Metody badań 

strukturalnych w 

biotechnologii

Wykład III

Spektroskopia 

magnetycznego rezonansu 

jądrowego – podstawowe 

pojęcia

 

 

Magnetyczny 

rezonans jądrowy

 – 

NMR (Nuclear 
Magnetic Resonance) 
– podstawą metody jest 
wykorzystanie 
właściwości 
magnetycznych 
cząsteczek, 
związanych z 
występowaniem w nich 
jąder magnetycznych

 

 

Kilka faktów z historii rozwoju 

NMR:

1946 – wykrycie zjawiska magnetycznego rezonansu
             jądrowego,
1955 – spektrometry 1H NMR 40MHz,
1965 – opracowanie algorytmu szybkiej transformacji
            Fouriera (FFT),
1974 – początek rozwoju metod dwuwymiarowych
            (2D NMR),
1985 – metoda określania III-rzędowej struktury białek 
            w roztworze za pomocą spektroskopii NMR,
1995 – komercyjnie dostępne spektrometry z 

magnesami

            nadprzewodnościowymi, umożliwiające 

wykonanie

            widm wielowymiarowych o częstości 

podstawowej

            1H NMR 200 – 750 (obecnie do 900) MHz

 

 

 

 

 

 

Normalnie położenie spinów 

jądrowych jest przypadkowe:

 

 

A po przyłożeniu zewnętrznego pola 

magnetycznego:

 

 

Warunek rezonansu

:

 

 

Warunek rezonansu

:

 

 

Właściwości jąder atomowych badanych za 

pomocą NMR:

izotop

Zawartość 

procento

wa w 

populacji

Kwantowa 

liczba 

spinowa 

jądra I

Częstość 

rezonanso

wa MHz 

(B

0

 = 

2.3T)

1H

99.98

½

100

13C

1.08

½

25.1

15N

0.365

½

10.1

17O

3.7•10

-2

5/2

13.5

19F

100

½

94

31P

100

½

40.5

 

 

 

 

 

 

 

 

Metody rejestracji widm 

NMR:

• Metoda fali ciągłej – CW 

(continuous wave),

• Metoda impulsowa, znacznie lepsza 

i nowocześniejsza, polegajaca na 
rejestracji FID (Free Induction 
Delay) i zastosowaniu transformacji 
Fouriera do jego obróbki

 

 

Metoda fali ciągłej

 

 

Metoda impulsowa

     

FID w funkcji czasu   →   widmo 

uzyskane po 

                                            transformacji 

Fouriera

 

 

FT NMR

 

 

1H NMR – protonowy 

rezonans magnetyczny

Na powszechne zastosowanie tej 

metody składa sie kilka zalet:

- łatwość przygotowania próbki,
- wymagana niewielka ilość związku 

(10

-6

 g),

- krótki czas pomiaru – rzędu kilku 

minut

 

 

Na podstawie jednowymiarowych widm 

protonowych można wnioskować o 
budowie prostych związków. Cały 
problem sprowadza się do określenia 
trzech wielkości:

• Wartości przesunięć chemicznych 

poszczególnych sygnałów na widmie.

• Multipletowości sygnałów (sprzężenie 

spin – spin).

• Intergracja sygnałów

.

 

 

Przesunięcie chemiczne

Na jądro atomowe działa 

pole mniejsze od 

przyłożonego pola 

zewnętrznego – tzw efekt 

ekranowania, która jest 

tym większy im większa 

jest gęstość elektronowa 

wokół danego jadra:

B

ef

 = B

0

(1 – σ)

 σ  – stała ekranowania

Dzięki temu na widmie 

obserwujemy 

zróżnicowanie sygnałów 

w zależności od 

otoczenia chemicznego 

protonów.

 

 

Przesunięcie chemiczne

B

ef

 = B

0

(1 – σ)

 σ  – stała ekranowania

 

 

Różnica stałych ekranowania 

wzorca i próbki nosi nazwę 

przesunięcie chemiczne δ, 

wyrażane jest w ppm (part 

per milion): 

  

δ = B

0WZ

 – B

0PR

/B

0WZ

•10

6

 [ppm]

Ponieważ z warunku 

rezonansu wynika, że B

0

 i ν 

są do siebie proporcjonalne, 

zatem:

  

δ = ν

pr

- ν

wz

/ν

wz

•10

6 

Najczęściej stosowanym 

wzorcem w 1H NMR jest 

tetrametylosilan (TMS).

 

 

Przesunięcie chemiczne

Grupa

 δ  [ppm]

R-COOH

R-COH

Ar-H

R-OH

R-NH

2

=CH-
-CH

2

-

-CH

3

12 –10

11 – 9

9 – 7

6 - 4

4 – 2
6 – 1
5 – 1

3 - 1

 

 

Przesunięcie chemiczne

 

 

Przesunięcie chemiczne

 

 

NH

2

CH

2

CH

3

Dlaczego na widmach NMR pojawiają się multiplety?

 

 

Sprzężenia spinowo-

spinowe

Kolejnym elementem ułatwiającym analizę widm 

NMR są sprzężenia spinowo-spinowe, 

wynikające z oddziaływań momentów 

magnetycznych jąder. Efektem tego jest 

podział sygnału na multiplet, ilość linii w 

multiplecie opisuje wzór:

P = 2nI + 1

gdzie: n – liczba równocennych jąder 

rozszczepiających, I – kwantowa liczba 

spinowa

 

 

sprzężenia spinowo-

spinowe

 

 

sprzężenia spinowo-

spinowe

 

 

dla I = ½:

Liczba 

równocenny

ch jąder

Ilość i 

intensywnośc

i sygnałów w 

multiplecie

0
1
2
3
4
5
6

1

1 1

1 2 1

1 3 3 1

1 4 6 4 1

1 5 10 10 5 1

1 6 15 20 15 

6 1

 

 

Równocenne protony

 

 

Ostatnim  czynnikiem  istotnym  w 

analizie  protonowego  rezonansu 
magnetycznego 

jest 

krzywa 

integracji. W przypadku 1H NMR 
powierzchnia 

piku 

jest 

wielkością  wprost  proporcjonalą 
do  ilości  protonów  od  których 
dany pik pochodzi.

 

 

Przykład widma 1H 
NMR: