核磁共振波譜波譜分析課程課件

1、核磁共振波譜Nuclear Magnetic Resonance Spectroscopy幾個(gè)物理量P：自旋角動(dòng)量m ：磁距m = rPr：磁旋比，對(duì)同一原子核而言，為常數(shù)，r越大表明其磁性越強(qiáng)，越易檢測(cè)P h / 2 P普朗克常數(shù)前言核磁共振技術(shù)發(fā)展簡(jiǎn)介 第一節(jié) NMR基本原理 第二節(jié) 核磁共振氫譜 第三節(jié) 圖譜解析前言用傳統(tǒng)的化學(xué)方法解析結(jié)構(gòu)，方法繁瑣，用量 大，耗時(shí)長(zhǎng)如：鴉片中嗎啡的結(jié)構(gòu)確定，用了150年 時(shí)間，直到20世紀(jì)50年代。現(xiàn)代波譜學(xué)發(fā)展為結(jié)構(gòu)解析提供強(qiáng)有力的手段四大光譜：UV、IR、NMR、MSUV：是否含有發(fā)色團(tuán)、助色團(tuán)IR：具有何種官能團(tuán)MS：分子量，結(jié)構(gòu)碎片NMR：結(jié)構(gòu)

2、解析的主要手段解決立體構(gòu)型問(wèn)題的：CD、ORD、X-射線 單晶衍射ONHOHO嗎啡morphine核磁共振技術(shù)發(fā)展簡(jiǎn)介技術(shù)發(fā)展1946年，美國(guó)斯坦福大學(xué)F. Bloch和哈佛大學(xué)EM Pucell幾 乎同時(shí)觀測(cè)了石蠟中質(zhì)子的信號(hào)1951年,Arnold 發(fā)現(xiàn)乙醇的NMR信號(hào)及與結(jié)構(gòu)的關(guān)系1953年,Varian公司試制了第一臺(tái)NMR儀器30MHz(CW- 30MHz)1970年，PFT-NMR發(fā)展成熟1980年后，2D-NMR技術(shù)發(fā)展成熟近年來(lái)，3D，多維NMR發(fā)展成功，可用于DNA、多肽、蛋 白的結(jié)構(gòu)解析，但尚未達(dá)到常規(guī)使用的階段NMR現(xiàn)象發(fā)現(xiàn)于1945年，發(fā)展迅速，已成為當(dāng)代研究物質(zhì) 結(jié)構(gòu)

3、最有力的工具。核磁共振技術(shù)發(fā)展簡(jiǎn)介Nobel Prize:1943O. Stern - 測(cè)定質(zhì)子磁距1944I. I. Rabi - 測(cè)定原子核磁距的共振方法1952F. Bloch and E. M. Pucell (美國(guó)) - 核磁共振現(xiàn)象1991R. R. Ernst (英國(guó)) - 傅立葉變換核磁共振2002K. WTHRICH (瑞士)- 核磁共振技術(shù)測(cè)定溶液中生物大分子三維結(jié)構(gòu)的方法第一節(jié) NMR基本原理NMR信號(hào)是如何產(chǎn)生的？半數(shù)以上的原子核具有自旋，其中的質(zhì)子、中子與電子一 樣具有自旋運(yùn)動(dòng),旋轉(zhuǎn)時(shí)能形成環(huán)電流，產(chǎn)生一個(gè)小磁場(chǎng)， 產(chǎn)生磁矩。原子核的自旋運(yùn)動(dòng)，可用自旋量子數(shù)(I)表征

4、I-取決于質(zhì)量數(shù)和原子序數(shù)NMR主要研究對(duì)象: I = 1/2 的核，如1H, 13C, 15N, 19F, 31P質(zhì)量數(shù)原子序數(shù)INMR信號(hào)電荷分布偶數(shù)偶數(shù)0無(wú)均勻偶數(shù)奇數(shù)1, 2, 3, 有不均勻奇數(shù)奇數(shù)或偶數(shù)1/23/2, 5/2, 有 有均勻 不均勻一、原子核的磁距 (核磁)原子序數(shù)-一個(gè)原子核內(nèi)質(zhì)子的數(shù)量元素周期表2、原子核的進(jìn)動(dòng)當(dāng)核磁矩與外加磁場(chǎng)指向成一夾角時(shí)，則在外加磁場(chǎng)的作用下，核 磁矩將圍繞外加磁場(chǎng)進(jìn)行進(jìn)動(dòng)，稱為拉莫爾進(jìn)動(dòng) (lamor procession)進(jìn)動(dòng)頻率： w= H0g/2p二、原子核的進(jìn)動(dòng)Hoo自旋核形成的核磁矩可看成是個(gè)小磁針，沒(méi)有磁場(chǎng)時(shí)，排列混亂。當(dāng)置于外

5、加磁場(chǎng)下，磁矩沿外加磁場(chǎng)方向被迫有序分布，產(chǎn)生能級(jí) 差異二、原子核的進(jìn)動(dòng)高能態(tài)，不穩(wěn)定 取向與H0相反低能態(tài)，較穩(wěn)定 取向與H0相同二、原子核的進(jìn)動(dòng)自旋取向m-磁量子數(shù)自旋核在外加磁場(chǎng)H0作用下，發(fā)生自旋取向，取向是量子化的當(dāng)置于外加磁場(chǎng)H0中時(shí)，相對(duì)于外磁 場(chǎng)，可以有（2I+1）種取向，氫核I=1/2， 故有兩種取向（兩個(gè)能級(jí)）：與外磁場(chǎng)相反，能量高，磁量子數(shù)1/2;與外磁場(chǎng)平行，能量低，磁量子數(shù)1/2;能級(jí)的躍遷只能發(fā)生在相鄰能級(jí)上E = hH0g/ 2能級(jí)差越大，吸收能量越多，越靈敏。在不同磁場(chǎng)下的能級(jí)差異，隨磁場(chǎng)大小而改變：H0 ，NMR分辨率提高二、原子核的進(jìn)動(dòng)在外磁場(chǎng)中，原子核能級(jí)

6、產(chǎn)生裂分，由低能級(jí)向高 能級(jí)躍遷，需要吸收能量（由射頻振蕩線圈產(chǎn)生電 磁波所提供）三、核的躍遷與電磁輻射 (共振)躍遷實(shí)質(zhì)：m=1/2進(jìn)動(dòng)錐面翻轉(zhuǎn)到 m=-1/2進(jìn)動(dòng)錐面的過(guò)程。三、核的躍遷與電磁輻射(共振)在靜磁場(chǎng)中，具有核磁矩的原子存在不同能級(jí)，運(yùn) 用某一特定頻率的電磁波來(lái)照射被測(cè)樣品，并使供 給的能量滿足于能級(jí)之間的能量差，原子核即可進(jìn) 行能級(jí)之間的躍遷，這就是核磁共振。綜上所述，共振條件如下：磁性原子核-磁矩外磁場(chǎng)-能級(jí)裂分; (3)照射頻率=自旋核的進(jìn)動(dòng)頻率在1.4092特斯拉的磁場(chǎng)，各種核的共振頻率為：1H13C19F31P60.000 MHZ15.086 MHZ56.444 MH

7、Z24.288 MHZ對(duì)于1H 核，不同的頻率對(duì)應(yīng)的磁場(chǎng)強(qiáng)度：射頻磁場(chǎng)強(qiáng)度400.9400601.40921002.35002004.70003007.100050011.7500三、核的躍遷與電磁輻射 (共振)B02 0掃頻 固定磁場(chǎng)強(qiáng)度，改變射電頻率對(duì)樣品進(jìn)行掃描 掃場(chǎng) 固定射電頻率，改變磁場(chǎng)強(qiáng)度對(duì)樣品進(jìn)行掃描核磁共振儀的工作方式對(duì)于同一種核 ，磁旋比為定值， B0變，射頻頻率變；氫核（1H）： 1.409 T2.305 T共振頻率 共振頻率60MHz 100 MHz不同原子核，磁旋比不同，可以在不同的頻率范圍內(nèi)分別得到 不同原子核的核磁共振譜；氫核（1H）： 4.690 T碳核（13C)

8、 ： 4.690 T共振頻率 共振頻率200MHz50MHz現(xiàn)代核磁共振儀脈沖傅立葉變換核磁共振儀(Pulsed Fourier Transform NMR Spectrometers-PFT NMR)固定磁場(chǎng)，由超導(dǎo)磁鐵產(chǎn)生脈沖方波自由感應(yīng)衰減信號(hào)（FID信號(hào)）經(jīng)傅立葉變換得到NMR圖譜核磁共振儀的工作方式NSBoB1DetectorFrequency GeneratorRecorderMagnet核磁共振儀的原理圖核磁共振儀的原理圖屏蔽效應(yīng)H核在分子中不是完全裸露的，而 是被價(jià)電子所包圍的。因此，在外 加磁場(chǎng)作用下，由于核外電子在垂 直于外加磁場(chǎng)的平面繞核旋轉(zhuǎn)，從 而產(chǎn)生與外加磁場(chǎng)方向相反

9、的感生 磁場(chǎng)H。這樣，H核實(shí)際感受到的 磁場(chǎng)強(qiáng)度為：NMR的實(shí)現(xiàn)：HN=hu/2p(1-s)sHN，即NMR信號(hào)出現(xiàn)在高磁 場(chǎng)四、屏蔽效應(yīng)及其影響下的核能級(jí)躍遷H 實(shí) H0 H H 0 H 0 H 0 (1 )為屏蔽常數(shù)1、 Boltzmann分布當(dāng)一群數(shù)目很大的I = 1/2 原子核在恒定的外磁場(chǎng)中， 這些核有兩種取向： m = +1/2m = -1/2熱平衡時(shí)，兩種取向的原子核分布服從Boltzmann 分布，五、核的宏觀磁化量1、 Boltzmann分布對(duì)1H核而言，N+1/2N-1/2五、核的宏觀磁化量=1.000009N+1/2-低能態(tài)核數(shù)目N-1/2-高能態(tài)核數(shù)目1百萬(wàn)個(gè)質(zhì)子中兩者

10、數(shù)目差別為10個(gè)低能態(tài)的核數(shù)目略多于高能態(tài)的核-躍遷存在可能 兩種能態(tài)分布相差甚微，躍遷幾率很少靈敏度很低2、馳豫高能態(tài)的原子核通過(guò)非輻射形式放出能量而回到低能 態(tài)的過(guò)程自旋一晶格馳豫（縱向馳豫）高能態(tài)的原子核將能量以熱能形式傳遞給周圍的 環(huán)境而回到低能態(tài)，自旋一自旋馳豫（橫向馳豫）核自旋之間進(jìn)行的內(nèi)部?jī)?nèi)能量交換，高能態(tài)的將 能量傳給低能態(tài)的核，使高能態(tài)核變成低能態(tài)，低能 態(tài)變成高能態(tài)。五、核的宏觀磁化量3、脈沖技術(shù)PFT-NMR的工作方式原理：1個(gè)脈沖覆蓋了核磁共振所有的頻率范圍，在短時(shí)間內(nèi)完 成共振，大大縮短測(cè)試時(shí)間FT*=tp五、核的宏觀磁化量4、傅立葉變換 Fourier Transform五、核的宏觀磁化量1、NMR的靈敏度n-自旋核數(shù)目，與天然豐度、樣品量、分子量相關(guān)13C天然豐度：1.107%1H天然豐度：99.985%r-磁旋比,與自旋核有關(guān)的常數(shù)13C= 6.7281041H =26.