核磁共振基本原理 9讲
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核磁共振基本原理 9 讲 吴季辉
核磁 共振原 理及 其在 生物学中 的应 用 第八章
一维多脉冲实验 § 8.1 — § 8.4
核磁共振基本原理 9 讲 吴季辉
• CW-NMR • PFT-NMR 节省时间 信号的可加工性 －－－多脉冲实验
自旋回波
化学位移会聚 J 耦合引起的自旋 裂分会聚
核磁共振基本原理 9 讲 吴季辉
J 调制自 旋回 波 异核体系 13 C-1H J 耦合 回波序列检测 13 C 信号 180° 质子脉冲 , 使质子自旋态翻 转 •J 耦合在多脉冲实验中起关键作用 •回波序列是核磁脉冲序列常见的一种模块，可以消除 化学位移的影响
核磁共振基本原理 9 讲 吴季辉
J 耦合在自 旋回 波中的 作用
90º 脉冲后 后 回波
时间
后
180º 脉冲作用于 I 后
180º 脉冲作用于 S
核磁共振基本原理 9 讲 吴季辉
核磁共振基本原理 9 讲 吴季辉
谱编辑 按 CHn 中 n 的奇偶性将碳分类
核磁共振基本原理 9 讲 吴季辉
磁化 磁化 ( 向量 ): 单位体 积中 某种核 的磁 矩的 总和=(P1-P2+P3-P4)/2 <Sz>=(P1+P2-P3-P4)/2 ( 自旋 ) 极化 : 核自 旋在磁 场中 形成的 不同 能级 上的布 居数 之差 I 核的 极化 = P1-P2= P3-P4 ∝ γ I S 核的 极化 = P1-P3= P2-P4 ∝ γ S
极化 ( 自旋 ) 极化 : 核自旋 在磁 场中形 成的不 同能 级上的 布 居数之 差 I 核的 极化 = P1-P2= P3-P4 ∝ γ I S 核的极 化 = P1-P3= P2-P4 ∝ γ S
观察到 的核磁 信号 正比于 该 核的极 化
核磁共振基本原理 9 讲 吴季辉
极化转 移 若对 I 核施 加一个 选 择性 180 度脉 冲 , 使能 级 1 和 2 的布 居数反 转 S 核的磁 化不变 , 但是极化 发生 变化 : 由于 一种 核的极 化改变 导致 与之耦 合的 其他核 的极 化改变 ，这种 现象称 为极 化转移 S 核的极 化 = P1-P4≠ P2-P3 现在 2-4 能级跃 迁的信 号强 度正比 于 P1-P4 ∝ γ S+ γ I
原来 2-4 能级跃 迁的信 号强 度正比 于 P2-P4 ∝
核磁共振基本原理 9 讲 吴季辉
(in se nsit iv e
INEPT 实验 nu clei e nh an ced by
p ol ariz at io n
tran sf er)
•脉冲序列中 未 注明的 脉冲相 位均为 x 方向 ∀τ=1/4JCH
90º 脉冲后 后 回波
时间
后
180º 脉冲作用于 H 后 180º 脉冲作用于 C
质子能级粒子 数翻转增强碳 13 信号
H τ=1/4JCH 1
α
β
β
α α
β β α
• 对质子加回波序 列 , 演化中期 , 质子 脉冲的作用，确 保第二个 /2 脉冲前 化学位移的影响 已被消除 ( 自旋回波 ) • 在质子 脉冲的同时 , 加碳 脉冲 , 使 碳核自旋符号反 转 , 确保不同自旋态 的 质子不被会聚 • 最后一个 /2 脉冲使质子能 级粒子数 反转 , 使碳 13 纵向磁化矢 量变为横向 磁 化矢量以便检测
γ H/ γ C=4/1 P1-P4 ∝ γ S+ γ I P2-P4 ∝ γ S (P1-P4)/ (P2-P4 )=5/1 P2-P3 ∝ γ S - γ I P1-P3 ∝ γ S (P2-P3)/ (P1-P3 )= － 3/1
现在 2-4 能级跃 迁的信 号 强度正 比于 P1-P4 ∝ γ S+ γ I 原来 2-4 能级跃 迁的信 号 强度正 比于 P2-P4 ∝ γ S 现在 1-3 能级跃 迁的信 号 强度正 比于 P2-P3 ∝ γ S - γ I 原来 1-3 能级跃 迁的信 号 强度正 比于 P1-P3 ∝ γ S
CH 二重峰 5 －3 实际应用中第二个脉冲相位在 +y 和－ y 之间交替 消除天然磁化的贡献 5 －3 )1 1
核磁共振基本原理 9 讲 吴季辉
INEPT 谱线峰型
核磁共振基本原理 9 讲 吴季辉
INEPT 类型实验的优 点 •检测 灵敏度增强 （
H
/γ 13C ≈ 4
倍） •脉冲序列前的弛豫恢复间隔时间 由 H 的弛豫时间而不是 C 的弛豫 时间决定，因而 减少实验时间 •脉冲序列经过修改后可以进行
谱
核磁共振基本原理 9 讲 吴季辉
重聚 INEPT 实验
INEPT 实验中探测脉冲刚过 , 13C 多重峰中各分 量的磁化矢量是反向的 , 若立即加质子去耦 , 磁 化分量相加而相消 , 加 2Δ 延长期 , 使 13C 多重峰 的各分量离开相位相反方向 , 演化为相位相同方 向 , 中间的 π 脉冲 , 除去化学位移的影响
核磁共振基本原理 9 讲 吴季辉
反 INEPT • INEPT 1H • 反 INEPT Δ
C
13 13
C
Δ
极化转移 1 H 极化转移 τ
τ
核磁共振基本原理 9 讲 吴季辉
DEPT 实验 (Distortionless Enhancement by Polarization Transter)
通过改 变脉 冲的偏 转角 实现谱 编辑
核磁共振基本原理 9 讲 吴季辉
DEPT 实验的 优点 DEPT 方法既对重聚 INEPT 序列进行了压缩，同 时又克服了 INEPT 的两点不足之处： • 重聚 INEPT 方法要引起强度和相位的畸变，而 DEPT 方法得到的碳氢多重线具有正常的强度比 和理想的相位。 • 重聚 INEPT 实验中，多重线信号依赖于 J∆ 的 乘积，而在 DEPT 实验中，由 脉冲代替 的 作用，因而减低了多重性信号对 J 的依赖性。
核磁共振基本原理 9 讲 吴季辉
用极化转移 实验区别不 同类型的 碳 以 DEPT 为例：记录 = 90° 和 135° 的 DEPT ，以及普通的氢去耦碳谱 ϑ = 90° 的 DEPT: 只有 CH 峰 ϑ = 135° 的 DEPT: CH 、 CH3 为正峰 , CH2 为负峰 普通的氢去耦碳谱 : 全部为正峰，包括季 碳
核磁共振基本原理 9 讲 吴季辉
CH 峰 CH 、 CH3 为正峰 , CH2 为负峰
上： DEPT － 90 ，中： DEPT － 135 ，下：普通
核磁共振基本原理 9 讲 吴季辉
选择性 脉冲 付里叶 变换实 验 硬脉冲 在一个 相当宽的频谱范 围内起 作用 （当然 有一定的频 偏效应） 软脉冲 ，选择性脉 冲只影响一 个或几个 有 限的可 定义的谱区 域，除此之 外的所有 别 的共振 都不受任何 影响 。 核选择 脉冲 单线选 择脉冲 选择激 发，选择抑 制；简化图 谱，一些 异 核多维 谱脉冲序列 的要求，量 子计算。 。
核磁共振基本原理 9 讲 吴季辉
减少 B1, 增加 tp 方波的激发曲线
使用选择性脉冲的主要问题 1. 脉冲长度 激发 50Hz 宽度 , 脉宽至少 20ms 长脉冲宽度 , 带来驰豫问题 2. 激发的包络线 (excitation profile) 理想的 excitation profile 与实际的 excitation profile
3. 选择性脉冲的相位问题
核磁共振基本原理 9 讲 吴季辉
选择性 激发 的实现
软脉冲 激发：其强 度满足 － X >> γB 1 /2 π > A ∆ν 1/2 。即射 频场强 度应 比所要 照射 谱线的 线宽 强， 但要比 最近邻 谱线 的距离 弱得 多。这 样， 射频场 就只 能影响 所要研 究的 谱线， 而不 影响其 它谱 线 定制激 发 (tail ored ex cita tion) ：其基本 思想 是 ，根据 所要激 发的 频谱， 先计 算与其 对应 的时间 域函 数，也 就是说 ，对 频谱作 逆 Fou rier 变换，然 后用 这 一时间 函数调 制射 频脉冲 的幅 度或宽 度 成形脉 冲 (Shap ed pulse ) ：通 常的 脉冲基 本上 是 矩型的 ，也就 是方 波，而 成形 脉冲的 包络 可以是 特别 选择的 曲线， 在实 际实现 时， 用一系 列的 方波组 成 （相当 于离散 采样 ），每 个的 宽度一 样， 但强度 及相
脉冲形状
高斯脉冲
f (t ) = e
− at 2
激发 的包络线仍 然是高斯函 数
核磁共振基本原理 9 讲 吴季辉
核磁共振基本原理 9 讲 吴季辉
利用成形脉冲 可以使得激发 频率与照射频 率不同
半高斯脉冲 e f (t ) = 0
−a ( t −t 0 ) 2
t ≤ t0 t > t0
半高斯脉冲可改善高斯脉冲的相位 畸变
带选 射频脉 冲
核磁共振基本原理 9 讲 吴季辉
带选 射频脉 冲
选择性激发
核磁 共振原 理及 其在 生物学中 的应 用 第八章
一维多脉冲实验 § 8.1 — § 8.4
核磁共振基本原理 9 讲 吴季辉
• CW-NMR • PFT-NMR 节省时间 信号的可加工性 －－－多脉冲实验
自旋回波
化学位移会聚 J 耦合引起的自旋 裂分会聚
核磁共振基本原理 9 讲 吴季辉
J 调制自 旋回 波 异核体系 13 C-1H J 耦合 回波序列检测 13 C 信号 180° 质子脉冲 , 使质子自旋态翻 转 •J 耦合在多脉冲实验中起关键作用 •回波序列是核磁脉冲序列常见的一种模块，可以消除 化学位移的影响
核磁共振基本原理 9 讲 吴季辉
J 耦合在自 旋回 波中的 作用
90º 脉冲后 后 回波
时间
后
180º 脉冲作用于 I 后
180º 脉冲作用于 S
核磁共振基本原理 9 讲 吴季辉
核磁共振基本原理 9 讲 吴季辉
谱编辑 按 CHn 中 n 的奇偶性将碳分类
核磁共振基本原理 9 讲 吴季辉
磁化 磁化 ( 向量 ): 单位体 积中 某种核 的磁 矩的 总和
极化 ( 自旋 ) 极化 : 核自旋 在磁 场中形 成的不 同能 级上的 布 居数之 差 I 核的 极化 = P1-P2= P3-P4 ∝ γ I S 核的极 化 = P1-P3= P2-P4 ∝ γ S
观察到 的核磁 信号 正比于 该 核的极 化
核磁共振基本原理 9 讲 吴季辉
极化转 移 若对 I 核施 加一个 选 择性 180 度脉 冲 , 使能 级 1 和 2 的布 居数反 转 S 核的磁 化不变 , 但是极化 发生 变化 : 由于 一种 核的极 化改变 导致 与之耦 合的 其他核 的极 化改变 ，这种 现象称 为极 化转移 S 核的极 化 = P1-P4≠ P2-P3 现在 2-4 能级跃 迁的信 号强 度正比 于 P1-P4 ∝ γ S+ γ I
原来 2-4 能级跃 迁的信 号强 度正比 于 P2-P4 ∝
核磁共振基本原理 9 讲 吴季辉
(in se nsit iv e
INEPT 实验 nu clei e nh an ced by
p ol ariz at io n
tran sf er)
•脉冲序列中 未 注明的 脉冲相 位均为 x 方向 ∀τ=1/4JCH
90º 脉冲后 后 回波
时间
后
180º 脉冲作用于 H 后 180º 脉冲作用于 C
质子能级粒子 数翻转增强碳 13 信号
H τ=1/4JCH 1
α
β
β
α α
β β α
• 对质子加回波序 列 , 演化中期 , 质子 脉冲的作用，确 保第二个 /2 脉冲前 化学位移的影响 已被消除 ( 自旋回波 ) • 在质子 脉冲的同时 , 加碳 脉冲 , 使 碳核自旋符号反 转 , 确保不同自旋态 的 质子不被会聚 • 最后一个 /2 脉冲使质子能 级粒子数 反转 , 使碳 13 纵向磁化矢 量变为横向 磁 化矢量以便检测
γ H/ γ C=4/1 P1-P4 ∝ γ S+ γ I P2-P4 ∝ γ S (P1-P4)/ (P2-P4 )=5/1 P2-P3 ∝ γ S - γ I P1-P3 ∝ γ S (P2-P3)/ (P1-P3 )= － 3/1
现在 2-4 能级跃 迁的信 号 强度正 比于 P1-P4 ∝ γ S+ γ I 原来 2-4 能级跃 迁的信 号 强度正 比于 P2-P4 ∝ γ S 现在 1-3 能级跃 迁的信 号 强度正 比于 P2-P3 ∝ γ S - γ I 原来 1-3 能级跃 迁的信 号 强度正 比于 P1-P3 ∝ γ S
CH 二重峰 5 －3 实际应用中第二个脉冲相位在 +y 和－ y 之间交替 消除天然磁化的贡献 5 －3 )1 1
核磁共振基本原理 9 讲 吴季辉
INEPT 谱线峰型
核磁共振基本原理 9 讲 吴季辉
INEPT 类型实验的优 点 •检测 灵敏度增强 （
H
/γ 13C ≈ 4
倍） •脉冲序列前的弛豫恢复间隔时间 由 H 的弛豫时间而不是 C 的弛豫 时间决定，因而 减少实验时间 •脉冲序列经过修改后可以进行
谱
核磁共振基本原理 9 讲 吴季辉
重聚 INEPT 实验
INEPT 实验中探测脉冲刚过 , 13C 多重峰中各分 量的磁化矢量是反向的 , 若立即加质子去耦 , 磁 化分量相加而相消 , 加 2Δ 延长期 , 使 13C 多重峰 的各分量离开相位相反方向 , 演化为相位相同方 向 , 中间的 π 脉冲 , 除去化学位移的影响
核磁共振基本原理 9 讲 吴季辉
反 INEPT • INEPT 1H • 反 INEPT Δ
C
13 13
C
Δ
极化转移 1 H 极化转移 τ
τ
核磁共振基本原理 9 讲 吴季辉
DEPT 实验 (Distortionless Enhancement by Polarization Transter)
通过改 变脉 冲的偏 转角 实现谱 编辑
核磁共振基本原理 9 讲 吴季辉
DEPT 实验的 优点 DEPT 方法既对重聚 INEPT 序列进行了压缩，同 时又克服了 INEPT 的两点不足之处： • 重聚 INEPT 方法要引起强度和相位的畸变，而 DEPT 方法得到的碳氢多重线具有正常的强度比 和理想的相位。 • 重聚 INEPT 实验中，多重线信号依赖于 J∆ 的 乘积，而在 DEPT 实验中，由 脉冲代替 的 作用，因而减低了多重性信号对 J 的依赖性。
核磁共振基本原理 9 讲 吴季辉
用极化转移 实验区别不 同类型的 碳 以 DEPT 为例：记录 = 90° 和 135° 的 DEPT ，以及普通的氢去耦碳谱 ϑ = 90° 的 DEPT: 只有 CH 峰 ϑ = 135° 的 DEPT: CH 、 CH3 为正峰 , CH2 为负峰 普通的氢去耦碳谱 : 全部为正峰，包括季 碳
核磁共振基本原理 9 讲 吴季辉
CH 峰 CH 、 CH3 为正峰 , CH2 为负峰
上： DEPT － 90 ，中： DEPT － 135 ，下：普通
核磁共振基本原理 9 讲 吴季辉
选择性 脉冲 付里叶 变换实 验 硬脉冲 在一个 相当宽的频谱范 围内起 作用 （当然 有一定的频 偏效应） 软脉冲 ，选择性脉 冲只影响一 个或几个 有 限的可 定义的谱区 域，除此之 外的所有 别 的共振 都不受任何 影响 。 核选择 脉冲 单线选 择脉冲 选择激 发，选择抑 制；简化图 谱，一些 异 核多维 谱脉冲序列 的要求，量 子计算。 。
核磁共振基本原理 9 讲 吴季辉
减少 B1, 增加 tp 方波的激发曲线
使用选择性脉冲的主要问题 1. 脉冲长度 激发 50Hz 宽度 , 脉宽至少 20ms 长脉冲宽度 , 带来驰豫问题 2. 激发的包络线 (excitation profile) 理想的 excitation profile 与实际的 excitation profile
3. 选择性脉冲的相位问题
核磁共振基本原理 9 讲 吴季辉
选择性 激发 的实现
软脉冲 激发：其强 度满足 － X >> γB 1 /2 π > A ∆ν 1/2 。即射 频场强 度应 比所要 照射 谱线的 线宽 强， 但要比 最近邻 谱线 的距离 弱得 多。这 样， 射频场 就只 能影响 所要研 究的 谱线， 而不 影响其 它谱 线 定制激 发 (tail ored ex cita tion) ：其基本 思想 是 ，根据 所要激 发的 频谱， 先计 算与其 对应 的时间 域函 数，也 就是说 ，对 频谱作 逆 Fou rier 变换，然 后用 这 一时间 函数调 制射 频脉冲 的幅 度或宽 度 成形脉 冲 (Shap ed pulse ) ：通 常的 脉冲基 本上 是 矩型的 ，也就 是方 波，而 成形 脉冲的 包络 可以是 特别 选择的 曲线， 在实 际实现 时， 用一系 列的 方波组 成 （相当 于离散 采样 ），每 个的 宽度一 样， 但强度 及相
脉冲形状
高斯脉冲
f (t ) = e
− at 2
激发 的包络线仍 然是高斯函 数
核磁共振基本原理 9 讲 吴季辉
核磁共振基本原理 9 讲 吴季辉
利用成形脉冲 可以使得激发 频率与照射频 率不同
半高斯脉冲 e f (t ) = 0
−a ( t −t 0 ) 2
t ≤ t0 t > t0
半高斯脉冲可改善高斯脉冲的相位 畸变
带选 射频脉 冲
核磁共振基本原理 9 讲 吴季辉
带选 射频脉 冲
选择性激发
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