核磁共振第三部分PPT课件

1 核磁共振 简称NMR NuclearMagneticResonance 是一种用来研究物质的分子结构及物理特性的光谱学方法 所谓核磁共振就是处于某个静磁场中的原子核可在磁场中产生能级分裂 用无线电波照射时 原子核发生共振跃迁 记录电磁波被吸收的位置和强度 核磁共振波谱 最常用的为1H和13C谱 其他还有19F 31P和15N 内容回顾 2 核磁共振的产生 在外加磁场中 自旋的原子核具有不同的能级 如用一特定的频率 的电磁波照射样品 并使 原子核即可进行能级之间的跃迁 产生核磁共振吸收 3 同种类型的核 如果所处化学环境不同 它们就会感受到不同的局部磁场Bloc 那么核所经受的有效场Beff为 是核的磁屏蔽常数 与核的化学环境 既原子的电子结构和分子结构 有关 与外磁场无关 它是一个张量 在溶液中 由于分子的快速运动平均为常数 Bloc的本质是由于电子的轨道运动所产生的屏蔽 Beff Bo Bloc Bo 1 Bloc Bo Bo 1 2 Bloc BoBoBoBo 4 NMR标度 ppm 频率标度随外磁场的改变而改变 应用起来不方便 使用相对标度 用特殊的化合物作参考信号 不随磁场改变 用100MHz 2 35T 磁场测得的 与用600MHz 14 1T 磁场测得的 相同 5 TMS Tetramethylsilane 是常用的参考物质 它溶于大部分有机溶剂 惰性 易挥发 并有12个等性的1H核和4个等性的13C核 还有一些其它的参考物质 如用于有机溶剂13C谱的二氧六环等 6 HO CH2 CH3 去屏蔽小的屏蔽常数 大的化学位移 移往低场 正屏蔽大的屏蔽常数 小的化学位移 移往高场 ppm 低场 高场 7 影响化学位移的因素 8 分子内的屏蔽 其它原子或基团对目标核的磁屏蔽作用 分子结构信息 诱导效应 由于电负性较强基团的拉电子作用导致与之相连的原子 基团 周围的电子密度下降 核磁屏蔽减少 谱线向低场方向移动 9 Cl的连续取代对CH4分子1H化学位移的影响 10 去屏蔽效应随相隔原子个数增加逐渐衰减 11 共轭效应 由于共轭多重键 电子转移导致原子 基团 电子密度和磁屏蔽的改变 p 共轭 推电子给 位 共轭 从 位拉电子 12 考虑H Y分子 Y可以是一个原子或基团 如C C单键 C C双键 C三C叁键 C O双键等 在外磁场作用下 围绕Y的电子就被迫以某种方式运动 产生磁矩 Y 因而形成次级磁场 次级磁场具有方向性 故对分子各部位的磁屏蔽各不相同 即磁各项异性效应 磁各项异性效应 13 假设键是圆柱形对称的 则H核处的屏蔽常数可以表示为x 和x 分别为平行于和垂直于化学键的磁化率 的符号取决于两个因子 1 3cos2 的符号 当 54 44 时 0 的符号 它依赖于键的特性 C三C的 的符号正好和其它各键的情况相反 因而屏蔽区和去屏蔽区也正好相反 r 14 从键的中心开始划分出两个锥形体 锥形体内部与外部屏蔽效果不同 为屏蔽区 为去屏蔽区 在54 7 屏蔽效果是零 15 环流效应Benzene Cyclohexa 1 3 diene 18 annulene 16 VanderWaalseffect 当两个原子相互靠近时 由于范德华力的作用 电子云互相排斥 导致原子周围的电子密度降低 电子屏蔽减少 谱线向低场移动 17 分子间的屏蔽 其它分子中的原子或基团的屏蔽 氢键效应使电子云密度平均化 使OH或SH中质子移向低场 如分子间形成氢键 其化学位移与溶剂特性及浓度有关 如分子内形成氢键 与溶液无关 只与分子本身有关 18 分子内氢键 分子间氢键 与诱导效应同 19 常见结构单元化学位移范围 20 自旋 自旋偶合 产生原因 相邻核自旋间相互干扰 存在能量偶合 使谱线分裂 偶合方式 1 直接偶合 核磁矩间直接发生偶合作用 与核间的空间距离和取向有关 在溶液中由于分子的快速运动直接偶合被平均为零 2 间接偶合 J偶合 核间通过核外电子云间作用产生的偶合作用 21 当自旋体系存在自旋 自旋J偶合时 导致NMR谱线分裂 由分裂所产生的裂距 反映了相互偶合作用的强弱 称为偶合常数J couplingconstant 单位HZ 偶合常数的分类 按偶合核之间相隔化学键的数目分为 1J 2J 3J 22 23 自旋偶合图AX系统AX2系统AMX系统A2X2系统AX3系统A2X3系统 24 图谱解析 1 区分出杂质峰 溶剂峰 旋转边带 2 计算不饱和度 3 确定谱图中各峰组所对应的氢原子数目 对氢原子进行分配 4 对每个峰的 J都进行分析 5 对推出的结构进行指认 25 第一节观察核磁共振现象的两种仪器 1 连续波谱仪一般采用永磁铁或电磁铁 最高频率 磁场 只能做到100MHz 频率越高 仪器越灵敏 做出的图谱越简单 越易解析 在固定射频下进行磁场扫描 扫场法 或在固定磁场下进行频率扫描 扫频法 使不同的核依次满足共振条件而画出谱线 第二章核磁共振仪器原理 26 一般连续波谱仪是在核进动的频率范围内用扫频或扫场的方式来观察NMR信号的 由于每一时刻只能观察一条谱线 所以效率低 由于信噪比S N与N1 2成正比 提高10倍则需要100次的累加 时间消耗大 也难以保证信号长期稳定 27 此外 13C的化学范围远比1H宽 1H化学位移在15以内 13C在250以上 显然13C扫描一次很费时 而13C丰度低 信号太弱 必须用累加方式解决此问题 为了解决上述难题 必须采用脉冲傅立叶变换仪器 28 2 脉冲傅立叶变换仪器 PFT NMR 脉冲傅立叶变换仪器是使所有的原子核同时共振 采用一个强射频 以脉冲方式将所有的核激发 为了提高信噪比 需多次重复照射 接收 将信号累加 29 现在生产的脉冲傅里叶变换核磁共振仪大多是超导核磁共振仪 采用超导磁铁产生高的磁场 超导线圈浸泡在液氦中 为了减少液氦的蒸发 液氦外面用液氮冷却 这样的仪器可以做到200 900MHz 仪器性能大大提高 但消耗也大大增加 30 连续波与脉冲波方式的相同之处 都需要一个磁场 电磁铁 永磁铁 超导磁体 要求具有很好的稳定性和均匀性以提高仪器的稳定性和分辨率 因此都需要具有稳场和匀场系统 都需要一个能产生与磁场强度相适应的某个频率的射频振荡发射机 都需要一个能检测核共振信号的探头 及对信号放大 检波的接受系统 信号的记录装置 31 连续波与脉冲波方式的不同之处 射频场不同 连续波方式所用射频功率小于1W 磁场强度H1为10 4高斯 脉冲方式所用射频功率为几千W 磁场强度H1为100高斯以上 脉冲波的信号为自由衰减信号 FID 需要傅立叶变换技术 脉冲波不需要调制系统 32 NMR的构成及作用 1 磁铁 提供外磁场 要求稳定性好 均匀 不均匀性小于六千万分之一 2 射频振荡器 线圈垂直于外磁场 发射一定频率的电磁辐射信号 3 射频信号接受器 检测器 当质子的进动频率与辐射频率相匹配时 发生能级跃迁 吸收能量 在感应线圈中产生毫伏级信号 4 样品管 外径5mm的玻璃管 测量过程中旋转 磁场作用均匀 33 34 第二节 脉冲傅立叶核磁变换波谱仪 脉冲傅立叶核磁共振波谱 采用在恒定的磁场中 用一定频率宽度的射频强脉冲辐射试样 使自旋取向发生改变并跃迁至高能态 高能态核经一段时间后又重新返回低能态 通过收集这个过程产生的感应电流 即可获得时间域上的波谱图 经傅立叶转换可获得频率域的波谱图 35 脉冲傅立叶核磁变换的基本原理 1 对于一个化合物来说 不同官能团中的核有不同的化学位移 即在不同位置出峰 因此其谱图会占据相当的宽度 对每一不同共振频率的原子核有相应的通式 36 该式说明当H1足够强时 不同共振频率的核所受到的有效磁场都是近似相等的 都近似为H1 也就是说 虽然它们的共振频率有一定的差异 但确都同时发生了共振 则 如果 37 因此 H1必须很强 连续波仪器中是毫高斯的量级 而现在是几十个高斯的量级 在H1的作用下 旋转坐标系中 转动速度为 38 39 在tp 脉冲宽度 的作用下 转动的角度为 如果 控制tp使 转动90 则 40 因此 为了激发具有一定宽度的所有原子核 必须使用短而强的脉冲 41 激发RF的装置 时间控制单元TCU 42 二 受到射频脉冲后宏观磁化强度的进动在热平衡的情况下B0方向的宏观磁化强度M0在y方向的分量为0 无核磁共振信号 如果沿x方向加一个射频脉冲 在y方向来接受信号 此时 宏观磁化强度M0不再保持静止 而是绕着x轴转动 也就是核自旋受到了激发 43 44 宏观磁化强度转动方向为Z Y Z Y Z M0偏离z轴 倾倒了一个角度 若此角度为90 这个射频脉冲叫90 射频脉冲 这时在y方向的分量My最大 45 通过脉冲的照射 磁化矢量将以脉冲的照射方向为轴在垂直于脉冲的照射方向的平面内转动 只要脉冲打开 则磁化矢量的转动就不会停止 磁化矢量的转动速度取决于脉冲强度 脉冲长度 宽度 将决定磁化矢量停止的位置 A脉冲长度 46 47 90o脉冲将给出最大的信号 所以也就成为准确测定此参数的原因之一 在特定的功率强度下 通过采集一系列不同脉冲长度的谱图以确定最大值或零强度点 此点就给出90o或180o的脉冲 48 49 此时 在y轴方向上的探测器将测得宏观磁化强度M在y轴上分量My的变化 如果要把My随时间t的变化表示出来 就是把M M0过程中M的螺旋旋进图形向ZY面作投影 其坐标为MY和t 这个MY随时间t变化的图形 叫做自由感应衰减信号 fleeinductiondecay FID 它代表信号随时间t的变化的函数 又叫时畴函数f t 50 51 自由衰减信号并不能象COS函数一样保持同样的振辐持续下去 而是以指数的方式衰减为零 52 一个有一定宽度 tp 的射频方形脉冲的频谱中包含全部频率成分 但是各频率分量的幅度不均匀 射频频率f1最强 然后在f1两边幅度逐渐衰减 它的频谱是连续的 tp选的足够小 在f1附近获得较均匀的频谱 tp 10 s 可获得最大FID信号 三 激发 脉冲 信号过程的傅立叶转换 53 54 为了在谱宽范围内能得到等强度的激发 必须有一个较宽的平坦区 要求脉冲宽度尽可能地小 为了达到一定的扳转角 脉冲宽度tp越小 要求脉冲强度H越大 常规记谱用90 脉冲 单脉冲激发实际上就是用一个连续频率谱去照射自旋系统 相当于在同一时刻完成一次扫描 接收到的FID信号经傅里叶变换后得频率谱 55 为了提高灵敏度 需进行重复实验 累加信号 这相当于用一串重复脉冲激发 每次脉冲后作一次取样 作n次累加 信噪比提高n1 2倍 相干累加的条件是信号的相位必须相同 一般采用周期脉冲序列 周期脉冲激发是用等间隔离散频率谱激发 相邻两频率间的距离为1 56 其强度用包络线表示 主带频谱范围w 2 tP 在这个频谱范围w内 相邻射频频率差为 1 tr 在整个主带频谱范围内频率不同的射频总数n W 2tr tP 57 若某一个脉冲的脉冲宽度tP为10 s 脉冲间隔tr为2s 则 也就是说 这个脉冲系列内包含有4 105个不同频率的射频波 足以使样品中具有不同化学位移的核同时受到激发 产生共振得到FID信号 脉冲傅里叶变换脉冲时间短 每次脉冲的间隔一般也仅为几秒 许多在连续波仪器上无法做的测试可以在脉冲傅里叶变换核磁共振仪上完成 58 在核磁共振实验中 由于原子核所处的电子环境不同 而具有不同的共振频率 实际上 NMR信号包含许多共振频率的复合信号 分析研究这样一个符合信号显然是很困难的若要将FID信号转化为一般的图谱 必须经过傅里叶变换将时畴函数f t 转化为频畴函数g v 得到核磁共振谱 四 接受信号过程的傅立叶转换 59 60 信号首先被送到前置放大器然后送到接收器 接收器分解此信号使之频率降低到声频范围 模拟数字转换器将此信号数字化 在得到FID信号以后 由于它是一个时间函数 并不是我们期望得到的频率图谱 所以需再一次经过傅里叶变换 才能得到核磁共振图谱 61 得到PFT NMR图谱的过程简图 62 第三节仪器组成 63 64 一 磁铁或磁体磁铁或磁体产生强的静磁场 以满足产生核磁共振的要求 谱仪的磁感强度H0和谱仪工作频率是成正比的 100MHz 以氢核计 的谱仪所需磁感强度为2 35T 特斯拉 1特斯拉 10000高斯 65 100MHz以下的低频谱仪采用电磁铁或永久磁铁 由于电磁铁不可避免地会消耗大量电能 已经停止生产 200MHz以上高频谱仪采用超导磁体 它利用含铌合金在液氦温度下的超导性质 超导磁体 及其中心的探头 的结构如图所示 66 由铌合金丝缠绕的超导线圈完全浸泡在液氦中间 为减低液氦的消耗 其外围是液氮层 液氦及液氮均由高真空的罐体贮存 以降低蒸发量 只要液氦始终完全淹没线圈 含铌合金在此温度下的超导性则使电流一直维持下去 67 液氦需及时补充 视不同谱仪而定 约为3至6月 每7至10天则需补加液氮 磁体的中心为探头 为使磁力线均匀 设置有两大组匀场线圈 每大组匀场线圈又由多组线圈构成 后者每组线圈产生一组特殊的磁力线 由它们的综合作用 产生均匀的磁场 68 两 大 组匀场线圈为低温匀场线圈和室温匀场线圈低温匀场线圈浸泡在液氦中 升场以后进行调节 室温匀场线圈由分析测试人员在放置样品管后进行调节 69 磁场的稳定性是通过稳定的磁体及锁场系统来实现 而小的线宽则通过能提供均匀场强的磁体及匀场来完成 若样品中各处磁场不均匀 各处的原子核共振频率不同 这将导致谱峰加宽 即分辨率下降 为使磁场均匀 除前面所讲的采用低温和室温两大组匀场线圈之外 还有使样品管旋转 锁场 70 锁场方法主要有两种 1 外部锁场在磁场中 样品管附近放入水或16F的化合物作锁场试样 用水的质子或16F核的NMR信号来恒定磁场强度 2 内部锁场在被测样品中加入锁场化合物 用锁场化合物的信号来恒定磁场强度 锁场化合物一般用TMS 71 72 锁场实现 通过不间断的测量一参照信号 氘信号 并与标准频率进行比较 如果出现偏差 则此差值被反馈到磁体并通过增加或减少辅助线圈 Z0 的电流来进行矫正 2D LockTX LockRX Lockfreq D Z0 coil 73 匀场 Shimming 在样品中 磁场强度应该是均匀且单一 以使相同的核无论处于样品的何种位置都应给出相同的共振峰 为达此目的 一系列所谓匀场线圈按绕制所提供的函数方式给出补偿以消除磁场的不均匀性 从而得到窄的线形 实际应用中可分为低温匀场 cryo shims 线圈和室温匀场线圈RT shims 低温匀场线提供较大的矫正 74 匀场 Shimming 75 探头是核磁谱仪的核心部件 它固定于磁体或磁铁的中心 为圆柱形 探头的中心放置装载样品溶液的样品管 探头对样品发射产生核磁共振的射频波脉冲并检测核磁共振的信号 这两个功能常可由一个线圈来完成 二 探头 76 一般PFT NMR仪在探头上有三个通道 1 锁通道 为保持磁场高度稳定性 2 发射及接收通道 作为观察NMR信号的主要部分 3 干扰通道 可根据需要发射干扰射频 以完成各种不同的操作 仪器的运行及数据处理皆用计算机控制 77 从产生射频宽窄的角度 探头分为两类 1 产生固定频率的探头 如检测1H和13C的双核探头 或检测1H 31P 13C和15N的四核探头 2 频率连续可调的探头 高频起于31P的共振频率 低频限有不同的产品 如终止于15N或109Ag的共振频率 78 79 通常探头检测线圈在里 去耦线圈在外 以便得到较高的检测灵敏度 氢以外的磁性核 如13C 19F 31P 15N等 它们的磁旋比均比氢低得多 检测灵敏度也就低得多 较新的谱仪探头配有产生脉冲场梯度的装置 它的功用为抑制溶剂峰和大大缩短测定二维核磁共振谱的时间 当样品有足够的量时 80 三 前置放大器 Preamp 去接收器的信号 81 前置放大器有两种用途 1 放大检测到的NMR信号 从微伏到毫伏 2 分离高能RF脉冲与低能NMR信号 前置放大器含有一接收发射开关 T R 其作用就是阻止高压RF脉冲进入敏感的低压的信号接收器 82 四 谱仪的其他部件 除磁体 或磁铁 和探头之外 核磁共振谱仪尚包括多个部件 如射频发生器 前置放大器 接收器等等 由于是傅里叶变换分析仪器 必须有相应的计算机硬件 软件 高频核磁谱仪一般配有工作站 以进行复杂的运算和操作 83 84 第四节仪器操作 1 样品的制备在测试样品时 选择合适的溶剂配制样品溶液 样品的溶液应有较低的粘度 否则会降低谱峰的分辨率 若溶液粘度过大 应减少样品的用量或升高测试样品的温度 通常是在室温下测试 当样品需作变温测试时 应根据低温的需要选择凝固点低的溶剂或按高温的需要选择沸点高的溶剂 85 对于核磁共振氢谱的测量 应采用氘代试剂以便不产生干扰信号 氘代试剂中的氘核又可作核磁谱仪锁场之用 以用氘代试剂作锁场信号的 内锁 方式作图 所得谱图分辨率较好 特别是在微量样品需作较长时间的累加时 可以边测量边调节仪器分辨率 对低 中极性的样品 最常采用氘代氯仿作溶剂 因其价格远低于其它氘代试剂 极性大的化合物可采用氘代丙酮 重水等 86 针对一些特殊的样品 可采用相应的氘代试剂 如氘代苯 用于芳香化合物 芳香高聚物 氘代二甲基亚砜 用于某些在一般溶剂中难溶的物质 氘代吡啶 用于难溶的酸性或芳香化合物 等 87 为测定化学位移值 需加入一定的基准物质 基准物质加在样品溶液中称为内标 若出于溶解度或化学反应性等的考虑 基准物质不能加在样品溶液中 可将液态基准物质 或固态基准物质的溶液 封入毛细管再插到样品管中 称之为外标 对碳谱和氢谱 基准物质最常用四甲基硅烷 88 样品样品对核磁共振谱图质量至关重要 对于氢谱 3到10毫克样品足够 浓度为5 10 对于分子量较大的样品 有时需要浓度更大的溶液 但浓度太大会因饱和或者粘度增加而降低分辨率 对于碳谱和杂核 样品浓度至少为氢谱的5倍 一般在100毫克左右 89 对于二维实验 为了获得较好的信噪比 样品浓度必须够浓 根据经验 25毫克样品足以完成所有实验 如果样品只有1到5毫克 只能完成均核氢的相关实验 与碳相关的实验至少需要过夜 90 保持样品高度或者体积一致 这将减少换样品后的匀场时间 对于5毫米核磁管 样品体积应为0 5毫升或者样品高度为4厘米 核磁管必须干燥清洁 避免样品污染 谱仪的磁场强度越高 仪器灵敏度也高 对于污染物 样品制备不好和不好的样品管的灵敏度也增加 请保持核磁管和转子干净 在实验前检查核磁管外壁是否干净 91 为改善磁场的均匀性 在样品管上部套有一个涡轮转子 压缩空气从其切向吹来 涡轮转子带动样品管一起转动 测试溶液样品的核磁谱仪 其转速约为20周 秒左右 另有一套管路系统 用于变温测量 样品管旋转的副作用是可能产生旋转边带 即在信号左右对称处出现边带峰 改变旋转速度 边带峰与样品峰的距离相应变化 由此可以确认边带 92 溶剂的选择 NMR