核磁共振光谱学原理,解释一个核磁共振光谱和常见问题

核磁共振(NMR)谱分析是一种物理化学技术用于获得结构信息分子。它是基于磁共振的物理现象,依第一次证明了我1938年的拉比。在1940年代,两个独立研究小组获得第一个成功的核磁共振测量的凝聚态。这些组织的两个主要调查人员,费利克斯·布洛赫从斯坦福大学和哈佛大学的爱德华·m·珀塞尔,共同获得了1952年诺贝尔物理学奖为磁共振领域的贡献。^1,2,3

从那时候,核磁共振光谱学发展与进步同时在许多其他领域,比如数学、物理和信息。在1960年代,超导磁体的实现和电脑核磁共振设备打开门很大改善敏感性和设计新型的核磁共振实验的可能性。因此,科学家研制出了无数新颖的方法来研究复杂系统,如膜蛋白、代谢复杂样品,甚至生物组织。核磁共振光谱学已经成为其中一个最强大的化学物种的结构测定技术,以及分子动力学研究和交互。^4,5

核磁共振是什么?

核磁共振光谱学是一个物理化学分析技术,是基于外部应用射频辐射的相互作用与原子核。在这个互动有净交换能量导致原子核的一个内在属性的改变核自旋。

核自旋由齐次多项式定义数(我),根据不同同位素。只有原子核我≠0是由核磁共振光谱学检测(NMR-active核,如¹H,²H,¹³C和¹⁵N)。这些NMR-active原子核像小磁铁(磁偶极子),能够外部磁场(这一过程称为看齐磁化)。这些小磁铁的力被定义为一个常数称为磁旋率(γ),其价值取决于同位素。^6、7

核自旋的NMR-active核可以采用两种不同的方向当他们对齐到一个外部磁场(B₀)。一个方向对应于原子核的能级最低(外部磁场平行),另一个是关联到最高能级的原子核(反平行的外部磁场)左面板(图1)。能级之间的区别(ΔE)取决于磁场和磁旋率(Eq。1)和影响的敏感性技术(图1中,右面板)。^6、7

图1: 核自旋取向的样品一致(平行和反平行的)与外部磁场的方向₀(左面板)。人口分布的核自旋在核的两种可能的能量水平我=½(右面板)。

核磁共振当核与射频辐射。这导致能级之间的转换,包括核自旋的方向的变化。

当原子核在磁场的作用下,核没有静态与磁偶极子磁场B₀,而是像一个旋转的陀螺进动运动)绕轴平行的方向场(图2中,左面板)。旋进运动的频率,称为拉莫尔频率(ν_l),由磁旋率和磁场定义:^6、7

作为一个结果旋进运动磁矢量(μ)与核相关的磁偶极子组件具有平行于磁场(μ_z),另一个组件垂直于磁场(μ_xy),最后一个零的净价值在缺乏外部扰动。在核磁共振实验中,不可能测量信号在z方向,这个方向的磁场太强烈。因此,有必要将z分量的磁化xy平面。为了这个目的,包含频率接近拉莫尔频率的磁脉冲垂直应用B₀达到核自旋的共振,产生一个非零μ_xy组件。这个脉冲后,弛豫过程发生和μ_xy组件逐渐恢复其净值为零(图2,右面板)。由于这种放松,射频能量释放,产生一个特征信号自由感应衰减(FID)注册的探测器。这个支撑材随后变成了一块强度和频率称为一个核磁共振光谱。^6、7

图2: 核自旋行为的影响下一个外部磁场(左面板)。计划的一个基本的核磁共振实验中磁化转移到xy平面上的应用磁脉冲(右面板)。

核磁共振是如何工作的呢?

核磁共振光谱仪由三个主要组件:一个超导磁体,探头和一个复杂的电子系统(控制台)控制工作站(图3)。

图3: 核磁共振仪的总体设计与它的主要组件。

磁铁负责生成一个强大的磁场,将原子的核自旋存在于样品。如今,核磁共振光谱学中使用的磁铁是基于超导材料,因此,他们需要非常低的工作温度(约4 K)。由于这个原因,核磁共振光谱仪包含一个冷却系统由一个内部的夹克充满液态氦冷冻的额外夹克装满液氮,和许多层的热绝缘材料(图4)。^6、8

超导磁体包围着一个圆柱形室称为“探针”,这是一个仪器的重要组成部分。样品引入探针,因此置于磁场的影响。此外,探测器包含一系列磁线圈,也坐落在样本(图4)。这些线圈有多种用途。一方面,他们用来辐照射频脉冲和检测和收集样本发出的核磁共振信号。另一方面,他们也使磁场均匀性的控制和脉冲梯度所使用的应用程序在某些核磁共振实验。^6、8

图4: 核磁共振仪的内部组件,包括一个详细的调查。来源:KissCC0。

最后,光谱仪的电子系统控制所有的实验条件,使每一个参数的设置和修改的核磁共振实验通过工作站。这个系统还负责数据采集和随后的数学转换成一个核磁共振光谱。峰的光谱包含一系列不同强度的函数称为级化学位移来源于拉莫尔频率不同的原子核中样本。^6、8

如何阅读一个核磁共振光谱,它告诉你什么

核磁共振仪所检测到的信号(FID)分析之前必须改变了。随着拉莫尔频率取决于磁场的强度,它随仪器仪表。出于这个原因,一个数学转换执行提供一个相对大小称为化学位移(δ)(见Eq。3)。与拉莫尔频率不同,这个大小是独立于磁场和值可以比较工具。^6、7、8

在哪里ν_l是观察到的核和拉莫尔频率ν_l⁰是一个参考的拉莫尔频率核,在赫兹。按照惯例,化学位移总是表示百万分之(ppm)。化学位移范围的零值设置使用引用复合(如四甲基硅烷(TMS)或钠trimethylsilylpropanesulfonate (DSS)¹H)。

图5提供了一个质子的例子(¹H)核磁共振光谱,这意味着只有质子的分子检测。

图5: ¹H NMR谱的醋酸的解决方案。对应于两个不同的信号¹H核分子及其区域中核造成信号的数量成正比。

NMR谱提供了大量的关于分子存在于样品的信息。首先,化学组在一个分子可以从化学位移值确定。在图5中,提供的示例中乙酸(H₃C-COOH)有四个质子,所以你可以原谅希望看到四个信号的频谱。然而,这三个质子的甲基(CH₃)磁等价,因此具有相同的化学位移。这意味着一个信号来自于CH₃集团和另一个,从质子羧酸组(羧基)。其次,在¹核磁共振光谱,信号面积正比于原子核产生的数量(这不适用于信号¹³理化性质光谱)。在这个例子中,如果信号都是计算、最强烈的信号将是三倍。这是按照一个信号代表了三个质子的CH₃集团在δ= 2.0 ppm(信号),另一个羧基的质子在δ= 11.5 ppm(信号)。^9、10

两个原子核的自旋连接通过一些化学键可以相互作用,导致一种被称为的现象标量耦合分裂的信号。通常,这种耦合时才可观察到的化学键分离两个原子核的数量不超过4个。信号的分解遵循一个模式,取决于耦合核的数量和耦合常数(J)定义的类型的核和它们之间的距离(化学键)。分离信号的特征形状多重性并提供额外的信息分子。这种多样性可以计算使用N + 1法则。这规则,如果一个质子显示标量耦合与N质子连着相邻碳原子核,它的信号将分成N + 1峰相对强度定义的帕斯卡三角形(图6)。峰分裂,因为标量耦合导致峰值强度的降低。最后,观察信号产生的效果核奥佛好塞效应(一)为大分子结构的决心是至关重要的,因为它来自核自旋的相互作用的原子空间接近,但遥远的分子序列。^6,7,8,9,10

图6: 一个标量耦合的例子。如果没有标量耦合(上),从H NMR信号_一个和H_B表现为简单的山峰。然而,如果两个附近的质子H_一个和H_B显示标量耦合常数J(底部),信号将会分裂。两个质子H_一个和H_B加上一个质子附加到一个连续的碳原子核,N + 1后规则每个质子信号将分成两个信号,形成一个紧身上衣和分割距离等于耦合常数,J。

在这种背景下,解释一个核磁共振光谱必须使用所有这些信息将每个观测信号分配给相应的原子核分子(s)的样本。这个过程称为频谱分配它很难实现复杂的分子。出于这个原因,许多类型的核磁共振实验提供不同和互补信息用于描述一个样本。¹¹

在前场的vs在前场的核磁共振

如图5所示,相同的核可以用不同的化学位移值产生信号。这些化学变化不同的磁场感觉由特定核很大程度上取决于其当地的化学环境。循环的电子在原子核的周围创造了小磁场,反对外部应用领域。这“屏蔽”效应(σ)是直接与原子核周围电子密度成正比。结果,有效磁场作用于细胞核和拉莫尔频率是影响低(Eq。4)。当有在考虑核电子密度高,屏蔽效应高,拉莫尔频率降低,那么化学位移(它在前场的移动)。相反,当电子密度低附近的核,屏蔽效应低,拉莫尔频率更高的价值,那么化学位移(它在前场的移动)。^{6、7、8、12}

因此,在核磁共振光谱,高磁场,在前场的术语,指的是较低的地区和高值,分别在化学位移范围(图7)。^{6、7、8日12}

图7: ¹H NMR化学位移指示在前场的和高磁场区域规模。

氢原子核从甲基或脂肪族分子强烈屏蔽及其典型坐落在前场的化学位移值。另一方面,氢原子核在原子的电负性(如氧或氮)或接近电负性组织(如羧酸、醛)deshielded并展示坐落在前场的化学值。在后面的部分,这说明和讨论进一步NMR图表。

质子核磁共振与碳核磁共振

有机和生物分子的主要组成元素是氢和碳。如上所述,核磁共振光谱学只能应用于NMR-active核(即核我≠0)。在氢的情况下,最丰富的同位素NMR-active (¹H, 99.98%,I =½)。对于碳,最丰富的同位素不是NMR-active (¹²C, 98.89%,我= 0)。核磁共振光谱仪只能检测同位素¹³C,它拥有丰富的1.11%。此外,磁旋的比率¹³C也比这低的四个因素之一¹H(见表1)。这两个因素¹³理化性质更敏感¹核磁共振(见表1)。这种差异的敏感性导致更长的试验时间的情况¹³C(小时)相比¹H(几秒或几分钟)^13、14

的化学位移¹H通常发生在0到14 ppm范围,然而,¹³C化学变化发生在一个大的范围,通常10到220 ppm。这种依赖的化学位移值类型的核出现的事实不同的原子核具有不同的拉莫尔频率(取决于磁旋比率,如前所述)。这些增加的变化¹³理化性质结果相比,在一个更高的分辨率¹核磁共振,信号通常都是更分散。

此外,标量之间的耦合¹³C是很少观察到,因为,由于其低自然发生,两个¹³C原子也不太可能找到足够接近建立他们的核自旋之间的相互作用。然而,耦合的¹³C原子与其他原子核是可能的,它可以进一步降低技术的敏感性。原因是¹³C耦合常数大,信号强度的减少分裂(见第3节)耦合常数很大时更为明显。由于这个原因,¹³理化性质实验通常是使用特殊的脉冲序列能够执行删除标量之间的耦合¹³C和¹H。¹⁴

有很多方式的敏感性¹³理化性质可以提高,这些包括:

• ¹³C-enrichment的样本
• 增加积累的光谱,因此降低了信噪比
• 用核磁共振脉冲增加人口核自旋能级之间的区别¹⁴

尽管的局限性¹³理化性质,它提供了有价值的信息,只使用不能访问¹核磁共振。主要的识别,二级、三级和四级碳为例。由于这个原因,¹³理化性质和¹目标往往是共同用于核磁共振实验室作为分子结构测定的基本方法。¹⁴

表1:的比较¹H和¹³C NMR性质。¹⁵

	1H	13C
天然丰度(%)	99.98	1.11
核自旋齐次多项式数,我	½	½
磁旋率(rad·T1·年代1)	2.68·108	6.73·107
相对灵敏度一个	1.00	0.016
拉莫尔频率(MHz)b	600.130	150.903
化学位移范围(ppm)	0 - 14	10 - 220

^一个 考虑一个恒定磁场和相同数量的细胞核。

^b考虑磁场通量密度为14.0954 T。

核磁共振图

按照惯例,在核磁共振谱化学位移规模从右到左表示。如上所述,建立了零值使用标准化合物的碳和氢的原子强烈屏蔽,因此,他们的信号出现在最遥远的在前场的地区(见图7)。核磁共振光谱的分配通常的帮助下进行核磁共振图或图表,便于NMR信号的识别。

氢和碳的高度保护,如甲基的,有低的化学位移值。然而,氢在非常的电负性组(如羧酸、酮或醛)有很高的化学位移值(图8和9)。

这些图表代表典型的化学变化,但有时的价值观可以取代其他地区规模。¹⁶例如,在大型的大分子,一个遥远的化工集团可以搬迁由于空间立体的结构重组。这个搬迁可能会改变测量核的化学环境,导致其化学位移值的变化。

为了方便NMR光谱分配,有公共NMR库或数据库(如生物核磁共振数据银行或者是有机化合物的光谱数据库)包含核磁共振光谱和化学位移值为成千上万的生化分子和化合物。

图8: ¹氢谱图显示典型的化学位移值为不同类型的氢原子。

核磁共振变体

一个。二维核磁共振

大分子(如蛋白质,有大量的NMR-active核,因此,他们的核磁共振光谱和许多重叠的峰是复杂的。此外,放松是大分子更快,导致峰展宽以及分辨率的损失。为了解决这些局限性,2 d NMR实验产生谱定义为两个化学位移轴(而不是一个,1 d光谱),关联对不同核的信号。三个例子的2 d NMR实验是舒适的,TOCSY NOESY。^{6、7、8、9}

• 舒适的(相关光谱)光谱显示峰值关联对原子核,最多由三个化学键。这种相关性来自核自旋的相互作用通过标量耦合(图10)。
  
  
• TOCSY(总相关光谱)光谱显示信号关联对原子核的相同的自旋系统(自旋系统是一组核自旋的相互作用,这是它们耦合)(图10)。
  
  
• NOESY(核奥佛好塞效应谱)在大分子的结构说明实验是非常重要的因为他们对他们的空间组织提供信息。NOESY谱包含关联双峰值附近的核(通常,相隔不到5 - 6)。不同的舒适,NOESY相关性来自核奥佛好塞效应,交互发生在两个原子核的空间接近,无论数量的化学键分离他们。^{6、7、8、9}
  
  

图10: 的例子¹H,¹H舒适和¹H,¹H TOCSY光谱的分子结构a b c d和氢原子相连。带来舒适的频谱只显示了峰值之间的关系两个氢最多由三个化学键(这是H-A-B-H;H-B-C-H;和H-C-D-H)。TOCSY光谱显示了峰值由两个氢原子之间的关系属于相同的自旋系统(在本例中,所有可能的高度差)的相关性。

b。固态核磁共振

尽管大多数NMR分析进行样品在溶液中,固体核磁共振领域的发展明显在过去十年里。固态核磁共振是其中一个最强大的分子结构和动力学的研究技术在固体样品。这种核磁共振变异特点,需要不同的实验设计。¹⁷

解决方案NMR和固态核磁共振显示显著的差异,主要是由于这一事实分子在溶液中能够自由移动平均和核自旋的相互作用。然而,在固体样品有很少或没有分子运动,因此,核自旋的相互作用依赖于空间方向(这称为各向异性相互作用)。这种各向异性导致核磁共振光谱的展宽信号(图11,底部谱)。为了解决这个问题,科学家利用固态核磁共振发展特殊技术,防止损失的灵敏度和分辨率。¹⁷

最著名的固态核磁共振技术魔角旋转(MAS)。这种技术使用的方法包括将样品在转子高速旋转,形成一个特定的角度(魔法角≈54.74º)关于外部磁场的方向。这个旋转的效果取消所有的各向异性自旋相互作用(包括偶极、化学位移各向异性和四极相互作用)(图11)。¹⁷

图11: 效果的MAS谱线形状。固体样品不旋转时,光谱显示了一个广泛的信号(光谱)。当转子旋转时,平均各向异性效应,因此,分辨率和灵敏度增加。旋转频率足够高时,各向异性的影响都取消了。

优点和缺点的核磁共振和常见问题

核磁共振光谱学是一个功能强大的技术,其他技术相比,具有很多优点,但它有一些局限性。这些总结在表2:¹⁸

表2:总结核磁共振光谱学的主要优点和缺点。

核磁共振杂质

核磁共振光谱学中遇到的最常见问题之一,如表2中所述,干扰物质的存在,如微量的杂质或溶剂,导致频谱non-desired高峰的出现。

核磁共振样品中的分析物通常是通过合成和/或净化过程中很多物质。出于这个原因,它不是罕见的发现一定数量的物质留在最后的样本作为杂质。偶尔,分析物进行转换或退化,从而导致的外观不良的化学物种在样例。如果这些杂质NMR-active原子核,它们会妨碍正确的核磁共振波谱的任务。一般来说,核磁共振中发现微量杂质浓度,因此他们相对容易确定,作为他们的核磁共振峰显示非常低的强度比的分析物。杂质,让它更容易描述,实验室经常利用表总结了最常见的杂质的化学变化。^19,20.,21

核磁共振溶剂峰

溶剂用于核磁共振光谱通常包含NMR-active核,尤其是¹H,因此,他们可能会导致核磁共振光谱干扰。与微量杂质不同,溶剂存在于样本在非常高的浓度和峰因它通常是巨大的。为了避免这个问题,很重要知道溶剂峰的化学位移控制在多大程度上他们可以隐瞒任何分析物信号。另一方面,传统的策略来减少hydrogen-containing溶剂峰的影响是使用氘溶剂(有些氘溶剂必须出现在样品核磁共振光谱仪使用的锁系统²H信号监控磁场的均匀性)。这些溶剂有其¹H核所取代²H,从而大大减少溶剂峰的强度。然而,尽管这一事实通常含重氢的比例接近100%,由于溶剂的浓度较高,峰值仍然可以太强烈,阻碍正确的分析物信号的可视化。出于这个原因,有一些可用核磁共振脉冲能够减少溶剂峰在核磁共振谱扰动,特别是对于水样本(例如,脉冲presaturation或gradient-suppression脉冲)。^22,23,24

应用核磁共振

核磁共振光谱被广泛应用在许多领域,特别是在化学和生命科学的领域。

核磁共振在化学中的应用

在化学、核磁共振光谱学是识别的主要应用和结构说明有机,有机金属分子和生化。一般来说,化合物的识别是补充获取的数据与其他技术,如质谱分析、红外光谱和元素分析确证。此外,区域的信号之间的比例和核的数量产生核磁共振光谱学可以用作定量分析工具。¹⁵和化学有关的领域的核磁共振应用的例子有:

• 化学:新化合物的结构测定,控制产品质量和纯度的决心²⁵
• 制药学:研究结构、动力学和分子的相互作用对药物发现,质量控制和纯度测定药物²⁶
• 石油化学:分析岩石材料的适用性检查油藏的开发,固态核磁共振成分分析石油衍生品,产品的质量控制²⁷
• 材料:由国家新材料固体NMR表征²⁸

核磁共振应用在生命科学领域

在生命科学中,核磁共振光谱被广泛应用于生物大分子的结构解析,包括多肽、蛋白质、脂类、碳水化合物、核酸。这些系统非常复杂,因此需要采用特殊的方法。这包括:

• 同位素标记丰富的示例¹³C和¹⁵N,甚至在²H
• 使用特殊的核磁共振脉冲来减少信号重叠和获得解决
• 采用核磁共振实验的高维度(2 d, 3 d或更高)

一旦核磁共振的任务是实现,获得的数据进行处理,获取化学信息的变化,扭转角度和原子之间的距离限制。然后使用这些信息来计算分子结构的使用方法,使用计算机软件开发。软件生成的分子结构,满足实施限制,最小化能源(自最低能量结构是最稳定的,因此,最可能的)。^29日,30.

与结构说明,核磁共振光谱也可以用来提取分子动力学弛豫时间等信息,结构刚度和化学交换以及分子之间的相互作用(化学位移扰动,分子间磁化转移)。^31日,32在这种背景下,固态核磁共振是有用的研究蛋白质与脂质结构或其他生物交互系统,像一个浓缩阶段。³³

生命科学相关领域的一些核磁共振应用的例子是:

• 分子生物学和生物物理学:研究结构、动力学和分子相互作用的多肽,蛋白质、核酸,碳水化合物和其他生物分子^31日,32
• 健康科学:生物体液分析获得代谢相关疾病(代谢组学),使用核磁共振成像技术用于医学诊断^34,35岁
• 食品科学:检查质量和NMR指纹图谱分析真实性的食物样品³⁶,酒和大麻。

核磁共振的缩写

舒适的相关光谱

DSS trimethylsilylpropanesulfonate钠

FID自由感应衰减

MAS魔角旋转

NMR核磁共振

一个核奥佛好塞效应

NOESY核奥佛好塞效应光谱学

经颅磁刺激四甲基硅烷

TOCSY完全相关光谱

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