规则-北京大学单分子与纳米生物学室课件.ppt

1、EelectromotorMagnetic moment of closed loopBB0chargespinProperty of nucleusNucleus in magnetic?BMoment of force1F12F2rrFFXmomentrotationrotationvrm Moment of momentum JX Angular momentum 自旋角动量自旋角动量J宏观宏观转动转动I自旋量子数自旋量子数自旋自旋原原子子核核质子和中子的自旋量子数均为质子和中子的自旋量子数均为1/21/2质子和中子的磁矩不相等，无法抵消质子和中子的磁矩不相等，无法抵消质子可看作带正电的

2、电流环质子可看作带正电的电流环中子可看作一正一负面积不等的两个中子可看作一正一负面积不等的两个电流环电流环核子的磁矩一般服从能量最小原理，同核子的磁矩一般服从能量最小原理，同种核子的磁矩成对抵消种核子的磁矩成对抵消奇奇数数奇数或奇数或偶数偶数1/2 1H,13C,19F,31P3/2 11B,35Cl质质量数量数原子序数原子序数自旋量子数自旋量子数常常见见核核偶偶数数偶数偶数0 12C,16O,32S奇数奇数1 2H,14NIm,Ze=ISnn r2=Zev2 v 0BSpin Angular momentum宏观宏观常用核的天然丰度和旋磁比常用核的天然丰度和旋磁比自旋量子数核核g g(g-1

3、s-1)丰度丰度%1 1HH2.6752.67599.9899.981313C C0.67210.67211.11.11919F F2.52362.52361001003131P P1.0831.083100100=BB=B cos带电带电粒子粒子原子核原子核=-BB=-mIghBNucleus in magnetic无磁场无磁场取向随机取向随机B0外加磁场外加磁场B B0 0自旋核自旋核(I=1/2)I=1/2)在磁场中的磁矩分量在磁场中的磁矩分量在磁场中存在两个在磁场中存在两个MMI I(+1/2,-1/2)(+1/2,-1/2)+1/2 a a磁矩磁矩沿沿磁场方向磁场方向(+1/2,(+

4、1/2,a)a)-1/2 b b磁矩逆磁场方向磁矩逆磁场方向(-1/2,(-1/2,b)b)B0BB=g gmI=-mI g g B01 1H,H,I=1/2 I=1/2=1/2 g g B0 E=mIg gB0 B0=-BB0(mI=1)N SS NEb b=1/2(g gB0 0)mI=1/2B0 E=-mI g g B0E Ea a=-1/2(g gB B0 0)mI=-1/2No magneticfieldmI=-1/2,Eb b=1/2(g gB B0 0)mI=1/2 EaEa=-1/2(g gB0 0)b ba aEEnergyEnergy Levels共振吸收共振吸收hn n

5、E=g gB0 01 1H,H,I=1/2 I=1/2B0E=-g gmI B0=g gB0hn n=E=g g B0核磁矩不为零核磁矩不为零的核在的核在磁场磁场中中能级分裂能级分裂，对高频辐射产生，对高频辐射产生共振吸收共振吸收的物理现象的物理现象E=-g gmI B0 g gB0 2 n n=Nucleus precesses in an external magnetic field B0MXmgmgrM动动量矩定理量矩定理 经经典力学典力学M=dJdtJB0 M=X B0Nucleus precesses in an external magnetic field B0precessi

6、ng nucleus Larmor frequence:=g gB0B0 Joseph Larmor(1857-1942)不同磁场B0(T)下的共振频率n n(MHz)NuclearI4.69711.74414.09218.7901H1/22005006008002H130.70176.75392.102122.80413C1/250.288 125.721150.864201.15415N1/220.26550.64460.79681.06231P1/280.961 202.404242.884323.84623Na3/252.902 132.256158.706211.610不同原子核的共

7、振频率相差很大为什么要提高外磁场强度?No magneticfieldmI=-1/2,Eb b=1/2(g gB B0 0)mI=1/2 EaEa=-1/2(g gB0 0)b ba aEEnergy E=g gB0 0低低高高总和保持一致总和保持一致B0沿磁场方向 低能态a a逆磁场方向高能态b bMThe population of the-and-states according to a Boltzmann distribution is almost equal(10-4 difference)since the energies involved are fairly small.

8、Nevertheless the small population difference produces an effective magnetization along the z-axis.zB(T)n(MHz)Nb b/Na a1.4600,999 990 100 0911.744500 0,999 992 280 595射频射频RF的能量：的能量：E=hn n能级差：能级差：E=g gB B0 0共振吸收：共振吸收：共振吸收共振吸收的能量分析的能量分析Since E is very small NMR is a rather insensitive spectroscopic met

9、hod,and optimizing the signal-to-noise ratio is always a critical issue for NMR.g gB0 2 n n=B B0 0=n/(g/n/(g/2)扫频扫频共振吸收后，低自旋减少，吸收渐弱共振吸收后，低自旋减少，吸收渐弱,饱和时无吸收饱和时无吸收。弛豫指通过非辐射跃迁，由高能态回弛豫指通过非辐射跃迁，由高能态回到低能态的各种物理过程。以维持能到低能态的各种物理过程。以维持能态平衡态平衡Spin-lattice relaxationSpin-spin relaxationNH4NO31950,W.G.Proctor&虞福春

10、?理论上讲，同种理论上讲，同种原子核处于同样原子核处于同样的磁场中能级裂的磁场中能级裂分，接受射频时分，接受射频时应该在同一位置应该在同一位置发生共振发生共振。不同基团中的同不同基团中的同种核，因屏蔽不种核，因屏蔽不同同,造成共振峰位造成共振峰位不同，从而产生不同，从而产生不同的化学位移不同的化学位移H0HH=H0-sHsH0 0=(1-s)H=(1-s)H0 0s:屏蔽系数屏蔽系数=g(g(H+H0)CH3-CH2-OHCH2CH3OHa.a.参比参比-内标：内标：1H:Tetramethy-silane,Si(CH3)4,TMS,13C:CS2,TMS19F:AcF3,CCl431P:85

11、%H3PO4g gB0 2 n n=1,1,单峰单峰 便于比较便于比较2,2,屏蔽强屏蔽强 高场高场强强3,3,化学惰性化学惰性 不与样品反应不与样品反应4,4,沸点低沸点低 有利于样品回收有利于样品回收b.b.数值表示数值表示:(unit:ppmunit:ppm)CH3Br/TMS质子的化学位移质子的化学位移B B0 0=1.4092T,=1.4092T,n nTMSTMS=60MHz,=60MHz,n nCH3=60MHz+162Hz d:2.70d:2.70 ppmB0=2.3486T,n nTMS=100MHz,n nCH3=100MHz+270Hz d d:2.70 ppm66101

12、0=-=参比参比参比样品nnnnndppm:parts per million661010=-=样品样品样品参比BBBBBdJ J耦合、自旋耦合、自旋-自旋耦合自旋耦合Spin-Spin CouplingSpin-Spin CouplingCH2CH3低分辨低分辨高分辨高分辨J自旋偶合：两个自旋偶合：两个邻近邻近的、的、成键成键的的自旋对间具有自旋偶合自旋对间具有自旋偶合，又称偶合又称偶合不同的不同的n n和和H引起主峰间距变化引起主峰间距变化谱线裂分规则（）规则谱线裂分规则（）规则ABA A核：自旋量子数核：自旋量子数I IB B核将裂分为核将裂分为(2I+1)(2I+1)条谱线条谱线Exa

13、mples:-CH:2 x 1 x(1/2)+1=2如果有如果有n n个个A A核与核与B B耦合，耦合，B B将裂分为将裂分为(2nI+1)(2nI+1)条谱线条谱线.对于对于(I=1/2)(I=1/2)核，可简化为核，可简化为(n+1)(n+1)规则规则Dihedral angle information from coupling constantsKarplus:3J=J0cos2+C (=0-90)3J=J180cos2+C (=90-180)3J=A+Bcos+Ccos2 (J180J90)Dihedral angles in the protein backboneJ-coupl

14、ings over 3 bonds are used in secondary structure assignment研究蛋白质溶液构象1,通过COSY(TOCSY,DGFCOSY)等指 认出各氨基酸的氢峰，耦合系数并计 算相应的二面角。2，测定一系列的NOESY谱，找出各对 空间距离小于0.5nm的核以 约束结构3，基于上述数据进行几何结构的计算 以及能量优化Magnetic resonance imagingBrain haemorrhage cerebral haemorrhageLauterburMansfieldApplication in clinic Nobel prizes

15、(2003)Edward Mills PurcellFelix Bloch1946,1952Raymond V.Damadian 1969空间差异性空间差异性反映出不同环境、不同位置的差异反映出不同环境、不同位置的差异空间的定位性空间的定位性能够准确地对空间进行分辨和定位能够准确地对空间进行分辨和定位g gB0 2 n n=Grads Magnetic fieldComputerized tomograph磁共振成像仪（磁共振成像仪（MRI）第一张活体手指的第一张活体手指的X-射线影像图打射线影像图打开了开了X-射线摄影应用于医学诊断领射线摄影应用于医学诊断领域的大门，无独有偶，第一张活体域的

16、大门，无独有偶，第一张活体形态的形态的NMR影像也是活体手指的影像也是活体手指的横断面横断面NMR图像图像,它是曼斯菲尔得它是曼斯菲尔得1976年通过扫描技术产生的年通过扫描技术产生的形态学观察形态学观察 normal tumorBrain haemorrhage生理学研究生理学研究对对胎儿颅脑主要结构胎儿颅脑主要结构MRIMRI信号分析发现：信号分析发现：不同孕期胎儿的大脑不同孕期胎儿的大脑(基底神经核除外基底神经核除外)、小、小脑实质、脑干、基底神经核以及脑室等脑实质、脑干、基底神经核以及脑室等NMRNMR信号有较大差异。因此，可以判断信号有较大差异。因此，可以判断:胎儿期胎儿期的大脑的大

17、脑(基底神经核除外基底神经核除外)、小脑实质内髓鞘、小脑实质内髓鞘尚未形成，而脑干、基底神经核的髓鞘在孕尚未形成，而脑干、基底神经核的髓鞘在孕2929周后形成，胎儿脑脊液的循环速度较成人周后形成，胎儿脑脊液的循环速度较成人快快,其流速至少为其流速至少为4 4 5cm/s5cm/s。由此可以预。由此可以预见，见，核磁共振核磁共振成像技术在发育生物学领域将成像技术在发育生物学领域将发挥重要作用。发挥重要作用。外科手术前的重要诊断工具外科手术前的重要诊断工具 急症导航急症导航基础医学研究领域基础医学研究领域2005年，美国卡内基梅隆大学理学院生物科学助理教授Eric Ahrens最初为了实现首次基因

18、表达的高清晰、深层组织成像，曾“编制”细胞来制造他们自己的造影剂。脑功能研究脑功能研究-fMRI基于血氧水平基于血氧水平(BOLD)的原理的原理即脑即脑功能活动能引起血氧水平改变功能活动能引起血氧水平改变,MRI能能够探测到这种变化，从而可以定位脑功够探测到这种变化，从而可以定位脑功能活动区域。能活动区域。1991 年年,S.Ogawa等第一等第一次用次用MRI成功获得了人脑初级视皮层的成功获得了人脑初级视皮层的神经功能活动信号神经功能活动信号,使使MRI成为探索大成为探索大脑功能的一种快速、准确的成像工具脑功能的一种快速、准确的成像工具 1.Kurt Wthrich(2001),The wa

19、y to NMR structures of proteins.Nature Structural Biology 8,923-925.2.Ann Ferentz&Gerhard Wagner(2000),NMR spectroscopy:a multifaceted approach to macromolecular structure.Quarterly Reviews of Biophysics 33,29-65.3.Jeremy N.S.Evans(1995),Biomolecular NMR Spectroscopy,Oxford University Press.4.Timoth

20、y Claridge(1999),High-Resolution NMR Techniques,Pergamon Press.5.5.赵南明赵南明 等等 生物物理学生物物理学6.6.夏佑林等夏佑林等生物大分子多维核磁共振生物大分子多维核磁共振科大出版社科大出版社199919997.7.宁永成宁永成,有机化合物结构鉴定与有机波谱学有机化合物结构鉴定与有机波谱学，科学出版社，科学出版社，200220028.8.张建中张建中,杜泽涵杜泽涵,生物医学中的磁共振生物医学中的磁共振,科学出版社，科学出版社，2003参考文献参考文献思考题1.NMR中外加磁场的作用?2.NMR中提高外加磁场的强度的作用?3.NMR中如何区分化学位移和J偶合?4.如何理解NMR中峰宽?