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1、,NMR基础,Bruker用户培训班,2,样品,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,成像,NMR,3,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) 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,1H,13C,CH3,C=CH-,C=C,CH3,4,NMR 谱仪,5,NMR 谱仪,6,NMR 谱仪,7,NMR 探头,8,NMR 谱仪: 术语和简写,AV 系统: CCU: 通讯控制单元 Communication Control Unit
2、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 C
3、onverter 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,9,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-
4、轴转向X-或Y-轴.,+,M,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.,10,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.,脉冲,11,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
5、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。,脉冲宽度和倾倒角,12,最常用的脉冲是p / 2脉冲，它使磁化矢量完全倾倒到 平面：p 脉冲也很重要，它使得自旋体系的布居数反转。原则上讲我们可以得到任意角度的脉冲。,一些常用的脉冲,13,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.
6、 -脉冲长度将决定磁化矢量停止的位置.,M,rf,x,y,z,45o,90o,180o,270o,360o,RF 脉冲,14,90o 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.,M,rf,x,y,z,Pulse length,90,180,270,360,RF 脉冲,15,信号接收,
7、M,B0,接受/发射线圈,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.,V,t,16,当宏观磁化矢量Mo受到 p / 2 脉冲的倾倒到平面后，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 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）,自由感应衰减（FID）,1
8、7,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.,18,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。,自由感应衰减（FID）,19,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 的信号。这些信号会折叠回我们
9、的谱中，相位会与其它的峰不同。这种现象叫做 aliasing.,数据采集,20,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）参考频虑。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。,正交检测,21,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。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。,正
10、交检测,22,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 太高,RG 适当,23,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-自旋弛预造成.(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
11、免使信号被截断( truncation).,自由衰减信号(Free Induction Decay),TD set proper,*,TD too small,24,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,信号平均(Signal Averag
12、ing),noise level,signal,25,FID,谱图,NS,S/N,1,4,16,256,1 (ref),2x,4x,16x,信号平均(Signal Averaging),26,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.,time,f
13、requency,FT,27,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。,数据处理窗口函数(Window Function),28,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。,灵敏度和分辨率的增强（EM）,29,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
14、 cosine：主要用于二维谱。窗口函数的选择与具体的实验相关。,其它有用的窗口函数,30,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。,数据大小和冲零(ZeroFilling),31,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
15、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。,冲零,32,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,TD=128; SI=1024,TD,TD,SI,33,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. FTphase,2. Adjust ph0 on biggest peak,3. Adjust ot
16、her peaks with ph1,相位调整(Phasing),34,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.,35,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.,1. 较大 sw,2. 调整 o1,3. 调整 sw,o1p,new o1p,sw,sw,new sw,频域谱宽度(SW)和中心频率（O1P）,36,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,
