核磁共振(NMR)波谱学原理与应用

核磁共振(NMR)波谱学原理及其应用第一章绪言1.1回顾:NMR现象发现于1945年，发展迅速，已成为当代研究物质结构最有力的工具。►1946年哈佛大学Purcell小组和斯福大学Block小组几乎同时观测了石蜡中质子的信号，1952年获诺贝尔物理奖。►1951年发现化学位移现象。►1952年Hahn等发现自旋偶合现象，显示NMR技术可用来研究分子结构。►1958年第一台30MHz(CW-30MHz)。►1965年提出快速FT变换方法。►1966年R.R.Ernst等实现了FT-NMR实验。将信号采集由频率域→时域，使信号累加变得容易，大大提高NMR灵敏度，13C核的测量成为可能，这是一次革命。►利用不同的脉冲组合来加工核自旋体系的信息，获得特定的分子结构信息：驰豫时间，共振峰的分类（DEPT，1NEPT）►1971年J.J.Jeener首次引入二维谱的概念。►1974年R.R.Ernst小组首次成功地实现二维实验，NMR进入全新时代。►上世纪80年代是NMR迅速发展的十年。►1991年R.R.Ernst本人获诺贝尔化学奖。1.2仪器的基本构造DataprocessingrfconsoleTransmitterReceiverMagnetSampletubeProbe020406080100120140PPMrfpulseB0SampletubeinsidecoilFTSpectrumFIDNMR发展的里程碑YearDevelopmentNature1970FTNMRInstrumental1975SuperconductingmagnetsInstrumental19802DNMRMethodological1985ProteinstructuredeterminationMethodological1990Isotopelabeling/multidimensionalNMRMethodological1990PulsedfieldgradientsInstrumental/Methodological1995NMRscreeningMethodological1997TROSYMethodological1998LC-NMR/LCMS-NMRInstrumental2000CryoprobesInstrumentalpeakE0B0nodetroughEBt0ifabscissascaleistimeifabscissascaleislength1.3电磁辐射的性质ElectromagneticwavewithelectricvectorEandmagneticvectorBRadiationWavelength,(nm)Frequency,(Hz)Energy(kJ/mol)Cosmicrays10-33x10201.2x108Gammarays10-1-10-33x1018-3X10201.2x106-1.2x108X-rays10-10-13x1016-3x10181.2x104-1.2x106Farultraviolet200-101.5x1015-3x10166x102-1.2x104ultraviolet380-2008x1014-1.5x10153.2x102-6x102visible780-3804x1014-8x10141.6x102-3.2x102Infrared3x104-7801013-4x10144-1.6x102Farinfrared3x105-3x1041012-10130.4-4Microwaves3x107-3x1051010-10124x10-3-0.4Radiofrequency1011-3x107106-10104x10-7-4x10-3Electromagneticspectrum►波实际上是由二个正交(互相垂直)的彼此完全相同的波组成的。其中一个描述辐射的电场矢量(E)，在一个平面内振荡，而另一个波描述磁场矢量(B)，在垂直于电场的平面内振荡。►波可用二个独立的量，波长()和最大振幅(图中的E0和B0)来表征。电磁辐射以固定的速度传播，可用频率来描述波，频率是相邻两个波之间的距离t0的倒数。t0的单位是秒，的单位赫兹(Hz)1to＝►在t0时间内，电磁波传播的距离为。C=̸t0对某一特定的波，其波长和频率不是二个互为独立的量，而是互为反比例的关系。高频辐射具有短的波长，而低频辐射则具有长的波长。►电磁波除了波动性外，还表现出粒子的某些行为。光子最重要的类粒子性质是它的能量(E)。每一个光子具有分立的能量，它与频率成正比关系。这种关系可表示如下：E=h式中h－普朗克常数，其值为6.63x10-27尔格．秒►对NMR的目的来说，我们特别感兴趣的是射频辐射(rf)，其频率范围与收音机和电视机的接收频率相同。通常采用频率为200-750MHz的波段。表中能量标尺的低能端，恰好是我们实现NMR实验所需要的能量。第二章原子核的磁性2.1原子核的结构化合物是由分子组成，分子本身是原子的聚集体。每一个原子都有若干带负电荷的电子。电子围绕一个体积极小的带正电荷的原子核运动。99.9%以上的原子的质量都集中在原子核上，核只占原子体积的1/1012。2.1.1原子核的组成►原子核是由原子和中子组成的。►原子核中质子的数目(Z代表原子序数)，决定原子的特征及其核电荷。►在元素周期表中，每一个元素的原子序数表示在化学符号的右边，左上角的角码是同位素的质量数(A)，它是Z和N的整数和。A=Z+N2.1.2核自旋►质子是一种转动着的带电荷的粒子(Z=1)，故有磁矩。►磁矩只有两种可能的取向，在无外磁场时，这两种取向的能量是简并的，习惯上采用核自旋量子数m来表征。如对一个质子，m=+½或-½。把这种核描述为1/2的核自旋(I)。►核电荷带正电，故核磁矩沿磁场方向(m=+½)排列的核，其能量最低。B0m=+½m=-½►中子不带电，也有磁矩，并且自旋I=½。在磁场中，它也有两种取向，对中子来说，由于取负值，故稳定的方向对应于m=-½。原子ZX中I与Z和m的关系原子序数Z质量数I实例偶偶06C8O16S奇奇1H9F15P7NI=½偶奇6CI=½5BI=³/²奇偶整数1H7NI=1半整数121632m11931151311214►核自旋为零的核，其I=0，因此不能用NMR来检测。2.1.3核自旋的多重度►I=1/2的原子核在磁场中给出两个自旋取向。►I1/2的原子核可取两个以上的自旋态。可能自旋态(即不同的m值)的总数(多重度)仅取决于I值。►多重态=2I+1(能级的数目)►在这些2I+1个态(能级)中，每一个态具有它自己的量子数m，m=-1，-1+1，…I-1，I。例如对于I=½，多重度是2，即m=½和m=-½；对于I=1，多重度是3，即m=-1，0，+1。核I多重度m值11B3/24-3/2,-½,½,3/212C01014N13-1,0,117O5/26-5/2,-3/2,-½,½,+3/2,+5/231P1/22-½,½PB0→2.1.4核的角动量和磁矩根据经典图象，原子核取球形，绕自己的轴转动。因此，许多原子核具有内禀角动量PP=I(I+1)ħħ=h/2π，h＝planck常数I为角动量量子数，简称核自旋，I=0，½，2/3，2…核1H2H10B11B12C13C14N15N16O17Ospin1/2133/201/211/205/2P与之相对应的磁矩，有如下关系式：=P是比例常数，称磁旋比=I(I+1)ħI=0,=0观测不到NMR信号对大多数的原子核与P同向少数情况下如15N，29Si，与P反向2.1.5在静磁场中原子核的行为方向量子化一个I0原子核，置于静磁场B0中，P方向量子化，如图所示：m=+½m=-½PZ=½ħPZ=-½ħm=+1m=0m=-1PZ=ħPZ=0PZ=-ħPZ=mħm磁量子数，或称方向量子数取m＝I，I－１，．．．I中任何一个数值，共有(2I+1)个不同的m值。对13C，1H核I=½，mZ=+½，mZ=-½；对2H，14N核I=1，mZ=+1，-1。方向量子化Z=mħm=+½()m=-½()z,BO自旋为½的核在磁场中的两个进动锥体经典表示法，核偶极子绕Ｚ轴（与静磁场方向一致）进动。它的行为如同陀螺一样，进动频率（或称Larmor频率）L正比与静磁场强度B0。L=对于进动着的核，核偶极子进动的角度只能取某一确定的数值，如I=½的质子，角度是54。44’。2πB02.1.6核在磁场中的能量当一磁性核质子置于磁场B0中时，磁矩与B0相互作用，其作用能E有E=-B0=-ZB0对具有(2I+1)个可能取向的原子核，有(2I+1)个能级又称为核塞曼(Zeeman)能级E=-mħB0m=-½()E=+½ħB0m=-1m=+½()E=-½ħB0m=+1E-1=ħB0m=0E+1=-ħB0E0=0E0I=½1H,13CI=12H,14N对于1H和13C，I=½，有两个能级；对于2H和14N，I=1，有三个能级，如上图所示EE2EB0B1B2m=+½()m=-½()0两个相邻能级的能级差为E=ħB0所以E正比于BO2.17能级的布居数(population)在宏观的样品中，在热平衡时，在不同的能级中，磁性核是如何分布的呢？这可用Boltzmann来回答式中N代表上能级的粒子数，N代表较低能级的粒子数，K波尔兹曼常数，T绝对温度。NN=e-E/KT1-EKT1-=KTħB0例：温度25℃（298K），磁场强度为5.87T时，求出1H核在上下能级各占多少？解：利用方程式只有两个自旋态N(m=-½)＝1-N(m=+½)故N(m=-½)=0.49999和N(m=+½)=0.50001N(m=-½)N(m=+½)=exp[EKT]=exp[1.66x10-25J1.38x10-23JK-1298K]=0.999961H的两个自旋态布居数相差极其微小的，相差的数量级为20ppm，对其它原子核，相差更小。与其它技术，如IR和UV光谱相比，是造成NMR灵敏度相对较低的原因。z,BOm=+½m=-½NNM02.18宏观磁化强度►从经典图象出发，I=½，如1H，13C，位于双锥面上的核绕静磁场Z进动。►将样品中所有的核磁矩的Z分量相加得（沿磁场方向）宏观磁化强度M0。►在脉冲NMR实验中，M0起着重要的作用。第三章NMR实验的基本原理3.1共振条件以氯仿(CHCl3)溶液中质子(1H)为例。在磁场中，1H的能级图如下所示E-½=+½ħB0E+½=-½ħB0EBB00E=ħ1质子在静磁场中的能级差当频率1满足ħ1=E时，能级间发生跃迁，E=E-½-E+½=½ħB0+½ħB0=ħB0ħ1=ħB0L=1=B0即当射频场的频率与核磁场中的拉摩尔进动频率匹配时，这时发生共振。低能级的磁性核吸收一个辐射量子跃迁至较高能级；同时，位于高能级的核释放出能量回到低能级。每次跃迁都伴随着自旋方向的变化。2π跃迁选择规律：m=±1称为单量子跃迁，即在相邻的两个能级之间跃迁。BEB00m=-1m=+1m=0E-1=ħB0E0=0E+1=-ħB014N(I=1)在静磁场中的能级差1H和13C在不同静磁场中的共振频率B0[T]共振频率[MHz]1H13C1.416015.11.888020.12.119022.632.3510025.154.7020050.35.6725062.97.0530076.49.40400100.611.74500125.714.09600150.93.2脉冲傅立叶变换NMR方法1.脉冲傅立叶变换方法，其主要目的是提高核磁共振仪的灵敏度，实验时间短，便于进行信息的加工。2.用射频脉冲激励与傅立叶变换。在脉冲方法中，样品中所有的质子(或者所有的13C核)都同时被射频脉冲所激发，现在要问，这种脉冲的组成即如何