第7章-波谱技术及核磁共振仪

中南民族大学生命科学学院第七章波谱技术及核磁共振仪第一节核磁共振波谱基本原理核磁共振波谱技术（NMR）是利用处于高磁场中的原子核对射频辐射的吸收光谱来鉴定无机或有机化合物结构的分析技术。UV-Vis光谱：价电子吸收特定波长的紫外光在轨道能级间发生跃迁。IR光谱：样品吸收特定波长红外光后发生振动和转动能级跃迁。中南民族大学生命科学学院一、原子核的自旋（1）一些原子核像电子一样存在自旋现象，有自旋角动量：)1(2IIhPＩ为自旋量子数自旋量子数与质量数的关系中南民族大学生命科学学院核自旋情况讨论：(1)I=0的原子核16O；12C；22S等，无自旋，没有磁矩，不产生共振吸收(2)I=1或I0的原子核I=1：2H，14NI=3/2：11B，35Cl，79Br，81BrI=5/2：17O，127I这类原子核的核电荷分布可看作一个椭圆体，电荷分布不均匀，共振吸收复杂，研究应用较少；(3)Ｉ＝1/2的原子核1H，13C，19F，31P原子核可看作核电荷均匀分布的球体，并象陀螺一样自旋，有磁矩产生，是核磁共振研究的主要对象，C，H也是有机化合物的主要组成元素。中南民族大学生命科学学院（2）由于原子核是具有一定质量的带正电的粒子，故在自旋时会产生核磁矩：79270.21H70216.013C)1()1(42/IIIIcMhecMPePN磁旋比，即核磁矩与自旋角动量的比值，不同的核具有不同的磁旋比，它是磁核一个特征值。N称为核磁子，是核磁矩的单位量。自旋量子数（I）不为零的核都具有磁矩。中南民族大学生命科学学院（二）核磁化及其共振1、能级分裂自旋量子数I=1/2的原子核（氢核），可当作电荷均匀分布的球体，绕自旋轴转动时，产生磁场，类似一个小磁铁。当置于外磁场H0中时，相对于外磁场，有（2I+1）种取向：氢核（I=1/2），两种取向（两个能级）：(1)与外磁场平行，能量低，磁量子数ｍ＝＋1/2;(2)与外磁场相反，能量高，磁量子数ｍ＝－1/2;中南民族大学生命科学学院2、核磁化与核回旋磁性核（I≠0）在磁场中，核自旋产生的磁场与外磁场发生相互作用，由于这种作用不在同一方向，因此，磁性核一面自旋，一面又以自旋轴以一定角度围绕外磁场方向进行回旋运动,产生拉莫（Larmor）进动。拉莫方程：0=H0/2磁旋比；H0外磁场强度；0拉莫频率中南民族大学生命科学学院3、核磁共振谱两种进动取向不同的氢核之间的能级差：E=2H0（磁矩）核磁共振条件：(1)核有自旋(磁性核)(2)外磁场,能级裂分;(3)照射频率与外磁场的比值0/H0=/(2)中南民族大学生命科学学院二、驰豫及其机制不同能级上分布的核数目可由Boltzmann定律计算：kThkTEkTEENNjijiexpexpexp由于两能级间的能量差很小，处于低能级核的总数仅比高能级的核总数多十万分之一左右，而NMR信号就是靠这极弱过量的低能级核产生的。饱和(saturated)——低能态的核等于高能态的核。弛豫(relaxtion)——高能态的核以非辐射的方式回到低能态。中南民族大学生命科学学院自旋驰豫有两种形式：自旋－晶格驰豫和自旋－自旋驰豫。1、自旋－晶格驰豫处于高能态的核自旋体系将能量传递给周围环境，自己回到低能态的过程，称为自旋－晶格驰豫，也称为纵向驰豫，驰豫过程所用的时间用半衰期T1表示。固态样品T1值较大，气态和液态样品T1值较小，为1s左右。2、自旋－自旋驰豫处于高能态的核自旋体系将能量传递给邻近低能态同类磁性核的过程，称为自旋－自旋驰豫，又称为横向驰豫，驰豫过程所用的时间用半衰期T2表示。固态样品T2值特别小，气态和液态样品T2值为1s左右。中南民族大学生命科学学院三、化学位移理想化的、裸露的氢核；满足共振条件：0=H0/(2)产生恒定的核磁共振信号（单一的吸收峰）；实际上，氢核受周围不断运动着的电子影响。在外磁场作用下，运动着的电子产生相对于外磁场方向的感应磁场，起到屏蔽作用，使氢核实际受到的外磁场作用减小：H=（1-）H0：屏蔽常数。越大，屏蔽效应越大。0=[/(2)]（1-）H0由于氢核在化合物中所处的化学环境不同，核外电子云密度不同，屏蔽作用的大小也不同，所以在同一H0下，不同氢核的共振吸收频率会有差异。中南民族大学生命科学学院0=[/(2)]（1-）H0由于屏蔽作用的存在，氢核产生共振需要更大的外磁场强度（相对于裸露的氢核），来抵消屏蔽影响。由于各种氢核周围的电子云密度不同（化合物结构中位置不同），具有不同的屏蔽常数，引起外磁场或共振频率的移动（即引起共振吸收峰的位移），这种现象称为化学位移。中南民族大学生命科学学院0=[/(2)]（1-）H0屏蔽作用引起的值与外加磁场强度成正比，意味着用不同磁场强度的仪器测得的同一化学环境的氢核的化学位移值也不同。为了使核的化学位移值不随磁场强度的改变而改变，引入一个相对量δ来描述化学位移：δ＝(vr-vs)×106/vr=(Hr-Hs)×106/Hrv为吸收频率，H为磁场强度中南民族大学生命科学学院1H核磁共振测量化学位移选用的标准物质是四甲基硅烷（(CH3)4Si,TMS），规定其化学位移δ值为0。它具有以下优点：1、TMS分子中12个氢核所处的化学环境完全相同，在谱图上是一个尖峰。2、TMS的共振频率最小。3、具有化学惰性。4、易溶于大多数有机溶剂中。中南民族大学生命科学学院第二节核磁共振波谱仪中南民族大学生命科学学院按工作方式分为：连续波核磁共振波谱仪、脉冲傅里叶变换核磁共振波谱仪。一、连续波核磁共振波谱仪：磁铁、磁场扫描发生器、射频发射器、射频接收器及信号记录系统。中南民族大学生命科学学院1、磁铁－提供外磁场磁铁的质量和强度决定了核磁共振波谱仪的灵敏度和分辨率。要求磁铁提供强度大、稳定和均匀的磁场。永久磁铁、电磁铁以及超导磁铁永久磁铁对温度变化极为敏感，需要恒温。电磁铁对温度变化比较不敏感，但是需要冷却系统来消除由于通过大电流而产生的热量。电流必须十分稳定。超导磁铁的分辨率最高，最昂贵，其提供的磁场强度可达14.09T，相当于质子的吸收频率为600MHZ。中南民族大学生命科学学院2．射频发生器：线圈垂直于外磁场，发射一定频率的电磁辐射信号。3．扫描线圈：提供附加磁场，使核的进动频率与射频发生器的频率相同，发生共振。连续波核磁共振波谱仪有两种扫描方式：固定磁场，线性地改变频率，称为扫频。固定频率，线性地改变磁场，称为扫场。扫场用得较多。中南民族大学生命科学学院4、射频信号接收器（检测器）：当质子的进动频率与辐射频率相匹配时，发生能级跃迁，吸收能量，在感应线圈中产生毫伏级信号。5．样品管：由不吸收射频辐射的材料制成1H核磁共振谱的样品管外径约5mm，通常以硼硅酸盐玻璃制成。由于13C的自然丰度低，研究13C核磁共振谱则用外径为10mm的管子。管长15－20cm，加入样品量约占1／8－1／6管长。利用高速气流使样品管围绕Y轴以每秒钟30转的速率急速旋转，以消除磁场的非均匀性，提高谱峰分辨率。中南民族大学生命科学学院二、傅里叶变换核磁共振波谱仪不是通过扫场或扫频产生共振；采用恒定磁场，施加全频脉冲，使自旋取向发生改变并跃迁至高能态，收集高能态的核重返低能态过程中产生的感应电流信号，经过傅立叶变换获得一般核磁共振谱图。中南民族大学生命科学学院三、NMR的测定样品预处理：样品应充分精制，不含顺磁性物质及氧气。且粘度小。溶剂：溶剂选择主要决定于样品溶解度。若研究1H核磁共振谱，样品溶液应不含质子。常用溶剂有四氯化碳、二硫化碳及氘代溶剂（氯仿，丙酮、苯、二甲基亚砜的氘代物）。标准物质：四甲基硅烷（TMS）。中南民族大学生命科学学院解析化合物结构的一般步骤1、获取试样的各种信息和基本数据。2、区分出杂质峰、溶剂峰；3、计算不饱和度；4、确定谱图中各峰组所对应的氢原子数目，对氢原子数进行分配；5、根据化学位移和偶合常数值，对基团进行推断，并估计其相邻基团；6、以重水对试样进行交换，比较交换前后的谱图，以判断活泼氢的存在；7、合理组合解析所得的结构单元，推出结构式；8、结合UV、IR、MS等结果检查推导的结构式是否合理。中南民族大学生命科学学院第三节13C的核磁共振波谱仪13C谱特点：（1）研究C骨架，结构信息丰富；（2）化学位移范围大；0～250ppm；（3）13C-13C偶合的几率很小；13C天然丰度1.1%；（4）13C-H偶合可消除，谱图简化。中南民族大学生命科学学院第八章质谱技术与质谱仪质谱法是通过将样品转化为运动的气态离子并按质荷比(m/e)大小进行分离并记录其信息的分析方法。根据质谱图提供的信息可以进行多种有机物及无机物的定性和定量分析、复杂化合物的结构分析、样品中各种同位素比的测定及固体表面的结构和组成分析等。由于质谱法的独特的电离过程及分离方式，从中获得的信息是具有化学本性，直接与其结构相关的，可以用它来阐明各种物质的分子结构。正是由于这些因素，质谱仪成为多数研究室及分析实验室的标准仪器之一。中南民族大学生命科学学院一、质谱技术的基本原理根据电磁学原理，离子电离后经加速进入磁场中，其动能与加速电压及电荷有关，即221mzeU其中z为电荷数，e为元电荷（e=1.60×10-19C），U为加速电压，m为离子的质量，υ为离子被加速后的运动速度。具有速度υ的带电粒子进入质谱分析器的电磁场中，根据不同的m/e，发生不同程度的偏转，最终实现各种离子按m/e进行分离。中南民族大学生命科学学院进样系统离子源质量分析器检测器1.气体扩散2.直接进样3.气相色谱1.电子轰击2.化学电离3.场致电离4.激光1.单聚焦2.双聚焦3.飞行时间4.四极杆二、质谱仪的基本结构质谱仪由真空系统、进样系统、离子源系统、质量分析器和检测与显示系统。中南民族大学生命科学学院（一）真空系统质谱仪需要在高真空下工作：离子源（10-310-5Pa）质量分析器（10-6Pa）(1)大量氧会烧坏离子源的灯丝；(2)用作加速离子的几千伏高压会引起放电；(3)引起额外的离子－分子反应，改变裂解模型，谱图复杂化。一般质谱仪都采用机械泵预抽真空后，再用高效率扩散泵连续地运行以保持真空。现代质谱仪采用分子泵可获得更高的真空度。中南民族大学生命科学学院（二）进样系统进样系统的目的是高效重复地将样品引人到离子源中并且不能造成真空度的降低。目前常用的进样装置有三种类型：间歇式进样系统、直接探针进样及色谱进样系统。一般质谱仪都配有前两种进样系统以适应不同的样品需要，中南民族大学生命科学学院l、间歇式进样系统该系统可用于气体、液体和中等蒸气压的固体样品进样，通过可拆卸式的试样管将少量（10～100μg）固体和液体试样引入试样贮存器中，由于进样系统的低压强及贮存器的加热装置，使试样保持气态。实际上试样最好在操作温度下具有1.3—0.13Pa的蒸气压。由于进样系统的压强比离子源的压强要大，样品离子可以通过分子漏隙（通常是带有一个小针孔的玻璃或金属膜）以分子流的形式渗透到高真空的离子化室。中南民族大学生命科学学院2、直接探针进样对那些在间歇式进样系统的条件下无法变成气体的固体、热敏性固体及非挥发性液体试样，可直接置于特制的试样小杯内通过真空闭锁装置引入到离子源中。中南民族大学生命科学学院（三）离子源离子源的功能是将进样系统引入的气态样品分子转化成离子。离子源是质谱仪的心脏，可以将离子源看作是比较高级的反应器，其中样品发生一系列的特征降解反应，分解作用在很短时间（～1μs）内发生，所以可以快速获得质谱。由于离子化所需要的能量随分子不同差异很大，因此，对于不同的分子应选择不同的离解方法。通常称能给样品较大能量的电离方法为硬电离方法，而给样品较小能量的电离方法为软电离方法。中南民族大学生命科学学院①电子轰击离子化(EI源)使用高能电子束从试样分子中撞出一个电子而产生正离子。加速电子的轰击能量一般为70eV，大多数化合物分子共价键电离电位