《核磁共振波譜儀》PPT課件.ppt

王海南14060220142161 儀器分析 第5章核磁共振波譜法 NMR NuclearMagneticResonanceSpectroscopy 一 概論 1 1什么是核磁共振 核磁共振是一種物質(zhì)與低頻電磁波 通常為1000MHz的無線電波相互作用的基本物理現(xiàn)象 1939年拉比 I Rabi 通過試驗高溫蒸發(fā)后的物質(zhì)觀測到了了核磁共振現(xiàn)象 但是這種高溫蒸發(fā)過程破壞了凝聚物質(zhì)的宏觀結(jié)構(gòu) 因而在實際應(yīng)用中受到了很大的限制 盡管如此拉比還是因為這一發(fā)現(xiàn)獲得了1944年的諾貝爾物理學(xué)獎 1945年底 美國哈佛大學(xué)珀賽爾 E M Purcell 在石蠟樣品中觀測到穩(wěn)態(tài)的核磁共振信號 幾乎在同一時間 1946年初 斯坦福大學(xué)布洛赫 F Block 在水中觀測到了穩(wěn)態(tài)的核磁共振現(xiàn)象 兩人因為這一發(fā)現(xiàn)而分享了1952年諾貝爾物理學(xué)獎 從此 核磁共振技術(shù)徹底實現(xiàn)了在不破壞物質(zhì)結(jié)構(gòu)的前提下迅速 準確地了解物質(zhì)內(nèi)部結(jié)構(gòu)的測量目標(biāo) 為工農(nóng)業(yè)生產(chǎn) 地質(zhì)勘探 生物科技 醫(yī)療保健等領(lǐng)域的發(fā)展提供了有力的手段 核磁共振試驗的成功在近代物理學(xué)史上也占有極其重要的一席 它直接論證了核子自旋的存在 并且驗證了量子力學(xué)的一些基本原理 核磁共振實驗還為激光技術(shù)的產(chǎn)生和發(fā)展奠定了堅實的理論和實驗基礎(chǔ) 因為該實驗首次實現(xiàn)了能級反轉(zhuǎn) 經(jīng)過過去半個多世紀的深入研究 核磁共振已經(jīng)發(fā)展成為一門具有堅實理論基礎(chǔ)的綜合性學(xué)科 并且被廣泛應(yīng)用于工業(yè) 農(nóng)業(yè) 化工 生物科技和醫(yī)療等諸多領(lǐng)域 1 2核磁共振原理 核磁共振是能夠深入到物質(zhì)內(nèi)部而不破壞被測量對象的一種分析物質(zhì)構(gòu)造的現(xiàn)代技術(shù) 它通過利用原子核在磁場中的能量變化來獲得關(guān)于原子核的信息 具有迅速 準確 分辨率高等優(yōu)點 大家都很清楚 組成物質(zhì)的原子是由原子核和核外電子構(gòu)成的 核外電子的分布規(guī)律是嚴格遵守泡利不相容原理的 即在同一個原子中間不可能穩(wěn)定存在兩個量子數(shù)完全相同的電子 占據(jù)同一條軌道的兩個電子它們的自旋必然相反 否則這一對占據(jù)同一軌道的電子是無法穩(wěn)定存在的 電子的自旋使得電子具有自旋角動量和磁矩 與核外電子相同的是 居于原子中央的原子核也具有自旋角動量和磁矩 這些自旋角動量和磁矩是由組成原子核的質(zhì)子和中子的自旋疊加所引起的 二十世紀初期 原子物理學(xué)家發(fā)現(xiàn)原子光譜具有超精細的結(jié)構(gòu) 這些超精細結(jié)構(gòu)利用當(dāng)時現(xiàn)成的有關(guān)原子結(jié)構(gòu)的理論無法給出合理解釋 泡利為了解釋這些新出現(xiàn)的現(xiàn)象 提出了原子核應(yīng)該具有自旋角動量和磁矩的假設(shè) 這些假設(shè)在隨后的實驗過程中得到了不斷的證實 從此原子光譜的超精細結(jié)構(gòu)得到了合理的解釋 長期的實驗結(jié)果顯示 自然界中有105種同位素的核具有不為零的角動量和磁矩 產(chǎn)生核磁共振是因為原子核具有自旋和磁矩 放入磁場中會產(chǎn)生能級分裂 原子核的磁矩不為零 原子核是帶正電的粒子 若有自旋現(xiàn)象即產(chǎn)生核磁矩 大多數(shù)原子核好像陀螺一樣圍繞著某一軸自身做旋轉(zhuǎn)運動 簡稱自旋運動 自旋量子數(shù)為0的原子核沒有自旋現(xiàn)象 故無核磁矩 它們不產(chǎn)生共振吸收譜 不能用核磁共振進行研究 1 3核磁共振波譜儀介紹 1 核磁共振波譜儀原理 NMR是指在靜磁場中的物質(zhì)的原子核系統(tǒng)受到相應(yīng)頻率的電磁波的作用時 在它們的磁極之間發(fā)生的共振躍遷現(xiàn)象 核磁共振譜儀正是用來檢測固定能級狀態(tài)之間電磁躍遷的設(shè)備 原子核進動頻率與外加磁場的關(guān)系是 W0 0 2 v0 磁旋比 是原子核所特有特征 1964年 1971年 1979 1991年 1953年 世界上第一臺NMR譜儀由美國瓦里安公司研制成功 B 0 7T V 30MHz 日本 JEOL 公司生產(chǎn)出世界上第一臺脈沖傅里葉變換NMR譜儀 B 2 35T V 100MHz 德國布魯克公司推出全數(shù)字化NMR譜儀 美國瓦里安公司研制出世界第一臺超導(dǎo)NMR譜儀 B 4 7T V 200MHz 德國布魯克公司分別率先推出500 600 750MHz超導(dǎo)譜儀 瓦里安公司推出了數(shù)字化 智能化程度更高的VarianNMRSystem 布魯克公司推出了具有第二代數(shù)字接收機的AVANCE 新系列 2009年 2005年 布魯克公司推出AVANCE 系列 頻率突破1GHz 2005年 2 核磁共振譜儀發(fā)展歷程 2 3 譜儀分類及基本組件 永磁 電磁 超導(dǎo)磁體譜儀 連續(xù) 分時 脈沖譜儀 高分辨液體 固體 微成像譜儀 現(xiàn)在 一般按照NMR波譜儀試驗中射頻場的施加方式 分為兩大類 連續(xù)波NMR譜儀 CW NMR 脈沖NMR譜儀 PFT NMR 脈沖傅里葉變換波譜儀由于快速 靈敏等優(yōu)點 成為當(dāng)代主要NMR譜儀 超導(dǎo)磁體 鈮鈦或鈮錫合金等超導(dǎo)材料制備的超導(dǎo)線圈 開始時 大電流一次性勵磁后 閉合線圈 產(chǎn)生穩(wěn)定的磁場 長年保持不變 溫度升高 失超 重新勵磁 在低溫4K 處于超導(dǎo)狀態(tài) 磁場強度 100kG超導(dǎo)核磁共振波譜儀 200 400HMz 可高達600 900HMz 3 譜儀基本組件 磁體 產(chǎn)生靜磁場 核自旋體系發(fā)生能級分裂 射頻源 激發(fā)核磁能級之間的躍遷 接收機 接受微弱的NMR信號 放大變成電信號 勻場線圈 調(diào)整靜磁場的均勻性 提高譜儀的分辨率 計算機系統(tǒng) 控制譜儀 并進行數(shù)據(jù)顯示和處理 核磁共振波譜儀基本組成 探頭 NMR信號檢測器 是譜儀的核心部件 4 連續(xù)波NMR譜儀 原理 把射頻場連續(xù)不斷的施加到試樣上 發(fā)射的是單一頻率 得到一條共振譜線 可通過掃場和掃頻兩種方式實現(xiàn) 掃場 V不變 改變B 掃頻 B不變 改變V 實驗室多用掃場法 特點 時間長 通常全掃描時間為200 300秒 靈敏度低 所需樣品量大 對一些難以得到的樣品 無法進行NMR分析 5 脈沖傅里葉變換NMR譜儀 特點 靈敏度高 是100倍 測量速度快 一般1H NMR測量累加10 20次 需時60s左右樣品量少 原理 恒定磁場 使用一個強而短的射頻脈沖照射樣品 感應(yīng)電流信號經(jīng)過傅立葉變換獲得一般核磁共振譜圖 環(huán)己烯的13C譜 7 分辨率 穩(wěn)定性 靈敏度 表征波譜儀辨別兩個相鄰共振信號的能力 以最小頻率間隔Iv1 v2I表示 頻率穩(wěn)定性 通過連續(xù)記錄相隔一定時間的兩次掃描 測量其誤差 分辨率穩(wěn)定性 通過觀察峰寬隨時間變化的速率來測量的 靈敏度表征了波譜儀檢測弱信號的能力 他取決于電路中隨機噪聲的漲落 一般定義為信號對噪聲之比 即信噪比 波譜儀的三大技術(shù)指標(biāo) 優(yōu)化 提高磁場本身空間分布的均勻性 用旋轉(zhuǎn)式樣方法平均磁場分布均勻 優(yōu)化 提高磁感應(yīng)強度 應(yīng)用雙共振技術(shù) 信號累加等可以提高靈敏度 8 6 核磁分析的一般步驟 應(yīng)用最廣泛的探頭正向 反向?qū)拵?BB 包括19F1H 19F去耦全自動調(diào)諧高靈敏度 SmartProbe常溫探頭 超低溫探頭系統(tǒng)T 20K CryoprobeProdigy探頭 寬頻探頭 31P 15N 正向 反向全自動調(diào)諧理想的中低場探頭使用液氮制冷成本低 體積小 探頭 Fourier300NMR譜儀 為化學(xué)教育和化學(xué)分析的所有普通應(yīng)用提供經(jīng)濟型NMR 具有結(jié)構(gòu)緊湊 體積小 重量輕 分辨率優(yōu) 成本低等特點 13 AdvanceIIIHDNanoBay AdvanceTIIIHDNanoBay equippedwithCryoProbeProdigyandautosamplerSampleXpres 是迄今為止集成程度最高的先進NMR光譜儀 高效率 高品質(zhì) 適用于各種常規(guī)和研究應(yīng)用領(lǐng)域 技術(shù)細節(jié) 易于安放 適合放入小型分析實驗室包含Ascend 磁技術(shù)自動取樣系統(tǒng)等直觀的常規(guī)用戶界面TopSpin 15 最新軟件TopSpinTM 集測試 數(shù)據(jù)處理及結(jié)構(gòu)模擬等功能 二 核磁共振理論基礎(chǔ) 2 1磁性核和非磁性核 核磁矩 原子核帶正電 當(dāng)其繞軸旋轉(zhuǎn)時產(chǎn)生電流 周圍形成磁場 使得原子核存在磁距 磁距 與自旋角動量P成正比 比例常數(shù)為 P 稱為磁旋比 是原子核的重要屬性 當(dāng)原子核自旋量子數(shù)為非零時 它具有自旋角動量P 自旋角動量P是量子化的 可用自旋量子數(shù)I表示 I為整數(shù) 半整數(shù)或零 h為普朗克常數(shù) I 0的核為磁性核 可以產(chǎn)生NMR信號 I 0的核為非磁性核 無NMR信號 經(jīng)驗規(guī)律 1 原子核的總核自旋角動量P為零 此類核無NMR信號 如4He 12C 16O 質(zhì)子數(shù)與中子數(shù)相等 2 自旋角動量P不為零 稱為磁性核 I 0 I 1 2的原子核 其電荷均勻分布于原子核表面 這樣的原子核不具有四極矩 其核磁共振的譜線窄 最宜于核磁共振檢測 原子核組成 質(zhì)子數(shù)p與中子數(shù)n 與自旋量子數(shù)I的經(jīng)驗規(guī)則 p與n同為偶數(shù) I 0 如12C 16O 32S等 p n 奇數(shù) I 半整數(shù) 1 2 3 2等 如1H 13C 15N 17O 31P等 p與n同為奇數(shù) I 整數(shù) 如2H 6Li等 自旋量子數(shù)與原子核的質(zhì)量數(shù)及質(zhì)子數(shù)關(guān)系 2 2原子核的磁能級 核自旋角動量與核磁矩都是矢量 角動量的方向遵循右手螺旋定則 因為核電荷和質(zhì)量同時作自旋運動 因此核磁矩與角動量矢量是平行的 如果將原子核置于磁場中 由于核磁矩與磁場相互作用 核磁矩相對磁場會有不同的取向 根據(jù)量子力學(xué)原理 核磁矩相對磁場只能有2I 1個取向 同樣 核磁矩在外磁場方向上的分量 H只能取對應(yīng)的一定數(shù)值 H mh 2 m為核自旋量子數(shù) 例如 對I 1 2的氫核 核磁矩 N也有兩種取向 其在外磁場的分量分別為 H 1 2 h 2 及 H 1 2 h 2 根據(jù)電磁理論 在強度為H0的磁場中 放入一個磁矩為 的小磁鐵 則他們的互相作用能用式為 E NH0 NH0cos 或E m h 2 H0 當(dāng) 0時 E NH0 負號表示體系的能量最低 即核磁矩與磁場同向 反之 當(dāng) 180 時 E NH0 體系的能量最高 即核磁矩與磁場方向相反 當(dāng)核磁矩與磁場方向垂直時 位能等于零 當(dāng)處于一定角度時 則其位能用式計算可得 E HH0 式中 H是核磁矩 N在磁場方向上的分量 當(dāng)無外磁場存在時 核磁矩具有相同的能量 當(dāng)核磁矩處于磁場中時 由于核磁矩的取向不同而具有不同的能量 也就是說 核磁矩在磁場的作用下 將原來簡并的2I 1個能級分裂開來 這些能級通常叫塞曼能級 2 3核磁共振的產(chǎn)生 靜磁場中 磁性核存在不同能級 用一特定頻率的電磁波 能量等于 E 照射樣品 核會吸收電磁波進行能級間的躍遷 此即核磁共振 E h h 2 H0 2 HH0 H0 2 2 HH0 h 核磁共振的基本方程式 量子力學(xué)觀點 經(jīng)典力學(xué)觀點感興趣的同學(xué)自行了解 2 4核磁共振的頻率 磁距 與磁場B0的相互作用能E為E B0 PB0原子核間進行能級躍遷的能量為 選律 m 1 B0 2 自旋量子數(shù)為1 2的核核磁矩與能級的關(guān)系 a 地球重力場中陀螺的進動 b 磁場中磁性核的進動 核的進動圓頻率 2 B0 不同核的NMR B0 2 35T 特士拉 25MHz時 13C共振 分別為100MHz 94MHz 40 5MHz時 可分別觀測1H 19F 31P核的吸收 磁性核的共振頻率與外加磁場成比例 B0 2 5核磁共振波譜與分子結(jié)構(gòu) 高分辨NMR主要是研究通知磁性核在外磁場作用下產(chǎn)生的微小變化 這些變化來源于核的磁屏蔽 它起因于分子中電子環(huán)形運動所產(chǎn)生的次級磁場 而在高分辨NMR實驗中所得到的共振信號大多又是裂分譜線 造成裂分譜線分的原因是磁性核之間的自旋 自選相互作用 化學(xué)位移和偶合常數(shù)是核磁共振波譜中反映化合物結(jié)構(gòu)的兩個重要參數(shù) 2 5 1化學(xué)位移 一化學(xué)位移 2 5 2化學(xué)位移定義 因質(zhì)子在分子中所處的化學(xué)環(huán)境不同而需要在不同的磁場強度下發(fā)生共振的現(xiàn)象叫做化學(xué)位移 質(zhì)子周圍基團性質(zhì)不同 使它的共振頻率不同 2 5 3化學(xué)位移的產(chǎn)生 理想化的 裸露的氫核滿足共振條件 0 H0 2 產(chǎn)生單一的吸收峰 實際上 氫核受周圍不斷運動著的電子影響 在外磁場作用下 運動著的電子產(chǎn)生相對于外磁場方向的感應(yīng)磁場 起到屏蔽作用 使氫核實際受到的外磁場作用減小 則有效磁場強度式為H 1 H0 屏蔽常數(shù) 越大 屏蔽效應(yīng)越大 則共振頻率為 0 2 1 H0由于屏蔽作用的存在 氫核產(chǎn)生共振需要更大的外磁場強度 相對于裸露的氫核 來抵消屏蔽影響 核外電子云密度高 屏蔽作用大 值大 核的共振吸收向高場 或低頻 移動 化學(xué)位移減小 核外電子云密度低 屏蔽作用小 值小 核的共振吸收向低場 或高頻 移動 化學(xué)位移增大 為了統(tǒng)一標(biāo)定化學(xué)位移的數(shù)據(jù) 消除外磁場或頻率的因素 故化學(xué)位移采用的是相對值 規(guī)定 以四甲基硅 TMS 為標(biāo)準物質(zhì) 其化學(xué)位移為零 根據(jù)其它吸收峰與零點的相對距離來確定化學(xué)位移值 2 5 4化學(xué)位移的表示方法 為什么用TMS作為基準 a 12個氫處于完全相同的化學(xué)環(huán)境 只產(chǎn)生一個尖峰 即只有一個化學(xué)位移 b 屏蔽強烈 位移最大 與有機化合物中的質(zhì)子峰不重迭 c 化學(xué)惰性 易溶于有機溶劑 沸點低 易回收 2 5 5化學(xué)位移的影響因素 化學(xué)位移的影響因素 電負性 1 電負性較大的元素 能降低氫核周圍電子云密度 即減小了對氫核的屏蔽 增大了化學(xué)為移植 而電負性小的元素則增加屏蔽 降低了化學(xué)位移值 2 電負性較大的元素的原子數(shù)目增多 化學(xué)位移增大 3 當(dāng)電負性較大的元素與質(zhì)子的距離增大時 化學(xué)位移減少 化學(xué)位移的影響因素 磁各向異性 各向異性效應(yīng) 氫核與某功能基因空間位置不同 受到屏蔽作用不同 導(dǎo)致其化學(xué)位移不同 原因 在外磁場的作用下 由電子構(gòu)成的化學(xué)鍵會產(chǎn)生一個各向異性的附加磁場 使得某些位置的核受到屏蔽 而另一些位置上的核則為去屏蔽 化學(xué)位移的影響因素 磁各向異性 化學(xué)鍵的各向異性 導(dǎo)致與其相連的氫核的化學(xué)位移不同 例如 CH3CH3CH2 CH2HC CH ppm 0 865 251 80苯環(huán)上的6個 電子產(chǎn)生較強的誘導(dǎo)磁場 質(zhì)子位于其磁力線上 與外磁場方向一致 去屏蔽 乙烯 質(zhì)子位于去屏蔽區(qū) 移向低場 5 28乙烷 單鍵電子云各向異性效應(yīng)弱 0 85 苯 質(zhì)子位于去屏蔽區(qū) 移向低場 7 27醛基質(zhì)子位于去屏蔽區(qū) 并受氧原子電負性影響 共振信號出現(xiàn)在更低場 9 7 炔鍵 電子云圍繞C C鍵軸呈對稱圓筒狀分布 在外磁場作用下 環(huán)形 電子迫使鍵軸順外磁場排列 質(zhì)子處在屏蔽區(qū) 移向高場 1 80 化學(xué)位移的影響因素 范徳華效應(yīng) 當(dāng)取代基非常接近共振核而進入其范德華力半徑區(qū)時 取代原子將對質(zhì)子外圍的電子產(chǎn)生排斥作用 從而使核周圍的電子云密度減少 質(zhì)子的屏蔽效應(yīng)顯著下降 信號向低場移動的效應(yīng)稱為范徳華效應(yīng) 靠近的基團越大 該效應(yīng)越明顯 化學(xué)位移的影響因素 氫鍵效應(yīng) 氫鍵的形成降低了核外電子云密度 有去屏蔽效應(yīng) 使質(zhì)子的 值顯著增大 值會在很寬的范圍內(nèi)變化 隨樣品濃度的增加 締合程度增大 分子間氫鍵增強 羥基氫 值增大 例 PhOH中酚羥基質(zhì)子的化學(xué)位移與濃度的關(guān)系 分子間氫鍵 受環(huán)境影響較大 樣品濃度 溫度影響氫鍵質(zhì)子的化學(xué)位移 分子內(nèi)氫鍵 化學(xué)位移與溶液濃度無關(guān) 取決于分子本身結(jié)構(gòu) 化學(xué)位移的影響因素 溶劑的影響 同一種樣品使用不同溶劑 化學(xué)位移值可能不同 這種因溶劑不同而引起化學(xué)位移值改變的效應(yīng)稱為溶劑效應(yīng) 如吡啶核苯能引起0 5的變化 對于OH SH NH2和NH等活潑氫來說 溶劑效應(yīng)更為強烈 溶劑效應(yīng)可以幫助推斷化合物的分子結(jié)構(gòu) 有機化合物中質(zhì)子化學(xué)位移規(guī)律 飽和碳原子上的質(zhì)子的d值 叔碳 仲碳 伯碳與H相連的碳上有電負性大的原子或吸電子基團 N O X NO2 CO等 d值變大 電負性越大 吸電子能力越強 d值越大 d值 芳氫 烯氫 烷氫 每一個質(zhì)子看作一個自旋的小磁體 其自旋產(chǎn)生的磁場與外磁場方向一致或相反 且概率基本相等 去屏蔽作用增強 移向低場 屏蔽作用增強 移向高場 兩峰之間的距離稱為偶合常數(shù)J 單位Hz 一般在1 20Hz之間 2 6 1自旋 自旋裂分 偶合常數(shù)J不隨外加磁場強度的變化而改變 若核磁共振圖譜中的兩峰之間的距離隨B0改變而改變 則可判定它們是由兩個化學(xué)位移不同的核給出的信號 若不隨B0改變 則是由自旋 自旋偶合裂分造成的 偶合常數(shù)與分子結(jié)構(gòu)的關(guān)系 同碳質(zhì)子 相隔兩個化學(xué)鍵 之間的偶合所造成的峰的裂分現(xiàn)象 一般觀察不到 鄰碳質(zhì)子間的偶合是最重要的 它的偶合常數(shù) 3JHH 在結(jié)構(gòu)鑒定中十分有用 3JHH的大小遵循Karplus曲線 偶合質(zhì)子間的健數(shù) C 相隔四個或四個以上 鍵的質(zhì)子偶合 稱遠程偶合 遠程偶合很弱 一般觀察不到 若中間插入 鍵 或在一些具有特殊空間結(jié)構(gòu)的分子中 才能觀察到 兩面角為0或180最大 接近90等于0 碳原子上取代基電負性越大 偶合常數(shù)越小 如CH3CH3和CH3CH2Cl分別為8 0和7 0 同一分子中化學(xué)位移相等的質(zhì)子稱化學(xué)全同質(zhì)子 化學(xué)全同質(zhì)子具有相同的化學(xué)環(huán)境 如果有一組質(zhì)子是化學(xué)全同質(zhì)子 當(dāng)它與組外的任一磁核偶合時 其偶合常數(shù)相等 這組質(zhì)子稱磁全同質(zhì)子 CH3CH2I 化學(xué)全同磁全同 化學(xué)全同非磁全同 3Jac不等于3Jbc 化學(xué)全同非磁全同 化學(xué)全同與磁合同 一級圖譜 滿足以下兩個條件才能得到一級圖譜 兩組質(zhì)子之間的化學(xué)位移之差與相應(yīng)質(zhì)子間的偶合常數(shù)之比應(yīng)大于20 即 AB JAB 20 當(dāng)20 AB JAB 6時 可以作一級圖譜處理 產(chǎn)生自旋偶合的核必須屬磁全同 兩個獨立的自旋偶合系統(tǒng) 乙氧基上的質(zhì)子為磁全同 其圖譜為一級圖譜 苯環(huán)上的質(zhì)子非磁全同 圖譜復(fù)雜 自旋 自旋耦合系