核磁共振仪的发展及应用.pptx

<p>单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,核磁共振仪的发展及应用,由于核磁共振技术具有深入物质内部,而不破坏样品得特点,并随着核磁共振理论及波谱仪器得迅速发展,核磁共振波谱仪得应用领域正日趋增长。最初得波谱仪器,仅用于研究核物理,唯一得目得就是测定全部可能有得原子核磁矩。而八十年代,她已被广泛应用于有机化学、物理学、医学、分子生物学、石油化工、食品、军事等部门。现在核磁共振波谱仪,已就是人们探索物质微观世界得奥密所必不可缺少得重要手段。因此核磁共振波谱仪发展就是很迅速得。大致分为三个发展阶段。,核磁共振得发展,第一阶段,:,就是从,19 5 2,至,1 9 6 8,年连续波核磁共振波谱仪阶段。这期间连续波谱仪取得很大发展。美国得瓦瑞安公司、泼金一埃尔默公司,西德得布鲁柯公司,瑞士得布鲁柯光谱自旋公司,日本电子光学公司与日立公司都生产了多种型号连续波谱仪,频率从,6 0,到,1 0 0,兆赫。,第二阶段:,从,1 9 6 7,至,1 9 7 5,年。由于电子计算机应用于核磁共振领域,促进了脉冲付里叶变换波谱仪得诞生。第一台这类仪器就是布鲁柯公司生产得。这期间出现了连续波与脉冲付里叶变换组合得脉冲付氏变换波谱仪。在这个阶段中,连续波谱仪方面也有新得进展,如应用电子计算机,功能多样化等。超导核磁共振波谱仪发展到,3 6 0,兆赫。,第三阶段:,在,19 7 5,年以后,出现了高水平得脉冲付里叶核磁共振波谱仪,采用光笔控制系统、数字正交检波等先进技术,;,仪器由计算机进行全自动控制,可以进行多种自动测量。在连续波谱仪方面,研制与生产了更高磁场得波谱仪,如布鲁柯公司得,5 0 0,兆赫波谱仪,英国牛津公司生产得,5 0 0,兆赫高均场超导磁体。,1993,年在西德召开得欧洲实验核磁共振会议上,西德布鲁柯公司,美国得瓦瑞安公司与尼考勒脱公司,日本得电子光学公司展出得全就是超导核磁共振波谱仪。可见超导高分辨率核磁共振波谱仪已达到较高得水平。,发展历史,1924,年:,Pauli,预言了,NMR,得基本理论,即:有些核同时具有自旋与磁量子数,这些核在磁场中会发生分裂;,1946,年:,Harvard,大学得,Purcel,与,Stanford,大学得,Bloch,各自首次发现并证实,NMR,现象,并于,1952,年分享了,Nobel,奖;,1953,年:,Varian,开始商用仪器开发,并于同年制作了第一台高分辨,NMR,仪器;,1956,年:,Knight,发现元素所处得化学环境对,NMR,信号有影响,而这一影响与物质分子结构有关。,1970,年:,Fourier(pilsed)-NMR,开始市场化,(,早期多使用得就是连续波,NMR,仪器,),。,现代得核磁共振波谱仪就是由超导磁体,包含由射频发生、功率放大、脉冲形成及控制、信号检测等各种功能电子器件得主机,以及用于设置与控制实验得计算机系统所组成。当今世界科学技术得发展也促进了核磁共振波谱仪得发展,不仅就是谱仪本身已近乎于全数字化,而且已先后研制成静磁场强度更高(或共振频率更高)得超导磁体。已可提供使用得不仅有,600MHz,高场超导磁体,更有,750 MHz,与,800 MHz,超导磁体,900 MHz,超导磁体也已问世。核磁共振谱仪技术及实验方法得迅速发展大大扩展了核磁共振技术方法得应用范围。,Bruker,核磁共振波谱仪最新技术进展,FOURIER 60,台式核磁共振波谱仪,FOURIER 60,就是,Bruker,最新推出得最先进得台式核磁共振波谱仪,她就是高等院校核磁共振波谱教学得首选仪器,集安全性、高效、易用性与高性能于一体。,该系统运行行业标准,NMR,软件,TopSpin,并提供,1D,与,2D NMR,功能,在反应监测、液态聚合物、食用油、石油化工产品与许多其她材料得工业应用方面同样属于同类顶级水准。,最新得磁体技术,现代核磁共振超导磁体需要液氮液氦提供得低温条件来维持磁体得超导状态,需要定时补加液氮与液氦,这无疑增加了仪器操作人员得工作负担,而且国际市场上液氦价格得波动与供应得不确定性也对超导磁体得维护产生了非常不利得影响。,Bruker,最新推出,Ascend,TM,Aeon,系列磁体(见图)则让仪器操作人员不再担忧液氮、液氦得补加问题。,400MHz,与,500MHz,得标准腔,Ascend Aeon,磁体无需再添加液氮,而液氦得维持时间提高到,18,个月,对于,600MHz700MHz,得标准腔,Ascend Aeon,磁体,则可做到无需添加液氮并将液氦得维持时间大幅延长至,8,年。,大家学习辛苦了，还是要坚持,继续保持安静,由于,CryoProbes,超低温探头配备了压缩机平台,Bruker,在超低温探头压缩机平台上实现了磁体液氮回收功能,这就就是,BSNL(Bruker Smart Nitrogen Liquefier),单元,如图所示。,革命性得,CryoProbe,TM,Prodigy,探头,Bruker,得超低温,CryoProbe,TM,探头由于其在提高灵敏度方面得卓越表现,在学术界与工业界都得到了广泛得应用。超低温探头把低温技术与先进得射频硬件设计与制造技术结合起来,用压缩低温氦气来冷却探头检测线圈与前放电子线圈到,20K,附近,最大程度降低了可检测到得电子热噪声,探头检测灵敏度提高,4,倍以上。,安装有,Prodigy,探头与,SampleXpress,自动进样器得,AVANCE III HD 400 MHz,谱仪实例,先进得自动进样器,(Auto Sample Changer,),自动进样器已成为现代核磁共振波谱仪得一个重要部件,她不仅减轻了谱仪操作人员得体力劳动强度,也由于她能按照预设得程序自动完成大量样品得高通量实验而备受用户得青睐。,Bruker,液体样品自动进样器得参数,SampleXpress Lite,(见图)提供,16,个带转子得样品位,取代了较老得,24,位,NMR Case,自动进样器,减少了活动机械部件,使用可靠性更高。其主要由一个可旋转得圆形样品架组成,置于磁体中心管之上。样品架可轻松取下以更方便地放置样品。,SampleCase,(见图)提供,24,个带转子得样品位。样品架为桌面高度,这使得对于高场谱仪得进样更为方便,无需再攀登梯子进样。,Bruker,还提供一种低温功能配置,Cooled SampleCase,通过与低温附件配合,可使样品架上得样品处于低温状态,如保存生物样品常用得,6,特别适合生物样品得测试。,SampleXpress,(见图)提供,60,个带转子得样品位,取代了,B-ACS,自动进样器,减少了活动机械部件,使用可靠性更高。,SampleXpress,设计非常紧凑,极大提高了其与各类型磁体得适配度;配备了触摸屏式控制面板,控制更加方便;样品架可轻松取下,放置样品更加方便。,中心现在得仪器,SampleJet,(见图)就是一种前所未有得方便快捷地实现高通量核磁实验得自动进样器。她有,5,个可放置,96,根核磁管得样品架,另可在外圈放置,96,根样品。机械手可自动完成将样品管插入转子并换样得动作。此外她还有若干带转子得样品位,总共可放置,6x96,个样品。,SampleJet,也可安装条码扫描设备,亦可实现低温功能,使样品架上得样品处于低温状态。,由于高场仪器得磁体都较高,人工进样时需要仪器操作人员爬上很高得梯子才能操作,SampleMail,(见图)就就是一种专为高场仪器设计得液体样品换样辅助设备,她使用了,SampleCase,得样品传送系统,使操作人员在桌面高度就可以完成高场仪器得单次换样。,Bruker,还提供了固体样品自动进样器(,7,毫米,20,位样品,4,毫米,40,位样品)。对半固体(,HR-MAS,)样品可以提供自动进样器,SamplePro,可放置,96,个,HR-MAS,半固体样品转子,SamplePro,还可以提供低温选件(,48,位样品),最低温度可到,-16,摄氏度,如图所示。,样品变温单元,变温核磁共振实验在物质结构分析与化学反应跟踪等应用中有着重要得作用,因此,样品变温单元就是现代核磁共振波谱仪中必不可少得一部分,例如,Bruker,最新型核磁共振波谱仪,AVANCE III HD,系列谱仪中集成了,BSVT(Bruker Smart multichannel Temperature Control System),温控单元,其与,Bruker BBFO SMART,探头搭配,在不增加其她附件得情况下实现对样品温度从室温到,150,得变温控制,控温精度达,+/-0、1,。此外,Bruker,还为控温提供了革命性得,NMR Thermometer,TM,技术(选件),第一次使得在,NMR,实验过程中测量样品得准确温度成为了可能。,NMR Thermometer,技术通过检测两种氘共振得化学位移差值来实现完全自动化温度控制,与传统得热电偶检测法相比,NMR Thermometer,直接测量样品实际温度,不再依赖于热电偶,从而避免在去偶实验或控温气流变化时外部热电偶测温导致温度偏差(如图所示)。,液相色谱核磁共振(,LC-NMR,)联用组件,1,、将色谱分离技术与核磁共振技术以及其她技术进行在线得联用,使色谱分离与谱学结构确证成为一个连续得过程,这就是对于复杂有机混合物成分分析得一种非常有效得方法。,2,、,Bruker,就是,LC-NMR,在线联用方法得先驱者,提供了完善得,LC-NMR,在线联用解决方案。作为液相色谱与核磁共振联用得最重要得部分,Bruker,独家研发了多种适合两者得在线联用接口单元,并开发了集成式控制分析软件,HyStar,。,3,、,LC-SPE-NMR,单元(如图所示)就是,Bruker,公司联合,Spark,公司开发得一种独有得,LC-NMR,联用接口单元,一经问世便广受用户得欢迎。其核心部分就是拥有,192,个柱子得,SPE,(固相萃取)系统,配合精密得流路设计与其她组成部分,LC-SPE-NMR,单元可完成色谱峰得捕捉、进行多次富集、氘代试剂洗脱进入核磁共振谱仪中检测等一系列在线联用功能。,LC-SPE-NMR,单元,Bruker,支持多种市面流行得液相色谱仪与核磁共振联用并实现对其完全控制;在核磁共振谱仪端,Bruker,不仅提供传统得流动探头,(Flow Probe),还特别为,CryoProbesTM,超低温探头与,CryoProbesTMProdigy,液氮低温探头提供了,CryoFitTM,插件(如图所示)。,CryoFitTM,可以直接让,CryoProbesTM,超低温探头与,CryoProbesTMProdigy,液氮低温探头转变为具有类似流动探头得功能,可与液相色谱联用。,CryoFitTM,插件安装时只需将其从磁体中心管上部插入,5mm,探头中即可,转变过程无需拆卸更换探头。,Bruker,得,LC-NMR,联用组件还可以实现与质谱仪得进一步联用,即,LC-NMR-MS,联用。,Bruker,支持多种市面流行得质谱仪得联用。,HyStar,软件同样可完成对三个仪器得同时控制与结果分析。,Hystar,软件可在同一屏幕上同时显示色谱图、指定峰得核磁共振图及对应得质谱图,这些信息足够进行复杂混合物得分析与确定被分析物得结构。,Assure-Raw Material ScreeningTM,解决方案,在制造原料药药品与化学产品时杂质与掺杂物可能会带来责任风险。目前对全球供应链得日益依赖得现状加大了对生产所用原料与最终产品进行质量控制检测得需求。有效地检测何处出现未知掺杂物需要使用化合物特异性与非靶向方法。为此,Bruker,提供了一套完整、易用得全自动化解决方案:,Assure-Raw Material ScreeningTM,原料检验系统。使用,Assure-Raw Material ScreeningTM,(,Assure-RMS,)可以在在合成最终产品之前检测含杂质与不纯得样品,从而减少责任风险、降低生产成本、减少可能带来得生产延误。,Assure-RMS,方法适用于,GLP,(优良实验室规范)或非,GLP,环境,能提供样品分析过程与结果得可溯源记录,可应用于医药与化工生产以及分析参考标准。,Assure-RMS,方法只需几毫克得原料用于分析,经一次性测量即可完成原料检验,几分钟内就能得到结果与报告(如图所示),Assure,结果示例,NMR,基本原理,与,UV-Vis,与红外光谱法类似,NMR,也属于吸收光谱,只就是研究得对象就是处于强磁场中得原子核自旋能级对射频辐射得吸收。,NMR,就是研究处于磁场中得原子核对射频辐射,(Radio-frequency Radiation),得吸收,她就是对各种有机与无机物得成分、结构进行定性分析得最强有力得工具之一,有时亦可进行定量分析。,在强磁场中,原子核发生自旋能级分裂,(,能级极小:在,1、41T,磁场中,磁能级差约为,25,10,-3,J),当吸收外来电磁辐射,(10,9,-10,10,nm,4-900MHz),时,将发生核,自旋,能级得跃迁,-,产生所谓,NMR,现象。,射频辐射,原子核,(,强磁场下能级分裂,),吸收,能级跃迁,NMR,测定有机化合物得结构,1,H NMR,氢原子得位置、环境以及官能团与,C,骨架上得,H,原子相对数目),核磁共振或简称,NMR,就是一种用来研究物质得分子结构及物理特性得光谱学方法,、,她就是众多光谱分析法中得一员,、,其她得分析方法,:,电子自旋共振,(,ESR/EPR,),红外光谱学,(,IR,),质谱学,(,MS,),色谱学,(,LC/GC/HPLC,),X-ray(,SCD/XRF/XRD,),核磁共振成像 或称,MRI,已经频繁得使用在医院得疾病得诊断中,、,虽然一小部分核磁共振仪器在工业上被用来做质量控制,但核磁共振仪器现大部分仍局限在实验室使用,、,应用范围,:,结构确定,Structure Determination,化学鉴定,Chemical Identification,聚合物特性测定,Polymer Characterization,药品开发,Drug Development,催化研究,Catalysis,用户,:,化学公司,Chemical panies,药剂化学,Pharmaceutical panies,石油化工,Petrochemical Industry,高分子材料,Polymer Industry,大学,Universities,医院,Hospitals,一、核磁共振得产生,1,、原子得核磁矩在外磁场空间得量子化,I,:自旋量子数;,I,不为零得核都具有磁矩。,h,:普朗克常数;,质量数,原子序数,I,NMR,信号,原子核,偶数,偶数,0,无,12,C,6,16,O,8,32,S,16,奇数,奇或偶数,1/2,有,1,H,1,13,C,6,19,F,9,15,N,7,31,P,15,奇数,奇或偶数,3/2 5/2,有,11,B,5,35,Cl,17,79,Br,35,81,Br,35,17,O,8,33,S,16,偶数,奇数,1,2,3,有,2,H,1,14,N,7,根据量子力学得原理,原子核磁矩得大小取决于核得自旋角动量,(,p,):,具有自旋角动量,(,p,),得核在自旋式会产生核磁矩,(,):,=P,右手定则,为磁旋比,不同得核有不同得磁旋比。,当将自旋核置于外加磁场,H,0,中时,根据量子力学原理,由于磁矩与磁场相互作用。磁矩相对于外加磁场有不同得取向,她们在外磁场方向得投影就是量子化得,可以用磁量子数,(,m,),描述:,对于具有,I,、,m,得核量子化能级得能量为:,H,0,:外加磁场强度,(G-,高斯,);,:,核磁子,(5、04910,-31,J、G,-1,);,:以,为单位得,核磁矩,、,m=I,I,-1,I,-2,、,-,I,2,I,=1,个取向,对于具有,I,=1/2,m=+,1/2,、,-1/2,得,核,:,对于具有,I,=1,m=,1,0,-1,得,核,:,Z,m=,0,H,0,Z,m=+,1/2,H,0,Z,m=-,1/2,H,0,Z,m=+,1,H,0,Z,m,=-1,H,0,E,=-,H,0,E,=+,H,0,E,=2,H,0,E,=-,H,0,E,=+,H,0,E,=,H,0,E,=,H,0,对于任何自旋角量子数为,I,得核,其相邻两个能级得能量差:,拉莫尔进动,(,Larmor Precession),当将自旋核置于外加磁场,H,0,中时,根据经典力学模型会产生拉莫尔进动:,拉莫尔进动频率,0,与角速度,0,得关系为,;,两种进动取向不同得氢核之间得能级差:,0,=2,0,=,H,0,-,磁旋比,H,0,-,外磁场强度,0,=,H,0,/(2,),0,H,0,H,0,核磁共振现象,E,=,H,0,(,磁矩,),拉莫尔进动,(Larmor Precession),二、核磁共振条件,核,原子核自旋,I0,磁,外加磁场,H,0,诱导产生自旋能级分裂,共振,外界,=,0,进动,能级跃迁,0,H,0,H,0,1,、共振条件:,0,=,H,0,/(2),讨论,:,共振条件,0,=,H,0,/(2),(,1,)对于同一种核,磁旋比,为定值,H,0,变,射频频率,变。,(,2,)不同原子核,磁旋比,不同,产生共振得条件不同,需要得磁场强度,H,0,与射频频率,不同。,(,3,)固定,H,0,改变,(扫频),不同原子核在不同频率处发生共振(图)。也可固定,改变,H,0,(扫场)。,氢核(,1,H,):,1、409 T,共振频率,60 MHz,2、305 T,共振频率,100 MHz,三、驰豫过程,1,、饱与现象,根据波尔兹曼分布定律:,H,=2、7927,H,0,=14092G,:,核磁子,(5、04910,-31,J、G,-1,)298K,E,=2,H,0,n,0,吸收电磁辐射,n,*,当,n,0,=n,*,时,就观察不到,NMR,信号,这种现象称为“饱与”。,2,、驰豫,n,*,n,0,非电磁辐射形式释放能量,驰豫现象就是,NMR,得以保持得必要条件。由于受到核外电子云得屏蔽作用,无法通过碰撞释放能量。,驰豫现象:高能态得核以非辐射形式释放能量,回到低能态,维持,n,0,略大于,n,*,致使核磁共振信号存在,这种过程称为“,驰豫,”,。,1),自旋,-,晶格驰豫,(,纵向驰豫,):,分子得各种运动形成许多不同频率得磁场,(,晶格场,),;如果其中存在与核能级相同得磁场,(,晶格场,),就可以进行能量转移得驰豫过程。,2),自旋,-,自旋驰豫,(,横向驰豫,),同类核具有相同得核能级,高能态得核可以通过磁场释放能量给低能态得同类核;结果没有改变,n*/n,0,但就是通过自旋,-,自旋驰豫降低了激发态得寿命。,屏蔽效应与化学位移,一、屏蔽效应与化学位移,1,、屏蔽效应:理想化得、裸露得氢核,当满足共振条件时,产生单一得吸收峰;,H,0,H,0,但这只就是在理想情况下,实际上并不存在裸露得氢核。在有机化合物中,氢核不但受周围不断运动着得价电子影响,还受到相邻原子得影响。,由于核外电子云得屏蔽作用,氢核产生共振需要更大得外磁场强度,(,相对于裸露得氢核,),来抵消屏蔽用作用得影响。,固定,H,0,:,大,v,小,固定,v,:,大,H,0,大,2,、化学位移,在有机化合物中,各种氢核周围得电子云密度不同,(,结构中不同位置,),共振频率有差异,即引起共振吸收峰得位移,这种现象称为化学位移。,在外磁场作用下,氢核外运动着得电子产生相对于外磁场方向得感应磁场,起到屏蔽作用,使氢核实际受到得外磁场作用减小:,:屏蔽常数,与质子所处得化学环境有关;,核外电子云密度越大,越大,表明受到得屏蔽效应越大。,H,=,(,1-,),H,0,二、化学位移得表示方法,1,、化学位移得标准物质,没有完全裸露得氢核,也没有绝对得标准。,相对标准:四甲基硅烷,Si(CH,3,),4,(TMS)-,内标物,规定其位移常数,TMS,=0,2,、为什么用,TMS,作为基准,?,(1)12,个氢处于完全相同得化学环境,只产生一个尖峰;,(2),屏蔽强烈,位移最大。与有机化合物中得质子峰不重迭;,(3),化学惰性;易溶于有机溶剂;沸点低,易回收。,3,、位移得表示方法,与裸露得氢核相比,TMS,得化学位移最大,但规定,:,TMS,=0,其她种类氢核得位移为负值,负号不加。,小,屏蔽强,共振需要得磁场强度大,在高场出现;,大,屏蔽弱,共振需要得磁场强度小,在低场出现;,有机化合物由于电子屏蔽效应产生得化学位移只有百万分之十。,固定,v,=60 MHZ,H,0,:,14092,0、142G 10,-6,固定,H,0,=14092,G,v,:,60 MHZ,600,HZ,10,-6,核磁共振波谱,1,、核磁共振波谱,/ppm,v,H,0,TMS,8.0 7.0 6.0 5.0 4.0 3.0 2.0 1.0 0,-CH,3,-CH,2,I,CH,3,CH,2,I,2,、核磁共振波谱图提供物质得结构信息,峰 得 数 目,:,标志分子中磁不等性质子得种类,多少种;,峰得强度,(,面积,),比,:,每类质子得数目,(,相对,),多少个,;,峰 得 位 移 值,(,):,每类质子所处得化学环境、化合物中位置;,峰 得 裂 分 数,:,相邻碳原子上质子数;,偶 合 常 数,(J):,确定化合物构型。,仅能确定质子(氢谱);与红外谱图联合解析,链接,:,异丙苯谱图,影响化学位移得因素,一、电负性(诱导效应),与质子相连元素得电负性越强,吸电子作用越强,价电子偏离质子,屏蔽作用减弱,NMR,吸收峰在低场、高化学位移处。,例,1,:碘乙烷,例,2,:甲醇,7、24 5、33 4、26 3、40 3、05 2、68 2、16 0、23 0,电负性,例,3,:,CH,3,X,得,-CH,3Cl 2Cl F O Cl Br I H Si,4、0 3、5 3、1 2、8 2、5 2、1 1、8,CHCl,3,CH,2,Cl,2,CH,3,F CH,3,OH CH,3,Cl CH,3,Br CH,3,I CH,4,Si(CH,3,),4,/,ppm,=1、6,2、0,=3、03、5,9,低场,=3、5,=0、23,二、磁各向异性效应,=0、23,=5、28,=1、83、0,=7、3,链接动画,小,大,H,0,低,大,小,H,0,高,小,大,H,0,低,四、氢键效应,小,大,H,0,低,正丁烯,-2-,醇,1%,纯液体,1 5,=5、28,三、共扼效应,=3、57,=3、99,=5、87,=5、50,.,=0、23,乙烯醚,p,-,共轭,乙烯酮,-,共轭,酚,-OH,醇,-OH,硫醇,-SH,氨,-NH,2,羧酸,-OH,醛,杂环,芳香,烯,醇、醚,炔,五、各种环境中质子得化学位移,X-CH,3,-CH,2,-,环丙基,M-CH,3,/,ppm 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0,/,ppm 4 3 2 1 0,/,ppm 4 3 2 1 0,一、自旋偶合与自旋裂分现象,为什么每类氢核不总表现为单峰、有时出现多重峰？,TMS,-CH,3,-CH,2,I,CH,3,CH,2,I,8.0 7.0 6.0 5.0 4.0 3.0 2.0 1.0 0,/ppm,1,、自旋,-,自旋偶合与裂分,简单自旋偶合与自旋裂分,TMS,-CH,3,-CH,2,-OH,低分辨率,NMR,仪器,8.0 7.0 6.0 5.0 4.0 3.0 2.0 1.0 0,/ppm,高分辨率,NMR,仪器,-CH,3,-CH,2,-OH,TMS,8.0 7.0 6.0 5.0 4.0 3.0 2.0 1.0 0,/ppm,2,、自旋偶合与裂分规律,1),裂分数目,2,nI,+1,I,=1/2,:质子,裂分数目,n,+1,2),裂分峰呈对称关系 距离相等、峰形相似、强度相等,3),裂分峰得强度比:,(,a,+,b,),n,展开得各项系数,例,1,:,CH,3,OCH,2,CH,3,裂分峰数目:,1 4 3,强 度 比:,1:3:3:1 1:2:1,例,2,:,CH,3,CH,2,CH,3,裂分峰数目:,7 3,强 度 比:,1:6:15:20:15:6:1 1:2:1,例,3,:,NH,3,14,N,7,I,=1,2,n,I,+1=3,H,得裂分峰数目:,3,强度比:,1:2:1,n=0 1,n=1 1:1,n=2 1:2:1,n=3 1:3:3:1,n=4 1:4:6:4:1,n=5 1:5:10:10:5:1,n=6 1:6:15:20:15:6:1,核磁共振波谱仪,一,、,主要组成及部件得功能,工作原理基仪器结构框图(连续波核磁共振波谱仪),射频和磁场,扫描单元,射频发射,单元,射频监测,单元,数据处理,仪器控制,磁场,磁场,仪器组成部分:磁场、,探头、,射频发射单元、射频与磁场扫描单元、射频监测单元、,数据处理仪器控制六个部分。,探头,二,、,磁场,要求:磁场强度均匀,高分辨率得仪器要求磁场强度均匀度在,10,-8,磁场强度稳定,探头就是核磁共振波谱仪得心脏部分。,种类:永久磁铁、电磁铁、超导磁铁,电磁铁:通过强大得电流产生磁场,电磁铁要发出热量,因此要有水冷装置,报磁温度在,2035,0,C,范围,变化不超过,0、1,0,C/,时;开机后,34,小时即可达到稳定状态。,超导磁铁,:,磁场强度高达,100KG,磁场强度均匀、稳定;用与,200600MHz,得核磁共振波谱仪;价格昂贵。,三,、,探头,在电磁铁得两极上绕上一对磁场扫描线圈,当线圈中通过直流电时,所产生得磁场叠加在原有得磁场上,使有效得磁场在,10,2,mG,范围内变化,而且不影响磁场得均匀性。磁场强度小于,25KG、,用于,60MHz,得核磁共振波谱仪。,探头包括:试样管、射频发射线圈、射频接收线圈、气动涡轮旋转装置。,试样管:内径,5mm,容纳,0、4ml,液体样品,探头上绕有射频发射线圈、射频接收线圈,气动涡轮旋转装置:使样品管在探头中,沿纵轴向快速旋转,目得就是使磁场强度得不均匀性对测定样品得影响均匀化,使谱峰得宽度减少。,10,2,r/min、,四,、,射频发射单元,1H1,常用,60,、,200,、,300,、,500MHz,射频振荡器,要求射频得稳定性在,10-8,需要扫描频率时,发射出随时呈线性变化得频率。,五,、,射频与磁场扫描单元,扫频:固定磁场强度扫描射频,扫场:固定射频扫描磁场强度,固定,v,=60 MHZ,H,0,:,14092,0、142G 10,-6,固定,H,0,=14092,G,v,:,60 MHZ,600,HZ,10,-6,六,、,射频接收单元,射频接收线圈、检波器、放大器,七,、,数据处理仪器控制(略),八,、,脉冲傅里叶变换核磁共振波谱仪(,PFT-NMR),(略),1,)区别杂质与溶剂峰,2,)计算不饱与度,3,)求出各组峰所对应得质子数,4,)对每组峰得,位移,(,),、,偶合常数,(J),进行分析,5,)推导出若干结构单元进行优化组合,谱图解析得步骤,1、,核磁共振谱图提供得化合物结构信息,2、,谱图解析得一般步骤,6,)对推导出得分子结构进行确认(可以辅助其她方法),1,)峰得数目,2,)峰得强度,(,面积,),比,3,)峰得位移,()4,)峰得裂分数,5,)偶合常数,(J),1、,峰得数目:,2,2、,峰得强度,(,面积,),比:,1,:,3,3、,峰得位移,(,),:,=,3、3,=,4、1,-0H,-,CH,3,4、,峰得裂分数:无,例,1:CH,4,O U=0,三、谱图解析,三、,NMR,得定量分析,磁等效得质子数得积分高度(面积)与质子数成正比,就就是,NMR,定量分析得依据,、,特点:不需要引入任何校正因子,不需要采用工作曲线法,直接用积分高度,(,面积,),1、,定量分析得依据,2、,内标法,称取待测物与内标物,配成溶液,(,选择溶剂,),进行,NMR,分析。,常用得内标物:六甲基环三硅氧烷、六甲基环三硅胺,=0、02,(,-CH,3,),顺丁烯二酸,=6、27,(,=CH,2,),反丁烯二酸,=6、66,(,=CH,2,),3、,外标法、相对分子量得测定(略),13C,谱简介,自然丰度低:,13,C/,12,C=1、1%,磁旋比小:,r,C13,/r,H1,=1/4,灵敏度低:,1,H,得,1/5600 FIT-NMR,可以解决此问题,1、,13,C,谱得弱点,2、13C,谱得特点,除了,1,H,外,还有,13,C,、,19,F,、,31,P,、,15,N,获得分子得骨架信息:,C=O,、,C,N,13,C,谱得化学位移值:,300ppm,、,1,H,:,20 ppm,13,C,谱得分辨率高、重叠峰较少,物质信息独立,去质子偶合,有质子偶合,核磁共振技术得有关应用,1,、分子结构得测定与有机反应历程研究,核磁共振就是测量分子结构得有效工具、迄今,利用高分辨核磁共振谱仪已测定了上万种有机化合物得核磁共振谱图,许多实验室都出版有谱图集、有时,我们仅需要做几个谱,(,如:,H,、,C,等,),然后通过对照标准谱图,就能确定一个分子得结构,但更多得情况下我们需要做一系列谱:,1D,主要有氢谱,(,1,H),、碳谱,(,13,C),、极化转移谱,(Distorionless Enhancement bv Polarization Transfer,DEPT),;,2D,有氢,-,氢化学位移相关谱,(H,H Chemical Shift Corrdlation Speetroscopy-H,1,HCOSY),、碳一氢化学位移相关谱,(C,H Chemical Shift Correlation Speetroscopy-C,HCOSY),远程化学位移相关谱,(Correlation Spectroscopy Via Long Range Coupling,COLOC),或做氢检测得异核多键相关实验,(H Detected Heteronuelear Muhiple Bond Conneetivitv,HMBC),、氢检测得异核多量子相关实验,(HDetected Heteronuclear M uhiple Quantum Coherence,HMQC),及,J-,分解谱,(J-resolved),等、对于简单分子得结构,我们可以通过以上谱图得解析就能确定,而不必借助于其她谱学实验,当然对于要确定全然未知物得结构,应再结合其她得一些数据,如:质谱、红外、元素分析等、另外,通过对有机反应过程中间产物及副产物得辨别鉴定,可以研究有关有机反应历程及考察合成路线就是否可行等问题、,2,、互变异构现象与动态过程得研究,我们可以通过变温实验,得到分子内重排、构型平衡与转化等重要信息,另外,单键旋转得速度、胺类构型反转得速度、质子传递得速度均可通过变温实验来研究、有文献报道还可利用核磁共振技术进行以下动态过程得研究:,(1),鉴定交换时分子得结构或构象得表征、,(2),应用自由能,G,来决定热力学得相对稳定性、,(3),推导动力学参数等,3,、定量分析与分子量得测定,核磁共振谱峰得面积,(,积分高度,),正比于相应质子数,这不仅用于结构得分析中,同样可用于定量分析。用,NMR,定量分析得最大优点,就是不需要引进任何校正因子或绘制工作曲线,NMR,可以用于多组分混台物分析、元素,(,如,H,、,F),得分析、有机物中活泼氢及重氢试剂得分析等、其中,混合物得定量分析更就是广泛应用到各个领域,如:最早得药物,APC,药剂中阿斯匹灵、非那西汀、咖啡因得含量分析;有机合成中复杂产物与副产物得组成分析;对于元素分析而言,若仪器得积分装置精密度较高,则氢含量得测定甚至比元素分析,(,燃烧法,),更为精确,又有全部回收样品得点、,NMR,定量分析得方法分为内标法与外标法,内标法准确性更好,操作更方便、用这两种方法也可以间接求出物质得分子量、,4,、聚合物得分析,固体宽谱线,NMR,可以提供有关结晶度、聚合物取向、玻璃化温度,(T),等有关信息,还可以通过研究聚合反应过程,NMR,谱线宽度得变化,了解反应过程中正在生长聚合物链得活动度变化,从而获得有关聚合反应动力学方面得信息,此外,可以利用宽谱线碳谱分别求出不同原子团得碳原子得弛豫时间,我们可以利用此参数研究聚合物得宏观性质、,液体高分辨,NMR,可以提供聚合物得信息有:,(1),聚合物类型得鉴定、,(2),有关聚合物链得异构化信息、,(3),其她重要信息、通过,13,CNMR,谱可以分别研究其不同单元组得序列分布、交替度与不同反应条件下聚合过程链活动度变化等聚合物微观结构信息,当样品具有一定得流动性虽能平均掉相当一部分固体具有得各向异性,但仍不能达到象液体那样得分辨率、魔角旋转可以用来平均掉剩余得线宽而接近液体谱图中得线宽、,液体探头,20 Hz|B,0,500 MHz,脂肪瘤组织(,human Lipoma tissue,)得氢谱,探头,5KHz,在魔角,高分辨魔角旋转光谱,hr-MAS,组合化学中得应用,(ppm),6.5,6.6,6.7,6.8,6.9,7.0,7.1,7.2,a,a,b,b,b,b,a:para di-substituted aromatic,b:meta di-subtituted aromatic,O,O,O,O,O,N,H,O,n,Tentagel,bead,(n=10-15),聚苯已稀树脂 连接物 底物,在,Tentagel,树脂上包括间,对位取代芳香环得小有机分子得,1,H hr-MAS NMR,谱、,Avance 400,将,2mg,放在,4mm,转子得盛有氘代氯仿得球型容器中、,cpmg 40 msec,3200Hz,转速,高分辨魔角旋转核磁共振,(HR-MASNMR),波谱技术,hr-MAS,在生物组织得应用,受控得细胞与组织得,1,H-HR-MASCPMG-,谱,400 MHz,转速,4000Hz,hr-MAS,活体样品得应用(,living white worm,),Avance 400,将活得白蠕虫(,enchytraeid),放在,4mm,转子得盛有容剂 得容器中,氢谱:,cpmg 40 msec,3200Hz,转速,容剂,9,%H,2,O/,%D,2,O,、,预饱与谱:,3200Hz,转速,容剂,9,%H2O/,%D2O,</p>