《中科院核磁共振》課件

中科院核磁共振探索科學(xué)前沿,推動(dòng)醫(yī)療診斷發(fā)展——中國(guó)科學(xué)院核磁共振技術(shù)研究中心憑借先進(jìn)設(shè)備及專業(yè)團(tuán)隊(duì),開展從基礎(chǔ)理論到臨床應(yīng)用的前沿科研。什么是核磁共振原子核的量子力學(xué)核磁共振利用原子核中的原子磁矩這一量子力學(xué)性質(zhì)進(jìn)行測(cè)量和分析。外加磁場(chǎng)當(dāng)樣品置于強(qiáng)磁場(chǎng)中時(shí),原子核會(huì)產(chǎn)生共振吸收或發(fā)射電磁波。譜圖分析通過分析吸收或發(fā)射譜圖,可以獲得樣品的化學(xué)結(jié)構(gòu)信息。核磁共振的工作原理1極化磁化外加強(qiáng)大的靜磁場(chǎng)會(huì)使原子核的自旋產(chǎn)生偏振和極化，產(chǎn)生可測(cè)量的凈磁化。2共振吸收當(dāng)樣品被施加恰當(dāng)頻率的射頻脈沖時(shí)，原子核會(huì)吸收能量并發(fā)生共振。3信號(hào)檢測(cè)共振后的原子核會(huì)釋放出微弱的電磁信號(hào)，這些信號(hào)可通過探測(cè)線圈檢測(cè)。核磁共振譜儀的構(gòu)成主磁鐵強(qiáng)磁場(chǎng)是核磁共振譜儀的核心部分,它為樣品提供穩(wěn)定的靜磁場(chǎng),使核自旋進(jìn)入共振狀態(tài)。射頻線圈射頻線圈用于產(chǎn)生射頻磁場(chǎng),并接收來自樣品的共振信號(hào)。線圈的設(shè)計(jì)和布置對(duì)譜儀性能至關(guān)重要。樣品管及裝置樣品管用于裝載待測(cè)樣品,并將其置于主磁場(chǎng)中。樣品管及相關(guān)裝置設(shè)計(jì)需確保樣品隔熱和均勻。譜儀電子系統(tǒng)包括射頻發(fā)生器、信號(hào)放大器、數(shù)字采集系統(tǒng)等電子元件,用于產(chǎn)生、接收和處理共振信號(hào)。磁場(chǎng)和磁場(chǎng)強(qiáng)度磁場(chǎng)是一個(gè)由帶電粒子產(chǎn)生的空間區(qū)域。其強(qiáng)度用磁場(chǎng)強(qiáng)度表示,描述了磁場(chǎng)在某一點(diǎn)的大小。磁場(chǎng)強(qiáng)度越大,那么該點(diǎn)的磁效應(yīng)也就越強(qiáng)。測(cè)量磁場(chǎng)強(qiáng)度的單位是特斯拉(T)。外部磁場(chǎng)的強(qiáng)度會(huì)對(duì)核自旋方向和能量產(chǎn)生影響,從而影響核磁共振譜的測(cè)量結(jié)果。合理控制磁場(chǎng)強(qiáng)度是核磁共振波譜分析的關(guān)鍵。共振頻率與共振能量3.14MHz共振頻率核磁共振波譜中的共振頻率通常在3-300MHz之間。0.5eV共振能量核磁共振所吸收的能量通常在0.1-10eV之間。1.4T磁場(chǎng)強(qiáng)度決定共振頻率和共振能量的關(guān)鍵因素是外加磁場(chǎng)強(qiáng)度。核自旋和自旋量子數(shù)核自旋原子核中質(zhì)子和中子的自身運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的一種內(nèi)在角動(dòng)量,是描述原子核性質(zhì)的重要參數(shù)之一。自旋量子數(shù)表示原子核自旋狀態(tài)的一個(gè)整數(shù)或半整數(shù)值,反映了核自旋的大小和方向。不同核素具有不同的自旋量子數(shù)。自旋態(tài)原子核在外磁場(chǎng)中可以處于2I+1個(gè)不同的自旋態(tài),這些自旋態(tài)對(duì)應(yīng)不同的自旋量子數(shù)值。單核自旋和偶極自旋1單核自旋一個(gè)原子核內(nèi)部有一個(gè)未配對(duì)的質(zhì)子或中子就會(huì)產(chǎn)生單核自旋。這種自旋行為可以被核磁共振技術(shù)檢測(cè)到。2偶極自旋一個(gè)原子核內(nèi)部有兩個(gè)或多個(gè)未配對(duì)粒子時(shí)會(huì)產(chǎn)生偶極自旋。這種自旋狀態(tài)下的原子核會(huì)表現(xiàn)出更豐富的量子行為。3自旋量子數(shù)單核自旋和偶極自旋分別對(duì)應(yīng)不同的自旋量子數(shù)，這決定了核磁共振的特性。Larmor頻率的決定因素因素影響靜磁場(chǎng)強(qiáng)度B0靜磁場(chǎng)越強(qiáng)，Larmor頻率越高核磁性質(zhì)γ核磁性質(zhì)不同，Larmor頻率不同核自旋量子數(shù)I自旋量子數(shù)越大，Larmor頻率越高Larmor頻率是核磁共振的基礎(chǔ),它決定了樣品在靜磁場(chǎng)中的諧振頻率。靜磁場(chǎng)強(qiáng)度、核磁性質(zhì)和核自旋量子數(shù)都會(huì)影響Larmor頻率的大小。掌握Larmor頻率的決定因素,有助于理解核磁共振的工作原理。自旋在外磁場(chǎng)中的行為1吸收能量自旋粒子吸收外加磁場(chǎng)的能量2定向排列自旋粒子會(huì)沿著磁場(chǎng)方向排列3引發(fā)共振自旋粒子在共振頻率下被激發(fā)4發(fā)射能量激發(fā)后自旋粒子會(huì)釋放能量當(dāng)自旋粒子置于外加磁場(chǎng)中時(shí),它們會(huì)先吸收磁場(chǎng)的能量并沿著磁場(chǎng)方向排列。當(dāng)施加正確的共振頻率時(shí),自旋粒子會(huì)被激發(fā)到更高的能量態(tài),然后在短時(shí)間內(nèi)釋放能量并返回基態(tài)。這就是核磁共振的基本物理過程。激發(fā)和弛豫過程1激發(fā)原子核吸收適當(dāng)能量的電磁輻射，電子從穩(wěn)定的基態(tài)躍遷至較高的能量態(tài)。2自旋-晶格弛豫電子從激發(fā)態(tài)返回基態(tài)時(shí),會(huì)與周圍晶格振動(dòng)模式進(jìn)行能量交換。3自旋-自旋弛豫電子自旋之間的相互作用,會(huì)導(dǎo)致激發(fā)態(tài)電子的自旋相位失去一致性。核磁共振中的激發(fā)和弛豫過程是核磁共振現(xiàn)象的本質(zhì)。當(dāng)原子核吸收適當(dāng)能量的電磁輻射時(shí),會(huì)從基態(tài)躍遷至激發(fā)態(tài)。之后,激發(fā)態(tài)電子會(huì)通過自旋-晶格弛豫和自旋-自旋弛豫的過程,將能量釋放回到基態(tài),完成一個(gè)完整的核磁共振循環(huán)。自旋向量在磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)Larmor頻率當(dāng)核磁體處于靜態(tài)磁場(chǎng)中時(shí),其自旋會(huì)以Larmor頻率進(jìn)行旋轉(zhuǎn)。Larmor頻率取決于磁場(chǎng)強(qiáng)度和核磁體的特性。兩種運(yùn)動(dòng)模式自旋向量可以呈現(xiàn)"自轉(zhuǎn)"和"進(jìn)動(dòng)"兩種運(yùn)動(dòng)模式。自轉(zhuǎn)是沿軸線的自旋,而進(jìn)動(dòng)則是沿外磁場(chǎng)方向的旋轉(zhuǎn)。垂直與平行在磁場(chǎng)中,自旋向量可以與磁場(chǎng)呈現(xiàn)垂直或平行的狀態(tài),決定了自旋的方向和受磁力作用的大小。橫向磁化和縱向磁化橫向磁化在外加磁場(chǎng)作用下，自旋粒子的自旋矢量會(huì)沿著磁場(chǎng)方向發(fā)生翻轉(zhuǎn)，形成橫向磁化。這種橫向磁化會(huì)產(chǎn)生一個(gè)旋轉(zhuǎn)的磁矩，可以被檢測(cè)到并產(chǎn)生NMR信號(hào)。縱向磁化在外加磁場(chǎng)作用下，自旋粒子的自旋矢量會(huì)沿著磁場(chǎng)方向排列，形成縱向磁化。這種縱向磁化可以描述為自旋系統(tǒng)的宏觀磁矩，是NMR測(cè)量的基礎(chǔ)。自旋與磁矩自旋粒子具有本征磁矩,在外加磁場(chǎng)中會(huì)產(chǎn)生Larmor進(jìn)動(dòng),最終形成橫向和縱向的宏觀磁化效應(yīng),為NMR信號(hào)的檢測(cè)奠定基礎(chǔ)。自由感應(yīng)衰減信號(hào)自由感應(yīng)衰減信號(hào)是核磁共振譜儀檢測(cè)到的關(guān)鍵信號(hào)。該信號(hào)產(chǎn)生于被激發(fā)的核自旋在外磁場(chǎng)中的自由誘導(dǎo)衰減過程。通過傅里葉變換可將這種下降趨勢(shì)轉(zhuǎn)化為頻譜圖。自由感應(yīng)衰減信號(hào)攜帶了豐富的化學(xué)結(jié)構(gòu)信息。特點(diǎn)描述振幅衰減受限于自旋-格子弛豫和自旋-自旋弛豫過程頻率與掃描頻率和化學(xué)位移相關(guān)相位變化與激發(fā)磁脈沖的相位有關(guān)傅里葉變換與NMR譜圖1傅里葉變換使用傅里葉變換可以將原始的時(shí)域信號(hào)轉(zhuǎn)換為頻域譜圖,這是NMR分析的關(guān)鍵步驟。2NMR譜圖通過傅里葉變換得到的NMR譜圖顯示了不同化學(xué)位移處的吸收峰,對(duì)應(yīng)著樣品中不同化學(xué)環(huán)境的氫原子。3譜圖解析分析NMR譜圖可以獲得樣品的結(jié)構(gòu)信息,包括化學(xué)位移、峰型、峰強(qiáng)等,為化合物的鑒定和結(jié)構(gòu)解析提供依據(jù)。化學(xué)位移和化學(xué)位移標(biāo)準(zhǔn)化學(xué)位移化學(xué)位移是核磁共振譜中每個(gè)信號(hào)相對(duì)于某個(gè)參考信號(hào)的位移。反映了核磁環(huán)境的差異?；瘜W(xué)位移標(biāo)準(zhǔn)采用δ作為化學(xué)位移的單位，以某種參考物質(zhì)的信號(hào)作為零點(diǎn)。常見標(biāo)準(zhǔn)包括TMS和DSS?；瘜W(xué)位移范圍不同元素及其化合物的化學(xué)位移范圍各不相同,有助于識(shí)別和確定化合物結(jié)構(gòu)?；瘜W(xué)位移的影響因素1分子結(jié)構(gòu)分子的電子云分布狀態(tài)和取代基的影響會(huì)導(dǎo)致不同的化學(xué)位移。2溶劑效應(yīng)溶劑的極性和介電常數(shù)會(huì)引起化學(xué)位移的變化。3溫度變化溫度的升高會(huì)使化學(xué)位移發(fā)生向低場(chǎng)的移動(dòng)。4磁場(chǎng)強(qiáng)度磁場(chǎng)強(qiáng)度越大,化學(xué)位移的分離越明顯。自旋-自旋偶合相互作用相鄰核子的自旋磁矩彼此產(chǎn)生作用力,導(dǎo)致能級(jí)分裂。這種相互作用稱為自旋-自旋偶合。偶合常數(shù)偶合常數(shù)J表示自旋偶合的強(qiáng)弱程度,決定了峰形的分裂情況?；瘜W(xué)位移化學(xué)環(huán)境不同,導(dǎo)致自旋偶合情況發(fā)生變化,從而影響化學(xué)位移。多重峰形自旋偶合導(dǎo)致單峰分裂成多重峰,可以提供豐富的結(jié)構(gòu)信息。偶合模式與偶合常數(shù)偶合模式在NMR譜圖中,相鄰氫原子之間的相互作用會(huì)產(chǎn)生多重峰的偶合圖案。常見的偶合模式包括單峰、雙峰、三峰等,反映了氫原子之間的耦合關(guān)系。偶合常數(shù)偶合常數(shù)(J)表示兩個(gè)相鄰氫原子之間的相互作用強(qiáng)度,單位為赫茲(Hz)。偶合常數(shù)的大小反映了鍵角和鍵長(zhǎng)的變化。1H-NMR光譜解析識(shí)別特征峰1H-NMR光譜中，不同類型的氫原子會(huì)在特定的化學(xué)位移范圍內(nèi)產(chǎn)生相應(yīng)的特征峰。通過識(shí)別這些特征峰可以初步確定分子的結(jié)構(gòu)。分析峰形峰形能夠反映氫原子的自旋偶合情況。峰形的多重裂分、耦合常數(shù)大小等信息可以推斷相鄰氫原子的數(shù)量和空間位置。確定積分強(qiáng)度峰的積分強(qiáng)度與該類型氫原子的數(shù)量成正比。利用積分強(qiáng)度可以定量分析分子中不同種類氫原子的數(shù)目。13C-NMR光譜解析1碳核信號(hào)13C-NMR譜峰對(duì)應(yīng)不同碳原子的化學(xué)環(huán)境2化學(xué)位移范圍碳譜的化學(xué)位移范圍更廣于氫譜3信號(hào)強(qiáng)度碳譜峰強(qiáng)度與碳原子數(shù)成正比4偶合常數(shù)碳譜可觀察到復(fù)雜的偶合模式13C-NMR譜圖可提供豐富的結(jié)構(gòu)信息。每個(gè)碳原子在不同的化學(xué)環(huán)境下會(huì)產(chǎn)生不同的共振信號(hào)。碳譜的化學(xué)位移范圍較氫譜更廣，而且信號(hào)強(qiáng)度與碳原子數(shù)成正比。此外,13C-NMR還能觀察到復(fù)雜的自旋-自旋偶合結(jié)構(gòu),從而得到更多結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)。2D-NMR的基本原理1相關(guān)性實(shí)驗(yàn)通過雙共振實(shí)驗(yàn)探究化學(xué)位移和自旋偶合2頻域探測(cè)橫軸代表化學(xué)位移，縱軸代表自旋偶合3雙共振技術(shù)利用兩個(gè)射頻場(chǎng)同時(shí)激發(fā)并探測(cè)核自旋2D-NMR技術(shù)使用兩個(gè)頻率維度對(duì)樣品進(jìn)行分析,可以更全面地反映分子內(nèi)核之間的相互作用。這種相關(guān)性實(shí)驗(yàn)不僅可以測(cè)定化學(xué)位移,還能探測(cè)自旋耦合,為結(jié)構(gòu)鑒定提供更豐富的信息。COSY和HMQC實(shí)例分析COSY(CorrelationSpectroscopy)和HMQC(HeteronuclearMultipleQuantumCoherence)是兩種常用的二維核磁共振波譜技術(shù)。COSY可以分析相關(guān)核自旋之間的自旋-自旋偶合關(guān)系,幫助確定分子中質(zhì)子之間的連接關(guān)系。HMQC則可以探究質(zhì)子和異核(如碳-13)之間的相關(guān)性,為確定分子的碳-氫連接提供關(guān)鍵信息。NOESY和HSQC實(shí)例分析NOESY(NuclearOverhauserEffectSpectroscopy)和HSQC(HeteronuclearSingleQuantumCorrelation)是兩種常用的二維NMR波譜技術(shù)。NOESY可以檢測(cè)分子內(nèi)核間的空間接近關(guān)系,而HSQC可以檢測(cè)直接相連的碳?xì)滏I。通過這兩種方法的聯(lián)合應(yīng)用,可以更全面地確定分子的三維結(jié)構(gòu)。以蛋白質(zhì)或有機(jī)化合物為例,NOESY可以確定不同氨基酸殘基或官能團(tuán)之間的空間距離,HSQC則可以確定每個(gè)碳原子與其相連的氫原子。這些信息共同為解析分子的立體結(jié)構(gòu)提供了關(guān)鍵依據(jù)。固態(tài)NMR的特點(diǎn)與應(yīng)用特點(diǎn)固態(tài)NMR不需要溶劑,能夠直接分析固體樣品。它克服了溶液NMR的局限性,適用于難溶或難以制備成溶液的無機(jī)材料和有機(jī)高分子材料。應(yīng)用領(lǐng)域材料科學(xué)：分析無機(jī)材料、高分子、生物材料的結(jié)構(gòu)與性能生化研究：研究生物大分子的結(jié)構(gòu)和動(dòng)力學(xué)能源科學(xué)：分析電池、燃料電池、催化劑等材料儀器特點(diǎn)固態(tài)NMR儀器需要加入高速旋轉(zhuǎn)樣品架來消除固體效應(yīng),以獲得高分辨譜圖。這些技術(shù)使固態(tài)NMR成為表征復(fù)雜固體材料結(jié)構(gòu)的強(qiáng)大工具。醫(yī)學(xué)影像中的NMR應(yīng)用高分辨成像核磁共振成像能夠提供高分辨率的三維圖像,有助于醫(yī)生精確地診斷病情。無創(chuàng)檢查與X光和CT相比,NMR成像是一種無輻射的無創(chuàng)性檢查方式,可安全地應(yīng)用于人體。全面診斷NMR成像可以針對(duì)心臟、大腦等器官提供精確的三維圖像,有助于全面診斷病情。生化研究中的NMR應(yīng)用藥物發(fā)現(xiàn)與優(yōu)化NMR技術(shù)在新藥研發(fā)中發(fā)揮了關(guān)鍵作用,可以用來研究潛在藥物與靶標(biāo)蛋白的相互作用,優(yōu)化藥物分子的結(jié)構(gòu)和性能。生物大分子結(jié)構(gòu)測(cè)定NMR可以精確測(cè)定蛋白質(zhì)、核酸等生物大分子的三維結(jié)構(gòu),有助于揭示其功能機(jī)制。代謝組學(xué)研究NMR能快速檢測(cè)和定量生物體內(nèi)各種代謝物,為疾病診斷、預(yù)后評(píng)估等提供重要信息。生物膜研究NMR可用于研究細(xì)胞膜復(fù)雜的脂質(zhì)和蛋白組成,以及它們?cè)谏磉^程中的作用。NMR技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)量子計(jì)算NMR技術(shù)可應(yīng)用于量子計(jì)算領(lǐng)域,利用量子態(tài)進(jìn)行計(jì)算和信息處理。分子結(jié)構(gòu)研究NMR可精確測(cè)定復(fù)雜生物大分