核磁共振医学课件6教程文件.ppt

核磁共振( 1H-NMR) 核磁共振Nuclear Magnetic Resonance Spectroscopy, 简称NMR 核磁共振(1H-NMR)在化学中的应用己有五十年了NMR的理论基础是量子光学和核磁感应理论 按观察的核不同，有1H、13C 、31P、19F-NMR 按独立频率变量个数可分为一维谱、二维谱、三维谱 核磁共振分析能够提供三种结构信息：化学位移、偶合常数J、各种核的信号强度比 通过分析这些信息，可以了解特定原子(如1H 、 13C等)的化学环境、原子个数、邻接基团的种类及分子的空间构型 NMR己经成为现代结构分析中十分重要的手段NMR可以提供多种结构信息，不破坏样品，应用很广泛 NMR也可以作定量分析，但误差较大，不能用于痕量分析 NMR在化学、生物学、医学和材料科学等领域的应用日趋广泛 4.1 NMR的基本原理4.1.1 原子核的自旋 原子核有自旋现象，自旋时将产生磁矩 表4-1 核的自旋与核磁共振、质质量数 原子序数 自旋量子数自旋形状NMR信号原子核偶偶0非自旋球体无12C,16O, 28Si , 32S奇奇或偶1/2自旋球体有1H、13C、19F、29Si、31P奇奇或偶3/2、5/2、7/2自旋椭椭球体有11B,17O,33S,35Cl,偶奇1、2、3自旋椭椭球体有2H,10B,14N 自旋量子数是1/2的核，如1H、13C、19F、29Si、31P等是NMR测试的主要对象。

I0的核理论论上都有核磁共振现现象 原子核置于外加磁场中，核有不同的自旋取向自旋量子数为I的核，共有2I+1个自旋取向 每个自旋取向用磁量子数m表示， 则m=I,I-1,I-2,0-I 所以I=1的2H核为例，则其共有2I+1=21+1=3个自旋取向，即m=1,0,-l P= = h为普朗克常数；=h/2，为角动量的单位自旋不为零的原子核都有磁矩，其数值用表示： =P 叫旋磁比，它是核磁矩与自旋角动量之比=/P 自旋产生的角动量P不是任意数值，是由自旋量子数决定的，根据量子力学理论，原子核的总角动量P的值为：4.1.2 核磁共振: 1H原子核自旋量子数I=1/2 磁量子数m有两个值，m=+1/2、m=-1/2在外加磁场B0中， 1H有两个自旋取向核磁矩在Z轴上的投影Z，其值为：Z= PZ=m 核磁矩与磁场的相互作用能为EE= -Z B0 = -m B0 当m= -1/2时：E(-1/2)= -(-1/2) B0 = (1/2) B0 当m=+1/2时：E(+1/2)= -(+1/2) B0= (-1/2) B0 发生跃迁的能量差为：E= E(-1/2)- E(+1/2)= B0 磁场中核磁矩方向与外加磁场成一定的角度，核一方面自旋，自旋的核受到一个外力矩的作用，使氢核在自旋的同时还绕顺磁场方向的一个假想轴回旋进动，叫拉莫尔（Larmor）进动 。

回旋频率1与外加磁场成正比： 1= B0 式中：-旋磁比，B0-外加磁场 在磁场中1H有二个能级，若在B0的垂直方向用电磁波照射，核可以吸收能量从低能级跃迁到高能级吸收的电磁波的能量等于E，频率为2： h2=E= B0= h B0 磁共振的基本关系式为： = B0 同一种核，为一常数；磁场B0强度增大，共振频率也增大 不同的核不同，共振频率也不同如 B0=2.3TG(1TG=104高斯)时，1H共振频率为100MHZ，13C为25 MHZ，31P为40.5 MHZ所以测定一种核时其他核无信号. 也就是说在外加磁场中，当1=2时，核会吸收射频的能量，由低能级跃迁到高能级，这种现象叫核磁共振 吸收的电磁波的频率为：2= B0 4.1.3 饱和与弛豫: 核有两种能级状态，两者之间能量差很小，低能级核的总数仅有很少的多数低能级与高能级核数目之比为： eE/KT=eHh/2KT=l0000099 饱和:若高能级的核没有其他途径回到低能级，没有过剩的低能级核可以跃迁，NMR讯号将消失，这个现象叫饱和 弛豫 : 在测试过程中，高能级的核可以不用幅射的方式回到低能级，这个现象叫弛豫2）自旋-自旋弛豫，又叫横向弛豫。

高能级核把能量传递给邻近一个低能级核在此弛豫过程前后，各种能级核的总数不变其半衰期用T2表示 （1）自旋晶格弛豫，又叫纵向弛豫核与环境(又叫晶格)进行能量交换，高能级的核把能量以热运动的形式传递出去，由高能级返回低能级这个弛豫过程的时间，其半衰期用T1表示，T1越小表示弛豫过程的效率越高 弛豫有两种方式： 4.2 核磁共振仪简介 核磁共振现象的观察有两种方法，可用连续波仪器或用脉冲傅立叶变换核磁共振仪完成 连续波仪器中一般用永磁铁或电磁铁，在固定射频下进行磁场扫描或在固定磁场下进行频率扫描，使不同的核依次满足共振条件而画出谱线连续波仪器做样时间长，灵敏度低，无法完成13C核磁共振和二维核磁共振的工作，已经基本不生产，而代之为脉冲傅立叶变换核磁共振仪 4.2.1 连续波核磁共振仪1.磁铁：用来产生一个强的外加磁场 磁铁：永久磁铁、电磁铁、超导磁铁三种 前两种磁铁的仪器最高可以做到100MHZ，超导磁铁可高达950MHZ MHZ数越大，磁场强度越大，仪器越灵敏，做出来的图谱越简单，越易解析连续波核磁共振仪部件图 在磁铁上有一个扫描线圈(又叫Helmholtz线圈)内通直流电它产生一个附加磁场，可用来调节原有磁场的磁场强度，连续改变磁场强度进行扫描。

2. 射频振荡器：用于产生射频一般情况下，射频频率是固定的在测定其他核如13C、15N时，要更换其他频率的射频振荡器3. 射频接受器和记录仪：产生核磁共振时，射频接受器能检出被吸收的电磁波能量此讯号被放大后，用仪器记录下来就是NMR谱图射频振荡器、射频接受器在样品管外面，它们两者互相垂直并且也与扫描线圈垂直6. 其他：核磁共振仪还可以有其他一些装置，用于不同的测试目的，扩大仪器的应用:如双照射去偶装置，用于做各种双照射测定 5. 电子计算机(工作站)：用于控制测试过程，作数据处理，如累加信号等4. 探头和样品管座：射频线圈和射频接受线圈都在探头里样品管座能够旋转，使样品受到均匀的磁场4.2.2 脉冲付里叶变换核磁共振仪(PFT-NMR仪) 连续波核磁共振仪是用扫频或扫场的方式来观察NMR信号的由于每一时刻只能观察一条谱线，所以效率低 脉冲付里叶变换核磁共振仪如前所述，是用一个强的射频，以脉冲方式(一个脉冲中同时包含了一定范围的各种频率的电磁波)可将样品中所有的核激发为了提高信噪比，需要多次重复照射、接收，将信号累加 现在生产的脉冲付里叶变换核磁共振仪大多是超导核磁共振仪，采用超导磁铁产生高的磁场。

超导线圈浸泡在液氦中，为了减少液氦的蒸发，液氦外面用液氮冷却这样的仪器可以做到200-900MHz仪器性能大大提高，但消耗也大大增加 脉冲付里叶变换核磁共振仪部件图 PFT-NMR仪采用发射脉冲使各种不同的核同时被激发为了恢复平衡，各个核通过各种方式弛豫，在接收机中可以得到一个随时间逐步衰减的信号，称FID(自由感应衰减)信号它是各种核的FID信号的叠加，这种信号是随时间衰减的信号f(t)而平常的NMR中信号是频率的函数f(W)或f()，所以要用计算机进行付里叶变换将f(t)变成f(w)或f()，得到普通的NMR图 4.2.3脉冲傅立叶变换核磁共振的基本原理样品放进静磁场B0中后，各个质子会绕B0作回旋进动回旋进动将沿着以B0为轴的顶点为坐标原点的两个圆锥面进行 宏观磁化强度矢量M为各个原子的核 磁矩i的矢量和，M=i 从统计规律讲，原子的核磁矩i均匀分布在两个圆锥面上，但在两个圆锥面上的核磁矩数目略有区别，沿着B0方向的核磁矩数目略多一些 宏观磁化强度M是沿着B0方向的 此时B0方向的宏观磁化强度M0在Y方向的分量为0，无核磁共振信号 如果沿x方向加一个射频脉冲，在y方向来接受信号此时，宏观磁化强度M0不再保持静止，而是绕着x轴转动，也就是核自旋受到了激发。

激发为x 方向时，宏观磁化强度转动方向为ZY-Z-YZM0偏离Z轴，倾倒了一个角度若此角度为90o，这个射频脉冲叫90o射频脉冲这时M在Y方向的分量My最大 射频脉冲过后， M仍受到外加静磁场B0的作用，逐渐要恢复到热平衡状态核磁矩在XY平面上的分布由相对密集，到均匀分散（图4-3c）叫横向弛豫， 其弛豫时间用T2表示射频脉冲过后，即从MM0这个过程叫纵向弛豫，其变化速率用弛豫时间T1表示 宏观磁化强度MM0的过程，同时M还在进行着拉摩尔进动两种运动的综合结果，M将象图4-4所示那样，以螺旋旋进的方式恢复到M0此时，在Y轴方向上的探测器将测得宏观磁化强度M在Y轴上分量My的变化 图4-4 宏观磁化强度M的激发和弛豫过程 如果要把My随时间t的变化表示出来，就是把MM0过程中M的螺旋旋进图形向ZY平面作投影，其坐标为My和t 这个My随时间t变化的图形，叫做自由感应衰减信号(free induction decay,FID)，它代表信号随时间t的变化的函数，f(t)若要将FID信号转化为一般的图谱，必须经过傅立叶变换，将f(t)转化为频畴函数g()，得到核磁共振谱43 化学位移 由NMR测定可从得到3个光谱参数，化学位移、偶合常数J、谱线强度。

4.3.1 化学位移的起源 核磁共振的条件是改变频率或磁场强度，使满足特定核的共振条件： = B0 对于同一种核，旋磁比是相同的固定了射频频率，是否所有核都在同一个磁场强度下发生共振呢? 非！ 核的共振磁场强度与它的化学环境有关 化学位移：质子或其他的核，由于在分子中所处的化学环境不同，因而在不同的磁场下共振的现象叫化学位移 出现化学位移的原因是各种氢核所处的化学环境不同，所受到的屏蔽作用不同造成的 屏蔽作用：当氢核处在外加磁场中时，其外部电子在外加磁场相垂直的平面上绕核旋转的同时，将产生一个与外加磁场相对抗的附加磁场附加磁场使外加磁场对核的作用减弱这种核外电子削弱外加磁场对核的影响的作用叫抗磁屏蔽 若以表示屏蔽常数， 外加磁场为B0， 这个屏蔽作用的大小为 B0，所以核的实受磁场B=B0- B0 故核磁共振的条件应表达为： = B = B0（1-） 是核的化学环境的函数，不同氢核所处的化学环境不同，值也不同，不同氢核在不同磁场强度下共振，产生了化学位移 各种氢核化学位移的差别是很小的，差异大约在10-6范围内，即百万分之几这么小的磁场差别是仪器测不出来的 使用标准物的化学位移为原点，其他质子与它的距离（频率差）即化学位移值用PPm为单位。

化学位移值与仪器无关是一个无因次的参数 = 106= 106 （PPm） = 106= 106 （PPm） 式中 ： -待测峰与标准物共振频率之差(HZ) B一待测峰与标准物共振磁场之差(HZ) 样（标）-样品(标准物)的共振频率 B样（B标）-样品(标准物)的共振磁场 标准物一般用四甲基硅(TMS)，只出一个单峰它的值定为0，绝大多数有机化合物质子出峰在其左边约0l5PPm处，化学位移为正值，若出峰在TMS的右边则为负 以前用作化学位移值的单位，TMS的峰=10， =10- 同一个物质的某一个质子其出峰位置即化学位移用 （PPm）表示时，其数值是不变的；但若用Hz作单位，则其数值因仪器MHZ数而异 （HZ）=ppm仪器兆周数 例如一个质子=2PPm， 这个质子在60MHZ的仪器中，离开标准物的距离=260=120HZ； 而在100 MHZ仪器中，=2100=200HZ 同样是1PPm的化学位移差，在60 MHZ仪器中包含了60HZ； 而在100 MHZ仪器中， 1 PPm的化学位移差包含了100HZ 质子 的屏蔽效应、化学位移值与共振磁场之间的关系： 图4-6 NMR中，与B0的关系4.3.2标准物及溶剂 化学位移值是选择某个标准物的化学位移作参考来测量的，这个标准物常用作内标。