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1、中南民族大學生命科學學院,第七章 波譜技術及核磁共振儀第一節(jié) 核磁共振波譜基本原理 核磁共振波譜技術（NMR）是利用處于高磁場中的原子核對射頻輻射的吸收光譜來鑒定無機或有機化合物結構的分析技術。UV-Vis光譜：價電子吸收特定波長的紫外光在軌道能級間發(fā)生躍遷。IR光譜：樣品吸收特定波長紅外光后發(fā)生振動和轉動能級躍遷。,中南民族大學生命科學學院,一、 原子核的自旋 （1）一些原子核像電子一樣存在自旋現(xiàn)象，有自旋角動量：,為自旋量子數(shù),自旋量子數(shù)與質量數(shù)的關系,中南民族大學生命科學學院,核自旋情況討論：(1) I=0 的原子核 16 O； 12 C； 22 S等 ，無自旋，沒有磁矩，不產生共振吸收

2、(2) I=1 或 I 0的原子核 I=1 ：2H，14N I=3/2： 11B，35Cl，79Br，81Br I=5/2：17O，127I,這類原子核的核電荷分布可看作一個橢圓體，電荷分布不均勻，共振吸收復雜，研究應用較少；(3)1/2的原子核 1H，13C，19F，31P 原子核可看作核電荷均勻分布的球體，并象陀螺一樣自旋，有磁矩產生，是核磁共振研究的主要對象，C，H也是有機化合物的主要組成元素。,中南民族大學生命科學學院,（2）由于原子核是具有一定質量的帶正電的粒子，故在自旋時會產生核磁矩：, 磁旋比，即核磁矩與自旋角動量的比值，不同的核具有不同的磁旋比，它是磁核一個特征值。 N稱為核磁

3、子，是核磁矩的單位量。自旋量子數(shù)（I）不為零的核都具有磁矩。,中南民族大學生命科學學院,（二）核磁化及其共振1、能級分裂 自旋量子數(shù) I=1/2的原子核（氫核），可當作電荷均勻分布的球體，繞自旋軸轉動時，產生磁場，類似一個小磁鐵。,當置于外磁場H0中時，相對于外磁場，有（2I+1）種取向：氫核（I=1/2），兩種取向（兩個能級）：(1)與外磁場平行，能量低，磁量子數(shù)1/2;(2)與外磁場相反，能量高，磁量子數(shù)1/2;,中南民族大學生命科學學院,2、核磁化與核回旋 磁性核（I0）在磁場中，核自旋產生的磁場與外磁場發(fā)生相互作用，由于這種作用不在同一方向，因此，磁性核一面自旋，一面又以自旋軸以一定角

4、度圍繞外磁場方向進行回旋運動, 產生拉莫（Larmor）進動。 拉莫方程：0 = H0 /2 磁旋比； H0外磁場強度； 0拉莫頻率,中南民族大學生命科學學院,3、核磁共振譜 兩種進動取向不同的氫核之間的能級差： E= 2H0 （磁矩）核磁共振條件 ：(1) 核有自旋(磁性核)(2)外磁場,能級裂分;(3)照射頻率與外磁場的比值0 / H0 = / (2 ),中南民族大學生命科學學院,二、馳豫及其機制不同能級上分布的核數(shù)目可由Boltzmann 定律計算：,由于兩能級間的能量差很小，處于低能級核的總數(shù)僅比高能級的核總數(shù)多十萬分之一左右，而NMR信號就是靠這極弱過量的低能級核產生的。飽和(sat

5、urated)低能態(tài)的核等于高能態(tài)的核。弛豫(relaxtion)高能態(tài)的核以非輻射的方式回到低能態(tài)。,中南民族大學生命科學學院,自旋馳豫有兩種形式：自旋晶格馳豫和自旋自旋馳豫。1、自旋晶格馳豫 處于高能態(tài)的核自旋體系將能量傳遞給周圍環(huán)境，自己回到低能態(tài)的過程，稱為自旋晶格馳豫，也稱為縱向馳豫，馳豫過程所用的時間用半衰期T1表示。 固態(tài)樣品T1值較大，氣態(tài)和液態(tài)樣品T1值較小，為1s左右。 2、自旋自旋馳豫 處于高能態(tài)的核自旋體系將能量傳遞給鄰近低能態(tài)同類磁性核的過程，稱為自旋自旋馳豫，又稱為橫向馳豫，馳豫過程所用的時間用半衰期T2表示。 固態(tài)樣品T2值特別小，氣態(tài)和液態(tài)樣品T2值為1s左右。

6、,中南民族大學生命科學學院,三、化學位移 理想化的、裸露的氫核；滿足共振條件： 0 = H0 / (2 ) 產生恒定的核磁共振信號（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，運動著的電子產生相對于外磁場方向的感應磁場，起到屏蔽作用，使氫核實際受到的外磁場作用減?。?H=（1- ）H0 ：屏蔽常數(shù)。 越大，屏蔽效應越大。 0 = / (2 ) （1- ）H0 由于氫核在化合物中所處的化學環(huán)境不同，核外電子云密度不同，屏蔽作用的大小也不同，所以在同一H0 下，不同氫核的共振吸收頻率會有差異。,中南民族大學生命科學學院,0 = / (2 ) （1- ）H0 由于屏蔽作

7、用的存在，氫核產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。,由于各種氫核周圍的電子云密度不同（化合物結構中位置不同），具有不同的屏蔽常數(shù)，引起外磁場或共振頻率的移動（即引起共振吸收峰的位移），這種現(xiàn)象稱為化學位移。,中南民族大學生命科學學院,0 = / (2 ) （1- ）H0 屏蔽作用引起的值與外加磁場強度成正比，意味著用不同磁場強度的儀器測得的同一化學環(huán)境的氫核的化學位移值也不同。 為了使核的化學位移值不隨磁場強度的改變而改變，引入一個相對量來描述化學位移： (vr-vs)106/vr = (Hr-Hs)106/Hr v為吸收頻率，H為磁場強度,中南民族大學生命科學學

8、院,1H核磁共振測量化學位移選用的標準物質是四甲基硅烷（(CH3)4Si,TMS）， 規(guī)定其化學位移值為0。它具有以下優(yōu)點： 1、 TMS分子中12個氫核所處的化學環(huán)境完全相同，在譜圖上是一個尖峰。 2、 TMS的共振頻率最小。 3、具有化學惰性。 4、易溶于大多數(shù)有機溶劑中。,中南民族大學生命科學學院,第二節(jié) 核磁共振波譜儀,中南民族大學生命科學學院,按工作方式分為：連續(xù)波核磁共振波譜儀、脈沖傅里葉變換核磁共振波譜儀。一、連續(xù)波核磁共振波譜儀： 磁鐵、磁場掃描發(fā)生器、射頻發(fā)射器、射頻接收器及信號記錄系統(tǒng)。,中南民族大學生命科學學院,1、磁鐵提供外磁場磁鐵的質量和強度決定了核磁共振波譜儀的靈敏

9、度和分辨率。要求磁鐵提供強度大、穩(wěn)定和均勻的磁場。永久磁鐵、電磁鐵以及超導磁鐵 永久磁鐵對溫度變化極為敏感，需要恒溫。 電磁鐵對溫度變化比較不敏感，但是需要冷卻系統(tǒng)來消除由于通過大電流而產生的熱量。電流必須十分穩(wěn)定。 超導磁鐵的分辨率最高，最昂貴，其提供的磁場強度可達14.09T，相當于質子的吸收頻率為600MHZ。,中南民族大學生命科學學院,2 射頻發(fā)生器：線圈垂直于外磁場，發(fā)射一定頻率的電磁輻射信號。3 掃描線圈：提供附加磁場，使核的進動頻率與射頻發(fā)生器的頻率相同，發(fā)生共振。連續(xù)波核磁共振波譜儀有兩種掃描方式：固定磁場，線性地改變頻率，稱為掃頻。固定頻率，線性地改變磁場，稱為掃場。掃場用得

10、較多。,中南民族大學生命科學學院,4、射頻信號接收器（檢測器）：當質子的進動頻率與輻射頻率相匹配時，發(fā)生能級躍遷，吸收能量，在感應線圈中產生毫伏級信號。5樣品管：由不吸收射頻輻射的材料制成 1H核磁共振譜的樣品管外徑約5mm，通常以硼硅酸鹽玻璃制成。 由于13C的自然豐度低，研究13C核磁共振譜則用外徑為10mm的管子。管長1520cm，加入樣品量約占1816管長。 利用高速氣流使樣品管圍繞Y軸以每秒鐘30轉的速率急速旋轉，以消除磁場的非均勻性，提高譜峰分辨率。,中南民族大學生命科學學院,二、傅里葉變換核磁共振波譜儀不是通過掃場或掃頻產生共振； 采用恒定磁場，施加全頻脈沖，使自旋取向發(fā)生改變并

11、躍遷至高能態(tài)，收集高能態(tài)的核重返低能態(tài)過程中產生的感應電流信號，經過傅立葉變換獲得一般核磁共振譜圖。,中南民族大學生命科學學院,三、NMR的測定樣品預處理：樣品應充分精制，不含順磁性物質及氧氣。且粘度小。溶劑：溶劑選擇主要決定于樣品溶解度。若研究1H核磁共振譜，樣品溶液應不含質子。常用溶劑有四氯化碳、二硫化碳及氘代溶劑（氯仿，丙酮、苯、二甲基亞砜的氘代物）。標準物質：四甲基硅烷 （TMS） 。,中南民族大學生命科學學院,解析化合物結構的一般步驟 1、獲取試樣的各種信息和基本數(shù)據(jù)。 2、區(qū)分出雜質峰、溶劑峰； 3、計算不飽和度； 4、確定譜圖中各峰組所對應的氫原子數(shù)目，對氫原子數(shù)進行分配；5、根

12、據(jù)化學位移和偶合常數(shù)值，對基團進行推 斷，并估計其相鄰基團； 6、以重水對試樣進行交換，比較交換前后的譜圖，以判斷活潑氫的存在； 7、合理組合解析所得的結構單元，推出結構式； 8、結合UV、IR、MS等結果檢查推導的結構式是否合理。,中南民族大學生命科學學院,第三節(jié) 13C的核磁共振波譜儀13C譜特點：（1）研究C骨架，結構信息豐富；（2）化學位移范圍大；0250ppm；（3）13C-13C偶合的幾率很??；13C天然豐度1.1%；（4）13C-H偶合可消除，譜圖簡化。,中南民族大學生命科學學院,第八章 質譜技術與質譜儀 質譜法是通過將樣品轉化為運動的氣態(tài)離子并按質荷比(m/e)大小進行分離并記

13、錄其信息的分析方法。 根據(jù)質譜圖提供的信息可以進行多種有機物及無機物的定性和定量分析、復雜化合物的結構分析、樣品中各種同位素比的測定及固體表面的結構和組成分析等。 由于質譜法的獨特的電離過程及分離方式，從中獲得的信息是具有化學本性，直接與其結構相關的，可以用它來闡明各種物質的分子結構。正是由于這些因素，質譜儀成為多數(shù)研究室及分析實驗室的標準儀器之一。,中南民族大學生命科學學院,一、質譜技術的基本原理 根據(jù)電磁學原理，離子電離后經加速進入磁場中，其動能與加速電壓及電荷有關，即,其中z為電荷數(shù)，e為元電荷（e=1.6010-19C），U為加速電壓，m為離子的質量，為離子被加速后的運動速度。 具有速

14、度的帶電粒子進入質譜分析器的電磁場中，根據(jù)不同的m/e，發(fā)生不同程度的偏轉，最終實現(xiàn)各種離子按m/e進行分離。,中南民族大學生命科學學院,進樣系統(tǒng),離子源,質量分析器,檢測器,1.氣體擴散2.直接進樣3.氣相色譜,1.電子轟擊2.化學電離3.場致電離4.激光,1.單聚焦 2.雙聚焦 3.飛行時間4.四極桿,二、質譜儀的基本結構 質譜儀由真空系統(tǒng)、進樣系統(tǒng)、離子源系統(tǒng)、質量分析器和檢測與顯示系統(tǒng)。,中南民族大學生命科學學院,（一）真空系統(tǒng)質譜儀需要在高真空下工作：離子源（10-3 10-5Pa ） 質量分析器（10 -6 Pa ）(1)大量氧會燒壞離子源的燈絲；(2)用作加速離子的幾千伏高壓會引

15、起放電；(3)引起額外的離子分子反應，改變裂解模型，譜圖復雜化。 一般質譜儀都采用機械泵預抽真空后，再用高效率擴散泵連續(xù)地運行以保持真空。現(xiàn)代質譜儀采用分子泵可獲得更高的真空度。,中南民族大學生命科學學院,（二）進樣系統(tǒng) 進樣系統(tǒng)的目的是高效重復地將樣品引人到離子源中并且不能造成真空度的降低。 目前常用的進樣裝置有三種類型：間歇式進樣系統(tǒng)、直接探針進樣及色譜進樣系統(tǒng)。一般質譜儀都配有前兩種進樣系統(tǒng)以適應不同的樣品需要，,中南民族大學生命科學學院,l、間歇式進樣系統(tǒng) 該系統(tǒng)可用于氣體、液體和中等蒸氣壓的固體樣品進樣，通過可拆卸式的試樣管將少量（10100g）固體和液體試樣引入試樣貯存器中，由于進

16、樣系統(tǒng)的低壓強及貯存器的加熱裝置，使試樣保持氣態(tài)。實際上試樣最好在操作溫度下具有1.30.13Pa的蒸氣壓。由于進樣系統(tǒng)的壓強比離子源的壓強要大，樣品離子可以通過分子漏隙（通常是帶有一個小針孔的玻璃或金屬膜）以分子流的形式滲透到高真空的離子化室。,中南民族大學生命科學學院,2、直接探針進樣 對那些在間歇式進樣系統(tǒng)的條件下無法變成氣體的固體、熱敏性固體及非揮發(fā)性液體試樣，可直接置于特制的試樣小杯內通過真空閉鎖裝置引入到離子源中。,中南民族大學生命科學學院,（三）離子源 離子源的功能是將進樣系統(tǒng)引入的氣態(tài)樣品分子轉化成離子。 離子源是質譜儀的心臟，可以將離子源看作是比較高級的反應器，其中樣品發(fā)生一系列的特征降解反應，分解作用在很短時間（1s）內發(fā)生，所以可以快速獲得質譜。 由于離子化所需要的能量隨分子不同差異很大，因此，對于不同的分子應選擇不同的離解方法。通常稱能給樣品較大能量的電離方法為硬電離方法，而給樣品較小能量的電離方法為軟電離方法。,中南民族大學生命科學學院,電子轟擊離子化 (EI源) 使用高能電子束從試樣分子中撞出一個電子而產生正離子。加速電子的轟擊能量一般為70eV，大多數(shù)化合