NMR中文操作手册VnmrJ

NMR中文操作手册VnmrJ22C目录第一章核磁共振简介1.1节核磁共振原理1.2节核磁共振仪器的组成1.3节锁场与匀场1.4节液体核磁共振样品的准备1.5节探头的调谐第二章软件使用入门2.1节MenuBar2.2节SystemToolBarandUserToolBar2.3节Locator2.4节HoldingPen2.5节GraphicsControlsBar2.6节GraphicsCanvas2.7节ActionControls2.8节ParameterPanel2.9节HardwareBar第三章基本1DNMR实验的设定、采样、数据处理及绘图3.1节实验前设定3.2节选择实验3.3节设定实验3.4节采集NMR信号3.5节Data处理3.6节图谱显示3.7节绘图3.8节保存与读取文件第四章基本2DNMR实验的设定、采样、数据处理及绘图4.1节二维实验介绍4.2节二维实验设定4.3节二维实验参数设定4.4节启动实验4.5节实验图谱处理4.6节互动式二维彩色谱图显示控制4.7节二维谱图列印附录A常用指令附录BWalkup使用简介第一章核磁共振的基本简介1.1节核磁共振原理中子数和质子数均为偶数的原子核，如12C、16O、32S等，其自旋量子数I＝0，是没有自旋运动的，而中子数和质子数中一为奇数，另一为偶数或二者均为奇数的原子核，其自旋量子数I≠0，具有自旋运动。后者中I=1/2的原子核，如1H、13C、15N、19F、31P等，由于其电荷是均匀分布于原子核表面，检测到的核磁共振谱峰较窄，是核磁共振研究得最多的原子核，I等于其它整数或半整数的原子核，由于其电荷在原子核表面的分布是不均匀的，具有电四极矩，形成了特殊的弛豫机制，使谱峰加宽，给核磁共振的检测增加了难度。作为一个带电荷的粒子，原子核的自旋运动会产生一个磁矩μ，它与原子核的自旋角动量P呈正比：m=gP，其中g称为旋磁比（gyromagneticratio），它是一个只与原子核种类有关的常数。当有自旋运动的原子核处于磁力线为Z轴方向、磁场强度为B0的静磁场中时，按照量子力学原理，其自旋角动量P的取值是量子化的，取值的个数是由原子核的磁量子数m决定的，m=I,I-1,……,-I。对I＝1/2的核而言，m=1/2、-1/2，可以认为原子核在静磁场中裂分成能量不同的两个能级；而I＝1的原子核，m=1,0,-1，可以认为原子核在静磁场中裂分成能量不同的三个能级。不同能级之间的能量差为：DE=-gDmhB0。根据量子力学的选律，能级间的跃迁只有当Dm=±1时，才是允许的，因此产生跃迁的能级间的能量差为：DE=γhB0。由DE=hn可知，如用一满足该条件的特定频率电磁波照射原子核时，原子核就会吸收能量从低能级跃迁至高能级，产生共振：hn=ghB0/2p，w=gB0，这就是核磁共振信号产生的基本条件。由w=gB0可知：在磁场强度（B0）一定的磁场中，不同的原子核由于它们的g值不同，产生共振的频率也不同，如在11.744T的磁场中，1H、13C、31P、19F的共振频率分别为500MHz、125.72MHz、202.4MHz和470.38MHz，而同是1H核，在11.744T、9.395T、7.046T的磁场中，其共振频率分别500MHz、400MHz和300MHz。在一个有许多同种原子核组成的体系中，各个原子核的磁矩方向是杂乱无章、相互抵消的，整个原子核体系是无法观察到任何宏观的核磁性现象。如果把这样的体系置于磁场强度为B0的静磁场中，各个原子核的磁矩就会沿磁场方向从无序变为有序，即围绕B0作进动。对I=1/2的原子核而言，磁矩的进动与B0有同向和反向两种，前者的能量略低于后者，按照Boltzmann能量分布理论，作同向进动的原子核数多于反向进动的原子核，这些多出来的作同向进动的原子核磁矩形成了整个体系的、与静磁场同向的宏观磁化强度M0。核磁共振实验检测的物理量就是该核自旋体系的磁化强度M0。如果静磁场B0的方向设定为坐标系的Z方向，那么平衡中的核自旋体系的宏观磁化强度M0也在Z方向。此时在X方向施加一个频率满足2pn=gB0条件的高功率射频脉冲，M0就会围绕X轴转动，由Z轴方向转向Y轴方向，转动的角度q取决于射频脉冲场的幅度B1和脉冲宽度tp(作用时间)：q＝γB1tp，当一个脉冲的作用时间tp正好使q＝90°时，该脉冲称为90°脉冲，作用时间tp称为90°脉宽，此时M0完全转到Y轴上，在Y轴上的投影最大（即检测到的信号最大）。一般核磁共振仪器上的90°脉宽（硬脉冲）都在几个至十几个微秒左右。射频脉冲作用于M0，实际上是对核自旋体系施加了能量，由于该能量与原子核在静磁场中能级之间的能量差相匹配，原子核就会受到激发，吸收能量，由低能级跃迁至高能级，同时围绕射频脉冲的作用方向（X轴）进行转动，M0在Y轴方向上就会产生一个投影，My。当脉冲作用结束后，My会以固有的角频率ω围绕静磁场方向作转动。考虑到My本质上也是宏观的磁矩，它的转动会使在Y方向上的接受线圈中磁通量发生周期性的变化，在线圈上产生出感应的交变电流信号，这就是通常核磁共振检测到的FID信号。射频脉冲的作用使M0转向Y轴方向，其在Z方向上的投影Mz由大变小，而Y方向上的投影My由小变大，此时原子核体系吸收能量，由平衡状态变为非平衡状态。一旦脉冲作用结束，体系就会逐渐恢复至平衡状态，My由大变小直至消失，而Mz则回复至M0。二者的恢复过程可用以下公式来描述：My＝M0sinθ0cosωtexp(-t/T2)Mz＝M0[1－(1－cosθ0)exp(-t/T1)]可以看出它们都是以指数形式变化的。其中T1、T2两个常数分别称为体系的纵向弛豫时间和横向弛豫时间，它们的大小表征了体系恢复至平衡状态的快慢。纵向弛豫是指体系向环境释放能量，恢复至平衡状态的过程，也称自旋－晶格弛豫；横向弛豫是指原来倒向Y轴，形成My的各个核磁矩，由于相互作用而逐渐均匀分布于整个XY平面、相互抵消使My趋于零的过程，也称作为自旋－自旋弛豫。通常在溶液样品体系中，T2≤T1，采样参数设定时，采样时间的设定与T2有关，而脉冲重复时间的设定则与T1有关。1.2节核磁共振仪器的组成核磁共振实验是研究原子核在静磁场中的状态变化，因此必须有一个强的磁场存在，目前该磁场通常是由超导磁体产生的，即由超导材料组成的线圈浸泡在温度极低的液氦中，使其处于超导状态，然后对线圈施加电流，由于没有电阻，撤去电源后，电流仍然在线圈中作恒定的流动，也就产生了恒定的磁场。电流越大，磁场越强。能加多大的电流则取决于线圈的材料以及设计和生产工艺等，因此超导磁体是整个仪器中最基本的部份。核磁共振实验除了必须使样品处于磁场中，还必须对样品发射一定频率的射频脉冲，这是谱仪部份部分的工作，谱仪通过由频率发生器、功率放大器等组成的射频通道发射射频脉冲。虽然VARIAN仪器可由标准配置的两个射频通道扩展至多个通道，每个射频通道都能发射各种原子核的共振频率，但通常在一个NMR实验中，每个通道只能发射一种频率。一个NMR实验究竟需要几个射频通道，取决于该实验中有几种原子核（对应于几种共振频率）被激发，而不是实验得到的数据是几维谱。一个同核的三维实验，可能一个射频通道就够了，而一个13C的一维实验，却需要两个通道，因为同时还要激发1H核（去偶）。由于通常一个实验中最后真正的采样只是采集一种原子核的信号，因此VARIAN仪器中第一通道应设置为需要采样的原子核频率，该通道一般也称为采样通道或观察道，其余的通道有时也称为去偶通道，虽然在现在的大多数实验中并非完全用于的去偶。对样品发射射频脉冲和接收原子核磁化强度的感应信号都是通过NMR探头中的线圈进行的，实际上核磁样品管从磁体上端放入后，有样品溶液的部分是进入到探头的线圈中间的，核磁共振过程及信号检测是发生在线圈部分的，因此探头是核磁共振仪器的关键部分。通常探头的种类是与下面五个方面有关：1.是用于液体核磁共振，还是固体核磁共振的探头2.探头所适用的核磁样品管的直径，如10mm，5mm，3mm，1mm等。3.是固定频率的，还是宽带频率Broadband（一段频率范围）的探头，固定频率探头如1H/19F/13C/31P（四核探头，4Nuc）等，宽带探头如Broadband等。由于1H核是核磁共振中最重要的研究对象，所以一般探头上都带有1H的固定频率接收线圈。对于同样的原子核，固定频率探头的灵敏度一般要比宽带探头高。4.是正相还是反向探头，正相是指高频接收线圈（通常是指1H核）在外，低频接收线圈在里。共振频率较低的原子核由于其g值较小或天然丰度较低，共振信号较弱，因而接收线圈在里面可以提高灵敏度。反向探头的高频接收线圈在里，低频接收线圈在外，这类探头主要用于做反向实验，即做1H与其它核相关实验中对1H采样，这样把1H（高频）的接收线圈放在里面，可以使1H的灵敏度最高，以达到反向实验的目的。因此反向探头1H的灵敏度要比同类型的正相探头高。5.探头上有没有发射梯度场脉冲的线圈，是单有Z方向的梯度脉冲线圈，还是有X，Y，Z三个方向的梯度脉冲线圈。梯度场脉冲实验技术的应用目前已经相当广泛，几乎所有重要的NMR实验都已运用了该技术，但大部分是仅涉及到Z方向的梯度脉冲，而同时有X、Y、Z三方向梯度脉冲的实验脉冲序列不多。探头同时还和仪器的磁场强度（即对应的共振频率）有关，不同磁场强度仪器（如400MHz和500MHz仪器）上的探头是无法互换使用的。由于各种探头的频率范围和功能不一样，在做一个复杂实验时，还需考虑选择哪种合适的探头。1.3节锁场与匀场根据w=gB0可知：当静磁场B0稍有变动时，原子核的共振频率w就会改变，这是NMR实验中不愿意发生的事，其实B0的变动包含着两个方面，一个是磁场本身由于外界因素而产生的偏移；另一个是磁场在一定的空间范围内（如线圈所含的圆柱体）的不均匀性造成的，即相同的原子核在不同的空间位置会感受到不同的磁场强度。前者是通过“锁场”来克服的；后者是通过“匀场”解决的。核磁共振仪器上的锁场是通过氘（2H）的信号实现的，液体核磁共振实验中，样品通常是溶于氘代溶剂中再进行测试的，用氘（2H）代替氢（1H）是为了避免1H谱上出现很强的溶剂峰，同时也为锁场提供了条件，即用氘的频率跟踪溶剂中氘的信号，使之保持共振条件，一旦磁场有所漂移，频率就会作相应的改变，补偿磁场的漂移。仪器上专门有一个连接谱仪和探头的锁场（Lock）通道，发射固定的氘共振频率。进入Start∣Standard页面中点选LockScan后，计算机也会显示一个观察氘信号的界面。实际上各种氘代溶剂中氘原子核的共振频率由于其所处的化学环境不同而不同，因此需要通过调节Z0的值，补偿主磁场以达到共振条件，此时扫描得到的氘信号应处于Lock界面窗口的中央，按下LockScan键，氘信号变成了代表锁场电平的一条直线，表明已完成锁场。现在仪器上已有自动锁场的功能，在对话框中选择样品所用的氘代溶剂，若系统若配有脉冲梯度组可利用Start∣Standard页面中的FindZ0选项完成自动找寻Z0，计算机就会完成锁场的过程。当然实现该自动功能需要预先在系统的表中输入与各种氘代溶剂有关的数据，通常工程师在安装仪器时将会预先设置好该表。匀场是一种补偿静磁场的不均匀性的过程。在磁体的内腔壁和探头之间有一个装有20到30组匀场线圈的中心管，各组线圈控制着x，y，z，z2，xy，xz，yz等各个方向的磁场梯度，磁场梯度则是由线圈中的直流电流产生的。匀场就是调节各组线圈中的电流，使之产生的附加磁场能抵消静磁场的不均匀，在探头发射线圈所含的范围内保持最大的均匀性。匀场的好坏通常是由锁场电平信号的高低来表示的，也可以通过观察采样时FID信号延续的长短来确定。匀场通常总是先调低阶的线圈，再调高阶的，然后再回到低阶的。样品管的旋转使得x，y方向上磁场的不均匀被平均掉了，因此当调节与x和y有关的线圈电流时，样品管须保持静止、不旋转。样品管的旋转只是平均了磁场的不均匀性而不是真正的改善，虽然锁场电平在旋转前后有可能会升高许多。这种平