固体核磁共振 基础原理

1、固体核磁共振19.1 固体核磁共振基本原理19.1.1 核磁共振的基本原理及固体核磁中主要的相互作用如果我们将样品分子视为一个整体，则可将固体核磁中探测到的相互作用分为两大类：样品内部的相互作用及由外加环境施加与样品的作用。前者主要是样品内在的电磁场在与外加电磁场相互作用时产生的多种相互作用力，这主要包括：化学环境的信息（分子中由于内在电磁场屏蔽外磁场的强度、方向等），分子内与分子间偶极自旋偶合相互作用，对于自旋量子数为1/2的四极核尚存在四极作用。外部环境施加与样品的主要作用有：1)由处于纵向竖直方向的外加静磁场作用于特定的核磁活性的核上产生的塞曼相互作用（Zeeman Interactio

2、n）, 核子相对映的频率为拉莫尔频率（Larmor Frequency）; 2) 由处于x-y平面的振荡射频场产生的作用与待测样品的扰动磁场。与溶液核磁共振技术测定化学结构的基本思路， 在固体核磁共振实验中也是首先利用强的静磁场是样品中核子的能级发生分裂，例如对于自旋量子数I=1/2的核会产生两个能级，一个顺着静磁场方向从而导致体系的能量较低；另一个则逆着静磁场排列的方向使得体系相对能量较高。经能级分裂后，处于高能级与低能级的核子数目分布发生改变，并且符合波尔兹曼分布原理：即处于低能级的核子数目较多而高能级的数目较少，最终产生一个沿竖直向上的净磁化矢量。此磁化矢量在受到沿x-y平面的振荡射频磁

3、场作用后产生一扭矩最终将沿竖直方向的磁化矢量转动一特定的角度。由于这种射频脉冲施加的时间只是微秒量级，施加完射频脉冲后，体系中剩下的主要相互作用将会使这种处于热力学不稳定状态的体系恢复到热力学稳定的初始状态。在磁化矢量的恢复过程中，溶液核磁中主要存在的相互作用有：化学位移，J-偶合等相对较弱的相互作用， 而相对较强的分子间偶极自旋偶合相互作用在大多数体系中由于分子的热运动而被平均化。但是在固体核磁共振实验中，由于分子处于固体状态从而难以使体系中的偶极自旋偶合作用通过分子热运动而平均化。另外值得指出的是与化学位移，J-偶合等相互作用的强度相比，分子间偶极自旋偶合作用是一种远强于前两者的一种相互作

4、用。通常情况下，化学位移与J-偶合一般都处于Hz量级，但是偶极自旋偶合作用强度却处于kHz 量级，所以如果不采用特殊手段压制偶极自旋偶合作用带来的谱线展宽， 通常静态条件下观察到的核磁共振谱往往是信息被偶极自旋偶合作用掩盖下的宽线谱（图2所示为乙酸胆固醇酯在静态下以通常的去偶方式所得到的图谱与溶于CDCl3后所测得的溶液核磁图谱的对比，从中可看出固体核磁图谱在没有特殊技术处理下呈现的是毫无精细结构的宽包峰。）。因此，在固体核磁中只有采用特殊技术首先压制来自强偶极自旋偶合作用导致谱线宽化的影响，才有可能观察到可用于解析物质化学结构的高分辨固体核磁共振谱。 图1 上图蓝线所示为乙酸胆固醇酯的固体1

5、3C NMR（静态，未进行强功率去偶）而下图红线记录的是将其溶于CDCl3后的溶液状态的核磁共振谱。由此可见在固体状态由于化学位移各向异性及强偶极相互作用等因素的存在使谱线展宽为毫无精细结构的图谱。 在固体核磁测试中，虽然质子的自然丰度与旋磁比都比较高，但是由于体系中质子数目多，相互偶极自旋耦合强度远高于稀核，例如13C 和 15N等，因此在大多数情况下固体核磁采用魔角旋转技术(Magic Angle Spinning MAS)与交叉极化技术(Cross Polarization CP)可得到高分辨的杂核固体核磁谱。对于1H 必须采用魔角旋转与多脉冲结合方式（Combined Rotation

6、 and Multipulse Spinning CRAMPS）将质子的磁化矢量转至魔角方向方能得到高分辨质子谱。19.1.2 魔角旋转技术在静态固体NMR谱中主要展现的是化学位移各向异性、偶极自旋耦合和四极相互作用的信息，这些物理作用往往展现出的是宽线谱。如果在研究中对这些信息不感兴趣，而更多关注于化学位移与J-耦合时，可通过将样品填充入转子，并使转子沿魔角方向高速旋转，即可实现谱线窄化的目的。 这是因为上述作用按时间平均的哈密顿量均含有因子（1-3cos2）, 因此如果将样品沿=54.7（即正方体的体对角线方向）旋转时，上述强的化学位移各向异性、偶极自旋偶合和四极相互作用被平均化，而其他相

7、对较弱的相互作用便成为主要因素，因此有利于得到高分辨固体核磁共振谱。值得指出的是由于1H 核的自然丰度非常高，因此1H-1H核之间的偶极作用远强于13C-13C之间的相互作用，因此在不是太高的旋转速度下就可以实现压制13C-13C之间的偶极相互作用，但要实现完全压制1H-1H核之间的偶极作用在许多固体核磁共振谱仪上还是难以实现的。实验中一般采用两种气流：bearing gas 和driving gas（见图3所示）， 前者使样品管能够浮起并且在样品管旋转过程中具有使其处于平衡状态的功能，后者通过吹动样品管的锯齿帽而使之沿魔角所在方向进行高速旋转。 图2 魔角旋转实验的示意图，其中白色部分代表样

8、品管，样品管头部的红色条纹代表样品管的锯齿状Kel-F或BN制成的用于高速旋转的帽。为使样品管稳定高速旋转必须采用两种气流：bearing gas 和driving gas。 当魔角旋转速度非常高的情况下可将粉末状样品在静态图谱中所呈现的各向异性粉末状图案（Powder pattern）简化为各向同性的化学位移峰逐渐显现，但是当沿魔角旋转速度不够快时，经魔角旋转后所得到的图谱出得到各向同性的表示化学位移的单峰外，尚存在一系列称为旋转边带（Spinning sideband）的卫星峰。各旋转边带之间的间距（用Hz表示）正好是样品管的旋转速度，并且均匀分布在各向同性的化学位移所在的主峰的两侧。当旋

9、转速度加快时，旋转边带的间距也加大，具体实例见图4，最终呈现为各向同性的化学位移。 图3 固体核磁共振实验中旋转边带与魔角旋转速度的相互关联关系目前样品管的旋转速度随样品管的尺寸不同可在1-35 kHz范围内调解，这对于自然丰度比较低的核，例如：13C,15N可以有效抑制体系中的同核偶极相互作用，但对于自然丰度很高的核，例如1H,19F等，由于体系中的偶极作用强度往往大于100 kHz， 因此如果单纯依靠魔角旋转技术是难以获得高分辨图谱的。19.1.3 交叉极化技术对于13C,15N等体系虽然通过魔角旋转技术有效地压制了同核偶极相互作用，但是这些核的旋磁比比较小，自然丰度比较低，因此如果采用直

10、接检测这些核的实验方法将导致整个实验过程的灵敏度非常低。为进一步提高这些核的实验灵敏度，又发展了交叉极化技术。通过该技术可将1H核的磁化矢量转移到13C或15N等杂核上，从而提高这些杂核的实验灵敏度。通过交叉极化技术测定固体杂核的核磁共振脉冲程序如下：图4 交叉极化的脉冲序列。此脉冲序列的净结果是将核磁活性较高的核的磁化矢量传递给核磁活性较低的核的磁化矢量， 从而提高相关杂核固体核磁共振实验的灵敏度。交叉极化过程的详细物理解释需要采用平均哈密顿理论（Average Hamiltonian Theory），在此仅对此过程进行简单的描述。起初施加于氢核上的90x脉冲将氢沿z方向的初始磁化矢量转变到

11、-y方向，这时施加于氢的脉冲磁场的相位迅速由x-轴转变为-y轴。经过此相位转变后，氢的磁化矢量就被锁定在-y轴上，因为此时氢的磁化矢量的方向与外在脉冲静磁场的方向一致，即这时沿-y方向的磁场如同外加静磁场所起的作用一样，会使氢的磁化矢量沿脉冲磁场所在的-y方向产生能级分裂，使得在此坐标系中氢的*H和*H的数目分布有所不同。值得指出的是此时杂核在-y方向的磁化矢量为零，其*X和*X之间的数目分布相等。此时若在杂核x上沿-y方向也施加一脉冲磁场，并且使得H B1(1H)=xB1(x) (Hartmann-Hahn Condition)时,氢从低能态可吸收来自杂核的偶极相互作用的能量跳到高能态，而相

12、应的杂核的一部分核子则从高能态跳回到低能态，使得原来磁化矢量为零的状态转变为极化状态。整个极化转移过程可由图6 表示。图5 交叉极化过程的定性解释在交叉极化进行前由于锁场脉冲磁场的作用如同静磁场一样，因此在脉冲磁场所在的旋转坐标系中产生1H的能级分裂，使其态与态数目不同，当在此旋转坐标系中对杂核X施加一脉冲磁场使得体系满足哈特曼-哈恩（Hartmann-Hahn Condition）条件时，即:H=X，氢核与杂核就可以通过偶极作用发生能量转移，能量转移的结果是氢在态与态数目差异减小，而杂核原来低能级与高能级之间本没有数目差异，经此过程后，产生一定的数目差异，所以达到活化杂核的目的，使杂核在固体

13、核磁共振实验中的灵敏度得到极大的提高。在整个交叉极化过程中由于1H核与X核之间的偶极作用满足如下的关系式：从式中可以看到1H核与X核之间偶极作用只与z方向有关，而与x-y平面无关，然而交叉极化过程是在-y方向完成的，因此在交叉极化前后，总偶极强度保持不变。因此通过交叉极化过程后，氢核的磁化矢量减少而杂核X的磁化矢量增加，两种核增加与减少的幅度与核的种类、交叉极化的动力学过程等多种因素有关。19.1.4 固体核磁共振的异核去偶技术在测定杂核的固体核磁共振实验过程中，采用魔角旋转技术能够比较有效地去除同核间的偶极偶合作用（例如：13C-13C;15N-15N等），但是对于这些核与氢核间的偶极偶合作

14、用则比较有限，为此还发展了多种去偶技术抑制这些杂核间的偶极耦合作用。值得指出的是虽然在溶液核磁体系中已发展了多种去偶技术，但是由于在溶液体系中相应的作用力远小于固体状态的作用力，因此在固体核磁共振实验中所采用的去偶功率往往在100-1000瓦量级，而非溶液状态的瓦级。固体核磁共振实验中高功率去偶技术的采用带来的一个不可避免的注意事项就是防止样品在照射过程中由于产生的热导致其变性。固体核磁共振实验中之所以采用高功率去偶技术是为了进一步提高图谱的分辨率与灵敏度。经过高功率照射后使原来存在偶极作用的氢与杂原子之间的作用消失，这样原来所呈现的多峰就合并为一个，使得谱线的强度增加，并且使谱图的重叠减弱，

15、有利于识谱。但是不可避免的是在此过程中由于去偶技术的采用也使得反映有关原子周围的化学环境、原子间相对距离等信息被消除19.1.5 固体核磁共振实验的特点 (1) 固体核磁共振技术可以测定的样品范围远远多于溶液核磁，由于后者受限于样品的溶解性，对于溶解性差或溶解后容易变质的样品往往比较难以分析，但是这种困难在固体核磁实验中不存在； (2) 从所测定核子的范围看，固体核磁同溶液核磁一样不仅能够测定自旋量子数为1/2的1H,19F,13C,15N,29Si,31P ,207Pb,还可以是四极核，如：2H, 17O等，所以可分析样品的范围非常广泛；(3) 是一种无损分析。 (4) 所测定的结构信息更丰

16、富，这主要体现在固体核磁技术不仅能够获得溶液核磁所测得的化学位移、J-耦合等结构方面的信息，还能够测定样品中特定原子间的相对位置（包括原子间相互距离、取向）等信息，而这些信息，特别是对于粉末状样品或膜状样品，通常是其他常规手段无法获得的信息。（5）能够对相应的物理过程的动力学进行原位分析，从而有助于全面理解相关过程。（6）能够根据所获信息的要求进行脉冲程序的设定，从而有目的有选择性的抑制不需要的信息但是保留所需信息。19.1.6 固体核磁共振应用简介（1）研究对象无机材料（玻璃、沸石分子筛等），有机高分子材料（高分子固体），生物体系（膜蛋白），液晶材料等（2. ）研究内容有机小分子、高分子、无

17、机化合物的粉末状、多晶、单晶样品及膜试样的化学结构、空间结构的表征与分析；固相反应的反应动力学，反应机理、特定物种的结构变化19.2 实验部分19.2.1 实验内容1. 利用交叉极化与魔角旋转技术研究有机固体小分子化合物的聚集态结构2. 利用交叉极化与魔角旋转技术研究有机高分子化合物的聚集态结构19.2.2 实验目的(1) 了解固体核磁共振仪的基本结构与主要组成单元；(2) 掌握固体核磁中交叉极化与魔角旋转技术的原理(3) 了解固体核磁的主要应用领域及所能获得的主要结构信息；(4) 了解与掌握固体核磁的制样、进样方法，基本操作步骤19.2.3 仪器名称及型号400MHz固体核磁共振仪BRUKE

18、R Avance III 400 MHz 宽腔固体核磁共振仪 19.2.4 固体核磁共振仪器结构固体核磁共振仪主要由以下几部分组成：磁体部分，射频发生器， 接收器/发射器转换开关，探头， 接收器，进样与载气及计算机控制单元。（1）超导磁体磁体部分通常要求在不同部位磁体的变化量不超过10-9，只有这样所测定的实验结果才有完全可信度，否则由于磁场的不稳定性轻则导致谱线的展宽（直接影响对拉莫尔频率差别非常小的体系的分辨），重则直接导致测试结果的可信度。目前主要采用的是超导磁体，这是由于超导体能够在无外加能量的情况下支持大电流， 一旦充电后，超导磁体能够在为外加干扰的情况下提供极其稳定的磁场。射频发生

19、器单元式核磁共振仪中产生射频辐射的部分。（2） 射频发生器通常情况下，核磁共振仪中根据所测核的拉莫尔频率的不同配备多个射频单元。在射频单元中包括射频合成器、脉冲门、脉冲程序单元和放大器。射频合成器会产生一频率固定的电磁振荡信号，其振荡频率位于仪器的参考频率，记为：ref。对于400 MHz的核磁共振仪其频率合成器产生的振荡频率为400 MHz, 相应的该射频合成器的输出信号的波形为：Ssynthcos(ref t +),其中是相应射频的相位， t是时间。 在许多NMR实验中射频脉冲的相位可以快速变换，而这种变换是通过脉冲程序单元控制的。脉冲门能够截取所产生的连续波脉冲使之变为部连续状态，但脉冲

20、门打开时，由射频合成器产生的脉冲得以进入后续系统，但当脉冲门关闭时，射频合成器产生的连续波将无法进入后续系统。脉冲门打开的时间称为脉宽。脉冲门的开放与否及相关时间亦由脉冲程序单元控制。射频放大器是将所产生的门控调制的信号放大到一定程度进而输入到探头。通常情况下，放大器信号的输出功率在几瓦到一千瓦范围。放大的射频信号通过双轴导线传入到接收器/发射器转换开关。（3）在接受器/发射器转换开关该部件存在合并的两组导线：一组通向固定与静磁场中的探头，另一组通向可检测由核自旋产生的微弱的射频信号的接受器单元。因此此部分的功能就是当正向的由放大器发出的强射频信号传入接受器/发射器转换开关时，它会将此信号输入

21、探头而不是检测器，反之，当反向的有关核磁共振响应的弱信号进来时，它会导向检测器而非放大器。（4）探头探头是核磁共振仪中最复杂的部分， 它具有以下方面的功能：1)由于它的存在，才能使样品进入均匀的静磁场中；2）在探头中存在产生射频波以照射样品以及检测相应从样品中产生的射频辐射的射频电子线路；3）为保证固体核磁图谱能得到更精细的结构信息，就必须将样品在魔角方向进行高速旋转，因此在固体核磁中探头中存在将样品管倾斜至魔角方向并使其沿此方向进行高速旋转的装置；4）探头中存在使样品温度恒定的装置；5）在特定的场合，探头中还存在一些特殊线圈（梯度场线圈）能产生空间上分布不均匀的磁场，这些线圈的存在对减短样品

22、的检测时间，选择性收集所需要的磁化矢量，抑制不需要的磁化矢量等方面具有极其重要的作用。另外探头中尚存在一对容抗电路，通过这对容抗电路可调谐探头的感应频率与外来的射频发生器完全匹配，有利于产生共振，从而使之能够完全吸收来自前者的能量，同时经过调谐后探头所接受的NMR信号会员强于未经调谐的探头，有利于提高NMR实验的灵敏度。（5）接收器仪器的接受器单元的电子线路与设计往往都比较复杂，其基本组成主要有以下几部分：信号预放大器、四相位接受器、数模转换器、信号相移单元（Signal Phase shifting）。NMR信号经过接受器/射频发生器转换开关后进入信号预放大器，信号预放大器是一种低噪音射频放

23、大器，通过它能够将微弱的NMR信号放大到伏特级。因此为了使微弱的NMR信号得以及时放大，信号预放大器往往被置于最靠近磁场的部位，从而使信号在传递过程中的损失达到最小。信号必须传入计算机才能进行分析，因此就必须将振荡变化的NMR电流信号数字化。将连续电流或电压变为数字化形式的器件就是数模转换器（Analogue-to-digital converters ADCs）。在核磁共振实验中所测定的频率位于MHz范围，对于如此快的频率变化数模转换器是很难将其数字化的。但是对于我们关心的核磁共振信号而言，其真正的变化区间是在kHz 范围内，为此我们采用四相位接受器的方法将所观察到的初始NMR信号与射频发生

24、器的参考信号加以比对，减去参考信号从而产生一相对的拉莫尔频率（0=0-ref, 其中0 是初始NMR信号的频率， 其范围落在MHz 范围内；ref 是射频发生器产生的参考射频脉冲，其范围也落在MHz范围内；0 是经过四相位接受器处理后的得到的相对拉莫尔频率，其范围往往小于1 MHz）。经过这种处理后，后续的数模转活就可以精确进行。另外在核磁共振实验中所产生的频率会大于（例如：500.001000 MHz）或小于参考频率(例如： 499.999000 MHz)，但是经过上述转变过程后分别变为+1.000kHz与-1.000 kHz。如果单纯只依靠频率的变化是无法区分出这两种情况的，为此接受器提供

25、两个输出信号：SA(t)cos(0t)exp(-t)SB(t)sin(0t)exp(-t)这两个信号可分别视为单一复数信号的实部与虚部。由于复数信号的采用就可以从相位角度轻松地区分出共振信号的频率是较参比信号快还是慢。 由于四相位接受器的采用所以产生两个输出信号，这两个信号输出单元分别接于各自的数模转换器上。数模转换器是一套每隔特定的时间快速测量输入信号电压大小的电子线路，并且将所测的相关数据转换成一串“1”与“0”的表示的信息。核磁共振的信号是通过在一整套不同的时间点连续测定并转化成相应的数字化信息而实现的。转换后的数字化信息就可存入计算机加以处理。在数字化过程中所取点的间隔时间称为取样间隔

26、(sampling interval),取样间隔的倒数就是取样带宽（sampling bandwidth）或谱宽（spectral width）。对固体与溶液核磁共振实验而言，谱宽通常分别是4 MHz与250 kHz,相对应的取样间隔为250 ns 与4s。在许多核磁共振实验中，射频脉冲的相位与NMR信号的相位会随实验的进行而动态变化。这种动态变化有利于消除核磁共振实验中的伪峰，并且有助于区分不同类型的核磁共振信号。射频脉冲的相位可通过脉冲门加以调控，而信号相位单元的调控可通过信号离开探头进入接受器/数字化进程后加以调控。目前有两种常见的对信号相位进行调控的方法：1）接受器参考相位法：四相位接

27、受器可以比较所测定的NMR信号与来自射频发生器的参比波的相位。如果在整个信号检测阶段，射频发生器的参比波相位变化为另一值，例如rec，那么信号的相位亦将改变同样的数值；2）数字化器相位调整：经数字化后的复数信号通过一个叫做后数字化相位移动器(post-digitization phase shifter)后首先乘以特定的复数因子exp(-idig),然后再传入计算机，就得到相位改变的信号。经数字化处理后的信号在经过计算机进行傅立叶变换、相位校正等处理据可得到一张核磁共振图谱。（6）进样与载气及计算机控制单元。对于固体核磁共振仪而言为了要得到高精细结构的固体核磁共振图谱，首先必须采用魔角旋转技术

28、压制强偶极作用导致的谱线展宽，为此固体核磁共振仪尚配有一整套设备以满足以上要求。例如能够使样品管在竖直位置与魔角位置自如转换的装置，能够将样品安全地进入及弹出探头系统并能保证推动样品管沿魔角方向进行高速旋转的载气系统等附属设备。因此通常的核磁共振仪的结构图可展示于图1。图6 固体核磁共振仪的基本结构框图19.2.5 试剂与样品金刚烷（Adamantane）聚苯胺 （Polyaniline）粉末 聚酯（PET）薄膜19.2.6 实验步骤（1）样品的制备与就位要获得一张高质量的固体核磁CP/MAS谱图，对于常规有机物或无机物需要大约 100-200 mg 左右的样品（为得到高质量的图谱，样品的纯度应当尽可能的高），将这些样品在研钵中研细，直到体系中确保无任何硬块状碎片存在。然后利用装