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1、核磁共振原理及其在 生物学中的应用 第六章 多重共振 6.1 6.4 核磁共振基本原理 7讲 吴季辉 在早期的连续波（CW)谱仪上多重 共振指除了观测用的射频场，另外 再加上其他照射场，若另加一个射 频场，称为双共振实验 现代的脉冲Fourier变换谱仪上多重 共振是指核磁实验中施加针对不同 核的射频脉冲，在采集信号时也可 加上其他照射场 核磁共振基本原理 7讲 吴季辉 双共振实验 按照被照射的核和被观察的核是相同的还 是不同的，可分为同核去耦和异核去耦 。 习惯上以 AX的方式表示，其中X放在括 号内表示被照射的核，A表示被观察的核 。 因此13C1H 就是指把射频场 H2 加在质子 上，观
2、察13C。 按照照射场的磁场强度 H2 不同，又可分为 以下几种类型 H2 /2 2J ： 自旋去耦 H2 /2 J : 选择自旋去 耦 H2 /2 1/2 J : 自旋轻扰 2H22T1T2 1 : 核欧沃豪 斯效应 (NOE) 双共振实验用于使波谱简化和确定能 级的排列 核磁共振基本原理 7讲 吴季辉 同核去耦 图(a)是正常氢谱， 它是很复杂的，因 为它属于ABCX3体 系。图(b)是把去耦 场频率设置在CHO 峰上，此时谱就变 成ABX3体系。图(c) 是把去耦场频率设 置在CH3峰上，这时 谱就简化为ABC体 系。图(d)是用两个 去耦场，分别对准 CHO与CH3共振照射 ，这时谱就
3、极简单 。 核磁共振基本原理 7讲 吴季辉 去耦原理 有两种解释方法： 若照射场H2以频率 X 照射X核，则引起X自旋在 ， 两个自旋态之间来回跃迁(, )。若H2 的功率足够大，这种来回跃迁的频率与耦合常数相 比足够的高，对A核而言，B核的这两种取向就不再 能够区分，A核的这两种相应的分裂就消失了，而 变成单峰 用矢量模型分析，考虑两个核磁矩在旋转坐标系中 感受到的有效磁场，当两者垂直时没有耦合 核磁共振基本原理 7讲 吴季辉 核磁共振基本原理 7讲 吴季辉 其中 H0(J) 是与X之间自旋自旋耦合 产生的磁场，2H0(J) 相当于波谱中X多 重峰中最外侧两个峰之间的距离，k表示z 方向 如
4、自旋A的角动量矢量和自旋X的角动量 矢量彼此近乎垂直，自旋自旋相互作用 为零 核磁共振基本原理 7讲 吴季辉 异核去耦 因为 13C的天然丰度是0.01, 所以一般来说不能观 察到13C-13C之间的耦合 13C-1H的耦合是可以观察到的，主要是大的1J CH， 再加上许多较小的远程13C-1H耦合 这使得一个典型的有机化合物的 13C 谱变得异常 复杂，大量多重峰互相重叠，谱线难以确定归属 13C-1H之间的耦合不仅使波谱复杂化，而且也使 总的灵敏度降低 为研究13C谱，通常需要进行质子噪声去耦，偏共 振去耦和选择性的质子去耦 核磁共振基本原理 7讲 吴季辉 质子噪声去耦 将去耦器的频率设在
5、质子区的中心，用一个带 宽足以复盖全部质子区的噪声发生器来进行调 制，这就等于同时照射所有的质子共振频率， 从而使分子中所有的质子都去耦，有效地使波 谱得到简化 质子噪声去耦除了使自旋裂分消失而提高信噪 比外，还由于去耦产生欧沃豪斯效应，提高信 噪比，在极窄的条件下， 照射质子观察13C, NOE= 2.988，信噪比提高近 三倍 核磁共振基本原理 7讲 吴季辉 质子噪声去耦 偏共振去耦 虽然质子噪声去耦大大简化了13C谱, 但是它也去掉了有 用的耦合信息，给谱的鉴定带来困难，解决这个问题的一 个办法是用偏共振去耦 如果将质子去耦的频率定在质子区外1000-2000Hz，将噪 声调制关闭，则可
6、得到一个部分去耦的波谱，在这样的条 件下，13C-1H的耦合除一键耦合1JCH存在外，其余远程耦 合都除去，而且一键耦合减小到30-50Hz。在此情况下- CH3 碳表现出四重峰，-CH2 碳表现为三重峰，-CH 碳表 现为两重峰，而-C(季碳) 表现为单峰，这对测定谱线归属 特别有用。在质子噪声去耦波谱中所得到的欧沃豪斯效应 的大部分在偏共振去耦中仍然保留。 核磁共振基本原理 7讲 吴季辉 核磁共振基本原理 7讲 吴季辉 选择性质子去耦 选择性质子去耦主要是用单一频率选择性地照射单个质子 ，在13C谱上除去与这个质子的全部耦合，主要用于波谱鉴 定 (a)以C3-H 质子频率照 射; (b)以
7、C4- H质子频率 照射 核磁共振基本原理 7讲 吴季辉 门去耦和反门去耦 核欧沃豪斯效应的建立，需要一 个大体相当于自旋晶格弛豫时 间T1数量级的时间间隔，其消失 也要时间 去耦则是即时的 核磁共振基本原理 7讲 吴季辉 采集的信号是有耦合的波谱(因为这时去耦 器已关闭）但保留有欧沃豪斯效应 核磁共振基本原理 7讲 吴季辉 H1观察射频场， H2去耦射频场 门去耦技术的主要用途 在质子谱中测同核欧沃豪斯增强，此时饱和照射 是1H选择性照射 常规质子谱是有耦合,没有NOE, 门去耦质子谱是有耦合，有NOE， 差谱得到质子NOE 核磁共振基本原理 7讲 吴季辉 门去耦技术的主要用途 在13C谱中
8、得到既有耦合作用又有NOE增强的波谱 核磁共振基本原理 7讲 吴季辉 门去耦技术的主要用途 用来消除波谱中不需要的峰，如用来抑制溶剂峰 核磁共振基本原理 7讲 吴季辉 核磁共振基本原理 7讲 吴季辉 核磁共振基本原理 7讲 吴季辉 采集的信号是去耦的波谱(因为这时去耦器打开 ）没有欧沃豪斯效应，因为NOE效应需要时间建 立 反门去耦主要用于测量异核欧沃豪斯增强 核磁共振基本原理 7讲 吴季辉 反门去耦 质子噪声去耦，去耦的波谱，有欧沃豪斯效应 反门去耦，去耦的波谱，无欧沃豪斯效应 差谱。异核NOE 去耦方式的小结 照射方式 脉冲前照射 采样时照射 NOE效应 耦合裂分 无照射无无无 有 质子噪
9、声去耦有有有 无 门去耦有无有 有 反门去耦无有无 无 照射核与观察核宽带去耦选择去耦 不同，如13C1H 可以 可以 相同，如1H1H 不可以 可以 （脉冲同核去耦） 核磁共振基本原理 7讲 吴季辉 组合脉冲去耦 理想的宽带去耦要求： 对于给定的rf功率，具有较宽的有效的去 耦宽带； 或者反过来对于一定的去耦宽带所需的功率 较低 剩余分裂(剩余J耦合分裂)相对于观测核的 线宽较小 对脉冲长度的小误差，射频通道相位小误 差以及去耦场的非均匀性不敏感 核磁共振基本原理 7讲 吴季辉 组合脉冲 组合脉冲：几个脉冲组合起来完成一个脉冲 的作用，但具有更好的特性如在较宽的频率 范围内起作用，对脉冲宽度
10、的变化不太敏感 ，对频偏效应有一定的纠正，等等 组合90度脉冲：90 (x) 90 (y)能补偿射频场不均一 组合180度脉冲：R190(x)240(y)90(x) R290(x)180(y)90(x) R390(x)180(-x)270(x) 都可使磁化矢量在较宽的频率范围翻转180 核磁共振基本原理 7讲 吴季辉 MLEV组合脉冲 通常MLEV-16用于二维同核TOCSY序列 核磁共振基本原理 7讲 吴季辉 沿R相反方向 组合180脉冲 WALTZ-16组合脉冲 其中 数字表示90脉冲的倍数, 4表示4x90（x) WALTZ-16不仅比MLEV-64具有较宽的去耦带 宽，而且能克服去耦射频场不均匀性的影响 通常WALTZ-16用于质子去耦 核磁共振基本原理 7讲 吴季辉 GARP组合脉冲 R中的数字表示脉冲的旋转角，单位为度，其上面 有横线的表示相移180 在这三种去耦序列MLEV-16，WALTZ-16和GARP 中， GARP具有最宽的去耦带宽。 一般用于对15N 和13C核的去耦 核磁共振基本原理 7讲 吴季辉 核磁共振基本原理 7讲 吴季辉
