核磁共振基本原理 7-1讲

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


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 A{X} 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 13C{1H} 就是指把射频场 H2 加在质子上，观察 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


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，这时谱就极简单。


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


吴季辉


吴季辉

其中 H0(J) 是Ａ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


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1JCH ，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


吴季辉

质子噪声去耦

将去耦器的频率设在质子区的中心，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


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。


吴季辉


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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C4-H 质子频率照射


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


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


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


吴季辉

门去耦技术的主要用途

•在 13C 谱中得到既有耦合作用又有 NOE增强的波谱


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


吴季辉


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


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 13C ｛ 1H ｝可以可以

相同，如 1H ｛ 1H ｝不可以可以（脉冲同核去耦）


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


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： R1 ＝ 90(x)240(y)90(x)

R2 ＝ 90(x)180(y)90(x)

R3 ＝ 90(x)180(-x)270(x)

都可使磁化矢量在较宽的频率范围翻转 180


吴季辉

MLEV 组合脉冲

通常 MLEV-16 用于二维同核 TOCSY序列


吴季辉

R 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


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


吴季辉

0.06

/(B1)0.0 0.5 1.0

J scaling factor for WALTZ-4

0.006


/(B1)0.0 0.5 1.0

/(B1)0.0 0.5 1.0

0.0006


0.006 J scaling factor for GARP-1

/(B1)0.0 1.8 2.40.6 1.2


吴季辉

核磁共振基本原理 7-1讲

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