,顯示模板,處理參數模板,多譜圖比較,13C譜,DEPT90,DEPT135,CH+CH3,CH2,CH,按住ctrl鍵 選擇多個譜圖,舉例：19F NMR,原始譜圖,調整相位,窗函數,基線校正,2D 譜圖處理,在2D譜圖上添加1D譜圖,2D譜圖處理,f1 f2兩個維度分別調整相位,按住Ctrl 鍵可微調,調整等高線的圈數和密度,2D譜圖處理,2D譜圖,HSQC,常用工具書,1.現代核磁共振實用技術及應用，毛希安，2000年2.核磁共振原理與試驗方法，高漢賓、張振芳，2008年3.生物大分子多維核磁共振，夏佑林等，1999年4.核磁共振實驗200例實用教程，陶家洵等譯，2008年5.有機化合物結構鑒定與有機波譜學，寧永成，2000年6.波譜數據表有機化