NMR核磁共振技术及其操作系统应用

BSMS shim lock CCU
核磁共振静磁场－超导磁体
核磁共振：探头与前置放大器
NMR：前置放大器(preamplifier)
去接收器的信号
从功放来的RF 脉冲
前置放大器有两种用途: 1. 放大检测的NMR信号 (从微伏到毫伏) 2. 分离高能RF脉冲与低能 NMR信号. 前置放大器含有一接收发射开关(T/R).其作用就是 阻止高压RF脉冲进入敏感的低压的信号接收器.
样品旋转只是将X、Y方向上的不均匀 平均而已，并非真正消除，因此会有 旋转边带产生，旋转边带与主峰的频 率差与样品旋转的速率（Hz）相同。 旋转边带峰越高说明X、Y方向上越不 均匀。
0.11%
旋转边带
120 100 80 60 40 20 0 -20 -40 -60 -80 -100 Hz
NMR：测试温度的控制与校正
z,z2
z,z2,z3
z,z2,z3, z4
z,z2,z3, z4,z5,z6
Spinning
NMR：锁场与匀场
磁场均匀的指标：线型 样品不旋转
0.55%
50%
100 80 60 40 20 0
0.11%
-20 -40 -60 -80 -100 Hz
15
10
5
0
-5
-10
-15 Hz
样品旋转
0.55%
阻抗与发射脉冲功率的阻抗（50欧
姆）相同以接受全部功率 保证用标准样品测得的90º 脉冲数值具有通用性
NMR：探头的调谐和阻抗匹配
NMR：脉冲的相位
上述两个脉冲都是在X轴方向作用，180º 脉冲在－X方向怎 样？在－Y轴方向？ 脉冲在不同的方向（相位）上发射，对磁化矢量的作用不同
NMR：锁场与匀场
NMR：90º 脉冲的测定
采样通道（直接）
其它通道（间接）
NMR：常用的90º 脉冲
采样通道：
1H
9.7us/-4dB (硬脉冲) 35us/7.15dB (TOCSY实验) 110us/17.9dB (ROESY实验)
13C
7.1us/-2dB (硬脉冲)
其它通道：
1H
9.8us/-4dB (硬脉冲) 80us/14dB (CPD宽带去偶)
Lock freq.
Lock TX Lock RX Z0-coil
2D
锁场是解决磁场强度随时间变化的问题
NMR：锁场与匀场
由超导线圈产生的静磁场在样品圆柱体体积内的分布是不均匀的，整个 样品体积内的磁化率不同也会造成磁场的不均匀。仪器上通过在样品周 围安装多个不同位置的线圈，通过改变线圈中电流的大小与方向，用这 些线圈产生的附加磁场的大小来补偿超导线圈磁场的不均匀。
FID信号的正交检测
NMR 谱仪
谱仪
600 FM Audio
磁体 探头
反馈
计算机与 操作者
NMR 谱仪
600 MHz
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 数据储存; 数据处理; 总体控制.
前置放大器
计算机
磁体 探头 机柜
NMR 谱仪:机柜
AQX (Digital) CCU TCU FCU RCU PTS VT unit AQR ASU Router ACB ADC RX22 Amplifier Amplifier
数字化器 (HADC) 混合
检测的信号 (10-800 MHz)
自由衰减信号 (FID) (audio: 0-100 kHz)
计算机储存 参照频率 (10-800 MHz)
当磁化矢量被转到XY平面后,它仍以Larmor 频率绕Z-轴旋转.因此,核磁信号也是以相当的 频率变化。.然而如此高频的信号（数百兆赫），即使使用高分辨的ADC也是不可能被数 字化的。实际应用上,就将检测到的信号与一参照频率相混合而得到其差频，此差频落在 100KHz的范围内（声频）并很容易被数字化。
S(w)
旋转坐标系及FID信号
脉冲作用前
脉冲作用时
脉冲作用后
My = M0 sin β sin(ω0t ). Mx = M0 sin β cos(ω0t ) M0脉冲作用后在XY平面上的投影 旋转坐标系意义（1）：差频检测ω=ωs-ωr 当ωs＝ωr时，信号将是怎样？
FID信号的差频检测
接受器 (RX22)
射频脉冲的产生及脉宽的测定
频率控制单元 FCU
频率合成器 Sythesizer
频辐设置单元 ASU
功放 Amplifier (BLAH, BLAX)
时间控制单元 TCU
电脑指令
到探头
射频脉冲的产生及脉宽的测定
＝γB1tp
脉冲翻转角（pulse flip angle）β的大小不仅与脉冲 的作用时间tp有关，还与射频场强B1有关。分别改变 二者都可以改变β角的大小。 用频率表示射频场强度： (假设180°脉冲为15.5us)
采样参数的介绍和设置：eda、ased、edasp
1H谱的测试：RG的确定, D1、AQ的选择 13C谱的测定：频率通道、脉冲序列和NMR实验 NMR数据处理：窗函数及FT变化，相位和基线的校正，化学 位移定标
原子核的磁性
原子核（带电荷的粒子）的 自旋会产生一个矢量一磁矩
质子数和中子数都为 偶数的原子核，12C、 16O
实际采样中，检测参照频率＝旋转坐标系频率＝发射中心 频率，因此采样频率至少应大于离发射中心最远的峰的相 对频率的两倍
FID信号的正交检测
V
t
FT
x
V
-w
t
0
w
由于NMR检测器不能区分检测出顺时针（快）或反时 针（慢）方向的核磁信号,傅立叶转换后,将给出+w 和 –w两个峰. （与旋转坐标系的旋转频率相比）
z-height
5 6
-0.50
sh im field
NMR：锁场与匀场

± Z3 ±Z + Z2 - Z2
- Z4
+ Z4
± Z5
Non-spinning
x,y,z x,y,xy, xz,yz,x2y2
x,y,xy,xz,yz, x2y2,xz2,yz2, x2y2z,xyz
x,y,xy,xz,yz, x2y2,xz2,yz2, x2y2z,xyz,x3 y3,x2y2z2
FID信号的正交检测
Channel A
Channel B
Channel A + B
如果用两个相位差90°的检测器同时检测，就能区分快、慢信号
FID信号的正交检测
A
NMR Signal Real
B
A D C
数 学 处 理
Imaginary
0o
90o
Reference (SFO1)
实际应用中,并非使用两个检测器,而是使用一个检测器 .将检 测到的信号分成两部分并分别送到具有900相位差的两个通道 中.
H H 31 P 13 C 15 N 14 N 19 F 17 O 27 Al
frequency (MHz) at 2.35T 100 15.35 40.48 25.14 10.13 7.22 94.08 13.56 26.06
在案BRUKER 仪器上,原子 核的频率是通过参数BFn (MHz)设置. 如BF1 代表第 一通道. 更精细的频率调节 可用参数On来完成. On叫 频率偏差频率或偏置频,所 以总频率为SFOn: SFO1=BF1+O1
样品体系的宏观磁化矢量的产生
无外加磁场 有外加静磁场
M
• spins tend to align parallel or anti-parallel to B0 • net magnetization (M) along B0 • spins precess with random phase • no net magnetization in transverse plane • only 0.0003% of protons/T align with field
NMR 谱仪: 探头
Helmholtz
Solenoid
RF 线圈 + 调谐元件 (电容器) RF 接口
核磁共振：探头、量规和样品管
液体NMR实验操作培训(二)
样品的制备
标准参数与脉冲序列
脉冲的定义和描述（形状、脉宽、功率、频率、 相位） 90°脉冲的种类和测试 13C－DEPT135°、DEPT90°谱的测定 其它核（17O）的测试
匀场是解决静磁场随空间位置变化的问题
0.50 shims
Z
0.25
Z2 Z3 Z4
order 1 2 3 4
on-axis Z Z2 Z3 Z4 Z5 Z6
0.00
Z5
-0.25
off-axis X,Y XZ,YZ, X2-Y2,XY XZ2, YZ2, பைடு நூலகம்X2-Y2)Z, X3, Y3, XYZ XZ3, YZ3, (X2-Y2)Z2
通常参照频率即为旋转坐标系的旋转频率
FID信号检测
Nyquist采用理论： 数学上为能正确确定一经过坐标原点的周期涵数的频率, 在某一周期内必须有两个已知点.所以对FID信号数字化 采样时,也必须在某一周期内采集到至少两个点(Nyquist Theorem). 如果不这样就会产生峰折返.不产生峰折返所 能达到的最大频率叫Nyquist Frequency.
β＝γB1tp
90º 脉冲与射频场强度直接关联（一一对应）
脉冲射频场功率的运用受到探头的限制
NMR：90º 脉冲的功率（射频场强）
脉冲 的功率太强或在强功率下作用时间太长将损坏探头：
NMR：探头的调谐和阻抗匹配
调谐tune：调节探头电路使得该电路对某一频率最灵敏
谐振
阻抗匹配matching：调节探头电路使得探头线圈电路的
NMR的高分辨率要求静磁场有很高的稳定性：
500兆仪器： 假设谱峰的峰宽： 如果有10%的误差（即0.1Hz)，多大的静磁场变化能引 起这种变化？
NMR：锁场与匀场
静磁场的强度会由于硬件的老化和周围环境的变化而变化，仪器上通 过不间断地测量一参照信号(氘代溶剂的共振信号)并与标准频率进行比 较. 如果出现偏差 ,则此差值被反馈到磁体并通过增加或减少辅助线圈 (Z0)的电流来进行矫正.
w ~ B0
是磁旋比. 它是原子核本身的属性并只能通过实验获取.
nucleus proton (hydrogen) deuterium phosphorous carbon nitrogen nitrogen fluorine oxygen aluminum
symbol
1 2
abundance (%) 99.98 0.015 100 1.1 0.37 99.63 100 0.04 100
1H、13C、15N、 31P、19F
2H、11B、14N、 17O、33S、35Cl
静磁场B0下原子核的磁性质
没有静磁场
有静磁场B0存在时
ω=γ B0
原子核的核磁共振频率- Larmor 频率
核磁矩沿外磁场方向进动的频率称为Larmor 频率w或共振 频率.此频率的大小取决于原子核的种类及外磁场的大小.
13C
7.0us/-2dB (硬脉冲) 70us/18dB (CPD宽带去偶)
上述数值是在华师大的宽带正相（BBO）探头上测得的
NMR：90º 脉冲的功率（射频场强）
90º 脉冲的数值（脉宽）总是在一定的脉冲功率或脉冲强度下测定的， 即脉宽和脉冲功率是一一对应的。仪器上脉冲功率是用功率的衰减 dB 数表示的，实际输出功率与最大输出功率相比，Attenuation(dB)= -20 log (V/Vmax) ，（衰减 6dB ，功率减小一半，脉宽增加一倍），为了 在不同仪器之间进行比较的方便，通常将脉冲功率转换成脉冲射频场 强度，以Hz表示： 当共振时，磁化矢量在脉冲射频场下围绕B1旋转β角
核磁共振
NMR基本理论
FID信号及数据
图谱解析
NMR实验
数学处理
应用研究
高分子结构 仪器结构
液体NMR
固体NMR
磁共振成像MRI
生物组织形态
有机化合物结构
生物大分子
液体NMR实验操作培训（一）
NMR的基本概念：宏观磁化矢量的产生及其在脉冲作用下的 运动 核磁共振仪器的介绍：磁体、谱仪、探头和频率通道 Xwinnmr程序介绍：nmr数据目录和文件结构及程序的界面
transverse plane
M=0
磁化矢量、射频脉冲和FID信号
B0 M

B0
FID信号
RF 脉冲
M
接收器 Receiver FT
S(t)
在磁场中,原来简并的能级分裂成不同的能级状态.如 果用适当频率的电磁辐射照射就可观察到核自旋能级 的跃迁.原子核能级的变化不仅取决于外部磁场强度的 大小及不同种类的原子核 ,而且取决于原子核外部电子 环境.这样我们就可获得原子核外电子环境的信息.宏 观上讲,当用适当频率的电磁辐射(RF)照射样品,宏观 磁化强度矢量从Z-轴转到X或Y轴上.通过接受器,傅立 叶转换就得到核磁共振谱图.
小分子的noe相关峰与对角线峰的相位相反大分子的noe相关峰与对角线峰相位相同分子量在10001500左右时不出峰与仪器磁场强度有关有化学交换的峰之间也会产生noe相关峰其相位与对角线峰相同相关峰的强弱与氢原子间距离的106呈正比距离越近相关峰越强相关峰的强弱与脉冲序列中的混合时间mixingtime有关通常混合时间等于t1时noe峰最强13c二维谱的基本特征13c二维谱的采样参数设置hsqchmqc实验hmbc实验其它核的测试梯度场脉冲及其溶剂峰压制实验heteronuclearh的共振频率另一维是13c的共振频率