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标题: 分享：一些核磁知识值得看看！ [打印本页]

作者: sseia42 时间: 2010-9-26 11:01 标题: 分享：一些核磁知识值得看看！

　NMR是英文Nuclear Magnetic Resonance的缩写，对于学化学的人，特别是学有机化学

　　的人来说NMR是一个非常有力的工具。

　　接触核磁有几年的时间了，一点心得拿出来和大家分享吧。关于核磁共振的理论我不想

　　讲太多，我想对大多数人来说意义不大。

　　感兴趣的可以自己去找些书看看。核磁共振的发展可以说是飞快的，有关其重大意义我

　　也不想多说了，到2003年，从事核磁共振工作的科学家已经四次获得Nobel奖了。下面我

　　简要介绍一下NMR谱仪的发展，早期的NMR谱仪是连续波的，我没用过,只是了解一点理论

　　(现在基本上没人用了);

　　现在的谱仪基本上都是脉冲-付立叶变换的。脉冲-付立叶变换技术的出现极大的提高了

　　NMR实验的速度，并使多维核磁的出现成为可能。我所写的内容基本上都是基于脉冲-付

　　立叶变换谱仪的。

　　我在这里也就我听到的一些常见问题，简单的说一说。准备核磁样品时，一般要准

　　备核磁管、氘代溶剂这个大家都是知道的，现在一般用的都是5MM的核磁管;关于

　　氘代试剂很多人问我有什么用，我在这里简单的说一下：

　　现在的磁体都是超导的，磁体不会绝对的稳定，可能会出现微小的变化，这种变化

　　有时候对实验的影响是非常大的。我现在就以我所使用的600M谱仪为例说明一下。

　　600M是对于H的共振频率说的，也就是说H在磁场中的共振频率是6*10^8如果磁场的

　　变化有1/10^8的话，就能引起谱图上峰的6Hz的偏移，这对于一个1Hz左右的峰来说

　　影响是非常大的。

　　因此现在的超导核磁谱仪上都有锁场的氘通道。通过对氘信号的检测，判断磁场的

　　变化，通过微小的附加电流来补偿磁场的变化。另外对于我们做的很多的H` NMR来

　　说，如果不是用氘代溶剂，溶剂峰会比样品峰大N多倍，我们就看不到样品峰了。

　　大家配样品时要注意以下几点：

　　1、样品量的问题：一般对于H NMR来说需要的量比较小，大概几个毫摩尔就可以了,

　　对于二维谱和碳谱浓度就要比较大最好有几十个毫摩尔。

　　2、溶剂量的问题：一般样品的溶剂量应该在0.5ML，大概在核磁管中的长度为4CM左

　　右。溶剂量太小了会影响匀场，进而影响实验的速度，和谱图的效果 ;溶剂量太大

　　了嘛，那就太浪费了。

　　3、核磁管的问题：首先尽量选用优质核磁管，还有就是最好不要在核磁管上乱贴标

　　签，这会导致核磁管轴向的不均衡，在样品旋转的时候影响分辨率，还有可能打碎

　　核磁管造成重大损失。

　　对于H NMR来说大家是非常熟悉的了，我就简单的说一点。

　　1、如何判断一张谱图的好坏?

　　一般来说，我们要判断一张谱图好坏的时候，要看看溶剂峰是不是很宽，对称性好

　　不好，如果溶剂峰没问题的话，那就是样品的问题了。

　　2、关于谱图处理

　　现在有部分同学可以自己处理上机做实验了，但是好像对谱图处理不是很了解，因

　　此谱图处理不好，经常出现峰是扭曲的。

　　谱图的处理一般应该进行以下几个步骤：1)做付立叶变换、2)相位校正(phasing

　　)3)基线校正(baseline correct???)4)积分我想说一下相位校正(phasing )，一

　　般来说大多数软件的自动校正都不很好，需要手动来进行。我不可能对每个软件都说，

　　我就说说规律吧，手动调整的时候一般要先定义一个参照点，在调0级相位的时候就是条

　　参照点处的峰，在调1级相位的时候就是调远离参照点的峰,一般就都能调好了。

　　说到二维核磁，我们就不得不简单的介绍一下脉冲-付立叶变换。现代的核磁谱仪都

　　是采用脉冲-付立叶变换的，对于普通的一维谱，一般是发射一次脉冲以提供能量使原子

　　核跃迁到较高能级，然后纪录原子核回到较低能级的过程，得到FID信号。(在射频脉冲

　　结束后，磁化矢量将绕着磁场进动，因而产生一电信号，这种信号叫做自由感应衰减(fr

　　ee induction decay，一般缩写为FID)信号。)FID信号是时间域的函数f(t)，经付立叶

　　变换(FT)，可变为频率域的函数F(ω)，即一般所说的频谱(就是我们平常看到的一维谱

　　)。我废了这么多话是想让大家明白，我们的核磁数据是一个时间的函数，一维核磁具

　　有一个时间变量。

　　二维核磁于一维核磁不同之处在于，在第一个脉冲发射之后并不是立即采样，还要

　　经过一个发展期(evolution)(当然根据不同的需要，还可能包括其他脉冲), 然后采

　　样，这样对于二维谱的核磁信号就包含了两个时间变量，对其做付立叶变换得到的就是

　　两个频率的函数，作图自然就形成了我们所看到的二维谱。其中F2是对采样时间做变换

　　得到的，F1是对发展期(evolution)做变换得到的。

　　关于二维谱的功能我会在后面具体介绍，先说说我写二维谱的目的吧。我想现在我

　　们化学学院的核磁现在在国内应该是比较多的，我们应该充分的利用这些资源，而我们

　　的核磁大多都是在做H、C等常规试验，当然这些试验都是很必要的，但是这样的话核磁

　　的作用就没能得到很好的发挥，因为我们买仪器的时候，是要为它所具备的各种功能付

　　账的，如果不充分利用，钱不是白花了嘛。二维谱不是很新的技术，很多同学对二维谱

作者: sseia42 时间: 2010-9-26 11:02

　　　也不很了解，即使遇到问题也不知道可以用二维谱解决，我也希望大家能多了解一点，

　　这样以后遇到问题至少能多一个解决办法，而且对以后的发展也有好处。

　　COSY是correlation spectroscopy的缩写，表示化学位移相关谱。其脉冲序列如下：90

　　°-t1-90°-t2 COSY谱可通过J耦合建立起核与核之间的联系。二维谱分析时一般用等

　　高线作图，那些在第二个90°脉冲时不交换磁化矢量的核，在两个频率轴有着相同的频

　　率，位于二维谱的对角线上;而相互交换磁化矢量的核最后给出的频率不同于最初频率

　　，这就形成了对角线外峰或称交叉峰，它连接了纵向与对角线、横向与对角线相交的两

　　个峰。对角线上的峰，实际就是一维谱峰;而对角线外的交叉峰，则是二维谱新得到的

　　相关谱峰。在上述COSY谱脉冲序列的作用下，凡同碳耦合的两个质子，或由一个C-C键

　　相连的两个碳原子上各自的质子间，都会给出一个交叉峰。因此反过来我们可认为，只

　　要有交叉峰那么交叉峰对应的两个质子一定是同碳耦合的两个质子，或由一个C-C键相

　　连的两个碳原子上各自的质子.

　　通过COSY谱我们就能够建立连有H的C原子的连接顺序。做COSY谱所需要的样品量较

　　少，一般来说只要是H NMR的灵敏度较好，做COSY就没有问题。

　　HMQC是heteronuclear mutilple quantum correlation的缩写，表示异核多量子相关谱

　　。其脉冲序列包括H和异核X两个通道，用文字写起来比较麻烦，感兴趣的同学可以找些

　　书来看看。

　　通常我们提到HMQC都是指C、H相关谱，下面我久已C、H相关谱为例简单介绍一下。在CO

　　SY谱中只涉及到H核，横纵坐标所代表的都是H NMR的化学位移;但在HMQC谱中,由于涉

　　及到H、C两个通道，横纵坐标的意义有所不同。HMQC是一种间接检测实验，是通过 H

　　间接检测C信号，也称作反向实验，因此再谱图上,横坐标(F2)一维代表采样的HNMR的

　　化学位移 ;纵坐标(F1)一维代表的是间接检测的C NMR的化学位移。凡是通过化学键

　　直接相连的C、H原子都会再谱图上出现交叉峰;反之，只要有交叉峰的出现，那么交叉

　　峰所对应的H、C原子一定是通过化学键直接性连的。

　　通过HMQC我们可以将H NMR和C NMR谱上的每个峰准确地对应出来。这样我们就能够把H

　　NMR和C NMR进行相互的验证，同时对于一些含有环状结构的有机化学物，其环上连有两

　　个H原子的C原子，它的两个H原子由于在环上所处的化学环境并不相同，因此化学位移

　　也不相同，通过HMQC我们可以清楚地看到这样的两个峰，他们在谱图中H的化学位移不

　　同，但C的化学位移相同,这是在H NMR中很难分辨的。

　　HSQC是heteronuclear single quantum correlation的缩写，它的作用于HMQC完全相同

　　，但它的灵敏度更高、峰更尖锐，因此，大家在做实验的时候，尽量选择HSQC来代替HM

　　QC。由于HSQC/HMQC实验涉及到C的检测，因此需要的浓度要稍大一点，一般来说10mM就

　　够了，其实量也不算太大，相当于分子量在1000的样品，只要5毫克。

　　HMBC是heteronuclear multipule bond correlation 的缩写，表示异核的远

　　程相关谱。下面我也以我们常用的C、H相关谱为例简单介绍一下。与HMBC &HSQC

　　一样，HMBC的谱图也是是一种间接检测实验，是通过H间接检测C信号，横坐标(

　　F2)一维代表采样的H NMR的化学位移;纵坐标(F1)一维代表的是间接检测的C

　　NMR的化学位移。相隔2-4个化学键相连的C、H原子就可能会再谱图上出现交叉峰;

　　反之，只要有交叉峰的出现，那么交叉峰所对应的H、C原子是通过2-4个化学键

　　相连的。

　　根据HMBC谱所给出的H、C之间的关系，结合HMQC/HSQC的谱图，我们就能够解

　　决C原子的连接顺序问题，这样我们就能基本上确定有机化合物的骨架结构，基

　　本上一个有机化合物的结构就能够确定了。对于HMBC而言，灵敏度相对于HSQC会

　　低一些，不过10mM的浓度也是够的，而且核磁本身对样品时没有破坏的(样品在

　　溶液中变质与核磁无关)，还可以回收。

　　HMBC的主要问题在于并不能够确定相关峰是二键、三键还是四键的耦合，而

　　且，并不是所有的二键、三键还是四键的耦合都一定出峰，所以大家在分析谱图

　　的时候要注意。

　　二维NOE谱简写为NOESY(Nuclear Overhauser Effect Spectroscopy)。NOESY谱的

　　基本脉冲序列由三个非选择性的脉冲组成：90°-t1-90°-τm-90°-t2

　　与COSY谱的脉冲序列不同之处在于t1的发展期后有一个时间为τm的混合期。在随

　　后的检测期中，fid在t2采样时间内被检测。在NEOSY的混合期中，空间间隔在5?之内

　　的任意两质子自旋，可因交叉弛豫过程而相干转移，交换能量，在NOESY谱中给出 NOE

　　交叉峰。也就是说在谱图上给出交叉峰的两个质子的空间间隔不超过5?。由于NOESY交

　　叉峰强度与质子间距有关，使NOESY谱称为测定溶液中质子距离的最重要方法。

　　通过NOESY谱，我们能够对分子的空间结构进行判断，很多时候这对我们是非常重

　　要的，因为分子的空间构象对它的很多性质都有巨大的影响。当然通过单晶我能够得

　　到更准确的结构信息，但很多时候单晶是很难拿到的。同时NOESY谱也是解决溶液中分

　　子相互作用的，非常有效的手段。

作者: kingwindow 时间: 2010-9-26 13:43

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