实用核磁技术-王志宏--lecture 8---实验

1、实用核磁技术实用核磁技术实验部分实验部分核磁共振波谱仪核磁共振波谱仪Harvard Medical School：Bruker Avance(sgu) 900*Bruker Avance(sgu) 750 Bruker Avance(aqr) 600 Bruker Avance(sgu) 500 Bruker Avance(aqr) 500 Varian UnityInova 600 Varian UnityInova 500 Varian Unity+ 400* Varian Mercury 200* 核磁共振波谱仪核磁共振波谱仪北大北大 中科院武汉物理所中科院武汉物理所核磁共振波谱仪核磁共

2、振波谱仪 核磁共振波谱仪磁体和探头核磁共振波谱仪磁体和探头核磁共振波谱仪磁场强度核磁共振波谱仪磁场强度核磁共振波谱仪磁场强度核磁共振波谱仪磁场强度耦合常数的值耦合常数的值(Hz)(Hz)与与谱仪频率无关。谱仪频率无关。在不同频率的谱仪下在不同频率的谱仪下得到的化学位移值得到的化学位移值(ppm)(ppm)是相同的。是相同的。在低频率谱仪上相互在低频率谱仪上相互交错的多重峰，在高交错的多重峰，在高频率的谱仪可能清晰频率的谱仪可能清晰地分开。地分开。60 MHz60 MHz300 MHz 300 MHz 60 MHz60 MHz300 MHz 300 MHz 核磁共振波谱仪磁场强度核磁共振波谱仪磁

3、场强度NOESY on DNA-sample600MHz 700MHz 800MHz核磁共振波谱仪探头核磁共振波谱仪探头正向探头更有利于质子以外的核的检测，例如正向探头更有利于质子以外的核的检测，例如1313C C，3131P P反向探头跟有利于质子及通过质子进行检测的二维谱，例如反向探头跟有利于质子及通过质子进行检测的二维谱，例如COSYCOSY，NOESYNOESY等等核磁共振波谱仪基本注意事项核磁共振波谱仪基本注意事项高磁场高磁场：不要将金属质地，尤其是铁质地的物品带入离磁体较近的地带。不要将金属质地，尤其是铁质地的物品带入离磁体较近的地带。不要将磁卡一类物品带入离磁体较近的地带。不要将

4、磁卡一类物品带入离磁体较近的地带。装有心脏起搏器的人不要进入离磁体较近的地带。装有心脏起搏器的人不要进入离磁体较近的地带。5 gauss5 gauss300MHz300MHz：0.8m0.8m400MHZ400MHZ：1.2m1.2m600MHz600MHz：1.5m1.5m探头探头：核磁管下部不能有裂纹核磁管下部不能有裂纹进入探头的深度要适当进入探头的深度要适当一旦样品破碎立即联系管理员一旦样品破碎立即联系管理员样品和样品管样品和样品管样品：纯净，干燥，溶液内无灰尘或沉淀样品：纯净，干燥，溶液内无灰尘或沉淀 尤其不应含有铁磁性杂质。尤其不应含有铁磁性杂质。特殊条件下需要过滤或除氧特殊条件下需

5、要过滤或除氧易分解的金属有机化合物通过氧化铝过滤易分解的金属有机化合物通过氧化铝过滤除氧方法：通氮气除氧方法：通氮气/ /氩气，或冷冻法氩气，或冷冻法黏度不要过高（影响驰豫时间），黏度越大，分黏度不要过高（影响驰豫时间），黏度越大，分辨率越差，样品可适度稀释来提高分辨率。辨率越差，样品可适度稀释来提高分辨率。溶液内的灰尘会使谱线明显变宽而降低分辨率，溶液内的灰尘会使谱线明显变宽而降低分辨率，再好的匀场也无法解决该问题再好的匀场也无法解决该问题 对于对于。对于分子量较大的。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

6、加而降低分辨率。者粘度增加而降低分辨率。 对于二维实验，为了获得较好的信噪比，样品浓度对于二维实验，为了获得较好的信噪比，样品浓度必须够浓。根据经验，必须够浓。根据经验，2525毫克样品足以完成所有实验，包毫克样品足以完成所有实验，包括氢碳相关括氢碳相关HMBCHMBC实验。如果样品只有实验。如果样品只有1 1到到5 5毫克，只能完成毫克，只能完成均核氢氢相关实验，是与碳相关的实验至少需要过夜。均核氢氢相关实验，是与碳相关的实验至少需要过夜。样品的量样品的量样品和样品管样品和样品管样品管：匀质，清洁，不携带铁磁性物质样品管：匀质，清洁，不携带铁磁性物质不要用洗液洗涤，以免带入很难除去的顺磁杂质

7、不要用洗液洗涤，以免带入很难除去的顺磁杂质不要在温度太高的烘箱里直立烘太久不要在温度太高的烘箱里直立烘太久样品管的直径：样品管的直径： 5mm 5mm 最常用最常用 3mm 3mm 用于样品量很少的样品，利于高浓度观察用于样品量很少的样品，利于高浓度观察 10mm 10mm 用于观测低灵敏度核或溶解度受限制的样品用于观测低灵敏度核或溶解度受限制的样品溶液体积：溶液体积： 5mm probe 5mm probe 0.4-0.6 ml0.4-0.6 ml 3mm probe 0.1-0.15 ml 3mm probe 0.1-0.15 ml样品和样品管样品和样品管样品管处于合适的高度，使样品处于磁

8、场的最强且最均匀的部分。样品管处于合适的高度，使样品处于磁场的最强且最均匀的部分。足够的溶液高度，足够的溶液高度，4.54.55cm5cm。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。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。对于对于5 5毫米核磁管，毫米核磁管，。太低的溶液高度使匀场所需时间大大增加，而且很难得到高太低的溶液高度使匀场所需时间大大增加，而且很难得到高质量的谱图。太高的溶液高度使溶液过度被稀释，而达到某质量的谱图。太高的溶液高度使溶液过度被稀释，而达到某一要求的信噪比的时间，与溶液的浓度的平方成反比。一要求的信噪比的时间，与溶液的浓度的平方成反比。不要为了

9、增加浓度而过分缩小溶液的体积。不要为了增加浓度而过分缩小溶液的体积。谱仪的磁场强度越高，仪器灵敏度也高，对于污染物、样品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。制备不好和不好的样品管的灵敏度也增加。样品和样品管样品和样品管样品和样品管样品和样品管氘代溶剂氘代溶剂谱议靠氘信号锁场以调节稳定的谱议靠氘信号锁场以调节稳定的B B0 0 (0.1 of 300000000Hz)(0.1 of 300000000Hz)和匀场和匀场与样品不发生化学反应。与样品不发生化学反应。溶解度：越大越好，以增加实验的灵敏度溶解度：越大越好，以增加实验的灵敏度溶剂信号对

10、样品的干扰：越小越好，尽量不与谱峰范围重叠溶剂信号对样品的干扰：越小越好，尽量不与谱峰范围重叠温度可靠性：在实验温度下不会挥发或凝固，溶解度不会受太大影响温度可靠性：在实验温度下不会挥发或凝固，溶解度不会受太大影响粘滞性：粘滞性越小，分辨率越好粘滞性：粘滞性越小，分辨率越好水含量：几乎所有核磁溶剂里都有痕量或更多的水水含量：几乎所有核磁溶剂里都有痕量或更多的水 水的存在会降低谱图的质量水的存在会降低谱图的质量 除水：干燥剂过滤，分子筛储存除水：干燥剂过滤，分子筛储存氘代溶剂氘代溶剂一般要求：惰性，低沸点，价格尽量便宜一般要求：惰性，低沸点，价格尽量便宜首选溶剂：首选溶剂：CDClCDCl3 3

11、 尖锐的单峰，尖锐的单峰，7.26 7.26 ppmppm 沸点沸点60.860.8C C 100ml 100ml ￥520520其它常见氘代溶剂：其它常见氘代溶剂： CD CD3 3COCDCOCD3 3 Benzene Benzened d6 6 DMSO DMSOd d6 6在不同的溶剂中化学位移稍有变化。在不同的溶剂中化学位移稍有变化。一般在一般在0.1ppm0.1ppm之内。之内。加入氘代苯或氘代吡啶，可能引发较加入氘代苯或氘代吡啶，可能引发较明显的变化。明显的变化。高温：高温：DMSODMSOd d6 6，toluenetoluened d8 8低温：低温：CDCD2 2ClCl2

12、 2，CDCD3 3ODOD，THFTHFd d4 4溶剂对化学位移的影响溶剂对化学位移的影响氢键氢键 p-pp-p作用作用 构象变化构象变化 苯、乙腈等分子具有强的磁各向异性。在样品中加入苯、乙腈等分子具有强的磁各向异性。在样品中加入少量此类物质，会对样品分子的不同部位产生不同的屏蔽少量此类物质，会对样品分子的不同部位产生不同的屏蔽作用。这种效应称溶剂效应。如在作用。这种效应称溶剂效应。如在1 1H NMRH NMR测试中，使用测试中，使用CDClCDCl3 3作溶剂，若有些峰组相互重叠，可滴加几滴氘代苯作溶剂，若有些峰组相互重叠，可滴加几滴氘代苯溶剂，由于溶剂，由于C C6 6D D6 6

13、的各向异性，容易接近样品分子的的各向异性，容易接近样品分子的 正端而正端而远离远离 负端，使得负端，使得 值相近的峰组有可能分开，从而使谱图值相近的峰组有可能分开，从而使谱图简化，便于解析。简化，便于解析。 溶剂对化学位移的影响溶剂对化学位移的影响溶剂对化学位移的影响溶剂对化学位移的影响溶剂对化学位移的影响溶剂对化学位移的影响氘代溶剂氘代溶剂氘代溶剂氘代溶剂氘代溶剂氘代溶剂 mult.氘 代 溶 剂CDCl3(CD3)2CO(CD3)2SOC6D6CD3CNCD3ODD2OC5D5N残余溶剂峰7.262.052.507.161.943.314.797.207.578.72水峰brs1.562.

14、843.330.402.134.874.794.96CHCl3s7.268.028.326.157.587.90 (CH3)2COs2.172.092.091.552.082.152.22 (CH3)2SOs2.622.522.541.682.502.652.71 C6H6s7.367.367.377.157.377.33 CH3CNs2.102.052.071.551.962.032.06 CH3OHCH3,sOH,s3.491.093.313.123.164.013.073.282.163.343.34 C5H5NCH(2),mCH(3),mCH(4),m 8.627.297.688.58

15、7.357.768.587.397.798.536.666.988.577.337.738.537.447.858.527.457.878.727.207.57CH3COOC2H5CH3,sCH2,qCH3,t2.054.121.261.974.051.201.994.031.171.653.890.921.974.061.202.014.091.242.074.141.24CH2Cl2s5.305.635.764.275.445.49 n-hexaneCH3,tCH2,m0.881.260.881.280.861.250.891.240.891.280.901.29C2H5OHCH3,tCH

16、2,q1.253.721.123.571.063.440.963.341.123.541.193.601.173.65氘代溶剂氘代溶剂氘 代 溶 剂CDCl3(CD3)2CO(CD3)2SOC6D6CD3CNCD3ODD2OC5D5N溶剂峰77.16206.2629.8439.52128.061.32118.2649.00-123.44135.43149.84CHCl377.3679.1979.1677.7979.1779.44 (CH3)2CO207.0730.92205.8730.60206.3130.56204.4330.14207.4330.91209.6730.67215.9430.

17、89(CH3)2SO40.7641.2340.4540.0341.3140.4539.39C6H6128.37129.15128.30128.62129.32129.34CH3CN116.431.89117.601.12117.911.03116.020.20118.261.79118.060.85119.681.47CH3OH50.4149.7748.5949.9749.9049.8649.50C5H5N149.90123.75135.96150.67124.57136.56149.58123.84136.05150.27123.58135.28150.76127.76136.89150.0

18、7125.53138.35149.18125.12138.27 CH3COOC2H521.04171.3660.4914.1920.83170.9660.5614.5020.68170.3159.7414.4020.56170.4460.2114.1921.16171.6860.9814.5420.88172.8961.5014.4921.15175.2662.3213.92CH2Cl253.5254.9554.8453.4655.3254.78 n-hexane14.1422.7031.6414.3423.2832.3013.8822.0530.9514.3223.0431.9614.432

19、3.4032.3614.4523.6832.73C2H5OH18.4158.2818.8957.7218.5156.0718.7257.8618.8057.9618.4058.2617.4758.05化学位移内标化学位移内标一般要求：惰性，低沸点，有尖锐的峰，一般要求：惰性，低沸点，有尖锐的峰， 尽量与大部分化合物的出峰位置不重叠尽量与大部分化合物的出峰位置不重叠无论内标还是外标，实际化学位移值随温度变化而变化，无论内标还是外标，实际化学位移值随温度变化而变化，而标准物本身就受温度的影响。如温度每改变而标准物本身就受温度的影响。如温度每改变30K30K，TMSTMS质质子共振信号将变化子共振信

20、号将变化0.1 ppm0.1 ppm。因此，如果做变温试验，最好。因此，如果做变温试验，最好标明详细的实验过程。标明详细的实验过程。H3CSiCH3CH3CH3OOTMSDDDDNa DSA1 1H H， 1313C C： TMSTMS bp bp：26262828o oC C 12 12质子，尖锐的单峰，屏蔽高于绝大多数质子质子，尖锐的单峰，屏蔽高于绝大多数质子水溶液中：水溶液中：TSPTSPd4d4化学位移内标化学位移内标化学位移内标化学位移内标1H TMS TSP-d4(aq.) 13C TMS 1,4-dioxan (67.5 ppm), TSP-d4(aq.) 14N15N CH3N

21、O2 NH3(liq.), NH4NO2(aq.)17O H2O19F CFCl329Si TMS31P H3PO4(85%)10B, 11B BF3 Et2O H2BO3(aq.) 6Li，7Li LiCl(0.1 or 1M) 使用位移试剂使用位移试剂能使样品的质子信号发生位移的试剂叫做位移试剂。能使样品的质子信号发生位移的试剂叫做位移试剂。镧系元素的络合物能与有机化合物中某些功能团相互作用，从而影响镧系元素的络合物能与有机化合物中某些功能团相互作用，从而影响外围电子对质子的屏蔽效应，选择性地增加了各氢的化学位移。外围电子对质子的屏蔽效应，选择性地增加了各氢的化学位移。使用位移试剂使用位移

22、试剂某些镧系金属的可以与含氧或氮的化某些镧系金属的可以与含氧或氮的化合物形成配合物，由于镧系金属离子合物形成配合物，由于镧系金属离子的顺磁性，距离金属离子较近的原子的顺磁性，距离金属离子较近的原子核被更多地去屏蔽，因而有较高的化核被更多地去屏蔽，因而有较高的化学位移，而距离金属离子较远的原子学位移，而距离金属离子较远的原子核受到的影响很小，从而是原本叠加核受到的影响很小，从而是原本叠加的峰分开。的峰分开。谱仪的调试及参数的设定谱仪的调试及参数的设定 目的：获得最高的灵敏度和分辨率目的：获得最高的灵敏度和分辨率 保障实验的可重复性保障实验的可重复性 一般通用实验过程：一般通用实验过程：进样进样调

23、出标准参数调出标准参数 样品的平衡过程样品的平衡过程探头的调谐探头的调谐 锁场锁场 匀场（优化磁场的均匀程度）匀场（优化磁场的均匀程度）收集信号收集信号探头的调谐和匹配探头的调谐和匹配每个探头对不同频率的信号的灵敏度不同每个探头对不同频率的信号的灵敏度不同调谐：调整探头电路（可调电容）以获得相应发射频率最大的灵敏度调谐：调整探头电路（可调电容）以获得相应发射频率最大的灵敏度匹配：调节探头的线路阻抗以使能量最大限度地被传递到线圈中匹配：调节探头的线路阻抗以使能量最大限度地被传递到线圈中调谐和匹配的结果与探头，溶剂和样品体积相关调谐和匹配的结果与探头，溶剂和样品体积相关进行杂核或二维谱测定时，需要

24、调节探头的调谐和匹配进行杂核或二维谱测定时，需要调节探头的调谐和匹配探头的调谐和匹配探头的调谐和匹配bad matching and tuningbad matching, good tuninggood matching, bad tuninggood matching and tuningTuning and matching affect each other.探头的调谐和匹配探头的调谐和匹配锁场（锁场（lockinglocking）这个超导磁体的范围很大，而所有观察的磁场只是其中的一小部分，这个超导磁体的范围很大，而所有观察的磁场只是其中的一小部分，所以要用某种物质的信号做为标准，锁定

25、欲观察的频率范围。所以要用某种物质的信号做为标准，锁定欲观察的频率范围。氘代溶剂里的氘代溶剂里的D D信号。信号。BrukerVarian锁场（锁场（lockinglocking）Lock levelLock level的最佳范围在的最佳范围在8080100100之间。之间。建议相应提高建议相应提高lock gainlock gain而使用较低的而使用较低的lock powerlock power。Lock power Lock power 太高时，会导致对样品产生影响的能量在驰豫过程太高时，会导致对样品产生影响的能量在驰豫过程中无法被完全消散掉，进而导致溶液的过热及谱图质量的下降，中无法被完

26、全消散掉，进而导致溶液的过热及谱图质量的下降，称为称为saturationsaturation。调节调节lock power lock power 使锁场信号的强度大约为最高值的使锁场信号的强度大约为最高值的8080。匀场（匀场（ShimmingShimming）2BL磁场的均匀程度重要，不均匀的磁场会严重导致谱线的加宽磁场的均匀程度重要，不均匀的磁场会严重导致谱线的加宽 。CHCH3 3CHOCHOShimsShims是一些小的电磁场（线圈），用以抵消样品中的磁场的非均匀性。是一些小的电磁场（线圈），用以抵消样品中的磁场的非均匀性。调节这些小电磁场以达到整个样品中磁场的均匀的过程成为调节这些小电磁场以达到整个样品中磁场的均匀的过程成为shimmingshimming。No shimming, no NMR!匀场（匀场（ShimmingShimming）奇数奇数Z Z：峰宽：峰宽偶数偶数Z Z：对称性：对称性X,YX,Y：旋转边带及对称性：旋转边带及对称性低阶的匀场影响更大低阶的匀场影响更大匀场（匀场（ShimmingShimming）Z3 Z4 Z5 Z2 Z2 Z1 Z1 匀场（匀场（Shimmi