NMR解析及应用
生物分子的NMR结构解析
生物分子的NMR结构解析生命科学中，生物分子的研究是至关重要的。
众所周知，生物分子由许多不同类型的分子组成，其中包括蛋白质、核酸和多糖等。
这些分子对于生命维持和生物过程的执行起着重要的作用。
因此，研究它们的结构和功能对于了解生命科学和生物制药有着重要的意义。
生物分子的结构研究包括X射线晶体学、电子显微镜和核磁共振(NMR)等多种方法。
本文将着重探讨生物分子的NMR结构解析。
NMR技术原理核磁共振(NMR)技术是一种在生物科学中广泛应用的技术，其原理是利用分子中的核磁共振信号获取分子结构信息。
具体来说，当分子置于磁场中时，分子中的原子核将被定向，以“旋转”的方式运动，并且发出一定的电磁波频率。
是这种信号，就是我们所说的“核磁共振信号”。
通过观察、记录和分析这种信号，我们可以推断出分子结构中原子的位置关系，进而推导出分子的立体结构。
NMR技术有两种常用方法：一维NMR和二维NMR。
一维NMR由抽取NMR信号并利用其频率表示样品成分的化学位移组成。
二维NMR则运用一种被称为“相关的谱峰”的特别技术，该技术会产生许多具有特定结构的峰。
通过这些峰的解析和匹配，可以得到分子的三维结构，以及那些峰的彼此关系。
NMR技术优势相对于其他生物大分子结构解析方法，NMR技术有许多优势。
首先，在分析生物分子中的关键基本元素时，NMR技术提供了许多信息。
同时，NMR技术还可以同时分析分子的结构和动态性质。
与X射线晶体学和电子显微镜等方法相比，NMR技术不需要我们花费大量时间和精力在结晶和显微镜操作上。
此外，NMR技术还适用于大多数生物分子，包括IBI蛋白、核酸、糖和脂质等。
NMR技术应用生物分子的NMR结构解析在很多方面都发挥着重要的作用。
首先，NMR技术可以用来研究蛋白质与药物以及细胞膜上其他分子之间的交互作用。
这对于理解和开发新型药物和治疗手段很有帮助。
其次，在生物制药领域，NMR技术可以用于研究生物分子，如蛋白质和抗体，以及与它们的药物相互作用。
NMR碳谱图谱解析及新技术
在药物研发中的应用
1 2 3
药物代谢研究
通过分析药物在体内的碳谱特征，可以了解药物 在体内的代谢过程和机制，有助于药物设计和优 化。
药物相互作用研究
比较不同药物组合的碳谱图谱变化，可以研究药 物之间的相互作用和影响，有助于发现潜在的药 物相互作用和不良反应。
药物筛选与发现
通过比较不同化合物或天然产物的碳谱图谱特征， 可以发现具有潜在药物活性的化合物，为新药研 发提供候选分子。
05 未来展望
NMR技术的发展趋势
分辨率提升
随着技术的不断进步，NMR的分辨率将进一步提高，能够更准确 地解析出不同碳原子之间的微小差异。
灵敏度增强
通过改进检测器技术和信号处理算法，提高NMR的灵敏度，从而 能够检测到更低浓度的碳化合物。
谱图解析自动化
未来NMR技术将更加注重自动化和智能化，通过人工智能和机器学 习等技术，实现谱图解析的自动化和快速化。
定量分析
通过对比不同样品或不同条件下的碳谱图谱，进行定量分析，评估 各组分或分子片段的相对丰度。
碳谱图谱解析的难点与挑战
复杂样品
01
对于组成复杂、结构多样的样品，解析其碳谱图谱需要较高的
解析技巧和经验。
分辨率问题
02
由于碳核自旋量子数较小，碳谱的分辨率相对较低，给信号归
属和定量分析带来一定的困难。
原理
原子核在磁场中受到磁力作用，其自旋能级发生分裂，当受 到特定频率的电磁辐射时，低能级的原子核会吸收能量跃迁 到高能级，同时释放出能量信号，通过检测这些信号可以获 得物质的结构信息。
NMR技术的发展历程
1940年代
核磁共振现象被发现。
1980年代至今
NMR技术不断发展，出现了多种新技术 和实验方法，广泛应用于化学、生物学、 医学、材料科学等领域。
NMR光谱法可检测和鉴别有机物质结构
NMR光谱法可检测和鉴别有机物质结构近年来，核磁共振（Nuclear Magnetic Resonance，简称NMR）光谱法在化学分析领域得到广泛应用，尤其是用于有机物质结构的检测和鉴别。
NMR光谱法基于核磁共振的原理，通过对有机分子中的原子核进行观察，可以得知分子的结构、化学键的情况以及其他相关信息。
本文将介绍NMR光谱法的原理和应用，并探讨其在有机物质结构分析中的作用和重要性。
NMR光谱法的原理是基于核磁共振现象。
核磁共振是指原子核在磁场中受到外部磁场的作用后，能够吸收或发射特定频率的电磁辐射的现象。
在NMR光谱法中，通过将样品放置在强磁场中，然后在外加射频电磁辐射的刺激下，观察原子核的共振吸收信号。
这些信号可以分析得到关于分子结构、化学键等信息。
NMR光谱法在有机物质结构分析中的作用和重要性不可忽视。
首先，NMR光谱法可以确定分子的结构。
通过观察响应的共振吸收峰，可以得知分子中存在的原子种类和其排列方式。
此外，由于不同原子核的化学位移信息会产生特定的共振吸收位置（称为化学位移），可以通过比较化学位移数据来鉴定分子中不同原子核的化学环境。
这对于判断分子结构的存在和确定化学键类型非常重要。
其次，NMR光谱法可以提供关于分子中化学键的信息。
通过观察共振信号的形状和强度，可以推断出化学键的类型和数量。
例如，双键和三键会显示出不同的峰型和峰区位置，从而使得判断化学键类型成为可能。
此外，通过测量峰强度的比例，还可以估计不同化学键的相对数量，从而进一步了解分子的结构。
另外，NMR光谱法还可以提供关于分子中官能团、立体化学和溶剂效应等信息。
通过观察溶剂效应，可以了解分子在溶液中的行为和相互作用方式。
如果有机物质结构中存在手性中心，NMR光谱法还可以提供关于立体化学特征的信息。
此外，官能团的特定化学位移和耦合常数信息可以用于鉴定分子中存在的特定官能团。
需要注意的是，NMR光谱法虽然在有机物质结构分析中具有很强的应用价值，但它也有一定的局限性。
生物多糖结构解析中的核磁共振(nmr)技术
生物多糖结构解析中的核磁共振(nmr)技术
核磁共振（Nuclear Magnetic Resonance, NMR）技术在生物多
糖结构解析中具有重要的应用。
NMR技术基于原子核在外加
磁场作用下的能级差异和核磁共振现象，能够提供关于化学物质中的原子核类型、化学位移、耦合常数、相对丰度和分子结构等信息。
在生物多糖结构解析中，NMR技术主要应用于以下几个方面：
1. 化学位移分析：NMR技术通过测量化学位移可以确定各个
原子核的位置，从而帮助确定生物多糖的结构。
2. 耦合常数分析：NMR技术可以测量耦合常数，即不同原子
核之间的相互作用强度和关系，通过耦合常数可以进一步确定生物多糖的空间构型。
3. 动力学分析：NMR技术可以通过测量不同位点的核磁共振
强度变化来研究生物多糖的结构动力学，包括构象变化、分子间相互作用等。
4. 转动速率分析：NMR技术可以通过测量T1和T2等弛豫时
间来研究生物多糖的转动速率，从而揭示其在溶液中的构象和动力学特性。
总之，NMR技术在生物多糖结构解析中发挥着重要作用，可
以提供关于生物多糖的结构、构象、动力学和相互作用等方面的信息，为生物医学和药物研究提供有力支持。
NMR解析及应用
δ = 1.8～3
H-C≡C-H: 1.8
＋：屏蔽区；－：去屏蔽区
sp2杂化碳原子上的质子：双键、苯环
sp
去屏蔽效应：核外电子产生的感应磁场与外加磁场
N hn N+ Relaxation
二、核磁共振仪
磁体：永久磁体、电磁体 (低频谱仪)
超导磁体（高频谱仪）
射频频率：60，80，100，300，400，600MHz
射频源：连续波波谱仪，脉冲傅立叶变换波谱仪
脉冲傅立叶变换核磁共振仪
— 固定磁场：超导磁体（含铌合金在液氮温度下
的超导性质。
— 脉冲方波 (强而短的频带，一个脉冲中同时 包含了一定范围的各种射频的电磁波) 可将样品中所有的核激发。 — 自由感应衰减信号（FID信号）
Boltzmann分布（低能态的核数＞高能态的核数）：
N-/N+ = 1-E/KT= 1–( γh/2 )B0/KT
N+---- 低能态的核数 N- ---- 高能态的核数 k ----- Boltzmann 常数 T ----- 绝对温度
B0越大， N-/N+越大，即低能态的核数越多。
弛豫方式： 1、自旋－晶格弛豫（纵向弛豫）：
反映了体系和环境的能量交换。“晶格”泛指
“环境”。高能态的自旋核将能量转移至周围的分 子(固体的晶格、液体中同类分子或溶剂分子)而转变 为热运动，结果是高能态的核数目有所下降。 2、自旋－自旋弛豫（横向弛豫）：
反映核磁矩之间的相互作用。高能态的自旋核
把能量转移给同类低能态的自旋核，结果是各自旋
态的核数目不变，总能量不变。
3.1 化学位移的定义： 氢核由于在分子中的化学环境不同而在不同共振 磁场强度下显示吸收峰，称为化学位移。 3.2 化学位移的由来 ：
NMR技术在物质结构解析中的应用
NMR技术在物质结构解析中的应用简介核磁共振（NMR）技术是一种用于解析物质结构的重要方法。
通过测量核磁共振现象产生的信号，NMR技术可以提供有关物质分子的丰富信息，对于化学、生物学、医学等领域的研究具有广泛的应用价值。
本文将介绍NMR技术的基本原理，以及它在物质结构解析中的应用。
一、NMR技术的基本原理核磁共振技术利用原子或分子中的核自旋在外磁场作用下的行为来研究物质的结构和性质。
核自旋具有一个自旋量子数，当原子或分子处于外磁场中时，它们的自旋将朝向磁场方向或相反方向。
核磁共振现象发生在核自旋从低能级跃迁到高能级或从高能级跃迁到低能级的过程中。
在核磁共振实验中，通过在样品中施加射频脉冲，可以使核磁矢量从原来的平衡方向偏离，然后再恢复到平衡位置时释放出能量。
通过测量释放能量时的信号强度和频率，可以得到与样品中核自旋有关的信息。
这些信息包括化学位移、耦合常数和弛豫时间等，进而揭示了物质的结构和性质。
二、NMR技术在物质结构解析中的应用1. 化学结构分析NMR技术在无机化学和有机化学领域中具有广泛的应用。
它能够确定分子的组成和结构，测量化学键的长度和键角，并推断分子的立体构型。
通过测量氢核的化学位移，可以确定化合物中不同基团的特征性峰，从而确定分子的结构。
2. 动力学研究NMR技术可以用于研究物质分子的动力学行为。
通过测量弛豫时间，可以获得关于分子内旋转、分子运动和分子间相互作用的信息。
这对于理解物质的性质和反应机制非常重要，对于材料科学、化学动力学和生物医学等领域的研究具有重要意义。
3. 组织成像和医学诊断核磁共振成像（MRI）是一种基于核磁共振技术的无创成像方法，可以用来观察人体内部的结构和功能。
与传统的X射线成像方法相比，MRI具有更高的分辨率，并可以提供关于组织的生物化学和代谢信息。
因此，MRI在医学诊断和疾病监测方面具有重要的应用价值。
4. 蛋白质结构研究NMR技术在蛋白质结构研究中发挥了重要作用。
核磁共振波谱仪的参数及应用
核磁共振波谱仪的参数及应用什么是核磁共振波谱仪？核磁共振波谱仪（Nuclear Magnetic Resonance Spectrometer，简称NMR）是一种基于核磁共振现象和技术的仪器设备。
它主要通过对样品提供强磁场，以及对样品中核磁偶同峰（核磁共振）的收集和分析来确定分子和原子之间的化学结构和物理性质。
通常情况下，NMR仪器的主体包括磁场系统、射频电磁辐射系统、探头和数据采集处理系统等部分。
核磁共振波谱仪的参数使用NMR技术需要考虑一些重要的参数。
下面我们将介绍一些常见的参数以及它们的意义。
磁场强度磁场强度是NMR的一个重要参数之一。
其单位为特斯拉（Tesla，T），通常以T为单位表示。
磁场的强度越高，则可以检测到的核磁偶同峰越多，样品的分辨率也越高。
在实际应用中，NMR仪器可用的磁场强度一般在0.1-1.5T之间。
探头探头是NMR仪器中最重要的部分之一。
它负责建立和产生射频场，收集核磁偶同峰的信号，并将这些信号传输到接收器中进行处理。
探头的尺寸和形状决定了它可观测样品的大小和形状。
射频频率射频频率是NMR仪器中用来产生和采集信号的电磁辐射波的频率。
在大多数情况下，射频频率可以直接控制NMR仪器的探头。
平衡时间平衡时间指在样品准备阶段，对样品所加强磁场的强度和持续时间进行调整，以便让样品中的核磁偶同峰达到一个稳定的状态。
平衡时间一般为几秒钟到几分钟不等。
应用核磁共振波谱仪可以被广泛应用于许多领域，如生物化学、有机化学、医药学、材料科学等。
以下是一些重要的应用领域。
反应分析NMR可以被用来分析各种类型的化学反应，如酯化反应、加成反应等等。
通过观察样品在反应之前和之后的NMR谱图，在反应过程中发生的化学变化可以被可靠地确定和识别。
分子结构确定核磁共振波谱仪最重要的应用之一就是分子结构的确定。
通过对样品的核磁共振信号进行分析，可以确定样品中的各种原子之间的化学联系和相对位置。
这种技术对于化学和材料科学研究中的分子、聚合物等微观结构的解析非常有用。
NMR(核磁共振)解析
（2）自旋—自旋驰豫（spin-spin relaxation）：自旋— 自旋驰豫亦称横向驰豫，一些高能态的自旋核把能量转 移给同类的低能态核，同时一些低能态的核获得能量跃 迁到高能态，因而各种取向的核的总数并没有改变，全 体核的总能量也不改变。自旋—自旋驰豫时间用T2来表 示，对于固体样品或粘稠液体，核之间的相对位置较固 定，利于核间能量传递转移，T2约10−3s。而非粘稠液 体样品，T2约1s。
在化学领域中的应用
１结构的测定和确证，有时还可以测定构想和构型； ２化合物的纯度的检查，它的灵敏度很高，能够检测出用 层析和纸层析检查不出来的杂质； ３混合物的分析，如果主要信号不重叠，不需要分离就能 测定出混合物的比率； ４质子交换，单键的旋转和环的转化等。
5.2 核磁共振基本原理
5.2.1 原子核的磁矩 原子核是带正电荷的粒子，和电子一样有自旋现象， 因而具有自旋角动量以及相应的自旋量子数。由于原子 核是具有一定质量的带正电的粒子，故在自旋时会产生 核磁矩。核磁矩和角动量都是矢量，它们的方向相互平 行，且磁矩与角动量成正比，即 μ=γp ( 5.1 ) 式中：γ为旋磁比（magnetogyricratio）,rad· T−1· s−1，即核磁 矩与核的自旋角动量的比值，不同的核具有不同旋磁比， 它是磁核的一个特征值；μ为磁矩，用核磁子表示，1核 磁子单位等于5.05×10−27J· T−1；
p为角动量，其值是量子化的，可用自旋量子数表示p 为角动量，其值是量子化的，可用自旋量子数表
h p I（I 1） 2
( 5.2 )
式中：h为普郎克常数（6.63×10−34J· s）；−I为 自旋量子数，与原子的质量数及原子序数有关。式中： h为普郎克常数（6.63×10−34J· s）；−I为自旋量子 数，与原子的质量数及原子序数有关。
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A
13
核弛豫：1H 核可以通过非辐射的方式从高能态转 变为低能态。
只有当激发和辐射的几率相等时，才能维持 Boltzmann分布，不会出现饱和现象，可以连续观 测到光谱信号。
Boltzmann分布（低能态的核数＞高能态的核数）：
N-/N+ = 1-E/KT= 1–( γh/2 )B0/KT
N+---- 低能态的核数 N- ---- 高能态的核数 k ----- Boltzmann 常数 T ----- 绝对温度
自旋角动量（P ） 自旋量子数(I )
• I = 0: P=0，无自旋，不产生共振信号。
I=0: 12C6 16O8
32S16
• I≠0 : P≠0 ，具有自旋现象。
I＝1/2，核电荷在核表面均匀分布。
核磁共振谱线窄，有利于核磁共振检测。
I=1/2: 1H1 13C6 15N7 19F9 31P15
500
11.7500
A
12
饱和与弛豫
饱和： 在外磁场作用下，1H 倾向于与外磁场相同取向的排 列。处于低能态的核数目多，由于能级差很小，只 占微弱的优势。
1H-NMR的讯号依靠这些微弱过剩，低能态核吸收电 磁辐射跃迁到高能级而产生信号。
如果高能态核无法返回到低能态，那末随着跃迁的 不断进行，这种微弱的优势将进一步减弱直至消失， 处于低能态的1H核数目与处于高能态1H核数目相等， 与此同步，NMR的讯号也会逐渐减弱直至最后消失。 上述这种现象称为饱和。
于陀螺在重力场中的进动。
旋进轨道
自旋轴
自旋的质子
H 0 BO
Aห้องสมุดไป่ตู้
7
回旋轴
B0
B0
核磁距 自旋轴
回旋轴
自旋轴 核磁距
I = 1/2
I =1/2
自旋核在BO场中的进动
A
8
E
B0
E1
E2
h
⊿E
=
—— 2π
B0
A
9
3、核磁共振
在垂直于B0的方向加一个射频场B1，其频率为n射， 当E射= hn射 = ⊿E时，自旋核会吸收射频的能量，由 低能态跃迁到高能态（核自旋发生反转）。
h
⊿E
=
—— 2π
B0
n射 = —B—0
2π
• 磁场强度与射频频率成正比。 • 仪器的射频频率越大，磁场强度越大，谱图分辨率 越高。
A
10
产生NMR条件
（1） I 0 的自旋核
（2） （3）
外磁场 B0 与 B0 相互垂直的射频场B1
n射
=
—B—0
2π
信号
吸 收 能 量
0
低 场 H0 高 场
A
11
核磁共振氢谱
1. 核磁共振的基本原理 2. 核磁共振仪 3. 氢的化学位移 4. 影响化学位移的因素 5. 各类质子的化学位移 6. 自旋偶合和自旋裂分 7.偶合常数与分子结构的关系 8. 常见的自旋系统 9. 简化1H1 NMR谱的实验方法 10. 核磁共振氢谱解析
A
1
一. 核磁共振的基本原理
• NMR：磁性核受幅射而发生跃迁所形成的吸收光谱。 是研究分子结构、构型构象等的重要方法。
反映核磁矩之间的相互作用。高能态的自旋核 把能量转移给同类低能态的自旋核，结果是各自旋 态的核数目不变，总能量不变。
A
15
N
hn
N+
Relaxation
A
16
二、核磁共振仪
磁体：永久磁体、电磁体 (低频谱仪) 超导磁体（高频谱仪）
射频频率：60，80，100，300，400，600MHz 射频源：连续波波谱仪，脉冲傅立叶变换波谱仪
• 在PFT-NMR中，增设脉冲程序控制器和数据采集及处理系统。 • 脉冲发射时，待测核同时被激发，脉冲终止时，启动接收系统，
被激发的核通过弛豫过程返回。
• 有很强的累加信号的能力，信噪比高（600：1），灵敏度高，
分辨率好（0.45Hz)。
A
17
脉冲傅立叶变换核磁共振仪 — 固定磁场：超导磁体（含铌合金在液氮温度下
的超导性质。 — 脉冲方波 (强而短的频带，一个脉冲中同时
包含了一定范围的各种射频的电磁波) 可将样品中所有的核激发。 — 自由感应衰减信号（FID信号） — 经傅立叶变换得到NMR图谱。
脉冲 照射 自旋核 共振 FID 傅立叶变换 谱图
A
4
2、自旋核在磁场中的取向和能级
• 无外磁场（B0）时，磁矩 的取向是任意的。
• 在B0中，I 0的自旋核，磁矩的取向不是任意的， 而是量子化的，共有（2I + 1）种取向。可用磁量子
数m表示：m：I，I-1，I-2,1 ,-I.
z
z
z
m =+1
m =
B0
m = +1/2
m =
m =
m =
m = 1/2
核磁共振的研究对象：磁性核
磁性核：具有磁矩的原子核。
磁矩是由于核的自旋运动产生的。
并非所有同位素的原子核都具有自旋运动。
原子核的自旋运动与自旋量子数（I）有关。
A
2
自旋量子数 I 值与原子核的质量数A和核电荷数 Z （质子数或原子序数）有关。
A
3
= ·P
P
=
h 2
I(I 1)
磁矩（） 磁旋比（ ）：核的特征常数
A
18
• 在核磁共振实验中，由于原子核所处的电子环境 不同，而具有不同的共振频率。 NMR信号包含许多共振频率的复合信号,分析困难。
• 傅立叶转换(FT)：将时域信号转换成频域信号。 在频域信号的图谱中,峰高包含原子核数目的信息, 位置则揭示原子核周围电子环境的信息。
FT
time
A
frequency 19
m = 1
m = 1 m = 2
I = 1/2
I=1 A
I=2
5
对于1H1原子核：I =1/2
共有2种取向：（+1/2，-1/2）
磁诱导产生自旋核的能级分裂：
m = －1/2
m = 1/2
A
6
自旋核在B0场中的进动
当自旋核处在外磁场B0中时，除自旋外(自旋轴的方 向与 一致)，还会绕B0进动,称Larmor进动，类似
要满足核磁共振条件，可通过二种方法来实现：
扫频 — 固定磁场强度，改变射电频率对样品扫描 扫场 — 固定射电频率，改变磁场强度对样品扫描
实际上多用后者。
对于1H 核，不同的频率对应的磁场强度：
射频（MHZ）
磁场强度（特斯拉）
60
1.4092
100
2.3500
200
4.7000
300
7.1000
B0越大， N-/N+越大，即低能态的核数越多。
A
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弛豫方式： 1、自旋－晶格弛豫（纵向弛豫）：
反映了体系和环境的能量交换。“晶格”泛指 “环境”。高能态的自旋核将能量转移至周围的分 子(固体的晶格、液体中同类分子或溶剂分子)而转变 为热运动，结果是高能态的核数目有所下降。 2、自旋－自旋弛豫（横向弛豫）：