当前位置：文档之家 › 核磁共振-1

核磁共振-1

  • 格式：ppt
  • 大小：804.50 KB
  • 文档页数：26

下载文档原格式

  / 26

合集下载

核磁共振基本原理1_生物物理

核磁共振基本原理1_生物物理
核磁共振基本原理 1讲 吴季辉
核磁共振原理及其在 生物学中的应用
第一章 核磁共振基本原理 §1.1 ⎯ §1.3
核磁共振基本原理 1讲 吴季辉
第一讲
1. 原子核的磁矩 2. 核磁共振现象 3. 弛豫现象
• 自旋 • 角动量 • 核磁矩
核磁共振基本原理 1讲 吴季辉
核自旋
基本粒子的内禀属性
核磁共振基本原理 2讲 吴季辉
S( t ) = M y' e − t / T2 cos( Δωt )
核磁共振基本原理 2讲 吴季辉
硬脉冲
为了使得在谱宽sw (spectrum width) 的范围内所有的核都旋 B0 转同样角度ϑ，射频脉冲必须足 够的强: ω1 = γB1 >> 2π⋅sw 进而脉冲宽度必须短于弛豫时 间 tp<<T1、T2 以保证在脉 Bv 冲期间弛豫作用可以忽略
1H 2D 13C 15N 19F 23Na 31P
1/2 1 1/2 1/2 1/2 3/2 1/2
100 15.351 25.144 10.133 94.077 26.451 40.481
核磁共振基本原理 1讲 吴季辉
第一讲
1. 原子核的磁矩 2. 核磁共振现象 3. 弛豫现象
核磁共振基本原理 1讲 吴季辉
核磁共振基本原理 1讲 吴季辉
弛豫过程的定量描述
dA A − A0 =− dt T
A是弛豫中的物理量，A0是平衡值，T称为 弛豫时间，其倒数称为弛豫速率
核磁共振基本原理 1讲 吴季辉
核磁共振中的弛豫过程
• 自旋－晶格相互作用 : 自旋－ 晶格弛豫过程 • 自旋－自旋相互作用 : 自旋－ 自旋弛豫过程
核磁共振基本原理 1讲 吴季辉

1-NMR 13CMR解析

1-NMR 13CMR解析

第三章 核磁共振
第一节 NMR基本理论
主要内容：
● 原子核自旋与核磁距
● 原子核共振 ● 化学位移
● 影响化学位移的因素
一、原子核自旋与核磁距
1.原子核自旋
核的自旋与核磁矩
核磁距（magnetic moment, u）
μ（核磁距）= （磁旋比）· P（自旋角动量）
r — 磁旋比 — 原子核固有物理常数
二、原子核的共振
1. 原子核自旋似陀螺进动
Larmer方程： r ν 进动 = ——（ 1－ σ）H0 2π
式中，H0 — 外加磁场
r — 磁旋比
σ— 屏蔽常数
示指核电子抗H0作用
2. 原子核自旋能级跃迁
◆ 跃迁条件2： ν照射 = ν进动
△EN = 2 u（ 1－ σ ）H0 ① 扫频法 △E = hν照射
CH3 — C — C — ↑ ↑ α β
2. 烯氢的δH 值计算
δ= 5.28 + Z同碳 + Z顺 + Z反
结构类型 环外双键 环内双键 末端双键 开链双键 末端连烯 一般连烯 a,b-不饱和 酮 化学位移范围 4.4～4.9 5.3～5.9 4.5～5.2 5.3～5.8 4.4 4.8 a-H 5.3～5.6 b-H 6.5～7.0
◆ 磁等价、化学等价和 磁不等价关系
① 磁等价必定化学等价 ② 化学等价并不一定磁等价 ③ 化学不等价必定是磁不等价 HA和HA `化学等价 HA和HA `磁不等价
JHAHB ≠ JHAHB`
3. 自旋分裂规律
◆ 自旋分裂峰数：“2nI+1” 律
式中，I —— 自旋量子数 n —— 干扰氢核数目
◆ 磁不等同氢核

[核磁共振讲义]第一章—核磁共振基础知识

[核磁共振讲义]第一章—核磁共振基础知识

第一章核磁共振基础知识核磁共振（NMR）是指核磁矩不为零的核，在外磁场的作用下，核自旋能级发生塞曼分裂，共振吸收某一定频率的射频辐射的物理过程。

核磁共振是波谱学的一个分支，研究核磁共振现象与原子所处环境如分子结构，构象，分子运动的关系及其应用。

生物化学，分子生物学的发展对生物大分子空间结构的测定提出越来越高的要求，而逐渐形成一门新兴的交叉学科即结构生物学。

结构生物学已成为生命科学研究的前沿领域和热点。

核磁共振波谱学是结构生物学的一种重要的研究手段，核磁共振波谱学各种最新技术的出现和发展往往与结构生物学密切相关。

如3D，4DNMR。

简史：1924 Pauli从光谱的超精细结构推测某些原子核有核磁距，能级裂分，共振吸收1936 Gorter试图观察LiF中7Li的吸收，未能成功，因样品弛豫时间太长1945－1946 F.Bloch(Stanford), H2O 感应法E.M.Purcell(Harvard), 石蜡吸收法1946－1948 奠定了理论基础1952年共得诺贝尔物理奖1951 Arnold et al 乙醇1H化学位移精细结构1957 Saunders et al 核糖核酸酶40 MHz的1H谱(1965 Cooley, Tukey FTT)1966 R.R. Ernst 脉冲NMR理论1971 Jeener 2DNMR原理1984 K. Wuethrich用NMR解蛋白质溶液结构1945-1951 奠定理论和实验基础1951-1965 CW－NMR发展，双共振技术1965-1970～PFT－NMR发展1970～--- 2D－NMR，MQT－NMR，SOLID－NMR，自旋成象技术核磁共振可以用于研究有机分子的化学结构，代谢途径，酶反应的立体化学信息，生物大分子的溶液构象，分子间相互作用的细节，化学反应速率，平衡常数，还可用来研究分子动力学，包括分子内的基团运动，以及生物膜的流动性。

细胞和活组织中化学成分的分布及交换过程，等等。

核磁共振第一节

核磁共振第一节
12C6 ,16O8 ,32S16
偶数
奇数
1，2，3…… I 1,2H1,14N7 ,I 3,10B5
4
讨论:
(1) I=0 的原子核 16 O； 12 C； 32 S等 ，无自 旋，没有磁矩，不产生共振吸收
(2) I=1 或 I >1的原子核 I=1 ：2H，14N I=3/2： 11B，35Cl，79Br，81Br I=5/2：17O，127I
1H 2.79270
13C 0.70216 自旋量子数（I）不为零 的核都具有磁矩
6
(三)、原子核的自旋取向和能量
无外加磁场，原子核的自旋取向是任意的； 有外加磁场，原子核就会相对于外加磁场发生自旋取向。 按照量子力学理论，原子核的自旋取向数＝2I＋1 例如：1H核的I＝1/2，在外加磁场中，其自旋取向数＝2 第一种取向：磁距与外加磁场H0方向一致； 第二种取向：磁距与外加磁场H0方向相反。
7
例如：1H ：I=1/2
m = +1/2 与H0方向一致，能级较低； m = -1/2 与H0方向相反，能级较高。
据电磁理论，核在磁场中具有 的能量E： E1=－ μH H0 (m = +1/2) E2= + μH H0 (m = -1/2) Δ E= E2 － E1 = 2μH H0
μH自旋核的磁矩
两种取向不完全与外磁场平行，＝54°24’ 和 125 °36’
原子核在磁场中的每一种取向，都代表了原子核某一特定能级，并可用一 个磁量子数m表示，m的取值为I、I-1、I-2、…… -I，共2I＋1个。 也就是说，无外加磁场存在时，原子核只有一个简单的能级，但在外加磁 场作用下，原来简单的能级就要分裂为2I＋1个能级。
第三章 核磁共振光谱法

二维核磁共振-1

二维核磁共振-1
这两组对角峰和交叉峰可以组成一个正方形，并 且由此来推测这两组核A(δA, δA)和X（δX,δX）有 偶合关系。
X
MA
δH A
M F1
X
AM
X
CH2Br-CHBr-COOH
F2
δH
图为2，3-二溴丙酸的AMX体系1H-1H COSY谱。
F1和F2皆为化学位移。两组对角峰为对角线与两组交叉峰 组成正方形，说明这两组质子有偶合。2，3-二溴丙酸的碳上3 个质子为AMX系统。
液体二维核磁共振方法 (two-dimensional NMR)
二维核磁共振的基本原理
二维核磁共振(2D NMR)方法是七十年代提出并发展起来的。
NMR一维谱的信号是一个频率的函数，共振峰分布在一个 频率轴（或磁场）上，可记为S(ω)。
而二维谱信号是二个独立频率（或磁场）变量的函数，记 为S(ω1,ω2),共振信号分布在两个频率轴组成的平面上。也就 是说2D NMR将化学位移、偶合常数等NMR参数在二维平面上 展开，于是在一般一维谱中重迭在一个坐标轴上的信号，被分 散到由二个独立的频率轴构成的平面上，使得图谱解析和寻找 核之间的相互作用更为容易。
• HMBC可高灵敏度地检测13C-1H远程偶合（ 2JCH，3JCH ），因 此可得到有关季碳的结构信息及其被杂原子切断地1H偶合系统 之间的结构信息。
ΝΟΕ类核磁共振谱
NOE（ Nuclear Overhauser Effect ）是一种双照射技术，其原 理是：用照射强度小于被照射谱线半高宽度的射频照射某个 核时，在空间上与之接近的核的信号强度会有所变化。
1H 13C
纵轴为碳谱，横轴为氢谱
异核多键相关谱
HMBC [(1H-detected) heteronuclear multiplebond correlation，（检出1H的）异核多键相关] 把1H核和远程偶合的13C核关联起来，它的作用 相当于长程多键H,C-COSY

第三章：1H-NMR-1

第三章：1H-NMR-1
? 利用核磁共振波谱进行结构测定、定性及定量分析 的方法称为核磁共振波谱法（NMR spectroscopy）
参考书目
《有机化学中的光谱方法》 王剑波 等译 北京大学出版社
《高分辨氢谱的解析和应用》 梁晓天 科学出版社 (1976)
《有机波谱及性能分析法》 朱为宏等编
《有机化学结构鉴定与有机波谱学》 宁永成编著，科学出版社（ 2001）
1 原子核的自旋与磁性
对于I≠0的原子核，由于带
正电荷其自旋将产生一个循 环电流，该循环电流产生磁 场，其磁性用磁矩? 表示。 核磁矩? 和核自旋角动量P都 是矢量，二者方向相互平行， 二者大小关系如下
? = ?P
（3-2）
?—磁旋比，不同的核具有不同的磁旋比，对某元素是定值。 是磁性 核的一个特征常数
第二节 氫核磁共振
有机化合物中的同一类磁性核（如1H核）不问其 所处化学环境如何，只要电磁辐射的照射频率相同， 共振吸收峰将出现在同一强度的磁场中
以氢核为例，
a. 理想化的、裸露的氢核（如H+）；
满足共振条件：
v? ? 2?
H0
单一的吸收峰；
实际上，氢核受周围不断运动着的电子影响。在外磁 场作用下，运动着的电子产生相对于外磁场方向的感 应磁场，起到屏蔽作用，使氢核实际受到的外磁场作 用减小：
第三章
核磁共振
核磁共振(nuclear magnetic resonance)；NMR
磁性原子核 *置于外加磁场 *后，在无线电波* 照射下，原子核吸收能量，自旋方向发生改变 （引起原子核自旋能级的跃迁）。
? 以核磁共振信号强度对照射频率或磁场强度作图， 所得图谱称为核磁共振波谱（NMR spectrum）
1 原子核的自旋与磁性

膝关节磁共振-V1

膝关节磁共振-V1在现代医学中，膝关节疾病是非常常见的一种疾病，影响到大量的人类健康。

因此，对于膝关节疾病的诊治显得十分重要。

在这方面，膝关节磁共振是目前比较成熟的一种检查方法。

本文将简单介绍“膝关节磁共振”的相关知识。

一、什么是膝关节磁共振？膝关节磁共振是一种通过利用自然界核磁共振现象，使用高强度磁场和射频脉冲来产生信号，进而描绘膝关节结构的医学技术。

它的优点在于不依赖于X射线或其他放射线，并且在短时间内可以获得高质量和多面性的图像。

二、膝关节磁共振的检查方法膝关节磁共振的检查通常会让病人躺在具有磁场的扫描平台上，平台内部还有一些探头。

之后，整个膝盖部位会被放入磁场中扫描，以此产生出诸多图像，医生可以根据图像来看出膝关节问题所在。

三、膝关节磁共振的优点与传统的X射线或CT等检查相比，膝关节磁共振的无辐射和三维立体化成像，使得医生可以在多角度下观察膝部图像，得到更全面的信息。

此外，膝关节磁共振还可以显示出韧带、滑膜等软组织，有助于对膝关节疾病的诊断和治疗。

四、膝关节磁共振的适用人群膝关节磁共振适用于几乎所有膝部疾病的患者，包括膝盖关节骨关节炎、韧带损伤、半月板损伤等。

此外，对于关节疼痛或肿胀的患者，膝关节磁共振也是进行诊断的常用方法。

五、膝关节磁共振的注意事项虽然膝关节磁共振已经被广泛应用于诊疗领域，但在进行检查前，仍有一些需要注意的事项。

例如，不能携带身体内含有金属物体，不能怀孕，不能有人工心脏起搏器，不能有严重的过敏反应等等。

六、结语膝关节磁共振是一种重要的膝关节诊断工具，对于疾病的早期诊治有着积极的推动作用。

如果你遇到了膝关节问题，建议尽早前往医院进行检查，并根据医生的推荐进行相应的治疗，以此提高治愈率和生活质量。

磁共振片符号解释

磁共振成像（MRI）是一种基于核磁共振现象的医学成像技术。

在解读磁共振片时，我们经常会遇到一些特定的符号和缩写，它们的含义对于正确理解和分析图像至关重要。

首先，我们需要了解磁共振图像中的一些基本方位标识。

上下方向通常被标记为Superior （上）和Inferior（下），左右方向为Left（左）和Right（右），前后方向则为Anterior （前）和Posterior（后）。

这些方位标识加上特定的旋转角度，可以帮助我们较为精确地定位图像中的具体位置。

通过以上条件的论述，当我们深入到具体的图像解读阶段，会接触到一些与组织特性相关的参数和概念。

例如，T1和T2是两种描述组织特性的参数，分别代表了不同的弛豫过程。

T1加权图像强调了组织的内在结构，而T2加权图像则突出了液体的存在。

另外，FLAIR序列是一种特殊类型的成像技术，主要用于检测脑部的异常信号。

1核磁共振波谱法


影响化学位移的各种因素
化学位移是由于核外电子云密度不同而造成的，因此许多影
响核外电子云密度分布的内外部因素都会影响到化学位移。
内部因素 外部因素
影响化学位移的各种因素
内部因素
诱导效应 共轭效应 磁各向异性效应
核磁共振的基本原理
中子数、质子数均为奇数，则I为整数，如： 2D、
6Li、14N等I=1；59Co，I=2；10B，I=3。
后两类原子核是核磁共振研究的对象。其中 I=1/2的原子核，其电荷均匀分布于原子核表面， 其核磁共振的谱线窄，最宜于核磁共振检测。
核磁共振的基本原理
凡I值非零的原子核即具有自旋角动量P，也就具有磁矩， 与P之间的关系为： = P (：磁旋比，是原子核的重要属性) 原子核的磁矩取决于原子核的自旋角动量P，其大小为：
方程：
= 20 = B0 0 = ( / 2 ) B0 （ 0 ：Larmor频率）
核磁共振的基本原理
质子的进动
核磁共振的基本原理
吸收
放出
进动核的取向变化
核磁共振的基本原理
共振条件
核有自旋(磁性核);
外磁场,能级裂分; 照射频率与外磁场的比值0 /B0 = / (2 )
TMS中12个氢核处于完全相同的化学环境中，它们的共振条件完全一致，因此只有
一个尖峰;
TMS中质子的屏蔽常数要比大多数其它化合物中质子的大，只在图谱中远离其它大 多数待研究峰的高磁场(低频区)有一个尖峰;
TMS是化学惰性的，易溶于大多数有机溶剂中，且易于用蒸馏法从样品中除去
(bp=27oC). 在含水介质中要改用3-三甲基硅丙烷磺酸钠[(CH3)3SiCH2CH2SO3Na]代替，此化合物 的甲基质子可以产生一个类似于TMS的峰，甲叉质子则产生一系列微小而容易鉴 别并因此可以忽略的峰；而在较高温度环境中使用六甲基二硅醚(HMDS)，=0.06;

12章 核磁共振谱-1-1


Delta Scale
Location of Signals
• More electronegative atoms deshield more and give larger shift values. • Effect decreases with distance. • Additional electronegative atoms cause increase in chemical shift. =>
Carboxylic Acid Proton, δ10+
Number of Signals
Equivalent hydrogens have the same chemical shift.
Intensity of Signals
• The area under each peak is proportional to the number of protons. • Shown by integral trace.
Range of Magnetic Coupling
• Equivalent protons do not split each other. • Protons bonded to the same carbon will split each other only if they are not equivalent. • Protons on adjacent carbons normally will couple. • Protons separated by four or more bonds will not couple. =>
Values for Coupling Constants
a H C C
  1. 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
  2. 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
  3. 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。

01:56:21
3.1.1 原子核的自旋
atomic nuclear spin
若原子核存在自旋，产生核磁矩： h P I ( I 1) 自旋角动量： 2 P 核 磁 矩： 1 H 2.79270 13 0.70216 γ为磁旋比；自旋量子数（I）不为零的核都具有磁矩，


C
质量数（a） 原子序数（Z） 自旋量子（I） 奇数 偶数 偶数
01:56:21
例子
1 1 , H 1 , 13C6 ,19 F9 ,15 N 7 2 3 11 5 I , B5 , 35 Cl17 , I ,17 O8 2 2 I
12
奇或偶 偶数 奇数
1 3 5 , , 2 2 2
(1)与外磁场平行，能量低，磁量 子数ｍ＝＋1/2;
(2)与外磁场相反，能量高，磁量 子数ｍ＝－1/2;
01:56:21
• 核的回旋和核磁共振 当一个原子核的核磁矩处于外磁场HO中， 由于核自身的旋转，而外磁场又力求它取 向于磁场方向，在这两种力的作用下，核 会在自旋的同时绕外磁场的方向进行回旋， 这种运动称为Larmor进动。
01:56:21
近二十多年发展 高强超导磁场的NMR仪器，大大提高灵敏度和分辨率； 脉冲傅立叶变换NMR谱仪，使灵敏度小的原子核能被 测定； 计算机技术的应用和多脉冲激发方法采用，产生二维 谱，对判断化合物的空间结构起重大作用。 。 瑞士科学家库尔特· 维特里希因“发明了利用核磁共振 技术测定溶液中生物大分子三维结构的方法”而获得2002 年诺贝尔化学奖。
1H 13C ，19F ，31P ， 1 6 9 15
原子核可看作核电荷均匀分布的球体，并象陀螺一样自 旋，有磁矩产生，是核磁共振研究的主要对象，C，H也是有 机化合物的主要组成元素。
01:56:21
根据量子力学理论，磁性核（I 0）在外加磁场（H0）中的 取向不是任意的，而是量子化的，共有（2I + 1）种取向。可由 磁量子数m表示。m＝I，I - 1，…(-I + 1)、-I。 1H：I = 1/2， m＝+1/2，-1/2 14N：I = 1， m＝+1，0，-1 核的自旋角动量（P）在Z轴上投影Pz也只能取不连续的数 值。 Pz = h/2· m 与Pz相应的核磁矩在Z轴上的投影z, z= Pz = · h/2· m
0 1，2，3……
C6 ,16 O8 , 32 S16
I 1, 2 H1 ,14 N 7 , I 3,10 B5
讨论:
(1) I=0 的原子核 16 O8； 12 C6； 22 S16等 ，无 自旋，没有磁矩，不产生共振吸收 (2) I=1 或 I >1的原子核 I=1 ：2H1，14N7 I=3/2： 11B5，35Cl17，79Br35，81Br35 I=5/2：17O8，127I53 这类原子核的核电荷分布可看作一个椭圆体，电荷分布 不均匀，共振吸收复杂，研究应用较少； (3)Ｉ＝1/2的原子核
• 若在与H0垂直的方向上加一个交变场H1(称射 频场)．其频率为ν1。 • 当ν1 ＝ ν0．自旋核会吸收射频的能量，由低 能态跃迁到高能态(核自旋发生倒转)． • 这种现象称为核磁共振吸收。
01:56:21
z
z m=1/2 m=1 m=0 m= -1
z m=2 m=1 m=0 m= -1 m= -2
H0
m=-1/2 I=1 I=1/2
I=2
在H0中原子核的自旋取向
01:56:21
• 磁矩与磁场相互作用能为E, E = - zH0 E(+1/2) = - zH0 = - · (+1/2)h/2· H0 E(-1/2) = - zH0 = - · (-1/2)h/2· H0 • 由量子力学的选律可知, 只有m = 1的 跃迁才是允许的跃迁。所以相邻两能级间 的能量差为： E = E(-1/2) - E(+1/2) = （· h/2）· H0
01:56:21
01:56:21
核磁共振现象
两种取向不完全与外磁场平行， 【＝54°24’ 和 125 °36’】 相互作用, 产生进动(拉莫进 动)进动频率 0； 角速度0；
0 = 2 0 = H0
磁旋比； H0外磁场强度；
两种进动取向不同的氢核之 间的能级差： E= h 0 =h H0 /2 表明Ｉ＝1/2的1H核由低能级向高 能级跃迁时所需能量与外加磁场 强度成正比 01:56:21
01:56:21
1H
NMR谱的结构信息积分高度Fra bibliotek化学位移
偶合常数
01:56:21
3.1 核磁共振基本原理
principles of nuclear magnetic resonance
• • • • • • • •
3.1.1 原子核的自旋 atomic nuclear spin 3.1.2 核磁共振现象 nuclear magnetic resonance 3.1.3 核磁共振条件 condition of nuclear magnetic resonance 3.1.4 核磁共振波谱仪 nuclear magnetic resonance spectrometer
• 上式表明， E 与外加磁场H0的强度有关， E随H0场强的增大而增大。
01:56:21
3.1.2 核磁共振现象
nuclear magnetic resonance
自旋量子数 I=1/2的原子核 （氢核），可当作电荷均匀分 布的球体，绕自旋轴转动时， 产生磁场，类似一个小磁铁。
当置于外磁场H0中时，相对 于外磁场，有（2I+1）种取向： 氢核（I=1/2），两种取向 （两个能级）：
前言
过去50年，波谱学已全然改变了化学家、生物学 家和生物医学家的日常工作，波谱技术成为探究 大自然中分子内部秘密的最可靠、最有效的手段。 NMR是其中应用最广泛研究分子性质的最通用的 技术：从分子的三维结构到分子动力学、化学平 衡、化学反应性和超分子集体、有机化学的各个 领域。 1946年波塞尔 （ E.M.Purcell哈佛大学)和 布洛赫（F.Bloch斯坦福大学）各自独立发现核 磁共振现象，他们获得1952年Nobel物理奖 1991年瑞士科学家恩斯特（R.R.Ernst)二维核磁 共振技术获诺贝尔化学奖