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在外磁場作用下，用射頻照射置于磁場中的分子，可引起分子中有磁矩的核發(fā)生能級躍遷，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強(qiáng)度處產(chǎn)生強(qiáng)弱不同的吸收信號。吸收信號的強(qiáng)度對射頻作圖，即為核磁共振波譜。建立在核磁共振波譜原理基礎(chǔ)上的一類分析方法就稱為核磁共振法（NMR）。核磁共振法（NMR）Company Logo基本原理：原子核的自旋及分類：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產(chǎn)生角動量，又因原子核帶正電，自旋時(shí)會產(chǎn)生磁矩。 序號 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)其周圍空間會產(chǎn)生磁場。I0的核自旋時(shí)產(chǎn)生動量矩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)； 稱為磁選比。同一類原子核（指I值相同的核），動量矩相同，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中的2I+1個(gè)能量狀態(tài)或2I+1個(gè)能級。 Company Logo核磁共振：如左圖所示自旋核，若磁矩方向與外磁場方向一致，此時(shí) 一般為低能級，但另一種取向，即磁矩與外磁場方向相反，此時(shí) 一般為高能級。由于磁矩的取向不同，決定了其能級的不同，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，由上可知可通過調(diào)節(jié)電磁波的照射頻率或外磁場強(qiáng)度來使之發(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強(qiáng)度H取決于該核周圍的電子云密度。核外電子云受到磁場H0作用時(shí)，根據(jù)楞次定律，會產(chǎn)生感應(yīng)磁場 ，其方向與H0方向相反，因而對原子核產(chǎn)生屏蔽效應(yīng)（ ）式中 稱為屏蔽常數(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于H0來說是很小的。如在100MHz以儀器中，這個(gè)改變約為1250MHz，也就是說，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)子信號進(jìn)一步移向低場，如：取代基的誘導(dǎo)效應(yīng)隨取代基與被測基團(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 共軛作用增加某些基團(tuán)的電子云密度，使其在高場共軛，如：Company Logo另

6、外一些具有吸電性質(zhì)的取代基，通過 共軛作用而減小某些質(zhì)子的電子云密度，使其在低場共軛，如：3. 芳環(huán)、雙鍵和羰基屏蔽的各向異性效應(yīng)：這三類基團(tuán)雙鍵的 電子云均為盤式，當(dāng)它們的平面垂直于磁場時(shí)，就會產(chǎn)生感應(yīng)電流和感應(yīng)磁場，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 6.58.5范圍內(nèi)共振；烯烴的氫原子也在較低場共振 4.57.0；醛類氫原子除受到 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 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。氫鍵會使其產(chǎn)生低場位移，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圍的電子云密度和它們對外加磁場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)的小磁場的作用。如前文所述，在磁場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)生的磁場強(qiáng)度，則相鄰核將感受到 和 的磁場強(qiáng)度，分別在原共振頻率的低場和高場發(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，則該核會感受 、 、 和 的磁場，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，各峰的相對強(qiáng)度之比等于二項(xiàng)式（a+b）n 展開式各項(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)檢測所有核的激發(fā)信息，得到時(shí)域信號FID(自由感應(yīng)衰減信號)。FID經(jīng)過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譜的測定。靈敏度高。在快速采樣得到的FID的基礎(chǔ)上，通過累加可提高信噪比。可測

11、1H，13C和多種核的NMR。采用大型計(jì)算機(jī)后，通過設(shè)置適當(dāng)?shù)拿}沖序列可測各種新技術(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 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，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：微弱的信號通過放大后，由記錄儀自動掃描記譜圖。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)，以保證試樣相對于這些部

12、件的位置不變。探頭置于磁極之間，用于探測核磁共振信號。3.射頻接收器：其線圈在試驗(yàn)管的周圍，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 測定核參數(shù)， 旋轉(zhuǎn)速度等 溶劑參數(shù)選定 基本自動進(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)，信號強(qiáng)度 完全自動化 積分，譜圖放大 測量參數(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場頻聯(lián)鎖系統(tǒng)的數(shù)字化：（場頻聯(lián)鎖即將磁場和頻率鎖在一起，以保證鎖樣品始終與磁場保持在嚴(yán)格共振點(diǎn)上）其使磁場穩(wěn)定度和抗干擾能力比模擬鎖提高一個(gè)數(shù)量級，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)字化信號發(fā)生器和時(shí)間控制器使對發(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)字化梯度場和數(shù)字化變溫單元等。Company Logo3.探頭全自動調(diào)諧探

14、頭：克服了以往調(diào)諧時(shí)的不便。HR-MAS：對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，將同樣場強(qiáng)下的靈敏度提高了34倍。同時(shí)還可以使RF場均勻、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)等方式測定元素化學(xué)位移，通過所測元素的化學(xué)位移變化，得到所測元素的結(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：固體核磁共振的研究對象即聚合物無需溶解到溶劑中，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、晶相尺寸等都是研究材料的關(guān)注問題，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)是研究常見氟聚合物結(jié)構(gòu)和分子運(yùn)動的重要方法。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)庫等。核磁共振實(shí)驗(yàn)輔助設(shè)計(jì)專家系統(tǒng)：采用CL IPS 作為事實(shí)推理核心, 以VIsual C+ + 為界面開發(fā)工具, 設(shè)計(jì)開發(fā)了核磁共振實(shí)驗(yàn)輔助設(shè)計(jì)專家系統(tǒng)軟件. 該軟件可以根據(jù)用戶提供的關(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、石油勘測和水資源探查等。NMR技術(shù)在化學(xué)中的應(yīng)用： 在分子結(jié)構(gòu)的測定中的應(yīng)用：主要為對有機(jī)化合物絕對構(gòu)型的測定和對復(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，對有機(jī)反應(yīng)過程中間產(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題。Company Logo 在定量分析和分子量測定中的應(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。還可通過研究聚合反應(yīng)過程N(yùn)MR譜線寬度的變化，了解反應(yīng)過程中正在生長聚合物鏈的活動變化，從而獲得有關(guān)聚合反應(yīng)動力學(xué)方面的信息。：聚合物液體高分辨NMR可以提供的信息有：聚合物類型的鑒定；有關(guān)聚合物鏈的異構(gòu)化信息；通過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)條件下聚合過程鏈活動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：作為一種對人體無創(chuàng)、無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