Bruker布魯克核磁共振培訓(xùn)資料

1、2021年11月16日1目錄目錄1 系系統(tǒng)簡統(tǒng)簡介介2 核磁共振核磁共振儀儀器的器的組組成及工作原理成及工作原理3 核磁共振原理核磁共振原理:原子核原子核間間的相互作用的相互作用4 儀儀器的分辨率及器的分辨率及穩(wěn)穩(wěn)定性定性5 RF 脈沖脈沖6 去偶去偶7 水峰的水峰的壓壓制技制技術(shù)術(shù)8 兩維兩維核磁共振核磁共振9 核磁共振中梯度核磁共振中梯度場場的的應(yīng)應(yīng)用用10. 高分辨魔角旋高分辨魔角旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)光光譜譜11. 固體核磁共振固體核磁共振2021年11月16日2B0yxz簡單介紹簡單介紹2021年11月16日3核磁共振核磁共振 : 簡介簡介核磁共振或簡稱NMR是一種用來研究物質(zhì)的分子結(jié)構(gòu)及物理特性的

2、光譜學(xué)方法.它是眾多光譜分析法中的一員. 其它的分析方法: 電子自旋共振 (ESR/EPR)紅外光譜學(xué) (IR)質(zhì)譜學(xué) (MS)色譜學(xué) (LC/GC/HPLC)X-ray (SCD/XRF/XRD)核磁共振成像 或稱MRIMRI 已經(jīng)頻繁的使用在醫(yī)院的疾病的診斷中.2021年11月16日4核磁共振核磁共振 : 簡介簡介雖然一小部分核磁共振儀器在工業(yè)上被用來做質(zhì)量控制,但核磁共振儀器現(xiàn)大部分仍局限在實驗室使用.應(yīng)用范圍:結(jié)構(gòu)確定 Structure Determination化學(xué)鑒定 Chemical Identification聚合物特性測定 Polymer Characterization藥

3、品開發(fā) Drug Development催化研究 Catalysis用戶:化學(xué)公司 Chemical Companies藥劑化學(xué) Pharmaceutical Companies石油化工 Petrochemical Industry高分子材料Polymer Industry大學(xué) Universities醫(yī)院 Hospitals2021年11月16日5核磁共振核磁共振 : 簡介簡介核磁共振研究的材料稱為樣品. 樣品可以處于液態(tài),固態(tài). 眾所周知,宏觀物質(zhì)是由大量的微觀原子或由大量原子構(gòu)成的分子組成, 原子又是由質(zhì)子與中子構(gòu)成的原子核及核外電子組成.核磁共振研究的對象是原子核.一滴水大約由1022

4、分子組成.HCHHmmm (10-6m)nm (10-9m)A (10-10m)2021年11月16日6核磁共振核磁共振 : 簡介簡介具有非零自旋量子數(shù)的原子核具有自旋角動量,因而也就具有磁矩, 例如象1H, 31P, 13C, 15N 等原子核.磁矩是一矢量.如果含有此類核的物質(zhì)置放于磁場中,原來無規(guī)則的磁矩矢量會重新排列而平行于外加的磁場.與外磁場同向和反向的磁矢量符合Boltzmann分布.在數(shù)量上同向與反向的差別很小,但正是這一微小的差別造就了核磁共振光譜學(xué).B0M單位體積內(nèi)原子核磁矩的矢量和定義為宏觀磁化強度矢量 M (macroscopic magnetization.其方向與外磁

5、場方向相同2021年11月16日7在磁場中,原來簡并的能級分裂成不同的能級狀態(tài).如果用適當頻率的電磁輻射照射就可觀察到核自旋能級的躍遷.原子核能級的變化不僅取決于外部磁場強度的大小及不同種類的原子核,而且取決于原子核外部電子環(huán)境.這樣我們就可獲得原子核外電子環(huán)境的信息.宏觀上講,當用適當頻率的電磁輻射(RF)照射樣品,宏觀磁化強度矢量從Z-軸轉(zhuǎn)到X或Y軸上.通過接受器,傅立葉轉(zhuǎn)換就得到核磁共振譜圖.核磁共振核磁共振 : 簡介簡介B0MB0MRF 脈沖脈沖接收器接收器ReceiverFTS(t)S(w w)ass11 2021年11月16日8核磁共振核磁共振 : 簡介簡介樣品:非磁性及非導(dǎo)電靈敏

6、度:樣品需含 1015 原子核溶液固體Solids600 MHz成像NMR2021年11月16日9核磁共振核磁共振 : 簡介簡介0BEwLarmor 頻率化學(xué)位移自旋-自旋偶合e.g. B0=11.7 T, w(1H)=500 MHzw(13C)=125 MHz化學(xué)位移 B0 kHz自旋-自旋偶合 Hz-kHz2021年11月16日10核磁共振核磁共振 : 簡介簡介Information:Larmor 頻率原子核化學(xué)位移: 結(jié)構(gòu)測定(功能團)J-偶合: 結(jié)構(gòu)測定(原子的相關(guān)性)偶極偶合:結(jié)構(gòu)測定 (空間位置關(guān)系)弛豫:動力學(xué)1H13CCH3C=CH-HHCCCHHHHDJHHHCJCHCC=C

7、CH32021年11月16日11核磁共振核磁共振 : 簡介簡介1.82.02.22.4ppmppm1.01.82.02.22.4ppm1.02.0分辨率可通過提高外磁場強度和增加譜圖的維數(shù)而提高. nD NMR (n=2,3,4)1D 譜2D (輪廓圖)2021年11月16日12NMR 譜儀譜儀FMAudio反饋600譜儀2021年11月16日13NMR 譜儀譜儀600 MHz磁體探頭機柜RF 產(chǎn)生RF 放大信號檢測數(shù)據(jù)采集控制 數(shù)據(jù)信息交流運行控制磁體控制前置放大器計

8、算機數(shù)據(jù)儲存;數(shù)據(jù)處理;總體控制.2021年11月16日14NMR 譜儀譜儀:機柜機柜AQX(Digital)CCUTCUFCURCUVT unitBSMSshimlockCCUAQRASURouterACBADCRX22AmplifierAmplifierPTS2021年11月16日15NMR 譜儀譜儀: 探頭探頭RF 接口RF 線圈+調(diào)諧元件(電容器)HelmholtzSolenoid2021年11月16日16RF-Coil in NMR Probes2021年11月16日17NMR 譜儀譜儀: 術(shù)語和簡寫術(shù)語和簡寫AVANCE 系統(tǒng)系統(tǒng):FCU:頻率控制單元 Frequency Cont

9、rol UnitASU:頻輻設(shè)置單元 Amplitude Setting UnitTCU:時間控制單元 Timing Control UnitCCU:協(xié)調(diào)控制單元 Communication Control UnitRCU:接收控制單元 Receiver Control UnitBSMS:布魯可智能磁體控制系統(tǒng) Bruker Smart Magnet SystemLOT:發(fā)射/調(diào)諧開關(guān) Local Oscillator and Tune BoardACB:功放控制板 Amplifier Control BoardRX22:接收器 ReceiverADC:數(shù)字/摸擬轉(zhuǎn)換器 Analog to D

10、igital ConverterHPPR:前置放大器 Pre-amplifierLCB:鎖場控制板 Lock Control BoardPTS:頻率合成器 brand of synthesizer usedXwinNMR: 運行軟件 Operating SoftwareLINUX/WINDOWS:計算機操作系統(tǒng) SGI Operating SoftwarePulse Program:脈沖程序 Operator Instructions for experiment2021年11月16日18NMR 譜儀譜儀: 術(shù)語和簡寫術(shù)語和簡寫AV 系統(tǒng)系統(tǒng):FCU:頻率控制單元 Frequency Cont

11、rol UnitSGU:信號產(chǎn)生單元 Amplitude Setting UnitTCU:時間控制單元 Timing Control UnitCCU:協(xié)調(diào)控制單元 Communication Control UnitRCU:接收控制單元 Receiver Control UnitBSMS:布魯可智能磁體控制系統(tǒng) Bruker Smart Magnet SystemACB:功放控制板 Amplifier Control BoardRX22:接收器 ReceiverADC:數(shù)字/摸擬轉(zhuǎn)換器 Analog to Digital ConverterHPPR:前置放大器 Pre-amplifierLCB

12、:鎖場控制板 Lock Control BoardXwinNMR: 運行軟件 Operating SoftwareLINUX/WINDOWS:計算機操作系統(tǒng) SGI Operating SoftwarePulse Program:脈沖程序 Operator Instructions for experiment2021年11月16日192. NMR 檢測檢測A: 磁化強度矢量, Larmor 頻率B: RF 脈沖, 脈沖功率, 探頭, 電擊放電C: 磁化強度矢量進動, 旋轉(zhuǎn)坐標系, 接收器,前置放大器D: 接收器增益值, 弛預(yù)時間 (T1,T2)E: 傅立葉轉(zhuǎn)換, 正交檢測, 頻率掃描寬度,

13、折反峰 folding B0MB0MRF pulseReceiverFTS(t)S(w w)AECBD2021年11月16日20B0yxz2. a: 宏觀磁化強度矢量宏觀磁化強度矢量600 MHzB0yxzM具有非零自旋量子數(shù)的原子核具有自旋角動量,因而也就具有磁矩.在磁場中,原來無規(guī)則的磁矩矢量會重新排列而平行于外加的磁場.與外磁場同向和反向的磁矩矢量符合Boltzmann分布.磁矩矢量沿磁場方向的進動使XY平面上的投影相互抵消.由于沿磁場方向能量較低,故原子分布較多一些而造成一個沿Z-軸的非零合磁矩矢量.雖然在理論上經(jīng)常討論單一原子的情形,但在實際上,單一原子的核磁信號非常小而無法觀測.故

14、此我們定義單位體積內(nèi)原子核磁矩的矢量和為宏觀磁化強度矢量 其方向與外磁場方向相同.以此矢量來描述宏觀樣品的核磁特性.2021年11月16日212. a: Larmor 頻率頻率核磁矩沿外磁場方向進動的頻率稱為Larmor 頻率w或共振頻率.此頻率的大小取決于原子核的種類及外磁場的大小. 0 Bwnucleussymbolabundance (%)frequency (MHz) at 2.35Tproton (hydrogen)1H99.98100deuterium2H0.01515.35phosphorous31P10040.48carbon13C1.125.14nitrogen15N0.37

15、10.13nitrogen14N99.637.22fluorine19F10094.08oxygen17O0.0413.56aluminum27Al10026.06 是磁旋比. 它是原子核本身的屬性并只能通過實驗獲取.在案BRUKER 儀器上,原子核的頻率是通過參數(shù)BFn (MHz)設(shè)置. 如BF1 代表第一通道. 更精細的頻率調(diào)節(jié)可用參數(shù)On來完成. On叫頻率偏差頻率或偏置頻,所以總頻率為SFOn:SFO1=BF1+O12021年11月16日222. b: RF 脈沖脈沖核磁信號只能在核磁化矢量位于XY平面時才能被檢測到.使用與原子核Larmor頻率相同無線電射頻即可將M 從Z-軸轉(zhuǎn)向X-

16、或Y-軸.MMrf+M當觀測信號時,RF 脈沖是處于關(guān)閉狀態(tài). NMR信號是在微伏(microvolts)而RF脈沖是在千伏kilovolts.2021年11月16日232. b.旋轉(zhuǎn)坐標系旋轉(zhuǎn)坐標系為了更好的描述與簡化所研究的體系而引進旋轉(zhuǎn)坐標系統(tǒng).旋轉(zhuǎn)坐標系統(tǒng)中的Z-軸與傳統(tǒng)的三維坐標系的Z-軸一致,而其X-與Y-軸卻以與核磁共振頻率相同(Larmor 頻率)的頻率繞Z-軸旋轉(zhuǎn).在此體系中,核磁矩不在圍繞Z-軸旋轉(zhuǎn)而是靜止在某一點上.MrfMrfxzyxyzxzyy傳統(tǒng)坐標系X-與Y-軸以Larmor 頻率圍繞Z-軸旋轉(zhuǎn)旋轉(zhuǎn)坐標系2021年11月16日24實際應(yīng)用上的例子. 當磁化矢量被轉(zhuǎn)

17、到XY平面后,它仍以Larmor 頻率繞Z-軸旋轉(zhuǎn).同樣的,核磁信號也以大致相當?shù)念l率饒Z旋轉(zhuǎn).然而此高頻信號(數(shù)百兆赫)是不可能被數(shù)字化的,即使使用高分辨的ADC. 實際應(yīng)用上,就將檢測到的信號與一參照頻率想混合而得到其差頻.此差頻落在100KHz的范圍內(nèi)(聲頻)并很容易被數(shù)字化.混合檢測的信號(10-800 MHz)參照頻率(10-800 MHz)自由衰減信號 (FID)(audio: 0-100 kHz)接受器 (RX22)數(shù)字化器 (HADC)計算機儲存2. b.旋轉(zhuǎn)坐標系旋轉(zhuǎn)坐標系2021年11月16日25通過RF脈沖的照射,磁化矢量將以RF脈沖的照射方向為軸在垂直于RF脈沖的照射方

18、向的平面內(nèi)轉(zhuǎn)動.如使用X-脈沖則磁化矢量將圍繞X-軸方向在YZ平面內(nèi)轉(zhuǎn)動. -只要RF脈沖打開,則磁化矢量的轉(zhuǎn)動就不會停止.-磁化矢量的轉(zhuǎn)動速度取決于脈沖強度.-脈沖長度將決定磁化矢量停止的位置.Mrfxyz45o90o180o270o360o2. b: RF 脈沖脈沖2021年11月16日2690o 或p/2 脈沖將給出最大的信號.所以也就成為準確測定此參數(shù)的原因之一. 在特定的功率強度下,通過采集一系列不同脈沖長度的譜圖以確定最大值或零強度點.此點就給出90o或180o的脈沖.在BRUKER 儀器, RF 脈沖一般以pn (e.g. p1)等參數(shù)來描述其標準單位是微秒(ms). 功率強度是

19、以pln, (e.g.pl1)等參數(shù)來描述其標準單位是dB.)/lg(2001VVdB )/lg(1001PPdBMrfxyzPulse length90180270360)/lg(2001VVdB2. b: RF 脈沖脈沖2021年11月16日272. b: RF 產(chǎn)生產(chǎn)生頻率合成器Sythesizer頻率控制單元FCU時間控制單元TCU頻輻設(shè)置單元ASU功放Amplifier(BLAH,BLAX)到探頭電腦指令2021年11月16日282. c: 信號接收信號接收MB0接受接受/發(fā)射線圈發(fā)射線圈經(jīng)過脈沖照射后, 磁化矢量被轉(zhuǎn)到XY平面上并繞Z-軸旋轉(zhuǎn). 由于此轉(zhuǎn)動切割了接受器的線圈,并在接

20、受器的線圈中產(chǎn)生振蕩電流.其頻率就是Larmor頻率. 在NMR 中,接收線圈與發(fā)射線圈是同一線圈.X信號首先被送到前置放大器然后送到接收器.接收器分解此信號使之頻率降低到聲頻范圍.模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器將此信號數(shù)字化.Vt2021年11月16日292. c: 前置放大器前置放大器(Preamp)去接收器的信號從功放來的RF 脈沖HPPR控制1HXD前置放大器HPPR前置放大器有兩種用途:1. 放大檢測的NMR信號 (從微伏到毫伏)2. 分離高能RF脈沖與低能 NMR信號.前置放大器含有一接收發(fā)射開關(guān)(T/R).其作用就是阻止高壓RF脈沖進入敏感的低壓的信號接收器.2021年11月16日302. c:

21、 接收器接收器(Receiver)檢測方法:具有Larmor頻率NMR信號與激發(fā)脈沖混合,所得的差被數(shù)字化.混合檢測的信號(10-800 MHz)參照頻率(10-800 MHz)自由衰減信號 (FID)(audio: 0-100 kHz)接受器 (RX22)數(shù)字化器 (HADC)計算機儲存2021年11月16日312. c: 接收器接收器(Receiver)mixing信號(10-800 MHz)SFO1 + 22 MHz(32-822 MHz)自由衰減信號 (FID)(audio: 0-100 kHz)接收器 (RX22)Digitizer (HADC)計算機儲存RX22 檢測過程:具有La

22、rmor頻率NMR信號將被混合兩次. 首先將信號與SFO1+22MHz的脈沖混合.然后將所得信號再與22 MHz混合而得到具有音頻的自由衰減信號(FID). 使用22MHz頻率是為避免頻率泄露與部件間的頻率干擾.混合(I)mixing混合(II)IF 22 MHz2021年11月16日322. c: ADCNMR 信號通常包含許多共振頻率及振輻.為能更好的描述NMR信號, 我們一般使用16 或18 bit ADC. 增益值(RG)應(yīng)被調(diào)節(jié)到一適當?shù)闹?既能充分利用又不至于使接收器過飽和.RG 太低RG 太高RG 適當2021年11月16日33NMR 信號被稱為自由衰減信號 (Free Indu

23、ction Decay 或 FID).此信號并不能象COS涵數(shù)一樣保持同樣的振輻持續(xù)下去,而是以指數(shù)的方式衰減為零. 此一現(xiàn)象是由所謂的自旋-自旋弛預(yù)造成.(T2 relaxation)在BRUKER儀器中,時域信號的數(shù)據(jù)點是由參數(shù)TD 設(shè)定.為使時域信號能夠被完全采集到,TD應(yīng)為一適當?shù)闹?以免使信號被剪斷( truncation).2. d: 自由衰減信號自由衰減信號(Free Induction Decay)TD set proper*TD too small2021年11月16日34在測量NMR信號的同時,由于儀器的電子元件及樣品本身產(chǎn)生的噪音也同樣被接收線圈檢測到. 為了得到適當信噪

24、比的圖譜我們一般可以增加掃描次數(shù)以達到要求的信噪比(S/N), 信號平均是指通過增加掃描次數(shù)來壓制噪音而增加信號強度的方法.N次額外的掃描回給出次額外的掃描回給出 倍的增強的信號強度倍的增強的信號強度在BRUKER儀器中,掃描次數(shù)是由參數(shù)ns設(shè)置設(shè)置.另外,增加掃描次數(shù)時,一定要考慮T1弛豫的影響,也就是說要考慮參數(shù)D1的設(shè)置2. d: 信號平均信號平均(Signal Averaging)noiselevelsignaln2021年11月16日35FID譜圖NSS/N14162561 (ref)2x4x16x2. d: 信號平均信號平均(Signal Averaging)2021年11月16日

25、362. d: 弛豫效應(yīng)弛豫效應(yīng)(Relaxation)NMR信號是一個以常數(shù)為T2的指數(shù)方式衰減的涵數(shù). T2就是橫向弛豫過程的時間常數(shù)就是橫向弛豫過程的時間常數(shù).此外,在XY平面的磁化矢量需要一定的時間回到Z-軸上.這一過程需要的時間就叫縱向弛豫時間.其時間常數(shù)是T1. T1 和T2 與原子核的種類,樣品的特性及狀態(tài),溫度以及外加磁場的大小有關(guān).信號平均方法成功的關(guān)鍵就是要正確設(shè)定參數(shù)D1.D1必須是五倍的必須是五倍的T1以保證在下次掃描時磁化矢量完全以保證在下次掃描時磁化矢量完全回到回到Z-軸軸.有時為節(jié)省時間,使用小角度的脈沖,重復(fù)掃描以達到增強信號的目的.T1=30s, 4 scan

26、sa. D1=150s; 90o pulse; 600s;b. D1=15s; 90o pulse; 60s;c. D1=15s; 30o pulse; 60s.abc2021年11月16日372. e: 傅立葉轉(zhuǎn)換傅立葉轉(zhuǎn)換(Fourier Transformation)在核磁共振實驗中,由于原子核所處的電子環(huán)境不同,而具有不同的共振頻率.實際上,NMR信號包含許多共振頻率的復(fù)合信號.分析研究這樣一個符合信號顯然是很困難的.傅立葉轉(zhuǎn)換(FT)提供了一種更為簡單的分析研究方法.就是將時域信號通過傅立葉轉(zhuǎn)換成頻域信號.在頻域信號的圖譜中,峰高包含原子核數(shù)目的信息,而位置則揭示原子核周圍電子環(huán)境的

27、信息.timefrequencyFT2021年11月16日382. e: 傅立葉轉(zhuǎn)換傅立葉轉(zhuǎn)換(Fourier Transformation)由于NMR檢測器不能檢測出順時針或反時針方向的核磁信號,傅立葉轉(zhuǎn)換后,將給出+w 和 w兩個峰. xVtxVtFT0-ww2021年11月16日39NMR SignalReference (SFO1)90o0oADCABRealImaginary數(shù)學(xué)處理為了區(qū)分順時針與反時針旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的峰.正交檢測方法被用來解決這一問題.通過使用具有900相位差的兩個基本點檢測器,正負頻率就很容易區(qū)分開.實際應(yīng)用中,并非使用兩個檢測器,而是使用一個檢測器.將檢測到的信號分

28、成兩部分并分別送到具有償使用900相位差兩個通道中.2. e: 正交檢測正交檢測(Quadrature Detection)2021年11月16日40Channel AChannel BFTFTChannel A + B2. e: 正交檢測正交檢測(Quadrature Detection)2021年11月16日412. e:傅立葉轉(zhuǎn)換對傅立葉轉(zhuǎn)換對cosineExponential(slow)Exponential(fast)blockpulsetimefrequencyFTtimefrequencyFTnoise2021年11月16日422. e: 填零填零(ZeroFilling)在數(shù)據(jù)

29、采集時,最好只采集數(shù)據(jù)直到信號衰減為零,但由于數(shù)據(jù)點較少而影響譜峰的分辨率.增加采集時間由于信號已沒,所采集到的只是噪音.在FID的尾部通過填零的方法可以很好的解決這個文題.TD=SI=128TD=128; SI=1024TDTDSI2021年11月16日432. e: 線寬因子線寬因子(LineBroadening)Lb=0Lb=5Lb=10NMR信號一般都集中在FID的前部,后部含有的大部分為噪音.將FID乘一權(quán)重指數(shù)函數(shù)就能迫使尾部的FID為零.其程度由參數(shù)LB控制.當然還有其他的權(quán)重涵數(shù)可以利用.使用這些涵數(shù)雖可提高信噪比卻一犧牲分辨率為代價.在BRUKER儀器中,這些涵數(shù)統(tǒng)稱為窗口涵

30、數(shù).2021年11月16日44一個有問題的圖譜可以通過檢查FID來診斷.時域上兩個涵書的乘積經(jīng)傅立葉轉(zhuǎn)化后,其頻域的涵數(shù)將具有前兩時域涵數(shù)單獨轉(zhuǎn)化成頻域涵數(shù)的所有特征(convolution theory).例如一個被剪切的FID可以被看成是FID乘以一常數(shù)涵.傅立葉轉(zhuǎn)化后所得涵數(shù)具有FID及常數(shù)涵數(shù)的共同特征.=xFT2. e:傅立葉轉(zhuǎn)換傅立葉轉(zhuǎn)換2021年11月16日45正確圖譜SpikeArcingBad lineshape(shimming)2. e: 傅立葉轉(zhuǎn)換傅立葉轉(zhuǎn)換(Fourier Transformation)2021年11月16日46采樣快慢決定了觀測的譜圖的頻率范圍而由所

31、謂的駐留時間參數(shù)(DW)確定.兩者間的關(guān)系由下試確定.swdw12sw=1000 Hzsw=500 Hzdw= 0.5msdw= 1 ms2. e: 傅立葉轉(zhuǎn)換傅立葉轉(zhuǎn)換(Fourier Transformation)2021年11月16日472. e: 峰折返峰折返(Folding)當NMR 信號數(shù)字化時速度太慢時會導(dǎo)致對FID信號頻率的錯誤表達.數(shù)學(xué)上為能正確確定一經(jīng)過坐標原點的周期涵數(shù)的頻率,在某一周期內(nèi)必須有兩個已知點.所以對FID信號數(shù)字化采樣時,也必須在某一周期內(nèi)采集到至少兩個點(Nyquist Theorem). 如果不這樣就會產(chǎn)生峰折返.不產(chǎn)生峰折返所能達到的最大頻率叫Nyqu

32、ist Frequency.真實峰出現(xiàn)峰2021年11月16日482. e: 頻域譜圖寬度頻域譜圖寬度(Spectral Window)在BRUKER的儀器中,頻域譜圖的中央點是由參數(shù)SFo1 (=SF + o1)確定. 其中,SF 是所觀測的原子核Larmor頻率; o1 是偏置頻率可以用來改變頻域譜圖的中央點.o1o1o12021年11月16日49在實際測試未知樣品時,可以使用較大的SW值采樣.然后調(diào)整O1采樣.最后再調(diào)整SW.1. 較大 sw2. 調(diào)整 o13. 調(diào)整 swo1new o1swswnew sw2. e: 頻域譜圖寬度頻域譜圖寬度(Spectral Window)2021年

33、11月16日502. e: 相位調(diào)整相位調(diào)整(Phasing)通常所采集到的譜圖含有吸收(absorption)與擴散與擴散(dispersion)組份組份. 通過相位調(diào)整可以的到純粹的吸收峰. ReImReImIn phaseOut of phase2021年11月16日51在BRUKER儀器中,相位調(diào)整首先對最大峰進行零級相位調(diào)整PH0,然后以一級相位調(diào)整PH1來調(diào)節(jié)其他的峰.1. FT phase2. Adjust ph0on biggest peak3. Adjust otherpeaks with ph12. e: 相位調(diào)整相位調(diào)整(Phasing)2021年11月16日523. N

34、MR: 原子核間的相互作用原子核間的相互作用分子中的原子并不是孤立存在,它不僅在相互間發(fā)生作用也同周圍環(huán)境發(fā)生作用,從而導(dǎo)致相同的原子核卻有不同的核磁共振頻率.0BEwLarmor 頻率化學(xué)位移自旋-自旋偶合e.g. B0=11.7 T, w(1H)=500 MHzw(13C)=125 MHz化學(xué)位移 B0 kHz自旋-自旋偶合 Hz-kHz2021年11月16日533. NMR: 化學(xué)位移化學(xué)位移(Chemical Shift)在磁場中,由于原子核外電子的運動而產(chǎn)生一個小的磁場Be(local field).此小磁場與外加磁場(B0)方向相反.從而使原子核感受到一個比外加磁場小的磁場小的磁場

35、(B0+Blo).此一現(xiàn)象我們稱做化學(xué)位移作用或屏敝作用.B0Be原子核實際感受到的磁場:B = (1-s s) B0s化學(xué)位移常數(shù)2021年11月16日543. NMR: PPM 單位單位由于化學(xué)位移是與外加磁場成正比,所以在不同的磁場下所的花絮位移數(shù)值也不同.也會引起許多麻煩.引入ppm并使用同意參照樣品,就是光譜獨立于外加磁場.0 Hz15003000450060000 ppm48120 Hz15003000450060000 ppm4812參照樣品峰ppmsamplereferencereferencewww300 MHz500 MHz300 MHz500 MHz1 ppm = 300

36、 Hz1 ppm = 500 Hz2021年11月16日550 ppm428610HC=OHC=CH2CH3即使使用不同的儀器或在不同的場強下,相同的官能團具有相同的ppm值.不同的官能團由于存在于不同的電子環(huán)境因而具有不同的化學(xué)位移,從而使結(jié)構(gòu)堅定成為可能.3. NMR: 化學(xué)位移化學(xué)位移(Chemical Shift)2021年11月16日563. NMR: 自旋自旋-自旋偶合自旋偶合(Scalar Coupling)相鄰的原子核可以通過中間媒介(電子云)而發(fā)生作用.此中間媒介就是所謂的化學(xué)鍵.這一作用就叫自旋-自旋偶合作用(J-偶合).特點是通過化學(xué)鍵的間接作用.CHCHHC異核J-co

37、upling同核 J-couplingJCHJHH2021年11月16日57自旋-自旋偶合引起共振線的分裂而形成多重峰.多重峰實際代表了相互作用的原子核彼此間能夠出現(xiàn)的空間取向組合.CHJCHCHJCH原始頻率ww-J/2w+J/2JCH3. NMR: 自旋自旋-自旋偶合自旋偶合(Scalar Coupling)2021年11月16日583. NMR: 同核同核J-偶合偶合(Homonuclear J-Coupling)多重峰出現(xiàn)的規(guī)則:1. 某一原子核與N個相鄰的核相互偶合將給出(n+1)重峰.2. 等價組合具有相同的共振頻率.其強度與等價組合數(shù)有關(guān).3. 磁等價的核之間偶合作用不出現(xiàn)在譜圖

38、中.4. 偶合具有相加性. 例如:HaHbCCwawbJABHBHBHAHAJABobserved spincoupled spinintensityAB1B1BA1A12021年11月16日59HaHbCCHcAB,CBCAAB,C是化學(xué)等價的核JAB=JAC3. NMR: 同核同核J-偶合偶合(Homonuclear J-Coupling)2021年11月16日60HaHbCCHcB,C是化學(xué)不等價的核JAC=10 HzJAC=4 HzJBC=7 HzABCwAJACJAC3. NMR: 同核同核J-偶合偶合(Homonuclear J-Coupling)2021年11月16日613. N

39、MR: 異核異核J-偶合偶合(Heteronuclear J-Coupling)*CH*CH2*CH3CH1H2H3CH1H2CH1*CC2021年11月16日62由于一些核的自然豐度并非如此100%.顧此譜圖中可能出現(xiàn)偶合分裂的峰和無偶合的峰.氯仿中的氫譜是一個典型的例子. x100H-13CH-13C105 HzH-12C3. NMR: 異核異核J-偶合偶合(Heteronuclear J-Coupling)2021年11月16日634. NMR: 分辨率與穩(wěn)定性分辨率與穩(wěn)定性(Resolution and Stability)為能區(qū)分微小的化學(xué)位移和偶合常數(shù),高的分辨率儀器(0.1Hz)

40、是必須的.它不僅要求外磁場必須具有相當?shù)姆€(wěn)定性,同時要求處于同位置但相同的核給出相同的共振頻率也就是說線寬要非常得心應(yīng)手小.穩(wěn)定性是通過穩(wěn)定的磁體及鎖場系統(tǒng)來實現(xiàn),而小的線寬則通過能提供均勻場強的磁體及勻場來完成.2021年11月16日644. NMR: 鎖場鎖場(Lock)實驗對磁場穩(wěn)定性的要求可以通過鎖場實現(xiàn).通過不間斷的測量一參照信號(氘信號)并與標準頻率進行比較. 如果出現(xiàn)偏差,則此差值被反饋到磁體并通過增加或減少輔助線圈(Z0)的電流來進行矯正. 2DLockTXLockRXLockfreq.Z0-coil2021年11月16日654. NMR: 勻場勻場(Shimming)在樣品中

41、,磁場強度應(yīng)該是均勻且單一,以使相同的核無論處于樣品的何種位置都應(yīng)給出相同的共振峰.為達此目的,一系列所謂勻場線圈按繞制所提供的涵數(shù)方式給出補償以消除磁場的不均勻性,從而得到窄的線形.實際應(yīng)用中可分為低溫勻場(cryo-shims)線圈和室溫勻場線圈RT-shims). 低溫勻場線提供較大的矯正.2021年11月16日664. NMR: 勻場勻場(Shimming)勻場線圈分為兩組: 改變Z-軸方向場強的稱為縱向勻場(axial, on-axis or z-shims);改變垂直與Z-軸方向場強的稱為橫向勻場(transverse or off-axis shims).orderon-axis

42、off-axis1ZX,Y2Z2XZ,YZ,X2-Y2,XY3Z3XZ2, YZ2,(X2-Y2)Z,X3, Y3, XYZ4Z4XZ3, YZ3, (X2-Y2)Z25Z56Z6shimsZZ2Z3Z4Z5z-height-0.50-0.250.000.250.50shim field2021年11月16日674. NMR: 勻場效果勻場效果(Effect of Z-Shims) Z+ Z2 - Z2 + Z4 - Z4 Z3 Z5 2021年11月16日684. NMR: 勻場勻場(Shimming)x,y,zz,z2x,y,xy,xz,yz,x2y2z,z2,z3x,y,xy,xz,yz

43、,x2y2,xz2,yz2,x2y2z,xyzz,z2,z3,z4x,y,xy,xz,yz,x2y2,xz2,yz2,x2y2z,xyz,x3y3,x2y2z2z,z2,z3,z4,z5,z6SpinningNon-spinning勻場需要豐富經(jīng)驗為基礎(chǔ).通過觀察鎖場信號高低,樣品信號線形及FID. 2021年11月16日694. NMR: 勻場勻場(Shimming)當初次安裝儀器或探頭時,旋轉(zhuǎn)與非旋轉(zhuǎn)樣品線形是一個標準的參考數(shù)據(jù). 氫譜的線形數(shù)據(jù)是通過測量氘代丙酮中3%的氯仿而得.數(shù)據(jù)數(shù)據(jù) 0.3/7/14表明Hz at 50%;半峰寬半峰寬7 Hz at 0.55%;碳衛(wèi)星峰高度的峰寬碳

44、衛(wèi)星峰高度的峰寬14 Hz at 0.11%1/5碳衛(wèi)星峰高度的峰寬碳衛(wèi)星峰高度的峰寬13C satellites215 Hz2021年11月16日704. NMR: Shimming- 2 0- 1 5- 1 0- 52 01 51 050H z-100-80-60-40-20120100806040200Hz樣品旋轉(zhuǎn) 在 50,0.55 and 0.11%處確定峰寬數(shù)值50%0.11%0.55%旋轉(zhuǎn)邊帶2021年11月16日71- 1 5- 1 0- 51 51 050H z-100-80-60-40-20100806040200Hz4. NMR: 勻場勻場(Shimming)50%0.1

45、1%0.55%樣品不旋轉(zhuǎn) 在 50,0.55 and 0.11%處確定峰寬數(shù)值2021年11月16日725. NMR: RF 脈沖脈沖B0M在傳統(tǒng)坐標系中,由于外加磁場對原子核的作用，磁化矢量以Larmor 頻率繞外加磁場進動. 如果旋轉(zhuǎn)坐標系的旋轉(zhuǎn)頻率與原子核的共振頻率相同，在旋轉(zhuǎn)坐標系中則沒有磁場而磁化矢量也就會靜止不動但如果旋轉(zhuǎn)坐標系的旋轉(zhuǎn)頻率與原子核的共振頻率有差別，則磁場就會出現(xiàn)而磁化矢量會圍繞此小磁場運動此小磁場叫偏置場偏置場wMM傳統(tǒng)坐標系旋轉(zhuǎn)坐標系在共振共振偏置旋轉(zhuǎn)坐標系2021年11月16日735. NMR: RF 脈沖脈沖zw1= weffxzw1wxweffzw1= we

46、ffxM在共振的在共振的RF脈沖脈沖共振偏置的脈沖共振偏置的脈沖如果 RF 脈沖施加在原子核的共振頻率，則磁化矢量就繞施加的場轉(zhuǎn)動.如果 RF 脈沖未施加在原子核的共振頻率則磁化矢量就繞施加的場與磁場的合場方向轉(zhuǎn)動.Mzweffxweff2021年11月16日745. NMR: 共振與偏置共振（共振與偏置共振（On and off resonance）在共振接近共振偏置共振通過改變以達到共振頻率2021年11月16日75由于核磁共振的樣品經(jīng)常包含多余一個的峰，脈沖不可能對所有的共振進行在共振激發(fā)但若以高功率的脈沖（使有效場盡可能貼近平面）仍可達到近似的效果實際應(yīng)用上使用短而強的脈沖zw1wxw

47、effzw1= weffxzw1wxweffRF (O1)5. NMR: RF 脈沖脈沖2021年11月16日76p/2 = 6 ms020000400006000080000w (Hz)020000400006000080000w (Hz)p/2 = 18 msp = 36 ms磁化矢量與偏置共振的關(guān)系5. NMR: RF 脈沖脈沖2021年11月16日77計算脈沖強度: 若 p/2 脈沖 10 ms 則2p 脈沖 40 ms 那么 w1 1/40ms = 25 kHz若 p/2 脈沖太長，可以增加功率是其變短不要超過探頭所能負擔的不要超過探頭所能負擔的功率否則會損壞探頭！功率否則會損壞探頭

48、！RF功率放大器的輸出功率是用dB.dB的數(shù)值表示與最大輸出功率相比實際輸出功率衰減的程度由上式可看出每 6 dB 衰減將使輸出的伏特值減半而使脈沖長度加倍在儀器中，脈沖強度由ln設(shè)定dB表示小強度，表示大強度Attenuation(dB)= -20 log (V/Vmax)5. NMR: RF 脈沖脈沖2021年11月16日785. NMR: 脈沖測定（脈沖測定（Paropt）Paropt 是一程序它可改變某一參數(shù)（，是一程序它可改變某一參數(shù)（，等）并將一系列處理的譜圖列出譜圖儲存，等）并將一系列處理的譜圖列出譜圖儲存在處理數(shù)控的文件中在處理數(shù)控的文件中運行Paropt, 首先要得到一譜圖以

49、確定譜圖戰(zhàn)士區(qū)域(dp1). 然后在特定的脈沖強度改變值最大峰為何，第一個零點為dp12021年11月16日79通過限定激發(fā)寬度，我們就可選擇的激發(fā)某一特定區(qū)域施加等幅或調(diào)制振幅與相位選擇性脈沖可完成這一使命等幅調(diào)制 RF選擇激發(fā)選擇激發(fā)Dante軟脈沖整形脈沖Adiabatic PulsesShaped Dante5. NMR: 選擇性脈沖（選擇性脈沖（Selective RF Pulses）2021年11月16日80通過對脈沖的時域涵數(shù)傅立葉轉(zhuǎn)換，此脈沖的激發(fā)圖象可在頻域譜中直觀的表現(xiàn)出來frequencyFT頻率時間5. NMR: 選擇性脈沖（選擇性脈沖（Selective RF Pul

50、ses）2021年11月16日8115001000500-5000-1000-1500Hz激發(fā)脈沖的時域與頻域關(guān)系，可使制作整形脈沖和選擇激發(fā)區(qū)域變得容易RF shapeExcited regionFT5. NMR: 選擇性脈沖（選擇性脈沖（Selective RF Pulses）2021年11月16日82RectangleSincSinc(3)GaussHalf GaussDantePulseExcitationFTPulseExcitationFT5. NMR: 選擇性脈沖（選擇性脈沖（Selective RF Pulses）2021年11月16日83-1500-1000-50015001

51、0005000Hz選擇脈沖的長度決定激發(fā)區(qū)域Gauss: 4 mshard p/2 pulseGauss: 2 msGauss: 1 ms5. NMR: 選擇性脈沖（選擇性脈沖（Selective RF Pulses）2021年11月16日84- 1 5 0 0- 1 0 0 0- 5 0 01 5 0 01 0 0 05 0 00H zEburp, 20 ms通過改變選擇脈沖的頻率可以改變選擇激發(fā)的位置 spoffs1 etc.5. NMR: 選擇性脈沖（選擇性脈沖（Selective RF Pulses）2021年11月16日85.Pulse shapepulse angleRF fiel

52、dAttenuation (dB)Bandwidth (1/tp)Square90101.0Sinc(3)905.8-15.35.0Gauss902.5-8.01.4G4 Cascade9018.3-25.27.3Eburp-19015.4-23.84.3Uburp9043.7-32.84.2Square1802-60.8Sinc(3)18011.6-21.33.2Iburp18013.4-22.54.4Reburp18024.0-27.64.6G3 Cascade18014.4-23.15.45. NMR:整形脈沖的一些特性2021年11月16日866. NMR: Decoupling原子核

53、間的偶合導(dǎo)致譜圖的復(fù)雜化CHJCHCHJCHoriginal frequencyww+J/2w-J/2JCH2021年11月16日876. NMR: 去偶去偶(Decoupling)如果峰數(shù)不多，偶合的方式仍可分析出但當很多鋒出現(xiàn)時，偶合方式的分析就不是那么容易*CH3-CH2-未去偶氫去偶2021年11月16日88氫對碳的偶合作用可以通過對氫施加一個脈沖消除.此一技術(shù)稱為去偶.對氫核的飽和照射,促使氫核的自旋狀態(tài)快速的變換,臨近的碳核無法感覺到氫核的自旋狀態(tài)的取向而只感受到氫核兩種取想的平均效果.具體的說,對氫核的飽和照射使碳核原來的兩條共振線w-J/2和w+J/2合并平均而得到(w-J/2

54、)+(w+J/2)/2=w.CHJCHCHJCHp-pulse on H這相當于使用一系列1800脈沖快速照射氫核.C-HpHC-HpHpHpHC-HC-HC-HC-HpHw w+J/2w w-J/2w+w+J/2w w-J/2w w+J/2w w-J/26. NMR: 去偶去偶(Decoupling)2021年11月16日89氫去偶除簡化碳譜還因為有核的Overhauser效應(yīng)而增加信噪比.decoupledcoupledC-HC-H2*CH3-CH2-6. NMR: 去偶去偶(Decoupling)2021年11月16日90實際應(yīng)用中,一個連續(xù)脈沖照射在氫的共振頻率而不是使用一系列1800

55、脈沖.次法稱為寬帶去偶. 去偶實驗應(yīng)注意以下兩點:1.氫脈沖應(yīng)施加在氫的共振頻率上.2脈沖的強度要足夠強但又要比探頭承受的強度低.6. NMR: 去偶去偶(Decoupling)2021年11月16日916. NMR: 去偶與脈沖強度的關(guān)系去偶與脈沖強度的關(guān)系01.55去偶與脈沖強度的關(guān)系2021年11月16日926. NMR: 去偶去偶,脈沖強度及偏值頻率的關(guān)系脈沖強度及偏值頻率的關(guān)系Proton resonance offsetProton RF power2021年11月16日936. NMR: 組合脈沖去偶組合脈沖去偶(Composite Pulse

56、 Decoupling)在工作上的去偶實驗很易成功,但偏置共振中,去偶效率隨偏置頻率的增加很快降低.雖可增加脈沖強度,但探頭對大功率的承受程度又阻止無限增加脈沖強度.好的解決方法就是將去偶的強度均勻開以增加去偶的寬度.一系列的組合脈沖適用于此一目的. Waltz, Garp, Dipsi, Mlev etc. 稱為組合脈沖去偶序列或CPD.使用這些脈沖序列要設(shè)置兩個基本點參數(shù)900脈沖長度及強度.2021年11月16日947. NMR: 水峰壓制水峰壓制(Water Suppression)核磁共振實驗樣品有許多是溶在水中,而水的共振信號又是實際樣品的數(shù)千甚至數(shù)萬倍.ADC的資源基本上被用來描

57、述水峰而很少一部分用來描述實際的樣品以致樣品的信號被淹沒在噪音.x 64問題:- 動態(tài)范圍;- 實際樣品的信號低S/N;-實際樣品的信號淹沒在基線噪音中;- 接近水峰的信號”騎”在水峰上.解決方法: 在采樣前壓制水峰. 一經(jīng)常用到的方法是預(yù)飽和.2021年11月16日957. NMR: 預(yù)飽和預(yù)飽和(Presaturation)使用一長約定1-2s而低的脈沖選擇的使水峰達飽和狀態(tài),然后用一硬900脈沖激發(fā)樣品.其結(jié)果是使接受器的增益參數(shù)增加而提高動態(tài)范圍及S/N.3.6ppmzgrg=1zgprrg=64壓水峰實驗:1. 脈沖序列 zgpr;2. 預(yù)飽和時間為 1.5s;3.

58、 O1移到水峰位置.4. 逐漸的增加脈沖強度;5.優(yōu)化勻場條件,并準確調(diào)整O1位置.2021年11月16日968. Two-Dimensional NMR如果使用兩個基本點脈沖采集一系列譜圖,同時依此增加兩脈沖的時間間隔t1.第一個脈沖將磁化矢量轉(zhuǎn)到XY平面上,此磁化矢量將圍繞Z-軸旋轉(zhuǎn).由于在不同時間內(nèi)磁化矢量轉(zhuǎn)到不同的位置,導(dǎo)致第二個脈沖過后采集到的FID具有不同的相位和振幅.于是可以說這一系列FID的相位和振幅被t1所調(diào)制.增加t1t1t22021年11月16日978. 2D NMRFID的相位及振幅被t1調(diào)制也就等于譜圖的相位及振幅被t1調(diào)制.從傅立葉轉(zhuǎn)換中很容易看到這一點.FT (t

59、2)t2t1t1f22021年11月16日988. 2D NMR對t1進行第二次傅立葉轉(zhuǎn)換就可以確定調(diào)制頻率.就是將所有譜圖的第一個點進行傅立葉轉(zhuǎn)換,然后第二個點一直到所有的點.所得的譜圖就是一個單位均為頻率的兩維譜圖.FT (t1)f2f2f1t12021年11月16日998. 2D NMR2D NMR 譜圖常以輪廓圖表示而不用三維的方式.相同情況同樣使用在地圖上1020304050602040600.511.521020304050601020304050602021年11月16日1008. 2D NMR兩維譜圖可簡化圖譜增加分辨率同時也可得到原子間的相關(guān)關(guān)系.1.82.

60、02.22.4ppmppm1.01.82.02.22.4ppm1.02.02021年11月16日1018. 2D NMR: Cosy 2D Cosy 譜中,交叉峰 f1=a, f2=b 表明a與b有自旋-自旋偶合作用.投影圖將給出一般的氫譜543210012345C交叉峰s對角線峰2021年11月16日1028. 2D NMR: Cosy2468ppm2468ppm500 MHz N-type COSY spectrum of Strychnine,.RFp/2FIDp/2t1Cosy