54.6其它核磁共振技术 4.6.1固体高分辨核磁共振 固体样品的核磁共振谱线线宽要比液体样品宽得多。这是由于固体中的核受到各种 “静”的各向异性作用,而在液体中,则由于分子的快速运动把这些各向异性作用平均掉 了。为了得到固体样品的高分辨NMR谱,就必须有许多特殊的实验技术 般说来要得到固体高分辨NMR谱,首先必须用魔角旋转( Magic Angle Spinning简 称MAS)去掉化学位移各向异性引起的增宽(魔角是547°)目前转速可高达35kHz。对 于稀核必须使用交叉极化( Cross polarization简称CP)技术来解决灵敏度。另外还可使用高 功率去耦技术(去耦功率可高达1000W),去掉异核的偶极相互作用。实际上CP技术与 异核高功率去耦技术可以同时完成。因此,目前获得固体高分辨谱的常用方法是CP-MAS 下图是金刚烷的CP-MAS谱和静态谱。从图中可见, CP-MAS法获得了类似于液体谱 的固体高分辨谱。 46.1金刚烷的结构图示及它的 CP-MAS和静态谱 4.6.2二维核磁共振(2DNR) 1.二维核磁共振谱原理 二维核磁共振谱可以看作是一维NMR的自然推广。它是由两个独立的时间变量,经 两次傅立叶变换后得到两个独立的频率变量的谱图。在核磁中的二维必须是两个频率变量 才能被称为二维NMR,而像变化一些实验条件,如浓度、温度、PH值等,人们仍能得到 系列谱线,虽然变化的参数可以说是“第二个变量”,但这样的谱线簇仍是一维簇。 在2D-NMR实验中,需两个独立的时间变量,在时间轴上,按它们各自的物理意义可 分割成四个区间,即: 预备期 发展期 混合期 检测期 预备期:预备期通常是一个较长的时期,一般由较长的延迟时间和激发脉冲组成,较 长的延迟时间是为了使体系回复到平衡状态,然后再给以激发脉冲,以产生所需要的单量 子相干或多量子相干
§4.6 其它核磁共振技术 4.6.1 固体高分辨核磁共振 固体样品的核磁共振谱线线宽要比液体样品宽得多。这是由于固体中的核受到各种 “静”的各向异性作用，而在液体中，则由于分子的快速运动把这些各向异性作用平均掉 了。为了得到固体样品的高分辨 NMR 谱，就必须有许多特殊的实验技术。 一般说来要得到固体高分辨 NMR 谱，首先必须用魔角旋转(Magic Angle Spinning 简 称 MAS)去掉化学位移各向异性引起的增宽（魔角是 54.7°）目前转速可高达 35 kHz。对 于稀核必须使用交叉极化(Cross Polarization 简称 CP)技术来解决灵敏度。另外还可使用高 功率去耦技术（去耦功率可高达 1000 W），去掉异核的偶极相互作用。实际上 CP 技术与 异核高功率去耦技术可以同时完成。因此，目前获得固体高分辨谱的常用方法是 CP-MAS 法。 下图是金刚烷的 CP-MAS 谱和静态谱。从图中可见，CP-MAS 法获得了类似于液体谱 的固体高分辨谱。 图 4.6.1 金刚烷的结构图示及它的 CP-MAS 和静态谱 4.6.2 二维核磁共振（2D-NMR） 1． 二维核磁共振谱原理 二维核磁共振谱可以看作是一维 NMR 的自然推广。它是由两个独立的时间变量，经 两次傅立叶变换后得到两个独立的频率变量的谱图。在核磁中的二维必须是两个频率变量 才能被称为二维 NMR，而像变化一些实验条件，如浓度、温度、PH 值等，人们仍能得到 一系列谱线，虽然变化的参数可以说是“第二个变量”，但这样的谱线簇仍是一维簇。 在 2D-NMR 实验中，需两个独立的时间变量，在时间轴上，按它们各自的物理意义可 分割成四个区间，即： 预备期 发展期 混合期 检测期 预备期：预备期通常是一个较长的时期，一般由较长的延迟时间和激发脉冲组成，较 长的延迟时间是为了使体系回复到平衡状态，然后再给以激发脉冲，以产生所需要的单量 子相干或多量子相干
发展期():发展期紧接在预备期后,由于激发后,体系处于一个非平衡状态,随着t 的变化,磁化强度运动处于不断变化中,即t控制磁化强度运动,并根据各种不同的化学 环境的不同进动频率对它们的横向磁化矢量作岀标识,以便在检测期检测信号,采样累 加 混合期(lm):由一组固定长度的脉冲和延迟组成,建立信号检测的条件。混合期也 有可能不存在,它不是必不可少的。 检测期():在此期间内用通常方式检测FID信号,它的初始相及幅度受到t函数的调 用固定时间增量△n依次递增h进行一系列实验,反复累加,因t2时间检测的信号S() 的振幅或相位受到t1的调制,则接收机接收的信号不仅与l2有关,还与n有关。每改变一 个自,记录S(t2),由此得到分别以时间变量n,为行,列排列的数据阵,即在检测期 内获得一组FID信号,组成二维时间域信号S(h,)。因n,b是两个独立的时间变量, 可以分别对它进行傅立叶变换,一次对,一次对自,两次傅立叶变换的结果,得到两个 频率变量的函数S(w,w2),如下图所示: 图4.6.2核磁共振二维谱例 2.二维核磁共振谱分类 二维核磁共振谱可分为下面三大类: 1)二维分解谱,或称J谱,δ∽J谱,它把化学位移和自旋耦合作用分辨开来,J谱包 括异核J谱及同核J谱 2)二维相关谱,或称化学位移相关谱,δ-δ谱。它表明共振信号的相关性。它亦可 分为同核化学位移相关谱(COSY、相敏COSY、 LR COSY、 COSY DEC、 SECOSY、PS-DQF等) 异核化学位移相关谱(C- H COSY、 RELAY、 Reverse或 Inverse等)交叉弛豫和化学交换 3)多量子谱,二维谱一般可用堆积图和等高图来表示。堆积图的优点是直观,有立 体感,但缺点是难找出吸收峰的频率、大峰后面可能隐藏的较小峰,而且作图耗时较多 等高图类似于等高线地图,最中心的圆圈表示峰的位置,圆圈的数目表示峰的强度。这种 图的优点是易于找出峰的频率,作图快,研究δ-δ,δ-J之间的关系比较方便,但等高 图可能把低强度的峰漏掉。一般位移相关谱全部采用等高线图,两种图见下图
发展期(t1)：发展期紧接在预备期后，由于激发后，体系处于一个非平衡状态，随着 t1 的变化，磁化强度运动处于不断变化中，即 t1 控制磁化强度运动，并根据各种不同的化学 环境的不同进动频率对它们的横向磁化矢量作出标识，以便在检测期检测信号，采样累 加。 混合期（tm）：由一组固定长度的脉冲和延迟组成，建立信号检测的条件。混合期也 有可能不存在，它不是必不可少的。 检测期(t2)：在此期间内用通常方式检测 FID 信号，它的初始相及幅度受到 t1 函数的调 制。 用固定时间增量Δt1 依次递增 t1 进行一系列实验，反复累加，因 t2 时间检测的信号 S(t2) 的振幅或相位受到 t1 的调制，则接收机接收的信号不仅与 t2 有关，还与 t1 有关。每改变一 个 t1，记录 S（t2），由此得到分别以时间变量 t1，t2 为行，列排列的数据阵，即在检测期 内获得一组 FID 信号，组成二维时间域信号 S（t1, t2）。因 t1, t2 是两个独立的时间变量， 可以分别对它进行傅立叶变换，一次对 t2，一次对 t1，两次傅立叶变换的结果，得到两个 频率变量的函数 S（w1, w2），如下图所示： 图 4.6.2 核磁共振二维谱例 2． 二维核磁共振谱分类 二维核磁共振谱可分为下面三大类： 1）二维分解谱，或称 J 谱，δ-J 谱，它把化学位移和自旋耦合作用分辨开来，J 谱包 括异核 J 谱及同核 J 谱。 2）二维相关谱，或称化学位移相关谱，δ-δ谱。它表明共振信号的相关性。它亦可 分为同核化学位移相关谱（COSY、相敏 COSY、LR COSY、COSY DEC、SECOSY、PS-DQF 等） 异核化学位移相关谱（C-H COSY、RELAY、Reverse 或 Inverse 等）交叉弛豫和化学交换。 3）多量子谱，二维谱一般可用堆积图和等高图来表示。堆积图的优点是直观，有立 体感，但缺点是难找出吸收峰的频率、大峰后面可能隐藏的较小峰，而且作图耗时较多。 等高图类似于等高线地图，最中心的圆圈表示峰的位置，圆圈的数目表示峰的强度。这种 图的优点是易于找出峰的频率，作图快，研究δ-δ，δ-J 之间的关系比较方便，但等高 图可能把低强度的峰漏掉。一般位移相关谱全部采用等高线图，两种图见下图
糖的一种衍生物的堆积图(溶剂CDCl3) 糖的一种衍生物的等高图(同堆积图的样品) 图463堆积图 图464等高图 463三维NMR谱 在三维NMR的基础上引入第三堆频率,可极大地提高信号的分辨率,它的脉冲序列 如下所示。 预备期发展期混合期检测期 2D实验1 2D实验2 预备期发展期混合期|检测期 2D实验3预备期发展期1混合期1发展期2混合期2检测期 图46.5在三维NMR原理示意图
糖的一种衍生物的堆积图（溶剂 CDCl3） 糖的一种衍生物的等高图（同堆积图的样品） 图 4.6.3 堆积图 图 4.6.4 等高图 4.6.3 三维 NMR 谱 在三维 NMR 的基础上引入第三堆频率，可极大地提高信号的分辨率，它的脉冲序列 如下所示。 预备期 发展期 混合期 检测期 2D实验1 2D实验2 2D实验3 预备期 发展期 混合期 检测期 预备期 发展期1 混合期1 发展期2 混合期2 检测期 t1 t2 t3 图 4.6.5 在三维 NMR 原理示意图
由上图可知,2D实验1去掉了检测期,2D实验2去掉了预备期,这样,将会得到一个 含有三个时间变量(1,b,3)的NMR实验,此即为3DNMR。对这三个时间变量(t1,t2 l3)进行傅立叶变换即得到3DNMR谱S(w,w2,w3) 三维谱的灵敏度比二维谱的灵敏度低,但图谱比较简单,重叠少,易实现自动推广的 计算机化及程序解谱。 4.6.4脉冲梯度场(PFG, Pulsed field gradient) 这是近几年来发展起来的一种新的NR技术,它是在一般的脉冲序列之中,在适当的 时候加上一个合适的脉冲梯度场,得到一般脉冲序列不易得到的信息。PFG的优点是:[1] 可以省去相循环过程,压制或消除非NR信号:消去正交检波及计算机引入的伪信号:避 免相干传递引起的干扰;减少虚假影象以及在二维和多量子谱中选择某些特殊响应。不用 相循环后,大大缩短了实验时间。[2]PFG能压制水峰而对线形无要求,可以看到埋藏在水 峰中的信号:而且减少了基线上的溶剂峰线宽,从而澄清了基线。 目前在国内的高分辨脉冲梯度场谱仪都是近几年购置的,数量不少 4.6.5核磁共振成像( MRIMagnetic resonance image) 核磁共振成像是通过对样品施加一梯度磁场G,此时核磁共振方程为 =rH(1+G)(1-a) (4.6.1) NMR频率变为样品沿梯度场方向的位置的量度函数,通过X,Y,Z不同方向的梯度场及适 当的NMR脉冲序列,即可得到各种不同的图象,如:化学位移像,质子密度像,T1加权 像,T2加权像等 图4.4.6中可以清楚地看到肿瘤的大小和位置 图4.6.6有肿瘤的老鼠的H自旋回波成像及成像的截面位置
由上图可知，2D 实验 1 去掉了检测期，2D 实验 2 去掉了预备期，这样，将会得到一个 含有三个时间变量（t1, t2, t3）的 NMR 实验，此即为 3D NMR。对这三个时间变量（t1, t2, t3）进行傅立叶变换即得到 3D NMR 谱 S（w1, w2, w3）。 三维谱的灵敏度比二维谱的灵敏度低，但图谱比较简单，重叠少，易实现自动推广的 计算机化及程序解谱。 4.6.4 脉冲梯度场（PFG， Pulsed Field Gradient） 这是近几年来发展起来的一种新的 NMR 技术，它是在一般的脉冲序列之中，在适当的 时候加上一个合适的脉冲梯度场，得到一般脉冲序列不易得到的信息。PFG 的优点是:[1] 可以省去相循环过程，压制或消除非 NMR 信号；消去正交检波及计算机引入的伪信号；避 免相干传递引起的干扰；减少虚假影象以及在二维和多量子谱中选择某些特殊响应。不用 相循环后，大大缩短了实验时间。[2]PFG 能压制水峰而对线形无要求，可以看到埋藏在水 峰中的信号；而且减少了基线上的溶剂峰线宽，从而澄清了基线。 目前在国内的高分辨脉冲梯度场谱仪都是近几年购置的，数量不少。 4.6.5 核磁共振成像（MRI Magnetic Resonance Image） 核磁共振成像是通过对样品施加一梯度磁场 G，此时核磁共振方程为 ω0=rH0(1+G)(1-) (4.6.1) NMR 频率变为样品沿梯度场方向的位置的量度函数，通过 X，Y，Z 不同方向的梯度场及适 当的 NMR 脉冲序列，即可得到各种不同的图象，如：化学位移像，质子密度像，T1 加权 像，T2 加权像等。 图 4.4.6 中可以清楚地看到肿瘤的大小和位置。 图 4.6.6 有肿瘤的老鼠的 1 H 自旋回波成像及成像的截面位置