核磁共振波譜(NMR)課件

1、核磁共振波譜（NMR）制作：彭俊梅、楊昊宇、安翔宇、劉慧、邱旭東NMR (nuclear magnetIc resonance spectroscopy)NMR簡(jiǎn)介1發(fā)展歷程及流程2儀器的進(jìn)步3應(yīng)用4Company Logo在外磁場(chǎng)作用下，用射頻照射置于磁場(chǎng)中的分子，可引起分子中有磁矩的核發(fā)生能級(jí)躍遷，使原子核從低能態(tài)躍遷至高能態(tài)，產(chǎn)生核磁共振，并在某些特定的磁場(chǎng)強(qiáng)度處產(chǎn)生強(qiáng)弱不同的吸收信號(hào)。吸收信號(hào)的強(qiáng)度對(duì)射頻作圖，即為核磁共振波譜。建立在核磁共振波譜原理基礎(chǔ)上的一類(lèi)分析方法就稱(chēng)為核磁共振法（NMR）。核磁共振法（NMR）Company Logo基本原理：原子核的自旋及分類(lèi)：原子核具有質(zhì)量并

2、帶有電荷，同時(shí)具有自旋現(xiàn)象，其自旋用自旋量子數(shù) I 表示。原子核的質(zhì)量數(shù)、電荷數(shù)與自旋三者之間的關(guān)系如下表所示：具有自旋的原子核會(huì)產(chǎn)生角動(dòng)量，又因原子核帶正電，自旋時(shí)會(huì)產(chǎn)生磁矩。 序號(hào) 質(zhì)量數(shù) 電荷數(shù) 自旋量子數(shù) 偶 偶I=0，如：12C6,16O8 偶 奇I=1，2，3如：2H1,13C6 偶 奇偶I=1/2,3/2,5/2如：1H1,13C6Company Logo原子核的回旋：原子核帶正電荷且電荷呈均勻分布狀態(tài)，自旋時(shí)其周?chē)臻g會(huì)產(chǎn)生磁場(chǎng)。I0的核自旋時(shí)產(chǎn)生動(dòng)量矩P和磁矩 ，它們與 I 的關(guān)系如下： P=式中：h為普朗克常數(shù)； 稱(chēng)為磁選比。同一類(lèi)原子核（指I值相同的核），動(dòng)量矩相同，但磁

3、矩不同，因而 也不同。若使I0的原子核處于外磁場(chǎng)中，則核磁矩有不同的取向，共有m=2I+1個(gè)取向（m為磁量子數(shù)），用I,I-1,I-2, ,-I+2,-I+1,-I表示。2I+1個(gè)值就代表了某原子核在外磁場(chǎng)中的2I+1個(gè)能量狀態(tài)或2I+1個(gè)能級(jí)。 Company Logo核磁共振：如左圖所示自旋核，若磁矩方向與外磁場(chǎng)方向一致，此時(shí) 一般為低能級(jí)，但另一種取向，即磁矩與外磁場(chǎng)方向相反，此時(shí) 一般為高能級(jí)。由于磁矩的取向不同，決定了其能級(jí)的不同，核吸收或放出能量時(shí)，其磁矩的取向要發(fā)生改變，根據(jù)量子力學(xué)理論，兩能級(jí)之間的能量差 為： 如果要使核磁發(fā)生躍遷，由一個(gè)取向（如 ）躍遷到另一個(gè)取向（如 ），

4、則應(yīng)向 的能級(jí)照射電磁波，當(dāng)此電磁波的頻率 ，恰好等于核磁的回旋頻率 時(shí)，即發(fā)生核磁共振，由上可知可通過(guò)調(diào)節(jié)電磁波的照射頻率或外磁場(chǎng)強(qiáng)度來(lái)使之發(fā)生核磁共振。 Company Logo化學(xué)位移及其表示方法：方程式似乎意味著同一種原子核在固定的磁場(chǎng)中均以相同的頻率共振。事實(shí)上，不同基團(tuán)的原子核真正感受到的磁場(chǎng)強(qiáng)度H取決于該核周?chē)碾娮釉泼芏?。核外電子云受到磁?chǎng)H0作用時(shí)，根據(jù)楞次定律，會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)磁場(chǎng) ，其方向與H0方向相反，因而對(duì)原子核產(chǎn)生屏蔽效應(yīng)（ ）式中 稱(chēng)為屏蔽常數(shù)，其大小表示改變H0的能力。每個(gè)化合物中不同的基團(tuán)均有不同的 值，因而出現(xiàn)不同的共振頻率。通常的有機(jī)化合物，由于核外電子云密度的

5、變化而改變的共振頻率相對(duì)于H0來(lái)說(shuō)是很小的。如在100MHz以?xún)x器中，這個(gè)改變約為1250MHz，也就是說(shuō)，某種核在100 001 250MHz頻率下共振。Company Logo核磁共振波譜和常用術(shù)語(yǔ)表示為：Company Logo影響化學(xué)位移的因素：1.取代基的誘導(dǎo)效應(yīng)：取代基的電負(fù)性越大，使該基團(tuán)的核外電子云密度降低，產(chǎn)生去屏蔽作用而發(fā)生低場(chǎng)位移。當(dāng)基團(tuán)的氫原子被多個(gè)電負(fù)性基團(tuán)取代時(shí)，剩余質(zhì)子信號(hào)進(jìn)一步移向低場(chǎng)，如：取代基的誘導(dǎo)效應(yīng)隨取代基與被測(cè)基團(tuán)間隔鍵數(shù)的增加而迅速減弱，如：2.共軛效應(yīng)：有些取代基通過(guò) 共軛作用增加某些基團(tuán)的電子云密度，使其在高場(chǎng)共軛，如：Company Logo另

6、外一些具有吸電性質(zhì)的取代基，通過(guò) 共軛作用而減小某些質(zhì)子的電子云密度，使其在低場(chǎng)共軛，如：3. 芳環(huán)、雙鍵和羰基屏蔽的各向異性效應(yīng)：這三類(lèi)基團(tuán)雙鍵的 電子云均為盤(pán)式，當(dāng)它們的平面垂直于磁場(chǎng)時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電流和感應(yīng)磁場(chǎng)，在雙鍵上、下區(qū)域?yàn)槟娲牌帘螀^(qū)，在雙鍵平面區(qū)域?yàn)轫槾牌帘螀^(qū)。由此可知，芳香化合物的氫原子位于芳環(huán)的去屏蔽區(qū)，在低場(chǎng) 6.58.5范圍內(nèi)共振；烯烴的氫原子也在較低場(chǎng)共振 4.57.0；醛類(lèi)氫原子除受到 的去屏蔽作用以外，還受到羰基的吸電子作用，因而在更低場(chǎng) 910共振。Company Logo5.氫鍵的效應(yīng):羥基和氨基等活潑氫的化學(xué)位移強(qiáng)烈地受到氫鍵影響。氫鍵會(huì)使其產(chǎn)生低場(chǎng)位移，如

7、乙醇的羥基，在稀CCl4溶液中 0.7，在純乙醇溶液中 5.3。 一些常見(jiàn)結(jié)構(gòu)單元的質(zhì)子化學(xué)位移范圍（ppm） 結(jié)構(gòu)單元 化學(xué)位移 結(jié)構(gòu)單元 化學(xué)位移 R-CH 0.22.0 I-CH 2.12.6 CC-CH 1.82.3 Br-CH 2.63.2 Ar-CH 2.12.8 Cl-CH 3.03.5 2.02.5 F-CH 4.24.7 2.53.2 R2CCH2 4.75.3 RO-CH 3.23.9 R-CH CH-R 5.46.2 HO-CH 3.34.0 Ar-H 6.58.5 3.64.4 R-CHO 9.010.0 NaO3S-CH 2.53.0 R-CO2H 1013 NaO3

8、S-O-CH 3.84.5Company Logo自旋-自旋偶合和偶合裂分：1.自旋-自旋偶合和偶合裂分原子核周?chē)碾娮釉泼芏群退鼈儗?duì)外加磁場(chǎng)的屏蔽作用決定了它們的化學(xué)位移。除了核外電子云的作用以外，每種化學(xué)環(huán)境中的原子核還受到鄰近原子核兩種自旋態(tài)的小磁場(chǎng)的作用。如前文所述，在磁場(chǎng)H0中，每種原子核有兩個(gè)自旋態(tài)，即與H0方向相同的 I= 和與H0方向相反的 ，兩者的數(shù)量分布服從波爾茲曼規(guī)律。在室溫和目前可用的磁場(chǎng)強(qiáng)度下，兩種自旋態(tài)的核的數(shù)量接近相等。如果用 和 分別表示 和 自旋態(tài)產(chǎn)生的磁場(chǎng)強(qiáng)度，則相鄰核將感受到 和 的磁場(chǎng)強(qiáng)度，分別在原共振頻率的低場(chǎng)和高場(chǎng)發(fā)生共振，裂分成等強(qiáng)度的雙峰。如果相

9、鄰兩個(gè)原子核，則該核會(huì)感受 、 、 和 的磁場(chǎng)，裂分成三重峰。如下圖：Company Logo2. n+1規(guī)律由于相鄰氫的偶合而產(chǎn)生的譜帶裂分?jǐn)?shù)遵循2nI+1規(guī)律。對(duì)于1H,13C等原子核， ，則變成n+1規(guī)律。如在氯乙烷的例子中，CH3相鄰的CH2有二個(gè)質(zhì)子，裂分成2+1=3重峰。 CH3則使CH2裂分成3+1=4重峰。在裂分的多重峰中，各峰的相對(duì)強(qiáng)度之比等于二項(xiàng)式（a+b）n 展開(kāi)式各項(xiàng)系數(shù)之比。I=1/2Company LogoNMR的發(fā)展歷程： 70年代后期 1965年前后 1951 1960年 19451951年NMR在深度和廣度方面都出現(xiàn)了新的飛躍性發(fā)展脈沖FourIer變換NMR

10、技術(shù)（PFT-NMR）的興起連續(xù)波核磁共振（CW-NMR）波譜大發(fā)展的時(shí)期發(fā)明NMR法并奠定理論和實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)的時(shí)期Company Logo 連續(xù)波變化（已被FT- NMR所取代）核磁共振譜儀： 傅里葉變化（FT-NMR）傅里葉變化技術(shù)是采用強(qiáng)的窄脈沖同時(shí)激發(fā)處于不同化學(xué)環(huán)境的所有同一種核，然后用接收器同時(shí)檢測(cè)所有核的激發(fā)信息，得到時(shí)域信號(hào)FID(自由感應(yīng)衰減信號(hào))。FID經(jīng)過(guò)傅里葉變化得到和連續(xù)波NMR譜儀相同的譜圖。Company Logo與連續(xù)波儀器相比，F(xiàn)T-NMR的優(yōu)點(diǎn)是：速度快。幾秒至幾十秒即可完成1HNMR譜的測(cè)定。靈敏度高。在快速采樣得到的FID的基礎(chǔ)上，通過(guò)累加可提高信噪比?？蓽y(cè)

11、1H，13C和多種核的NMR。采用大型計(jì)算機(jī)后，通過(guò)設(shè)置適當(dāng)?shù)拿}沖序列可測(cè)各種新技術(shù)譜圖，如消除溶劑和水峰，13C的DEPT譜和各種二維譜等，使各種復(fù)雜化合物的結(jié)構(gòu)分析更為容易Company Logo 核磁共振波譜儀簡(jiǎn)介：磁鐵射頻發(fā)射器射頻接收器記錄儀試樣管試樣探頭Company Logo2.射頻發(fā)射器：其作用是通過(guò) 高頻交變電流提供穩(wěn)定的電磁 輻射。1.磁鐵：其作用在于產(chǎn)生一個(gè)均勻、穩(wěn)定以及重現(xiàn)性較好的高強(qiáng)度的磁場(chǎng)，其質(zhì)量和強(qiáng)度決定了譜儀的靈敏度和分辨率。4.記錄儀：微弱的信號(hào)通過(guò)放大后，由記錄儀自動(dòng)掃描記譜圖。5.試樣管和探頭：試樣管、接收線圈和射頻線圈安裝在探頭內(nèi)，以保證試樣相對(duì)于這些部

12、件的位置不變。探頭置于磁極之間，用于探測(cè)核磁共振信號(hào)。3.射頻接收器：其線圈在試驗(yàn)管的周?chē)?，并與發(fā)射器和掃描線圈相垂直，當(dāng)發(fā)射器發(fā)生的頻率，試樣就發(fā)生共振而吸收能量，為接收器檢出。TextCompany Logo操作程序： 通常的測(cè)試操作就是樣品的處置和計(jì)算機(jī)的操作。典型的操作程序于下框圖所示： 設(shè)定樣品管 測(cè)定核參數(shù)， 旋轉(zhuǎn)速度等 溶劑參數(shù)選定 基本自動(dòng)進(jìn)行安裝試樣 試樣旋轉(zhuǎn) 條件設(shè)定 調(diào)整分辨率 FT變化，譜修正，化學(xué)位移標(biāo)定， 累加次數(shù)，信號(hào)強(qiáng)度 完全自動(dòng)化 積分，譜圖放大 測(cè)量參數(shù)設(shè)定 數(shù)據(jù)采樣 數(shù)據(jù)處理 譜數(shù)據(jù)輸出 用打印機(jī)打印或用繪圖儀輸出實(shí)驗(yàn)譜圖，取出試樣。 Company Lo

13、go核磁共振技術(shù)的發(fā)展1.高場(chǎng)2.數(shù)字化3.探頭 4.固體實(shí)驗(yàn)5.軟件Company Logo2.數(shù)字化1場(chǎng)頻聯(lián)鎖系統(tǒng)的數(shù)字化：（場(chǎng)頻聯(lián)鎖即將磁場(chǎng)和頻率鎖在一起，以保證鎖樣品始終與磁場(chǎng)保持在嚴(yán)格共振點(diǎn)上）其使磁場(chǎng)穩(wěn)定度和抗干擾能力比模擬鎖提高一個(gè)數(shù)量級(jí)，提高了累加效果，減小了T1噪聲等。2發(fā)射、接收系統(tǒng)的數(shù)字化：發(fā)射系統(tǒng)：利用數(shù)字化信號(hào)發(fā)生器和時(shí)間控制器使對(duì)發(fā)射頻率及其相位的精確度、脈沖系列的時(shí)間精確度等的高要求可以較為容易達(dá)到。接收系統(tǒng)：過(guò)速采樣和數(shù)字濾波、數(shù)字化前放、數(shù)字化路由器、數(shù)字化正交檢波、控制系統(tǒng)的數(shù)字化、數(shù)字化梯度場(chǎng)和數(shù)字化變溫單元等。Company Logo3.探頭全自動(dòng)調(diào)諧探

14、頭：克服了以往調(diào)諧時(shí)的不便。HR-MAS：對(duì)于介于固體與液體之間的樣品，HR- MAS探頭可以發(fā)揮極好的作用，與脈沖梯度結(jié)合，進(jìn)行TOCSY實(shí)驗(yàn)也有極佳的效果。超低溫探頭：低溫探頭的使用，將同樣場(chǎng)強(qiáng)下的靈敏度提高了34倍。同時(shí)還可以使RF場(chǎng)均勻、振鈴時(shí)間短、射頻脈沖功率響應(yīng)的線性度提高等。液色與核磁聯(lián)用探頭：液相色譜是有效的分離方法，核磁共振是空間結(jié)構(gòu)鑒定的強(qiáng)有力手段，二者的結(jié)合，為結(jié)構(gòu)分析提供了最新、最有力的手段。Company Logo4.固體實(shí)驗(yàn)固體NMR是利用魔角旋轉(zhuǎn)（MAS）、交叉極化（CP）、高功率去偶（DD）技術(shù)等方式測(cè)定元素化學(xué)位移，通過(guò)所測(cè)元素的化學(xué)位移變化，得到所測(cè)元素的結(jié)

15、構(gòu)環(huán)境變化的實(shí)驗(yàn)技術(shù)。Company Logo與溶液核磁共振相比，固體核磁共振在聚合物研究中具有自身的優(yōu)勢(shì)：固體核磁共振的研究對(duì)象即聚合物無(wú)需溶解到溶劑中，因此它能很好地保持本體聚合物中的一些特殊的屬性。對(duì)于一些難溶的聚合物，由于找不到合適的溶劑將之溶解，固體核磁共振便稱(chēng)為最好的選擇。有些聚合物即使能找到特定的溶劑將之溶解，但因發(fā)生反應(yīng)等情況，使核磁共振表征變得意義不大。聚合物的一些特殊性質(zhì)，如固體聚合物中的氫鍵相互作用、特殊的分子運(yùn)動(dòng)、晶相尺寸等都是研究材料的關(guān)注問(wèn)題，也需要使用固體核磁共振的方法加以研究。固體核磁共振技術(shù)是研究常見(jiàn)氟聚合物結(jié)構(gòu)和分子運(yùn)動(dòng)的重要方法。Company Logo5

16、.軟件核磁軟件的發(fā)展十分迅速，主要集中在常規(guī)核磁軟件（采樣、處理和控制），結(jié)構(gòu)分析軟件和數(shù)據(jù)庫(kù)等。核磁共振實(shí)驗(yàn)輔助設(shè)計(jì)專(zhuān)家系統(tǒng)：采用CL IPS 作為事實(shí)推理核心, 以VIsual C+ + 為界面開(kāi)發(fā)工具, 設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了核磁共振實(shí)驗(yàn)輔助設(shè)計(jì)專(zhuān)家系統(tǒng)軟件. 該軟件可以根據(jù)用戶(hù)提供的關(guān)于實(shí)驗(yàn)的、樣品特性和譜儀功能等信息, 建議所需進(jìn)行的核磁共振實(shí)驗(yàn). 在用戶(hù)反饋實(shí)驗(yàn)結(jié)果后, 該系統(tǒng)可以進(jìn)一步提出建議, 如此循環(huán)往復(fù). 對(duì)于建議進(jìn)行的實(shí)驗(yàn), 系統(tǒng)也給出脈沖序列、參數(shù)設(shè)置、注意事項(xiàng)等與實(shí)驗(yàn)相關(guān)的詳細(xì)信息. 本系統(tǒng)對(duì)于核磁共振的教學(xué)也可以起到輔助作用.Company LogoNMR技術(shù)的應(yīng)用：核磁共振由

17、于其獲取的信息豐富，因此應(yīng)用領(lǐng)域十分廣泛，如分析化學(xué)、生命科學(xué)、食品加工、材料檢測(cè)、石油勘測(cè)和水資源探查等。NMR技術(shù)在化學(xué)中的應(yīng)用： 在分子結(jié)構(gòu)的測(cè)定中的應(yīng)用：主要為對(duì)有機(jī)化合物絕對(duì)構(gòu)型的測(cè)定和對(duì)復(fù)雜化合物結(jié)構(gòu)的解析。（核磁共振儀的檢出限較其他波譜分析儀高） 在有機(jī)合成反應(yīng)中的應(yīng)用：不僅可對(duì)反應(yīng)物或產(chǎn)物進(jìn)行結(jié)構(gòu)解析和構(gòu)型確定，在研究合成反應(yīng)中的電荷分布及其定位效應(yīng)、探討反應(yīng)機(jī)理等方面也有著廣泛的應(yīng)用。另外，對(duì)有機(jī)反應(yīng)過(guò)程中間產(chǎn)物及副產(chǎn)物的辨別鑒定，可以研究有關(guān)有機(jī)反應(yīng)歷程及考察合成路線是否可行等問(wèn)題。Company Logo 在定量分析和分子量測(cè)定中的應(yīng)用：核磁共振譜峰的面積（積分高度）正比

18、于相應(yīng)質(zhì)子數(shù)。用NMR定量分析的最大優(yōu)點(diǎn)就是不需要引進(jìn)任何校正因子或繪制工作曲線，可用于多組分混合物分析、元素的分析、有機(jī)物中活潑氫及重氫試劑的分析等。 在高分子化學(xué)中的應(yīng)用：聚合物固體寬譜線NMR可以提供有關(guān)結(jié)晶度、聚合物取向、玻璃化溫度（T）等有關(guān)信息。還可通過(guò)研究聚合反應(yīng)過(guò)程N(yùn)MR譜線寬度的變化，了解反應(yīng)過(guò)程中正在生長(zhǎng)聚合物鏈的活動(dòng)變化，從而獲得有關(guān)聚合反應(yīng)動(dòng)力學(xué)方面的信息。：聚合物液體高分辨NMR可以提供的信息有：聚合物類(lèi)型的鑒定；有關(guān)聚合物鏈的異構(gòu)化信息；通過(guò)13C-NMR譜可分別研究其不同單元組的序列分布、交替度和不同反應(yīng)條件下聚合過(guò)程鏈活動(dòng)度變化等聚合物微觀結(jié)構(gòu)信息。Compan

19、y Logo核磁共振技術(shù)在生命科學(xué)中的應(yīng)用：核磁共振在生命科學(xué)方面的應(yīng)用近年來(lái)發(fā)展最為迅速，已經(jīng)成為當(dāng)前核磁共振技術(shù)研究的熱點(diǎn)。 核磁共振技術(shù)在醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用：作為一種對(duì)人體無(wú)創(chuàng)、無(wú)電離輻射的診斷工具，不僅適合做結(jié)構(gòu)成像，還可以做功能性成像，因而使之和X-射線、CT、超聲波成像等一道，成為當(dāng)今幾大最常用的醫(yī)學(xué)成像技術(shù)。但是，其一個(gè)重要不足是不鞥給出足夠的信息說(shuō)明正常組織與病理組織之間細(xì)胞代謝的區(qū)別。 另外，在藥物研發(fā)過(guò)程中也有著重要的應(yīng)用，它可以提供藥物設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)信息，還可以通過(guò)NMR技術(shù)進(jìn)行配體的篩選，從而在確定藥物的有效性等方面有著廣泛的應(yīng)用。Company Logo 核磁共振技術(shù)在生物技術(shù)中的應(yīng)用:可以無(wú)侵入的獲取活體生物系統(tǒng)的信息，使NMR技術(shù)在活體應(yīng)用方面的研究進(jìn)展迅速。：可以用于分析生物細(xì)胞系統(tǒng)的代謝途徑，包括分析細(xì)胞內(nèi)的pH值、分析乳酸菌糖份的分解以及分析轉(zhuǎn)基因生物的代謝過(guò)程等。：可以用于生物反應(yīng)器系統(tǒng)的優(yōu)化，將NMR成像技術(shù)與代謝NMR技術(shù)結(jié)合起來(lái)用于設(shè)計(jì)生物反應(yīng)器，目前是一個(gè)全新的領(lǐng)域。：可以用于結(jié)構(gòu)基因組學(xué)，可方便的獲取蛋