仪器分析课件(中国科技大学)-核磁共振.ppt

*,*,*,Title,Click to edit Master text styles,Second level,Third level,Fourth level,Fifth level,目录,1,系统简介,2,核磁共振仪器的组成及工作原理,3,核磁共振原理,:,原子核间的相互作用,4,仪器的分辨率及稳定性,5 RF,脉冲,6,去偶,7,水峰的压制技术,8,两维核磁共振,9,核磁共振中梯度场的应用,10.,高分辨魔角旋转光谱,11.,固体核磁共振,2025/10/3 周五,1,B,0,y,x,z,简单介绍,2025/10/3 周五,2,核磁共振,:,简介,核磁共振或简称,NMR,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,.,它是众多光谱分析法中的一员,.,其它的分析方法,:,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,已经频繁的使用在医院的疾病的诊断中,.,2025/10/3 周五,3,核磁共振,:,简介,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 Companies,药剂化学,Pharmaceutical Companies,石油化工,Petrochemical Industry,高分子材料,Polymer Industry,大学,Universities,医院,Hospitals,2025/10/3 周五,4,核磁共振,:,简介,核磁共振研究的材料称为样品,.,样品可以处于液态,固态,.,众所周知,宏观物质是由大量的微观原子或由大量原子构成的分子组成,原子又是由质子与中子构成的原子核及核外电子组成,.,核磁共振研究的对象是原子核,.,一滴水大约由,10,22,分子组成,.,H,C,H,H,m,m,m(10,-6,m),nm(10,-9,m),A(10,-10,m),2025/10/3 周五,5,核磁共振,:,简介,具有非零自旋量子数的原子核具有自旋角动量,因而也就具有磁矩,例如象,1H,31P,13C,15N,等原子核,.,磁矩是一矢量,.,如果含有此类核的物质置放于磁场中,原来无规则的磁矩矢量会重新排列而平行于外加的磁场,.,与外磁场同向和反向的磁矢量符合,Boltzmann,分布,.,在数量上同向与反向的差别很小,但正是这一微小的差别造就了核磁共振光谱学,.,B,0,M,单位体积内原子核磁矩的矢量和定义为宏观磁化强度矢量,M,(,macroscopic magnetization.,其方向与外磁场方向相同,2025/10/3 周五,6,在磁场中,原来简并的能级分裂成不同的能级状态,.,如果用适当频率的电磁辐射照射就可观察到核自旋能级的跃迁,.,原子核能级的变化不仅取决于外部磁场强度的大小及不同种类的原子核,而且,取决于原子核,外部电子环境,.,这样我们就可获得原子核外电子环境的信息,.,宏观上讲,当用适当频率的电磁辐射,(RF),照射样品,宏观磁化强度矢量从,Z-,轴转到,X,或,Y,轴上,.,通过接受器,傅立叶转换就得到核磁共振谱图,.,核磁共振,:,简介,B,0,M,B,0,M,RF,脉冲,接收器,Receiver,FT,S(t),S(,w,),2025/10/3 周五,7,核磁共振,:,简介,样品,:,非磁性及非导电,灵敏度,:,样品需含,10,15,原子核,溶液,固体,Solids,600 MHz,成像,NMR,2025年10月3日,8,核磁共振,:,简介,Larmor,频率,化学位移,自旋,-,自旋偶合,e.g.,B,0,=11.7 T,w,(,1,H)=500 MHz,w,(,13,C)=125 MHz,化学位移,B,0,kHz,自旋,-,自旋偶合,Hz-kHz,2025/10/3 周五,9,核磁共振,:,简介,Information:,Larmor,频率,原子核,化学位移,:,结构测定,(,功能团,),J-,偶合,:,结构测定,(,原子的相关性,),偶极偶合,:,结构测定,(,空间位置关系,),弛豫,:,动力学,1,H,13,C,C,H,3,C=C,H,-,H,H,C,C,C,H,H,H,H,D,J,HH,H,C,J,CH,C,C=,C,C,H,3,2025/10/3 周五,10,核磁共振,:,简介,分辨率可通过提高外磁场强度和增加谱图的维数而提高,.,nD,NMR,(n=2,3,4),1D,谱,2D(,轮廓图,),2025/10/3 周五,11,NMR,谱仪,FM,Audio,反馈,600,谱仪,2025/10/3 周五,12,NMR,谱仪,600 MHz,磁体,探头,机柜,RF,产生,RF,放大,信号检测,数据采集控制,数据信息交流,运行控制,磁体控制,前置放大器,计算机,数据储存,;,数据处理,;,总体控制,.,2025/10/3 周五,13,NMR,谱仪,:,机柜,AQX,(Digital),CCU,TCU,FCU,RCU,VT unit,BSMS,shim,lock,CCU,AQR,ASU,Router,ACB,ADC,RX22,Amplifier,Amplifier,PTS,2025/10/3 周五,14,NMR,谱仪,:,探头,RF,接口,RF,线圈,+,调谐元件,(,电容器,),Helmholtz,Solenoid,2025/10/3 周五,15,RF-Coil in NMR Probes,2025/10/3 周五,16,NMR,谱仪,:,术语和简写,AVANCE,系统,:,FCU:,频率控制单元,F,requency,C,ontrol,U,nit,ASU:,频辐设置单元,A,mplitude,S,etting,U,nit,TCU:,时间控制单元,T,iming,C,ontrol,U,nit,CCU:,协调控制单元,C,ommunication,C,ontrol,U,nit,RCU:,接收控制单元,R,eceiver,C,ontrol,U,nit,BSMS:,布鲁可智能磁体控制系统,B,ruker,S,mart,M,agnet,S,ystem,LOT:,发射,/,调谐开关,L,ocal,O,scillator and,T,une,B,oard,ACB:,功放控制板,A,mplifier,C,ontrol,B,oard,RX22:,接收器,Receiver,ADC:,数字,/,摸拟转换器,A,nalog to,D,igital,C,onverter,HPPR:,前置放大器,P,re-amplifier,LCB:,锁场控制板,L,ock,C,ontrol,B,oard,PTS:,频率合成器,brand of synthesizer used,XwinNMR,:,运行软件,Operating Software,LINUX/WINDOWS:,计算机操作系统,SGI Operating Software,Pulse Program:,脉冲程序,Operator Instructions for experiment,2025/10/3 周五,17,NMR,谱仪,:,术语和简写,AV,系统,:,FCU:,频率控制单元,F,requency,C,ontrol,U,nit,SGU:,信号产生单元,A,mplitude,S,etting,U,nit,TCU:,时间控制单元,T,iming,C,ontrol,U,nit,CCU:,协调控制单元,C,ommunication,C,ontrol,U,nit,RCU:,接收控制单元,R,eceiver,C,ontrol,U,nit,BSMS:,布鲁可智能磁体控制系统,B,ruker,S,mart,M,agnet,S,ystem,ACB:,功放控制板,A,mplifier,C,ontrol,B,oard,RX22:,接收器,Receiver,ADC:,数字,/,摸拟转换器,A,nalog to,D,igital,C,onverter,HPPR:,前置放大器,P,re-amplifier,LCB:,锁场控制板,L,ock,C,ontrol,B,oard,XwinNMR,:,运行软件,Operating Software,LINUX/WINDOWS:,计算机操作系统,SGI Operating Software,Pulse Program:,脉冲程序,Operator Instructions for experiment,2025/10/3 周五,18,2.NMR,检测,A:,磁化强度矢量,Larmor,频率,B:RF,脉冲,脉冲功率,探头,电击放电,C:,磁化强度矢量进动,旋转坐标系,接收器,前置放大器,D:,接收器增益值,弛预时间,(T,1,T,2,),E:,傅立叶转换,正交检测,频率扫描宽度,折反峰,folding,B,0,M,B,0,M,RF pulse,Receiver,FT,S(t),S(,w,),A,E,C,B,D,2025/10/3 周五,19,B,0,y,x,z,2.,a:,宏观磁化强度矢量,600 MHz,B,0,y,x,z,M,具有非零自旋量子数的原子核具有自旋角动量,因而也就具有磁矩,.,在磁场中,原来无规则的磁矩矢量会重新排列而平行于外加的磁场,.,与外磁场同向和反向的磁矩矢量符合,Boltzmann,分布,.,磁矩矢量沿磁场方向的进动使,XY,平面上的投影相互抵消,.,由于沿磁场方向能量较低,故原子分布较多一些而造成一个沿,Z-,轴的非零合磁矩矢量,.,虽然在理论上经常讨论单一原子的情形,但在实际上,单一原子的核磁信号非常小而无法观测,.,故此我们定义单位体积内原子核磁矩的矢量和为宏观磁化强度矢量 其方向与外磁场方向相同,.,以此矢量来描述宏观样品的核磁特性,.,2025/10/3 周五,20,2.,a:,Larmor,频率,核磁矩沿外磁场方向进动的频率称为,Larmor,频率,w,或共振频率,.,此频率的大小取决于原子核的种类及外磁场的大小,.,g,是磁旋比,.,它是原子核本身的属性并只能通过实验获取,.,在案,BRUKER,仪器上,原子核的频率是通过参数,BF,n,(MHz),设置,.,如,BF1,代表第一通道,.,更精细的频率调节可用参数,O,n,来完成,.,O,n,叫频率偏差频率或偏置频,所以总频率为,SFO,n,:,SFO1=BF1+O1,2025/10/3 周五,21,2.,b:RF,脉冲,核磁信号只能在核磁化矢量位于,XY,平面时才能被检测到,.,使用与原子核,Larmor,频率相同无线电射频即可将,M,从,Z-,轴转向,X-,或,Y-,轴,.,M,M,rf,+,M,当观测信号时,RF,脉冲是处于关闭状态,.NMR,信号是在微伏,(,microvolts,),而,RF,脉冲是在千伏,kilovolts.,2025/10/3 周五,22,2.,b.,旋转坐标系,为了更好的描述与简化所研究的体系而引进旋转坐标系统,.,旋转坐标系统中的,Z-,轴与传统的三维坐标系的,Z-,轴一致,而其,X-,与,Y-,轴却以与核磁共振频率相同,(,Larmor,频率,),的频率绕,Z-,轴旋转,.,在此体系中,核磁矩不在围绕,Z-,轴旋转而是静止在某一点上,.,M,rf,M,rf,x,z,y,x,y,z,x,z,y,y,传统坐标系,X-,与,Y-,轴以,Larmor,频率围绕,Z-,轴旋转,旋转坐标系,2025/10/3 周五,23,实际应用上的例子,.,当磁化矢量被转到,XY,平面后,它仍以,Larmor,频率绕,Z-,轴旋转,.,同样的,核磁信号也以大致相当的频率饶,Z,旋转,.,然而此高频信号,(,数百兆赫,),是不可能被数字化的,即使使用高分辨的,ADC.,实际应用上,就将检测到的信号与一参照频率想混合而得到其差频,.,此差频落在,100KHz,的范围内,(,声频,),并很容易被数字化,.,混合,检测的信号,(10-800 MHz),参照频率,(10-800 MHz),自由衰减信号,(FID),(audio:0-100 kHz),接受器,(RX22),数字化器,(HADC),计算机储存,2.,b.,旋转坐标系,2025/10/3 周五,24,通过,RF,脉冲的照射,磁化矢量将以,RF,脉冲的照射方向为轴在垂直于,RF,脉冲的照射方向的平面内转动,.,如使用,X-,脉冲则,磁化矢量将围绕,X-,轴方向在,YZ,平面内转动,.,-,只要,RF,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,.,-,脉冲长度将决定磁化矢量停止的位置,.,M,rf,x,y,z,45,o,90,o,180,o,270,o,360,o,2.,b:RF,脉冲,2025/10/3 周五,25,90,o,或,p,/2,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,90,o,或,180,o,的脉冲,.,在,BRUKER,仪器,RF,脉冲一般以,p,n,(e.g.p1),等参数来描述其标准单位是微秒,(,m,s),.,功率强度是以,pl,n,(e.g.pl1),等参数来描述其标准单位是,dB.,M,rf,x,y,z,Pulse length,90,180,270,360,2.,b:RF,脉冲,2025/10/3 周五,26,2.,b:RF,产生,频率合成器,Sythesizer,频率控制单元,FCU,时间控制单元,TCU,频辐设置单元,ASU,功放,Amplifier,(BLAH,BLAX),到探头,电脑指令,2025/10/3 周五,27,2.,c:,信号接收,M,B,0,接受,/,发射线圈,经过脉冲照射后,磁化矢量被转到,XY,平面上并绕,Z-,轴旋转,.,由于此转动切割了接受器的线圈,并在接受器的线圈中产生振荡电流,.,其频率就是,Larmor,频率,.,在,NMR,中,接收线圈与发射线圈是同一线圈,.,X,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,.,V,t,2025/10/3 周五,28,2.,c:,前置放大器,(Preamp),去接收器的信号,从功放来的,RF,脉冲,HPPR,控制,1H,X,D,前置放大器,HPPR,前置放大器有两种用途,:,1.,放大检测的,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,.,2025/10/3 周五,29,2.,c:,接收器,(Receiver),检测方法,:,具有,Larmor,频率,NMR,信号与激发脉冲混合,所得的差被数字化,.,混合,检测的信号,(10-800 MHz),参照频率,(10-800 MHz),自由衰减信号,(FID),(audio:0-100 kHz),接受器,(RX22),数字化器,(HADC),计算机储存,2025/10/3 周五,30,2.,c:,接收器,(Receiver),mixing,信号,(10-800 MHz),SFO1+22 MHz,(32-822 MHz),自由衰减信号,(FID),(audio:0-100 kHz),接收器,(RX22),Digitizer(HADC),计算机储存,RX22,检测过程,:,具有,Larmor,频率,NMR,信号将被混合两次,.,首先将信号与,SFO1+22MHz,的脉冲混合,.,然后将所得信号再与,22 MHz,混合而得到具有音频的自由衰减信号,(FID).,使用,22MHz,频率是为避免频率泄露与部件间的频率干扰,.,混合,(I),mixing,混合,(II),IF 22 MHz,2025/10/3 周五,31,2.,c:ADC,NMR,信号通常包含许多共振频率及振辐,.,为能更好的描述,NMR,信号,我们一般使用,16,或,18 bit ADC.,增益值,(,RG,),应被调节到一适当的值,.,既能充分利用又不至于使接收器过饱和,.,RG,太低,RG,太高,RG,适当,2025/10/3 周五,32,NMR,信号被称为自由衰减信号,(,F,ree,I,nduction,D,ecay,或,FID).,此信号并不能象,COS,涵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,.,此一现象是由所谓的自旋,-,自旋弛预造成,.(,T,2,relaxation),在,BRUKER,仪器中,时域信号的数据点是由参数,TD,设定,.,为使时域信号能够被完全采集到,TD,应为一适当的值,以免使信号被剪断,(,truncation),.,2.,d:,自由衰减信号,(,F,ree,I,nduction,D,ecay),TD set proper,*,TD too small,2025/10/3 周五,33,在测量,NMR,信号的同时,由于仪器的电子元件及样品本身产生的噪音也同样被接收线圈检测到,.,为了得到适当信噪比的图谱我们一般可以增加扫描次数以达到要求的信噪比,(S/N),信号平均是指通过增加扫描次数来压制噪音而增加信号强度的方法,.,N,次额外的扫描回给出 倍的增强的信号强度,在,BRUKER,仪器中,扫描次数是由参数,ns,设置,.,另外,增加扫描次数时,一定要考虑,T1,弛豫的影响,也就是说要考虑参数,D1,的设置,2.,d:,信号平均,(Signal Averaging),noise,level,signal,2025/10/3 周五,34,FID,谱图,NS,S/N,1,4,16,256,1(ref),2x,4x,16x,2.,d:,信号平均,(Signal Averaging),2025/10/3 周五,35,2.,d:,弛豫效应,(Relaxation),NMR,信号是一个以常数为,T,2,的指数方式衰减的涵数,.,T,2,就是横向弛豫过程的时间常数,.,此外,在,XY,平面的磁化矢量需要一定的时间回到,Z-,轴上,.,这一过程需要的时间就叫纵向弛豫时间,.,其时间常数是,T,1,.T,1,和,T,2,与原子核的种类,样品的特性及状态,温度以及外加磁场的大小有关,.,信号平均方法成功的关键就是要正确设定参数,D,1,.,D,1,必须是五倍的,T,1,以保证在下次扫描时磁化矢量完全回到,Z-,轴,.,有时为节省时间,使用小角度的脉冲,重复扫描以达到增强信号的目的,.,T,1,=30s,4 scans,a.D1=150s;90,o,pulse;600s;,b.D1=15s;90,o,pulse;60s;,c.D1=15s;30,o,pulse;60s.,a,b,c,2025/10/3 周五,36,2.,e:,傅立叶转换,(Fourier Transformation),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,.,傅立叶转换,(FT),提供了一种更为简单的分析研究方法,.,就是将时域信号通过傅立叶转换成频域信号,.,在频域信号的图谱中,峰高包含原子核数目的信息,而位置则揭示原子核周围电子环境的信息,.,time,frequency,FT,2025/10/3 周五,37,2.,e:,傅立叶转换,(Fourier Transformation),由于,NMR,检测器不能检测出顺时针或反时针方向的核磁信号,傅立叶转换后,将给出,+,w,和,w,两个峰,.,x,V,t,x,V,t,FT,0,-,w,w,2025/10/3 周五,38,NMR Signal,Reference(SFO1),90,o,0,o,A,D,C,A,B,Real,Imaginary,数学处理,为了区分顺时针与反时针旋转产生的峰,.,正交检测方法被用来解决这一问题,.,通过使用具有,90,0,相位差的两个基本点检测器,正负频率就很容易区分开,.,实际应用中,并非使用两个检测器,而是使用一个检测器,.,将检测到的信号分成两部分并分别送到具有偿使用,90,0,相位差两个通道中,.,2.,e:,正交检测,(,Quadrature,Detection),2025/10/3 周五,39,Channel A,Channel B,FT,FT,Channel A+B,2.,e:,正交检测,(,Quadrature,Detection),2025/10/3 周五,40,2.,e:,傅立叶转换对,cosine,Exponential,(slow),Exponential,(fast),block,pulse,time,frequency,FT,time,frequency,FT,noise,2025/10/3 周五,41,2.,e:,填零,(,ZeroFilling,),在数据采集时,最好只采集数据直到信号衰减为零,但由于数据点较少而影响谱峰的分辨率,.,增加采集时间由于信号已没,所采集到的只是噪音,.,在,FID,的尾部通过填零的方法可以很好的解决这个文题,.,TD=SI=128,TD=128;SI=1024,TD,TD,SI,2025/10/3 周五,42,2.,e:,线宽因子,(,LineBroadening,),Lb=0,Lb=5,Lb=10,NMR,信号一般都集中在,FID,的前部,后部含有的大部分为噪音,.,将,FID,乘一权重指数函数就能迫使尾部的,FID,为零,.,其程度由参数,LB,控制,.,当然还有其他的权重涵数可以利用,.,使用这些涵数虽可提高信噪比却一牺牲分辨率为代价,.,在,BRUKER,仪器中,这些涵数统称为窗口涵数,.,2025/10/3 周五,43,一个有问题的图谱可以通过检查,FID,来诊断,.,时域上两个涵书的乘积经傅立叶转化后,其频域的涵数将具有前两时域涵数单独转化成频域涵数的所有特征,(convolution theory).,例如一个被剪切的,FID,可以被看成是,FID,乘以一常数涵,.,傅立叶转化后所得涵数具有,FID,及常数涵数的共同特征,.,=,x,FT,2.,e:,傅立叶转换,2025/10/3 周五,44,正确图谱,Spike,Arcing,Bad,lineshape,(shimming),2.,e:,傅立叶转换,(Fourier Transformation),2025/10/3 周五,45,采样快慢决定了观测的谱图的频率范围而由所谓的驻留时间参数,(DW),确定,.,两者间的关系由下试确定,.,sw,=1000 Hz,sw,=500 Hz,dw,=0.5ms,dw,=1 ms,2.,e:,傅立叶转换,(Fourier Transformation),2025/10/3 周五,46,2.,e:,峰折返,(Folding),当,NMR,信号数字化时速度太慢时会导致对,FID,信号频率的错误表达,.,数学上为能正确确定一经过坐标原点的周期涵数的频率,在某一周期内必须有两个已知点,.,所以对,FID,信号数字化采样时,也必须在某一周期内采集到至少两个点,(,Nyquist,Theorem).,如果不这样就会产生峰折返,.,不产生峰折返所能达到的最大频率叫,Nyquist,Frequency.,真实峰,出现峰,2025/10/3 周五,47,2.,e:,频域谱图宽度,(Spectral Window),在,BRUKER,的仪器中,频域谱图的中央点是由参数,SFo1(=SF+o1,),确定,.,其中,SF,是所观测的原子核,Larmor,频率,;o1,是偏置频率可以用来改变频域谱图的中央点,.,o1,o1,o1,2025/10/3 周五,48,在实际测试未知样品时,可以使用较大的,SW,值采样,.,然后调整,O1,采样,.,最后再调整,SW.,1.,较大,sw,2.,调整,o1,3.,调整,sw,o1,new o1,sw,sw,new,sw,2.,e:,频域谱图宽度,(Spectral Window),2025/10/3 周五,49,2.,e:,相位调整,(Phasing),通常所采集到的谱图含有吸收,(,absorption),与扩散,(dispersion),组份,.,通过相位调整可以的到纯粹的吸收峰,.,Re,Im,Re,Im,In phase,Out of phase,2025/10/3 周五,50,在,BRUKER,仪器中,相位调整首先对最大峰进行零级相位调整,PH,0,然后以一级相位调整,PH,1,来调节其他的峰,.,1.,FT,phase,2.Adjust ph0,on biggest peak,3.Adjust other,peaks with ph1,2.,e:,相位调整,(Phasing),2025/10/3 周五,51,3.NMR:,原子核间的相互作用,分子中的原子并不是孤立存在,它不仅在相互间发生作用也同周围环境发生作用,从而导致相同的原子核却有不同的核磁共振频率,.,Larmor,频率,化学位移,自旋,-,自旋偶合,e.g.,B,0,=11.7 T,w,(,1,H)=500 MHz,w,(,13,C)=125 MHz,化学位移,B,0,kHz,自旋,-,自旋偶合,Hz-kHz,2025/10/3 周五,52,3.NMR:,化学位移,(Chemical Shift),在磁场中,由于原子核外电子的运动而产生一个小的磁场,B,e,(local field).,此小磁场与外加磁场,(B,0,),方向相反,.,从而使原子核感受到一个比外加磁场,小的磁场,(B,0,+,B,lo,),.,此一现象我们称做化学位移作用或屏敝作用,.,B,0,B,e,原子核实际感受到的磁场,:,B=(1-,s,)B,0,s,化学位移常数,2025/10/3 周五,53,3.NMR:PPM,单位,由于化学位移是与外加磁场成正比,所以在不同的磁场下所的花絮位移数值也不同,.,也会引起许多麻烦,.,引入,ppm,并使用同意参照样品,就是光谱独立于外加磁场,.,0 Hz,1500,3000,4500,6000,0,ppm,4,8,12,0 Hz,1500,3000,4500,6000,0,ppm,4,8,12,参照样品峰,300 MHz,500 MHz,300 MHz,500 MHz,1,ppm,=300 Hz,1,ppm,=500 Hz,2025/10/3 周五,54,0,ppm,4,2,8,6,10,HC=O,HC=,CH,2,CH,3,即使使用不同的仪器或在不同的场强下,相同的官能团具有相同的,ppm,值,.,不同的官能团由于存在于不同的电子环境因而具有不同的化学位移,从而使结构坚定成为可能,.,3.NMR:,化学位移,(Chemical Shift),2025/10/3 周五,55,3.NMR:,自旋,-,自旋偶合,(Scalar Coupling),相邻的原子核可以通过中间媒介,(,电子云,),而发生作用,.,此中间媒介就是所谓的化学键,.,这一作用就叫自旋,-,自旋偶合作用,(J-,偶合,).,特点是通过化学键的间接作用,.,C,H,C,H,H,C,异核,J-coupling,同核,J-coupling,J,CH,J,HH,2025/10/3 周五,56,自旋,-,自旋偶合引起共振线的分裂而形成多重峰,.,多重峰实际代表了相互作用的原子核彼此间能够出现的空间取向组合,.,C,H,J,CH,C,H,J,CH,原始频率,w,w,-J/2,w,+J/2,J,CH,3.NMR:,自旋,-,自旋偶合,(Scalar Coupling),2025/10/3 周五,57,3.NMR:,同核,J-,偶合,(,Homonuclear,J-Coupling),多重峰出现的规则,:,1.,某一原子核与,N,个相邻的核相互偶合将给出,(n+1),重峰,.,2,.,等价组合具有相同的共振频率,.,其强度与等价组合数有关,.,3,.,磁等价的核之间偶合作用不出现在谱图中,.,4,.,偶合具有相加性,.,例如,:,H,a,H,b,C,C,w,a,w,b,J,AB,H,B,H,B,H,A,H,A,J,AB,2025/10/3 周五,58,H,a,H,b,C,C,H,c,A,B,C,B,C,A,A,B,C,是化学等价的核,J,AB,=J,AC,3.NMR:,同核,J-,偶合,(,Homonuclear,J-Coupling),2025/10/3 周五,59,H,a,H,b,C,C,H,c,B,C,是化学不等价的核,J,AC,=10 Hz,J,AC,=4 Hz,J,BC,=7 Hz,A,B,C,w,A,J,AC,J,AC,3.NMR:,同核,J-,偶合,(,Homonuclear,J-Coupling),2025/10/3 周五,60,3.NMR:,异核,J-,偶合,(,Heteronuclear,J-Coupling),*,CH,*,CH,2,*,CH,3,C,H1,H2,H3,C,H1,H2,C,H1,*,C,C,2025/10/3 周五,61,由于一些核的自然丰度并非如此,100%.,顾此谱图中可能出现偶合分裂的峰和无偶合的峰,.,氯仿中的氢谱是一个典型的例子,.,x100,H-,13,C,H-,13,C,105 Hz,H-,12,C,3.NMR:,异核,J-,偶合,(,Heteronuclear,J-Coupling),2025/10/3 周五,62,4.NMR:,分辨率与稳定性,(Resolution and Stability),为能区分微小的化学位移和偶合常数,高的分辨率仪器,(0.1Hz),是必须的,.,它不仅要求外磁场必须具有相当的稳定性,同时要求处于同位置但相同的核给出相同的共振频率也就是说线宽要非常得心应手小,.,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,.,2025/10/3 周五,63,4.NMR:,锁场,(Lock),实验对磁场稳定性的要求可以通过锁场实现,.,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,(Z,0,),的电流来进行矫正,.,2,D,Lock,TX,Lock,RX,Lock,freq.,D,Z,0,-coil,2025/10/3 周五,64,4.NMR:,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涵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,.,2025/10/3 周五,65,4.NMR:,匀场,(Shimming),匀场线圈分为两组,:,改变,Z-,轴方向场强的称为纵向匀场,(,axial,on-axis,or,z-shims);,改变垂直与,Z-,轴方向场强的称为横向匀场,(,transverse,or,off-axis,shims).,2025/10/3 周五,66,4.NMR:,匀场效果,(Effect of Z-Shims),Z,+Z,2,-Z,2,+Z,4,-Z,4,Z,3,Z,5,2025/10/3 周五,67,4.NMR:,匀场,(Shimming),x,y,z,z,z2,x,y,xy,xz,yz,x2y2,z,z2,z3,x,y,xy,xz,yz,x2y2,xz2,yz2,x2y2z,xyz,z,z2,z3,z4,x,y,xy,xz,yz,x2y2,xz2,yz2,x2y2z,xyz,x3,y3,x2y2z2,z,z2,z3,z4,z5,z6,Spinning,Non-spinning,匀场需要丰富经验为基础,.,通过观察锁场信号高低,样品信号线形及,FID.,2025/10/3 周五,68,4.NMR:,匀场,(Shimming),当初次安装仪器或探头时,旋转与非旋转样品线形是一个标准的参考数据,.,氢谱的线形数据是通过测量氘代丙酮中,3%,的氯仿而得,.,数据,0.3/7/14,表明,Hz at 50%;,半峰宽,7 Hz at 0.55%;,碳卫星峰高度的峰宽,14 Hz at 0.11%1/5,碳卫星峰高度的峰宽,13C satellites,215 Hz,2025/10/3 周五,69,4.NMR:Shimming,样品旋转,在,50,0.55 and 0.11%,处确定峰宽数值,50%,0.11%,0.55%,旋转边带,2025/10/3 周五,70,4.NMR:,匀场,(Shimming),50%,0.11%,0.55%,样品不旋转,在,50,0.55 and 0.11%,处确定峰宽数值,2025/10/3 周五,71,5.NMR:RF,脉冲,B,0,M,在传统坐标系中,由于外加磁场对原子核的作用，磁化矢量以,Larmor,频率绕外加磁场进动,.,如果旋转坐标系的旋转频率与原子核的共振频率相同，在旋转坐标系中则没有磁场而磁化矢量也就会静止不动但如果旋转坐标系的旋转频率与原子核的共振频率有差别，则磁场就会出现而磁化矢量会围绕此小磁场运动此小磁场叫,偏置场,Dw,M,M,传统坐标系,旋转坐标系,在共振,共振偏置,旋转坐标系,2025/10/3 周五,72,5.NMR:RF,脉冲,z,w,1,=,w,eff,x,z,w,1,Dw,x,w,eff,z,w,1,=,w,eff,x,M,在共振的,RF,脉冲,共振偏置的脉冲,如果,RF,脉冲施加在原子核的共振频率，则磁化矢量就绕施加的场转动,.,如果,RF,脉冲未施加在原子核的共振频率则磁化矢量就绕施加的场与磁场的合场方向转动,.,M,z,w,eff,x,w,eff,2025/10/3 周五,73,5.NMR:,共振与偏置共振（,On and off resonance,）,在共振,接近共振,偏置共振,通过改变以达,到共振频率,2025/10/3 周五,74,由于核磁共振的样品经常包含多余一个的峰，脉冲不可能对所有的共振进行在共振激发但若以高功率的脉冲（使有效场尽可能贴近平面）仍可达到近似的效果实际应用上使用短而强的脉冲,z,w,1,Dw,x,w,eff,z,w,1,=,w,eff,x,z,w,1,Dw,x,w,eff,RF(O1),5.NMR:RF,脉冲,2025/10/3 周五,75,p,/2=6,m,s,0,20000,40000,60000,80000,Dw,(Hz),0,20000,40000,60000,80000,Dw,(Hz),p,/2=18,m,s,p,=36,m,s,磁化矢量与偏置共振的关系,5.NMR:RF,脉冲,2025/10/3 周五,76,计算脉冲强度,:,若,p,/2,脉冲,10,m,s,则,2,p,脉冲,40,m,s,那么,w,1,1/40,m,s=25 kHz,若,p,/2,脉冲太长，可以增加功率是其变短,不要超过探头所能负担的功率否则会损坏探头！,RF,功率放大器的输出功率是用,dB.,dB,的数值表示与最大输出功率相比实际输出功率衰减的程度,由上式可看出每,6 dB,衰减将使输出的伏特值减半而使,脉冲长度加倍在仪器中，脉冲强度由,ln,设定,dB,表示小强度，表示大强度,Attenuation(dB)=-20 log(V/,V,max,),5.NMR:RF,脉