核磁共振波谱仪

第5章核磁共振波谱法(NMR)NuclearMagneticResonanceSpectroscopy一.概论1.1什么是核磁共振？核磁共振是一种物质与低频电磁波。通常为1000MHz的无线电波相互作用的基本物理现象。1939年拉比（I.Rabi）通过试验高温蒸发后的物质观测到了了核磁共振现象。但是这种高温蒸发过程破坏了凝聚物质的宏观结构，因而在实际应用中受到了很大的限制。尽管如此拉比还是因为这一发现获得了1944年的诺贝尔物理学奖。1945年底，美国哈佛大学珀赛尔(E.M.Purcell)在石蜡样品中观测到稳态的核磁共振信号。几乎在同一时间，1946年初，斯坦福大学布洛赫(F.Block)在水中观测到了稳态的核磁共振现象。两人因为这一发现而分享了1952不破坏物质结构的前提下迅速、准确地了解物质内部结构的测量目标。为工农业生产、地质勘探、生物科技、医疗保健等领域的发展提供了有力的手段。核磁共振试验的成功在近代物理学史上也占有极其重要的一席，它直接论证了核子自旋的存在，并且验证了量子力学的一些基本原理。核磁共振实验还为激光技术的产生和发展奠定了坚实的理论和实验基础，因为该实验首次实现了能级反转。经过过去半个多世纪的深入研究，核磁共振已经发展成为一门具有坚实理论基础的综合性学科，并且被广泛应用于工业、农业、化工、生物科技和医疗等诸多领域。1.2核磁共振原理核磁共振是能够深入到物质内部而不破坏被测量对象的一种分析物质构造的现代技术。它通过利用原子核在磁场中的能量变化来获得清楚，组成物质的原子是由原子核和核外电子构成的。核外电子的分布规律是严格遵守泡利不相容原理的，即在同一个原子中间不可能稳定存在两个量子数完全相同的电子。占据同一条轨道的两个电子它们的自旋必然相反，否则这一对占据同一轨道的电子是无法稳定存在的。电子的自旋使得电子具有自旋角动量和磁矩。与核外电子相同的是，居于原子中央的原子核也具有自旋角动量和磁矩。这些自旋角动量和磁矩是由组成原子核的质子和中子的自旋叠加所引起的。二十世纪初期，原子物理学家发现原子光谱具有超精细的结构。这些超精细结构利用当时现成的有关原子结构的理论无法给出合理解释，泡利为了解释这些新出现的现象，提出了原子核应该具有自旋角动量和磁矩的假的超精细结构得到了合理的解释。长期的实验结果显示，自然界中有105种同位素的核具有不为零的角动量和磁矩。*产生核磁共振是因为原子核具有自旋和磁矩，放入磁场中会产生能级分裂。*原子核的磁矩不为零原子核是带正电的粒子，若有自旋现象即产生核磁矩。大多数原子核好像陀螺一样围绕着某一轴自身做旋转运动，简称自旋运动。自旋量子数为0的原子核没有自旋现象，故无核磁矩，它们不产生共振吸收谱，不能用核磁共振进行研究。1.3核磁共振波谱仪介绍1.核磁共振波谱仪原理NMR是指在静磁场中的物质的原子核系统受到相应频率的电磁波的作用时，在它们的磁极之间发生的共振跃迁现象。核磁共振谱仪正是用来检测固定能级状态之间电磁跃迁的设备。原子核进动频率与外加磁场的关系是：W0=γΒ0=2πv0γ：磁旋比，是原子核所特有特征1994年1964年1971年1979-1991年1953年世界上第一台NMR谱仪由美国瓦里安公司研制成功（B=0.7T,V=30MHz）日本（JEOL)公司生产出世界上第一台脉冲傅里叶变换NMR谱仪（B=2.35T,V=100MHz）德国布鲁克公司推出全数字化NMR谱仪美国瓦里安公司研制出世界第一台超导NMR谱仪（B=4.7T,V=200MHz）德国布鲁克公司分别率先推出500、600、750MHz超导谱仪瓦里安公司推出了数字化、智能化程度更高的VarianNMRSystem。布鲁克公司推出了具有第二代数字接收机的AVANCEⅡ新系列。2009年2005年布鲁克公司推出AVANCEⅢ系列，频率突破1GHz2005年2.核磁共振谱仪发展历程23.谱仪分类及基本组件NMR谱仪磁体性质激发和接收方式功能永磁、电磁、超导磁体谱仪连续、分时、脉冲谱仪高分辨液体、固体、微成像谱仪现在，一般按照NMR波谱仪试验中射频场的施加方式，分为两大类：•连续波NMR谱仪（CW-NMR)。•脉冲NMR谱仪（PFT-NMR)。脉冲傅里叶变换波谱仪由于快速、灵敏等优点，成为当代主要NMR谱仪超导磁体：铌钛或铌锡合金等超导材料制备的超导线圈；开始时，大电流一次性励磁后，闭合线圈，产生稳定的磁场，长年保持不变；温度升高，“失超”；重新励磁。在低温4K，处于超导状态；磁场强度100kG超导核磁共振波谱仪：200-400HMz；可高达600-900HMz；3.谱仪基本组件磁体产生静磁场；核自旋体系发生能级分裂；射频源激发核磁能级之间的跃迁；接收机接受微弱的NMR信号，放大变成电信号；匀场线圈调整静磁场的均匀性，提高谱仪的分辨率；计算机系统控制谱仪，并进行数据显示和处理；核磁共振波谱仪基本组成探头NMR信号检测器，是谱仪的核心部件；4.连续波NMR谱仪原理：把射频场连续不断的施加到试样上，发射的是单一频率，得到一条共振谱线。可通过扫场和扫频两种方式实现，扫场：V不变，改变B。扫频：B不变，改变V。实验室多用扫场法。特点：时间长，通常全扫描时间为200-300秒。灵敏度低、所需样品量大，对一些难以得到的样品，无法进行NMR分析。5.脉冲傅里叶变换NMR谱仪特点：•灵敏度高（是100倍），•测量速度快，一般1H-NMR测量累加10-20次，需时60s左右•样品量少。原理：恒定磁场，使用一个强而短的射频脉冲照射样品，感应电流信号经过傅立叶变换获得一般核磁共振谱图。环己烯的13C谱7分辨率稳定性灵敏度表征波谱仪辨别两个相邻共振信号的能力，以最小频率间隔Iv1-v2I表示。频率稳定性：通过连续记录相隔一定时间的两次扫描，测量其误差；分辨率稳定性：通过观察峰宽随时间变化的速率来测量的；灵敏度表征了波谱仪检测弱信号的能力，他取决于电路中随机噪声的涨落，一般定义为信号对噪声之比，即信噪比。波谱仪的三大技术指标优化：提高磁场本身空间分布的均匀性、用旋转式样方法平均磁场分布均匀。优化：提高磁感应强度、应用双共振技术、信号累加等可以提高灵敏度。86.核磁分析的一般步骤1.核磁管的准备选择合适规格的核磁管，确保清洗干净、烘干。2.样品溶液的配制选择合适的溶剂，控制好样品溶液浓度。3.测试前匀场处理将核磁管装入仪器，使之旋转，进行匀场。4.样品扫描按样品分子量大小，选择合适的扫描次数。5.结果分析保存数据，采用专用软件进行图谱分析。应用最广泛的探头•正向&反向•宽带（BB)包括19F•1H&19F去耦•全自动调谐•高灵敏度SmartProbe常温探头超低温探头系统T=20KCryoprobeProdigy探头•宽频探头（31P-15N)•正向&反向•全自动调谐•理想的中低场探头•使用液氮制冷•成本低，体积小探头Fourier300NMR谱仪•为化学教育和化学分析的所有普通应用提供经济型NMR.•具有结构紧凑、体积小、重量轻、分辨率优、成本低等特点。13AdvanceIIIHDNanoBayAdvanceTIIIHDNanoBay,equippedwithCryoProbeProdigyandautosamplerSampleXpres•是迄今为止集成程度最高的先进NMR光谱仪。高效率、高品质，适用于各种常规和研究应用领域。技术细节：•易于安放，适合放入小型分析实验室•包含Ascend™磁技术•自动取样系统等•直观的常规用户界面TopSpin™15最新软件TopSpinTM:集测试、数据处理及结构模拟等功能。二.核磁共振理论基础2.1磁性核和非磁性核核磁矩原子核带正电，当其绕轴旋转时产生电流，周围形成磁场，使得原子核存在磁距μ。磁距μ与自旋角动量P成正比，比例常数为：=P称为磁旋比，是原子核的重要属性。当原子核自旋量子数为非零时，它具有自旋角动量P，自旋角动量P是量子化的，可用自旋量子数I表示。I为整数、半整数或零。1)I(I2πhPh为普朗克常数I0的核为磁性核，可以产生NMR信号。I=0的核为非磁性核，无NMR信号。自旋量子数为1/2的常用核的NMR性质同位素核磁旋比(radiusT-1s-1)天然丰度(%)相对灵敏度1H2.68×10899.981.0013C6.73×1071.110.01615N-2.7×1070.37—19F2.52×108100.000.8331P1.08×108100.000.066经验规律：1）原子核的总核自旋角动量P为零，此类核无NMR信号。如4He,12C,16O，质子数与中子数相等。2）自旋角动量P不为零，称为磁性核：I0。I=1/2的原子核，其电荷均匀分布于原子核表面，这样的原子核不具有四极矩，其核磁共振的谱线窄，最宜于核磁共振检测。原子核组成(质子数p与中子数n)与自旋量子数I的经验规则：p与n同为偶数，I=0。如12C,16O,32S等。p+n=奇数，I=半整数(1/2,3/2等)。如1H,13C,15N,17O,31P等。p与n同为奇数，I=整数。如2H,6Li等。自旋量子数与原子核的质量数及质子数关系原子序数Z质量数A自旋量子数I例奇、偶奇半整数I=1/21H;13C;15N;19F;31P;77Se等I=3/27Li;9Be;11B;33S;35Cl;37Cl等I=5/217O;25Mg;27Al;55Mn等奇偶整数I=12H;6Li;14N等I=258CoI=310B偶偶零12C;16O;32S等2.2原子核的磁能级核自旋角动量与核磁矩都是矢量，角动量的方向遵循右手螺旋定则。因为核电荷和质量同时作自旋运动，因此核磁矩与角动量矢量是平行的。如果将原子核置于磁场中，由于核磁矩与磁场相互作用，核磁矩相对磁场会有不同的取向。根据量子力学原理，核磁矩相对磁场只能有2I+1个取向。同样，核磁矩在外磁场方向上的分量H只能取对应的一定数值。H=mh/2πm为核自旋量子数例如，对I=1/2的氢核，核磁矩μN也有两种取向，其在外磁场的分量分别为μH=+（1/2）（h/2π）及μH=-（1/2）（h/2π）根据电磁理论，在强度为H0的磁场中，放入一个磁矩为μ的小磁铁，则他们的互相作用能用式为E=-μNH0=-μNH0cosθ或E=-mγ（h/2π）H0当θ=0时，E=-ΜNH0，负号表示体系的能量最低，即核磁矩与磁场同向，反之，当θ=180。时，E=ΜNH0，体系的能量最高，即核磁矩与磁场方向相反。当核磁矩与磁场方向垂直时，位能等于零。当处于一定角度时，则其位能用式计算可得：E=-μHH0式中，μH是核磁矩μN在磁场方向上的分量。当无外磁场存在时，核磁矩具有相同的能量。当核磁矩处于磁场中时，由于核磁矩的取向不同而具有不同的能量，也就是说，核磁矩在磁场的作用下，将原来简并的2I+1个能级分裂开来。这些能级通常叫塞曼能级。2.3核磁共振的产生静磁场中，磁性核存在不同能级。用一特定频率的电磁波(能量等于E)照射样品，核会吸收电磁波进行能级间的跃迁，此即核磁共振。E=h=(h/2)H0=2μHH0=H0/2=2μHH0/h}核磁共振的基本方程式*量子力学观点，经典力学观点感兴趣的同学自行了解2.4核磁共振的频率磁距μ与磁场B0的相互作用能E为E=-μB0=PB0原子核间进行能级跃迁的能量为00212122BhmBhEEE（选律m=1）=B0/2自旋量子数为1/2的核核磁矩与能级的关系(a)地球重力场中陀螺的进动(b)磁场中磁性核的进动核的进动圆频率：=2=B0不同核的NMRB0=2.35T核天然同位素存在比(%)E(J)(MHz)1H99.986.6x10-2610013C1.1*1.7x10-262519F1006.2x10-269431P1002.7x10-2640.514N99.630.5x10-26715N0.37*0.6x10-261017O0.037*0.9x10-2613.5*天然丰度越低，测定越困难。B0=