核磁共振波譜和質(zhì)譜分析

1、第十三章 核磁共振波譜一、概述generalization二、原子核的自旋nuclear spin三、核磁共振現(xiàn)象nuclear magnetic resonance四、飽和與弛豫Saturation and relaxation第一節(jié) 核磁共振原理Nuclear magnetic resonance spectroscopy, NMR Principles of nuclear magnetic resonance 2022/9/181一、概述 generalization在磁場的激勵下，一些具有磁性的原子核存在著不同的能級，如果此時外加一個能量，使其恰等于相鄰2個能級之差，則該核就可能吸收

2、能量（稱為共振吸收），從低能級躍遷到高能級。吸收的能量數(shù)量級相當于射頻率范圍的電磁波，因此，所謂核磁共振就是研究磁性原子核對射頻能的吸收。22022/9/183紫外-可見紅外核磁共振吸收能量紫外可見光200 780nm紅外光780nm 1000m無線電波1 100m躍遷類型電子能級躍遷振動能級躍遷自旋原子核 能級躍遷與紫外、紅外光譜的比較4利用核磁共振光譜圖進行結(jié)構(gòu)預(yù)測，定性與定量分析的方法稱為核磁共振波譜法，簡稱 NMR。在有機化合物中，經(jīng)常研究的是1H和13C的共振吸收波譜。吸收一定的能量，原子核能級發(fā)生躍遷，同時產(chǎn)生核磁共振信號，得到核磁共振譜圖。2022/9/185NMR是結(jié)構(gòu)分析的重

3、要工具之一，在化學(xué)、生物、醫(yī)學(xué)、臨床等研究工作中得到了廣泛的應(yīng)用。分析測定時，樣品不會受到破壞，屬于無破損分析方法。6 原子核具有質(zhì)量并帶正電荷，大多數(shù)核有自旋現(xiàn)象，在自旋時產(chǎn)生磁矩（），磁矩的方向可用右手定則確定，核磁矩和核自旋角動量P都是矢量，方向相互平行，且磁矩隨角動量（P）的增加成正比地增加 。（一）原子核的磁性二、原子核的自旋 nuclear spin7 = P ， 磁旋比（magnetogyric ration），不同的核具有不同的磁旋比，對某元素是定值。 是磁性核的一個特征常數(shù)。81H 核的 H = 2.68108 T-1S-1（特斯拉-1 秒-1）；13C核的 C = 6.73

4、107 T-1S-1核的自旋角動量P是量子化的，與核的自旋量子數(shù) I 的關(guān)系如下:I 可以取0, 1/2, 1, 3/2, 2, 5/2, 3等值。9代入式（ = P）當I = 0時，P = 0，原子核沒有自旋現(xiàn)象，只有I0，原子核才有自旋角動量和自旋現(xiàn)象。2022/9/1810實踐證明，核自旋與核的質(zhì)量數(shù)，質(zhì)子數(shù)和中子數(shù)有關(guān)。質(zhì)量數(shù)為偶數(shù)原子序數(shù)為偶數(shù)自旋量子數(shù)為0無自旋12C6，2S16，16O8原子序數(shù)為奇數(shù)自旋量子數(shù)為1,2,3有自旋14N7質(zhì)量數(shù)為奇數(shù)原子序數(shù)為奇數(shù)或偶數(shù)自旋量子數(shù)為1/2, 3/2, 5/2有自旋1H1，13C6 19F9，31P1511 自旋量子數(shù)為零的原子核有：

5、16O，12C，32S，28Si，因為沒有磁矩，不產(chǎn)生共振吸收譜，不能用核磁共振來研究； 自旋量子數(shù)大于或等于1原子核有：2H，14N、11B，35Cl，79Br，81Br和127I，這類原子核電荷分布可看作是一個橢圓體，電荷分布不均勻，共振吸收情況復(fù)雜，目前在核磁共振的研究上應(yīng)用還很少。12自旋量子數(shù)I=1/2的原子核，核電荷呈球形均勻分布于核表面，如: 1H1，13C6 ，19F9，31P15，它們核磁共振現(xiàn)象較簡單，譜線窄，適宜檢測，目前研究和應(yīng)用較多的是1H和13C核磁共振譜。13（二）核自旋 把自旋核放在場強為B0的磁場中，由于磁矩與磁場的相互作用，核磁矩相對外加磁場有不同的取向，共

6、有2I + 1 個，各取向可用磁量子數(shù)m表示 m = I，I-1，I-2， -I。每種取向各對應(yīng)一定能量狀態(tài)，其大小為E= - B0m/I。 I=1/2 的氫核只有兩種取向； I=1 的原子核有三種取向，依次類推，如下圖所示：14與外磁場平行，能量較低，m= +1/2, E 1/2= -B0與外磁場方向相反，能量較高， m= -1/2, E -1/2=B015I=1/2的核自旋能級裂分與B0的關(guān)系16由式 E = -ZB0及圖可知，1H核在磁場中，由低能級E1向高能級E2躍遷，所需能量為： E = E2E1= B0 -(-B0) = 2 B0 E與核磁矩及外磁場強度成正比，B0越大，能級分裂越

7、大，E越大。17三、核磁共振 nuclear magnetic resonance如果以一定頻率的電磁波照射處于磁場B0中的核，且射頻頻率恰好滿足下列關(guān)系時： h =E E=2B0處于低能態(tài)的核將吸收射頻能量而躍遷至高能態(tài)，這種現(xiàn)象叫做核磁共振現(xiàn)象。（核磁共振條件式）18（1）對自旋量子數(shù)I=1/2的同一核來說，因磁矩為一定值，所以發(fā)生共振時，照射頻率的大小取決于外磁場強度的大小。外磁場強度增加時，為使核發(fā)生共振，照射頻率也相應(yīng)增加；反之，則減小。例：外磁場B0= 4.69T，1H 的共振頻率為 :放在外磁場 B0= 2.35T， =100MHz19（2）對自旋量子數(shù)I=1/2的不同核來說，若

8、同時放入一固定磁場中，共振頻率的大小取決于核本身磁矩的大小，大的核，發(fā)生共振所需的照射頻率也大；反之，則小。例：13C和1H的共振頻率分別為: 20四、核自旋能級分布和馳豫1H核在磁場作用下，被分裂為m=+1/2和m=-1/2兩個能級，處在低能態(tài)核和處于高能態(tài)核的分布服從波爾茲曼分布定律。(一)核自旋能級分布21當B0 = 1.409 T，溫度為300K時，高能態(tài)和低能態(tài)的1H核數(shù)之比為：處于低能級的核數(shù)比高能態(tài)核數(shù)多十萬分之一，而NMR信號就是靠這極弱過量的低能態(tài)核產(chǎn)生的。22以合適的射頻照射處于磁場的核，核吸收能量后，由低能態(tài)躍遷到高能態(tài)，產(chǎn)生核磁共振信號。若高能態(tài)核不能通過有效途徑釋放能

9、量回到低能態(tài)，低能態(tài)的核數(shù)越來越少，一定時間后，N(-1/2) = N(+1/2)，這時不再吸收，核磁共振信號消失，這種現(xiàn)象為“飽和”。據(jù)波爾茲曼定律，提高外磁場強度，降低工作溫度，可減少 N(-1/2) / N(+1/2)值， 提高觀察NMR信號的靈敏度。23(二)核自旋馳豫由于核磁共振中氫核發(fā)生共振時吸收的能量是很小的，因而躍遷到高能態(tài)的氫核不可能通過發(fā)射譜線的形式失去能量而返回到低能態(tài)（如發(fā)射光譜那樣），這種由高能態(tài)回復(fù)到低能態(tài)而不發(fā)射原來所吸收的能量的過程稱為馳豫（relaxation）過程。24馳豫過程是核磁共振現(xiàn)象發(fā)生后得以保持的必要條件。NMR： 25第十四章 質(zhì)譜分析一、概述G

10、eneralization二、質(zhì)譜儀構(gòu)造及原理Structure and principles of instruments Mass Spectrometry 第一節(jié) 質(zhì)譜分析原理Principles of Mass Spectrometry 26一、概述 generalization 質(zhì)譜法是通過將樣品轉(zhuǎn)化為運動的氣態(tài)離子并按質(zhì)荷比（m/z）大小進行分離，并記錄其信息的分析方法。所得結(jié)果以圖譜表達，即所謂的質(zhì)譜圖（Mass Spectrum）。27根據(jù)質(zhì)譜圖提供的信息可以進行有機物及無機物的定性和定量分析、復(fù)雜化合物的結(jié)構(gòu)分析、樣品中各種同位素比的測定及固體表面的結(jié)構(gòu)和組成分析等。 202

11、2/9/1828二、質(zhì)譜儀構(gòu)造及原理 質(zhì)譜儀是通過對樣品電離后產(chǎn)生的具有不同m/z的離子來進行分離分析的。質(zhì)譜儀須有進樣系統(tǒng)、電離系統(tǒng)、質(zhì)量分析器和檢測系統(tǒng)。為了獲得離子的良好分析，必須避免離子損失，因此凡有樣品分子及離子存在和通過的地方，必須處于真空狀態(tài)。(一）質(zhì)譜儀的構(gòu)造292022/9/18302022/9/18311. 同位素質(zhì)譜儀（測定同位素豐度）；2. 無機質(zhì)譜儀 （測定無機化合物）；3. 有機質(zhì)譜儀（測定有機化合物）。1. 質(zhì)譜儀分類：(二）質(zhì)譜儀的工作原理2022/9/1832質(zhì)譜儀是利用電磁學(xué)原理，使帶電的樣品離子按質(zhì)荷比進行分離的裝置。離子電離后經(jīng)電場加速進入磁場中，其動能

12、與加速電壓及電荷z有關(guān)：其中z為電荷數(shù)，U為加速電壓，m為離子的質(zhì)量，為離子被加速后的運動速度。2. 質(zhì)譜儀工作原理：2022/9/1833進樣系統(tǒng)離子源質(zhì)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(xué)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 質(zhì)譜儀需要在高真空下工作：離子源（10-3 10 -5 Pa ） 質(zhì)量分析器（10 -6 Pa ）真空系統(tǒng)和進樣系統(tǒng)：341. 電子轟擊源：70100ev的電子流轟擊。離子源：（包括離子化區(qū)和加速區(qū)）離子化區(qū)：使樣品蒸氣分子離子化成各種m/z的離子。加速區(qū)：將正電荷離子聚焦并

13、加速成高速離子流，幾千伏電壓使離子加速。 正離子進入加速區(qū)所獲動能與加速電壓關(guān)系：352. 化學(xué)電離源：電子轟擊源對于分子穩(wěn)定差的往往得不到M+峰，而化學(xué)電離源可解決此類問題。 36樣品由探頭毛細管處通過隔離進入離子源，反應(yīng)氣體經(jīng)壓強控制進入反應(yīng)室，樣品經(jīng)加熱蒸發(fā)也進入反應(yīng)室，反應(yīng)氣體首先被電離成離子，然后和樣品分子通過離子分子反應(yīng)，產(chǎn)生樣品離子，加速進入分析器。2022/9/18372022/9/1838 質(zhì)量分析器質(zhì)量分析器的主要類型有：磁分析器、飛行時間分析器、四極濾質(zhì)器、離子捕獲分析器和離子回旋共振分析器等。在加速區(qū)外加一個磁場，在磁場和加速電壓的作用下，離子呈圓周運動。離子運動半徑由

14、磁場力和離心力所決定。電荷在磁場中所受的力，只改變運動的方向，不改變運動速度，相當于向心力。3940將 v = BzR/m 代入 1/2mv2 = zU 得： 質(zhì)荷比是磁場強度，管道半徑，加速電壓的函數(shù)。mv2 / R = Bzv B 磁場強度； Z電荷；R運動半徑 v = BzR/m41當R一定，U一定時，B從小大調(diào)，則m/z由小大， 正離子流依次通過狹縫。當R一定，B一定時，U連續(xù)改變，同樣測到不同m/z離子組，加速電壓越大，可測的質(zhì)量范圍越小。42 僅用一個扇形磁場進行質(zhì)量分析的質(zhì)譜儀稱為單聚焦質(zhì)譜儀，設(shè)計良好的單聚焦質(zhì)譜儀分辨率可達5000。 若要求分辨率大于5000則需要雙聚焦質(zhì)譜儀

15、。單聚焦質(zhì)譜儀中影響分辨率提高的兩個主要因素是離子束離開離子槍時的角分散和動能分散，因為各種離子是在電離室不同區(qū)域形成的。為了校正這些分散，通常在磁場前加一個靜電分析器（Elctrostatic Analyzer， ESA），這種設(shè)備由兩個扇形圓筒組成，向外電極加上正電壓，內(nèi)電極為負壓。 4344一般商品化雙聚焦質(zhì)譜儀的分辨率可達150000，質(zhì)量測定準確度可達0.03gg-1，即對于相對分子質(zhì)量為600的化合物可測至誤差上0.0002u。2022/9/1845飛行時間分析器（Time of Flight，TOF） 這種分析器的離子分離是用非磁方式達到的，因為從離子源飛出的離子動能基本一致，在

16、飛出離子源后進入一長約lm的無場漂移管，在離子加速后的速度為：此離子達到無場漂移管另一端的時間為 t=L/ 46故對于具有不同mz的離子，到達終點的時間差： 由此可見，t取決于mz的平方根之差。 47因為連續(xù)電離和加速將導(dǎo)致檢測器的連續(xù)輸出而無法獲得有用信息，所以TOF是以大約10kHZ的頻率進行電子脈沖轟擊法產(chǎn)生正離子，隨即用一具有相同頻率的脈沖加速電場加速，被加速的粒子按不同的(m/z)的時間經(jīng)漂移管到達收集極上，并饋入一個水平掃描頻率與電場脈沖頻率一致的示波器上，從而得到質(zhì)譜圖。2022/9/184849四極濾質(zhì)器 Quadrupole Mass Filter 四極濾質(zhì)器由四根平行的金屬

17、桿組成，其排布見下頁圖所示。被加速的離子束穿過對準四根極桿之間空間的準直小孔。 通過在四極上加上直流電壓U和射頻電壓Vcost，在極間形成一個射頻場，正電極電壓為UVcost，負電極為-（UVcost）。離子進入此射頻場后，會受到電場力作用，只有合適m/z的離子才會通過穩(wěn)定的振蕩進入檢測器。只要改變U和V并保持U/V比值恒定時，可以實現(xiàn)不同m/z的檢測。50 51 四極濾質(zhì)器分辨率和m/z范圍與磁分析器大體相同，其極限分辨率可達2000。其主要優(yōu)點是傳輸效率較高，入射離子的動能或角發(fā)散影響不大；其次是可以快速地進行全掃描，而且制作工藝簡單，儀器緊湊，常用在需要快速掃描的GCMS聯(lián)用及空間衛(wèi)星上

18、進行分析。2022/9/1852離子阱分析器 離子阱是一種通過電場或磁場將氣相離子控制并貯存一段時間的裝置。由一環(huán)形電極再加上下各一的端罩電極構(gòu)成。以端罩電極接地，在環(huán)電極上施以變化的射頻電壓，此時處于阱中具有合適的m/z加的離子將在環(huán)中指定的軌道上穩(wěn)定旋轉(zhuǎn)，若增加該電壓，則較重離子轉(zhuǎn)至指定穩(wěn)定軌道，而輕些的離子將偏出軌道并與環(huán)電極發(fā)生碰撞。5354當一組由電離源（化學(xué)電離源或電子轟擊源）產(chǎn)生的離子由上端小孔中進入阱中后，射頻電壓開始掃描，陷入阱中離子的軌道則會依次發(fā)生變化而從底端離開環(huán)電極腔，從而被檢測器檢測。這種離子阱結(jié)構(gòu)簡單、成本低且易于操作，已用于GCMS聯(lián)用裝置用于m/Z 2002000的分子分析。 2022/9/185