二维核磁共振谱()

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f () 1 f (t)eitdt
2
900脉冲作用后的驰豫过程
自由感应衰减信号 (FID)
接收线圈 34
射频分量强度的外包络线用下式表示(这是数学处理,
即傅立叶分解的结果):
C 0
在三角函数中π表示弧度,
At p tr
sin 0 tp 0 tp
数学上规定把π换成角度的 话等于180°,sin180°= 0。
年用量子统计的系统理论对二维NMR原理进行详 尽的理论阐述,1983年又提出乘积算符理论,大大 简化了脉冲序列的分析。由于在PFT-NMR及 2DNMR二方面的贡献而获得1991年诺贝尔化学奖 瑞士的Wüthrich首先将2D-NMR的方法用于蛋白 质,发展了将2D-NMR和距离几何结合得到蛋白质 在溶液中的空间结构的方法 ,第一个用NMR方法 解析出蛋白质的空间结构。获得2002年诺贝尔化学 奖
当ν−ν0=1/tp时, C(ν−ν0)为0
ν
以氢谱而论,一般tp<10μs,因此1/tp>105Hz,频谱 非常宽。当取核磁谱图中心为ν0 ,在谱图中所可能出现 的ν−ν0小于二分之一谱宽,对氢谱来说,仅约5ppm。 设所用仪器为500MHz,5ppm仅对应2500Hz,它远远小
于105Hz。相应于核磁谱图,ν−ν0相距ν0 较近。 C(ν−ν0) 实际上近似等于C(ν0)。即各种氢核虽然共振频率不同, 但受射频作用的强度近似相等,这对于定量测定是很
2 B1tp t p 2B1 tp 1 4F
因此,为同时激发具有一定频谱宽度的所有原子 核,必须用强而短的脉冲。
转过的角度θ=γB1tp如图(a),称为倾倒角,如 果脉冲宽度tp恰好使 θ=π/2 或 π ,称这种脉冲为 900或 1800脉冲。900脉冲作用下M将倒在y'上, 1800脉冲作用下M将倒向 -z 方向。
resonance spectroscopy for determining the three-dimensional structure of biological macromolecules in solution".
他获得2002年诺贝尔化学奖另一半的奖金。
If one knows all the measurements of a house one can draw a three-dimensional picture of that house. In the same way, by measuring a vast number of short distances in a protein, it is possible to create a three-dimensional picture of that protein.
频谱
wenku.baidu.com
转换
时间谱
PFT-NMR 特点
*灵敏度高:通过累加可提高信噪比; S N n *测量速度快:几秒至几十秒即可完成1H NMR谱的测定; *采用大型计算机后,通过设置适当的脉冲序列可测各种新 技术谱图,如消除溶剂和水峰,NOE谱和质子交换谱,13C 的 DEPT谱和各种二维谱,使复杂化合物的结构分析更为 容易。
有必要的。
各分立频率的间隔为1/tr,
设tr=2s。则1/tr = 0.5Hz。
而核磁的谱线总有一定宽
ν
度,因此不会因某一谱线
处于两分立频率之间而被
漏检激发。
主带频谱范围为 ω=2/tp,中心频率为 ν0 ,在该范围内,谱线 ν 的间隔距离△=1/tr、 故在该主带频谱范围 内,谱线的总数为:
37
2003年诺贝尔医学奖 :美国科学家保罗·劳特布尔 (Paul Lauterbur)和英国科学家彼 得·曼斯菲尔德(Peter Mansfield )
Peter 用核磁共振层析“拍摄”的脑截面图象
什么是二维核磁共振谱?
一维核磁共振谱: 时域信号(FID信号)FT 频域谱(峰强度 vs 频率)
二维核磁共振谱: 是有两个时间变量,经两次傅利叶变换得到的两
实际上,在核磁共振实验中采用频率为ν0的连续、等 幅的射频波。用一个周期为tr,每次持续时间为tp,强度 为A的方波去调制。从数学来看,即是两函数相乘。
从物理概念上讲,在样品中则“感受”到一个很宽频 带的、多个分立的射频分量的作用。
ν0
频率为ν0的连续、等幅的射频波
周期为tr,每次持续 时间为tp,强度为A 的方波
第 4 章二维核磁共振谱
(two dimensional NMR spectroscopy ; 2D-NMR )
4-1 概述
4-5 异核化学位移相关谱
4-2 基本原理
4-6 二维NOE谱
4-3 J分解谱
4-7一维、二维谱综合解析
4-4 同核化学位移相关谱
4-1 概述
比列时的Jeener于1971年提出二维NMR的思想 瑞士的Ernst对二维NMR进行了深入研究,于1976
*CW-NMR扫描速度不能太快,通常全扫描时间为200-300s。 若扫描太快,共振来不及弛豫,信号将严重失真(畸变)。
4-2 基本原理
I≠0的原子核具有核磁矩,在一定条件下可以发生 核磁共振。由于是大量原子核的行为,可从宏观的角度 来讨论。
宏观磁化强度矢量(macroscopic magnetization vector)M为单位体 积内N个原子核磁矩μi的矢量和:
B0 Z
旋转快
旋转慢
M
X/ B1
X
B1
Y Y/
20
若不是处于共振条件,M仍绕有效磁场转动,但 此时Beff≠B1,即M不绕x'轴转动。
Beff B0 B1
B0
k B1i
式中k、i分别为旋转坐标系z'、x'轴上的单位矢量。
共振时
0 B0
Beff
0
k
B1i
z
M0 z
Hz计),如果B1足够强, 则上式中方括号内第一项
使
B12F
远远小于第二项,因而可
略去,此时有: Beffi B1
这说明当B1足够强时,不同共振频率的核所受到的 有效磁场都是近似相等的,都近似于B1。也就是说, 它们的Mi都绕着x'轴(B1作用在x'轴方向)转动。 这也就是说,虽然它们的工作频率有一定的差异,
调制后的射频脉冲
时畴信号和频畴谱,二者之间的傅立叶变换
射频电磁波的圆频率为ω,虽然它不等于原子核的
进动频率,但只要它的强度大,作用时间短,具有
一定频谱宽度的原子核都能同时发生共振。
从理论上讲,ω可以在ΔF之内,也可以在ΔF之外。
由于时间短,强度大的射频脉冲的作用,各种原
子核的M
都向y轴倾倒。产生可检测的
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如果对样品施加一个矩形的电脉冲,那么在样品中实 际上可以“感受”到无数个频率的作用。即共振频率不 同的磁性核在矩形电脉冲的作用之下,可以同时受到激 发。
由于频率越高的高级谐波,其振幅越小,即对原子核 的作用也越小。因此在核磁共振实验中,若真的只是单 纯地加一个方波脉冲,那么产生的核磁共振的实际效果 将是极其微弱的。
个独立的频率变量的谱图。一般用第二个时间变量 t2 表示采样时间,第一个时间变量 t1 则是与 t2 无关的 独立变量,是脉冲序列中的某一个变化的时间间隔。
23:43
6
扫描过程中的共振吸收图:
脉 冲 傅 立 叶 变 换 仪
NMR (PFT-NMR)
扫频方式时
单频,连续变化, 连续照射。
宽频,脉冲式照射。
M
分量。当脉
冲停止作用之后,任何一个 M在 y轴上的投影——检
测信号 M 为 yi
t
Myi Myi (0)e T2i cos 0i t
式中t为脉冲停止作用后的时间(脉冲停止时刻t=0)。
t
Myi Myi (0)e T2i cos 0i t
上式所表达的信号是脉冲停止后 M 的衰减信号,因此 被称为自由感应衰减信号(free induction decay, FID)。因 样品中有多种共振频率的核存在,各有其ω0i和T2,因 此检测的是它们的FID的干涉图,为时畴(time domain) 信号。
18
当发生核磁共振时 B0 B0
但因ω/γ和B0的方向相反,所以在共振时;
B0 0

Beff B1
上式表明,在发生共振现象时,M仅被B1作用,M 绕x'朝着y'方向转动。M离开B0方向,按下式
E B0 zB0
M能量增加,它从B1(圆偏振磁场,射频电磁波) 吸收了能量。
从检测的角度来看,当M沿z'方向时,它在y'轴上 无分量,无检出信号。当M转向y'轴时,在y'轴上产 生分量,从实验室坐标系来看,此分量在不断旋转, 它切割检出线圈,因而有信号产生。
但却同时都发生了共振。
为满足 B12F
B1必须很强。同时B1的作用时间也应该很短。
类似于 B0 ,在旋转坐标系中M绕x'轴
转动的角速度Ω可用下式描述
B1
设B1的作用时间,也就是脉冲的宽度为tp,则M在
tp时间间隔内转动的角度θ为: t p B1t p
设θ=90°(这样的脉冲叫做90°脉冲),此时
即该射频脉冲系列相当于一台拥有4×105不同 频率、间隔为0.5Hz的射频波的多波道核磁共振仪, 频率范围是ν0±2×105 , 可使分子中处于不同化学环 境下的所有13C(或1H)核同时共振,并得到含有 所有13C(或1H)核信息的FID信号。虽然各种FID 信号混合在一起,但频率和相位不同,可通过相敏 检测器检测并区别开来。以累加1次需2秒计算,即 使进行1万次累加,也只需要约5.5小时。这样,在 采用多次脉冲作用于试样,并将FID信号进行多次 累加后再进行傅立叶变换,对于像13C这样的低灵敏 度核来说,也可以得到一张好的NMR图谱
M可分解为两个分量:沿B0方向分量M″
电磁辐射(电磁波)——波粒二象性
电磁辐射为正弦波(波长、频率、速度、振幅)。
电场
y = A sin(t + ) = A sin(2vt + )
磁场
单色光平面偏振光的传播
传播方向
在垂直于B0的平面上加一个线偏 振交变磁场,其圆频率等于ωL。线 偏振交变磁场可以分解为旋转方向 相反的两个圆偏振磁场。其中一个 旋转磁场和核进动方向相反,它与 核磁矩作用时间很短,其作用可忽 略;另一个旋转磁场和进动方向相 同(且同频率),电磁波的能量传 递给原子核,产生了原子核的能级 跃迁(改变进动角θ),此即核磁共 振。
E t h
Δt是粒子停留在某一能级上的时间,在NMR 中决定于自旋-自旋的相互作用。
E T2 h
E h
1
T2
按上式计算的谱线宽度就自然宽度。实际谱 线宽度远宽于自然宽度,这是因为磁场的不均匀 性也对横向弛豫有贡献,因此产生表观横向弛豫 时间T'2,T'2 < T2。
1
T2
三、脉冲-傅立叶核磁共振波谱仪
1991年诺贝尔化学奖:恩斯特R.R.Ernst(1933-) 瑞士物理化学家
他的主要成就在于他在发展高分辨核磁共振 波谱学方面的杰出贡献。这些贡献包括:
一.脉冲傅利叶变换核磁共振谱 二.二维核磁共振谱 三.核磁共振成像
2002诺贝尔化学奖:
瑞士科学家库尔特·. 维特里希“for his development of nuclear magnetic
电场
磁场
交变磁场
角速度0
旋转坐标系(rotating frame)x'y'z' z'与实验室坐标系(xyz)的z轴重合,但x'y'绕z轴旋 转,其旋转角速度为圆偏振磁场的旋转角速度。
B0 Z
旋转快
旋转慢
M
X/ B1
X
B1
Y Y/
在此旋转坐标系中,圆
偏振磁场成为一固定磁
场,以B1表示。设它沿x' 方向。在z'方向则有B0。 经证明,在 z'还存在着
H0
y
y
x
x
M(宏观磁化矢量和)
加H1(射频)
z
z
z
M
M
y 去H1
M
x
y
z
x
M M0
x H1
y
核磁共振基本原理示意图 y x
Spin-Lattice Relaxation (T1)
自旋-晶格弛豫(纵向弛豫)
Spin-Spin Relaxation (T2)
自旋-自旋弛豫(横向弛豫)
核磁共振谱线宽度 Heisenberg 测不准原理
另一矢量ω/γ,ω为旋转
坐标系的角速度矢量。
这一项的产生是因旋转
坐标系而引起。
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有效磁场 Beff
由于ω/γ具有磁场的量纲,因此被称为“虚设
场”。所以M在旋转坐标系中所受的总作用是三磁
场的矢量和。
B0 Z
旋转快
Beff B0 B1
z'
M
旋转慢
B0
ω/γ
X/ B1
X
B1
Y Y/
Beff
x' B1
所谓脉冲是指在微秒期间内周期性地施加的射频。 如以tp代表脉冲宽度,tr代表脉冲间隔,υ0为发射 器频率,则该脉冲系列可展开成以υ0为中心的连续 的频率振动,简称频谱。
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Beff
0
k
B1i
1
Beffi
0
i
2
2 B12
设某化合物的核磁谱图
共振频率的分布为ΔF(以
1
1
0i 2 B1 2 2
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