一、二維NMR波譜概況
二維核磁共振（(2DNMR）方法的出現(xiàn)和發(fā)展，是NMR波譜學(xué)發(fā)展史上一座重要的里程碑。一維譜的信號是一個頻率的函數(shù)，記為S(ω)，共振峰分布在一條頻率軸上。二維譜的信號是兩個獨(dú)立頻率變量的函數(shù)，可記為S(ωl，ω2),共振峰分布在兩個頻率軸組成的平面上。磁共振譜由一維擴(kuò)展到二維，大大降低了譜線的擁擠和重疊程度，并提供了核自旋之間相互關(guān)系的新信息，對分析諸如生物大分子等復(fù)雜體系特別有用，因此2DNMR譜一經(jīng)提出便獲得迅速發(fā)展。
1．二維核磁共振譜的形成
原則上，二維譜可以由三類概念上不同的實(shí)驗(yàn)獲得。其中方法（1)和（2)并不常用，這里只作簡單介紹。
(1)頻率域?qū)嶒?yàn)在這類實(shí)驗(yàn)中，信號直接為兩個頻率的函數(shù)。這類實(shí)驗(yàn)主要用在通常的雙共振實(shí)驗(yàn)中，用強(qiáng)射頻ω2擾動自旋系統(tǒng)，用弱射頻ω1探測頻率響應(yīng)，得到的信號是Sω2(ω1)。系統(tǒng)地改變這兩個頻率即可獲得2DNMR譜。
(2)混合時域、頻率域?qū)嶒?yàn)在這類實(shí)驗(yàn)中，自旋體系受到射頻ω2的擾動，而測量的是三種獲取方式脈沖響應(yīng)時域信號Sω2(t1)。只要系統(tǒng)地改變ω2，就可得到一系列對應(yīng)不同ω2的時域信號，再對t1進(jìn)行傅里葉變換就得到二維譜。
(3）二維時域?qū)嶒?yàn)它是獲得2DNMR的主要方法。通過兩個獨(dú)立的時間變量進(jìn)行一系列實(shí)驗(yàn)，得到S(t1，t2)，經(jīng)過兩次傅里葉變換得到二維譜S(1ω,ω2）。一般的2DNMR均指這種時域?qū)嶒?yàn)。通常我們把時間作為一維連續(xù)變量，如何才能得到兩個彼此獨(dú)立的時間變量，是二維時域?qū)嶒?yàn)最關(guān)鍵的問題。這個問題可以通過“分割時間軸”的方法來解決，即把整個時間軸按其物理意義上的不同分割成四個區(qū)間。
①預(yù)備期（t0）通常由較長的延遲時間和激發(fā)脈沖組成，目的是使自旋體系能恢復(fù)到平衡狀態(tài)。
②演化期（(t1）在此期間自旋體系處于非平衡狀態(tài)，核自旋可以自由演化。通過改變t1對橫向磁化矢量進(jìn)行頻率或相位標(biāo)識，以便在檢測期檢測信號。
③混合期（τm）由一組固定長度的脈沖和延遲時間組成，在此期間通過相干或極化的傳遞，建立信號檢測的條件?；旌掀诓⒉皇潜夭豢缮俚?，它視2DNMR譜的種類而定。
④檢測期（(t2）在此期間檢測作為t2函數(shù)的各種橫向磁化矢量的FID信號，它的初始相位及幅度受到t1的調(diào)制。
2．二維核磁共振譜的表現(xiàn)形式
(1)堆積圖，是一種準(zhǔn)三維立體圖，兩個頻率變量表示二維，信號強(qiáng)度為第三維。堆積圖的優(yōu)點(diǎn)是直觀，有立體感；缺點(diǎn)是難以定出吸收峰的頻率，還可能遮蓋掉復(fù)雜譜圖中大峰旁的小峰。一般較少使用。
(2)等高線圖，類似于等高線地形圖，它是把堆積圖用平行于F1和F2軸的平面進(jìn)行平切后所得。這種圖的優(yōu)點(diǎn)是易于找出峰的頻率；缺點(diǎn)是低強(qiáng)度的峰可能被漏畫。一般2DNMR譜都用等高線圖的形式表示。
以上兩種圖是二維譜的總體表現(xiàn)形式，對局部譜圖還可以通過作剖面圖或投影圖來表現(xiàn)。
二、二維核磁共振波譜的分類
2DNMR波譜大致可分為三大類：J分解譜、化學(xué)位移相關(guān)譜、多量子相干譜。以下分別介紹這幾種二維譜。
1．二維J分解譜
在演化期t1和檢測期t2之間，若不存在混合期和混合脈沖，那么由于自旋體系在t1和t2期間受到的作用不同，獲得的信息也不同。這種實(shí)驗(yàn)得到的二維譜稱為二維J分解譜，它把化學(xué)位移和自旋偶合的作用分離開來。二維J分解譜可分為同核二維J分解譜和異核二維J分解譜兩種。
2．二維相關(guān)譜
在混合期，核的磁化之間有轉(zhuǎn)移的二維譜稱為二維相關(guān)譜。根據(jù)混合期相關(guān)轉(zhuǎn)移作用的不同可分為以下三種：
(1)核之間的磁化轉(zhuǎn)移由J偶合作用傳遞，這種二維譜稱為二維化學(xué)位移相關(guān)譜。它又可分為同核位移相關(guān)譜和異核位移相關(guān)譜。
(2)核之間的磁化轉(zhuǎn)移由不同核的縱向磁化之間的交叉弛豫（偶極相互作用）傳遞，這種二維相關(guān)譜稱為二維NOE譜。二維NOE譜也分為異核NOE譜和同核NOE譜。
(3)核之間的磁化轉(zhuǎn)移由不同核的縱向磁化之間的化學(xué)交換傳遞，這種二維相關(guān)譜稱為二維交換譜。
以下簡要介紹幾種常用的二維相關(guān)譜。
(1)二維化學(xué)位移相關(guān)譜
①同核位移相關(guān)譜同核位移相關(guān)譜是最重要、最常用的一類二維核磁共振譜。最常用的同核位移相關(guān)譜稱為COSY(correlatedspectroscopy)，一般指的是1H一1HCOSY。COSY譜圖一般為正方形。圖的上方有一氫譜與之對應(yīng)，側(cè)面也可能有一氫譜與之對應(yīng)。COSY中ω1-ω2的對角線上有若干峰組，它們和一維氫譜的峰組一一對應(yīng)。這些峰稱為對角線峰或自動相關(guān)峰。對角線外的峰組稱為交叉峰或相關(guān)峰，它反映兩峰組之間的J偶合關(guān)系。交叉峰沿對角線對稱分布，因而只要分析對角線的一側(cè)即可。通過任一交叉峰組作F1的垂線，會與對角線上的一個峰組相交，此峰組是參與偶合的一個峰組。再通過該交叉峰作F1的平行線，會與對角線上的另一峰組相交，此峰組是參與偶合的另一個峰組。因此從任一交叉峰即可確定相應(yīng)的兩峰組之間的J偶合關(guān)系。
1H-1HCOSY主要反映相距三個鍵的氫（鄰碳?xì)洌┑呐己详P(guān)系，跨越兩個鍵的氫（同碳?xì)洌┗蚺己铣?shù)較大的長程偶合也可能被反映出來，而1H一13CCOSY可確定直接鍵連的C-H間的偶合關(guān)系。因此，利用1H-13CCOSY可以知道未知物中所含的碳?xì)浠鶊F(tuán)（-CH3,-CH2-，-CH等）及它們在何處出峰，再結(jié)合1H-1HCOSY就可以確定分子中碳原子的連接關(guān)系，這是目前推導(dǎo)有機(jī)化合物結(jié)構(gòu)應(yīng)用最多的一種方法。
②異核位移相關(guān)譜異核位移相關(guān)譜把氫核和與其直接相連的其他核關(guān)聯(lián)起來。有機(jī)化合物以碳原子為骨架，因此異核位移相關(guān)譜主要是1H一13CCOSY。一般的1H-13CCOSY去偶譜呈矩形。水平方向標(biāo)度為碳譜的化學(xué)位移，化合物的碳譜置于矩形的上方；垂直方向標(biāo)度為氫譜的化學(xué)位移，化合物的氫譜置于矩形的左側(cè)。矩形中出現(xiàn)的峰稱為相關(guān)峰或交叉峰。每個相關(guān)峰把直接鍵連的碳與氫的譜線關(guān)聯(lián)起來。季碳原子因其上不連氫核而沒有相關(guān)峰。如果一個碳原子上連有兩個化學(xué)位移值不等的氫核，則該碳譜線對應(yīng)兩個相關(guān)峰。
這樣的碳一定是一CH2一。一般情況下，由1H-13CCOSY結(jié)合氫譜的積分值即可確定碳原子的種類（-CH3,-CH2，一CH）。另外，由于碳譜的分辨率高，即使有幾個氫峰組化學(xué)位移值相近，有一定的重疊，它們在1H一13CCOSY中亦可分開，這對1H一1HCOSY的分析大有裨益。
(2)二維NOE譜由于磁性核具有磁矩，在一定的距離內(nèi)，磁矩（偶極）會通過空間產(chǎn)生相互作用，這種作用稱為偶極偶合。對分子內(nèi)空間距離很近的兩核（＜0.5nm）之一進(jìn)行輻射，使之達(dá)到躍遷的飽和狀態(tài)，此時由于偶極偶合，另一核的共振峰強(qiáng)度發(fā)生變化，即一核縱向磁化的變化導(dǎo)致另一相鄰核的縱向磁化發(fā)生變化，這種效應(yīng)即為NOE。
(3)二維交換譜化學(xué)交換就是核之間互相交換位置。EXSY譜圖通常能揭示一些分子的獨(dú)特性質(zhì)，可用來定量測量化學(xué)交換的速率。
3．多量子相干譜
隨著多維NMR的發(fā)展，多量子相干（multiple-quantumcoherences,MQCs）技術(shù)顯得越來越重要。通常我們所測定的核磁共振譜線由單量子躍遷(△m＝±1)產(chǎn)生，發(fā)生多量子躍遷時△m為大于1的整數(shù)。如果預(yù)備期不是建立單量子相干，而是建立多量子相干，這種實(shí)驗(yàn)得到的二維相關(guān)譜稱為二維多量子相干譜。多量子NMR技術(shù)通過檢測“禁阻”躍遷來簡化復(fù)雜的一維和二維譜圖，其在MRS和MRI中的應(yīng)用發(fā)展迅速，已被廣泛應(yīng)用于多維高分辨NMR譜的譜圖編輯和信號增強(qiáng)。這種技術(shù)不僅適用于像質(zhì)子這種核自旋量子數(shù)I=1/2的自旋體系，也適用于其他核自旋量子數(shù)大于1/2的體系。
