核磁共振(NMR)是指自旋量子數(shù)不為零的原子核(比如1H、13C、27Al、29Si等)在靜磁場(chǎng)(B0)作用下，核自旋能級(jí)發(fā)生塞曼(Zeeman)能級(jí)裂分，其能級(jí)差為：ΔE = ?ω0，若對(duì)該體系施加一個(gè)垂直于靜磁場(chǎng)方向且能量等于相鄰能級(jí)間能量差的射頻場(chǎng)(B1)時(shí)，核自旋能級(jí)間產(chǎn)生共振躍遷的過(guò)程。自旋核在射頻場(chǎng)作用下會(huì)繞靜磁場(chǎng)B0旋轉(zhuǎn)，稱為拉莫爾(Larmor)進(jìn)動(dòng)。Larmor頻率ω的大小取決于原子核的種類和外磁場(chǎng)的大?。害?= γB0。

?

NMR實(shí)驗(yàn)常用測(cè)量參數(shù)

(1)化學(xué)位移和J偶合

化學(xué)位移作用，也稱屏蔽作用，是指在磁場(chǎng)中，由于原子核外電子的運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生一個(gè)小的磁場(chǎng)Be(local field)，此小磁場(chǎng)與外加磁場(chǎng)B0方向相反，從而使原子核感受到一個(gè)比外加磁場(chǎng)小的磁場(chǎng)的現(xiàn)象。一方面，分子中不同原子核周圍電子屏蔽效應(yīng)不同導(dǎo)致不同原子核感受到的外磁場(chǎng)強(qiáng)度不同;另外，由于鄰近核自旋的影響，在不同化學(xué)環(huán)境中相同自旋核的拉莫爾頻率也會(huì)出現(xiàn)偏差。因此化學(xué)位移能夠反映原子核在分子中的化學(xué)環(huán)境或原子核附近的電子云密度分布，可作為鑒別或測(cè)定化合物結(jié)構(gòu)的重要依據(jù)?；瘜W(xué)位移(δ)是相對(duì)值，一般情況下會(huì)選擇一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)，比如四甲基硅烷(TMS)的質(zhì)子化學(xué)位移作為標(biāo)準(zhǔn)。

J耦合，即自旋-自旋耦合作用，指相鄰原子核通過(guò)化學(xué)鍵(電子云)發(fā)生的作用。兩個(gè)自旋核之間的耦合作用大小稱為J耦合常數(shù)。J耦合會(huì)引起共振峰的分裂而形成多重峰;多重峰包含了相互作用的原子核彼此間的空間結(jié)構(gòu)信息。

化學(xué)位移和J耦合常數(shù)是NMR中很重要的兩個(gè)參數(shù)。不同化學(xué)基團(tuán)上的1H或者13C的化學(xué)位移不同，不同分子結(jié)構(gòu)的物質(zhì)中J耦合裂分方式也不同，這些差異為NMR應(yīng)用于分子結(jié)構(gòu)解析奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

?

(2)弛豫時(shí)間

當(dāng)磁化矢量在某一時(shí)間受到外界擾動(dòng)時(shí)，其磁化矢量即處于非平衡狀態(tài)，當(dāng)擾動(dòng)去除后，磁化矢量就要向著平衡方向移動(dòng)，這一過(guò)程稱為弛豫過(guò)程。弛豫時(shí)間分別為縱向弛豫時(shí)間(T1)和橫向弛豫時(shí)間(T2)，也分別稱為自旋-晶格弛豫時(shí)間和自旋-自旋弛豫時(shí)間。其中，T1是縱向磁化強(qiáng)度向平衡狀態(tài)恢復(fù)的時(shí)間，T2是橫向磁化強(qiáng)度向平衡狀態(tài)恢復(fù)的時(shí)間。弛豫時(shí)間與核之間的化學(xué)位移各向異性、偶極-偶極相互作用、四極相互作用等方面有關(guān)。通過(guò)測(cè)量弛豫時(shí)間，不僅可以獲得分子運(yùn)動(dòng)性的相關(guān)信息，還可以獲得常規(guī)液體譜圖上無(wú)法獲得信息，例如各向同性液體樣品中的偶極-偶極耦合信息。弛豫時(shí)間的測(cè)定是許多NMR實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)。

?

(3)自擴(kuò)散系數(shù)

自擴(kuò)散，是一種無(wú)規(guī)則的運(yùn)動(dòng)，類似于布朗運(yùn)動(dòng)，是指均勻分布相同粒子下的單個(gè)粒子的運(yùn)動(dòng)，其周圍的粒子都是隨機(jī)的，即在不存在化學(xué)勢(shì)梯度時(shí)的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)。自擴(kuò)散系數(shù)是用來(lái)衡量分子運(yùn)動(dòng)快慢的重要參數(shù)。假設(shè)分子為球形，其處于粘度為?的連續(xù)介質(zhì)中的擴(kuò)散系數(shù)可以用Stokes-Einstein方程描述：

其中，D為自擴(kuò)散系數(shù)，k為Boltzman常數(shù)，T為絕對(duì)溫度，RH為球形分子的水合動(dòng)力學(xué)半徑。從公式中可看出，自擴(kuò)散系數(shù)大小與分子形狀尺寸、體系溫度、溶液粘度及分子間相互作用等密切相關(guān)，也就是說(shuō)，任何能夠改變分子整體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的物理或化學(xué)變化都可在自擴(kuò)散系數(shù)上表現(xiàn)出來(lái)。因此，可通過(guò)測(cè)量自擴(kuò)散系數(shù)來(lái)研究各種體系中分子的聚集狀態(tài)及分子間相互作用等。

隨著脈沖梯度場(chǎng)技術(shù)的發(fā)展，用NMR測(cè)定分子自擴(kuò)散系數(shù)已經(jīng)成為NMR動(dòng)為學(xué)中的重要組成部分。

?

(4)二維同核NMR實(shí)驗(yàn)

COSY譜(Correlation Spectroscopy)是最簡(jiǎn)單且用途最廣的二維實(shí)驗(yàn)。COSY是通過(guò)J耦合建立的自旋核與自旋核之間的聯(lián)系，也叫化學(xué)位移相關(guān)譜。同核COSY譜圖中的交叉峰表明了鄰近同核原子之間的耦合。另外，當(dāng)一維譜圖中譜峰重疊或變寬導(dǎo)致譜圖難以解析時(shí)，COSY可以輔助譜峰信號(hào)的歸屬。COSY實(shí)驗(yàn)不僅可以用于觀察1H-1H等同核原子之間的相關(guān)性，還可用于關(guān)聯(lián)其他元素的化學(xué)轉(zhuǎn)移。

TOCSY(Total Correlation Spectroscopy)實(shí)驗(yàn)可以提供整個(gè)自旋體系的信息，通過(guò)特殊的脈沖序列，實(shí)現(xiàn)從一個(gè)氫核的譜峰出發(fā)，找到與它處于同一耦合體系的所有氫核的相關(guān)峰。TOCSY實(shí)驗(yàn)中，磁化矢量在整個(gè)自旋系統(tǒng)內(nèi)轉(zhuǎn)移，混合時(shí)間的長(zhǎng)短決定磁化矢量轉(zhuǎn)移的遠(yuǎn)近;混合時(shí)間越長(zhǎng)，磁化矢量傳遞越遠(yuǎn)，而混合時(shí)間很短時(shí)，TOCSY譜相當(dāng)于COSY譜。

二維NOESY(Nuclear Overhauser Enhancements Spectroscopy)實(shí)驗(yàn)主要用于譜峰歸屬、結(jié)構(gòu)的確定、立體構(gòu)型及構(gòu)象的研究。有機(jī)分子中兩個(gè)1H核(例如HA和HB)的空間距離非常相近(通常指3.5?以下)時(shí)，照射HA至飽和，則HA信號(hào)消失，而HB的信號(hào)強(qiáng)度增大，這種現(xiàn)象稱NOE效應(yīng)。是由于空間靠近的核自旋之間的交叉弛豫引起的。NOE的強(qiáng)弱直接與相互作用的原子核間距離有關(guān)，因此NOE在分子結(jié)構(gòu)計(jì)算中往往用于提供原子間距離和空間結(jié)構(gòu)的信息。NOESY實(shí)驗(yàn)經(jīng)常被用來(lái)確定一些生物大分子的構(gòu)象，如蛋白質(zhì)，核酸，DNA，RNA等。

原子核在外磁場(chǎng)中的Zeeman分裂所造成的能級(jí)差非常小，處在低能級(jí)的核自旋吸收外加射頻場(chǎng)能量躍遷到離能級(jí)后靠自發(fā)輻射再回到低能級(jí)的效率非常低。因此NMR中核自旋的弛豫主要靠和它周圍偶極子的相互作用。

?

(5)二維異核NMR實(shí)驗(yàn)

異核相關(guān)實(shí)驗(yàn)中最常用的是13C-1H耦合系統(tǒng)，此外15N-1H，29Si-1H系統(tǒng)也得到廣泛的應(yīng)用。異核二維相關(guān)實(shí)驗(yàn)是直接觀測(cè)13C、15N等不靈敏核并獲得它們與1H之間耦合相關(guān)信息的重要手段。但是因?yàn)?3C、15N等雜原子的天然豐度低且旋磁比低，NMR信號(hào)非常弱，一維譜采樣便較為困難，二維譜則需要占用更長(zhǎng)的時(shí)間，這嚴(yán)重影響了異核二維相關(guān)實(shí)驗(yàn)的廣泛應(yīng)用。

HMQC(Heteronuclear Multiple Quantum Correlation，異核多量子相關(guān))實(shí)驗(yàn)是通過(guò)檢測(cè)1H信號(hào)而達(dá)到間接測(cè)13C或者15N信號(hào)的一種方法。對(duì)于濃度很稀的樣品，直接測(cè)得一維13C譜往往需要十幾個(gè)小時(shí)，而測(cè)15N譜幾乎不可能，可是用HMQC方法測(cè)小分子的13C-1H相關(guān)譜圖一般只需要1-2小時(shí)，測(cè)15N-1H相關(guān)譜圖用大半天也可以取得較好的結(jié)果。不僅如此，而且獲得的結(jié)果是二維相關(guān)譜，從中可以直接獲得異核耦合的信息，大大方便了信號(hào)的歸屬。

HSQC(Heteronuclear Single Quantum Correlation，異核單量子相關(guān))實(shí)驗(yàn)可以給出直接相連的碳?xì)湎嚓P(guān)信息，而不能解決碳與季碳相連的問(wèn)題，或隔碳相連的問(wèn)題。HSQC與HMQC的譜圖相同，都是顯示1H核和與其直接相連的13C核的相關(guān)峰，其作用相應(yīng)于C,H-COSY譜;其中HSQC譜圖中F1維分辨率比HMQC高，但脈沖序列更為復(fù)雜。

HMBC(Heteronuclear Multiple Bond Correlation，異核多重鍵相關(guān))實(shí)驗(yàn)仍以HMQC實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)，脈沖序列由四個(gè)簡(jiǎn)單HMQC脈沖序列組成，只不過(guò)長(zhǎng)程耦合常數(shù)比單鍵耦合常數(shù)小很多而已。相鄰2鍵或者3鍵的13C-1H耦合常數(shù)一般為5-10Hz，實(shí)驗(yàn)中只要按J=7.5Hz設(shè)定為70ms，就可達(dá)到HMQC的實(shí)驗(yàn)?zāi)康?。因此HMBC實(shí)驗(yàn)本質(zhì)上說(shuō)是借助于較小耦合常數(shù)完成的HMQC實(shí)驗(yàn)，在演化過(guò)程中也是多量子相干在起作用。與HMQC譜中一個(gè)1H峰只能與一個(gè)13C峰相關(guān)不同的是，在HMBC中，一個(gè)1H峰可以與多個(gè)13C峰相關(guān)。HMBC實(shí)驗(yàn)主要用于解決四級(jí)碳信號(hào)的問(wèn)題。

?

科學(xué)指南針為超過(guò)3000家高校和企業(yè)提供一站式科研服務(wù)。截止2021年6月：服務(wù)1049家高校、2388家企業(yè)，提供249所高校研究所免費(fèi)上門(mén)取樣服務(wù)，平均每天處理樣品數(shù)5000+、 注冊(cè)會(huì)員數(shù)18w+、平均4.5天出結(jié)果、客戶滿意度超過(guò)98%。

?

免責(zé)聲明：部分文章整合自網(wǎng)絡(luò)，因內(nèi)容龐雜無(wú)法聯(lián)系到全部作者，如有侵權(quán)，請(qǐng)聯(lián)系刪除，我們會(huì)在第一時(shí)間予以答復(fù)，萬(wàn)分感謝。

更多科研作圖、軟件使用、表征分析、SCI 寫(xiě)作等干貨知識(shí)可以掃碼關(guān)注下哦~