NMR核磁共振技术及其操作系统应用

核磁共振NMR基本理论NMR实验应用研究高分子结构有机化合物结构生物大分子仪器结构FID信号及数据数学处理图谱解析液体NMR固体NMR磁共振成像MRI生物组织形态液体NMR实验操作培训（一）NMR的基本概念：宏观磁化矢量的产生及其在脉冲作用下的运动核磁共振仪器的介绍：磁体、谱仪、探头和频率通道Xwinnmr程序介绍：nmr数据目录和文件结构及程序的界面采样参数的介绍和设置：eda、ased、edasp1H谱的测试：RG的确定,D1、AQ的选择13C谱的测定：频率通道、脉冲序列和NMR实验NMR数据处理：窗函数及FT变化，相位和基线的校正，化学位移定标原子核的磁性原子核（带电荷的粒子）的自旋会产生一个矢量一磁矩质子数和中子数都为偶数的原子核，12C、16O1H、13C、15N、31P、19F2H、11B、14N、17O、33S、35Cl静磁场B0下原子核的磁性质ω=γB0没有静磁场有静磁场B0存在时原子核的核磁共振频率-Larmor频率核磁矩沿外磁场方向进动的频率称为Larmor频率w或共振频率.此频率的大小取决于原子核的种类及外磁场的大小.0~Bwnucleussymbolabundance(%)frequency(MHz)at2.35Tproton(hydrogen)1H99.98100deuterium2H0.01515.35phosphorous31P10040.48carbon13C1.125.14nitrogen15N0.3710.13nitrogen14N99.637.22fluorine19F10094.08oxygen17O0.0413.56aluminum27Al10026.06是磁旋比.它是原子核本身的属性并只能通过实验获取.在案BRUKER仪器上,原子核的频率是通过参数BFn(MHz)设置.如BF1代表第一通道.更精细的频率调节可用参数On来完成.On叫频率偏差频率或偏置频,所以总频率为SFOn:SFO1=BF1+O1•spinstendtoalignparalleloranti-paralleltoB0•netmagnetization(M)alongB0•spinsprecesswithrandomphase•nonetmagnetizationintransverseplane•only0.0003%ofprotons/TalignwithfieldMM=0transverseplane样品体系的宏观磁化矢量的产生无外加磁场有外加静磁场在磁场中,原来简并的能级分裂成不同的能级状态.如果用适当频率的电磁辐射照射就可观察到核自旋能级的跃迁.原子核能级的变化不仅取决于外部磁场强度的大小及不同种类的原子核,而且取决于原子核外部电子环境.这样我们就可获得原子核外电子环境的信息.宏观上讲,当用适当频率的电磁辐射(RF)照射样品,宏观磁化强度矢量从Z-轴转到X或Y轴上.通过接受器,傅立叶转换就得到核磁共振谱图.磁化矢量、射频脉冲和FID信号B0MB0MRF脉冲接收器ReceiverFTS(t)S(w)FID信号旋转坐标系及FID信号Mx=M0sinβcos(ω0t)My=M0sinβsin(ω0t).脉冲作用前脉冲作用时脉冲作用后M0脉冲作用后在XY平面上的投影旋转坐标系意义（1）：差频检测ω=ωs-ωr当ωs＝ωr时，信号将是怎样？FID信号的差频检测混合检测的信号(10-800MHz)参照频率(10-800MHz)自由衰减信号(FID)(audio:0-100kHz)接受器(RX22)数字化器(HADC)计算机储存当磁化矢量被转到XY平面后,它仍以Larmor频率绕Z-轴旋转.因此,核磁信号也是以相当的频率变化。.然而如此高频的信号（数百兆赫），即使使用高分辨的ADC也是不可能被数字化的。实际应用上,就将检测到的信号与一参照频率相混合而得到其差频，此差频落在100KHz的范围内（声频）并很容易被数字化。通常参照频率即为旋转坐标系的旋转频率FID信号检测Nyquist采用理论：数学上为能正确确定一经过坐标原点的周期涵数的频率,在某一周期内必须有两个已知点.所以对FID信号数字化采样时,也必须在某一周期内采集到至少两个点(NyquistTheorem).如果不这样就会产生峰折返.不产生峰折返所能达到的最大频率叫NyquistFrequency.实际采样中，检测参照频率＝旋转坐标系频率＝发射中心频率，因此采样频率至少应大于离发射中心最远的峰的相对频率的两倍FID信号的正交检测VtVtxFT0-ww由于NMR检测器不能区分检测出顺时针（快）或反时针（慢）方向的核磁信号,傅立叶转换后,将给出+w和–w两个峰.（与旋转坐标系的旋转频率相比）FID信号的正交检测ChannelBChannelAChannelA+B如果用两个相位差90°的检测器同时检测，就能区分快、慢信号FID信号的正交检测NMRSignalReference(SFO1)90o0oADCABRealImaginary数学处理实际应用中,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900相位差的两个通道中.FID信号的正交检测NMR谱仪FMAudio反馈600谱仪磁体探头计算机与操作者NMR谱仪600MHz磁体探头机柜RF产生RF放大信号检测数据采集控制数据信息交流运行控制磁体控制前置放大器计算机数据储存;数据处理;总体控制.NMR谱仪:机柜AQX(Digital)CCUTCUFCURCUVTunitBSMSshimlockCCUAQRASURouterACBADCRX22AmplifierAmplifierPTS核磁共振静磁场－超导磁体核磁共振：探头与前置放大器NMR：前置放大器(preamplifier)前置放大器有两种用途:1.放大检测的NMR信号(从微伏到毫伏)2.分离高能RF脉冲与低能NMR信号.前置放大器含有一接收发射开关(T/R).其作用就是阻止高压RF脉冲进入敏感的低压的信号接收器.从功放来的RF脉冲去接收器的信号NMR谱仪:探头RF接口RF线圈+调谐元件(电容器)HelmholtzSolenoid核磁共振：探头、量规和样品管液体NMR实验操作培训(二)样品的制备标准参数与脉冲序列脉冲的定义和描述（形状、脉宽、功率、频率、相位）90°脉冲的种类和测试13C－DEPT135°、DEPT90°谱的测定其它核（17O）的测试射频脉冲的产生及脉宽的测定频率合成器Sythesizer频率控制单元FCU时间控制单元TCU频辐设置单元ASU功放Amplifier(BLAH,BLAX)到探头电脑指令射频脉冲的产生及脉宽的测定脉冲翻转角（pulseflipangle）β的大小不仅与脉冲的作用时间tp有关，还与射频场强B1有关。分别改变二者都可以改变β角的大小。＝γB1tp用频率表示射频场强度：(假设180°脉冲为15.5us)NMR：90º脉冲的测定采样通道（直接）其它通道（间接）NMR：常用的90º脉冲采样通道：1H9.7us/-4dB(硬脉冲)35us/7.15dB(TOCSY实验)110us/17.9dB(ROESY实验)13C7.1us/-2dB(硬脉冲)其它通道：1H9.8us/-4dB(硬脉冲)80us/14dB(CPD宽带去偶)13C7.0us/-2dB(硬脉冲)70us/18dB(CPD宽带去偶)上述数值是在华师大的宽带正相（BBO）探头上测得的NMR：90º脉冲的功率（射频场强）90º脉冲的数值（脉宽）总是在一定的脉冲功率或脉冲强度下测定的，即脉宽和脉冲功率是一一对应的。仪器上脉冲功率是用功率的衰减dB数表示的，实际输出功率与最大输出功率相比，Attenuation(dB)=-20log(V/Vmax)，（衰减6dB，功率减小一半，脉宽增加一倍），为了在不同仪器之间进行比较的方便，通常将脉冲功率转换成脉冲射频场强度，以Hz表示：β＝γB1tp当共振时，磁化矢量在脉冲射频场下围绕B1旋转β角90º脉冲与射频场强度直接关联（一一对应）脉冲射频场功率的运用受到探头的限制NMR：90º脉冲的功率（射频场强）脉冲的功率太强或在强功率下作用时间太长将损坏探头：NMR：探头的调谐和阻抗匹配调谐tune：调节探头电路使得该电路对某一频率最灵敏谐振阻抗匹配matching：调节探头电路使得探头线圈电路的阻抗与发射脉冲功率的阻抗（50欧姆）相同以接受全部功率保证用标准样品测得的90º脉冲数值具有通用性NMR：探头的调谐和阻抗匹配NMR：脉冲的相位上述两个脉冲都是在X轴方向作用，180º脉冲在－X方向怎样？在－Y轴方向？脉冲在不同的方向（相位）上发射，对磁化矢量的作用不同NMR：锁场与匀场NMR的高分辨率要求静磁场有很高的稳定性：500兆仪器：假设谱峰的峰宽：如果有10%的误差（即0.1Hz)，多大的静磁场变化能引起这种变化？NMR：锁场与匀场锁场是解决磁场强度随时间变化的问题静磁场的强度会由于硬件的老化和周围环境的变化而变化，仪器上通过不间断地测量一参照信号(氘代溶剂的共振信号)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.2DLockTXLockRXLockfreq.Z0-coilNMR：锁场与匀场由超导线圈产生的静磁场在样品圆柱体体积内的分布是不均匀的，整个样品体积内的磁化率不同也会造成磁场的不均匀。仪器上通过在样品周围安装多个不同位置的线圈，通过改变线圈中电流的大小与方向，用这些线圈产生的附加磁场的大小来补偿超导线圈磁场的不均匀。orderon-axisoff-axis1ZX,Y2Z2XZ,YZ,X2-Y2,XY3Z3XZ2,YZ2,(X2-Y2)Z,X3,Y3,XYZ4Z4XZ3,YZ3,(X2-Y2)Z25Z56Z6shimsZZ2Z3Z4Z5z-height-0.50-0.250.000.250.50shimfield匀场是解决静磁场随空间位置变化的问题±Z+Z2-Z2+Z4-Z4±Z3±Z5NMR：锁场与匀场x,y,zz,z2x,y,xy,xz,yz,x2y2z,z2,z3x,y,xy,xz,yz,x2y2,xz2,yz2,x2y2z,xyzz,z2,z3,z4x,y,xy,xz,yz,x2y2,xz2,yz2,x2y2z,xyz,x3y3,x2y2z2z,z2,z3,z4,z5,z6SpinningNon-spinningNMR：锁场与匀场-100-80-60-40-20100806040200Hz0.11%0.55%-15-10-5151050Hz50%-100-80-60-40-20120100806040200Hz0.11%0.55%旋转边带样品旋转只是将X、Y方向上的不均匀平均而已，并非真正消除，因此会有旋转边带产生，旋转边带与主峰的频率差与样品旋转的速率（Hz）相同。旋转边带峰越高说明X、Y方向上越不均匀。磁场均匀的指标：线型样品不旋转样品旋转NMR：测试温度的控制与校正温度范围受到探头的限制温度范围受到溶剂冰、沸点的限制样品实际温度和仪表显示温度之间需要校正NMR实验的基本步骤样品制备：在量规中确定高度仪器检察：空压机、仪器、磁体内是否有样品？按eject或lift钮，用空气将样品管送人磁体用edte命令设置实验温度用lock命令，根据氘代溶剂进行锁场Z、X、Y方向上匀场edasp命令设置仪器射频通道参数用eda命令设置与样品有关的参数用ased命令设置与脉冲序列有关的参数对探头进行tuning和matching的调节打zg命令开始采样：注意接收机增益RG的设置是否合适？NMR实验的采样参数与样品有关的主要采样参数采样谱宽：SW发射中心频率：O1、O1P累加次数NS空采次数：DS采样数据点：TD接收增益：RG与脉冲序列有关的参数脉冲的作用时间：P0-P31脉冲的功率：PL0-PL31脉冲间的时间间隔：D0-D31CNST0-CNST31其它形状的脉冲：SP0