核磁共振原理及其在
生物学中的应用
第七章 仪器和实验方法
§ 7.1 — § 7.3
核磁共振基本原理 8讲
吴季辉
样品的准备
样品的体积
现代超导谱仪一般
使用 5mm直径样品管，
溶液体积 0.5ml-
0.7ml,至少 0.4ml。
早期作 13C-NMR谱使
用 10mm直径样品管，
溶液体积 1.5-2ml。
核磁共振基本原理 8讲
吴季辉
在样品管中溶液的深度由两个因子决定，
样品若超过一定高度，超过部分将会接
收不到发射线圈发射的射频造成浪费；
若太低则样品与空气磁化率的不同造成
界面磁化率突变会影响样品中磁场的均
匀性
样品的浓度
由于核磁共振实验固有的低灵敏度，所以它需
要比一般红外、紫外实验更大的样品量，这往
往成为核磁共振技术在生物学中应用的一个关
键问题
对于质子磁共振波谱，样品浓度一般在 10-2-10-4
M。在 FT谱仪中通过多次波谱累加可以降低对
最低浓度的要求，只要时间足够，在原则上对
于一个分子量 20000的蛋白质，可以得到 1-3mg
样品的 1H核磁共振波谱
核磁共振基本原理 8讲
吴季辉
样品的浓度
对于 13C谱来说，由于 13C的低灵敏度，
样品浓度的最低限度是 10-2M。对于
一个分子量为 20000的蛋白质，使用
10mm直径的样品管，样品体积是
1.5ml，则需要大约 300mg的样品
天然小蛋白质 ?5mM
同位素标记的蛋白质 >1mM
溶剂的选择
一个理想的溶剂必须满足以下的条件：
1,样品在其中有高溶解度；
2,在我们所感兴趣的波谱范围内没
有溶剂峰；
3,在做变温 实验的温度范围内保持
液体状态
通常使用一些氘代溶剂
?减少溶剂峰的干扰
核磁共振基本原理 8讲
吴季辉
锁场
? 采用氘核内锁稳定磁场，起 锁场 的作用
? 氘代氯仿 是一个很理想的溶剂，它既适
合于 1H，也适合于 13C，在整个质子谱范
围内透明，再加上化学性质惰性，便宜，
所以是常用的溶剂
? H2O 是 生物分子 最适宜的溶剂
(90%H2O,10%D2O)
蛋白质 NMR研究的溶液条件
选择的 pH值尽量在偏酸性如 pH 3~5，也可
以稍为高一些，但尽量 不要大于 7。这是
因为蛋白质中的酰胺质子 NH在 pH 3~5之
间与水的交换最慢，在其他 pH特别是 7以
上交换加快，导致 NH的信号减弱甚至消
失，而 NH的信息对于蛋白质主链乃至侧
链谱峰的认证都十分重要
核磁共振基本原理 8讲
吴季辉
缓冲体系的成份首先要 保证蛋白质的
稳定及高溶解度,蛋白质的浓度通
常要求有数 mM
其次要考虑缓冲液中其他成份对蛋白
质谱图的干扰，在这方面磷酸盐缓
冲液最好，其他的如 Tris或乙酸等有
机成份由于本身也有 CH质子，其化
学位移与蛋白质中的 CH相近，因而
有干扰，特别是缓冲液浓度较蛋白
质高出很多时。如果作同核谱，最
好能用氘代的 Tris和乙酸等；
作异核谱时影响相对小一些，但 其他
有机成份也应控制在数十 mM内 。 无
机盐浓度不宜大于数百 mM,否则
会影响核磁谱仪探头的调谐 。在样
品溶液中 不能有重金属离子污染,
因有顺磁性会降低核磁信号的强度
和分辨率，必要时可在透析液中加
EDTA等除去。
样品的处理
离心, 样品（特别是生物大分子）溶解后，应该离心
除去可能的微小颗粒，以免影响匀场，降低分辨率
除氧,在高分辨结构和弛豫研究中除氧是极为重要的
（特别是小分子），溶解在溶液中的分子氧具有顺磁
性，它会极大的减少弛豫时间，必须将氧除去。除氧
的方法通常有两种，一种叫冰冻－抽真空－融化, 即把
样品放在 NMR样品管内冰冻，然后抽真空，融化，重
复上述过程四次，最后在真空中将管口封住。另一种
方法是将 氮气或氦气，氩气 强迫通过整个样品体积把
氧赶走
核磁共振基本原理 8讲
吴季辉
核磁共振谱仪的主要指标
分辨率 (resolution)
谱仪的分辨率被定义为能区分两个接近的共振峰的能力，
和一般光谱仪不一样它不是由能区分的最小频率间距
??1-?2?表示，因为 ??1-?2?与仪器的频率有关,250MHz
的谱仪可以区分的频率间距自然大于 60MHz谱仪。核磁
共振谱仪的分辨率受到谱线宽度的限制，谱线不是无限
窄的，它有一定的宽度，用共振峰半高处的宽度表示。
表观线宽不仅取决于弛豫过程，而且取决于仪器本身
老式的谱仪用 10%(v/v)的邻二氟苯 /四氯化碳作为标样，
测定某条指定的谱线的半高宽，大致在 0.1-0.5Hz
现代的 FT谱仪用 1-3%氯仿 /氘代丙酮 作为标样，测定氯仿
主峰的半高宽
核磁共振基本原理 8讲
吴季辉
氯仿 /氘代丙酮的 NMR谱
核磁共振基本原理 8讲
吴季辉
核磁共振谱仪的主要指标
线型 (lineshape)
仅仅最小线宽还不足以表征分辨率，特别是所观察的两个
峰高度相差甚大时，这时分辨率在很大程度上受到强峰接
近基线处形状的影响。这时还要进行一种 波峰检验 (Hump
test)
老式的谱仪用 10%(v/v)的氯仿 /四氯化碳作为标样，测定氯
仿主峰的 0.5%处即 13C卫星线高度处谱线的宽度，大致在 7-
15Hz
现代的 FT谱仪用 1-3%氯仿 /氘代丙酮 作为标样，测定氯仿主
峰的 0.55%及 0.11%处谱线的宽度
核磁共振基本原理 8讲
吴季辉
13C卫星线 指与 13C
相耦合的质子产生的
谱线
旋转边带 样品旋
转时由于磁场不够均
匀而在强峰两边产生
的弱峰，与主峰的距
离为旋转速度的倍数
核磁共振基本原理 8讲
吴季辉
氯仿 /氘代丙酮的 NMR谱 (Hump test)
核磁共振基本原理 8讲
吴季辉
核磁共振谱仪的主要指标
灵敏度 (sensitivity)
灵敏度是指谱仪能够测量出弱信号的能力 。 核磁共振谱
仪的灵敏度不仅受到放大器增益的限制, 而且受到电子
线路中随机噪声的限制, 如果弱信号和噪声振幅大小相
同, 则弱信号就不能检测出来 。
灵敏度以信噪比表示
S/N＝ 2.5H/h
其中 H是信号高度,h是噪声振幅的峰－峰值。 h值除以
2.5的原因是：按照噪声理论，噪声振幅的峰值是无意义
的，只有均方根噪声才有意义，二者之间的转化因子在
核磁共振中选为 2.5
核磁共振基本原理 8讲
吴季辉
1H灵敏度
老式的谱仪用 1%(v/v)的 乙基苯 /四氯化碳作为标样，测定
某些指定谱线的信噪比，大致在 20-300或更高
现代的 FT谱仪用 0.1%(v/v)的 乙基苯 /氘代氯仿 作为标样，
同样测定某些指定谱线的信噪比
13C灵敏度
老式的谱仪用 90%的乙基苯 /四氯化碳作为标样，测定某些
指定谱线的信噪比,得到的信噪比和质子一般同数量级
现代的 FT谱仪用 10%(v/v)的 乙基苯 /氘代氯仿 (1H去耦 )或
ASTM(40% p-Dioxane/60%氘代苯 ) (1H不去耦 )作为标样，
同样测定某些指定谱线的信噪比
核磁共振基本原理 8讲
吴季辉
核磁共振基本原理 8讲
吴季辉
脉冲付里叶变换超导核磁共振谱仪
脉冲付里叶变换超导核磁共振谱仪
核磁共振基本原理 8讲
吴季辉
脉冲付里叶变换核磁共振谱仪
?Magnet
?Probe
?Console
?Computer
核磁共振基本原理 8讲
吴季辉
超导磁体
核磁共振基本原理 8讲
吴季辉
对 磁体 的要求
?高磁场强度
?高均匀性
?高稳定性
核磁共振基本原理 8讲
吴季辉
对 磁体 的要求,高磁场强度
核磁共振基本原理 8讲
吴季辉
高场谱仪分辨率的提高
550600650
Hz
750800850900950
Hz
11001150120012501300135014001450
Hz
900 M H z
6 0 0 M Hz
40 0 M H z
C u r re n t D at a P ar am et er s
N A ME t x i oe s tr ad i ol
E X P N O 3
P R O C N O 1
F 2 - A cqu i s i ti on P ar am et er s
D at e_ 2 00 10 12 6
T i m e 1 6,50
I N S T R U M s pe ct
P R O B H D 5 m m T X I 1 3C Z
P U LP R OG zg
T D 65 53 6
S OLV E N T C D C l 3
N S 4
D S 0
S W H 74 40,4 76 H z
F I D R E S 0,1 13 53 3 H z
A Q 4,40 40 69 4 s ec
R G 1 80
D W 6 7,20 0 u s ec
D E 6,00 u s ec
T E 30 0,0 K
D 1 3,0 00 00 00 0 s ec
= = = = = = = = C H A N N E L f 1 = = = = = = = =
N U C 1 1 H
P 1 1 0,00 u s ec
P L1 - 4,00 d B
S F O1 9 00,0 23 65 81 MH z
F 2 - P r oces s i n g pa r am et er s
S I 6 55 36
S F 9 00,0 20 00 00 M H z
W D W GM
S S B 0
LB - 0,30 H z
G B 0,3
P C 4,00
Oes t r ad iol- ac et ate
核磁共振基本原理 8讲
吴季辉
对 磁体 的要求,高均匀性
?在 100MHz的谱仪中，假若磁场变化 10-9，就会使频率变化 0.1Hz，
所失去的分辨率就等于或超过自然线宽
?影响磁场均匀性的原因,磁体设计方案；探头形状与材料；样
品管厚度不均匀，同心度不好；样品溶解不均匀，有悬浮颗粒；
磁体附近有铁磁性物体
?解决方法：在探头周围放置多组线圈，称为匀场线圈，通上适当
大小的电流，产生校正磁场，提高总磁场的空间均匀度
?低温匀场线圈,同主线圈一起浸在液氦中，平常电流不可调节
?室温匀场线圈,工作在室温，有二三十组线圈，每换一个样品均
需调节其电流大小（称为 匀场 ）
?要进一步提高分辨率, 可以让样品管绕其自身的轴旋转, 以平
均掉垂直于转轴平面中的磁场梯度 。 样品旋转会伴随旋转边带的
产生, 转速不同, 边带的位置也不同 。 样品旋转不能太快, 否则
会产生涡流 。 通常旋转速度为 20-50Hz,一般边带小于主峰的 1-
2%
核磁共振基本原理 8讲
吴季辉
对 磁体 的要求,高稳定性
磁场变化的原因：磁体的老化；附近有金属物体移动；温
度的波动
解决方法：监视 2H锁信号的共振频率（由 氘代溶剂 提供）
场频联锁：
磁场变化 ?共振频率变化 ?产生校正电流 ?产生补偿磁场
?总磁场保持不变
核磁共振基本原理 8讲
吴季辉
探头
功能：放置样品管，发
射射频脉冲，接收核磁
信号；
组成：射频线圈及调谐
电路；梯度磁场线圈；
热电偶，加热器件，传
送恒温气流的杜瓦管道；
样品管进出用的气流通
道
核磁共振基本原理 8讲
吴季辉
核磁共振基本原理 8讲
吴季辉
脉冲 谱仪普遍采用单线圈探头，发射与接收由同一线圈完成
核磁共振基本原理 8讲
吴季辉
匀场系统 (The Shim System)
? 低温匀场系统
? 室温匀场系统
? the on-axis (spinning) shims (z,z2,z3,z4..)
? the off-axis (non-spinning) shims (x,y,xy...)
锁场系统 (The lock-system)
? 氘锁系统
? 保证磁场稳定
脉冲 发生器
?频率综合器：产生所需频率的射频电流
?脉冲编程器,控制脉冲的时序，长度，
幅度，相位甚至形状
?射频放大器：产生足够的功率（几十至
几百 W）
?通常一台谱仪有若干射频通道，分别工
作在不同的核的共振频率上，在实验中可
以同时施加作用于不同核的射频脉冲
核磁共振基本原理 8讲
吴季辉
接收器
?前置放大器：由于核磁信号很弱，前置放大器总
是尽量靠近探头，其性能决定了仪器能达到的信噪
比
?相敏检波：从射频信号中检出低频的核磁信号
（相当于旋转坐标系中的信号），并完成正交检波
?模数转换器：或称 ADC，完成模拟信号的数字化，
一般谱仪考虑到转换速度和动态范围，配置的为
16bit ADC，其动态范围为 -28到 28-1即 -32,768到
32,767
核磁共振基本原理 8讲
吴季辉
核磁共振 信号的检测
样品中磁化强度矢量按 Bloch方程在空间运动，磁化强度
矢量在空间的运动将在接收线圈中引起感应电动势，假设
线圈在 y轴方向
所以在接收线圈上可以得到包含核磁化向量的大小，进
动频率和起始相位的 高频信号（高频 FID）
核磁共振基本原理 8讲
吴季辉
单一线圈不能区分正负频率和相位
正交检波区别正负频率及相位
相敏检波器及正交检波
相敏检波器实际上相当于一个混频器或模拟乘法器，接收到的
核磁信号与参照信号（与射频场同频）经相敏检波器得到的输
出为 低频 FID，但不能区别正负频率及相位
两路正交的相敏检波器完成 正交检波,以 区别正负频率及相位
核磁共振基本原理 8讲
吴季辉
数据获取
sfo1,spectrometer frequency offset of
the first (observe) channel
bf1 is the so-called basic-spectrometer frequency,e.g,
500.13 MHz and o1 is the offset,
sfo2,spectrometer frequency offset of
the second (decoupler) channel
? required for example for
acquisition of proton decoupled
carbon spectra,The proton
frequency is then defined on the
second channel and should
correspond to the center of the
proton spectrum.
如何选择谱宽
dwell time.
The signal is sampled stroboscopically
and neighboring data points are
separated by the dwell time.
离散采样
?脉冲付里叶变换核磁共振方法的优点之一是可
以对数据进行 各种处理（信息加工）
?模拟的 FID信号必须经过 离散采样,并对信号
数字化，才能送到计算机处理
?采集的离散化数据同原始的模拟数据有相同点,
也有不同点,
在一定条件下,离散化数据可以代表原始的
模拟数据
?采样定理
核磁共振基本原理 8讲
吴季辉
采样定理
要使采集的离散的时间序列能代表原来的模拟信号,
采样速率必须遵守采样定理, 即
fs ? 2fh
其中 fs是采样频率，表示每秒钟采样次数,fh 为被采样
的模拟信号的最高频率。从上式可见，每个周期至少
采取两点
采样速率不够引起将导致 信号折迭现象,这是离散化
导致的后果
dw = 1/sw or dw = 1/2sw
核磁共振基本原理 8讲
吴季辉
采样定理
信号折迭现象
采样速率是 2000Hz,1600Hz处的谱线由于采样速率不够而
折迭，将出现在 400Hz处
核磁共振基本原理 8讲
吴季辉
数字分辨率
根据采样定理, 要得到一个最高频率为 ??(Hz) 的谱, 所需
要的最小采样速度是每秒 2??个点, 如果采集的数据点数目
是 N,整个 FID采集时间是 At,则满足以下关系式
2??At = N
如果采用正交检波，则射频照射频率可以放在谱的中心，这
时谱宽为 2??,经过 Fourier变换后的频域信号 谱线频率的数
字精确度（ 数字分辨率 ）相当于谱宽为点数所除,为 FID采
集时间的倒数
注意要区分 谱仪分辨率 和这里所说的 数字分辨率 。前者是由磁
场的均匀度决定的，而后者由可选择的谱宽和 数据点 决定，它
是对谱仪分辨率的 实际限制,影响信号的确定和线型
核磁共振基本原理 8讲
吴季辉
相干叠加
?采样得到的 FID信号可以进行多次累加以提高信噪比
?由于信号是有规律的出现的, 所以 n次累加所得 信号的大
小与累加次数 n成正比
?而噪声是随机的,假设噪声按高斯分布,正的和负的等几
率分布,则经过 n次累加,噪声的大小和累加次数 n的平方
根成正比
?于是 信噪比 等于
核磁共振基本原理 8讲
吴季辉
FFT快速 Fourier变换
FID信号必须经过 Fourier变换 才能变为普通的核磁共振
波谱。这种变换是靠计算机上进行的离散 Fourier变换 实
现的,它的正负变换的表示式分别为
直到 1965年 Cooley-Tukey提出了快速 Fourier变换 算法，
使原先的 N2次运算减为 (Nlog2N)/2 次运算，使运算次数
大大减少，并且节省了计算机的内存，才使脉冲付里叶
变换谱仪成为现实
核磁共振基本原理 8讲
吴季辉
窗函数处理
可以对 FID信号进行
数学处理，以提高信
噪比或提高分辨率
各种窗函数形式
(a)未加权 FID; (b)线性截趾 ; (c)升
指数函数 ; (d)梯形函数 ; (e)降指数
函数 ; (f)卷积差函数 ; (g)正弦钟 函
数 ; (h)移位的正弦钟函数 ; (i)LIRE;
(j)Gauss函数
核磁共振基本原理 8讲
吴季辉
改进灵敏度或分辨率的各种
方法比较 (计算机模拟谱 )
(左 ) 无噪声 ; (右 ) 含有噪声 ;
(a) 未加权波谱 ; (b) 梯形函数 ;
(c) 升指数函数 ; (d) 卷积差函
数 ; (e) 正弦钟函数 ; (f) LIRE;
(g) Gauss函数
核磁共振基本原理 8讲
吴季辉
相位调整（调相）
?通常 Fourier变换 得到的核磁
共振波谱需要进行 调相
形成复数对的低频 FID信号经
过 Fourier变换 得到复数频域
信号，相当于吸收信号和色
散信号,一般保留 实部
当核磁化向量的起始相位为
零时,其实部对应于吸收信
号，虚部对应于色散信号
当核磁化向量的起始相位不
为零时，实部及虚部并不简
单地对应于吸收信号和色散
信号，而是它们的 线性叠加
核磁共振基本原理 8讲
吴季辉
BRUKER 谱仪
? sw,spectral width
? gives the width of the acquired spectrum (on
Bruker instruments,sw is in units of ppm,swh
in units of Hz).
? dw,dwell time
? is the time spacing between sampling of two
consecutive data points.
? dw = 1/sw or dw = 1/2sw
? The dwell time is determined by the inverse of
the spectral width (or the inverse of twice the
spectral width,depending on the quadrature
detection mode).
? td,time domain data points
? The number of points that are sampled is called "time domain"
data points (td),The longer the FID is sampled the better will
be the resolution in the spectrum provided
? there is still signal in the FID.
? aq,acquisition time
? determines the total time during which a single FID is sampled
? aq = td * dw
? for 1D spectra,aq is set such that the signals have completely
decayed towards the end of the FID (which corresponds to the
transverse relaxation time T2),If aq is set to a shorter value,the
resolution is lower,if aq is >> T2,only noise will be sampled
at the end of the FID,and therefore the experimental time is
unnecessarily prolonged.The complete measuring time for a
simple 1D spectrum is approx.
? ttot = ns (RD+aq)
? in which ns is the number of scans and RD the relaxation delay
(vide infra).
? ns,number of scans
? the number of FIDs which are co-added,The signal to
noise ratio of a measurement increases as
? which means that in order to improve the S/N by a factor
of two the measurement time must be increased by a factor
of 4,Sometimes,the minimum number of ns is determined
? by the phase-cycle of an experiment.
? RD,relaxation delay
? time between end of sampling of the FID and start of the
next experiment,On Bruker instruments,the relaxation
delay is characterized by the parameter d1,The effective
? time for relaxation is given by the repetition rate
? S
? N
? ?? ns
生物学中的应用
第七章 仪器和实验方法
§ 7.1 — § 7.3
核磁共振基本原理 8讲
吴季辉
样品的准备
样品的体积
现代超导谱仪一般
使用 5mm直径样品管，
溶液体积 0.5ml-
0.7ml,至少 0.4ml。
早期作 13C-NMR谱使
用 10mm直径样品管，
溶液体积 1.5-2ml。
核磁共振基本原理 8讲
吴季辉
在样品管中溶液的深度由两个因子决定，
样品若超过一定高度，超过部分将会接
收不到发射线圈发射的射频造成浪费；
若太低则样品与空气磁化率的不同造成
界面磁化率突变会影响样品中磁场的均
匀性
样品的浓度
由于核磁共振实验固有的低灵敏度，所以它需
要比一般红外、紫外实验更大的样品量，这往
往成为核磁共振技术在生物学中应用的一个关
键问题
对于质子磁共振波谱，样品浓度一般在 10-2-10-4
M。在 FT谱仪中通过多次波谱累加可以降低对
最低浓度的要求，只要时间足够，在原则上对
于一个分子量 20000的蛋白质，可以得到 1-3mg
样品的 1H核磁共振波谱
核磁共振基本原理 8讲
吴季辉
样品的浓度
对于 13C谱来说，由于 13C的低灵敏度，
样品浓度的最低限度是 10-2M。对于
一个分子量为 20000的蛋白质，使用
10mm直径的样品管，样品体积是
1.5ml，则需要大约 300mg的样品
天然小蛋白质 ?5mM
同位素标记的蛋白质 >1mM
溶剂的选择
一个理想的溶剂必须满足以下的条件：
1,样品在其中有高溶解度；
2,在我们所感兴趣的波谱范围内没
有溶剂峰；
3,在做变温 实验的温度范围内保持
液体状态
通常使用一些氘代溶剂
?减少溶剂峰的干扰
核磁共振基本原理 8讲
吴季辉
锁场
? 采用氘核内锁稳定磁场，起 锁场 的作用
? 氘代氯仿 是一个很理想的溶剂，它既适
合于 1H，也适合于 13C，在整个质子谱范
围内透明，再加上化学性质惰性，便宜，
所以是常用的溶剂
? H2O 是 生物分子 最适宜的溶剂
(90%H2O,10%D2O)
蛋白质 NMR研究的溶液条件
选择的 pH值尽量在偏酸性如 pH 3~5，也可
以稍为高一些，但尽量 不要大于 7。这是
因为蛋白质中的酰胺质子 NH在 pH 3~5之
间与水的交换最慢，在其他 pH特别是 7以
上交换加快，导致 NH的信号减弱甚至消
失，而 NH的信息对于蛋白质主链乃至侧
链谱峰的认证都十分重要
核磁共振基本原理 8讲
吴季辉
缓冲体系的成份首先要 保证蛋白质的
稳定及高溶解度,蛋白质的浓度通
常要求有数 mM
其次要考虑缓冲液中其他成份对蛋白
质谱图的干扰，在这方面磷酸盐缓
冲液最好，其他的如 Tris或乙酸等有
机成份由于本身也有 CH质子，其化
学位移与蛋白质中的 CH相近，因而
有干扰，特别是缓冲液浓度较蛋白
质高出很多时。如果作同核谱，最
好能用氘代的 Tris和乙酸等；
作异核谱时影响相对小一些，但 其他
有机成份也应控制在数十 mM内 。 无
机盐浓度不宜大于数百 mM,否则
会影响核磁谱仪探头的调谐 。在样
品溶液中 不能有重金属离子污染,
因有顺磁性会降低核磁信号的强度
和分辨率，必要时可在透析液中加
EDTA等除去。
样品的处理
离心, 样品（特别是生物大分子）溶解后，应该离心
除去可能的微小颗粒，以免影响匀场，降低分辨率
除氧,在高分辨结构和弛豫研究中除氧是极为重要的
（特别是小分子），溶解在溶液中的分子氧具有顺磁
性，它会极大的减少弛豫时间，必须将氧除去。除氧
的方法通常有两种，一种叫冰冻－抽真空－融化, 即把
样品放在 NMR样品管内冰冻，然后抽真空，融化，重
复上述过程四次，最后在真空中将管口封住。另一种
方法是将 氮气或氦气，氩气 强迫通过整个样品体积把
氧赶走
核磁共振基本原理 8讲
吴季辉
核磁共振谱仪的主要指标
分辨率 (resolution)
谱仪的分辨率被定义为能区分两个接近的共振峰的能力，
和一般光谱仪不一样它不是由能区分的最小频率间距
??1-?2?表示，因为 ??1-?2?与仪器的频率有关,250MHz
的谱仪可以区分的频率间距自然大于 60MHz谱仪。核磁
共振谱仪的分辨率受到谱线宽度的限制，谱线不是无限
窄的，它有一定的宽度，用共振峰半高处的宽度表示。
表观线宽不仅取决于弛豫过程，而且取决于仪器本身
老式的谱仪用 10%(v/v)的邻二氟苯 /四氯化碳作为标样，
测定某条指定的谱线的半高宽，大致在 0.1-0.5Hz
现代的 FT谱仪用 1-3%氯仿 /氘代丙酮 作为标样，测定氯仿
主峰的半高宽
核磁共振基本原理 8讲
吴季辉
氯仿 /氘代丙酮的 NMR谱
核磁共振基本原理 8讲
吴季辉
核磁共振谱仪的主要指标
线型 (lineshape)
仅仅最小线宽还不足以表征分辨率，特别是所观察的两个
峰高度相差甚大时，这时分辨率在很大程度上受到强峰接
近基线处形状的影响。这时还要进行一种 波峰检验 (Hump
test)
老式的谱仪用 10%(v/v)的氯仿 /四氯化碳作为标样，测定氯
仿主峰的 0.5%处即 13C卫星线高度处谱线的宽度，大致在 7-
15Hz
现代的 FT谱仪用 1-3%氯仿 /氘代丙酮 作为标样，测定氯仿主
峰的 0.55%及 0.11%处谱线的宽度
核磁共振基本原理 8讲
吴季辉
13C卫星线 指与 13C
相耦合的质子产生的
谱线
旋转边带 样品旋
转时由于磁场不够均
匀而在强峰两边产生
的弱峰，与主峰的距
离为旋转速度的倍数
核磁共振基本原理 8讲
吴季辉
氯仿 /氘代丙酮的 NMR谱 (Hump test)
核磁共振基本原理 8讲
吴季辉
核磁共振谱仪的主要指标
灵敏度 (sensitivity)
灵敏度是指谱仪能够测量出弱信号的能力 。 核磁共振谱
仪的灵敏度不仅受到放大器增益的限制, 而且受到电子
线路中随机噪声的限制, 如果弱信号和噪声振幅大小相
同, 则弱信号就不能检测出来 。
灵敏度以信噪比表示
S/N＝ 2.5H/h
其中 H是信号高度,h是噪声振幅的峰－峰值。 h值除以
2.5的原因是：按照噪声理论，噪声振幅的峰值是无意义
的，只有均方根噪声才有意义，二者之间的转化因子在
核磁共振中选为 2.5
核磁共振基本原理 8讲
吴季辉
1H灵敏度
老式的谱仪用 1%(v/v)的 乙基苯 /四氯化碳作为标样，测定
某些指定谱线的信噪比，大致在 20-300或更高
现代的 FT谱仪用 0.1%(v/v)的 乙基苯 /氘代氯仿 作为标样，
同样测定某些指定谱线的信噪比
13C灵敏度
老式的谱仪用 90%的乙基苯 /四氯化碳作为标样，测定某些
指定谱线的信噪比,得到的信噪比和质子一般同数量级
现代的 FT谱仪用 10%(v/v)的 乙基苯 /氘代氯仿 (1H去耦 )或
ASTM(40% p-Dioxane/60%氘代苯 ) (1H不去耦 )作为标样，
同样测定某些指定谱线的信噪比
核磁共振基本原理 8讲
吴季辉
核磁共振基本原理 8讲
吴季辉
脉冲付里叶变换超导核磁共振谱仪
脉冲付里叶变换超导核磁共振谱仪
核磁共振基本原理 8讲
吴季辉
脉冲付里叶变换核磁共振谱仪
?Magnet
?Probe
?Console
?Computer
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超导磁体
核磁共振基本原理 8讲
吴季辉
对 磁体 的要求
?高磁场强度
?高均匀性
?高稳定性
核磁共振基本原理 8讲
吴季辉
对 磁体 的要求,高磁场强度
核磁共振基本原理 8讲
吴季辉
高场谱仪分辨率的提高
550600650
Hz
750800850900950
Hz
11001150120012501300135014001450
Hz
900 M H z
6 0 0 M Hz
40 0 M H z
C u r re n t D at a P ar am et er s
N A ME t x i oe s tr ad i ol
E X P N O 3
P R O C N O 1
F 2 - A cqu i s i ti on P ar am et er s
D at e_ 2 00 10 12 6
T i m e 1 6,50
I N S T R U M s pe ct
P R O B H D 5 m m T X I 1 3C Z
P U LP R OG zg
T D 65 53 6
S OLV E N T C D C l 3
N S 4
D S 0
S W H 74 40,4 76 H z
F I D R E S 0,1 13 53 3 H z
A Q 4,40 40 69 4 s ec
R G 1 80
D W 6 7,20 0 u s ec
D E 6,00 u s ec
T E 30 0,0 K
D 1 3,0 00 00 00 0 s ec
= = = = = = = = C H A N N E L f 1 = = = = = = = =
N U C 1 1 H
P 1 1 0,00 u s ec
P L1 - 4,00 d B
S F O1 9 00,0 23 65 81 MH z
F 2 - P r oces s i n g pa r am et er s
S I 6 55 36
S F 9 00,0 20 00 00 M H z
W D W GM
S S B 0
LB - 0,30 H z
G B 0,3
P C 4,00
Oes t r ad iol- ac et ate
核磁共振基本原理 8讲
吴季辉
对 磁体 的要求,高均匀性
?在 100MHz的谱仪中，假若磁场变化 10-9，就会使频率变化 0.1Hz，
所失去的分辨率就等于或超过自然线宽
?影响磁场均匀性的原因,磁体设计方案；探头形状与材料；样
品管厚度不均匀，同心度不好；样品溶解不均匀，有悬浮颗粒；
磁体附近有铁磁性物体
?解决方法：在探头周围放置多组线圈，称为匀场线圈，通上适当
大小的电流，产生校正磁场，提高总磁场的空间均匀度
?低温匀场线圈,同主线圈一起浸在液氦中，平常电流不可调节
?室温匀场线圈,工作在室温，有二三十组线圈，每换一个样品均
需调节其电流大小（称为 匀场 ）
?要进一步提高分辨率, 可以让样品管绕其自身的轴旋转, 以平
均掉垂直于转轴平面中的磁场梯度 。 样品旋转会伴随旋转边带的
产生, 转速不同, 边带的位置也不同 。 样品旋转不能太快, 否则
会产生涡流 。 通常旋转速度为 20-50Hz,一般边带小于主峰的 1-
2%
核磁共振基本原理 8讲
吴季辉
对 磁体 的要求,高稳定性
磁场变化的原因：磁体的老化；附近有金属物体移动；温
度的波动
解决方法：监视 2H锁信号的共振频率（由 氘代溶剂 提供）
场频联锁：
磁场变化 ?共振频率变化 ?产生校正电流 ?产生补偿磁场
?总磁场保持不变
核磁共振基本原理 8讲
吴季辉
探头
功能：放置样品管，发
射射频脉冲，接收核磁
信号；
组成：射频线圈及调谐
电路；梯度磁场线圈；
热电偶，加热器件，传
送恒温气流的杜瓦管道；
样品管进出用的气流通
道
核磁共振基本原理 8讲
吴季辉
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脉冲 谱仪普遍采用单线圈探头，发射与接收由同一线圈完成
核磁共振基本原理 8讲
吴季辉
匀场系统 (The Shim System)
? 低温匀场系统
? 室温匀场系统
? the on-axis (spinning) shims (z,z2,z3,z4..)
? the off-axis (non-spinning) shims (x,y,xy...)
锁场系统 (The lock-system)
? 氘锁系统
? 保证磁场稳定
脉冲 发生器
?频率综合器：产生所需频率的射频电流
?脉冲编程器,控制脉冲的时序，长度，
幅度，相位甚至形状
?射频放大器：产生足够的功率（几十至
几百 W）
?通常一台谱仪有若干射频通道，分别工
作在不同的核的共振频率上，在实验中可
以同时施加作用于不同核的射频脉冲
核磁共振基本原理 8讲
吴季辉
接收器
?前置放大器：由于核磁信号很弱，前置放大器总
是尽量靠近探头，其性能决定了仪器能达到的信噪
比
?相敏检波：从射频信号中检出低频的核磁信号
（相当于旋转坐标系中的信号），并完成正交检波
?模数转换器：或称 ADC，完成模拟信号的数字化，
一般谱仪考虑到转换速度和动态范围，配置的为
16bit ADC，其动态范围为 -28到 28-1即 -32,768到
32,767
核磁共振基本原理 8讲
吴季辉
核磁共振 信号的检测
样品中磁化强度矢量按 Bloch方程在空间运动，磁化强度
矢量在空间的运动将在接收线圈中引起感应电动势，假设
线圈在 y轴方向
所以在接收线圈上可以得到包含核磁化向量的大小，进
动频率和起始相位的 高频信号（高频 FID）
核磁共振基本原理 8讲
吴季辉
单一线圈不能区分正负频率和相位
正交检波区别正负频率及相位
相敏检波器及正交检波
相敏检波器实际上相当于一个混频器或模拟乘法器，接收到的
核磁信号与参照信号（与射频场同频）经相敏检波器得到的输
出为 低频 FID，但不能区别正负频率及相位
两路正交的相敏检波器完成 正交检波,以 区别正负频率及相位
核磁共振基本原理 8讲
吴季辉
数据获取
sfo1,spectrometer frequency offset of
the first (observe) channel
bf1 is the so-called basic-spectrometer frequency,e.g,
500.13 MHz and o1 is the offset,
sfo2,spectrometer frequency offset of
the second (decoupler) channel
? required for example for
acquisition of proton decoupled
carbon spectra,The proton
frequency is then defined on the
second channel and should
correspond to the center of the
proton spectrum.
如何选择谱宽
dwell time.
The signal is sampled stroboscopically
and neighboring data points are
separated by the dwell time.
离散采样
?脉冲付里叶变换核磁共振方法的优点之一是可
以对数据进行 各种处理（信息加工）
?模拟的 FID信号必须经过 离散采样,并对信号
数字化，才能送到计算机处理
?采集的离散化数据同原始的模拟数据有相同点,
也有不同点,
在一定条件下,离散化数据可以代表原始的
模拟数据
?采样定理
核磁共振基本原理 8讲
吴季辉
采样定理
要使采集的离散的时间序列能代表原来的模拟信号,
采样速率必须遵守采样定理, 即
fs ? 2fh
其中 fs是采样频率，表示每秒钟采样次数,fh 为被采样
的模拟信号的最高频率。从上式可见，每个周期至少
采取两点
采样速率不够引起将导致 信号折迭现象,这是离散化
导致的后果
dw = 1/sw or dw = 1/2sw
核磁共振基本原理 8讲
吴季辉
采样定理
信号折迭现象
采样速率是 2000Hz,1600Hz处的谱线由于采样速率不够而
折迭，将出现在 400Hz处
核磁共振基本原理 8讲
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数字分辨率
根据采样定理, 要得到一个最高频率为 ??(Hz) 的谱, 所需
要的最小采样速度是每秒 2??个点, 如果采集的数据点数目
是 N,整个 FID采集时间是 At,则满足以下关系式
2??At = N
如果采用正交检波，则射频照射频率可以放在谱的中心，这
时谱宽为 2??,经过 Fourier变换后的频域信号 谱线频率的数
字精确度（ 数字分辨率 ）相当于谱宽为点数所除,为 FID采
集时间的倒数
注意要区分 谱仪分辨率 和这里所说的 数字分辨率 。前者是由磁
场的均匀度决定的，而后者由可选择的谱宽和 数据点 决定，它
是对谱仪分辨率的 实际限制,影响信号的确定和线型
核磁共振基本原理 8讲
吴季辉
相干叠加
?采样得到的 FID信号可以进行多次累加以提高信噪比
?由于信号是有规律的出现的, 所以 n次累加所得 信号的大
小与累加次数 n成正比
?而噪声是随机的,假设噪声按高斯分布,正的和负的等几
率分布,则经过 n次累加,噪声的大小和累加次数 n的平方
根成正比
?于是 信噪比 等于
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吴季辉
FFT快速 Fourier变换
FID信号必须经过 Fourier变换 才能变为普通的核磁共振
波谱。这种变换是靠计算机上进行的离散 Fourier变换 实
现的,它的正负变换的表示式分别为
直到 1965年 Cooley-Tukey提出了快速 Fourier变换 算法，
使原先的 N2次运算减为 (Nlog2N)/2 次运算，使运算次数
大大减少，并且节省了计算机的内存，才使脉冲付里叶
变换谱仪成为现实
核磁共振基本原理 8讲
吴季辉
窗函数处理
可以对 FID信号进行
数学处理，以提高信
噪比或提高分辨率
各种窗函数形式
(a)未加权 FID; (b)线性截趾 ; (c)升
指数函数 ; (d)梯形函数 ; (e)降指数
函数 ; (f)卷积差函数 ; (g)正弦钟 函
数 ; (h)移位的正弦钟函数 ; (i)LIRE;
(j)Gauss函数
核磁共振基本原理 8讲
吴季辉
改进灵敏度或分辨率的各种
方法比较 (计算机模拟谱 )
(左 ) 无噪声 ; (右 ) 含有噪声 ;
(a) 未加权波谱 ; (b) 梯形函数 ;
(c) 升指数函数 ; (d) 卷积差函
数 ; (e) 正弦钟函数 ; (f) LIRE;
(g) Gauss函数
核磁共振基本原理 8讲
吴季辉
相位调整（调相）
?通常 Fourier变换 得到的核磁
共振波谱需要进行 调相
形成复数对的低频 FID信号经
过 Fourier变换 得到复数频域
信号，相当于吸收信号和色
散信号,一般保留 实部
当核磁化向量的起始相位为
零时,其实部对应于吸收信
号，虚部对应于色散信号
当核磁化向量的起始相位不
为零时，实部及虚部并不简
单地对应于吸收信号和色散
信号，而是它们的 线性叠加
核磁共振基本原理 8讲
吴季辉
BRUKER 谱仪
? sw,spectral width
? gives the width of the acquired spectrum (on
Bruker instruments,sw is in units of ppm,swh
in units of Hz).
? dw,dwell time
? is the time spacing between sampling of two
consecutive data points.
? dw = 1/sw or dw = 1/2sw
? The dwell time is determined by the inverse of
the spectral width (or the inverse of twice the
spectral width,depending on the quadrature
detection mode).
? td,time domain data points
? The number of points that are sampled is called "time domain"
data points (td),The longer the FID is sampled the better will
be the resolution in the spectrum provided
? there is still signal in the FID.
? aq,acquisition time
? determines the total time during which a single FID is sampled
? aq = td * dw
? for 1D spectra,aq is set such that the signals have completely
decayed towards the end of the FID (which corresponds to the
transverse relaxation time T2),If aq is set to a shorter value,the
resolution is lower,if aq is >> T2,only noise will be sampled
at the end of the FID,and therefore the experimental time is
unnecessarily prolonged.The complete measuring time for a
simple 1D spectrum is approx.
? ttot = ns (RD+aq)
? in which ns is the number of scans and RD the relaxation delay
(vide infra).
? ns,number of scans
? the number of FIDs which are co-added,The signal to
noise ratio of a measurement increases as
? which means that in order to improve the S/N by a factor
of two the measurement time must be increased by a factor
of 4,Sometimes,the minimum number of ns is determined
? by the phase-cycle of an experiment.
? RD,relaxation delay
? time between end of sampling of the FID and start of the
next experiment,On Bruker instruments,the relaxation
delay is characterized by the parameter d1,The effective
? time for relaxation is given by the repetition rate
? S
? N
? ?? ns
