核磁共振原理及其在
生物学中的应用
第九章 二维磁共振波谱基本原理
§ 9.1 — § 9.4
核磁共振基本原理 10讲
吴季辉
蛋白质的 1H谱
蛋白质的第一张 1H谱 (核糖核酸酶,
40MHz),记于 1957年 [Adapted from
Jeremy N.S.Evans (1995)
Biomolecular NMR Spectroscopy.
p.3,Oxford University Press Inc.]
2.0 mM Rnase T1的 900MHz 1H谱
核磁共振基本原理 -引言
吴季辉
核磁共振基本原理 -引言
吴季辉
1H-15N异核二维相关谱
核磁共振基本原理 -引言
吴季辉
二维 NMR
? 比列时的 Jeener于 1971年提出二维 NMR的思想
? 瑞士的 Ernst对二维 NMR进行了深入研究，于 1976
年用量子统计的系综理论对二维 NMR原理进行详
尽的理论阐述,1983年又提出乘积算符理论，大大
简化了脉冲序列的分析。由于在 PFT-NMR及 2DNMR二
方面的贡献而获得 1991年诺贝尔化学奖
? 瑞士的 Wüthrich首先将 2D-NMR的方法用于蛋白质，
发展了将 2D-NMR和距离几何结合得到蛋白质在溶
液中的空间结构的方法,第一个用 NMR方法解析
出蛋白质的 空间结构。获得 2002年诺贝尔化学奖
核磁共振基本原理 10讲
吴季辉
同核去耦
图 (a)是正常氢谱，
它是很复杂的，因
为它属于 ABCX3体
系。图 (b)是把去耦
场频率设置在 CHO
峰上，此时谱就变
成 ABX3体系。图 (c)
是把去耦场频率设
置在 CH3峰上，这时
谱就简化为 ABC体
系。图 (d)是用两个
去耦场，分别对准
CHO与 CH3共振照射，
这时谱就极简单。
核磁共振基本原理 7讲
吴季辉
谱编辑
按 CHn中 n的奇偶性将碳分类
核磁共振基本原理 9讲
吴季辉
二维谱举例一,COSY
核磁共振基本原理 10讲
吴季辉
NOE
二维谱举例二,NOESY
核磁共振基本原理 10讲
吴季辉
二维谱举例三,HSQC
核磁共振基本原理 10讲
吴季辉
二维谱的优点
? 交叉峰包含的信息比普通一维谱丰富得多
? 引入另一个频率变量，使原来拥挤在一个线段
上的密集谱线，可以分散在一个平面上,提高
图谱的分辨率
? 实验方法灵活多样, 被称为, 自旋工程,
(Spin engineering)
? 可以间接检测到在普通 一维 NMR实验 中检测不
到的跃迁，如多量子跃迁
核磁共振基本原理 10讲
吴季辉
二维核磁共振波谱的基本思想
t1
t1 t2
F(t1) F(?1)
F(t1,t2) F(?1,?2)
FT
FT FT
二维核磁共振波谱的基本思想
? 二维 NMR实验在时间域上可分为四个时期
核磁共振基本原理 10讲
吴季辉
核磁共振基本原理 10讲
吴季辉
2D-FID
? 记录的是时间域的二维信号 S(t1,t2)，经二维 Fourier
变换即得频率域的二维核磁共振谱 S(?1,?2)
核磁共振基本原理 10讲
吴季辉
记录二维谱时，实际上是记录一个二维数据矩阵，
t1维的点数为 n1,t2维的点数为 n2，总的数据点为
n1*n2。
由于 t2维的 n2数据点是在同一个 FID中记录的，其
点数的增加只是导致记谱时间增加这些点对应的采
集时间；而 t1维的 n1数据点表示需要记录 n1个 FID，
其点数的增加需要整个脉冲序列以及序列前的弛豫
延迟的完整重复，因此 记谱时间与 n1成正比 。通常
记录二维谱时,t2维的点数可以取得稍大一些，
而 t1维的点数不宜太大，以免记谱时间过长。所以
通常二维谱的 t2维的数据分辨率高于 t1维的数据分
辨率 。
堆积图方式表示的 二维 谱
核磁共振基本原理 10讲
吴季辉
等高线图方式表示的 二维 谱
核磁共振基本原理 10讲
吴季辉
二维谱的线形
二维谱需要设计特殊的相位循环才能得到纯吸收谱，通常称
为相敏谱，方法有 TPPI,State,State-TPPI，等等
核磁共振基本原理 10讲
吴季辉
同核化学位移相关谱
同核化学位移相关谱就是通过同核 1H-1H之间的 J
耦合或 NOE来建立核与核之间的联系的 NMR谱，
常见的有：
COSY (又分为相敏 COSY和幅度 COSY)
DQF-COSY
E-COSY
TOCSY
NOESY
ROESY
核磁共振基本原理 10讲
吴季辉
COSY
乙醇
CH3CH2OH的
COSY谱
相敏 COSY
核磁共振基本原理 10讲
吴季辉
核磁共振基本原理 10讲
吴季辉
对角峰与交叉峰相位相反
复杂的自旋体系将产生进一步的自旋分裂
交叉峰对应的两个质子间的耦合称为 主动耦合,在 COSY谱
上形成 反相裂分
交叉峰对应的质子同其他质子间的耦合称为 被动耦合,在
COSY谱上形成 同相裂分
核磁共振基本原理 10讲
吴季辉
NH-CH?
CH? CH?
几种自旋系统的相敏 COSY交叉峰的精细结构
核磁共振基本原理 10讲
吴季辉
XM
XA
XMAX
DQF-COSY
核磁共振基本原理 10讲
吴季辉
DQF-COSY的对角峰
与其交叉峰一样也是
正负交替的纯吸收峰,
因此 DQF-COSY对角
线附近的谱峰结构比
相敏 COSY和幅度
COSY好得多，适合
于观察对角线附近的
交叉峰，也可用来测
量 J耦合常数 。另外由
于 DQF-COSY只允许
双量子信号通过，而
水中的两个质子是磁
等性核，不可能转换
成双量子，因而水峰
的干扰小
核磁共振基本原理 10讲
吴季辉
反相谱的特点
相敏 COSY,DQF-COSY,E-COSY等属于反相谱，其峰
型是正负交替的，数据采集时的 数据分辨率 要求较高，
以免 正负两部分的信号产生部分重叠，而使信号减弱。这
对于 t2维 一般不成问题，但 t1维 则不然：因为实验时间与
t1维 点数成正比
数据分辨率对裂分的影响 线宽对裂分的影响
核磁共振基本原理 10讲
吴季辉
TOCSY
COSY的 交叉峰表明二个质子之间有 J耦合，而 TOCSY
的 交叉峰表明二个质子 同属一个自旋系统
核磁共振基本原理 10讲
吴季辉
COSY谱（不考虑其精细结构）
(a)一个三自旋体系 AMX ; (b)两个三自旋体系 AMX,A?M?X?
核磁共振基本原理 10讲
吴季辉
TOCSY谱
(a)AMX体系,(b)AMX和 A'M'X'体系
核磁共振基本原理 10讲
吴季辉
TOCSY是同相谱，可提供整个自旋体系的连接，而且
信号强，对于谱峰证认很有用
核磁共振基本原理 10讲
吴季辉
异核谱
磁化
磁化 (向量 ),单位体积
中某种核的磁矩的总
和
<Iz>=(P1-P2+P3-P4)/2
<Sz>=(P1+P2-P3-P4)/2
(自旋 )极化, 核自旋在磁场中形成的不同能级上的布
居数之差
I核的极化 = P1-P2= P3-P4 ??I
S核的极化 = P1-P3= P2-P4 ??S
观察到的核磁信号正比于该核的极化
核磁共振基本原理 9讲
吴季辉
极化
(自旋 )极化, 核自旋在磁场中
形成的不同能级上的布居数之
差
I核的极化 = P1-P2= P3-P4 ??I
S核的极化 = P1-P3= P2-P4 ??S
观察到的核磁信号正比于该核
的极化
极化转移
若对 I核施加一个选择
性 180度脉冲,使能级 1和
2的布居数反转
S核的磁化不变,但是极化发生变化, 由于一种核的极
化改变导致与之耦合的其他核的极化改变，这种现
象称为极化转移
S核的极化 = P1-P4? P2-P3
现在 2-4能级跃迁的信号强度正比于 P1-P4??S+ ?I
原来 2-4能级跃迁的信号强度正比于 P2-P4 ??S
现在 1-3能级跃迁的信号强度正比于 P2-P3 ??S - ?I
原来 1-3能级跃迁的信号强度正比于 P1-P3 ??S
核磁共振基本原理 9讲
吴季辉
INEPT实验
(insensitive nuclei enhanced by polarization transfer)
?脉冲序列中未
注明的脉冲相位
均为 x方向
??=1/4JCH
90o脉冲后 时间 ?后 180o脉冲作用于 H后 180o脉冲作用于 C后 回波
最后一个 H的 90脉冲使一条单线对应的布居数反转，从而将极化传递给 C
核磁共振基本原理 9讲
吴季辉
?
?
?
?
?
?
?
?
1H 质子能级粒子
数翻转增强碳
13信号?=1/4JCH
180
°
90
° τ
τ90°
? 对质子加回波序列,演化中期,质子 ?脉冲的
作用，确保第二个 ?/2脉冲前化学位移的影
响已被消除 (自旋回波 )
? 在 质子 ?脉冲的同时,加碳 ?脉冲,使碳核自
旋符号反转,确保不同自旋态的质子不被会
聚
? 最后一个 ?/2脉冲使质子能级粒子数反转,
使碳 13纵向磁化矢量变为横向磁化矢量以
便检测
?H/?C=4/1
P1-P4??S+ ?I
P2-P4??S
(P1-P4)/ (P2-P4 )=5/1
P2-P3??S - ?I
P1-P3??S
(P2-P3)/ (P1-P3 )=－ 3/1
CH 二重峰 5 － 3
实际应用中第二个脉冲相位在 +y和－ y之间交替
消除天然磁化的贡献
5 － 3
) 1 1
4 － 4 1 － 1
现在 2-4能级跃迁的信号强
度正比于 P1-P4??S+ ?I
原来 2-4能级跃迁的信号强
度正比于 P2-P4??S
现在 1-3能级跃迁的信号强
度正比于 P2-P3??S - ?I
原来 1-3能级跃迁的信号强
度正比于 P1-P3??S
INEPT谱线峰型
核磁共振基本原理 9讲
吴季辉
INEPT类型 实验的优点
?检测 灵敏度增强 （ ?H/?13C ? 4倍）
?脉冲序列前的弛豫恢复间隔时间由
H的弛豫时间而不是 C的弛豫时间决
定，因而 减少实验时间
?脉冲序列经过修改后可以进行 谱编
辑,分辨 季 碳, CH,CH2和 CH3基
团
核磁共振基本原理 9讲
吴季辉
异核化学位移相关谱,HSQC
1H（ I核）信号通过 INEPT序列极化转移到 S核（如 13C或 15N），
进行时间标记，然后再通过极化转移传回 1H，进行检测
核磁共振基本原理 10讲
吴季辉
核磁共振基本原理 10讲
吴季辉
异核化学位移相关谱,HMQC
HMQC谱提供的信息与
HSQC类似，出现交叉峰
表明二个核通过单键耦合
核磁共振基本原理 10讲
吴季辉
异核化学位移相关谱,HMBC
HMBC主要用于获得碳
－氢间的远程耦合信息
核磁共振基本原理 10讲
吴季辉
同核谱与异核谱
NOESY
核磁共振基本原理 10讲
吴季辉
NOESY是通过 NOE效应 来建立核与核之
间的联系的,NOESY的 交叉峰表明二个
质子之间有足够强的 NOE效应，由交叉峰
强度可得出 核与核之间的距离
?通常 二个质子之间的 距离不大于 5?时才
可能观测到 NOE效应
NOESY谱及其变化（如异核编辑 NOESY
谱）是生物大分子结构测定最重要的核磁
实验之一
核磁共振基本原理 10讲
吴季辉
NOESY的谱形,?表示正峰,? 表示负峰
核磁共振基本原理 10讲
吴季辉
NOE增强因子 η
I
s
I
I
s
I
IS
I
s
z
z
WWW
WW
SI
II
SS
I
S
?
?
?
?
?
?
?
?
?
001
02
0
0
2
2
1
)1(
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??
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?
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? 0
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,
,,
z
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I
IS
r e fZ
r e fZssz
ss I
S
I
II
?
?
? ?
?
?
小分子
?R?10-10-10-12s 满足极窄条件
?< 7*109rad/s
1)( ??? RSI ???
R
R
R
r
K
W
r
K
W
r
K
W
?
?
?
12
20
3
20
2
20
6
2
2
6
2
1
6
2
0
?
?
?
I
s
?
??
2
1?
?(T?s)-1
1H 2.67*108
13C 6.73*107
15N -2.71*107
同核时,?=1/2
照射质子，观察碳 13C ?= 1.988
照射质子，观察 15N ?= -4.932
生物高分子
极窄条件不再满足：
4422
4422
42310
45
RR
RR
????
?????
??
???
??R<0.1 ?=0.5
??R>10 ?=-1
??R=1.118 ?=0
?
0, 5
0
- 0, 5
- 1
- 2 - 1 0 1
l o g ? ?
R
照射质子 B,质子 A的 NOE增
强远大于质子 C的 NOE增强,
原因：质子 C周围有质子 D,
与它有驰豫
多自旋系统
NOE受邻近核的影响
ρIX 与其它核的驰豫，
*? 其它驰豫机制
直接 NOE 间接 NOE
自旋扩散
?混合时间 ?m 不宜过长,否则将出现自旋扩散。一般
来说，对于分子量在一万以下的蛋白质的 NOESY实验，
?m=150-200ms；而对于分子量超过一万的蛋白质的
NOESY实验,?m<150ms。若 ?m过长，有些峰的强度将
下降。这就是由于 纵向磁化经第二个核，进一步转移
给第三个核，即自旋扩散 所导致的。此时 NOESY谱将
出现一些新的峰，这些峰就是由于自旋扩散而产生的
假峰。从这些假峰不能得到正确的距离信息
?核与核之间的距离的测量 通常以亚甲基 CH2的两个质
子的交叉峰强度作为参考。亚甲基 CH2的两个质子的
距离为 1.75 ?，通过交叉峰强度的对比，就可得出任
意质子间的距离
核磁共振基本原理 10讲
吴季辉
ROESY
核磁共振基本原理 10讲
吴季辉
?ROESY谱特别适合于中等大小分子的质子
间的距离的测定
?不管分子量的大小，在旋转坐标系中二个
质子间的交叉弛豫速率总是正的,因而交叉
峰与对角峰符号相反，通常对角峰调成正峰，
而交叉峰为负峰
?与 NOESY谱比较,ROESY谱的干扰峰较
多，因此除非是小肽，一般的蛋白质结构解
析多用 NOESY谱
核磁共振基本原理 10讲
吴季辉
生物学中的应用
第九章 二维磁共振波谱基本原理
§ 9.1 — § 9.4
核磁共振基本原理 10讲
吴季辉
蛋白质的 1H谱
蛋白质的第一张 1H谱 (核糖核酸酶,
40MHz),记于 1957年 [Adapted from
Jeremy N.S.Evans (1995)
Biomolecular NMR Spectroscopy.
p.3,Oxford University Press Inc.]
2.0 mM Rnase T1的 900MHz 1H谱
核磁共振基本原理 -引言
吴季辉
核磁共振基本原理 -引言
吴季辉
1H-15N异核二维相关谱
核磁共振基本原理 -引言
吴季辉
二维 NMR
? 比列时的 Jeener于 1971年提出二维 NMR的思想
? 瑞士的 Ernst对二维 NMR进行了深入研究，于 1976
年用量子统计的系综理论对二维 NMR原理进行详
尽的理论阐述,1983年又提出乘积算符理论，大大
简化了脉冲序列的分析。由于在 PFT-NMR及 2DNMR二
方面的贡献而获得 1991年诺贝尔化学奖
? 瑞士的 Wüthrich首先将 2D-NMR的方法用于蛋白质，
发展了将 2D-NMR和距离几何结合得到蛋白质在溶
液中的空间结构的方法,第一个用 NMR方法解析
出蛋白质的 空间结构。获得 2002年诺贝尔化学奖
核磁共振基本原理 10讲
吴季辉
同核去耦
图 (a)是正常氢谱，
它是很复杂的，因
为它属于 ABCX3体
系。图 (b)是把去耦
场频率设置在 CHO
峰上，此时谱就变
成 ABX3体系。图 (c)
是把去耦场频率设
置在 CH3峰上，这时
谱就简化为 ABC体
系。图 (d)是用两个
去耦场，分别对准
CHO与 CH3共振照射，
这时谱就极简单。
核磁共振基本原理 7讲
吴季辉
谱编辑
按 CHn中 n的奇偶性将碳分类
核磁共振基本原理 9讲
吴季辉
二维谱举例一,COSY
核磁共振基本原理 10讲
吴季辉
NOE
二维谱举例二,NOESY
核磁共振基本原理 10讲
吴季辉
二维谱举例三,HSQC
核磁共振基本原理 10讲
吴季辉
二维谱的优点
? 交叉峰包含的信息比普通一维谱丰富得多
? 引入另一个频率变量，使原来拥挤在一个线段
上的密集谱线，可以分散在一个平面上,提高
图谱的分辨率
? 实验方法灵活多样, 被称为, 自旋工程,
(Spin engineering)
? 可以间接检测到在普通 一维 NMR实验 中检测不
到的跃迁，如多量子跃迁
核磁共振基本原理 10讲
吴季辉
二维核磁共振波谱的基本思想
t1
t1 t2
F(t1) F(?1)
F(t1,t2) F(?1,?2)
FT
FT FT
二维核磁共振波谱的基本思想
? 二维 NMR实验在时间域上可分为四个时期
核磁共振基本原理 10讲
吴季辉
核磁共振基本原理 10讲
吴季辉
2D-FID
? 记录的是时间域的二维信号 S(t1,t2)，经二维 Fourier
变换即得频率域的二维核磁共振谱 S(?1,?2)
核磁共振基本原理 10讲
吴季辉
记录二维谱时，实际上是记录一个二维数据矩阵，
t1维的点数为 n1,t2维的点数为 n2，总的数据点为
n1*n2。
由于 t2维的 n2数据点是在同一个 FID中记录的，其
点数的增加只是导致记谱时间增加这些点对应的采
集时间；而 t1维的 n1数据点表示需要记录 n1个 FID，
其点数的增加需要整个脉冲序列以及序列前的弛豫
延迟的完整重复，因此 记谱时间与 n1成正比 。通常
记录二维谱时,t2维的点数可以取得稍大一些，
而 t1维的点数不宜太大，以免记谱时间过长。所以
通常二维谱的 t2维的数据分辨率高于 t1维的数据分
辨率 。
堆积图方式表示的 二维 谱
核磁共振基本原理 10讲
吴季辉
等高线图方式表示的 二维 谱
核磁共振基本原理 10讲
吴季辉
二维谱的线形
二维谱需要设计特殊的相位循环才能得到纯吸收谱，通常称
为相敏谱，方法有 TPPI,State,State-TPPI，等等
核磁共振基本原理 10讲
吴季辉
同核化学位移相关谱
同核化学位移相关谱就是通过同核 1H-1H之间的 J
耦合或 NOE来建立核与核之间的联系的 NMR谱，
常见的有：
COSY (又分为相敏 COSY和幅度 COSY)
DQF-COSY
E-COSY
TOCSY
NOESY
ROESY
核磁共振基本原理 10讲
吴季辉
COSY
乙醇
CH3CH2OH的
COSY谱
相敏 COSY
核磁共振基本原理 10讲
吴季辉
核磁共振基本原理 10讲
吴季辉
对角峰与交叉峰相位相反
复杂的自旋体系将产生进一步的自旋分裂
交叉峰对应的两个质子间的耦合称为 主动耦合,在 COSY谱
上形成 反相裂分
交叉峰对应的质子同其他质子间的耦合称为 被动耦合,在
COSY谱上形成 同相裂分
核磁共振基本原理 10讲
吴季辉
NH-CH?
CH? CH?
几种自旋系统的相敏 COSY交叉峰的精细结构
核磁共振基本原理 10讲
吴季辉
XM
XA
XMAX
DQF-COSY
核磁共振基本原理 10讲
吴季辉
DQF-COSY的对角峰
与其交叉峰一样也是
正负交替的纯吸收峰,
因此 DQF-COSY对角
线附近的谱峰结构比
相敏 COSY和幅度
COSY好得多，适合
于观察对角线附近的
交叉峰，也可用来测
量 J耦合常数 。另外由
于 DQF-COSY只允许
双量子信号通过，而
水中的两个质子是磁
等性核，不可能转换
成双量子，因而水峰
的干扰小
核磁共振基本原理 10讲
吴季辉
反相谱的特点
相敏 COSY,DQF-COSY,E-COSY等属于反相谱，其峰
型是正负交替的，数据采集时的 数据分辨率 要求较高，
以免 正负两部分的信号产生部分重叠，而使信号减弱。这
对于 t2维 一般不成问题，但 t1维 则不然：因为实验时间与
t1维 点数成正比
数据分辨率对裂分的影响 线宽对裂分的影响
核磁共振基本原理 10讲
吴季辉
TOCSY
COSY的 交叉峰表明二个质子之间有 J耦合，而 TOCSY
的 交叉峰表明二个质子 同属一个自旋系统
核磁共振基本原理 10讲
吴季辉
COSY谱（不考虑其精细结构）
(a)一个三自旋体系 AMX ; (b)两个三自旋体系 AMX,A?M?X?
核磁共振基本原理 10讲
吴季辉
TOCSY谱
(a)AMX体系,(b)AMX和 A'M'X'体系
核磁共振基本原理 10讲
吴季辉
TOCSY是同相谱，可提供整个自旋体系的连接，而且
信号强，对于谱峰证认很有用
核磁共振基本原理 10讲
吴季辉
异核谱
磁化
磁化 (向量 ),单位体积
中某种核的磁矩的总
和
<Iz>=(P1-P2+P3-P4)/2
<Sz>=(P1+P2-P3-P4)/2
(自旋 )极化, 核自旋在磁场中形成的不同能级上的布
居数之差
I核的极化 = P1-P2= P3-P4 ??I
S核的极化 = P1-P3= P2-P4 ??S
观察到的核磁信号正比于该核的极化
核磁共振基本原理 9讲
吴季辉
极化
(自旋 )极化, 核自旋在磁场中
形成的不同能级上的布居数之
差
I核的极化 = P1-P2= P3-P4 ??I
S核的极化 = P1-P3= P2-P4 ??S
观察到的核磁信号正比于该核
的极化
极化转移
若对 I核施加一个选择
性 180度脉冲,使能级 1和
2的布居数反转
S核的磁化不变,但是极化发生变化, 由于一种核的极
化改变导致与之耦合的其他核的极化改变，这种现
象称为极化转移
S核的极化 = P1-P4? P2-P3
现在 2-4能级跃迁的信号强度正比于 P1-P4??S+ ?I
原来 2-4能级跃迁的信号强度正比于 P2-P4 ??S
现在 1-3能级跃迁的信号强度正比于 P2-P3 ??S - ?I
原来 1-3能级跃迁的信号强度正比于 P1-P3 ??S
核磁共振基本原理 9讲
吴季辉
INEPT实验
(insensitive nuclei enhanced by polarization transfer)
?脉冲序列中未
注明的脉冲相位
均为 x方向
??=1/4JCH
90o脉冲后 时间 ?后 180o脉冲作用于 H后 180o脉冲作用于 C后 回波
最后一个 H的 90脉冲使一条单线对应的布居数反转，从而将极化传递给 C
核磁共振基本原理 9讲
吴季辉
?
?
?
?
?
?
?
?
1H 质子能级粒子
数翻转增强碳
13信号?=1/4JCH
180
°
90
° τ
τ90°
? 对质子加回波序列,演化中期,质子 ?脉冲的
作用，确保第二个 ?/2脉冲前化学位移的影
响已被消除 (自旋回波 )
? 在 质子 ?脉冲的同时,加碳 ?脉冲,使碳核自
旋符号反转,确保不同自旋态的质子不被会
聚
? 最后一个 ?/2脉冲使质子能级粒子数反转,
使碳 13纵向磁化矢量变为横向磁化矢量以
便检测
?H/?C=4/1
P1-P4??S+ ?I
P2-P4??S
(P1-P4)/ (P2-P4 )=5/1
P2-P3??S - ?I
P1-P3??S
(P2-P3)/ (P1-P3 )=－ 3/1
CH 二重峰 5 － 3
实际应用中第二个脉冲相位在 +y和－ y之间交替
消除天然磁化的贡献
5 － 3
) 1 1
4 － 4 1 － 1
现在 2-4能级跃迁的信号强
度正比于 P1-P4??S+ ?I
原来 2-4能级跃迁的信号强
度正比于 P2-P4??S
现在 1-3能级跃迁的信号强
度正比于 P2-P3??S - ?I
原来 1-3能级跃迁的信号强
度正比于 P1-P3??S
INEPT谱线峰型
核磁共振基本原理 9讲
吴季辉
INEPT类型 实验的优点
?检测 灵敏度增强 （ ?H/?13C ? 4倍）
?脉冲序列前的弛豫恢复间隔时间由
H的弛豫时间而不是 C的弛豫时间决
定，因而 减少实验时间
?脉冲序列经过修改后可以进行 谱编
辑,分辨 季 碳, CH,CH2和 CH3基
团
核磁共振基本原理 9讲
吴季辉
异核化学位移相关谱,HSQC
1H（ I核）信号通过 INEPT序列极化转移到 S核（如 13C或 15N），
进行时间标记，然后再通过极化转移传回 1H，进行检测
核磁共振基本原理 10讲
吴季辉
核磁共振基本原理 10讲
吴季辉
异核化学位移相关谱,HMQC
HMQC谱提供的信息与
HSQC类似，出现交叉峰
表明二个核通过单键耦合
核磁共振基本原理 10讲
吴季辉
异核化学位移相关谱,HMBC
HMBC主要用于获得碳
－氢间的远程耦合信息
核磁共振基本原理 10讲
吴季辉
同核谱与异核谱
NOESY
核磁共振基本原理 10讲
吴季辉
NOESY是通过 NOE效应 来建立核与核之
间的联系的,NOESY的 交叉峰表明二个
质子之间有足够强的 NOE效应，由交叉峰
强度可得出 核与核之间的距离
?通常 二个质子之间的 距离不大于 5?时才
可能观测到 NOE效应
NOESY谱及其变化（如异核编辑 NOESY
谱）是生物大分子结构测定最重要的核磁
实验之一
核磁共振基本原理 10讲
吴季辉
NOESY的谱形,?表示正峰,? 表示负峰
核磁共振基本原理 10讲
吴季辉
NOE增强因子 η
I
s
I
I
s
I
IS
I
s
z
z
WWW
WW
SI
II
SS
I
S
?
?
?
?
?
?
?
?
?
001
02
0
0
2
2
1
)1(
)1(
??
?
??
??
?
?
? 0
0
,
,,
z
z
I
IS
r e fZ
r e fZssz
ss I
S
I
II
?
?
? ?
?
?
小分子
?R?10-10-10-12s 满足极窄条件
?< 7*109rad/s
1)( ??? RSI ???
R
R
R
r
K
W
r
K
W
r
K
W
?
?
?
12
20
3
20
2
20
6
2
2
6
2
1
6
2
0
?
?
?
I
s
?
??
2
1?
?(T?s)-1
1H 2.67*108
13C 6.73*107
15N -2.71*107
同核时,?=1/2
照射质子，观察碳 13C ?= 1.988
照射质子，观察 15N ?= -4.932
生物高分子
极窄条件不再满足：
4422
4422
42310
45
RR
RR
????
?????
??
???
??R<0.1 ?=0.5
??R>10 ?=-1
??R=1.118 ?=0
?
0, 5
0
- 0, 5
- 1
- 2 - 1 0 1
l o g ? ?
R
照射质子 B,质子 A的 NOE增
强远大于质子 C的 NOE增强,
原因：质子 C周围有质子 D,
与它有驰豫
多自旋系统
NOE受邻近核的影响
ρIX 与其它核的驰豫，
*? 其它驰豫机制
直接 NOE 间接 NOE
自旋扩散
?混合时间 ?m 不宜过长,否则将出现自旋扩散。一般
来说，对于分子量在一万以下的蛋白质的 NOESY实验，
?m=150-200ms；而对于分子量超过一万的蛋白质的
NOESY实验,?m<150ms。若 ?m过长，有些峰的强度将
下降。这就是由于 纵向磁化经第二个核，进一步转移
给第三个核，即自旋扩散 所导致的。此时 NOESY谱将
出现一些新的峰，这些峰就是由于自旋扩散而产生的
假峰。从这些假峰不能得到正确的距离信息
?核与核之间的距离的测量 通常以亚甲基 CH2的两个质
子的交叉峰强度作为参考。亚甲基 CH2的两个质子的
距离为 1.75 ?，通过交叉峰强度的对比，就可得出任
意质子间的距离
核磁共振基本原理 10讲
吴季辉
ROESY
核磁共振基本原理 10讲
吴季辉
?ROESY谱特别适合于中等大小分子的质子
间的距离的测定
?不管分子量的大小，在旋转坐标系中二个
质子间的交叉弛豫速率总是正的,因而交叉
峰与对角峰符号相反，通常对角峰调成正峰，
而交叉峰为负峰
?与 NOESY谱比较,ROESY谱的干扰峰较
多，因此除非是小肽，一般的蛋白质结构解
析多用 NOESY谱
核磁共振基本原理 10讲
吴季辉
