一、二维NMR波谱概况

二维核磁共振（(2DNMR）方法的出现和发展，是NMR波谱学发展史上一座重要的里程碑。一维谱的信号是一个频率的函数，记为S(ω)，共振峰分布在一条频率轴上。二维谱的信号是两个独立频率变量的函数，可记为S(ωl，ω2),共振峰分布在两个频率轴组成的平面上。磁共振谱由一维扩展到二维，大大降低了谱线的拥挤和重叠程度，并提供了核自旋之间相互关系的新信息，对分析诸如生物大分子等复杂体系特别有用，因此2DNMR谱一经提出便获得迅速发展。

1．二维核磁共振谱的形成

原则上，二维谱可以由三类概念上不同的实验获得。其中方法（1)和（2)并不常用，这里只作简单介绍。

(1)频率域实验在这类实验中，信号直接为两个频率的函数。这类实验主要用在通常的双共振实验中，用强射频ω2扰动自旋系统，用弱射频ω1探测频率响应，得到的信号是Sω2(ω1)。系统地改变这两个频率即可获得2DNMR谱。

(2)混合时域、频率域实验在这类实验中，自旋体系受到射频ω2的扰动，而测量的是三种获取方式脉冲响应时域信号Sω2(t1)。只要系统地改变ω2，就可得到一系列对应不同ω2的时域信号，再对t1进行傅里叶变换就得到二维谱。

(3）二维时域实验它是获得2DNMR的主要方法。通过两个独立的时间变量进行一系列实验，得到S(t1，t2)，经过两次傅里叶变换得到二维谱S(1ω,ω2）。一般的2DNMR均指这种时域实验。通常我们把时间作为一维连续变量，如何才能得到两个彼此独立的时间变量，是二维时域实验最关键的问题。这个问题可以通过“分割时间轴”的方法来解决，即把整个时间轴按其物理意义上的不同分割成四个区间。

①预备期（t0）通常由较长的延迟时间和激发脉冲组成，目的是使自旋体系能恢复到平衡状态。

②演化期（(t1）在此期间自旋体系处于非平衡状态，核自旋可以自由演化。通过改变t1对横向磁化矢量进行频率或相位标识，以便在检测期检测信号。

③混合期（τm）由一组固定长度的脉冲和延迟时间组成，在此期间通过相干或极化的传递，建立信号检测的条件。混合期并不是必不可少的，它视2DNMR谱的种类而定。

④检测期（(t2）在此期间检测作为t2函数的各种横向磁化矢量的FID信号，它的初始相位及幅度受到t1的调制。

2．二维核磁共振谱的表现形式

(1)堆积图，是一种准三维立体图，两个频率变量表示二维，信号强度为第三维。堆积图的优点是直观，有立体感；缺点是难以定出吸收峰的频率，还可能遮盖掉复杂谱图中大峰旁的小峰。一般较少使用。

(2)等高线图，类似于等高线地形图，它是把堆积图用平行于F1和F2轴的平面进行平切后所得。这种图的优点是易于找出峰的频率；缺点是低强度的峰可能被漏画。一般2DNMR谱都用等高线图的形式表示。

以上两种图是二维谱的总体表现形式，对局部谱图还可以通过作剖面图或投影图来表现。

二、二维核磁共振波谱的分类

2DNMR波谱大致可分为三大类：J分解谱、化学位移相关谱、多量子相干谱。以下分别介绍这几种二维谱。

1．二维J分解谱

在演化期t1和检测期t2之间，若不存在混合期和混合脉冲，那么由于自旋体系在t1和t2期间受到的作用不同，获得的信息也不同。这种实验得到的二维谱称为二维J分解谱，它把化学位移和自旋偶合的作用分离开来。二维J分解谱可分为同核二维J分解谱和异核二维J分解谱两种。

2．二维相关谱

在混合期，核的磁化之间有转移的二维谱称为二维相关谱。根据混合期相关转移作用的不同可分为以下三种：

(1)核之间的磁化转移由J偶合作用传递，这种二维谱称为二维化学位移相关谱。它又可分为同核位移相关谱和异核位移相关谱。

(2)核之间的磁化转移由不同核的纵向磁化之间的交叉弛豫（偶极相互作用）传递，这种二维相关谱称为二维NOE谱。二维NOE谱也分为异核NOE谱和同核NOE谱。

(3)核之间的磁化转移由不同核的纵向磁化之间的化学交换传递，这种二维相关谱称为二维交换谱。

以下简要介绍几种常用的二维相关谱。

(1)二维化学位移相关谱

①同核位移相关谱同核位移相关谱是最重要、最常用的一类二维核磁共振谱。最常用的同核位移相关谱称为COSY(correlatedspectroscopy)，一般指的是1H一1HCOSY。COSY谱图一般为正方形。图的上方有一氢谱与之对应，侧面也可能有一氢谱与之对应。COSY中ω1-ω2的对角线上有若干峰组，它们和一维氢谱的峰组一一对应。这些峰称为对角线峰或自动相关峰。对角线外的峰组称为交叉峰或相关峰，它反映两峰组之间的J偶合关系。交叉峰沿对角线对称分布，因而只要分析对角线的一侧即可。通过任一交叉峰组作F1的垂线，会与对角线上的一个峰组相交，此峰组是参与偶合的一个峰组。再通过该交叉峰作F1的平行线，会与对角线上的另一峰组相交，此峰组是参与偶合的另一个峰组。因此从任一交叉峰即可确定相应的两峰组之间的J偶合关系。

1H-1HCOSY主要反映相距三个键的氢（邻碳氢）的偶合关系，跨越两个键的氢（同碳氢）或偶合常数较大的长程偶合也可能被反映出来，而1H一13CCOSY可确定直接键连的C-H间的偶合关系。因此，利用1H-13CCOSY可以知道未知物中所含的碳氢基团（-CH3,-CH2-，-CH等）及它们在何处出峰，再结合1H-1HCOSY就可以确定分子中碳原子的连接关系，这是目前推导有机化合物结构应用最多的一种方法。

②异核位移相关谱异核位移相关谱把氢核和与其直接相连的其他核关联起来。有机化合物以碳原子为骨架，因此异核位移相关谱主要是1H一13CCOSY。一般的1H-13CCOSY去偶谱呈矩形。水平方向标度为碳谱的化学位移，化合物的碳谱置于矩形的上方；垂直方向标度为氢谱的化学位移，化合物的氢谱置于矩形的左侧。矩形中出现的峰称为相关峰或交叉峰。每个相关峰把直接键连的碳与氢的谱线关联起来。季碳原子因其上不连氢核而没有相关峰。如果一个碳原子上连有两个化学位移值不等的氢核，则该碳谱线对应两个相关峰。

这样的碳一定是一CH2一。一般情况下，由1H-13CCOSY结合氢谱的积分值即可确定碳原子的种类（-CH3,-CH2，一CH）。另外，由于碳谱的分辨率高，即使有几个氢峰组化学位移值相近，有一定的重叠，它们在1H一13CCOSY中亦可分开，这对1H一1HCOSY的分析大有裨益。

(2)二维NOE谱由于磁性核具有磁矩，在一定的距离内，磁矩（偶极）会通过空间产生相互作用，这种作用称为偶极偶合。对分子内空间距离很近的两核（＜0.5nm）之一进行辐射，使之达到跃迁的饱和状态，此时由于偶极偶合，另一核的共振峰强度发生变化，即一核纵向磁化的变化导致另一相邻核的纵向磁化发生变化，这种效应即为NOE。

(3)二维交换谱化学交换就是核之间互相交换位置。EXSY谱图通常能揭示一些分子的独特性质，可用来定量测量化学交换的速率。

3．多量子相干谱

随着多维NMR的发展，多量子相干（multiple-quantumcoherences,MQCs）技术显得越来越重要。通常我们所测定的核磁共振谱线由单量子跃迁(△m＝±1)产生，发生多量子跃迁时△m为大于1的整数。如果预备期不是建立单量子相干，而是建立多量子相干，这种实验得到的二维相关谱称为二维多量子相干谱。多量子NMR技术通过检测“禁阻”跃迁来简化复杂的一维和二维谱图，其在MRS和MRI中的应用发展迅速，已被广泛应用于多维高分辨NMR谱的谱图编辑和信号增强。这种技术不仅适用于像质子这种核自旋量子数I=1/2的自旋体系，也适用于其他核自旋量子数大于1/2的体系。