NMR基本原理与仪器构造

NMR研究的对象为存在自旋运动的原子核，可用自旋量子数(I)表征I取决于质量数和原子序数NMR主要研究对象:I=1/2的核，如1H,13C,15N,19F,31P均匀不均匀有有1/23/2,5/2,…奇数或偶数奇数不均匀有1,2,3,…奇数偶数均匀无0偶数偶数电荷分布NMR信号I原子序数质量数原子核的特点(核磁)能级的跃迁只能发生在相邻能级上，即在Δm=1时⊿E=hH0γ/2πH0越大，⊿E越大自旋角动量和磁矩P：自旋角动量：磁距=rPr：磁旋比，对同一原子核而言，为常数，r越大表明其磁性越强，越易检测2/hPP热平衡态下，自旋磁场叠加的结果为与H0方向相同，示为M0对体系施加射频时，低能态→高能跃迁，将使M倒向y轴yxzHoMMozxyHoMzxyHo无外磁场在磁场中被激化核自旋的驰豫•高能态的核自旋经过外辐射途径把多余的能量给予环境或其它低能态的核，这个过程称为“弛豫”即：自旋核由M→M0的过程–自旋晶格驰豫(纵向弛豫)：核与环境进行能量交换。体系能量降低而逐渐趋于平衡。又称纵向驰豫。速率1/T1，T1为自旋晶格驰豫时间。•T1越小，纵向弛豫效率愈高，愈利于NMR测定•液体、气体：很小，几秒•固体、大分子：很长，有的甚至几个小时–自旋自旋驰豫(横向弛豫)：自旋体系内部、核与核之间能量平均及消散。又称横向驰豫。体系的做能量不变，速率1/T2，T2为自旋自旋驰豫时间。•气体、液体：1s左右•固体及粘度大的液体：10-4~10-5s•谱线宽度驰豫时间的关系：–即谱线宽度与驰豫时间成反比–取决于T1，T2中的最小者放大信号检测数据采集控制数据信息交流运行控制磁体控制前置放大器计算机数据储存;数据处理;总体控制.谱仪：磁体谱仪:探头RF接口RF线圈+调谐元件(电容器)HelmholtzSolenoidNMR信号的吸收射频与吸收线圈垂直，不会相互干扰自旋核由低能态→高能态或高能态→低能态跃迁时，NMR信号会被检测到扫频—固定磁场强度，改变射电频率对样品进行扫描扫场—固定射电频率，改变磁场强度对样品进行扫描连续波（CW）核磁与傅立叶变换（FT）核磁—脉冲傅立叶变换核磁共振仪(PulsedFourierTransformNMRSpectrometers)—固定磁场，由超导磁铁产生—脉冲方波—自由感应衰减信号（FID信号）—经傅立叶变换得到NMR图谱核磁共振仪的工作方式•PFT-NMR的工作方式•原理：1个脉冲覆盖了核磁共振所有的频率范围，在短时间内完成共振，大大缩短测试时间*=tp自由衰减信号(FID信号)FreeInductionDecayFreeInductionDecay•驰豫过程在y轴的投影，为时域函数f(t)（FID信号）•NMR信号为频域函数f()•FID信号与NMR信号均为包含跃迁的及J信息•FID信号与NMR信号为一组傅立叶变换对timeMxy应用研究主要集中以下几个方面：应用研究主要集中以下几个方面：(1)化学主要包括分子结构测定、有机化合物结构解析、化学位移各向异性的研究、动力学核磁研究、有机化合物中异构体的区分和确定等。(2)生物包括生物膜和脂质的多形性研究、脂质双分子层的脂质分子动态结构等。(3)固体现在利用核磁共振波谱技术研究表面化学、分子间相互作用，表面活性剂也是科研中一个非常活跃的领域。(4)成像包括质子密度成像、T1、T2成像、指定部位的高分辨成像、其它核的成像等。核磁谱仪厂家核磁谱仪厂家瑞士布鲁克在世界市场上占有绝大多数的市场份额。主要国家如美国，布鲁克的市场占有率超过60%；在日本，每年布鲁克大约卖出180台左右；在中国，70%的用户也使用的是布鲁克的产品。布鲁克核磁共振谱仪的年生产量为400~500台。美国瓦里安公司也是核磁共振谱仪的一个重要的生产厂家，谱仪年生产量为100台~200台。在世界市场上也占有相当的销售份额。日本电子核磁共振谱仪生产量为几十台，是世界第三大核磁共振谱仪生产厂家。国内情况到2007年底，全国共有近430台核磁共振波谱仪；目前国内核磁共振谱仪主要分布在北京、上海、江苏、浙江、山东、广东等省份，几乎各省都有了核磁共振波谱仪；在这些谱仪中，布鲁克核磁仪有近300台，美国瓦里安公司核磁仪为120台，日本电子谱仪有10台左右；其中800兆谱仪有两台，北京大学和武汉物数所各一台，主要进行生物大分子、代谢组学和核磁实验方法方面的研究；600兆的磁体有30多台，主要是满足学校和科研院所对生物大分子研究的需要。核磁技术发展趋势（1）超高场磁体高场、稳定、屏蔽。近年来，950兆和1000兆超屏蔽磁体已研制成功并相继推出。（2）灵活快速的谱仪现在的谱仪在内部通讯、射频发生、动态范围、快速采样等方面都有了长足的进步。（3）探头类型的多样化探头是样品和谱仪之间的桥梁，为了适应不同样品的研究，各式各样的探头也发展了出来：正式探头，反式探头、固体探头、微成像探头、微量探头以及超低温探头等。（4）高通量核磁共振技术实现谱仪的自动化为了提高样品测试的自动化程度，降低测试成本，配备了自动进样器或流动注射技术的NMR自动化系统已成为工业界和学术界核磁共振应用中一个非常重要的工具。（5）数据采集和处理软件更加直观、快捷数据的采集、处理和分析对核磁共振谱仪的应用来说也是非常重要的。各个谱仪厂家也致力于发展自己的核磁共振谱仪软件。超导磁场的产生（升场）超导磁体失超！超导磁体失超！600兆超导傅立叶变换核磁共振波谱仪中的“600M”是什么意思？等同于磁场强度？MHz≠Tω0＝γB0关于磁场强度关于磁场强度化学位移(1HChemicalShiftsforCommonContaminantsinDeuteratedSolvents)化学位移(13CChemicalShiftsforCommonContaminantsinDeuteratedSolvents)为什么用氘代溶剂为什么用氘代溶剂溶剂峰抑制信号（动态范围）监控磁场：均匀、稳定特殊情况：毛细管锁场辅助设备空压机的作用提供干净、干燥的压缩空气（保证需要的压力）样品的进出使磁体浮起减震控温为自动进样器提供驱动力供气动单元驱动（HR-MAS探头）制样须知如果用核磁共振确定样品的化学结构时，样品应该越纯越好(一般应95%)；样品需要均匀地溶解于整个溶液、无悬浮颗粒，保证溶液中不能含有Fe、Cu等顺磁性粒子，否则会影响匀场和谱图质量；一般的有机物须提供样品量：1H谱5mg，13C谱15mg，聚合物量需适当增加；要求样品在某种氘代溶剂中有良好的溶解性能。有些溶剂，如二甲基亚砜（DMSO）、吡啶等，具有较强的吸水性，配成样品溶液后应保持干燥或尽量与空气中的水分隔绝；要求样品管管内外壁干净，管壁无划痕破损，避免样品管在仪器探头内发生断裂，造成重大损失；选择氘代溶剂时，首先考虑样品溶解度，其次看溶剂残留峰是否与关注的样品峰有重叠，还应考虑价格（氘代试剂价格差别很大）。n:自旋核数目，与天然丰度、样品量、分子量相关13C天然丰度：1.107%1H天然丰度：99.985%r:磁旋比13C=6.728×1041H=26.753×10413C-NMR灵敏度为1H-NMR的1/5800NMR的灵敏度TIIrnHNS)1(/320灵敏度的方法加大H0降低检测线圈温度（超低温探头）(T)信号累加：PFT-NMR加大样品量：尤其对于高分子量样品nNSNSn什么是卫星峰、振动峰、旋转边带？卫星峰振动峰卫星峰，所以要想观测到活泼H信号，就不能选这两种溶剂。或者可以利用重水交换实验来判断活泼H的峰归属。同时由于交换，活泼H的积分面积常偏小。活泼氢化学位移化合物类型δ值化合物类型δ值醇0.5-5.5ArSH3-4酚（分子内结合）10.5-16RSO3H11-12其它酚4-8RNH2,R2NH0.4-3.5烯醇15-19ARNH2,Ar2NH,ArNHR2.9-4.8羧酸10-13RCONH2,ArCONH25-6.5