核磁共振第三部分PPT課件

1 核磁共振 簡稱NMR NuclearMagneticResonance 是一種用來研究物質(zhì)的分子結(jié)構(gòu)及物理特性的光譜學方法 所謂核磁共振就是處于某個靜磁場中的原子核可在磁場中產(chǎn)生能級分裂 用無線電波照射時 原子核發(fā)生共振躍遷 記錄電磁波被吸收的位置和強度 核磁共振波譜 最常用的為1H和13C譜 其他還有19F 31P和15N 內(nèi)容回顧 2 核磁共振的產(chǎn)生 在外加磁場中 自旋的原子核具有不同的能級 如用一特定的頻率 的電磁波照射樣品 并使 原子核即可進行能級之間的躍遷 產(chǎn)生核磁共振吸收 3 同種類型的核 如果所處化學環(huán)境不同 它們就會感受到不同的局部磁場Bloc 那么核所經(jīng)受的有效場Beff為 是核的磁屏蔽常數(shù) 與核的化學環(huán)境 既原子的電子結(jié)構(gòu)和分子結(jié)構(gòu) 有關 與外磁場無關 它是一個張量 在溶液中 由于分子的快速運動平均為常數(shù) Bloc的本質(zhì)是由于電子的軌道運動所產(chǎn)生的屏蔽 Beff Bo Bloc Bo 1 Bloc Bo Bo 1 2 Bloc BoBoBoBo 4 NMR標度 ppm 頻率標度隨外磁場的改變而改變 應用起來不方便 使用相對標度 用特殊的化合物作參考信號 不隨磁場改變 用100MHz 2 35T 磁場測得的 與用600MHz 14 1T 磁場測得的 相同 5 TMS Tetramethylsilane 是常用的參考物質(zhì) 它溶于大部分有機溶劑 惰性 易揮發(fā) 并有12個等性的1H核和4個等性的13C核 還有一些其它的參考物質(zhì) 如用于有機溶劑13C譜的二氧六環(huán)等 6 HO CH2 CH3 去屏蔽小的屏蔽常數(shù) 大的化學位移 移往低場 正屏蔽大的屏蔽常數(shù) 小的化學位移 移往高場 ppm 低場 高場 7 影響化學位移的因素 8 分子內(nèi)的屏蔽 其它原子或基團對目標核的磁屏蔽作用 分子結(jié)構(gòu)信息 誘導效應 由于電負性較強基團的拉電子作用導致與之相連的原子 基團 周圍的電子密度下降 核磁屏蔽減少 譜線向低場方向移動 9 Cl的連續(xù)取代對CH4分子1H化學位移的影響 10 去屏蔽效應隨相隔原子個數(shù)增加逐漸衰減 11 共軛效應 由于共軛多重鍵 電子轉(zhuǎn)移導致原子 基團 電子密度和磁屏蔽的改變 p 共軛 推電子給 位 共軛 從 位拉電子 12 考慮H Y分子 Y可以是一個原子或基團 如C C單鍵 C C雙鍵 C三C叁鍵 C O雙鍵等 在外磁場作用下 圍繞Y的電子就被迫以某種方式運動 產(chǎn)生磁矩 Y 因而形成次級磁場 次級磁場具有方向性 故對分子各部位的磁屏蔽各不相同 即磁各項異性效應 磁各項異性效應 13 假設鍵是圓柱形對稱的 則H核處的屏蔽常數(shù)可以表示為x 和x 分別為平行于和垂直于化學鍵的磁化率 的符號取決于兩個因子 1 3cos2 的符號 當 54 44 時 0 的符號 它依賴于鍵的特性 C三C的 的符號正好和其它各鍵的情況相反 因而屏蔽區(qū)和去屏蔽區(qū)也正好相反 r 14 從鍵的中心開始劃分出兩個錐形體 錐形體內(nèi)部與外部屏蔽效果不同 為屏蔽區(qū) 為去屏蔽區(qū) 在54 7 屏蔽效果是零 15 環(huán)流效應Benzene Cyclohexa 1 3 diene 18 annulene 16 VanderWaalseffect 當兩個原子相互靠近時 由于范德華力的作用 電子云互相排斥 導致原子周圍的電子密度降低 電子屏蔽減少 譜線向低場移動 17 分子間的屏蔽 其它分子中的原子或基團的屏蔽 氫鍵效應使電子云密度平均化 使OH或SH中質(zhì)子移向低場 如分子間形成氫鍵 其化學位移與溶劑特性及濃度有關 如分子內(nèi)形成氫鍵 與溶液無關 只與分子本身有關 18 分子內(nèi)氫鍵 分子間氫鍵 與誘導效應同 19 常見結(jié)構(gòu)單元化學位移范圍 20 自旋 自旋偶合 產(chǎn)生原因 相鄰核自旋間相互干擾 存在能量偶合 使譜線分裂 偶合方式 1 直接偶合 核磁矩間直接發(fā)生偶合作用 與核間的空間距離和取向有關 在溶液中由于分子的快速運動直接偶合被平均為零 2 間接偶合 J偶合 核間通過核外電子云間作用產(chǎn)生的偶合作用 21 當自旋體系存在自旋 自旋J偶合時 導致NMR譜線分裂 由分裂所產(chǎn)生的裂距 反映了相互偶合作用的強弱 稱為偶合常數(shù)J couplingconstant 單位HZ 偶合常數(shù)的分類 按偶合核之間相隔化學鍵的數(shù)目分為 1J 2J 3J 22 23 自旋偶合圖AX系統(tǒng)AX2系統(tǒng)AMX系統(tǒng)A2X2系統(tǒng)AX3系統(tǒng)A2X3系統(tǒng) 24 圖譜解析 1 區(qū)分出雜質(zhì)峰 溶劑峰 旋轉(zhuǎn)邊帶 2 計算不飽和度 3 確定譜圖中各峰組所對應的氫原子數(shù)目 對氫原子進行分配 4 對每個峰的 J都進行分析 5 對推出的結(jié)構(gòu)進行指認 25 第一節(jié)觀察核磁共振現(xiàn)象的兩種儀器 1 連續(xù)波譜儀一般采用永磁鐵或電磁鐵 最高頻率 磁場 只能做到100MHz 頻率越高 儀器越靈敏 做出的圖譜越簡單 越易解析 在固定射頻下進行磁場掃描 掃場法 或在固定磁場下進行頻率掃描 掃頻法 使不同的核依次滿足共振條件而畫出譜線 第二章核磁共振儀器原理 26 一般連續(xù)波譜儀是在核進動的頻率范圍內(nèi)用掃頻或掃場的方式來觀察NMR信號的 由于每一時刻只能觀察一條譜線 所以效率低 由于信噪比S N與N1 2成正比 提高10倍則需要100次的累加 時間消耗大 也難以保證信號長期穩(wěn)定 27 此外 13C的化學范圍遠比1H寬 1H化學位移在15以內(nèi) 13C在250以上 顯然13C掃描一次很費時 而13C豐度低 信號太弱 必須用累加方式解決此問題 為了解決上述難題 必須采用脈沖傅立葉變換儀器 28 2 脈沖傅立葉變換儀器 PFT NMR 脈沖傅立葉變換儀器是使所有的原子核同時共振 采用一個強射頻 以脈沖方式將所有的核激發(fā) 為了提高信噪比 需多次重復照射 接收 將信號累加 29 現(xiàn)在生產(chǎn)的脈沖傅里葉變換核磁共振儀大多是超導核磁共振儀 采用超導磁鐵產(chǎn)生高的磁場 超導線圈浸泡在液氦中 為了減少液氦的蒸發(fā) 液氦外面用液氮冷卻 這樣的儀器可以做到200 900MHz 儀器性能大大提高 但消耗也大大增加 30 連續(xù)波與脈沖波方式的相同之處 都需要一個磁場 電磁鐵 永磁鐵 超導磁體 要求具有很好的穩(wěn)定性和均勻性以提高儀器的穩(wěn)定性和分辨率 因此都需要具有穩(wěn)場和勻場系統(tǒng) 都需要一個能產(chǎn)生與磁場強度相適應的某個頻率的射頻振蕩發(fā)射機 都需要一個能檢測核共振信號的探頭 及對信號放大 檢波的接受系統(tǒng) 信號的記錄裝置 31 連續(xù)波與脈沖波方式的不同之處 射頻場不同 連續(xù)波方式所用射頻功率小于1W 磁場強度H1為10 4高斯 脈沖方式所用射頻功率為幾千W 磁場強度H1為100高斯以上 脈沖波的信號為自由衰減信號 FID 需要傅立葉變換技術(shù) 脈沖波不需要調(diào)制系統(tǒng) 32 NMR的構(gòu)成及作用 1 磁鐵 提供外磁場 要求穩(wěn)定性好 均勻 不均勻性小于六千萬分之一 2 射頻振蕩器 線圈垂直于外磁場 發(fā)射一定頻率的電磁輻射信號 3 射頻信號接受器 檢測器 當質(zhì)子的進動頻率與輻射頻率相匹配時 發(fā)生能級躍遷 吸收能量 在感應線圈中產(chǎn)生毫伏級信號 4 樣品管 外徑5mm的玻璃管 測量過程中旋轉(zhuǎn) 磁場作用均勻 33 34 第二節(jié) 脈沖傅立葉核磁變換波譜儀 脈沖傅立葉核磁共振波譜 采用在恒定的磁場中 用一定頻率寬度的射頻強脈沖輻射試樣 使自旋取向發(fā)生改變并躍遷至高能態(tài) 高能態(tài)核經(jīng)一段時間后又重新返回低能態(tài) 通過收集這個過程產(chǎn)生的感應電流 即可獲得時間域上的波譜圖 經(jīng)傅立葉轉(zhuǎn)換可獲得頻率域的波譜圖 35 脈沖傅立葉核磁變換的基本原理 1 對于一個化合物來說 不同官能團中的核有不同的化學位移 即在不同位置出峰 因此其譜圖會占據(jù)相當?shù)膶挾?對每一不同共振頻率的原子核有相應的通式 36 該式說明當H1足夠強時 不同共振頻率的核所受到的有效磁場都是近似相等的 都近似為H1 也就是說 雖然它們的共振頻率有一定的差異 但確都同時發(fā)生了共振 則 如果 37 因此 H1必須很強 連續(xù)波儀器中是毫高斯的量級 而現(xiàn)在是幾十個高斯的量級 在H1的作用下 旋轉(zhuǎn)坐標系中 轉(zhuǎn)動速度為 38 39 在tp 脈沖寬度 的作用下 轉(zhuǎn)動的角度為 如果 控制tp使 轉(zhuǎn)動90 則 40 因此 為了激發(fā)具有一定寬度的所有原子核 必須使用短而強的脈沖 41 激發(fā)RF的裝置 時間控制單元TCU 42 二 受到射頻脈沖后宏觀磁化強度的進動在熱平衡的情況下B0方向的宏觀磁化強度M0在y方向的分量為0 無核磁共振信號 如果沿x方向加一個射頻脈沖 在y方向來接受信號 此時 宏觀磁化強度M0不再保持靜止 而是繞著x軸轉(zhuǎn)動 也就是核自旋受到了激發(fā) 43 44 宏觀磁化強度轉(zhuǎn)動方向為Z Y Z Y Z M0偏離z軸 傾倒了一個角度 若此角度為90 這個射頻脈沖叫90 射頻脈沖 這時在y方向的分量My最大 45 通過脈沖的照射 磁化矢量將以脈沖的照射方向為軸在垂直于脈沖的照射方向的平面內(nèi)轉(zhuǎn)動 只要脈沖打開 則磁化矢量的轉(zhuǎn)動就不會停止 磁化矢量的轉(zhuǎn)動速度取決于脈沖強度 脈沖長度 寬度 將決定磁化矢量停止的位置 A脈沖長度 46 47 90o脈沖將給出最大的信號 所以也就成為準確測定此參數(shù)的原因之一 在特定的功率強度下 通過采集一系列不同脈沖長度的譜圖以確定最大值或零強度點 此點就給出90o或180o的脈沖 48 49 此時 在y軸方向上的探測器將測得宏觀磁化強度M在y軸上分量My的變化 如果要把My隨時間t的變化表示出來 就是把M M0過程中M的螺旋旋進圖形向ZY面作投影 其坐標為MY和t 這個MY隨時間t變化的圖形 叫做自由感應衰減信號 fleeinductiondecay FID 它代表信號隨時間t的變化的函數(shù) 又叫時疇函數(shù)f t 50 51 自由衰減信號并不能象COS函數(shù)一樣保持同樣的振輻持續(xù)下去 而是以指數(shù)的方式衰減為零 52 一個有一定寬度 tp 的射頻方形脈沖的頻譜中包含全部頻率成分 但是各頻率分量的幅度不均勻 射頻頻率f1最強 然后在f1兩邊幅度逐漸衰減 它的頻譜是連續(xù)的 tp選的足夠小 在f1附近獲得較均勻的頻譜 tp 10 s 可獲得最大FID信號 三 激發(fā) 脈沖 信號過程的傅立葉轉(zhuǎn)換 53 54 為了在譜寬范圍內(nèi)能得到等強度的激發(fā) 必須有一個較寬的平坦區(qū) 要求脈沖寬度盡可能地小 為了達到一定的扳轉(zhuǎn)角 脈沖寬度tp越小 要求脈沖強度H越大 常規(guī)記譜用90 脈沖 單脈沖激發(fā)實際上就是用一個連續(xù)頻率譜去照射自旋系統(tǒng) 相當于在同一時刻完成一次掃描 接收到的FID信號經(jīng)傅里葉變換后得頻率譜 55 為了提高靈敏度 需進行重復實驗 累加信號 這相當于用一串重復脈沖激發(fā) 每次脈沖后作一次取樣 作n次累加 信噪比提高n1 2倍 相干累加的條件是信號的相位必須相同 一般采用周期脈沖序列 周期脈沖激發(fā)是用等間隔離散頻率譜激發(fā) 相鄰兩頻率間的距離為1 56 其強度用包絡線表示 主帶頻譜范圍w 2 tP 在這個頻譜范圍w內(nèi) 相鄰射頻頻率差為 1 tr 在整個主帶頻譜范圍內(nèi)頻率不同的射頻總數(shù)n W 2tr tP 57 若某一個脈沖的脈沖寬度tP為10 s 脈沖間隔tr為2s 則 也就是說 這個脈沖系列內(nèi)包含有4 105個不同頻率的射頻波 足以使樣品中具有不同化學位移的核同時受到激發(fā) 產(chǎn)生共振得到FID信號 脈沖傅里葉變換脈沖時間短 每次脈沖的間隔一般也僅為幾秒 許多在連續(xù)波儀器上無法做的測試可以在脈沖傅里葉變換核磁共振儀上完成 58 在核磁共振實驗中 由于原子核所處的電子環(huán)境不同 而具有不同的共振頻率 實際上 NMR信號包含許多共振頻率的復合信號 分析研究這樣一個符合信號顯然是很困難的若要將FID信號轉(zhuǎn)化為一般的圖譜 必須經(jīng)過傅里葉變換將時疇函數(shù)f t 轉(zhuǎn)化為頻疇函數(shù)g v 得到核磁共振譜 四 接受信號過程的傅立葉轉(zhuǎn)換 59 60 信號首先被送到前置放大器然后送到接收器 接收器分解此信號使之頻率降低到聲頻范圍 模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器將此信號數(shù)字化 在得到FID信號以后 由于它是一個時間函數(shù) 并不是我們期望得到的頻率圖譜 所以需再一次經(jīng)過傅里葉變換 才能得到核磁共振圖譜 61 得到PFT NMR圖譜的過程簡圖 62 第三節(jié)儀器組成 63 64 一 磁鐵或磁體磁鐵或磁體產(chǎn)生強的靜磁場 以滿足產(chǎn)生核磁共振的要求 譜儀的磁感強度H0和譜儀工作頻率是成正比的 100MHz 以氫核計 的譜儀所需磁感強度為2 35T 特斯拉 1特斯拉 10000高斯 65 100MHz以下的低頻譜儀采用電磁鐵或永久磁鐵 由于電磁鐵不可避免地會消耗大量電能 已經(jīng)停止生產(chǎn) 200MHz以上高頻譜儀采用超導磁體 它利用含鈮合金在液氦溫度下的超導性質(zhì) 超導磁體 及其中心的探頭 的結(jié)構(gòu)如圖所示 66 由鈮合金絲纏繞的超導線圈完全浸泡在液氦中間 為減低液氦的消耗 其外圍是液氮層 液氦及液氮均由高真空的罐體貯存 以降低蒸發(fā)量 只要液氦始終完全淹沒線圈 含鈮合金在此溫度下的超導性則使電流一直維持下去 67 液氦需及時補充 視不同譜儀而定 約為3至6月 每7至10天則需補加液氮 磁體的中心為探頭 為使磁力線均勻 設置有兩大組勻場線圈 每大組勻場線圈又由多組線圈構(gòu)成 后者每組線圈產(chǎn)生一組特殊的磁力線 由它們的綜合作用 產(chǎn)生均勻的磁場 68 兩 大 組勻場線圈為低溫勻場線圈和室溫勻場線圈低溫勻場線圈浸泡在液氦中 升場以后進行調(diào)節(jié) 室溫勻場線圈由分析測試人員在放置樣品管后進行調(diào)節(jié) 69 磁場的穩(wěn)定性是通過穩(wěn)定的磁體及鎖場系統(tǒng)來實現(xiàn) 而小的線寬則通過能提供均勻場強的磁體及勻場來完成 若樣品中各處磁場不均勻 各處的原子核共振頻率不同 這將導致譜峰加寬 即分辨率下降 為使磁場均勻 除前面所講的采用低溫和室溫兩大組勻場線圈之外 還有使樣品管旋轉(zhuǎn) 鎖場 70 鎖場方法主要有兩種 1 外部鎖場在磁場中 樣品管附近放入水或16F的化合物作鎖場試樣 用水的質(zhì)子或16F核的NMR信號來恒定磁場強度 2 內(nèi)部鎖場在被測樣品中加入鎖場化合物 用鎖場化合物的信號來恒定磁場強度 鎖場化合物一般用TMS 71 72 鎖場實現(xiàn) 通過不間斷的測量一參照信號 氘信號 并與標準頻率進行比較 如果出現(xiàn)偏差 則此差值被反饋到磁體并通過增加或減少輔助線圈 Z0 的電流來進行矯正 2D LockTX LockRX Lockfreq D Z0 coil 73 勻場 Shimming 在樣品中 磁場強度應該是均勻且單一 以使相同的核無論處于樣品的何種位置都應給出相同的共振峰 為達此目的 一系列所謂勻場線圈按繞制所提供的函數(shù)方式給出補償以消除磁場的不均勻性 從而得到窄的線形 實際應用中可分為低溫勻場 cryo shims 線圈和室溫勻場線圈RT shims 低溫勻場線提供較大的矯正 74 勻場 Shimming 75 探頭是核磁譜儀的核心部件 它固定于磁體或磁鐵的中心 為圓柱形 探頭的中心放置裝載樣品溶液的樣品管 探頭對樣品發(fā)射產(chǎn)生核磁共振的射頻波脈沖并檢測核磁共振的信號 這兩個功能?？捎梢粋€線圈來完成 二 探頭 76 一般PFT NMR儀在探頭上有三個通道 1 鎖通道 為保持磁場高度穩(wěn)定性 2 發(fā)射及接收通道 作為觀察NMR信號的主要部分 3 干擾通道 可根據(jù)需要發(fā)射干擾射頻 以完成各種不同的操作 儀器的運行及數(shù)據(jù)處理皆用計算機控制 77 從產(chǎn)生射頻寬窄的角度 探頭分為兩類 1 產(chǎn)生固定頻率的探頭 如檢測1H和13C的雙核探頭 或檢測1H 31P 13C和15N的四核探頭 2 頻率連續(xù)可調(diào)的探頭 高頻起于31P的共振頻率 低頻限有不同的產(chǎn)品 如終止于15N或109Ag的共振頻率 78 79 通常探頭檢測線圈在里 去耦線圈在外 以便得到較高的檢測靈敏度 氫以外的磁性核 如13C 19F 31P 15N等 它們的磁旋比均比氫低得多 檢測靈敏度也就低得多 較新的譜儀探頭配有產(chǎn)生脈沖場梯度的裝置 它的功用為抑制溶劑峰和大大縮短測定二維核磁共振譜的時間 當樣品有足夠的量時 80 三 前置放大器 Preamp 去接收器的信號 81 前置放大器有兩種用途 1 放大檢測到的NMR信號 從微伏到毫伏 2 分離高能RF脈沖與低能NMR信號 前置放大器含有一接收發(fā)射開關 T R 其作用就是阻止高壓RF脈沖進入敏感的低壓的信號接收器 82 四 譜儀的其他部件 除磁體 或磁鐵 和探頭之外 核磁共振譜儀尚包括多個部件 如射頻發(fā)生器 前置放大器 接收器等等 由于是傅里葉變換分析儀器 必須有相應的計算機硬件 軟件 高頻核磁譜儀一般配有工作站 以進行復雜的運算和操作 83 84 第四節(jié)儀器操作 1 樣品的制備在測試樣品時 選擇合適的溶劑配制樣品溶液 樣品的溶液應有較低的粘度 否則會降低譜峰的分辨率 若溶液粘度過大 應減少樣品的用量或升高測試樣品的溫度 通常是在室溫下測試 當樣品需作變溫測試時 應根據(jù)低溫的需要選擇凝固點低的溶劑或按高溫的需要選擇沸點高的溶劑 85 對于核磁共振氫譜的測量 應采用氘代試劑以便不產(chǎn)生干擾信號 氘代試劑中的氘核又可作核磁譜儀鎖場之用 以用氘代試劑作鎖場信號的 內(nèi)鎖 方式作圖 所得譜圖分辨率較好 特別是在微量樣品需作較長時間的累加時 可以邊測量邊調(diào)節(jié)儀器分辨率 對低 中極性的樣品 最常采用氘代氯仿作溶劑 因其價格遠低于其它氘代試劑 極性大的化合物可采用氘代丙酮 重水等 86 針對一些特殊的樣品 可采用相應的氘代試劑 如氘代苯 用于芳香化合物 芳香高聚物 氘代二甲基亞砜 用于某些在一般溶劑中難溶的物質(zhì) 氘代吡啶 用于難溶的酸性或芳香化合物 等 87 為測定化學位移值 需加入一定的基準物質(zhì) 基準物質(zhì)加在樣品溶液中稱為內(nèi)標 若出于溶解度或化學反應性等的考慮 基準物質(zhì)不能加在樣品溶液中 可將液態(tài)基準物質(zhì) 或固態(tài)基準物質(zhì)的溶液 封入毛細管再插到樣品管中 稱之為外標 對碳譜和氫譜 基準物質(zhì)最常用四甲基硅烷 88 樣品樣品對核磁共振譜圖質(zhì)量至關重要 對于氫譜 3到10毫克樣品足夠 濃度為5 10 對于分子量較大的樣品 有時需要濃度更大的溶液 但濃度太大會因飽和或者粘度增加而降低分辨率 對于碳譜和雜核 樣品濃度至少為氫譜的5倍 一般在100毫克左右 89 對于二維實驗 為了獲得較好的信噪比 樣品濃度必須夠濃 根據(jù)經(jīng)驗 25毫克樣品足以完成所有實驗 如果樣品只有1到5毫克 只能完成均核氫的相關實驗 與碳相關的實驗至少需要過夜 90 保持樣品高度或者體積一致 這將減少換樣品后的勻場時間 對于5毫米核磁管 樣品體積應為0 5毫升或者樣品高度為4厘米 核磁管必須干燥清潔 避免樣品污染 譜儀的磁場強度越高 儀器靈敏度也高 對于污染物 樣品制備不好和不好的樣品管的靈敏度也增加 請保持核磁管和轉(zhuǎn)子干凈 在實驗前檢查核磁管外壁是否干凈 91 為改善磁場的均勻性 在樣品管上部套有一個渦輪轉(zhuǎn)子 壓縮空氣從其切向吹來 渦輪轉(zhuǎn)子帶動樣品管一起轉(zhuǎn)動 測試溶液樣品的核磁譜儀 其轉(zhuǎn)速約為20周 秒左右 另有一套管路系統(tǒng) 用于變溫測量 樣品管旋轉(zhuǎn)的副作用是可能產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)邊帶 即在信號左右對稱處出現(xiàn)邊帶峰 改變旋轉(zhuǎn)速度 邊帶峰與樣品峰的距離相應變化 由此可以確認邊帶 92 溶劑的選擇 NMR