1、自旋-自旋耦合(Scalar Coupling) （1）自旋-自旋耦合(Scalar Coupling) （2）定義 核自旋與核自旋間的能量耦合分為兩種： 直接耦合：A核的核磁矩和B核的核磁矩產生的直接偶極相互作用。這一作用叫偶極-偶極耦合作用。其特點是通過空間直接作用。 間接耦合：相鄰的原子核可以通過中間媒介(電子云)而發生作用。此中間媒介就是所謂的化學鍵。這一作用就叫自旋-自旋耦合作用(J-耦合)。特點是通過化學鍵的間接作用。CH異核J-couplingJCH同核 J-couplingHCHCJHH 在固體NMR譜中，這兩種耦合作用都存在，在液晶溶劑中，直接耦合也有殘余的貢獻。但在非粘性溶

2、液中，由于分子的快速滾動，這種作用被平均掉。而J-耦合則不會被平均掉。高分辨的NMR譜圖中的多重峰，正是J-耦合作用的結果。 vXAXAXJAXvAAXAXJAX1 : 11 : 1CCHAHX 與一個鄰近核的耦合（AX自旋系統）H=H+HH=H-H自旋-自旋耦合（3）-譜線裂分 自旋-自旋耦合引起共振線的分裂而形成多重峰。多重峰實際代表了相互作用的原子核彼此間能夠出現的空間取向組合。1 : 1 與兩個鄰近等價核的耦合（AX2自旋系統）vAJAXJAX1 : 2 : 1vXJAX1 : 1CCHAHXHX121： 在宏觀樣品中反平行的磁矩數分別是兩個平行的磁矩數2倍，因此信號強度是1：2：1。

3、 化學位移對應的是兩個峰中間的位置。自旋-自旋耦合（4）-譜線裂分自旋-自旋耦合（5）-譜線裂分 與兩個非等價鄰近核的耦合（AMX自旋系統）vXJAX1 : 11 : 3 : 3 : 1vAJAXJAXJAX 與三個鄰近等價核的耦合（AXn自旋系統）CCHAHXHXHX1 ：3 ：3 : 1自旋-自旋耦合（6）-譜線裂分 自旋合產生峰裂分后，裂分峰之間的間距稱為耦合常數，用nJAX 表示，單位為Hz。n代表相隔鍵的數目，AX是耦合的兩個核。對于n3的耦合稱為長程耦合。 J值大小表示核間相互耦合作用的強弱。與化學位移不同，耦合常數不因外磁場的變化而變化，受外界條件的影響也很小。 影響J值大小的主

4、要因素是原子核的磁性和分子結構及構象。因此，耦合常數是化合物分子結構屬性的反映。 簡單自旋耦合體系J值等于多重峰的間距，復雜自旋耦合體系，需要通過復雜計算求得。 兩組核相互耦合的J值必然相等，即Jab=Jba 在譜圖上觀察不到等價核之間的耦合。自旋-自旋耦合（7）耦合常數自旋-自旋耦合（8）耦合機理（Dirac向量模型）通過兩鍵耦合的雙核體系（H-D）通過兩鍵耦合的三核體系（H-O-D）1JHD0HD122JHD0 J耦合作用是通過圍繞在核外的電子云間接傳遞作用，使核磁矩之間產生能量耦合的，而每插入一個原子，就多了一個Hund型的相反作用，增加了自旋信息傳遞的困難。因此，耦合作用隨著化學鍵數目

5、的增加而迅速減弱。 相隔鍵數越小，J值越大，一般相隔4個單鍵以上的J趨近于零，但在共軛鍵存在下仍能觀察到自旋現象。自旋-自旋耦合（9）耦合機理（Dirac向量模型）自旋-自旋耦合（10）-2nI+1律 n+1 律是2nI+1律的特殊形式。適用條件: I=1/2, 簡單或一級耦合(/J10，一般在高場條件下即可滿足), 且耦合常數相等。多重峰面積比為二項式展開式的系數比。 2nI+1律：耦合引起的多重峰的數目（M）：M=2nI+1， n 為鄰近等價核的數目。 1 11 11 11 2 11 2 11 3 3 11 3 3 11 4 6 4 11 4 6 4 1 由于一些核的自然豐度并非100%，

6、譜圖中可能出現耦合分裂的峰和無耦合的峰。氯仿中的氫譜是一個典型的例子。 x100H-13CH-13C105 HzH-12C自旋-自旋耦合（11）衛星峰=0.55%自旋-自旋耦合（12）-耦合與自旋態壽命1J-1s自旋-自旋耦合能夠被觀測到的條件： 對于I1的核，除了磁矩外，還存在核電四極矩Q，后者導致快速弛豫，極大地縮短了1，因此譜圖上看不到由J-耦合產生的信號裂分。但是對于D，其四極矩在數量級上遠遠小于其它四極核，對降低1的貢獻很少，因此常常可以看到D的耦合作用。比如13CDCl3的13C為三重峰。 NMR實驗中，就是根據這個原理，選擇性地激發去耦的核，降低1，以達到去耦的目的。 因此，不斷

7、提高核磁共振譜儀磁場的強度，是儀器制造的重要方向。化學位移和J-耦合與磁場強度的關系 B B0 0 E E E E N N N N Intensity Intensity Intensity Intensity 1.51.52 2弛豫 （1） 弛豫:樣品中核自旋與周圍環境達到平衡的一個過程。實驗中，弛豫速度決定了一個樣品能夠被重復的速度。弛豫速度由分子的物理性質及樣品的性質決定，因此，通過測試弛豫速度能夠獲取有關樣品的一些物理性質。其中，最常用到的是NOE效應，由此可探知一個分子中各個核之間的距離。另外，弛豫速度還與分子鏈的運動有關，因此還可以研究大分子中分子鏈的內部運動。 平衡：指一種狀態

8、各個能級的布居數服從Boltzmann分布即馳豫過程與能級間的躍遷有關； 沒有橫向磁化矢量，即系統中不存在相關。 每個核周圍都圍繞著許多核，同一分子的和不同分子的。通過核與核之間的各種相互作用，比如偶極偶極相互作用，使該核上經受了一個局部磁場。 如果所有的核都是固定不動的，那么這個局部磁場就是一個恒定場。但是，物質中所有的分子都是不斷運動的，比如，對于固體，只要不是處于絕對零度，則總是存在著晶格振動；對于液體，運動更加激烈，主要是Brown運動。由于分子間的熱擾動及分子間的相互碰撞，因此該核經受的局部磁場不可能是恒定場，而是隨時間變化的漲落場。弛豫 （2）-自旋-晶格/縱向弛豫弛豫 （3）-自

9、旋-晶格/縱向弛豫 根據量子力學，當Hamiltom量中含有時間的變量時，體系的能量不再是守恒量，體系會產生能級的躍遷。躍遷過程中核自旋體系與晶格發生了能量交換。通過馳豫過程，能量在自旋和分子運動之間流動，這種過程稱之為縱向馳豫過程，也稱作自旋晶格馳豫（T1） 核自旋與晶格的相互作用很弱，核自旋的弛豫效率就很差，T1很長；如果核自旋與晶格的相互作用很強，自旋晶格弛豫激烈，T1就很短。 由于核自旋和晶格間發生能量交換的T1弛豫過程，是通過分子運動產生的隨機漲落局部磁場，和核自旋間相互作用來實現的，而分子運動包含著很寬的頻譜，而且很大程度上受溶液粘度的影響，如果漲落場含有適當的頻率（核自旋的旋進頻

10、率），將誘導核自旋的躍遷。因此，弛豫過程的特性由分子運動的特性來決定，NMR的馳豫速度常數對分子的運動特別敏感，可以通過馳豫速度常數來研究分子的運動動力學。弛豫 （4）-自旋-晶格/縱向弛豫弛豫 （5） 與馳豫有關的橫向場源于樣品本身，常常是由于核自旋本身之間及其與周圍環境之間的某些相互作用引起的。 產生馳豫的躍遷與RF脈沖產生的躍遷之間的區別： RF脈沖使樣品中所有的核自旋經受同樣的漲落場；而引起弛豫躍遷的橫向場是局域場，僅僅影響部分核自旋。這種局域橫向場的大小和方向都具有隨機性。這種隨機性正是樣品達到平衡的驅動力。弛豫 （6）-自旋-晶格/縱向弛豫ox180ox90一般經過5T1的時間，磁

11、化矢量才能從非平衡態恢復至平衡態。因此， 5T1也是理論上兩次掃描的時間間隔。弛豫 （7）-縱向弛豫的測量（The inversion recovery experiment）Rz=1/T1S即為The inversion recovery experiment中的峰的積分面積弛豫 （8）-縱向弛豫的測量（The inversion recovery experiment）弛豫 （9）-縱向弛豫的測量（The inversion recovery experiment）弛豫 （10）-自旋-自旋/橫向弛豫 每個自旋的磁矩的相位為隨機的，因此樣品凈的橫向磁化矢量為零，樣品處于平衡狀態。 存在凈的

12、磁化矢量，每個自旋磁矩的相位不再是隨機的，具有一定的方向性。量子力學上稱之為相關。（一個RF脈沖作用于平衡的磁化矢量上時，將產生一個橫向磁化矢量，即RF脈沖產生了一個相關。） 通過破壞每個自旋的取向排列，橫向馳豫過程破壞了相關。 射頻場的作用下，磁化矢量發生相位相干，核自旋合在一起。脈沖過后，核自旋旋進，合在一起的核自旋逐漸扇開，失去了相位相干。橫向磁化矢量逐漸變小。 自旋-自旋弛豫過程中，能級的布居數沒有發生變化。在漲落場的作用下，能量從高能態的核自旋傳遞給低能態的核自旋，其旋進速度減慢，而低能態的核自旋吸收能量，旋進加快。能量交換在核自旋內部進行，由于同等量的能量被吸收或釋放，而且并未和晶

13、格交換能量，因此，系綜的總能量并未發生改變。 損失的僅僅是相位相干，核自旋的旋進速率有快有慢，磁化矢量的旋進相位從有規分布趨向無規分布。弛豫 （11）-自旋-自旋/橫向弛豫弛豫 （13）-自旋-自旋/橫向弛豫相位相干散相2TMdtdMyy2TMdtdMxx破壞相關的兩種途徑： 隨機地改變自旋磁矩的方向局域漲落場可以如同RF脈沖一樣改變自旋磁矩的方向，與縱向馳豫過程類似。因此，任何導致縱向馳豫的因素皆可能引起橫向馳豫的發生。 使每個自旋以不同的Larmor 頻率旋進。樣品不同處局域場的差異將核自旋以不同的頻率旋進。弛豫 （12）-自旋-自旋/橫向弛豫弛豫 （14） 弛豫：粒子受到激發后，以非輻射

14、的方式，從激發態返回基態，而達到Boltzmann平衡的過程。 自旋-晶格/縱向弛豫（T1）：核自旋體系和分子中其它部分（晶格或環境）之間通過熱運動形式發生能量交換。 自旋-自旋/橫向弛豫（T2）：核自旋之間進行內部的能量交換，而保持整個自旋體系的能量不變。布居數比例橫向磁化矢量自旋-晶格/縱向弛豫時間（T1）自旋-自旋/橫向弛豫時間（T2）磁化矢量擾動ox90去除擾動弛豫Mz=M0Mx，My=0對于液體， T1 T2NOE效應（the Nuclear Overhauser Effect）當分子內有在空間位置上互相靠近的兩個核A和B時，如果用雙共振法照射A，使干擾場的強度增加到剛使被干擾的譜線

15、達到飽和，則另一個靠近的質子B的共振信號就會增加，這種現象稱NOE。產生這一現象的原因是由于二個核的空間位置很靠近，相互弛豫較強，當A受到照射達飽和時，它要把能量轉移給B，于是B吸收的能量增多，共振信號增大。這一效應的大小與核間距離的六次方成反比。 對于電磁輻射，僅僅單量子躍遷是允許的，而弛豫作用引起的躍遷是一種非輻射躍遷，不涉及射頻場和自旋體系的作用，不違反選擇定則，因此零量子、單量子和雙量子躍遷都是允許的。 偶極-偶極作用引起的是零量子和雙量子躍遷，非偶極機制影響的是單量子躍遷。NOE效應 假設只有偶極作用，即JAX=0。 激發A核，使之達到飽和，因此N1=N3，N2=N4。對A核的飽和不

16、影響X核的信號強度。 由于N1/N4N1/N4,因此向平衡恢復的過程W2使N1增加而N4減少，結果導致決定X核信號強度的布居數N1-N2和N3-N4增加，使X核信號強度增強。 如果是W0過程，N2增加，而N2減少，N1-N2和N3-N4降低，X核的信號強度減少。NOE效應 對于小分子，非粘性溶液，具有較小的相關時間，弛豫躍遷移W2為主，NOE效應為正。 對于大分子及粘性溶液，具有較長的相關時間，弛豫躍遷以W0為主，NOE效應為副。 誘導產生W2的漲落場的頻率應接近于vA+vB,而誘導產生W2的漲落場的頻率則很低，因此NOE信號的大小取決于磁場強度。NOE效應NOE增強因子對于僅有偶極機制的弛豫

17、過程，且以W2為主01IIBA2A 飽和核X 觀測核 其它弛豫機制，比如化學位移各向異性機制或者偶極作用的W0和W1機制，都能消弱這個增強因子。 在異核NOE實驗中，總是使靈敏核飽和，觀測非靈敏核。 由于偶極耦合與核間距離的六次方成反比，因此NOE與核間距離有關。雙共振技術 雙共振是同時用兩種頻率的射頻場作用在兩種核組成的系統上，第一射頻場B B1使某種核共振，第二射頻場B B2使另外一種核共振，這樣兩個原子核同時發生共振。雙核自旋系統檢測器2 擾動1 脈沖 第二射頻場為干擾場，通常用一個強射頻場干擾圖譜中某條譜線，另一個射頻場觀察其他譜線的強度、形狀和精細結構的變化，從而確定各條譜線之間的關

18、系，區分相互重疊的譜線。對于AX體系，如果在vx上加強的射頻場，將會引起X核的兩個自旋態和間產生激烈躍遷，縮短了自旋態壽命1，導致A核區別不清X核的不同狀態，而只感受到其平均取向，因此A核和X核之間的耦合作用消失。A的多重峰合并成單峰。自旋去耦可以簡化圖譜，還可以確認復雜圖譜中哪些核是相互耦合的。雙共振技術去耦原理未去耦：13C-1H耦合系統形成4個能級，13C躍遷產生兩個共振峰。去耦：當1H進行快速躍遷時，每個13C無法判斷1H的自旋狀態，相當于、二態合二為一，因此13C的躍遷只產生一個峰。自旋去耦1H NMR 為了達到去耦的目的，vx必須是X核的共振頻率。另外，射頻場B2必須是高功率，因為

19、必須足夠寬，以激發A核上的所有多重峰。 射頻場的強度必須大于耦合常數（其本質就是章動的頻率要大于耦合常數），否則將會產生“自旋輕撓”現象。即交換速率不足于使二重峰在NMR的檢測條件下合二為一，使耦合未得到完全消除，而信號強度受到很大的損失。 強的vx使那些離vx不太遠的譜線產生飽和現象，所以強的去耦場會影響譜線寬度。 去耦場會引起NOE效應，所以去耦譜不適合作定量研究。自旋去耦 1H的耦合作用，使13C譜線分裂，譜圖復雜難以歸屬； 13C較低的天然豐度（1.07%），而且屬于非靈敏核（：6.72），譜線分裂使信號強度更低。 13C的耦合作用，由于13C-13C對相遇的幾率只有1.2x104之一

20、，可以忽略不計。自旋去耦13C NMR自旋去耦13C NMR在13C的采樣過程中，H通道一直開啟去耦。 BB去耦需足夠強的射頻場功率以保證去耦的范圍覆蓋1H譜。 信號強度集中在一個峰上，并由于NOE效應，增加200%。 譜圖上僅提供化學位移信息，而喪失全部J耦合信息。 由于高功率，對于介電常數大的樣品，特別是樣品的酸堿度或離子強度大而導電性能較強時，由于介電損耗或導電損耗導致的樣品的發熱效應十分顯著。1H寬帶去耦:也叫噪音去耦法（全程去耦，BB去耦）。是在測定13C譜的同時，用一個包括1H整個進動頻率的去耦頻帶，消除樣品中全部1H-13C耦合，使13C譜圖呈現一個個單峰。一般說來，在分子中沒有

21、對稱因素和不含F、P等元素時，往往是分子中有幾種化學類型的碳就有幾個峰。 自旋去耦13C NMR門控去耦：是在13C觀察脈沖之前，先加上去耦脈沖，在取FID信號時，去耦脈沖已撤去，但NOE并未消失。這樣就可得到既能觀察耦合常數（不去耦）而又保留NOE增強效應的譜。 反轉門控去耦法：為了得到既消除所有質子耦合，又消除NOE可用于定量的13C譜，可采用反轉門控去耦法。反轉門控去耦技術是在13C觀察脈沖之后，立即加上去耦脈沖。選擇去耦脈沖作用的時間，使這一時間長到足以使FID信號去耦；另一方面又短到不足以產生NOE。因此，最后的譜是去耦的，而峰面積比例又未受NOE破壞適于作13C定量分析。自旋去耦1

22、3C NMR寬帶去耦中三種去耦方式比較自旋去耦13C NMR偏共振去耦：偏共振去耦技術是將質子去耦頻率放在稍稍偏離質子共振區外，即去耦頻率高于TMS的1000-2000Hz的范圍內。這樣得到的譜圖，遠程耦合2JCH 3JCH不存在，只留下耦合最強的信號1JCH并且耦合常數縮小，即所觀察到的耦合常數比真實耦合常數小，但峰的多重性仍能分清，可以區分CH3的四重峰，CH2的三重峰，CH的兩重峰和C的單峰。另外還保存了大部分的NOE效應。表觀耦合常數的大小與去耦功率和去耦頻率偏離共振點的位置有關。 但是，偏共振去耦的譜圖中的多重峰并不總是能出現四重峰、三重峰或兩重峰，而是更為復雜的峰，因此，這種方法常

23、被DEPT取代。自旋去耦13C NMR選擇性去耦自旋去耦13C NMR13C NMR中的幾種去耦技術比較：自旋去耦13C NMRA：門控去耦B：對CH3選擇性去耦C：BB去耦多脈沖實驗極化轉移TkBNNB01 非靈敏核具有較低的天然豐度和旋磁比。 極化：不同能級間粒子數之差。90脈沖式自旋布居數平均分布，即產生零極化； 180則將粒子數反轉。 信號放大因子：XAXA11和多脈沖實驗DEPT（Distortionless Enhancement by Polarization Transfer）CH、CH2和CH3的信號強度與脈沖角度的關系：DEPT（）45901351800多脈沖實驗DEPT二

24、維核磁共振波譜簡介（1）基本原理二維實驗的脈沖序列一般由制備期、演化期、混合期和檢測期組成。所有的二維實驗都包含有t1和t2兩個時間變量。t2表示的是采樣時間，為檢測期；t1則對應著演化期。二維核磁共振波譜簡介（2）基本原理制備期：通常由較長的延遲時間Td和激發脈沖組成。Td是等待核自旋體系達到熱平衡；而激發脈沖則制備出實驗所需要的橫向磁化矢量，產生所需要的單量子或多量子相干，因為隨后的演化完全依賴于相干的性質。其中可能涉及飽和、極化轉移和各種激發技術。演化期：使產生的非平衡態產生化學位移或者耦合。核自旋的相干的演化是自由的，以便獲取F1維的信息，因此演化期間除了允許自旋回波脈沖出現外，一般不

25、允許其它脈沖存在。演化時間以固定增量t1增加，因此t1就是第二個時間變量。在此期間是用來標記要間接測定的核或相干。混合期：由一組固定長度的脈沖和延遲組成。此期間通過相干或極化轉移，使F1維和F2維的信號相關，建立檢測的條件。檢測期：t2是第一個時間變量。 A：磁化矢量由于J-耦合作用，以不同速度旋進。B：不同t1時間里，在y軸測得的FID信號強度不同，其大小由t1決定C：FID信號強度受J耦合作用的調制，變化頻率與耦合常數有關。D：對t1進行FT變換后，F1維上峰間距即為耦合常數。二維核磁共振波譜簡介（3）基本原理二維核磁共振波譜簡介（4）基本原理 二維譜的特點是信號只在檢測期記錄，而演化期中

26、核自旋的演化反映在對檢測期起始條件的某種調制。 調制有兩種，即幅度調制（a）和相位調制（b）。 只要演化期之末的自旋體系的特性隨演化期的改變做周期性的變化，連續改變演化期的t1就可以追蹤演化期的行為，使間接檢測禁阻躍遷成為可能。二維核磁共振波譜簡介（5） 一般同核二維譜都具有對稱特性，對角線上的峰稱為對稱峰，其它峰沿對角線呈對稱分布，稱為交叉峰。 對于COSY譜，當兩核間存在自旋-耦合作用時，就會有交叉峰產生；而NOSEY譜的交叉峰反映的是兩者間偶極-偶極相互作用。 而一些同核二維譜，如J耦合分離譜、多量子相關譜、擴散二維譜等都是不對稱的，不存在對角峰。 所有異核二維譜都是不對稱的。所有二維譜

27、的橫坐標都標識為F2維，從右指向左，對應著真實采樣（或直接采樣）的t2維；而縱坐標則標識為F1維，從上指向下，對應著間接采樣的t1維。二維核磁共振波譜簡介（6）-H，H-COSYCOSY：COrrelated SpectroscopY相關譜的特點：必須有混合期。在混合期里，有相互作用的核之間會發生極化或相干轉移。二維核磁共振波譜簡介（7）-遠程H，H-COSY二維核磁共振波譜簡介（8）-C，H-COSY二維核磁共振波譜簡介（9）-HSQCHSQC: Heteronuclear Single Quantum Coherence 通過檢測1H信號而達到間接檢測13C或15N信號的方法。 在非靈敏核的通道產生相位相干，然后將此相位相干轉移到1H通道，并檢測1H通道的FID信號。 檢測的是1H譜中13C或15N耦合所產生的衛星峰。而與12C或14N相連的1H主峰則通過一定方法濾去。二維核磁共振波譜簡介（10）-HSQCHMQC: Het