Microsoft PowerPoint - NMR basic

Size: px

Start display at page:

Download "Microsoft PowerPoint - NMR basic"

策慢钱
7 years ago
Views:

1 NMR 原理和基礎 Solution & Marketing Division Application Support Team Yueqi YE NMR -Nuclear Magnetic Resonance 核磁共振 1 Tesla = 10 4 Gauss H 2 O 電磁波 NMR 訊號 1 H 核磁共振非破壞性測定 M R I (Magnetic Resonance Imaging) 参考 URL: NMR 的歷史 /46 第一次觀測到 NMR 訊号 (Purcell, Bloch) 1950/51 發現化學位移乙醇的氫譜含有 3 個訊号耦合現象的發現銷售 NMR 裝置 (W) (30 MHz) 1965 開發出 FT-NMR (Ernst, Anderson) FT-NMR 裝置 (100 MHz) -NMR 1972 開發出 NMR 成像 (Lauterbur) 1971 提出 2D NMR(Jeener) D NMR 實用化 (Ernst) 超導磁鐵的應用 (400 MHz~) 2D NMR 1985 應用於蛋白質的立體結構解析 (Wüthrich) PFG NMR 高磁場 930 MHz NMR W: ontinuous Wave PFG: Pulsed Field Gradient

2 NMR 裝置超導磁鐵電腦 NMR console 液氦 (4.2K) 磁鐵探頭 NMR 圖譜 N N O 11 O Strychnine H 22 N 2 O 2 (MW = 334) 20 mg / Dl PPM 核自旋量子數與 NMR 可觀測核 NMR 是一種對含有核自旋的原子核進行分光測定的方法含有奇數個質子或者中子的原子核原子核的核自旋量子數不為 0 氫核 1 H( 含 1 個質子 ) 核自旋量子數 =1/2 31 P 19 F 等 NMR 能觀測氦核 4 He( 含 2 個質子,2 個中子 ) 核自旋量子數 = O 28 Si 等 NMR 不能觀測

NMR 可觀測核種多核 NMR H He Li Be 核自旋 B N O F Ne Na Mg Al Si P S l Ar K a Sc Ti V r Mn Fe o Ni u Zn Ga Ge As Se Br Kr Rb Sr Y Zr Nb Mo Tc Ru Rh Pd Ag d In Sn Sb Te I Xe s Ba La Hf Ta W Re Os Ir Pt Au Hg Tl

3 NMR 可觀測核種多核 NMR H He Li Be 核自旋 B N O F Ne Na Mg Al Si P S l Ar K a Sc Ti V r Mn Fe o Ni u Zn Ga Ge As Se Br Kr Rb Sr Y Zr Nb Mo Tc Ru Rh Pd Ag d In Sn Sb Te I Xe s Ba La Hf Ta W Re Os Ir Pt Au Hg Tl Pb Bi Po At Rn Fr Ra Ac e Pr Nd Pm Sm Eu Gd Tb Dy Ho Er Tm Yb Lu Th Pa U Np Pu Am m Bk f Es Fm Md No Lr 磁場中的核自旋的運動 (1) 核自旋量子數不為 0 的原子核就好比是一塊小磁鐵 1 H 核自旋量子數核磁矩自轉1+ 核自旋量子數 = 1/2 1 H,, 31 P, 19 F 等 NMR 可觀測核自旋量子數 = 0 12, 16 O, 28 Si 等 NMR 不可觀測磁場中的核自旋的運動 (2) 在磁楊中進行螺旋行螺旋運動由於核自旋產生的核磁矩, 使原子核就如同一個小磁石一樣在静磁場中進行拉莫爾進動 ( Larmor precession ) 磁場的方向 B 0 旋進運動

4 磁場中的核自旋的運動 (3) 在磁場中核自旋矢量與磁場方向相同或相反磁場的方向 B 0 磁場中的核自旋的運動 (4) 能階的角度考慮不安定核自旋狀態無外部磁場時安定的核自旋狀態在磁場當中原子核的核磁矩非常小, 即使放在世界上最大的 NMR 装置中 ( 地球磁場的 43 万倍 ) 核自旋狀態的配向差也大约只有個中的 1 個能级的分裂叫塞曼分裂或者塞曼效應, 核自旋狀態的分佈叫波滋曼分佈核磁共振原理能量為 ΔE 的無線電波進行照射使其達到共振調諧頻率為 ν 的無線電波被吸收, 同時產生能級躍遷不安定核自旋狀態 ΔE ν = h 無線電波 [Hz] h: 普朗克常數 B 0 ΔE ΔE 安定核自旋狀態

5 核磁共振原理 W-NMR 進行不同頻率的連續掃描水的訊號不安定核自旋狀態狀態 30 MHz ΔE ν = 核磁共振儀 [Hz] h 無線電波 h: 普朗克常數 B 0 ΔE ΔE 0.68 T Bloembergen, 安定核自旋狀態 Purcell and Pound, Phys Rev 73, 679 (1948) 核磁共振原理激發與弛豫用無線電波照射, 從平衡狀態激發到飽和狀態再通過一定時間的弛豫使其從新回到平衡狀態平衡狀態飽和狀態磁場の方向 B 0 Δ E 激發弛豫核磁共振用波长 X 射線紫外線近遠紫外紫外可見光近紅外紅外線中紅外遠紅外微波超短波 TV 手機 1-12ch 無線電波波長頻率 10nm 100nm 1mm 10mm 100mm 1mm 1cm 10cm 1m 10m 100m 拉曼分光紫外分光紅外分光 TV 20-50ch [Hz] NMR

6 NMR 的靈敏度 Ν β.... Δ E.... Ν α N a 與 N b 的差 10 5 個中的 1 個 NMR 是一種靈敏度很低的分光法 NMR 的靈敏度 NMR IR MS 共振頻率與磁場大小的關係 ΔE = hν h: 普朗克常數共振頻率 ν 400 MHz 600 MHz 800 MHz 能量 ΔE 磁場大小 B 0 γ ν = B0 γ : 磁旋比 2π 共振頻率與磁場大小成正比 β β β Δ E α α α 9.4 T 14.0 T 18.8 T N β Δ E kt N α 1 ( hν << kt ) k : 波滋曼常數 T: 絕對温度

7 W-NMR 裝置 (JEOL 一號機 ) 磁鐵 NMR 譜儀產於 1956 年 JNM-1 W-NMR 氫譜 1956 年 30 MHz の NMR 裝置 (W) 頻率 W: ontinuous Wave FT-NMR 脈衝序列與傅立葉轉換脈衝序列與傅立葉轉換频率 ν0 (Hz) 訊號強度 t 脈衝 1/ t ν 0 + 1/ t 頻率 (Hz) 時間 (s) Δ 10 μs 脈衝 1 / t = 100 khz Δ = 200 khz

核磁共振原理激發與弛豫用無線電波照射, 從平衡狀態激發到飽和狀態再通過一定時間的弛豫使其從新回到平衡狀態磁场方向 B 0 Δ E 平衡狀態 W-NMR 激發飽和狀態弛豫 FT-NMR FT-NMR 脈衝序列與傅立葉轉換脈衝序列與傅立葉轉換脈衝 FID 傅立葉轉換 : 把時間軸的波變成為以頻率軸表示的波

8 核磁共振原理激發與弛豫用無線電波照射, 從平衡狀態激發到飽和狀態再通過一定時間的弛豫使其從新回到平衡狀態磁场方向 B 0 Δ E 平衡狀態 W-NMR 激發飽和狀態弛豫 FT-NMR FT-NMR 脈衝序列與傅立葉轉換脈衝序列與傅立葉轉換脈衝 FID 傅立葉轉換 : 把時間軸的波變成為以頻率軸表示的波不同頻率混合在一起的波可以通過傅立葉函數的轉換進行分離傳立葉轉換 FT 時間 FID (Free Induction Decay) 頻率電腦運算 NMR 的準備容量約 0.5 ml 樣品用氘代溶劑溶解氘代溶劑 D 2 0 Aceton-d 6 DMSO-d 6 Dl 3 D 3 OD 液態核磁用樣品管 ( 外徑 5 mm)

9 1D-NMR 圖譜解說化學位移積分值自旋耦合 (J 耦合 ) 化學位移最初階段的 NMR 只能得到一個訊號峰, 隨著磁場均一性和儀器性能的不斷提高, 最初的一個訊號峰分裂成了多個峰這種精細結構就是化學位移由化學位移引起的訊號分裂磁場均一性的提高化學位移 DE 33 D DE E DE E 2 DE 1 1 ν = ΔE [Hz] h n 3 n 2 n 11 Hz 頻率掃描

10 化學位移化學位移的存在同一個分子中原子核分裂的能量不同在同一磁場下, 原子核受到的磁場會不同在同一磁場下, 為什麼原子核受到的磁場會不同化學位移外部磁場磁屏蔽電子 1 H H 3 化學位移的原因分子結構的不同造成原子核周圍電子密度的不同電子可以屏蔽外部磁場, 電子密度越大屏蔽就越大也就是原子核感應到的磁場就越小, 分裂的能量就越小, 頻率就越低 1 H H 3 O 化學位移化學位移的特徵數百 MHz(10 8 ) 中數百 Hz(10 2 ) 的精細分裂反應原子核周圍的電子環境的重要現象與外部磁場成正比高頻率低磁場屏蔽小低頻率高磁場屏蔽大

11 化學位移 Hz 表示时 600 Hz 觀測訊號的共振頻率 - 基準訊號的共振頻率 δ (ppm) = 基準訊號的共振頻率 Hz 化學位移 ppm 表示时 1 ppm = 600 Hz 化學位移 (ppm) 的大小與磁場大小無關. 1 ppm = 300 Hz 練習題用 100MHz 的 NMR 装置測定硝基甲烷 (H 3 NO 2 ) 的氫譜, 在離標準物 (TMS) 的左側 433 Hz 處 ( 低場 ) 觀測到訊號 1 H TMS 433 Hz 硝基甲烷 (H 3 NO 2 ) 的化學位移是 ppm 相同的樣品在 400 MHz 的装置測定時, 訊號會出現在離 TMS Hz 的地方

12 化學位移原子核周圍的電子環境相同时, 它们的化學位移也相等 Fullerene 60 Fullerene 70 化學位移 RHO H RH=HR 化學位移 -Hl -HNR2 -H2 -H3 -H ppm PPM 訊號峰的面積强度 ( 積分 ) 積分强度與原子核數成正比 H H 3 H 3 H 2 OH 2 OH O H 1 H 2 2 H 3 3 NMR 訊號的定量 : 红線的高度表示訊號的面積積分比 3:2:1 是乙醇中的甲基, 乙基和氫氧基中氫原子數的比例

13 練習題預測下圖中的氫譜 H 3 H 3 O H 3 H 3 氫譜中會出現幾個峰? 畫出積分曲線練習題 H 3 H 3 O H 3 H ppm 0.0 自旋耦合 J 耦合最初階段的 NMR 只能得到一個訊號峰, 隨着磁場均一性和儀器性能的不斷提高, 各個化學位移訊號峰分裂成了多個峰這種超精細結構的分裂是自旋耦合引起的分裂磁場均一性的提高 6.7Hz 自旋耦合引起的訊號分裂 6.7Hz

自旋耦合 B A ΔE α 1 H 1 H ΔE β 12 12 β α 自旋耦合的原理 (1)A 的氫核的自旋與氫核外的電子自旋產生相互作用 (2)A,B 的 1 H 的電子由于 H- 和 - 键的存在而相互影響 (3) 由于

自旋耦合是指由于相鄰原子核的相互作用而使訊號分裂的一種現象, 通過這種現象可以確定原子核之間的結合關係如何觀察自旋耦合以相鄰碳原子相連的氫核為例訊號會分裂為相鄰氫原子數 +1 的峰 H 3 H 2 OH H 3 旁邊有 3

14 自旋耦合 B A ΔE α 1 H 1 H ΔE β β α 自旋耦合的原理 (1)A 的氫核的自旋與氫核外的電子自旋產生相互作用 (2)A,B 的 1 H 的電子由于 H- 和 - 键的存在而相互影響 (3) 由于 A,B 的電子自旋有相互關係, 所以兩者的核自旋也有相互作用 (4)B 的核自旋含有两種狀態, 所以 A 核也會受影響而分裂成兩個峰自旋耦合自旋耦合? 自旋耦合是指由于相鄰原子核的相互作用而使訊號分裂的一種現象, 通過這種現象可以確定原子核之間的結合關係如何觀察自旋耦合以相鄰碳原子相連的氫核為例訊號會分裂為相鄰氫原子數 +1 的峰 H 3 H 2 OH H 3 旁邊有 3 個氫原子 H 2 旁邊有 2 個氫原子 J 結合による訊號の分裂メチル基のH 1はメチレン基の2 個の Hとの1 J 結合で1:2:1の3 重線に分裂している自旋耦合自旋耦合的特徵 ( 1 H 為例 ) 與外部磁場無關單位是 Hz 別名 J 耦合, 表示為 J=XXHz J H B H A J (Hz) H A H B

15 PPM 總結 ( 1 H-NMR) 訊號的位置 ( 横軸 ): 化學位移取代基的歸属訊號的大小 ( 縱軸 ): 積分强度原子的個數訊號的形状 : 化學位移相鄰碳原子上的氫原子數 NMR(1) 碳原子核的特徵 1 H 共振频率 (MHz) 自旋量子数 I 1/2 1/2 γ 值 (10 7 rad s -1 T -1 ) 豐度相對靈敏度碳核的靈敏度只有氫核的 1/5800 FT-NMR 出現後, 碳譜的測定開始實用化豐度? -NMR(2) 豐度與 -NMR NMR 活性同位素在所有天然同位素中所占的比例氫核,NMR 活性的同位素 1 H 幾乎占 100% ( 其它同位素 2 H, 3 H) 碳核, 占 99% 的 12 為 NMR 不活性同位素剩下 1% 為 NMR 活性同位素這就意味著

16 -NMR(3) % % % 通常 1 個分子中只含有 1 個 - 的自旋耦合可以忽略不計 1 H- 的自旋耦合? -NMR(4) J H =140~160Hz 通過去耦合的訊號變為一個峰 FID FID 對 1 H 連續的 Rf 照射使其達到飽和, 從而對 1 H- 的自旋耦合進行去耦合通過去耦合訊號峰的分離只與化學位移有關 1 H-decoupling 圖譜與化學位移 -NMR(5) -NMR 簡易化學位移的對照 O H 3 H H O H H H O H2 H2 H 2 H 3 H N H 2 H 2 H 3 R OH O O PPM

17 -NMR(6) -NMR 的特徵一個峰對應一個碳 ( 簡單 ) 化學位移的範圍為 0-250ppm( 比 1 H 的範圍要大很多 ) 通過化學位移大致可以判斷官能基的種類練習題預測下圖中的碳譜 H 3 H 3 O H 3 H 3 會出幾個訊號峰? 通常情况下譜沒有定量性練習題 H 3 H 3 O H 3 H 3 Dl 3 ppm

18 總結化學位移積分值自旋耦合 (J 耦合 ) 1 H-NMR 和 -NMR 的特徵 2D D FT (1 spin) FT δ 1 FT δ 1 2D D FT (2 spins) δ 2 FT δ 1 δ 1 δ 2

五花八门宝典（一）.doc

五花八门宝典（一）.doc BBS...5... 11...23...26...31...46...49...54...55...57...59...62... 110... 114... 126... 132... 149 I "108" 1 2 3 4 BBS 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 M ( ) Kg S ( ) A ( ) K (