核磁NMR分析方法(研究生课件)

核磁共振波谱（NuclearMagneticResonance)（NMR）查刘生分析测试中心纤维材料改性国家重点实验室主要内容一、NMR分析方法的发展和主要特点二、NMR分析方法的基本原理与基本知识三、NMR仪器结构与实验方法四、NMR分析方法在材料科学研究中的应用一、NMR分析方法的发展和主要特点1.1NMR分析方法的发展IsidorIsaacRabi1944年物理奖用共振方法记录原子核磁特性FelixBloch1952年物理奖精确地测量了核磁矩并发现了核磁共振现象EdwardMillsPurcell1952年物理奖精确地测量了核磁矩并发现了核磁共振现象RichardR.Ernst1991年化学奖高分辨NMR、多维NMR和MRIKurtWuthrich2002年化学奖利用NMR测定溶液中生物大分子三维结构的方法OttoStern1943年物理奖发现了质子的磁矩PaulLauterbur2003年医学奖发现MRI并用于医学诊断PeterMansfield2003年医学奖发现MRI并用于医学诊断1.2NMR分析方法的分类按被测核进行分类：•核磁共振氢谱（1HNMR）•核磁共振碳谱（13CNMR）•核磁共振氟谱（9FNMR）•核磁共振磷谱（31PNMR）•核磁共振硅谱（29SiNMR）按被测样品状态进行分类：•液体NMR•固体NMR按谱图维数进行分类：•一维NMR•二维NMR•三维NMR1.3NMR分析方法的特点优点：•分析物质的精细结构；•应用非常广泛；•不破坏样品。缺点：•定量分析误差大；•灵敏度低，需要的样品较多；•难以分析多组分混合物1.4NMR的主要应用分子结构的测定化学位移各向异性的研究金属离子同位素的应用动力学核磁研究质子密度成像T1T2成像化学位移成像其它核的成像指定部位的高分辨成像元素的定量分析有机化合物的结构解析表面化学有机化合物中异构体的区分和确定大分子化学结构的分析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生物膜蛋白质——脂质的互相作用压力作用下血红蛋白质结构的变化生物体中水的研究生命组织研究中的应用生物化学中的应用在表面活性剂方面的研究原油的定性鉴定和结构分析沥青化学结构分析涂料分析农药鉴定食品分析药品鉴定医学诊断1.5NMR在高分子科学中的应用分子量测定端基分析支化度分析几何异构体头－尾及头－头结构聚烯烃的立构规整度共聚物的序列结构聚合物构象分析交联反应多相聚合物体系聚合物分子链之间的相互作用聚合物之间的相容性聚合物分子链运动聚合物分子链取向分布聚合物分子链取向与分子链运动的相关性聚合物晶态结构小分子在聚合物材料内的扩散过程聚合物材料内部缺陷及空洞的测定不同聚合物材料的非均匀混合聚合物材料内部的组成梯度二、NMR分析方法的基本原理与基本知识2.1NMR的基本原理1.电磁能量吸收理论（Purcell提出，基于量子光学中的能量吸收）2.电磁感应理论（Bloch提出，基于Faraday电磁理论）连续波核磁共振波谱仪脉冲傅立叶核磁共振波谱仪μ2.1.1原子核的自旋和偶极磁矩自旋量子数（I）不为零的核存在自旋，自旋会产生环电流，环电流产生偶极磁距µ：µ=ћγ(I(I+1))1/2γ：磁旋比，是核的特征常数。原子核的自旋量子数I质量数原子序数I有代表性的原子核偶数偶数016O，12C，32S偶数奇数1，2，3….2H，14N奇数奇数或偶数1/2；3/2；5/2….1H，13C，11BＩ＝1/2的原子核：1H，13C，15N，19F，29Si，31PI1/2的原子核，电荷在原子核表面呈非均匀分布，共振吸收复杂，核磁谱线宽，NMR中很少研究;I=1/2的原子核，电荷平均分布在原子核表面，核磁谱线窄，最宜于核磁共振检测。NMR分析中常见原子核的有关物理参数同位素天然丰度自旋磁旋比a共振频率b检测灵敏度c1H0.999851/226.752100113C0.011081/26.728325.1441.76x10-415N0.3651/2－2.71294.080.8319F11/225.18194.080.8329Si0.0471/2-5.318819.8653.69x10-431P11/210.84140.4810.0663a磁旋比的单位是107弧度/特斯拉/秒；b共振频率以1H频率为100MHz作参考；c检测灵敏度以1H为1作为参考，并考虑了同位素的天然丰度。2.1.2电磁能量吸收理论NSNS在磁场外,核自旋没有固定的取向，核自旋能级简并。在外加磁场中原子核发生能级分裂NSNSNSNSNSNSBoSNSNSNBoEDE=ћγBom=-1/2m=1/2能级上原子核个数的分布假定处于低能级的原子核数目为n1,处于高能级的原子核数目为n2，n2与n1之间的比值满足玻尔兹曼定律：k为玻尔兹曼常数当T=300K，B0=1.4092Tn1/n2=1.0000099能级差与外加磁场强度和原子核的磁旋比大小成正比ΔEB013Csplitting1Hsplittingγ(1H)=26.752γ(13C)=6.728DE=ћγBo原子核吸收射频波的能量产生共振NSNSNSNSNSNSSNSNSNNSSNSNSNNSNSNSNSSN射频波νΔE＝hν=ћγB0在外加磁场中，具有偶极磁矩的原子核吸收射频波的能量，从低能级跃迁到高能级的现象，就叫做核磁共振。EB0Nomagneticfieldm=1/2Energyhn共振吸收DE=gћB0m=-1/2ΔE＝hν=γћB0=γhB0/2π射频波频率（s-1，Hz）ν=γB0/2π射频波园频率（弧度/秒）ω=2πν=γB0在相同ω射频波的照射下，不同的原子核在不同的磁场强度下发生共振ω=γB0核磁共振产生的条件(1)核有自旋(磁性核，磁旋比γ);(2)外磁场B0,能级裂分;(3)照射的射频波频率ω=γB0饱和和弛豫处于低能级的原子核吸收射频波的能量跃迁到高能级，结果导致处于高、低能级的原子核数目相等，此时核磁共振信号消失，这种现象叫饱和。处于高能级的原子核失去能量回到低能级的现象叫弛豫。原子核的弛豫现象使其持续产生核磁共振信号。原子核有两种弛豫方式：1.自旋-晶格弛豫（纵向弛豫）：处于高能级的原子核将能量传递给周围环境（如溶剂分子等），产生热量。2.自旋-自旋弛豫（横向弛豫）：相邻核之间由于核磁矩的相互作用而彼此交换自旋取向，从而进行能量交换。该弛豫不改变处于高低能级原子核的数目。弛豫时间纵向弛豫时间（T1)：纵向弛豫过程所经历的时间。T1越小，测定NMR谱需要的时间越少。1H核的T1值小于其他的核。液体或气体样品中原子核的T1值小于固体样品中原子核的T1值。低粘度液体样品的T1值小于高粘度液体样品的T1值。横向弛豫时间（T2）：横向弛豫过程所经历的时间。T2的大小反映了原子核在高能级上停留的时间长短。NMR谱线宽度与T2大小有关，T2越小，谱线越宽。固体及粘度大的液体样品中原子核与原子核之间比较靠近，有利于原子核之间进行能量交换，因此T2很小，谱线较宽。2.2化学位移B0Be＝σB0由于核外电子云存在的屏蔽作用，原子核实际感受到的磁场:B=B0-Be=B0-σB0=(1-σ)B0σ称为屏蔽常数原子核产生共振的射频波频率为：ω=γB=γ(1-σ)B0裸核产生共振的条件ω=γB0同一种核在同一磁场下，由于在分子中所处的化学环境不同，因而在不同的射频波频率下产生共振——NMR分析的主要依据Lorentz定律甲醇分子中H核a的核外电子云密度高，屏蔽效应大，σ大，在较低的频率下产生共振。相反H核b在较高的频率下产生共振。ωa=γB=γ(1-σa)B0ωb=γB=γ(1-σb)B0σaσbωaωb2.2.1化学位移的定义一般地，把分子中同类原子核，因化学环境不同而产生的共振频率的变化量，称为化学位移。化学位移表达的难度：（1）分子中处于不同化学环境的原子核的共振频率差别很小，用频率差值来表示化学位移很不方便；（2）不同仪器因磁场强度不同，同一分子中同一化学环境的原子核的共振频率不同，难以相互比较。2.2.2化学位移的表示方法为了解决上述问题，1970年IUPAC建议采用内标法来表示化学位移δ：δ＝（（ωs-ωr)/ωr）106={[γ(1-σs)B0-γ(1-σr)B0]/γ(1-σr)B0}106=[(σr-σs)/(1-σr)]106δ与外加磁场强度B0无关，是一个相对值，无单位。但以前曾用ppm（partpermillion)作为单位，现在已基本上不用，只保留数值。ω0δ(ppm)4812ω0δ(ppm)4812内标峰ppmsamplereferencereference300MHz500MHz1ppm=300Hz1ppm=500Hz同一化学环境中的磁核，不同仪器上测得的共振频率不同，不同化学环境中磁核的共振频率的差值也不同。同一化学环境中的磁核，不同仪器上测得的δ相同，不同化学环境中磁核的δ的差值也相同。甲醇的1HNMR谱图δa=3.3δb=4.2MePEG-PLAblockcopolymer1HNMRofMePEG-PLA13CNMRofMePEG-PLA核外电子云密度越高，屏蔽效应越强，外加磁场强度不变的情况下，共振需要的射频波频率越小，越小，共振吸收峰出现在谱图右侧；如果维持射频波的频率不变，共振需要的外加磁场强度越高，因此也将谱图右侧叫高场方向。反之，将谱图左侧叫低场方向。屏蔽效应增大，δ减小，高场方向屏蔽效应减小，δ增大，低场方向ω=γB=γ(1-σ)B0各种化学环境中氢的化学位移各种化学环境中碳的化学位移sp3杂化碳的δ值范围在0～90；sp2杂化碳的δ值范围在100～300；sp杂化碳的δ值范围在70～110。2.2.3内标物应该具备的条件•有高度的化学惰性，不与样品发生化学反应或产生缔合；•信号峰为单峰，与样品峰不发生重叠；•易溶于有机溶剂；•易挥发，使样品可以回收。内标物是直接加到待测样品中，而外标物是先将内标物封装在毛细管内，再加到待测样品中。常用内标物氢谱：非水溶液样品用四甲基硅烷（TMS）水溶液样品用三甲基硅丙基磺酸钠（DSS）碳谱：四甲基硅烷（TMS）或者氘代试剂中的碳峰硼谱：乙醚三氟化硼或者三甲氧基硼磷谱：８５％磷酸（但只能作为外标）硅谱：四甲基硅烷（TMS）为什么常选用四甲基硅烷（TMS）作为内标物•TMS可作为1HNMR、13CNMR、29SiNMR谱的内标物；•TMS分子中12个1H处于完全相同的化学环境，只产生一个尖峰，少量的TMS即可测出NMR信号；•屏蔽强烈，共振吸收峰位于谱图最右端。与有机化合物中的1H峰不重叠；•化学惰性；•易溶于有机溶剂；•沸点低（27℃），样品易回收。SiCH3CH3H3CCH3四甲基硅烷(TMS)D2O溶液中常用DSS作为内标物NaSO3－CH2－CH2－CH2－Si（CH3）3δC＝0δH＝0δC≠0δH≠0有干扰2.3自旋偶合与自旋裂分乙醇的低分辨1HNMR图和高分辨1HNMR图CH2CH3低分辨高分辨J自旋核之间的相互作用叫做自旋偶合。它能通过化学键传递，一般只考虑相隔1～3个键的两个核之间的偶合，相隔四个或四个以上单键的偶合基本为零。由自旋偶合引起的核磁共振谱峰发生分裂的现象叫做自旋裂分。自旋偶合是自旋裂分的原因，自旋裂分是自旋偶合的结果。CH3－CH2－OH1H-13C1H-13C105Hz1H-12CCHCl32.3.113C－1H异核之间的偶合作用13C1H由于13C的丰度低，磁旋比小，它对1H的影响较小，而1H对13C的影响很大。δ1HNMRCHCl3δ13CNMR1H-13C1H-13C无1H的偶合作用C－HHaHbCCabJABBbBbBaBaJABobservedspincoupledspinintensityAB1B1BA1A12.3.21H－1H同核之间的偶合作用C1H1HC1H－1H之间通过H－C－C－H之间的三个键产生同核自旋偶合作用a-JAB/2a+JAB/2ωa=γB0(1-σ)无Hb存在ωa－JAB/2=γ(B0－Bb）(1-σ)