NMR基础知识简介.

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1 NMR基础知识简介

2 NMR的应用领域 化学结构鉴定 天然产物化学 有机合成化学 动态过程的研究 反应动力学 研究平衡过程（化学平衡或构象平衡）
化学结构鉴定 天然产物化学 有机合成化学 动态过程的研究 反应动力学 研究平衡过程（化学平衡或构象平衡） 三维结构研究 蛋白质 DNA. 蛋白/DNA复合物 多糖 药物设计 NMR研究构效关系（SAR） 医学 －磁共振成像（MRI） 核磁共振的应用领域有很多，早期它主要用于化学结构的鉴定，是这个领域中不可缺少的工具，但是进年来随着核磁共振技术的发展，包括高场谱仪的出现以及人们对核磁理论研究的深入等，核磁的应用领域有了很大的拓展，比如当前已经相对成熟的三维结构的研究以及代谢组学的发展。所以可以概括来说核磁共振使用电子的技术物理的原理去解决生物和化学相关的问题。 2019年1月2日

3 NMR样品要求 样品: 非磁性及非导电 灵敏度: 样品需含» 1015 原子核 溶液 固体Solids NMR 成像
样品: 非磁性及非导电 灵敏度: 样品需含» 1015 原子核 溶液 NMR 固体Solids 成像 核磁共振虽然应用有很多，但它也有其自身的一些特点（局限性），对于检测的样品来说首先由于我们使用的是超导磁体所以要求检测样品是非磁性的，也就是说像铁粉这种铁磁性的金属物质不能放入进行检测，但是如果这些金属如Fe，Co，Ni是以络合物的形态出现是可以检测，只是由于它们具有顺磁性会影响磁场的均匀性所以往往这类物质检测时匀场不好匀得到的谱峰也比较宽解析会比较困难；另一方面核磁要求检测的样品是非导电的，但严格一点来说是导电性能比较强的物质比如石墨，本身它是可以放入磁体的但是如果施加了射频它就会导电从而使探头发生放电现象，严重时会损坏探头。核磁的另一个特点就是他的检测灵敏度比较低需要样品中至少含10的15次方的原子核也就是说对于通常的谱仪而言大概是10的 -8次方的mol浓度。目前我们核磁分为液体，固体和成像三大类，虽然它们在技术上差别很大但是它们的物理原理都是一样的 ！ 2019年1月2日

4 NMR谱图包含的信息 Information: Larmor 频率 原子核 化学位移: 结构测定(功能团)
化学位移: 结构测定(功能团) J-偶合: 结构测定(原子的相关性) 偶极偶合: 结构测定 (空间位置关系) 弛豫: 动力学 CH3 H C D JHH JCH H >C=CH- 1H 核磁共振之所以应用广泛主要是因为其谱图可以给我们提供很多有用的信息，比如我们可以从频率知道测定的原子核，从化学位移的位置知道大概有些什么样的官能团，从j耦合可以知道原子间的相关联系，从偶极耦合可以知道空间构象，而驰豫则往往给我们提供一些动力学方面的信息。这几大参数我们会在后面的介绍中给大家一一详细的解释。 C >C=C< CH3 13C 2019年1月2日

5 NMR背景 吸收（或发射）光谱，检测分子中某种原子核对射频的吸收。 只有自旋量子数（I）不为零的核才有NMR信号
质量数和原子序数都为偶数  I = 0 (12C, 16O) 质量数为偶数，原子序数为奇数  I = 整数 (14N, 2H, 10B) 质量数为奇数  I = 半整数 (1H, 13C, 15N, 31P) 原子核的自旋态是量子化的: m = I, (I - 1), (I - 2), … , -I m 为磁量子数. 为了能更好的使用核磁，我们首先还是要对核磁的原理有一定程度的了解。 核磁共振谱图简单一点来说是吸收或发射光谱，它检测的是分子中某种原子核对射频的吸收。那么核磁共振信号是如何产生的？其实归根到底nmr是原子核的自旋运动引起的。我们知道原子核是由带电荷的质子和不带电荷的中子所组成，它和电子一样也会有自旋运动，并且这种自旋运动的数值与原子核的质量数和原子序数之间存在一定的关系我们用自旋量子数I来表示，只有当自旋量子数不为0的核才会有产生nmr信号的前提。进一步来说根据量子力学的原理，原子核的自旋状态是取值量子化的，即如果自旋量子数为1/2的核，其自旋角动量只能取1/2,-1/2这两个值，通常我们把自旋角动量的值称为自旋的磁量子数m，对于自旋量子数为I的核来说其自旋角动量可取2I+1个值。 2019年1月2日

6 NMR背景 对于 1H, 13C, 15N, 31P （生物相关的核）: m = 1/2, -1/2 这表明这些核只有两种状态（能级）.
m = g I h / 2p 磁矩是一个矢量，它给出了“原子核磁体”的方向和大小（强度） h 为普朗克常数 g 为旋磁比, 不同的原子核具有不同的旋磁比. 不同的原子核具有不同的磁矩 不同自旋角动量的值其实对应了不同的能级状态比如氢碳氮磷这些生物相关的核其自选量子数i为1/2，所以它们的磁量子数就是正负1/2表明这些核只有两种能级。了解了原子核自旋的产生后我们要看看核自旋的结果。由于原子核是带正电荷的，而带电体的转动必定会产生磁矩，所以每个自旋不为0的原子核本质上可以看成是一个微观的磁矩，其大小和方向与自旋量子数之间存在一定的关系。其中r是旋磁比，这是原子核的固有属性类似密度，所以不同的原子核具有不同的磁矩。 2019年1月2日

7 磁场的作用 （对 I = ½） 在基态下核自旋是无序的， 彼此之间没有能量差。它们的能态是简并的:
由于原子核具有核磁矩，当外加一个强磁场时（Bo）, 核磁矩的取向会与外磁场平行或反平行: 取向与外磁场平行核的数目总是比取向反平行的核稍多. 磁场的作用 （对 I = ½） = g h / 4p 在没有磁场的情况下，核磁矩的方向是杂乱无章的，因此对于一个原子核的宏观聚集体而言，这些核的能态是简并的所以看不到任何宏观的核磁性现象。但是如果外加一个强磁场B0，经过一定的时间核磁矩的取向就会与外磁场平行或反平行而由于波兹曼分布的原理反平行需要的能量高所以取向与外磁场平行的核的数目总是比取向反平行的核数目稍多 Bo 2019年1月2日

8 能量和布居数 Na / Nb = e DE / kT Na / Nb = 1.000064
当外加一个磁场时，取向与外磁场（Bo）平行和反平行的核之间会有能量差 : 每个能级都有不同的布居数（N）, 布居数的差别与能量差有关遵守Boltzmman分布: Na / Nb = e DE / kT 400 MHz（Bo = 9.5 T）下的1H，能量差为3.8 x 10-5 Kcal / mol Na / Nb = 与UV或IR相比，布居数的差别很小。 b Bo > 0 DE = h n a Bo = 0 因此当外加一个磁场之后平行与反平行的核之间就会有能量差，这种差别与布局数的差别之间遵循波兹曼分布例如400MHz的谱仪下氢的能量差为这个数值则它的两个能级之间的布局数的比值只在小数点后第5位才有差别，与紫外和红外相比这种差别小也表明核磁的灵敏度比较低。这是因为从电磁能量吸收这个角度来讨论核磁共振信号的产生，其实就是低能态的核从外界吸收这微弱的能量差的射频辐射跃迁到高能态从而产生核磁信号。 2019年1月2日

9 能量和灵敏度 g13C = 6,728 rad / G g1H = 26,753 rad / G
原子核的能量（对于一个核自旋）与核磁矩和外加磁场的大小成正比 : E = - m . Bo  E(up) = g h Bo / 4p --- E(down) = - g h Bo / 4p DE = g h Bo / 2p 这个能量的差就是每个核可以吸收的能量（与信号的强度和灵敏度直接相关）: 磁体的磁场越强 （大的Bo），NMR谱仪的灵敏度就越高。 具有较大g值的核，吸收或发射的能量就越大，也就越灵敏。灵敏度与m、 Na - Nb及“线圈的磁通量”都成正比，这三者都与 g成正比，所以灵敏度与g3成正比。 如果考虑同位素的天然丰度, 13C (~1%) 的灵敏度要比1H低上6400倍。 将这个能量差进行简单的计算，从公式上我们可以看出能量差 g13C = 6,728 rad / G g1H = 26,753 rad / G 仅仅是 g 的原因 ， 1H 的 灵敏度就大约是13C的64倍 2019年1月2日

10 g-rays x-rays UV VIS IR m-wave radio
能量和频率 能量与频率是相关的，我们可以作一些简单的数学变换： DE = h n n = g Bo / 2p DE = g h Bo / 2p 对于1H来说，在通常的磁体中 ( T), 其共振的频率在 MHz之间。对13C, 是其频率的1/4。 在解释有些 NMR原理时, 我们需要用到圆周运动。 对于描述圆周运动Hz并不是一个好的单位。我们把进动（或Larmor ）频率定义为 w: w = 2pn  wo = g Bo （弧度） g-rays x-rays UV VIS IR m-wave radio wavelength (cm) 2019年1月2日

11 进动和旋转的陀螺 l wo与什么样的进动相关呢? 有一个现象我们还没涉及，它就是自旋角动量 l, 所有的核都具有自旋角动量。
我们可以粗略的认为核绕着自己的 z 轴旋转。如果核磁矩m不为零，它就是一个旋转的原子磁体。 如果我们外加一个强磁场 Bo, 磁矩 m 与 Bo 相互作用会产生一个扭力。不论磁矩 m 的初始取向如何，他都将倾向与 Bo平行。 l Bo or... m 2019年1月2日

12 进动 由于自旋角动量 l 的原因，磁矩为 m 的核会自旋, 因此两个力会同时作用在它上面，一个力把它拉向 Bo方向，另一个使它保持自旋。最终结果是 m 绕着 Bo进动。 理解进动最好的办法是想象一个旋转的陀螺在重力作用下的运动情景。 核磁矩 m 绕着Bo进动的频率与从能级差值计算所得的频率是相等的。 虽然这两个频率没有明显的联系，但是由严格的量子力学推导也可以得到这一结论。 有些现象对于经典NMR模型来说可以把它们看作一个黑匣子。 Bo wo m 2019年1月2日

13 宏观磁化矢量 宏观磁化矢量 Mo, 与布居数的差（Na – Nb）成正比，它是所有核磁矩m 共同作用的结果 Mo
我们可以把每一个小磁矩 m 分为在 z 轴和 <xy> 平面上两个分量。 <xy> 平面上分量的取向是随即的，彼此相互抵消。对于z方向分量的和即为宏观磁化矢量。它与Na – Nb成正比。 在实际的样品中讨论宏观磁化矢量更复合实际情况，所以在后面的部分中我们将使用宏观磁化矢量来描述。 m 和 Mo之间有一个很重要的不同点。前者是量子化的，只能有两个状态（a 或 b），后者是对于所有自旋而言的，它具有连续的状态数目。 Mo y x z Bo 2019年1月2日

14 NMR激发 NMR激发需要核自旋体系吸收能量。能量的来源是一个由变化的电场所产生的振荡的射频电磁辐射。 B1 = C * cos (wot)
z B1 = C * cos (wot) Mo x B1 Bo y i Transmitter coil (y) 2019年1月2日

15 RF 脉冲 核磁信号只能在核磁化矢量位于XY平面时才能被检测到.使用与原子核Larmor频率相同无线电射频即可将M 从Z-轴转向X-或Y-轴. M rf + 当观测信号时,RF 脉冲是处于关闭状态. NMR信号是在毫伏(microvolts)而RF脉冲是在千伏kilovolts. 2019年1月2日

16 * = 脉冲 前面我们已经介绍了脉冲，下面我们来看看脉冲的作用原理。射频脉冲是频率为wo 的连续波（cosine）与阶梯函数的组合结果。
这是脉冲在时间域的形状。通过对其进行FT变换，我们可以分它在频率域的覆盖范围。 对其进行FT的结果是一个中心位于 wo，两边覆盖一定频率宽度的信号。其覆盖的频率宽度与tp 成反比：f  1 / t. * = tp FT wo 2019年1月2日

17 脉冲宽度和倾倒角 脉冲的宽度不只和其覆盖的频率范围有关，它还表明外加射频场B1的作用时间。因此，它就是外加扭力对宏观磁化矢量Mo的作用时间。 特定倾倒角脉冲的宽度也仪器本身有关（B1），我们习惯上以脉冲使宏观磁化矢量倾倒的角度来标识脉冲。所以我们常见的脉冲有 p / 4、p / 2 和 p 脉冲。 z x Mxy y Mo B1 qt tp qt = g * tp * B1 2019年1月2日

18 一些常用的脉冲 p / 2 p 最常用的脉冲是p / 2脉冲，它使磁化矢量完全倾倒到 <xy>平面：
原则上讲我们可以得到任意角度的脉冲。 z x Mxy y Mo p / 2 z x -Mo y Mo p 2019年1月2日

19 RF 脉冲 z M 通过RF脉冲的照射，磁化矢量将以RF脉冲的照射方向为轴在垂直于RF脉冲的照射方向的平面内转动。如使用X-脉冲则磁化矢量将围绕X-轴方向在YZ平面内转动。 -只要RF脉冲打开，则磁化矢量的转动就不会停止。 -磁化矢量的转动速度取决于脉冲强度。 -脉冲长度将决定磁化矢量停止的位置。 y rf x 45o 90o 180o 270o 360o 2019年1月2日

20 RF 脉冲 z M 90o 或p/2 脉冲将给出最大的信号，所以也就成为准确测定此参数的原因之一。在特定的功率强度下，通过采集一系列不同脉冲长度的谱图以确定最大值或零强度点。此点就给出90o或180o的脉冲。 在BRUKER 仪器，RF 脉冲一般以pn (e.g. p1)等参数来描述其标准单位是微秒(ms)。功率强度是以pln， (e.g.pl1)等参数来描述其标准单位是dB。 y rf x 270 360 90 180 Pulse length 2019年1月2日

21 信号接收 B0 V M 接受/发射线圈 t 经过脉冲照射后，磁化矢量被转到XY平面上并绕Z-轴旋转。由于此转动切割了接受器的线圈，并在接受器的线圈中产生振荡电流。其频率就是Larmor频率。 在NMR 中，接收线圈与发射线圈是同一线圈。 信号首先被送到前置放大器然后送到接收器。接收器分解此信号使之频率降低到声频范围。模拟数字转换器将此信号数字化。 2019年1月2日

22 数据采集 如果采样的速度是信号频率的两倍，我们就可以清楚的记录这一频率的信号。 SR = 1 / (2 * SW)
Nyquist 原理表明采样的速度至少要是最快的信号（频率最高）的两倍。 如果采样的速度是信号频率的两倍，我们就可以清楚的记录这一频率的信号。 如果采样速率降低一半，我们就只能得到频率为真实频率 ½的信号。这些信号会折叠回我们的谱中，相位会与其它的峰不同。这种现象叫做 aliasing. SR = 1 / (2 * SW) 2019年1月2日

23 数据采集 采样快慢决定了观测的谱图的频率范围，在Bruker仪器中，采样的快慢由驻留时间参数(DW)确定。驻留时间和谱宽间的关系由下试确定：
dw= 0.5ms dw= 1 ms sw=1000 Hz sw=500 Hz 2019年1月2日

24 接收器(Receiver) 检测方法: 具有Larmor频率NMR信号与激发脉冲混合，所得的差被数字化。 接受器 (RX22)
检测的信号 ( MHz) 参照频率 自由衰减信号 (FID) (audio: kHz) 接受器 (RX22) 数字化器 (HADC) 计算机储存 检测方法: 具有Larmor频率NMR信号与激发脉冲混合，所得的差被数字化。 2019年1月2日

25 自由感应衰减（FID） 当宏观磁化矢量Mo受到 p / 2 脉冲的倾倒到<xy>平面后，检测线圈中会出现NMR信号。
核自旋系统会向平衡态恢复，宏观磁化矢量Mo在 <xy> 平面内的驰豫可用指数函数描述。所以检测线圈会检测到一个衰减的cosine信号（单个自旋种类） w = wo Mxy w - wo > 0 time 2019年1月2日

26 自由感应衰减（FID） 在实际的样品中可能存在数以百计的自旋系统，它们的共振频率各不相同。我们用射频脉冲同时激发所有的频率，接收线圈会同时检测到所有频率的信号。我们看到的结果是所有信号的叠加，这就是FID信号。 对FID信号进行FT处理就可以得到NMR谱图。 2019年1月2日

27 NMR 谱仪 2019年1月2日

28 NMR 谱仪 2019年1月2日

29 NMR 谱仪 2019年1月2日

30 NMR 探头 2019年1月2日

31 NMR 谱仪: 术语和简写 AV 系统: CCU: 通讯控制单元 Communication Control Unit
TCU: 时间控制单元 Timing Control Unit FCU: 频率控制单元 Frequency Control Unit GCU： 梯度控制单元 Gradient Control Unit SGU: 信号产生单元 Amplitude Setting Unit DRU: 数字化接收单元 Digital Receiver Unit BSMS: 布鲁克智能磁体控制系统 Bruker Smart Magnet System ACB: 功放控制板 Amplifier Control Board RXAD: 接收器与模/数转换器 Receiver and Analog to Digital Converter HPPR: 前置放大器 Pre-amplifier SLCB： 样品和液氦液面控制板 Sample and Level Control Board SCB： 匀场控制板 Shimming Control Board LCB: 锁场控制板 Lock Control Board LTX： 锁场信号发射板 Lock Transmitter LRX： 锁场信号接受板 Lock Reciever TOPSPIN: 运行软件 Operating Software 2019年1月2日

32 正交检测(Quadrature Detection)
通常 B1 的频率会设置的比其它所有信号的频率都高（或低）。这样作的目的是为了避免有信号的频率高于（或低于）参考频率。这样计算机就可以知道信号的正负了。 这样做会有两个问题：第一个是噪音问题，多余的噪音会折叠回NMR谱中，影响信噪比。第二个是激发脉冲问题，激发较宽的谱宽需要更高功率的脉冲。 最好的解决办法是把参考频率设置到谱频率的中间。 carrier 2019年1月2日

33 正交检测 由于NMR检测器不能检测出顺时针或反时针方向的核磁信号,傅立叶转换后,将给出+w 和 –w两个峰. FT -w w V t V
x FT V t Detector si sigledirection.it can only detect the magnitization along detecting direction. -w w x 2019年1月2日

34 正交检测 怎样才能区别信号的频率比参考频率快还是慢呢？解决这个问题的办法就是使用两个检测器，其相位相差90度。 PH = 0 B
频率高的信号与频率低的信号正负相反，这样就可以区分开频率的正负。 w (B1) B F PH = 0 PH = 90 S 2019年1月2日

35 正交检测 通过使用具有900相位差的两个基本点检测器，正负频率就很容易区分开。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偿使用900相位差两个通道中。 A D C A Real 数学处理 NMR Signal Imaginary B 0o 90o Reference (SFO1) 2019年1月2日

36 正交检测 Channel A Channel B FT FT Channel A + B 2019年1月2日

37 频域谱宽度(SW)和中心频率（O1P） 在BRUKER的仪器中,频域谱图的中央点是由参数SFo1 (=SF + o1)确定. 其中,SF 是所观测的原子核Larmor频率; o1p 是偏置频率可以用来改变频域谱图的中央点. o1p o1p o1p 2019年1月2日

38 频域谱宽度(SW)和中心频率（O1P） 在实际测试未知样品时,可以使用较大的SW值采样.然后调整O1采样.最后再调整SW. 3. 调整 sw
new o1p new sw 2019年1月2日

39 ADC NMR 信号通常包含许多共振频率及振辐.为能更好的描述NMR信号, 我们一般使用16 或18 bit ADC. 增益值(RG)应被调节到一适当的值.既能充分利用又不至于使接收器过饱和. RG 太低 RG 适当 RG 太高 2019年1月2日

40 自由衰减信号(Free Induction Decay)
NMR 信号被称为自由衰减信号 (Free Induction Decay 或 FID). 此信号并不能象COS涵数一样保持同样的振辐持续下去,而是以指数的方式衰减为零. 此一现象是由所谓的自旋-自旋驰豫造成.(T2 relaxation) 在BRUKER仪器中,时域信号的数据点是由参数TD 设定.为使时域信号能够被完全采集到,TD应为一适当的值,以免使信号被截断( truncation). * TD too small TD set proper 2019年1月2日

41 信号平均(Signal Averaging)
在测量NMR信号的同时,由于仪器的电子元件及样品本身产生的噪音也同样被接收线圈检测到. 为了得到适当信噪比的图谱我们一般可以增加扫描次数以达到要求的信噪比(S/N), 信号平均是指通过增加扫描次数来压制噪音而增加信号强度的方法. N次额外的扫描回给出 倍的增强的信号强度 在BRUKER仪器中,扫描次数是由参数ns设置. 另外,增加扫描次数时,一定要考虑T1弛豫的影响, 也就是说要考虑参数D1的设置 signal noise level 2019年1月2日

42 信号平均(Signal Averaging)
FID 谱图 NS S/N 1 1 (ref) 4 2x 16 4x 256 16x 2019年1月2日

43 驰豫现象(Relaxation) 到目前为止我们还没谈到宏观磁化矢量回复到平衡态的过程。这一过程就是驰豫过程。驰豫分为两种类型，它们都与时间成指数衰减关系。 纵向驰豫（自旋－晶格驰豫） （T1） 它主要影响磁化矢量在 z 轴方向的分量（Mz） - 自旋系统与周围的环境发生能量交换， 自旋系统回复到平衡态。 - 与其它核的偶极偶合以及顺磁物质会 影响到T1时间的大小。 横向驰豫（自旋－自旋驰豫）（T2） 它主要影响磁化矢量在<xy>平面的分量（Mxy） - 自旋－自旋相互作用使得Mxy散相 - 还会受到磁场不均运性的影响 - 小于T1 Mz z x y Mxy 2019年1月2日

44 弛豫效应 NMR信号是一个以常数为T2的指数方式衰减的函数。 T2就是横向弛豫过程的时间常数。
此外，在XY平面的磁化矢量需要一定的时间回到Z-轴上。这一过程需要的时间就叫纵向弛豫时间，其时间常数是T1。 T1 和T2 与原子核的种类，样品的特性及状态，温度以及外加磁场的大小有关。 信号平均方法成功的关键就是要正确设定参数D1。 D1必须是五倍的T1以保证在下次扫描时磁化矢量完全回到Z-轴。 有时为节省时间，使用小角度的脉冲，重复扫描以达到增强信号的目的。 T1=30s, 4 scans a. D1=150s; 90o pulse; 600s; b. D1=15s; 90o pulse; 60s; c. D1=15s; 30o pulse; 60s. a b c 2019年1月2日

45 傅立叶转换(Fourier Transformation)
在核磁共振实验中,由于原子核所处的电子环境不同,而具有不同的共振频率.实际上,NMR信号包含许多共振频率的复合信号.分析研究这样一个符合信号显然是很困难的. 傅立叶转换(FT)提供了一种更为简单的分析研究方法.就是将时域信号通过傅立叶转换成频域信号.在频域信号的图谱中,峰高包含原子核数目的信息,而位置则揭示原子核周围电子环境的信息. FT time frequency 2019年1月2日

46 数据处理－窗口函数(Window Function)
现在计算机中已经有了FID数据。我们可以对FID做一些处理，比如数字滤波等。真正的NMR信号主要位于FID前面的部分，随着 Mxy 的衰减，FID的后部主要以噪音为主。 直观上讲数字滤波就是给 FID乘上一个函数，使噪音比例较大的FID末端变得较小。 主要为信号 主要为噪音 1 2019年1月2日

47 灵敏度和分辨率的增强（EM） 对于下面原始的FID，我们分别使用一个正的和负的LB值，以说明它们对最终谱图的影响。 FT
LB = -1.0 Hz LB = 5.0 Hz 2019年1月2日

48 其它有用的窗口函数 Gaussian/Lorentzian（GM）：提高分辨率。相比纯粹用负的LB值来提高分辨率，对信噪比的不良影响要小一些。 Cosine – 相移 cosine：主要用于二维谱。 窗口函数的选择与具体的实验相关。 F(t) = e - ( t * LB + s2 t2 / 2 ) F(t) = cos( p t / tmax ) 2019年1月2日

49 SW - spectral width (Hz)
数据大小和冲零(ZeroFilling) 数据的大小与谱宽（采样速度）、和采样时间有关。数据的点数越多采样的时间就越长。 即使数据的存储空间足够大，过长的采样时间也会使实验的时间变得很长。 我们把每个点所对应的Hz 数定义为数字分辨率。 DR = SW / SI 对于 SW 为5 KHz，FID 点数为16K的数据，其数字分辨率为：0.305 Hz/point. 一个很明显的问题是：当SW很大而SI很小时，数字分辨率就很低，不能准确的反映出谱峰形状。 SW - spectral width (Hz) SI - data size (points) 2019年1月2日

50 冲零 当采样时间不是足够长（数据点数较少）时，通过冲零可以提高数字分辨率。
冲零就是在FT前，在FID的末端加上大小为零的点。通常冲零的点数为1倍或2倍。 通过这种方法可以提高数字分辨率，通常可以提高谱图的质量。如果最初的FID点数太少，通过冲零也不能得到好的谱图。 8K data 8K zero-fill 8K FID 16K FID 2019年1月2日

51 冲零 在Topspin软件中，冲零是通过设置SI的值来实现的。当SI大于TD时，软件会自动冲零 TD=SI=128
2019年1月2日

52 相位调整(Phasing) 在BRUKER仪器中，相位调整首先对最大峰进行零级相位调整PH0，然后以一级相位调整PH1来调节其他的峰。
1. FT phase 2. Adjust ph0 on biggest peak 3. Adjust other peaks with ph1 2019年1月2日

53 NMR: 原子核间的相互作用 e.g. B0=11.7 T, w(1H)=500 MHz w(13C)=125 MHz
分子中的原子并不是孤立存在,它不仅在相互间发生作用也同周围环境发生作用,从而导致相同的原子核却有不同的核磁共振频率. Larmor 频率 化学位移 自旋-自旋偶合 e.g. B0=11.7 T, w(1H)=500 MHz w(13C)=125 MHz 化学位移 ~ B0 » kHz 自旋-自旋偶合» Hz-kHz 2019年1月2日

54 化学位移(Chemical Shift) 在磁场中，由于原子核外电子的运动而产生一个小的磁场Be(local field)，此小磁场与外加磁场(B0)方向相反，从而使原子核感受到一个比外加磁场小的磁场(B0+Blo).此一现象我们称做化学位移作用或屏敝作用。 B0 Be 原子核实际感受到的磁场: B = (1-s) B0 s化学位移常数 2019年1月2日

55 PPM 单位 由于化学位移是与外加磁场成正比，所以在不同的磁场下所的化学位移数值也不同。也会引起许多麻烦，引入ppm并使用同意参照样品，就是光谱独立于外加磁场。 1 ppm = 300 Hz 参照样品峰 300 MHz 300 MHz 0 Hz 1500 3000 4500 6000 0 ppm 4 8 12 500 MHz 1 ppm = 500 Hz 500 MHz 0 ppm 4 8 12 0 Hz 1500 3000 4500 6000 2019年1月2日

56 化学位移(Chemical Shift) 即使使用不同的仪器或在不同的场强下，相同的官能团具有相同的ppm值。不同的官能团由于存在于不同的电子环境因而具有不同的化学位移，从而使结构鉴定成为可能.. CH2 HC=O CH3 HC= In the example below the proton chemical shifts are referenced to the proton resonance frequency of TMS. (Set frequency scale to ppm (HZ/PPM); press calibrate;middle mouse button on TMS peak; type 0 ppm). 0 ppm 4 2 8 6 10 2019年1月2日

57 自旋-自旋偶合(Scalar Coupling)
相邻的原子核可以通过中间媒介(电子云)而发生作用.此中间媒介就是所谓的化学键.这一作用就叫自旋-自旋偶合作用(J-偶合).特点是通过化学键的间接作用. JCH JHH H H H C C C 异核 J-coupling 同核 J-coupling The presence of a nuclear spin will cause a small perturbation of its surrounding electron cloud. In the case of a chemical bond the electron clouds overlap, and as a result of this perturbation the neighboring spin feels a slightly different magnetic field, dependent on whether the spin that it is coupled to is up or down. Note that the spins must be from nuclei that are part of the same molecule. 2019年1月2日

58 自旋-自旋偶合(Scalar Coupling)
自旋-自旋偶合引起共振线的分裂而形成多重峰.多重峰实际代表了相互作用的原子核彼此间能够出现的空间取向组合. C H JCH C H JCH 原始频率 The scalar couplings cause the resonance lines to be split in multiple lines, so-called multiplets. Each multiplet represents a possible combination of spins up and down. For instance: consider the carbon spectrum of a C-H fragment. JCH w-J/2 w w+J/2 2019年1月2日

59 同核J-偶合(Homonuclear J-Coupling)
多重峰出现的规则: 1. 某一原子核与N个相邻的核相互偶合将给出(n+1)重峰. 2. 等价组合具有相同的共振频率.其强度与等价组合数有关. 3. 磁等价的核之间偶合作用不出现在谱图中. 4. 偶合具有相加性. 例如: Ha Hb C Ha sees spin b either up or down and therefore has two possibilities with equal probability, resulting in two lines with equal intensity. A similar reasoning applies to spin b, coupled to spin a. wa wb JAB HB HA 2019年1月2日

60 同核J-偶合(Homonuclear J-Coupling)
Ha Hb B,C是化学等价的核 C C Hc JAB=JAC A A B,C A C B 2019年1月2日

61 同核J-偶合(Homonuclear J-Coupling)
JAC=4 Hz Ha Hb B,C是化学不等价的核 C C JBC=7 Hz JAC JAC=10 Hz Hc JAC B C A wA 2019年1月2日

62 异核J-偶合(Heteronuclear J-Coupling)
*CH *CH2 *CH3 C H1 H2 H3 C H1 H2 C H1 C 2019年1月2日

63 异核J-偶合(Heteronuclear J-Coupling)
由于一些核的自然丰度并非如此100%。因此谱图中可能出现偶合分裂的峰和无偶合的峰。氯仿中的氢谱是一个典型的例子。 H-12C H-13C H-13C x100 the case of proton detection, most of the proton spins are not coupled to a carbon spin, since only one out of every 100 carbons has a nuclear spin. The so-called carbon satellites are due to those protons coupled to a 13C. In most samples these satellites are hard to find, but for instance in chloroform they are clearly visible. 105 Hz 2019年1月2日

64 NMR: 锁场(Lock) 实验对磁场稳定性的要求可以通过锁场实现，通过不间断的测量一参照信号(氘信号)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。 Lock freq. Lock TX Z0-coil Lock RX 2D D 2019年1月2日

65 匀场(Shimming) 在样品中，磁场强度应该是均匀且单一，以使相同的核无论处于样品的何种位置都应给出相同的共振峰。为达此目的，一系列所谓匀场线圈按绕制所提供的函数方式给出补偿以消除磁场的不均匀性，从而得到窄的线形.实际应用中可分为低温匀场(cryo-shims)线圈和室温匀场线圈(RT-shims)。低温匀场线提供较大的矫正。 2019年1月2日

66 去偶(Decoupling) w+J/2 w w-J/2 H H C C 原子核间的偶合导致谱图的复杂化。 JCH JCH JCH
original frequency JCH We saw previously that the scalar couplings cause the resonance lines to be split in multiple lines, so-called multiplets. Each multiplet represents a possible combination of spins up and down. For instance: consider the carbon spectrum of a C-H fragment. w+J/2 w w-J/2 2019年1月2日

67 去偶(Decoupling) 如果峰数不多，偶合的方式仍可分析出。但当很多锋出现时，偶合方式的分析就不是那么容易。 未去偶 氢去偶
*CH3-CH2- 未去偶 For a single carbon spin or a few spins, we can still unravel the coupling patterns, however when a lot of chemically different carbon atoms are present in the sample, the scalar coupling of the carbon with the proton spins give rise to a very complicated spectrum. 氢去偶 2019年1月2日

68 去偶(Decoupling) 氢对碳的偶合作用可以通过对氢施加一个脉冲消除。此一技术称为去偶。对氢核的饱和照射，促使氢核的自旋状态快速的变换，临近的碳核无法感觉到氢核的自旋状态的取向而只感受到氢核两种取想的平均效果。具体的说，对氢核的饱和照射使碳核原来的两条共振线w-J/2和w+J/2合并平均而得到[(w-J/2)+(w+J/2)]/2=w。 C H JCH p-pulse on H 这相当于使用一系列1800脉冲快速照射氢核。 When the proton spin is up, the carbon resonates at w+J/2. After the proton p-pulse, the carbon resonates at w-J/2. If we apply a series of p-pulses at the proton resonance, and if we do this fast compared to the size of the J-coupling, the carbon will resonate at the average of the frequencies (w-J/2) and (w+J/2), which is w. The carbon thus no longer sees the effect of the proton spin, hence it is decoupled. C-H pH w+J/2 w-J/2 2019年1月2日

69 去偶(Decoupling) 氢去偶除简化碳谱还因为有核的Overhauser效应而增加信噪比。 C-H C-H2 decoupled
intensity is distributed over two or more resonances. decoupled *CH3-CH2- coupled 2019年1月2日

70 去偶(Decoupling) 如果使用一个连续脉冲照射在氢的共振频率而不是使用一系列1800脉冲。此法称为连续波（CW）去偶. 去偶实验应注意以下两点: 1、氢脉冲应施加在氢的共振频率上。 2、脉冲的强度要足够强但又要比探头承受的强度低。 Preparing for a carbon experiment with proton decoupling: 1. Measure a proton spectrum; 2. Set O1 to the center of the proton resonances; 3. Use the proton O1 value as the O2 value in the carbon experiment; 4. Measure the carbon spectrum with low decoupling power (pulse program zgcw); 5. Increase the proton power until sufficient decoupling is achieved, while monitoring the lock signal (it will drop when the sample heats up) and the FID (which will show spikes if the probe starts arcing). 2019年1月2日

71 去偶(Decoupling) 0.6 去偶与脉冲强度的关系 5 0.4 1.5 0.2 1.0 0.1 0.8 2019年1月2日

72 组合脉冲去偶(Composite Pulse Decoupling)
在中心频率的去偶实验很易实现，但偏置共振中，去偶效率随偏置频率的增加很快降低。虽可增加脉冲强度，但探头对大功率的承受程度又阻止无限增加脉冲强度。 好的解决方法就是将去偶的强度均匀开以增加去偶的宽度。 一系列的组合脉冲适用于此一目的。 Waltz, Garp, Dipsi, Mlev etc。称为组合脉冲去偶序列或CPD。使用这些脉冲序列要设置两个基本点参数90度脉冲长度及强度。 2019年1月2日

73 13C{1H} NMR (1H decoupling)
碳谱 13C{1H} NMR (1H decoupling) 1 2 6 4 5 3 ethylbenzene 1 4 5 2 3 6 5 4 2 1 6 3  2019年1月2日

74 DEPT：区分13C的级数 CH3 CH CH2 45 90  135  CH + CH2  - CH3 CH 2019年1月2日

75 DEPT区分碳的级数 6 5 4 3 2 1 s ethylbenzene 1 4 5 2 3 6 2019年1月2日

76 COSY (获得3J偶合关系) 1 6 3 4 5 3 5 2 5 1 4 6 4 n-butyl acetate 3 2019年1月2日

77 TOCSY (获得所有J-偶合关系) 1 6 3 4 5 3 5 2 1 4 6 n-butyl acetate 3 2019年1月2日

78 NOESY (获得分子空间距离关系 <5Å)
12 11 1 7 8 9 11 4 9 10 2 5 1 3 6 8 12 7 -ionone 9 8 2019年1月2日

79 NOESY (获得分子空间距离关系 <5Å)
C(11)上的H --- C(9)上的H  2.5Å C(11)上的H --- C(8)上的H  3.8Å C(11)上的H --- C(7)上的H  4.7Å 2019年1月2日

80 n-butyl acetate HMQC (获得1JH-X之关系) 1 6 4 5 3 6 5 1 4 3 3 5 2 1 4 6 2
2019年1月2日

81 HMQC 5 6 9 9 2 3 7 8 9 1 2 6 7 3 9 4 8 8 5 5 7 6 2 uridine 3 2019年1月2日

82 HSQC (获得1JH-X之关系) n-butyl acetate 1 6 4 5 3 6 5 1 4 3 3 5 2 1 4 6 2
2019年1月2日

83 HMBC (获得nJH-X, n  2之关系) n-butyl acetate 1 6 4 5 3 6 5 1 4 3 3 5 2 1 4
2019年1月2日