結(jié)構(gòu)生物學(xué)導(dǎo)論核磁共振

結(jié)構(gòu)生物學(xué)導(dǎo)論核磁共振第1頁，共35頁，2023年，2月20日，星期四一、核磁共振現(xiàn)象的產(chǎn)生二、化學(xué)位移三、核磁共振儀四、生物大分子核磁共振圖譜五、生物大分子核磁共振結(jié)構(gòu)解析六、其他核磁共振技術(shù)第2頁，共35頁，2023年，2月20日，星期四一、核磁共振現(xiàn)象的產(chǎn)生1.原子核的屬性原子核＝質(zhì)子＋中子其中，質(zhì)子的數(shù)目決定原子核所帶電荷數(shù)，質(zhì)子和中子數(shù)之和等于原子的質(zhì)量，如：第3頁，共35頁，2023年，2月20日，星期四自旋現(xiàn)象第4頁，共35頁，2023年，2月20日，星期四原子核的自旋和自旋角動(dòng)量原子核有自旋運(yùn)動(dòng)，在量子力學(xué)中用自旋量子數(shù)I描述原子核的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，I值與核的質(zhì)量數(shù)和所帶核電荷數(shù)有關(guān)。第5頁，共35頁，2023年，2月20日，星期四原子核自旋時(shí)產(chǎn)生自旋角動(dòng)量，其自旋角動(dòng)量P與自旋量子數(shù)I的關(guān)系為：式中，h為普朗克常數(shù)，6.63×10－34J.SB當(dāng)空間存在靜磁場(chǎng)，且磁場(chǎng)方向沿Z軸，根據(jù)量子力學(xué)，自旋角動(dòng)量在Z軸上的分量PZ等于：m為原子核的磁量子數(shù)，可取I、I-1、I-2…-I第6頁，共35頁，2023年，2月20日，星期四帶電荷的原子核在磁場(chǎng)中做自旋運(yùn)動(dòng)，好比一個(gè)通電的線圈，能夠產(chǎn)生感應(yīng)磁場(chǎng)，核磁矩為：γ稱為磁旋比，是原子核的基本屬性之一，特定的原子核其γ一定，核的磁旋比越大，核的磁性越強(qiáng)。第7頁，共35頁，2023年，2月20日，星期四2.磁性核在外磁場(chǎng)B0中的行為處在外磁場(chǎng)中的磁核具有一定的能量E，設(shè)外磁場(chǎng)方向與Z軸同，核磁矩μ與Z軸夾角為θ，則又因?yàn)樗缘?頁，共35頁，2023年，2月20日，星期四

在量子力學(xué)中，m為原子核的磁量子數(shù)，可取I、I-1、I-2、…、-I，所以能量E產(chǎn)生了裂分。對(duì)于1H，13C等I=1/2的核，m＝＋1/2和－1/2，裂分為兩個(gè)能級(jí)；對(duì)于I=1的核，m＝1、0、－1，裂分為三個(gè)能級(jí)。EE-1/2E1/2B第9頁，共35頁，2023年，2月20日，星期四對(duì)于1H為例，I=1/2EB當(dāng)B0＝0時(shí)，ΔE=0,即當(dāng)外磁場(chǎng)不存在時(shí)，能級(jí)是簡(jiǎn)并的，對(duì)于同一核，當(dāng)B0越大，ΔE越大，對(duì)于同一外磁場(chǎng)，磁旋比越大的核，ΔE也越大。第10頁，共35頁，2023年，2月20日，星期四3.核磁共振產(chǎn)生的條件當(dāng)外界電磁波提供的能量恰好等于相鄰能級(jí)間的能量差，核就能吸收能量并從低能級(jí)躍遷到高能級(jí)，這種躍遷稱為核磁共振。被吸收電磁波的頻率為：第11頁，共35頁，2023年，2月20日，星期四由上式可知，對(duì)于同一種核，磁旋比一定，B0增大，共振頻率v隨之增大。如1H，當(dāng)B0＝1.400T時(shí)，v＝60MHz，當(dāng)B0＝2.350T時(shí)，v＝100MHz。當(dāng)B0相同時(shí)，不同核因?yàn)榇判炔煌?，其共振頻率也不同，例如當(dāng)B0＝2.350T時(shí)，對(duì)1H為100MHz，13C為25MHz，19F為94MHz。第12頁，共35頁，2023年，2月20日，星期四4.馳豫過程（1）核自旋能級(jí)分布在沒有外磁場(chǎng)時(shí)，1H核的兩種自旋狀態(tài)分布概率是相等的，當(dāng)置于磁場(chǎng)中，處在低能級(jí)核和高能級(jí)核的分布，可由波爾茲曼分布規(guī)律計(jì)算。磁場(chǎng)強(qiáng)度2.3488T；25C；1H的核數(shù)分配比：兩能級(jí)上核數(shù)目差：1.610-5；第13頁，共35頁，2023年，2月20日，星期四隨著NMR吸收過程的進(jìn)行，低能態(tài)核不斷的躍遷到高能態(tài)核，如果不能有效的讓高能態(tài)核回到低能態(tài)，則低能態(tài)的核數(shù)越來越少，一定時(shí)間后，Ni＝Nj，這時(shí)不再產(chǎn)生射頻吸收，核磁共振現(xiàn)象消失，這種現(xiàn)象稱為“飽和”。根據(jù)波爾茲曼定律，提高外磁場(chǎng)強(qiáng)度和降低工作溫度，可以減小Ni/Nj值，從而提高靈敏度。第14頁，共35頁，2023年，2月20日，星期四(2)弛豫過程（relaxation）采取某一過程，它能夠使處在高能級(jí)的原子核回到低能級(jí)，以保持低能級(jí)核多于高能級(jí)核，這一過程稱為弛豫。兩類：自旋－晶格弛豫和自旋－自旋弛豫自旋－晶格弛豫（spin-latticerelaxation

）：自旋核與周圍分子（固體的晶格）交換能量的過程。自旋－自旋弛豫（spin-spinrelaxation

）：自旋核與自旋核之間的能量交換過程。第15頁，共35頁，2023年，2月20日，星期四二、化學(xué)位移

根據(jù)上式可知，一種原子核在同一個(gè)外磁場(chǎng)中只會(huì)產(chǎn)生一個(gè)共振頻率的吸收峰，如1H，當(dāng)B0＝1.400T時(shí)，v＝60MHz。但，實(shí)驗(yàn)結(jié)果并非如此！第16頁，共35頁，2023年，2月20日，星期四我們?cè)谟懻摵舜殴舱窕驹淼臅r(shí)候，把原子核當(dāng)成孤立的粒子，沒有考慮核外電子的作用。1.屏蔽常數(shù)核外電子云在受到外磁場(chǎng)的誘導(dǎo)產(chǎn)生一個(gè)方向與B0相反、大小與B0成正比的誘導(dǎo)磁場(chǎng)，使得原子核受到的外磁場(chǎng)強(qiáng)度減小，這就叫核外電子對(duì)原子核的屏蔽效應(yīng)。第17頁，共35頁，2023年，2月20日，星期四如果用屏蔽常數(shù)δ表示屏蔽作用的大小，那么原子核受到的外磁場(chǎng)強(qiáng)度不再是B0，而是B0（1－δ），則共振頻率為：電子云密度越大，核受到屏蔽作用就越大，共振頻率越小。第18頁，共35頁，2023年，2月20日，星期四2.化學(xué)位移1.不同化學(xué)環(huán)境中的共振頻率差別很小，如1H因屏蔽作用引起共振頻率差別0～1500Hz，所以絕對(duì)值難以測(cè)定。2.不同的儀器B0不同，引起共振頻率大小不同，所以沒有可比性。第19頁，共35頁，2023年，2月20日，星期四

為了解決這兩個(gè)問題，采用基準(zhǔn)物質(zhì)的譜峰位置作為核磁譜圖原點(diǎn)，不同官能團(tuán)的原子核譜峰相對(duì)與原點(diǎn)距離δ表示化學(xué)位移。400223240134Δv/Hz60MHz和100MHz儀器上測(cè)得1，2，2－三氯丙烷的1HNMR譜第20頁，共35頁，2023年，2月20日，星期四化學(xué)位移δ的計(jì)算：如上例：第21頁，共35頁，2023年，2月20日，星期四基準(zhǔn)物質(zhì)：四甲基硅烷（TMS）優(yōu)點(diǎn)：1.化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定2.對(duì)稱結(jié)構(gòu)3.Si電負(fù)性小（1.9），不會(huì)產(chǎn)生干擾；4.沸點(diǎn)低，易回收。第22頁，共35頁，2023年，2月20日，星期四三、核磁共振譜儀1．永久磁鐵：提供外磁場(chǎng)，要求穩(wěn)定性好，均勻，不均勻性小于六千萬分之一。掃場(chǎng)線圈。2．射頻振蕩器：線圈垂直于外磁場(chǎng)，發(fā)射一定頻率的電磁輻射信號(hào)。60MHz或100MHz。3．射頻信號(hào)接受器（檢測(cè)器）：當(dāng)質(zhì)子的進(jìn)動(dòng)頻率與輻射頻率相匹配時(shí)，發(fā)生能級(jí)躍遷，吸收能量，在感應(yīng)線圈中產(chǎn)生毫伏級(jí)信號(hào)。4．樣品管：外徑5mm的玻璃管,測(cè)量過程中旋轉(zhuǎn),磁場(chǎng)作用均勻。第23頁，共35頁，2023年，2月20日，星期四NMR儀器照片及其內(nèi)部結(jié)構(gòu)第24頁，共35頁，2023年，2月20日，星期四NMR儀和NMR成像系統(tǒng)第25頁，共35頁，2023年，2月20日，星期四四、生物大分子核磁共振圖譜第26頁，共35頁，2023年，2月20日，星期四核磁共振二維圖譜初步分析第27頁，共35頁，2023年，2月20日，星期四五、生物大分子核磁共振結(jié)構(gòu)解析第28頁，共35頁，2023年，2月20日，星期四液體核磁共振結(jié)構(gòu)第29頁，共35頁，2023年，2月20日，星期四六、其他核磁共振技術(shù)固態(tài)核磁共振（Solid-stateNMR）核磁共振成像第30頁，共35頁，2023年，2月20日，星期四固態(tài)核磁共振（Solid-stateNMR）固體聚合物由于馳豫（高能態(tài)返回到低能態(tài)的過程）時(shí)間短且多存在各向異性相互作用致使NMR譜線增寬而無法分辨精細(xì)結(jié)構(gòu)，因此，需要開發(fā)新的技術(shù)來解決這一問題。固態(tài)NMR采用的技術(shù)有：Magicanglespinning,MASCrosspolariztion,CPHigh-powerprotondecoupling,HPD第31頁，共35頁，2023年，2月20日，星期四核磁共振成像聚合物共混體系核磁共振圖像彩色MRI腦部圖像