研究生核磁實驗(2015)

1、液體核磁共振實驗液體核磁共振實驗以以500MHz核磁為例核磁為例易 蘭 南京理工大學分析測試中心核磁室 辦公室：D101 研究生核磁實驗課研究生核磁實驗課實驗目的實驗目的p掌握核磁共振基本原理，并將所學理論掌握核磁共振基本原理，并將所學理論 與實踐相結合；與實踐相結合；p了解了解500MHz核磁譜儀核磁譜儀p了解了解1H譜、譜、13C譜的測試步驟；譜的測試步驟；p了解了解Topspin3.0軟件在譜圖處理中的運用軟件在譜圖處理中的運用主要內容主要內容核磁室安全注意事項核磁室安全注意事項第一部分第一部分 核磁共振實驗原理核磁共振實驗原理 核磁共振基本原理核磁共振基本原理 500MHz500MHz

2、核磁譜儀工作原理核磁譜儀工作原理第二部分第二部分 核磁基本實驗演示核磁基本實驗演示測試前樣品的配制測試前樣品的配制1H1H譜、譜、13C13C譜實驗演示譜實驗演示運用運用Topspin3.0Topspin3.0軟件進行譜圖處理軟件進行譜圖處理核磁室安全注意事項核磁室安全注意事項 第一部分第一部分 核磁共振實驗原理核磁共振實驗原理核磁共振基本原理核磁共振基本原理500MHz核磁譜儀組成核磁譜儀組成 及工作原理及工作原理核磁共振基本原理核磁共振基本原理一、核磁共振現(xiàn)象一、核磁共振現(xiàn)象Nuclear Magnetic ResonanceNuclear Magnetic Resonance（簡稱（簡稱

3、NMRNMR） 簡單說是指處于靜磁場中的磁性原子核在另一交變磁場作用下發(fā)生的物理現(xiàn)象。處于外磁場中的磁性原子核系統(tǒng)受到相應頻率的電磁波輻射，當輻射的能量恰好等于自旋核兩種能級態(tài)的能量差時，處于低能級的自旋核吸收該電磁輻射能躍遷到高能級，這種物理現(xiàn)象稱為核磁共振。1.1/2，Q=0的原子核：的原子核： 1H，13C，15N，19F，29Si，31P 這類原子核自旋過程中核電荷呈均勻分布的球體，由于不受電四極矩的影響，其核磁共振譜線較窄，最適宜核磁共振檢測，容易得到高分辨的NMR譜，是核磁共振研究的主要對象。 他們是有機化合物的基本元素，因此其核磁共振檢測被廣泛用于有機化合物的結構測定。二、核磁共

4、振研究的對象二、核磁共振研究的對象二、核磁共振研究的對象二、核磁共振研究的對象2. 1/2，Q0的原子核：的原子核：1：2H，14N，6Li2：58Co3：10B=3/2：11B，23Na，33S，35Cl，37CL，79Br， 81Br，39K，63Cu，65Cu=5/2：17O，25Mg，27Al，55Mn，67Zn，127I 這類原子核在自旋過程中，核電荷呈非均勻分布的橢圓體或稱四極矩核，形成特殊的弛豫，使譜峰加寬，給核磁共振檢測增加了難度，其研究應用也較少。二、核磁共振研究的對象二、核磁共振研究的對象3.無機金屬元素：無機金屬元素： 59Co,119Sn,195Pt,199Hg 它們也

5、有核磁共振現(xiàn)象，在適當條件下也被用于測定無機物或絡合物的分子結構。 1. 靜磁場的作用（以靜磁場的作用（以I=1/2 為例） I0的原子核會自旋，產生磁矩，為一矢量，有方向和大小，每一個原子核都可以看作是一小磁針。在沒有磁場存在時（基態(tài)），這些小磁針的排列是無序的，不存在能量差，即它們的能態(tài)是簡并的，總的磁化強度為0。 三、三、核磁共振基本原理核磁共振基本原理B0=0 當將它們置于一靜磁場當將它們置于一靜磁場B0B0中時中時: : 這些小磁針便會重新排列，簡并解除，而產生能級分裂（塞曼分裂），分布在高能態(tài)和低能態(tài)上的原子核數(shù)量遵循Boltzmann分布規(guī)律，即與外磁場方向平行的處于低能態(tài)的原子

6、核數(shù)量總是比反向的處于高能態(tài)的核稍多，此時原子核的自旋體系處于一平衡態(tài)。此時原子核的自旋體系處于一平衡態(tài)。由于沿磁場方向的原子分布較多一些而造成一個沿Z軸的非零宏觀磁化強度矢量非零宏觀磁化強度矢量M0(M0(核磁矩的宏觀特性）核磁矩的宏觀特性），以0（共振頻率）做Larmor進動，其能量狀態(tài)保持不變，這個時候是觀察不到核磁共振現(xiàn)象。B0B00三、核磁共振基本原理三、核磁共振基本原理2.核磁共振產生的基本條件：核磁共振產生的基本條件： 核磁矩在磁場中的能級數(shù)目取決于自旋量子數(shù)I，能級總數(shù)為2I+1，以I=1/2 為例： B0=0B00E三、核磁共振基本原理三、核磁共振基本原理 當施加的射頻脈沖提

7、供的能量與E相等時，處于低能態(tài)的原子核就會吸收能量發(fā)生躍遷，產生NMR現(xiàn)象。即： E= E= hB0/2 hB0/2 ， = = B0 NMR B0 NMR產生的基本條件產生的基本條件 在同一磁場中，不同的原子核由于其旋磁比 不同，產生共振的頻 率也不同，如在11.744T的磁場中，1H、13C、 31P、19F的共振頻率分別為500、125.72、202.4、470.38MHz； 相同的原子核在不同的磁場中，其共振頻率也不同。如1H在11.74T、 9.395T、7.046T磁場中的共振頻率分別為500、400、300MHz。三、核磁共振基本原理三、核磁共振基本原理磁體的磁場強度B0越大，N

8、MR譜儀的靈敏度就越高具有較大旋磁比的核，吸收或發(fā)射的能量就越大，也就越靈敏。靈敏度與 3 3成正比：僅僅因為旋磁比的差異，1H的靈敏度就大約是13C的64倍；如果再考慮同位素的天然豐度，1H的靈敏度就大約是13C的 6400倍三、核磁共振基本原理三、核磁共振基本原理3. NMR激發(fā)激發(fā) NMRNMR激發(fā)需要核自旋體系吸收能量，這個能量哪里來？激發(fā)需要核自旋體系吸收能量，這個能量哪里來？ 施加一個與靜磁場B0方向（Z軸）垂直、與被觀測原子核的Larmor進動頻率相同的射頻脈沖B1，由于其能量與原子核在靜磁場中能級之間的能量差相匹配，原子核就會受到激發(fā)，處于低能態(tài)的原子核吸收能量躍遷到高能態(tài)，產

9、生核磁共振現(xiàn)象，同時圍繞X軸做進行轉動。 當關閉脈沖后，我們就可以觀測到NMR信號。 NMRNMR信號是如何被檢測到的呢？信號是如何被檢測到的呢？三、核磁共振基本原理三、核磁共振基本原理4、原子核的弛豫、原子核的弛豫 射頻脈沖使M0由Z軸傾倒到XY平面上，此時，原子核體系吸收能量，由平衡態(tài)變?yōu)榉瞧胶鈶B(tài)。一旦取消脈沖，體系就會逐漸回復到平衡態(tài)，釋放出能量，M0在XY平面上的投影Mxy由大變小直至消失，在Z軸上的投影Mz則由小逐漸回復至M0。宏觀磁化強度矢量M0由激發(fā)態(tài)回復到平衡態(tài)的過程稱為。 弛豫過程是一個能量轉變的過程，需要一定的時間。 M0的能量狀態(tài)隨著時間的延長而改變，整個回復過程比較復雜

10、。弛豫分為以下兩種類型，它們都與時間成指數(shù)衰減關系：三、核磁共振基本原理三、核磁共振基本原理4.1 縱向弛豫（自旋縱向弛豫（自旋-晶格弛豫）晶格弛豫） 描述的是自旋體系向外界釋放能量，從高能態(tài)回復到平衡態(tài)的過程，所需要的時間為縱向弛豫時間T1。脈沖重復時間脈沖重復時間的設定與T1有關。4.2 橫向弛豫（自旋橫向弛豫（自旋-自旋弛豫）自旋弛豫） 描述的是在XY平面，由于自旋-自旋相互作用，使得Mxy逐漸趨于0的過程，需要的時間為橫向弛豫時間T2。這個過程比縱向弛豫過程快。采樣時間采樣時間的設定與T2有關。 T1、T2與原子核的種類、樣品的特性及狀態(tài)、溫度以及外加磁場的大小有關。三、核磁共振基本原

11、理三、核磁共振基本原理整個弛豫過程可以描述為： 取消脈沖后，弛豫過程開始，經一時間間隔，出現(xiàn) 明顯的橫向弛豫 到某一時刻，橫向弛豫過程結束，縱向弛豫過程還在進行 縱向弛豫過程也結束 核磁矩回復到平衡態(tài)，弛豫過程結束。 三、核磁共振基本原理三、核磁共振基本原理4.3 橫向弛豫與橫向弛豫與FID信號信號 在弛豫過程中，橫向磁矩Mxy （確切的說是橫向磁化矢量）垂直并圍繞磁場Bo軸以Lamor頻率進動，此轉動切割了接收器線圈，而產生感應電流。由于Mxy受到T1、T2的影響，這一感應電流信號以指數(shù)方式衰減，接收線圈可檢測到這一微弱的信號（毫伏）。因為它是自由進動感應產生，以指數(shù)方式衰減為0的函數(shù)，所以

12、稱為自由感應衰減（Free Induction Decay，F(xiàn)ID）信號。三、核磁共振基本原理三、核磁共振基本原理5、傅立葉變換（、傅立葉變換（FT） 在核磁共振實驗中，由于樣品中各個原子核所處的化學環(huán)境不同，具有不同的共振頻率。這些原子核同時受到激發(fā)，所得到的NMR信號是一包含了許多共振頻率的復合信號，要分析研究這樣的信號是很困難的。通過FT就可解決這個問題。 核磁共振原理簡圖核磁共振原理簡圖RF脈沖M0B0B0探頭中的接收/發(fā)射線圈檢測到微弱的NMR信號放大、差頻處理放大、差頻處理FID信號FTNMR譜三、核磁共振基本原理三、核磁共振基本原理ZYXXM0YZ500MHz核核磁磁譜譜儀組成及

13、工作原理儀組成及工作原理500MHzNMR譜儀的基本信息譜儀的基本信息p中文名：500MHz全數(shù)字化超導核磁共振譜儀p英文名：500MHzDigitalNMRSpectrometerp型 號：AVANCE III 500MHzp廠 商：瑞士Bruker公司p主要技術指標：p頻率：500MHzp磁場強度：11.7Tp探頭：BBFO-Plus正向寬帶液體探頭p可檢測核范圍：1H、13C、19F、31P、15Np1H靈敏度650:1(0.1%EB),13C靈敏度 230:1(ASTM)p場漂：7.5Hz/小時p變溫范圍：150450pZ方向梯度場強度60G/cm譜儀組成譜儀組成HPPRRF產生RF放

14、大信號檢測數(shù)據(jù)采集控制數(shù)據(jù)信息交換運行控制磁體控制超導磁體探頭前置放大器空氣壓縮機空 調除濕機數(shù)據(jù)存貯數(shù)據(jù)處理總體控制磁體系統(tǒng)機柜操作控制臺輔助設備勻場系統(tǒng)鎖場系統(tǒng)計算機1.1.超導磁體超導磁體p作用： 提供一個強的靜磁場提供一個強的靜磁場，這個磁場由超導磁體產生，這個磁場由超導磁體產生，它是一電磁體，利用電流來產生所需的靜磁場。它是一電磁體，利用電流來產生所需的靜磁場。它是整個儀器中最基本的部分，需要足夠的溫度極低的液氮、液氦來維持其正常的工作。氦氣的沸點是4K（-269），液氦的溫度4K。液氮可保證的低溫為77.35K（-195.8 )。p失超：失超：當大量的液氦蒸發(fā)掉時，超導線圈的大部分

15、就不再當大量的液氦蒸發(fā)掉時，超導線圈的大部分就不再被液氦浸泡，溫度將升高，達到一定溫度就會失去超導電被液氦浸泡，溫度將升高，達到一定溫度就會失去超導電性。線圈的電阻會導致磁場突然衰減，同時產生的熱量又性。線圈的電阻會導致磁場突然衰減，同時產生的熱量又會使液氦大量蒸發(fā)掉，這時房間內會瞬間從上向下充滿大會使液氦大量蒸發(fā)掉，這時房間內會瞬間從上向下充滿大量的氦氣，這被稱為量的氦氣，這被稱為“失超失超”，是及其嚴重的安全事故！，是及其嚴重的安全事故！一、磁體系統(tǒng)一、磁體系統(tǒng)2. 探頭探頭硬件：是整個譜儀的心臟，是最關鍵的部分， 由磁體的底部插入，位于室溫勻場線圈 的內部，由發(fā)射線圈、接收線圈（特別 設

16、計的RF線圈）和電容組成。作用： 放置測試樣品； 對樣品發(fā)射射頻脈沖； 接收樣品的NMR信號； 發(fā)射和接收鎖場信號探頭的規(guī)格(指能夠支撐的樣品管規(guī)格）：10mm、5mm、3mm、1mmAVANCEIII 500MHzNMR譜儀的探頭： 5mm 、BBFO-Plus正向寬帶液體探頭一、磁體系統(tǒng)一、磁體系統(tǒng)3. 前置放大器（前置放大器（HPPR）p硬件：p作用： 對樣品的NMR信號進行放大（從微伏到毫伏）； 分離高能RF脈沖信號與低能NMR信號； 傳送和接受鎖場信號 HPPR內裝有一接收/發(fā)射開關，阻止高壓RF脈沖進入到敏感的低壓信號 接收器。 一、磁體系統(tǒng)一、磁體系統(tǒng)控制模塊1H模塊X-BB模塊

17、(多核探頭模塊）2H模塊4. 室溫勻場系統(tǒng)室溫勻場系統(tǒng)p硬件：由磁體的下端插入到室溫腔管內，是一組截流線圈（勻場線 圈），各組線圈控制著x、y、z、xy、xz、yz等各方向的磁場 梯度。 p作用：改善磁場的均勻性。p工作原理：通過適當調整各線圈中的電流強度，這些小的變化在空 間上構成相互正交的梯度磁場，以此 來補償主磁場的不 均勻性，而得到一均勻的磁場。 一、磁體系統(tǒng)一、磁體系統(tǒng)5.鎖場系統(tǒng)鎖場系統(tǒng)p硬件：包括一個在HPPR中獨立的氘模塊，其作用是負責 發(fā)射和接收鎖場信號；還有一個安裝在機柜中的 接受器，用于監(jiān)視氘頻率并據(jù)此調整磁場強度。 p作用：控制場漂，并使磁場不受外界信號的干擾而改 變，

18、確保樣品周圍的磁場穩(wěn)定。分氘鎖和氟鎖， 氘鎖的應用范圍最廣。 一、磁體系統(tǒng)一、磁體系統(tǒng)5.鎖場系統(tǒng)鎖場系統(tǒng)p工作原理： 鎖場系統(tǒng)本質上是一個被設計用來觀察氘的獨立譜儀。 NMR分析需要測定觀察核放射出信號的頻率精確值，根據(jù)=B0，如果 靜磁場強度B0稍有變動， 觀察核的共振頻率也隨之改變，這是NMR實驗不希望發(fā)生的事。因此，NMR 實驗需要確保磁場強度B0穩(wěn)定在一 恒定值。 靜磁場的變化包括兩個方面:（1）磁場強度的變化（Lock）；（2）磁場在一定空間范圍存在不均勻性（Shim) 一、磁體系統(tǒng)一、磁體系統(tǒng)5.鎖場系統(tǒng)鎖場系統(tǒng)p工作原理： 鎖場是通過監(jiān)測溶劑中氘信號的變化來實現(xiàn)的。特定磁體中氘

19、信號的頻率精確值是已知的，一旦磁體的場強發(fā)生改變（漂移），氘頻率就會發(fā)生變化。當鎖場系統(tǒng)的接受器檢測到正確的氘頻率時，就不調整磁場；而當它檢測到氘頻率發(fā)生變化時，即表明此時場強發(fā)生了變化（場漂），這時勻場系統(tǒng)中的一個特殊線圈（H0線圈）中的電流就會發(fā)生改變，以此來矯正偏離的磁場。當系統(tǒng)被鎖定后，我們可以認為實驗采樣期間的場強是一恒定的常量。 一、磁體系統(tǒng)一、磁體系統(tǒng) 整合了一臺現(xiàn)代數(shù)字譜儀的大部分執(zhí)行命令的電子硬 件，包括： AQS、BSMS、IPSO、VTU、功放。 負責工作站的指令接收、轉化、傳輸給磁體，并把磁體產生的信號轉換后傳回工作站。它相當于一支執(zhí)行特種任務的“部隊”,里面有執(zhí)行不同

20、命令的cpu 。只有能被接受的指令才能執(zhí)行,錯誤指令或重復指令會顯示出錯信息,干擾命令的正常執(zhí)行。一般的使用者無需知道其中的構造。在實驗進行期間，AQS完全控制譜儀的操作 ，可看作是另外一臺計算機，通常被稱為“spect”，無論主機還是AQS被關閉它們的連接都會中斷，再開機需要重新進行連接。二、機柜二、機柜作用：pRF產生pRF放大p信號檢測p數(shù)據(jù)采集控制p數(shù)據(jù)信息交換p運行控制p磁體控制 二、機柜二、機柜三、操作控制臺三、操作控制臺p包括： 計算機主機：運行Topspin程序 數(shù)據(jù)分析和存儲 以太網：在主機和AQS之間傳輸數(shù)據(jù)和命令p作用：實驗設計和執(zhí)行以及數(shù)據(jù)的分析均由操作者輸入命 令控制

21、。四、輔助設備四、輔助設備 空氣壓縮機：提供放樣、取樣所需壓縮空氣 除濕機、空調：保證譜儀工作環(huán)境恒溫恒濕機柜機柜探頭探頭前置放大器前置放大器計算機計算機磁體磁體NMRNMR譜圖譜圖 NMRNMR譜儀工作原理示意圖譜儀工作原理示意圖（易蘭繪制于（易蘭繪制于20102010年年5 5月）月）強大的RF脈沖（千伏）RF脈沖微弱的NMR信號（微伏）放大后的NMR信號（毫伏）放大后的NMR信號接收器RX22模擬數(shù)字轉化器HADCFID信號FT處理后的NMR信號待分析的樣品待分析的樣品處理后的NMR信號指令以太網以太網信號數(shù)字化分解信號使之頻率降低到聲頻范圍（差頻）第二部分第二部分 核磁基本實驗演示核磁

22、基本實驗演示測試前樣品的配制測試前樣品的配制1H1H譜、譜、13C13C譜實驗演示譜實驗演示運用運用Topspin3.0Topspin3.0軟件進行譜圖處理軟件進行譜圖處理 測試前樣品的準備測試前樣品的準備 1H譜、譜、13C譜實驗演示譜實驗演示(實驗設置向導法）實驗設置向導法）實驗基本步驟實驗基本步驟1. 進樣（進樣（Load） 打開空壓機 取下防塵蓋取下防塵蓋（）（） 將樣品管擦拭干凈 插入轉子 將轉子放入定深量筒，設置好樣品深度 點擊“Lift”按鈕，聽到氣流聲后，取掉量筒，拿著樣品管的上部，將樣品管放到氣流上 再點擊“Lift”按鈕，使樣品管緩慢落入磁體2.調出實驗設置向導：調出實驗設

23、置向導： 根據(jù)實驗設置向導，按順序進行：根據(jù)實驗設置向導，按順序進行：實驗基本步驟實驗基本步驟2.1 建立新的實驗數(shù)據(jù)集（建立新的實驗數(shù)據(jù)集（New） 每開始一個樣品測試，都需要建立相應的實驗數(shù)據(jù)集。先打開一個1H或13C譜的標準實驗，點擊“NEW”圖標，填寫以下內容：NAME（文件夾名稱）、EXPNO（實驗號）、PROCNO（處理號）、DIR（存盤路徑）、Title。實驗基本步驟實驗基本步驟2.2 讀取讀取“prosol”文件：文件： “prosol”表：表：是一組關于譜儀和探頭參數(shù)的列表。各種脈沖的寬度和相應的功率都保存在該表中。 輸入命令“getprosol ”，讀取脈沖的寬度和功率。實

24、驗基本步驟實驗基本步驟2.3 鎖場（鎖場（Lock）：）： 選擇相應的溶劑（選擇相應的溶劑（），系統(tǒng)將自動調整鎖場參數(shù)（鎖場功率、增益和頻率）使其接近溶劑的實際值，來優(yōu)化鎖場。鎖場成功后系統(tǒng)將顯示“l(fā)ockn:finished”。實驗基本步驟實驗基本步驟2.4 探頭調諧和匹配（探頭調諧和匹配（Proble Match/Ture）：）： 探頭由發(fā)射/接收線圈和電容組成，當樣品放入探頭后，與它們組成一個諧振回路，每個回路都有一個最靈敏的諧振頻率。 調諧（調諧（Tuning）：）：就是指調整以上回路中的可調電容使該回路的諧振率頻與探頭發(fā)射的射頻脈沖頻率完全一致，以獲得最大的靈敏度，原理與收音機調臺類似。一般只有在發(fā)射的射頻脈沖頻率變化超過100KHz時才需要重新調諧。但對于寬帶探頭，由于不同的原子核之間發(fā)射頻率變化很大，因此，每次更換原子核后都需要每次更換原子核后都需要調諧。調諧。實驗基本步驟實驗基本步驟 匹