核磁共振原理及其在
生物学中的应用
第八章 一维多脉冲实验
§ 8.1 — § 8.4
核磁共振基本原理 9讲
吴季辉
? CW-NMR
? PFT-NMR
节省时间
信号的可加工性
－－－ 多脉冲实验
核磁共振基本原理 9讲
吴季辉
自旋回波
化学位移会聚
J耦合引起的自旋
裂分会聚
J调制自旋回波
?J耦合在多脉冲实验中起关键作用
?回波序列是核磁脉冲序列常见的一种模块，可以消除
化学位移的影响
核磁共振基本原理 9讲
吴季辉
异核体系
13C-1H J耦合
回波序列检测
13C信号
180° 质子脉冲,
使质子自旋态翻
转
J耦合在自旋回波中的作用
90o脉冲后 时间 ?后 180o脉冲作用于 I后 180o脉冲作用于 S后 回波
回波信号大小 ? cos(2?J?)
核磁共振基本原理 9讲
吴季辉
核磁共振基本原理 9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
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
? 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
重聚 INEPT实验
核磁共振基本原理 9讲
吴季辉
INEPT实验中探测脉冲刚过,13C多重峰中各分量
的磁化矢量是反向的,若立即加质子去耦,磁化分
量相加而相消,加 2Δ延长期,使 13C多重峰的各分量
离开相位相反方向,演化为相位相同方向,中间的 π
脉冲,除去化学位移的影响
核磁共振基本原理 9讲
吴季辉
反 INEPT
? INEPT 1H 13C 极化转移
? 反 INEPT 13C 1H 极化转移
Δ Δ τ τ
DEPT实验
(Distortionless Enhancement by Polarization Transter)
核磁共振基本原理 9讲
吴季辉
通过改变脉冲
的偏转角实现
谱编辑
DEPT实验的优点
DEPT方法既对重聚 INEPT序列进行了压缩，同时
又克服了 INEPT的两点不足之处：
1.重聚 INEPT方法要引起强度和相位的畸变，而
DEPT方法得到的碳氢多重线具有正常的强度比
和理想的相位。
2.重聚 INEPT实验中，多重线信号依赖于 J?的乘
积，而在 DEPT实验中，由 ?脉冲代替 ?的作用，
因而减低了多重性信号对 J的依赖性。
核磁共振基本原理 9讲
吴季辉
用极化转移实验区别不同类型的碳
以 DEPT为例：记录 ?= 90?和 135?的 DEPT，
以及普通的氢去耦碳谱
? = 90?的 DEPT,只有 CH峰
? = 135?的 DEPT,CH,CH3为正峰,CH2为
负峰
普通的氢去耦碳谱, 全部为正峰，包括 季碳
核磁共振基本原理 9讲
吴季辉
核磁共振基本原理 9讲
吴季辉
上,DEPT－ 90,中,DEPT－ 135,下：普通碳谱
CH峰
CH,CH3为正峰,
CH2为负峰
选择性脉冲付里叶变换实验
硬脉冲 在一个 相当宽的频谱范围 内起作用
（当然有一定的频偏效应）
软脉冲，选择性脉冲 只影响一个或几个有限
的可定义的谱区域，除此之外的所有别的共
振都不受任何影响 。
核选择脉冲
单线选择脉冲
选择激发，选择抑制；简化图谱，一些异核
多维谱脉冲序列的要求，量子计算。。。
核磁共振基本原理 9讲
吴季辉
方波的激发曲线
核磁共振基本原理 9讲
吴季辉
减少 B1,增加 tp
使用选择性脉冲的主要问题
1.脉冲长度
激发 50Hz宽度,脉宽至少 20ms
长脉冲宽度,带来驰豫问题
2.激发的包络线 (excitation profile)
理想的 excitation profile与实际的 excitation
profile
3.选择性脉冲的相位问题
选择性激发的实现
软脉冲激发,其强度满足 ??A－ ?X? >> ?B1/2? > ??1/2。
即射频场强度应比所要照射谱线的线宽强, 但要比最近邻
谱线的距离弱得多 。 这样, 射频场就只能影响所要研究的
谱线, 而不影响其它谱线
定制激发 (tailored excitation),其基本思想是, 根据
所要激发的频谱, 先计算与其对应的时间域函数, 也就是
说, 对频谱作逆 Fourier变换, 然后用这一时间函数调制
射频脉冲的幅度或宽度
成形脉冲 (Shaped pulse),通常的脉冲基本上是矩型的,
也就是方波, 而成形脉冲的包络可以是特别选择的曲线,
在实际实现时, 用一系列的方波组成 （ 相当于离散采样 ）,
每个的宽度一样, 但强度及相位可以不同
核磁共振基本原理 9讲
吴季辉
脉冲形状
高斯脉冲
2)( atetf ??
激发的包络线仍然是高斯函数
核磁共振基本原理 9讲
吴季辉
利用成形脉冲
可以使得激发
频率与照射频
率不同
核磁共振基本原理 9讲
吴季辉
半高斯脉冲
??
?
?
?
?
??
0
)(
2
0 )( ttae
tf
0tt ?
0tt ?
半高斯脉冲可改善高斯脉冲的相位
畸变
带选射频脉冲
带选射频脉冲
核磁共振基本原理 9讲
吴季辉
选择性激发
生物学中的应用
第八章 一维多脉冲实验
§ 8.1 — § 8.4
核磁共振基本原理 9讲
吴季辉
? CW-NMR
? PFT-NMR
节省时间
信号的可加工性
－－－ 多脉冲实验
核磁共振基本原理 9讲
吴季辉
自旋回波
化学位移会聚
J耦合引起的自旋
裂分会聚
J调制自旋回波
?J耦合在多脉冲实验中起关键作用
?回波序列是核磁脉冲序列常见的一种模块，可以消除
化学位移的影响
核磁共振基本原理 9讲
吴季辉
异核体系
13C-1H J耦合
回波序列检测
13C信号
180° 质子脉冲,
使质子自旋态翻
转
J耦合在自旋回波中的作用
90o脉冲后 时间 ?后 180o脉冲作用于 I后 180o脉冲作用于 S后 回波
回波信号大小 ? cos(2?J?)
核磁共振基本原理 9讲
吴季辉
核磁共振基本原理 9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
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
? 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
重聚 INEPT实验
核磁共振基本原理 9讲
吴季辉
INEPT实验中探测脉冲刚过,13C多重峰中各分量
的磁化矢量是反向的,若立即加质子去耦,磁化分
量相加而相消,加 2Δ延长期,使 13C多重峰的各分量
离开相位相反方向,演化为相位相同方向,中间的 π
脉冲,除去化学位移的影响
核磁共振基本原理 9讲
吴季辉
反 INEPT
? INEPT 1H 13C 极化转移
? 反 INEPT 13C 1H 极化转移
Δ Δ τ τ
DEPT实验
(Distortionless Enhancement by Polarization Transter)
核磁共振基本原理 9讲
吴季辉
通过改变脉冲
的偏转角实现
谱编辑
DEPT实验的优点
DEPT方法既对重聚 INEPT序列进行了压缩，同时
又克服了 INEPT的两点不足之处：
1.重聚 INEPT方法要引起强度和相位的畸变，而
DEPT方法得到的碳氢多重线具有正常的强度比
和理想的相位。
2.重聚 INEPT实验中，多重线信号依赖于 J?的乘
积，而在 DEPT实验中，由 ?脉冲代替 ?的作用，
因而减低了多重性信号对 J的依赖性。
核磁共振基本原理 9讲
吴季辉
用极化转移实验区别不同类型的碳
以 DEPT为例：记录 ?= 90?和 135?的 DEPT，
以及普通的氢去耦碳谱
? = 90?的 DEPT,只有 CH峰
? = 135?的 DEPT,CH,CH3为正峰,CH2为
负峰
普通的氢去耦碳谱, 全部为正峰，包括 季碳
核磁共振基本原理 9讲
吴季辉
核磁共振基本原理 9讲
吴季辉
上,DEPT－ 90,中,DEPT－ 135,下：普通碳谱
CH峰
CH,CH3为正峰,
CH2为负峰
选择性脉冲付里叶变换实验
硬脉冲 在一个 相当宽的频谱范围 内起作用
（当然有一定的频偏效应）
软脉冲，选择性脉冲 只影响一个或几个有限
的可定义的谱区域，除此之外的所有别的共
振都不受任何影响 。
核选择脉冲
单线选择脉冲
选择激发，选择抑制；简化图谱，一些异核
多维谱脉冲序列的要求，量子计算。。。
核磁共振基本原理 9讲
吴季辉
方波的激发曲线
核磁共振基本原理 9讲
吴季辉
减少 B1,增加 tp
使用选择性脉冲的主要问题
1.脉冲长度
激发 50Hz宽度,脉宽至少 20ms
长脉冲宽度,带来驰豫问题
2.激发的包络线 (excitation profile)
理想的 excitation profile与实际的 excitation
profile
3.选择性脉冲的相位问题
选择性激发的实现
软脉冲激发,其强度满足 ??A－ ?X? >> ?B1/2? > ??1/2。
即射频场强度应比所要照射谱线的线宽强, 但要比最近邻
谱线的距离弱得多 。 这样, 射频场就只能影响所要研究的
谱线, 而不影响其它谱线
定制激发 (tailored excitation),其基本思想是, 根据
所要激发的频谱, 先计算与其对应的时间域函数, 也就是
说, 对频谱作逆 Fourier变换, 然后用这一时间函数调制
射频脉冲的幅度或宽度
成形脉冲 (Shaped pulse),通常的脉冲基本上是矩型的,
也就是方波, 而成形脉冲的包络可以是特别选择的曲线,
在实际实现时, 用一系列的方波组成 （ 相当于离散采样 ）,
每个的宽度一样, 但强度及相位可以不同
核磁共振基本原理 9讲
吴季辉
脉冲形状
高斯脉冲
2)( atetf ??
激发的包络线仍然是高斯函数
核磁共振基本原理 9讲
吴季辉
利用成形脉冲
可以使得激发
频率与照射频
率不同
核磁共振基本原理 9讲
吴季辉
半高斯脉冲
??
?
?
?
?
??
0
)(
2
0 )( ttae
tf
0tt ?
0tt ?
半高斯脉冲可改善高斯脉冲的相位
畸变
带选射频脉冲
带选射频脉冲
核磁共振基本原理 9讲
吴季辉
选择性激发
