核磁共振4课件

4.2核磁共振波谱仪及常见实验技术1.核磁共振波谱仪简介NMR仪的型号和种类很多，按产生磁场的来源可分为永久磁铁、电磁铁和超导磁铁三种；按磁场强度的大小不同，所用的照射频率又分为60MHz、90MHz…；按仪器的扫描方式（核磁共振现象观察）又分为连续波(CW)方式和脉冲傅立叶变换(PFT)方式两种。图4-2-12-是一般NMR仪的示意图。图4-2-12NMR波谱仪示意图2.实验技术进行NMR测定的样品应是比较纯的。样品量与仪器的灵敏度有关，高灵敏度的仪器，样品一般需要1~2mg，低灵敏度的要10~30mg。试样中若含有灰尘或顺磁性杂质时，会导致局部磁场的不均匀，使谱线加宽或使信号谱线消失。对含氧的样品，应进行脱气处理。对于固体样品，由于弛豫的影响，都必须溶于溶剂配成溶液后，再进行测定。（一）

磁铁

磁铁是NMR仪中最重要的部分；作用：提供强而稳定、均匀的磁场。

NMR的灵敏度和分辨率主要决定于磁铁的质量和强度。在NMR中通常用对应的质子共振频率来描述不同场强。

NMR常用的磁铁有三种：永久磁铁、电磁铁和超导磁铁。永久磁铁一般可提供0.7046T或1.4092T的磁场，对应质子共振频率为30MHz和60MHz。

超导磁铁可以提供更高的磁场，可达100KGS以上，最高可达到800MHz的共振频率。

电磁铁可提供对应60MHz、90MHz、100MHz的共振频率。

说明：n

由于电磁铁的热效应和磁场强度的限制，目前应用不多，商品NMR仪中使用永久磁铁的低档仪器，供教学及日常分析使用。n

而高场强的NMR仪，由于设备本身及运行费用较高，主要用于研究工作。

在NMR中要求测量的化学位移，其精度一般要达到10－8数量级。这就要求磁场的稳定性至少要达到10－9数量级，n

为了有效地消除温度等环境影响，在NMR仪中都采用了频率锁定系统，即对一个参比核连续地以对应于磁场的共振级大的频率进行照射和监控，通过反馈线路保证B/V不变而控制住磁场。常采用的有外锁定系统(以样品池外某一种核作参比)和内锁定系统(以样品池内某一种核作参比)来进行场频连锁，分别可以将磁场漂移控制在10－9及10－10数量级。n

为了使样品处在一个均匀的磁场中，在磁场的不同平面还会加入一些匀场线圈以消除磁场的不均匀性，以此来提高灵敏度和分辩率。（二）

探头l

探头是一种用来使样品管保持在磁场中某一固定位置的器件；l

作用：探头装在磁极间隙内，用来检测核磁共振信号。磁场和频率源通过探头作用于试样。l

探头中不仅包含样品管，而且包括扫描线圈和接线圈，以保证测量条件的一致性。为了避免扫描线圈与接收线圈相互干扰，两线圈垂直放置并采取措施防止磁场的干扰。样品管底部装有电热丝和热敏电阻检测元件，探头外装有恒温水套。2、扫描单元（线圈）2.在NMR共振谱仪中有两种扫描方式：（1）保持频率恒定，线性地改变磁场，称为扫场；（2）保持磁场恒定，线性地改变频率，称为扫频；

在连续波NMR中，扫描方式最先采用扫场方式，通过在扫描线圈内加上一定电流，产生10－5T磁场变化来进行核磁共振扫描。相对于NMR的均匀磁场来说，这样变化不会影响其均匀性。

相对扫场方式来说，扫频方式工作起来比较复杂，但目前大多数装置都配有扫频工作方式。3.接受单元（信号检测及记录处理系统

）从探头预放大器得到的载有核磁共振信号的射频输出，经一系列检波、放大后，显示在示波器和记录仪上，得到核磁共振谱。二、脉冲傅里叶核磁共振谱仪（PFT-NMR）连续波NMR仪在进行频率扫描时，采用的是单频发射和单频接收的方式，扫描时间长，单位时间内的信息量少，信号弱，虽然也可以进行扫描累加，以提高灵敏度，但累加的次数有限，因此灵敏度仍不高。PFT-NMR仪不是通过扫描频率（或磁场）的方法找到共振条件，而是采用在恒定的磁场中，在所选定的频率范围内施加具有一定能量的脉冲，使所选范围内的所有自旋核同时发生共振吸收而从低能态取向激发到高能态取向，这也称为“多道发射”。各种高能态核经过弛豫后又重新回到低能态，在这个过程中产生感应电流信号，称为自由感应衰减信号（FID），它们可以由检测器所收集，因此也称为“多道接收”。三、样品的制备（一）试样管

根据仪器和实验要求，可选用不同外径（φ=5，8，10nm）的试样管。微量操作还可以使用微量试样管。为保持旋转均匀信良好的分辨率，管壁应均匀平直。（二）溶液的配制NMR法的样品通常都配制溶液，在配制溶液应注意几个问题：

1.选择适当的溶剂研究1H－NMR谱时，溶剂不应含质子，常用的溶剂有CCl4、CS2及氘代溶剂。氘代溶剂对样品的溶解能级一般比CCl4和CS2好，但价格较贵。常用的氘代溶剂有CDCl3，也有C6D6、（CD3）2CO、（CD3）2SO（氘代二甲亚砜，DMSO）等，水溶性的样品可以用D2O，不含1H的溶剂还有CF2Cl2，SO2FCl等。

2、样品溶液的浓度浓度一般为2－10﹪，试样质量浓度一般500～100g·L-1，纯样品一般需要15～30mg。采用PFT-NMR法时，样品需要量较少，一般只需1mg，甚至可更少至几微克。（三）标准试样（TMS）在进行实验时，每张图谱都必须有一个参考峰，以此峰为标准，求得试样信号的相对化学位移，一般简称化学位移。标准（参考）试样：一般采用四甲基硅烷（TMS），是一种较理想的标准试样。它的所有氢都是等同的，共振信号只有一个峰，与绝大多数有机化合物相比，TMS的共振峰出现在高磁场区。此外，它的沸点较低（26.5℃），容易回收。TMS的特点：TMS分子中的12个氢核处于完全相同的化学环境中，它们的共振条件完全一致，因此在NMR谱中只有一个光谱尖峰。TMS分子中氢核周围的电子云密度很大，氢核受到的屏蔽效应比大多数其它化合物中的氢核都大，共振频率最小，吸收峰在磁场强度较高区，它对大多数有机化合物的氢核工业吸收不干扰。规定TMS氢核的化学位移δ=０，一般其它化合物的1H峰都出现在TMS峰的左侧，便于谱图解析；如下图所示。TMS是化学惰性物质。TMS易溶于大多数有机溶剂中，且沸点低（bp=27℃），易用蒸馏法从样品中除去。化学位移通常用表示（单位为ppm）规定δ=０。在文献上，化学位移数据大多以它作为标准试样，其化学位移δ=0。TMS的浓度一般为0.2﹪左右。高温操作时，需要六甲基二硅醚（HMDS）为标准试样，它的δ=0.04。在水溶液中一般采用3－三甲基硅丙烷磺酸纳(CH3)3SiCH2CH2CH2SO3-Na+(DSS)作标准试样，它的三个等价的甲基单峰的δ=0.0，其余三个亚甲基淹没在噪声背景中。（四）溶剂1H谱的理想溶剂是四氯化碳CCl4和二硫化碳CS2。此外，还常用氯仿、丙酮、二甲亚砜、苯等含氢溶剂。为避免溶剂质子信号的干扰，可采用它们的氘代衍生物。超屏蔽磁体数据处理系统4.7NMR若干实验技术问题4.7.1重氢交换法确认活泼氢当化合物分子中含有－OH、－COOH、－NH、－SH这些含活泼氢的基团时，这些活泼氢的δ值和峰型随测试条件的变化（如温度、浓度、溶剂等）而有较大的变动。在低温下活泼氢与邻近质子有偶合，在常温下一般不考虙活泼氢与其他质子的偶合。要进一步确认活泼氢，可以在样品溶液中加入重水（D2O）振动使原有活泼氢的峰消失，而在δ=4.8左右出现水的质子吸收峰。如图为正己醇的NMR谱：（I）为没有加位移试剂的谱图，可以看到只有端甲基的三重峰和羟基连接的亚甲基的三重峰。而其他质子的峰重叠在一起，形成一个未分开的宽峰；（II）为加入位移试剂以后的图，可见所有质子的峰都清晰的分开，可用一级谱加以解析。质子位移的变化与位移试剂浓度有关。当位移试剂加入的过多，会使位移过大而使峰的归属难以辨认，故应以谱线能分开的量为宜。4.7.3高磁场强度仪器的应用一个化合物各组氢的δ和J是不随仪器变化的。但是各种仪器因兆周数不同，每个化学位移单位所含的Hz数也不同。兆周数高的，每一个化学位移单位内的距离就大，如60兆周仪器的每个化学位移单位为60Hz，100兆周仪器的则每个化学位移的单位为100Hz。这样，用高磁场强度的仪器作图便把谱图拉开了，便于解析。P166例子。4.7.4核磁双共振核磁双共振时采用两个射频场，用一个射频场W2来干扰核的自旋体系，用另一个射频场W1来扫描观察图谱。用双照射技术可以准确确定某组多重峰的化学位移，确定核群之间的偶合关系。双照射的符号用Am{Xn}表示。A代表被射频W1扫描的核，X代表被射频W2照射的核。m、n表示核的数目。按照W2照射的强度不同，产生的效果不同，双照射可以分为几类。P167表4－15所示。1.自旋去偶法自旋是一种用来使NMR谱图简化的技术，它用于判别多重峰是由哪些质子发生自旋偶合而产生的，也可用于寻找被掩藏在其他质子共振峰内的吸收信号等等。自旋去偶法的原理：化学位移不同的Ha和Hb有偶合时，因为Hb有两种自旋取向，对Ha有不同的影响，使Ha发生分裂。若当用W1射频扫描时，同时用第二个射频W2照射Hb使之达到自旋饱和，Hb核高速往返在两种自旋状态之间，此时Hb对Ha不再有两种不同的影响，使Ha的双峰变成了单峰。当然Ha与分子内别的质子还有偶合，则不是变成单峰，而是一组简化了的多重峰。P167图4－44，4－45，4－46所示。如乙基苯C6H5－CH2CH3放到静磁场中H0中，并在其垂直方向再加上一个交变场H1。当H1的频率满足：v1=r1H0/2л时，就发生NMR现象。乙基苯的NMR谱如图4－39所示。2.NOE（核Overhauser效应）1965年欧沃豪（overhauser）发现，在核