核磁共振实验

null核磁共振的分类核磁共振的分类固体核磁共振 不溶性的高分子 材料 关于××同志的政审材料调查表环保先进个人材料国家普通话测试材料农民专业合作社注销四查四问剖析材料 、膜蛋白、刚性的金属及非金属材料。 液体核磁共振 有机化合物，天然产物，生物大分子。 核磁共振成像 临床诊断的成像、研究动、植物形态的微成像、功能成像和分子成像。脉冲 FT核磁共振NMR脉冲 FT核磁共振NMR 在静磁场B中，对样品体系的磁化矢量M受到射频场（脉冲）作用（吸收能量，发生共振）后的运动状态（响应）进行检测，将检测得到的信号（FID）进行傅立叶变换等数学处理，得到NMR图谱（或图像）。 有什么意义（解决什么问题）？ 确定物质的组成、化学结构及其在空间上的性质变化。核磁共振内容核磁共振内容null电磁波与谱核磁共振（NMR）实验课内容核磁共振（NMR）实验课内容核磁共振实验：数据采集和数据处理 与各种实验有关的仪器硬件及控制软件的介绍 实验中数据采集和处理的各种步骤和顺序 上述步骤中各个参数的选择以及这些选择的理论依据 核磁共振（NMR）实验课内容核磁共振（NMR）实验课内容宏观磁化矢量的产生：磁矩和磁化矢量的差别 外加静磁场：磁场的产生及安全 核磁共振谱仪：原子核与共振频率 频率与通道 NMR实验与脉冲序列 射频场脉冲：脉宽（作用时间），功率，形状，频率，发射相位 探头的种类与NMR实验：选择性与宽频，正相与反相，梯度线圈 脉冲作用于磁化矢量的描述：矢量模型，矢量的乘积算符 旋转坐标系，FID的检测，offset, on-, off-resonance 各种核磁共振实验的参数设置和运行null1H谱null13C谱原子核的磁性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、16O等1H、13C、15N、31P、19F等2H、11B、14N、17O、33S、35Cl等静磁场B0下原子核的磁性质静磁场B0下原子核的磁性质ω=γB0没有静磁场有静磁场B0存在时不同能级的能： E=mγhB0/2π磁量子数m=I, I-1,I-2……-I能级间的跃迁Δm=±1宏观磁化矢量M0的产生宏观磁化矢量M0的产生自旋的原子核在外磁场的作用下会产生进动，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. g 是磁旋比. 它是原子核本身的属性并只能通过实验获取.ω=γB0X，Y方向上为什么没有宏观磁化矢量？由于能量的不同，各种状态下（不同能级）的原子核数不同，它们的矢量加和形成了宏观的磁化矢量（I=1/2的核只有两种能级），核磁共振实验就是检测物质中各种原子的磁化矢量。静磁场B0下原子核的磁性质静磁场B0下原子核的磁性质Boltzmann分布：N-1/2 /N+1/2 = exp(-ΔE/kT) ΔE=γhB0/2π原子核：0.99999004（NMR） 电子：10-21 （UV/Vis）NMR方法灵敏度低的主要原因，同时还要考虑同位素的天然丰度。1H 在25 ℃，14T 磁场中：Curie Lawnullω=γB0静磁场B0，原子核种类γ，进动（共振）频率同样的静磁场，不同的原子核具有不同的共振频率不同的静磁场，同样的原子核也具有不同的共振频率1H 596.131P 241.413C 241.4磁化矢量、射频脉冲和FID信号在静磁场中,原来简并的核能级分裂成不同的能级状态.如果用相应频率的射频场（RF脉冲）照射，就可观察到核自旋在能级间的跃迁（能级间的原子核数差值减小或消失）。或者说,当相应频率的射频场(RF)脉冲照射时,宏观磁化矢量将围绕着射频场作用的方向从Z-轴转到X-Y平面上.由该平面上的检测线圈检测出时间域的FID信号,再通过傅立叶变换得到频率域的核磁共振谱图.磁化矢量、射频脉冲和FID信号B0MB0MRF 脉冲接收器 ReceiverFTS(t)S(w)FID信号射频脉冲对磁化矢量的作用射频脉冲对磁化矢量的作用当射频脉冲作用时，磁化矢量会在垂直于作用方向的平面上转动。 脉冲作用于X方向？ 脉冲作用于Y方向？ 脉冲作用于Z方向？脉冲作用后磁化矢量的运动脉冲作用后磁化矢量的运动通过弛豫过程，释放能量回到平衡状态BoMxyzFID信号的产生FID信号的产生磁化矢量M0在X轴上的投影发生了周期性的变化，使得线圈中的磁通量也有了相同的周期性变化，产生了感应电动势-FID信号旋转坐标系及FID信号旋转坐标系及FID信号Mx = M0 sin β cos(ω0t )My = M0 sin β sin(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？Free induction decayFree induction decayT2 = time constant for decay of transverse magnetization磁化矢量M0的弛豫-Relaxation磁化矢量M0的弛豫-RelaxationMz = M0(1-exp(-t/T1)) T1：纵向弛豫（spin-lattice）时间Mx = My = M0 exp(-t/T2)T2：横向弛豫（spin-spin）时间磁化矢量的弛豫时间T1磁化矢量的弛豫时间T1纵向（自旋－晶格）弛豫时间：T1Mz=Mz0(1－e-t/T1) Mz 0+ZMz=Mz0(1－2e-t/T1) Mz -Z+Zt=T1 Mz=0.63Mz0t=5T1 Mz=0.993Mz0脉冲重复（累加）的时间间隔：1-5倍的T1T1的长短与整个分子运动或分子局部运动的快慢有关(与核磁谱峰的定量是否准确有关）弛豫时间T2弛豫时间T2横向（自旋－自旋）弛豫时间：T2Mxy=Mxy0e-t/T2 t=T2 Mxy=0.368Mxy0t=5T2 Mxy=0.007Mxy0FID的采样时间：1-3T2 T2T1T2长短也与分子的运动快慢有关，并影响到采样时间、谱峰的峰宽及谱图的分辨率等。null核磁共振静磁场－超导磁体核磁共振静磁场－超导磁体核磁共振静磁场－超导磁体核磁共振静磁场－超导磁体射频通道和脉冲的产生射频通道和脉冲的产生射频脉冲射频脉冲射频脉冲的频率：发射射频脉冲相当于发射一个交变的电磁场，该磁场的强度远远小于静磁场，却能让磁化矢量M0离开静磁场B0的方向（Z）围绕着射频场B1旋转，原因就是该射频场的变化频率（ω1）与原子核的larmor进动频率相同，产生了共振。不同的原子核有不同的larmor进动频率，因此相应的脉冲也应有不同的频率。射频脉冲的作用时间（脉宽）：射频脉冲作用于磁化矢量M0，使得M0围绕B1转动一个角度：β=B1tp，脉冲作用时间tp越长， M0转动的角度越大，因此脉冲需要有作用时间的定义-脉宽。射频脉冲（B1）的强度（功率）：M0转动的角度除了与作用时间有关，还与射频脉冲的场强B1有关，相同的tp， B1越强，转动的角度越大，因此脉冲还需要有强度的定义。B1 =ω/2π=ν=1/t360º (Hz)NMR实验中是用功放输出功率的衰减数（dB）来表示的射频脉冲射频脉冲射频脉冲发射的方向（相位）：射频脉冲在不同的方向上发射，M0在坐标轴上转动的方向也不同，因此脉冲需要有发射方向（相位）上的定义。射频脉冲的形状：射频脉冲对M0的作用是作用时间和射频场强的乘积（相当于脉冲的面积），脉冲的形状不同（面积不同），作用的大小也不同。因此脉冲需要有形状的定义。仪器是由波形发生器来控制的。除了上述频率、功率、作用时间、相位和形状以外，NMR实验中，90°脉冲的脉宽还与发射脉冲的仪器硬件（频率通道）有关。NMR：脉冲的相位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，对磁化矢量产生的作用不同，得到的结果（信号）也不同。在X和Y方向发脉冲并不需要在X、Y轴上各装一个线圈，而只是需要将脉冲的相位θ旋转90º：X、Y的不同只是初始的相位角θ（t=0时）差90º，因此就转变成COS或SIN调制产生射频脉冲的硬件-频率通道产生射频脉冲的硬件-频率通道NMR仪器上至少有两个以上的频率通道，每个频率通道可以发射不同的频率，但在一个NMR实验中，一个通道只能发射一种频率，激发一种原子核。一个NMR实验需要几个频率通道完全取决于该实验中需要激发几种原子核。 不管激发了几种原子核，最后检测的只能是一种原子核的响应信号，因此只有一个通道连接至信号接受器上，该通道称采样通道，仪器上将其设置为第一通道。频率通道脉冲的发射和FID信号的产生脉冲的发射和FID信号的产生核磁共振：探头和前置放大器核磁共振：探头和前置放大器核磁共振：探头和前置放大器核磁共振：探头和前置放大器nullωosc = (LCT)−1/2核磁共振：探头的种类、区别核磁共振：探头的种类、区别固体（魔角旋转、静态）、液体 是否带有梯度线圈(探头上有专用的接口)X or X,Y,Z、 固定频率?宽频? 双共振？ 三共振？四共振？ 正相？反相？ （高频、低频线圈的位置） 探头的频率（与仪器的磁场强度有关） 一些特殊用途的探头，扩散、LC-NMR、微成像 自动调谐和阻抗匹配 超低温探头 NMR实验的温度范围 。。。。。超低温探头超低温探头通过降低探头的线圈和前置放大器的温度，4K，以降低它们的电子噪声,可以提高信噪比，S/N，3-4倍，节省测试时间9-16倍。磁化矢量M0与射频脉冲Mx = M0 sin β cos(ω0t )My = M0 sin β sin(ω0t ).脉冲作用前脉冲作用时脉冲作用后M0脉冲作用后在XY平面上的投影磁化矢量M0与射频脉冲nullNMR：锁场与匀场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？静磁场的变化：随时间的变化、随空间的变化NMR：锁场与匀场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 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 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. NMR：锁场与匀场NMR：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。匀场是解决静磁场随空间位置变化的问题NMR：锁场与匀场NMR：锁场与匀场除了超导线圈产生的静磁场在空间分布的不均匀外，由于样品溶液的不均匀，放入磁场后造成了磁化率的不均匀也是磁场不均匀的原因。样品溶液的高度应该远大于射频线圈的高度（通常为1.5cm） 样品溶液应该是很均匀的、足够的流动性（不分层、没有悬浮颗粒）NMR：锁场与匀场NMR：锁场与匀场NMR：锁场与匀场NMR：锁场与匀场样品旋转只是将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脉冲角度、弛豫时间T1和信号的累加脉冲角度、弛豫时间T1和信号的累加由于核磁共振检测灵敏度很低，因此对一般的样品而言，信号需要重复累加多次，才能达到足够的信噪比（信号明显高于噪声）。信号强度的增加是与累加次数NS成正比的，而噪声强度的增加是与NS1/2成正比，因此整个信噪比的提高是与N1/2成正比，即信噪比提高一倍，需要将累加次数增加4倍。（累加次数的设定）信号累加时，发射的脉冲角度为90°时，每次得到的信号最强，但在两次累加之间需要等待足够长的时间（脉冲重复时间），让磁化矢量从X-Y平面完全恢复至Z方向上，通常需要5倍的T1时间，（1H的T1一般为1-5秒），因此耗费时间很长。较有利的方法是运用较小的脉冲角度，以缩短脉冲的间隔时间。最佳的脉冲角度称为Ernst Angel已知T1的条件下，不同的脉冲重复时间TR，有不同的最佳脉冲角度对应。FID信号检测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函数的频率,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(Nyquist Theorem). 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Nyquist Frequency.FID信号检测FID信号检测探头线圈上检测到的FID信号是微伏（μV）量级的信号，在输送至谱仪的接受机之前，需要经过前置放大器（Preamplifier）放大至伏特级信号，然后又电缆线输送至谱仪，有模数转换器ADC（analogue to digital converter）进行数字化采样：将电压信号转换成二进制的一个数据储存在计算机内。ADC的动态范围（Dynamic Range）：3位的ADC可以有8个输出值：000, 001, 010, 100, 110, 101, 011, 111 (0, 1, 2...7) 虽然输入的信号强度是连续变化的，但输出却是有限制范围的、数字化的：一定区间内的变化近似地以相同的数字表示，大于或小于该范围的信号都无法准确表达。仪器上有个参数名为接收机增益（RG），当输入信号强于或弱于适当的范围时，调节RG，可使信号强度进入该范围。 当样品中强峰和弱峰的比例超出了ADC的范围（上述3位的ADC最大动态范围是8），要么是强峰失真，要么是弱峰不出现。怎么办？FID的两种失真情况FID信号的差频检测FID信号的差频检测 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FID信号检测实际采样中，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DW为两个采样点间的时间，采样频率的倒数TD为采样的数据点数，AQ为总的采样时间三者之间的关系？Oversampling技术FID信号的正交检测FID信号的正交检测由于一个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FID信号的正交检测My，虚部信号Mx, 实部信号Channel A + B由于是正交检测是通过信号加减的方式得到的，当90º相位差不是很准确时会有假信号出现（Quadrature imagin），数字化的正交检测（DQD）能保证消除假峰。FID信号的正交检测FID信号的正交检测有两种方法解决：检测（发射）中心频率放置谱宽的一段（早期），缺点：谱宽增 加一倍，采样速率增加一倍。 正交检测（quadrature detection），同时检测X和Y轴上的投 影信号。实际不是在X、Y方向各装一个检测线圈，而是将检测中心频率分成两个相位差90º的信号去混频，得到两个相位差90º的FID信号。FID信号的正交检测FID信号的正交检测实际应用中,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.null信号的累加与相循环（Phase cycling）信号的累加与相循环（Phase cycling）实际上一次采样得到的FID中并非只有我们所需要（希望）的信号，其它杂信号可能来源于硬件不完美造成的相位差，或是方法（脉冲序列）本身就会产生多种信号，而我们只需要其中的一种。核磁共振通常有两种方法来消除杂信号：相循环（phase cycling）在多次采样（累加）过程中，以某种（设计）方式依次改变（各个）脉冲以及接收的相位，使得需要的信号在每次累加（采集FID）中保持相同的相位，而不需要的信号在前后的累加中相位相反，一定的累加次数后，不需要的信号就会互相抵消，只保留所需要的信号。梯度场脉冲（field gradient pulse）发射梯度场脉冲使得静磁场以梯度的方式变得不均匀，XY平面的磁化矢量因散相（dephase）而消失，如果再发射一个反方向的、同样强度的梯度场脉冲，磁化矢量又会重新聚集到原来的位置（rephase, refocus），两个梯度脉冲之间，如果以某种方式改变不需要的磁化矢量（信号）的状态，它就无法再重聚。需要多次累加，累加过程中实验条件（环境）保持一致单次累加就可以实现信号的累加与相循环（Phase cycling）信号的累加与相循环（Phase cycling）消除直流电信号（DC-offset）两个信号的叠加每次累加时，将脉冲的相位改变180º,然后每两次之间的数据相减，就可以消除DC，而信号保持叠加，每两次相减后的数据再累加起来。因此该相循环的实现至少需要两次累加，总的累加次数NS应该是2的倍数。1, (π/2)x2, (π/2)-x3, (π/2)x4, (π/2)-x5, (π/2)x6, (π/2)-xBRUKER仪器上，脉冲和接收机的相位X, Y, –X, –Y分别是用0，1，2和3表示信号的累加与相循环（Phase cycling）信号的累加与相循环（Phase cycling）CYCLOPS按照x y –x –y的顺序，每次累加中同时改变脉冲和接收机的相位，以消除正交检测中两个检测器的相位误差。虽然每次累加时，磁化矢量和接收机的相位都在变，但它们的相位差相同（得到的信号形状相同），信号是叠加的。依次累加中，接收机和磁化矢量的相位差在变化时(正交检测的误差),得到的信号就会相互抵消。（1和3之间，2和4之间的相互抵消）。NMR实验的基本步骤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，用空气将样品管送入磁体 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 edsp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：探头的调谐和阻抗匹配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射频脉冲的产生及脉宽的测定射频脉冲的产生及脉宽的测定脉冲翻转角（pulse flip angle）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。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NMR：常用的90º脉冲采样通道：1H 9.7us/-4dB (硬脉冲) 35us/7.15dB (TOCSY实验) 110us/17.9dB (ROESY实验) 13C 7.1us/-2dB (硬脉冲)其它通道：1H 9.8us/-4dB (硬脉冲) 80us/14dB (CPD宽带去偶) 13C 7.0us/-2dB (硬脉冲) 70us/18dB (CPD宽带去偶)上述数值是在宽带正相的BBO探头上测得的，90°脉宽与探头有关。NMR：90º脉冲的功率（射频场强）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)= -20 log (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）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：Fourier Transformation-FT变化Fourier Transformation-FT变化检测到FID是（许多）信号强度随时间的变化F(t)，而我们需要的谱图是信号强度随频率的变化F(ω)，这种变化是通过Fourier Transformation( FT)实现的。或FT是线性的：几个信号加和的FT=每个信号FT的加和。Fourier Transformation-FT变化Fourier Transformation-FT变化通过正交检测得到的是相位差90º的两个信号：两个信号可以构成复数函数：该时间域的复数函数经FT得到频率域的复数函数：S (ω)=A(ω)+iD(ω)如果两个FID 信号是纯的sin和cos函数：半高宽的计算实部是纯吸收线型、虚部是纯色散线型的前提：t=0时，Sx(t)最大，Sy(t)为零，即初始相位角为零。否则就是混合线型，需要相位校正。Fourier Transformation-FT变化Fourier Transformation-FT变化通常我们只用实部的数据（吸收信号）来显示图谱，虚部的数据（色散信号）只用来作相位校正，不仅因为虚部信号的底部较宽，而且因为有正、负信号，当不同的峰重叠时，就会相互抵消。T2值越小，FID的衰减越快，得到谱峰的半高宽越宽。 半高宽增加，峰的强度就会降低，但峰面积保持不变。 FID信号变大，FT后得到谱峰的峰高就会成正比地增加。NMR实验的基本步骤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，用空气将样品管送入磁体 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 对探头进行tuning和matching的调节 edsp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 打zg命令开始采样：注意接收机增益RG的设置是否合适？NMR：样品的制备NMR：样品的制备氘代溶剂的选择：溶解度（13C）、费用、质量 样品的测试温度：溶剂的冰、沸点，粘度 样品的均匀性：是否悬浮液、乳浊液？ 样品的体积：样品溶液在5mm样品管的高度与匀场难易 有关 核磁管的质量：匀场难易，旋转边带 化学位移定标物：TMS，溶剂峰NMR：测试温度的控制与校正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：探头的调谐和阻抗匹配NMR：探头的调谐和阻抗匹配NMR实验的采样参数NMR实验的采样参数确定实验数据的文件名 edc界面 确定实验的类型，选择合适的脉冲序列 （采样参数：PULPROG）eda界面 根据实验所涉及的原子核（频率）,确定仪器各射频通道应该设置的原子核，所需采样的原子核应设在第一通道。 edsp界面 根据样品的情况和脉冲序列的要求，设置相应的采样参数。 eda、ased界面NMR实验的采样参数NMR实验的采样参数与样品有关的主要采样参数 eda 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 ased 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-D31 CNST0-CNST31 其它形状的脉冲：SP0-SP31 梯度场脉冲：GP0-GP31 组合脉冲去偶的方式和脉宽：CPDPRG1-8 PCPD0-9 变量参数：VCLIST、VDLIST、VPLIST13C-Dept的脉冲序列及参数选择13C-Dept的脉冲序列及参数选择1JCH: 120-180Hz P0＝1H的90°脉冲时： DEPT90° 只出正的CH峰 P0＝1H的135°脉冲时： DEPT135° CH, CH3为正峰 CH2 为负峰 （正、负只是相位差180°）通常1JCH取140Hz 1JCH CH3：120－130Hz CH，CH2： 130－145Hz 双键、芳环的CH：145－175HzNMR实验的数据处理NMR实验的数据处理谱图的数据点：充零（zero filling）和线性预测（liner prediction） 窗函数处理：FID信号的自然衰减，信噪比或分辨率的加强 傅立叶变换（Fourier Transformation） 谱图上谱峰的相位校正：零级和一级相位校正参数 谱图的基线校正：全谱或分段的校正 化学位移（ppm）的定标：标准 谱峰面积的积分：核磁共振的定量信息 作图参数的选择 作图或将谱图作为图形文件保存NMR数据的数学处理NMR数据的数学处理FID数据点的充零（zero filling）和线性预测（linear prediction）FID和FT变换后的图谱都是由许多数据点组成的，例如FID是由TD个数据点组成，其中TD/2个用于复数的实部，另外TD/2个用于虚部，而FT变化后的实部（吸收线型）信号有多少个数据点组成可通过参数SI进行选择，当选择的SI＞TD/2时，就需要在FID后面添加强度为零的数据点以满足SI=TD/2，即为充零充零的目的是为了更准确地描述谱峰，并不能使谱峰变窄。只能提高数字分辨率。充零的点数： SI-TD/2FT变换需要的数据点是2n，程序会自动根据TD的数值充零至最近的2n点数据处理-线性预测数据处理-线性预测truncation在FID后面加上的数据点是有强度数值的（按照前面采样得到数据点的变化规律运用数学方式模拟）方法称为线性预测。由FT过程引入的这种情况下，用线性预测的方法添加数据点就可以消除峰边上的wiggles 类似的处理方式还有maximum entropy, FDM等，这些都是数学处理，运用时需要特别小心，有可能引入假峰（artefacts）。数据处理-充零、线性预测数据处理-充零、线性预测充零只是增加数值为零的数据点，而线性预测增加的数据点是有数值的，是根据前后点的数据变化计算出的，模拟出后面FID变化的数据点。与线性预测有关的参数：ME—mod，LPBIN，NCOEFME—mod：预测的方式（实数、复数、向前、向后） NOCEF：模拟计算时所用的系数个数。数据处理-窗函数处理数据处理-窗函数处理FID的采样过程中，同时也将各种噪声（noise）采集进来了。噪声来源： 放大器等各种电子器件的噪声 检测线圈的热噪声（thermal noise）FID的强度是随时间而衰减的，而噪声是不变的，因此FID的前面主要是信号的贡献，用窗函数强调前面部分，可以增加信噪比，但谱峰变宽。FID后面部分虽然噪声多了，但会使得谱峰变窄，即提高了分辨率。数据处理-窗函数处理数据处理-窗函数处理消除截尾效应（truncation）提高谱图的信噪比（灵敏度）或分辨率数据处理-窗函数处理数据处理-窗函数处理指数函数：exp（-LBt）LB：衰减常数，一般选择 谱峰的半高宽值Gaussian函数：LB：通常取谱峰的半高宽（负值） GB：函数的最大值所在位置（0-1）sine、sine平方函数：数据处理-信号的相位校正 （phase Correction）数据处理-信号的相位校正 （phase Correction）通常FT变化后，得到的峰形不是纯的吸收和色散线形，即线圈检测到的不是纯SIN和COS调制函数，原因是： 检测器的参考频率相位与发射的相位有偏差（对所有谱峰都一样，零级相位差，Zero Order） 脉冲是有一定的宽度（时间），脉冲的结束也不是瞬间的，接收机打开也需要时间，因此真正开始检测时（t=0），由于各个不同的磁化矢量已经开始了转动，造成了初始相位的不同。（不同共振频率的峰，相位差不一样，频率越大，相位差越大。一级相位差, first order）FID信号表达式中有个初始的相位角Φ数据处理-信号的相位校正 （phase Correction）数据处理-信号的相位校正 （phase Correction）仪器上谱峰的相位调节（校正）是通过改变两个相位调节参数进行的，PHC0（零级）和PHC1（一级）。零级相位校正（Zero order phase correction）乘以（找到）一个相位角校正函数，使得：则可以消除初始的相位角：同样可以在频率域函数上实现一级相位校正（First order phase correction）一级初始相位差是和峰的共振频率（转动快慢）呈线性关系的（近似），校正函数的角度也可以设成与频率成线性关系，因此只要使（找到）两者的变化快慢（斜率）一致，就可以消除初始的相位差。谱图的处理谱图的处理谱图的基线校正谱图的化学位移定标谱图上谱峰面积的积分谱图的作图谱图是由一系列数据点组成的，将没有谱峰的数据点（处于基线上）放在一条水平的直线上。仪器上有自动和手动两种方式去实现。为了对谱峰出峰位置（共振频率）的描述更简便，使得不同磁场强度下测得的谱图数据能互相比较，通常用化学位移来描述谱峰的共振频率位置：指定一个化合物峰的化学位移为零，其它峰化学位移值是与该峰的相对位置来表示。有些谱图的谱峰面积是与产生该峰的原子核数成正比的，因此各个谱峰间面积的比例反映了分子结构的信息。根据不同的需要（谱图的范围、谱峰的高低等）将谱图打印出来，仪器上有两种作图方式（程序）。上述处理相互有影响，有个前后的顺序问题NMR实验的数据处理NMR实验的数据处理谱图的数据点：充零（zero filling）和线性预测（liner prediction） 窗函数处理：FID信号的自然衰减，信噪比或分辨率的加强 傅立叶变换（Fourier Transformation） 谱图上谱峰的相位校正：零级和一级相位校正参数 谱图的基线校正：全谱或分段的校正 化学位移（ppm）的定标：标准 谱峰面积的积分：核磁共振的定量信息 作图参数的选择 作图或将谱图作为图形文件保存旋转坐标系意义（2）－ OFFSET, ON-, OFF-Resonance旋转坐标系意义（2）－ OFFSET, ON-, OFF-Resonanceω = γ B静止坐标系中：旋转坐标系中：Ω：偏置offset ωrot. Fram_: 旋转坐标系频率=脉冲发射中心频率=检测器参考频率 当Ω为零时（脉冲发射中心频率与原子核的共振larmor频率相同）， △B＝0：表观静磁场为零，M0只围绕射频场转动，共振:on-Resonance当静磁场和射频场共同作用时，形成了有效场Beffe只有当△B＝0时， Beffe＝B1，确实在X轴上，M0围绕X（B1）轴旋转至Y轴，否则将围绕Beffe旋转至？？ Off-Resonance 相位和大小都有变化null旋转坐标系意义（2）－ OFFSET, ON-, OFF-Resonanceβ=90°β=180°当原子核的larmor共振频率与脉冲发射中心频率不一致时，就发生了off-resonance。（普遍的情况） 但是，通常在一般的NMR实验（硬脉冲）中，B1》△B或者说，ω1》ΩOff-resonancenull旋转坐标系意义（2）－ OFFSET, ON-, OFF-ResonanceNMR中，磁场或射频场强度B往往可用频率来表示：因为：所以：500MHz仪器：1H的化学位移范围为10ppm(5000Hz)，Ω=2500Hz, 而射频场90°脉冲的时间为12us,ω1大约是Ω的8倍。Hard pulse!!!射频脉冲的产生及脉宽的测定射频脉冲的产生及脉宽的测定NMR：前置放大器(preamplifier)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.NMR-弛豫NMR-弛豫弛豫是核自旋与环境交换能量，回到平衡态的过程弛豫的快慢，决定了脉冲序列重复（累加）所需的时间，是有分子的物理性质决定的，弛豫的研究可以得到这些性质的信息： 反映原子核之间距离的NOE效应 反映分子内部运动的快慢平衡态：不同能级上的原子核数可由Boltzmann分布函数来描述 XY平面上没有磁化矢量（coherences）的存在横向弛豫，纵向弛豫NOE效应NOE效应样品体系在静磁场中的平衡状态不同能级上的原子核数可由Boltzmann分布函数来描述 XY平面上没有磁化矢量（coherences）的存在其它核（非1H，13C）的测试其它核（非1H，13C）的测试该核在仪器上的共振频率，探头的接收频率范围。 该核的测试灵敏度：共振频率的高低（γ值） 天然丰度的大小 核自旋量子数I 标准化合物（化学位移定标、仪器测试） 化学位移值的范围及样品的化学位移值 该核γ值的正负 正：与1H的NOE为正 负：与1H的NOE为负测试前的准备null1H1HNO 1H Decoupling， No NOE1H Decoupling with NOE1H Decoupling without NOE标准化合物的测试标准化合物的测试用rpar命令读出该核的测试参数（或在edsp中将该核设置为观察核） 选择脉冲参数pulprog：zg zgdc zgig 设置采样参数：sw（AQ-mod：DQD 或qsim）NS p1、pl1（可参考13C或其它频率相近核 的值） pcpd2、pl12、cpdprg2 o2（1H的CPD去偶参数） 探头的tuning和matching：自动（atmm） 手动（参考共振 频率最接近的核） zg采样，观察信号，优化o1、rg、sw、aq(td)、d1等参数 样品的测试样品的测试 标准样品的测试成功，说明仪器和测试条件的选择是正确的。因此，可以根据样品信号可能出现的化学位移与标准样品的差别选择谱宽sw和发射中心o1，根据样品的浓度选择累加次数ns，然后测试样品。1D氘谱的测试1D氘谱的测试不锁场的测试 在eda界面中将LOCNUC设成off 确保BSMS界面上或AMOS键盘上的sweep键为off 2H的化学位移值和范围与1H一样 19F锁场的测试 需要选购特殊的硬件，锁场通道需要发射19F的共振频率，探头需要有能接收该频率的线圈。 须注意频率滤波器（filter）的问题二维核磁共振-2D NMR二维核磁共振-2D NMRFID: 信号的强度随时间的变化。 周期性（频率调制） 指数衰减两个信号采集点之间的时间间隔：DW＝1/(2SW)总的采样时间：AQ＝TD×DW（时间步进）一维谱（FID）信号的采集nullA和X两个信号：对应于不同的t1,各个采样点上A和X信号的强度（在XY平面上的投影）分别是不同的，是随t1变化的。二维核磁共振-2D NMR二维核磁共振-2D NMR在逐渐增加T1值测得的一系列FID中，每个数据点的相位和幅度都在变化，（与T2时间内测得的一条FID中类似），即在一个FID数据信号的方阵中，受到了两个时间变量的调制t1, t2。二维谱的采样方式二维谱的采样方式Preparation和mixing是由一个或几个脉冲组成，evolution和detection是一段时间在一系列不同的t1值, 0, 1Δ, 2Δ, 3Δ，测得一系列FID，傅立叶转换后得到的一系列谱图，其幅度或相位随t1变化（受t1调制）。 一系列谱的数据点在t1方向上也形成了类似FID的干涉图（interferograms）, 也可进行FT变化，得到谱图，但不是直接采样得到的，而是数据处理形成的。因此t2对应的是直接采样维，t1则是间接采样维，同样可以进行充零和窗函数处理。同核二维谱的外观同核二维谱的外观一维谱：强度随单个频率的变化 I(F)二维谱： 强度随两个频率的变化 I(F1, F2)，每个峰的位置有两个频率座标确定，峰的高度则有等高线图的圈数表示。 同核二维谱上有两种峰：对角线峰（diagonal peak） 相关(交叉)峰（cross peak） 是否能表现出偶合裂分取决于实验的类型和数字分辨率 对角线峰相当于一维谱，相关峰则表示两个相互交叉峰的核之间有着某种关系，在对角线峰两边对称出现。具体相关内容取决于实验的种类 二维谱是反映原子核间某种关系的谱，画二维谱时，通常将对应的一维谱画在上面或边上，以便于谱峰的指认。同核二维谱的谱峰解释同核二维谱的谱峰解释a: 信号T1内以20Hz频率演化，混合期内以某种方式转移至另一信号，在T2内以80Hz演化。 b: 信号T1时间内以20Hz演化，混合期内没有影响，T2时间内继续以20Hz的频率演化 C: 信号T1时间内以20Hz演化，混合期内部份信号转移至另一信号，在T2中以80Hz演化，其余部份则不受影响，T2期间继续以20Hz演化 混合期是二维谱的关键：信号从一种核自旋转移至另一核自旋同核二维谱的采样参数设置同核二维谱的采样参数设置edc: 建立新的数据目录 edasp: 设立与仪器频率通道有关的参数 ased: 设置与脉冲序列有关的参数 Px Dx eda: 设置与样品有关的采样参数 F2：SW，O1, TD, NS, DS, RG F1: SW? O1? TD? NS, DS, RG? FnMODE 别忘了调节探头的tuning和matching，二维谱实验都要求是准确的90º或180º脉冲 zg: 开始采样异核（heteronuclear）二维谱异核（heteronuclear）二维谱——1H-13C HSQC(HMQC)，HMBC异核（1H-13C）二维谱异核（1H-13C）二维谱与同核（1H-1H）二维谱的差别： 一维是1H的共振频率，另一维是13C的共振频率。没有对角线峰。 由于该实验涉及两种核，需要两个频率通道，两个发射中心频率，两个谱宽。采样参数的设置： 先分别测试一维的1H和13C谱，用界面上的SW-SFO1按钮确定它们出峰的范围（谱宽）和对应的中心频率（O1） 为什么不用一维谱的谱宽？ 用edc命令建立新的数据目录名（读出标准参数或从已有的数据目录上建立） 用edasp命令设置通道参数（1H为采样核） 用eda命令分别设置F2和F1维的采样参数：PULPROG, TD, SW, O1, O2, NS, DS, RG, FnMODE 用ased命令设置与脉冲序列有关的参数 Tuning, matching(先13C, 后1H)，用zg命令采样二维谱的处理步骤二维谱的处理步骤在edp界面上分别设置FT变换后的数据点SI （ 考虑F1方向的充零或线性预测）和窗函数WDW，SSB、LB或GB 得到的二维谱数据相当于有SI（F1）条横向的或SI（F2）条纵向的一维谱 用xfb命令对两维作FT变换 分别对F2（横向row）和F1（纵向column）维作相位校正 （相敏谱） 读出一条或几条一维谱进行相位校正，然后将得到的PHC0和PHC1两个参数对二维谱中对应的该方向上所有一维谱进行同样的校正。 分别对F2和F1方向上的一维谱进行基线校正 abs1，abs2 基线校正的起止位置分别是由F2和F1的处理参数ABSF1和ABSF2决定的 F2和F1维上的化学位移校正（calibrate钮或edp界面上SR参数） 在edg界面上设置作图参数或用Xwin-plot程序设置（一维谱的目录名）用rser x命令可读出TD（F1）条FID中的任何一条 用rsr x命令可读出SI（F1）条横向一维谱中的任何一条 用rsc x命令可读出SI（F2）条纵向一维谱中的任何一条对称化操作、谱峰积分操作等等、等等采样中的问题采样中的问题正负频率的区分问题：正交检测（同时具有COS调制和SIN调制两项） 峰型的选择：正交检测得到的信号经FT变化后得到是复数形式的函数，有吸收和色散两种峰型，通常只采用吸收峰型，而色散峰型留作相位校正用。F1方向上的正交检测F1方向上的正交检测能区分正、负频率且没有对称峰两边都出现，不能区分正、负频率两边都出现，能区分正、负频率F1方向上的正交检测F1方向上的正交检测正交检测得到两个信号：通常将二者组合成复数(complex)形式:经FT变换得到有实部和虚部的复数函数：A和D的线型可以通过相位校正处理或是改变脉冲相位而人为地进行改变。但是信号的相位需要相同：A、D或介于中间，就可以通过相位校正调好，如果有的是A，有的是D，则无法校正频率区分的问题和峰形的问题（吸收还是色散线形）。F1方向上的正交检测F1方向上的正交检测单检测COS或SIN调制的信号（幅度调制），都会有正负频率的区分问题。二维数据中t1的信号调制通常都是幅度调制，同样也会有正负频率的区分问题。同时需要解决的还有峰形的问题（phase twist）：即FT后其实部系数和虚部系数中都既有吸收线形（A），也有色散线形（D）。相位扭曲（phase twist）峰形的解决相位扭曲（phase twist）峰形的解决FT on t2FT on t1该复函数中的实部系数在+Ω1和-Ω1两点上都有峰，且都是相位扭曲的峰形。峰形问题的解决：通过t2的FT变换后，先扔掉虚部数据（iD2）的方法以得到纯的吸收线型。相位扭曲（phase twist）峰形的解决相位扭曲（phase twist）峰形的解决在+Ω1和-Ω1两点上都有峰，且都是相位扭曲的峰形，但有正负峰的区别。通过同样的方法，删除iD (2) 也可以得到纯吸收的峰形：F1方向上的正交检测F1方向上的正交检测States-Haberkon-Ruben（SHR）方法 FnMODE：states在对t2的FT变换后，分别去掉COS项调制信号和SIN项调制信号的虚部，将COS项调制信号的实部作为新的复数函数的实部，SIN项调制信号的实部作为新的复数函数的虚部：再对t1进行FT变换：该频率域函数的实部是纯吸收线型，因此谱图上是吸收峰形。 能够区分频率的正负（由幅度调制变成了相位调制， ） 该函数既有实部，又有虚部，可用于相敏的实验进行谱峰的相位校正有些实验中，正、负峰代表不同的相关意义，需要相敏的实验以得到正负F1方向上的正交检测F1方向上的正交检测纯吸收型谱峰得到了，而频率正负的区分有三种方法：COS项调制的谱图数据-SIN项调制的谱图数据怎样才能分别得到t1的COS调制信号和SIN调制信号？每个Δt1值分别测两个FID，其中的（第）一个脉冲的相位分别为X和Y1，states-Haberkorn-Ruben (SHR) methodF1方向上的正交检测F1方向上的正交检测TPPI(time proportional phase incrementation)方法 FnMODE：TPPI如果将所有峰的共振频率都移至发射中心频率的一边，就不需要区分正负了。采样参数O1移动至一端？将会浪费一半数据点，而且对仪器硬件有要求(脉宽等)，offset效应增强。COS项与SIN项的转换： （信号的相位角90º）如果使信号的相位角随t1的变化而变化（呈比例）：使所有峰的共振频率都加上了一个数值， ，(移动至一端)F1方向上的正交检测F1方向上的正交检测每增加一个t1的步进，信号的相位角增加90º（π/2）通过相应改变脉冲序列中某个脉冲的相位，可以实现信号相位角的连续变化要使所有峰的频率都为正，需要每个峰频率加上SW1/2,此时采样谱宽变成SW1，时间步进Δ1＝1/(2SW1)，相位角步进：TPPI(time proportional phase incrementation)nullTPPI： 每个t1步进之间相差π/2，使得偶数点为COS调制的话，奇数点即为SIN调制，FT变换前，将偶数点（CON项）和奇数点（SIN项）分别作为实部和虚部，即可得到与states相同的结果。时间步进Δ1＝1/(2SW1)States方法每个t1步进，采两次