核磁共振光譜基本原理及實驗操作(共5頁)

1、精選優(yōu)質文檔-傾情為你奉上論文題目：核磁共振光譜基本原理及實驗操作論文要求：核磁共振光譜技術擁有廣泛的應用及廣闊的前景。簡要概述核磁共振光譜技術及其發(fā)展，要求內(nèi)容充實，論述詳細透徹，不少于1000字。教師評語：教師簽字： 年 月 日論文題目：核磁共振光譜基本原理及實驗操作一、 核磁共振的機理核磁共振是材料分子結構表征中最有用的一種儀器測試方法之一。用一定頻率的電磁波對樣品進行照射，可使特定化學結構環(huán)境中的原子核實現(xiàn)共振躍遷，在照射掃描中記錄發(fā)生共振時的信號位置和強度，就得到核磁共振譜。1. 原子核的自旋原子是由原子核與電子組成，而質子和中子又組成原子核。原子核具有質量并帶有電荷。某些原子核能繞

2、軸做自旋運動，各自有它的自旋量子數(shù)，自旋量子數(shù)有0、1/2、1、3/2等值。=0意味著原子核沒有自旋。每個質子和中子都有其自身的自旋，自旋量子數(shù)是這些自旋的合量，即與原子核的質量數(shù)和原子序數(shù)有關，若原子核的原子序數(shù)和質量數(shù)均為偶數(shù)時 ，為零，原子核無自旋，如12C、16O原子，他們沒有NMR信號。若原子序數(shù)為奇數(shù)或偶數(shù)、質量數(shù)為奇數(shù)時，為半整數(shù)，原子序數(shù)為奇數(shù)、質量數(shù)為偶數(shù)時，為整數(shù)，如表1-1所示。表1-1 原子核的自旋量子數(shù)原子序數(shù)質量數(shù)實例偶偶012C 16O8 偶、奇奇半整數(shù)13C6 17O8奇偶整數(shù)2H1 10B52原子核的磁矩與自旋角動量原子核在圍繞核軸做自旋運動時，由于原子核自身

3、帶有電荷，因此沿核軸方向產(chǎn)生一個磁場，而使核具有磁矩，的大小與自旋角動量（P）有關，它們之間關系的的數(shù)學表達式為:=p式中，為磁旋比，是核的特征常數(shù)。依據(jù)量子力學原理，自旋角動量是量子化的，其狀態(tài)是由核的自旋量子數(shù)所決定，P的絕對值為P=/2p (+1)1/2其中h為普朗克常量。3磁場中核的自旋的能量在一般的情況下，自選的磁矩可以任意取向，但是當把自旋的原子核放入外加磁場（Ho）中，除自旋外，原子核還將繞Ho運動，由于磁矩與磁場的相互作用，核磁矩的取向是量子化的。核磁矩的取向數(shù)可用磁量子數(shù)m來表示，m=I、I-1、I-2、-（I-1）、-I，共有2I+1個能級。每個能級的能量E=-HHoHO為

4、外加磁場強度，H為磁矩在外磁場方向的分量，H=gmh/2p,所以E=-gmh/2pHo由于自旋核在外磁場中有（2I+1）個能級，這說明自旋原子核在外加磁場中的能量是量子化的，不同能級之間的能量差為E。根據(jù)量子力學選率，只有m=1的躍遷才是允許的，則相鄰能級之間躍遷的能極差為E=gmh/2pHo4核磁共振的產(chǎn)生4.1拉莫爾進動如圖3-1所示，在外加磁場Ho中，自旋核繞自旋軸旋轉，而自旋軸與磁場Ho又以特定夾角繞Ho旋轉，類似一陀螺在重力場中運動，這樣的運動稱為拉莫爾進動。進動頻率（又稱拉莫爾頻率）由下式算出Wo=2pn0=g H0而自旋角動量是量子化的，其在磁場方向的分量Pz和磁量子數(shù)（m）關系

5、為Pz=mh/2p,因為m共有2I+1個值，與此相應，Pz也有2I+1個值，與此相對應自旋核在z軸上的磁矩：z=gPz=gmh/2p則與Ho相互作用能量E=-zHo將格式代入其中得：E=-gmh/2p因m是量子化的，所以E值也是量子化的。這說明自旋樣在磁場中的能量同樣是量子化的。4.2核磁共振的產(chǎn)生根據(jù)上式可知，在外加磁場中，自旋的原子核具有不同的能級，如用一定頻率n的電磁波照射樣品，并使n=n0，即hn=E=gh/2pHo時，原子核即可進行能級之間的躍遷，產(chǎn)生核磁共振吸收，得到核磁共振波譜。而n=E/h=gHo/2p此即是產(chǎn)生核磁共振的條件。二、核磁共振儀的組成儀器的核心部分為探頭，置于磁鐵

6、的兩極之間。測試的樣品放在此處。磁體提供一定強度的磁場，使核磁矩發(fā)生空間量子化。永久磁鐵和電磁鐵的磁場強度的上限約為2.5T（即100MHz）。要想提高場強，必須使用低溫超導磁體，低溫是通過液氮來維持。儀器的主要部件是三組線圈：R為照射線圈，提供一定頻率的電磁波；Helmholtz線圈為掃場線圈，其通直流電所產(chǎn)生的附加磁場用以調(diào)節(jié)磁場的強度；D為接收線圈，與放大器和記錄系統(tǒng)相連。這三組線圈互相垂直，互不干擾。若所提供的照射頻率和磁場強度滿足某種原子核的共振條件時，則該核發(fā)生能級躍遷，核磁矩方向改變，在接收線圈D中產(chǎn)生感應電流（不共振時無感應電流）。感應電流被放大、記錄，即得核磁共振信號。三、核

7、磁共振檢測步驟1.記錄常規(guī)氫譜的操作記錄氫譜是單脈沖實驗，即在一個脈沖作用之后，隨即開始采樣。為使所得譜圖有好的信噪比，檢測時需進行累加，即重復上述過程。由于氫核的縱間弛豫時間一般較短，重復脈沖的時間間隔不用太長。對于一些化合物，要設置足夠的譜寬。羧酸、有締合的酚、烯醇等的化學位移范圍均可超過10ppm。如設置的譜寬不夠大，-OH、-COOH的峰會折疊進來，給出錯誤的值。在完成記錄氫譜譜圖的操作之后，隨即對每個峰組進行積分，最后所得的譜圖含有各峰組的積分值，因而可計算各類氫核數(shù)目之比。若懷疑樣品中有活潑氫（雜原子上連的氫）時，可在作完氫譜之后，滴加兩滴重水，振蕩，然后再記譜，原活潑氫的譜峰會消

8、失，這就確切地證明了活潑氫的存在（參閱6.3.6）。當譜線重疊較嚴重時，可滴加少量磁各向異性溶劑（如氘代苯），重疊的譜峰有可能分開。也可以考慮用同核去耦實驗來簡化譜圖。2.記錄常規(guī)碳譜的操作常規(guī)碳譜為對氫進行去耦的譜圖。各種級數(shù)的碳原子（CH3，CH2，CH，C）均只出一條未分裂的譜線。由于各種碳原子的縱間弛豫時間有很大的差別以及核的Overhauser效應，譜線的高度（嚴格講是譜線的峰面積）和碳原子的數(shù)目不成正比，但也可從譜線高度估計碳原子的數(shù)目。記錄常規(guī)碳譜是單脈沖實驗，即在一個脈沖作用之后，隨即開始采樣。由于碳譜的靈敏度遠比氫譜為低，記錄碳譜必須進行累加。由于碳原子的縱向弛豫時間長，重復

9、脈沖的時間間隔還不能太短，否則縱向弛豫時間長的碳原子出峰效率差。在特殊的作圖條件下，季碳原子的峰有可能漏掉。因此該時間間隔不可太短。有時需要定量碳譜，即譜峰面積（近似看是譜線高度）和碳原子數(shù)成正比。減少脈沖傾倒角并加大重復脈沖的時間間隔，可逐漸向定量碳譜轉變。但要記錄較好的定量碳譜，需采用特定的脈沖序列。在記錄碳譜時，需設置足夠的譜寬，以防止峰的折疊現(xiàn)象。由于常規(guī)碳譜不能反映碳原子的級數(shù)，而這對推導未知物結構或進行結構的指認是不利的，因而必須予以補充。早期多采用偏共振去耦，自80年代以后，陸續(xù)采用各種脈沖序列，最常用的叫做DEPT。DEPT脈沖序列中有一個脈沖，其偏轉角為。當=90時，只有CH

10、出峰，當=135時，CH，CH3出正峰，CH2出負峰，這兩張譜圖的結合，可指認出CH，CH2和CH3。對比全去耦譜圖，則可知季碳（它們在DEPT譜中不出峰），于是所有碳原子的級數(shù)均可確定。四、樣品制備在測試樣品時，選擇合適的溶劑配制樣品溶液，樣品的溶液應有較低的粘度，否則會降低譜峰的分辨率。若溶液粘度過大，應減少樣品的用量或升高測試樣品的溫度（通常是在室溫下測試）。當樣品需作變溫測試時，應根據(jù)低溫的需要選擇凝固點低的溶劑或按高溫的需要選擇沸點高的溶劑。對于核磁共振氫譜的測量，應采用氘代試劑以便不產(chǎn)生干擾信號。氘代試劑中的氘核又可作核磁譜儀鎖場之用。以用氘代試劑作鎖場信號的內(nèi)鎖方式作圖，所得譜圖分辨率較好。特別是在微量樣品需作較長時間的累加時，可以邊測量邊調(diào)節(jié)儀器分辨率。對低、中極性的樣品，最常采用氘代氯仿作溶劑，因其價格遠低于其它氘代試劑。極性大的化合物可采用氘代丙酮、重水等。針對一些特殊的樣品，可采用相應的氘代試劑：如氘代苯（用于芳香化合物、芳香高聚物）、氘代二甲基亞砜（用于某些在一般溶劑中難溶的物質）、氘代吡啶（用于難溶的酸性或芳香化合物）等。對于核磁共振碳