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:http://www.toshiba-medical.co.jp/tmd/products/mri/intoro/index.html NMR 的歷史 1940 1950 1960 1970 1980 1990 2000 1945/46 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) 1975 2D 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
NMR 裝置 超導磁鐵 電腦 NMR console 液氦 (4.2K) 磁鐵 探頭 NMR 圖譜 2 3 1 4 18 17 6 7 N 16 15 8 14 5 N 10 12 O 11 O Strychnine 20 21 22 23 21 H 22 N 2 O 2 (MW = 334) 20 mg / Dl 3 200 175 150 125 100 75 50 25 0 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 =0 12 16 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 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
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 10000 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
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 10 16 10 15 10 14 10 10 12 10 11 10 10 10 9 10 8 10 7 10 6 拉曼分光紫外分光紅外分光 TV 20-50ch [Hz] NMR
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 1 10 6 10 8 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
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 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)
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
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
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 10 6 300 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
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 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 化學位移 -Hl -HNR2 -H2 -H3 -H ppm 0 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0 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
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 3 10.0 9.0 8.0 7.0 6.0 5.0 4.0 3.0 2.0 1.0 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 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
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 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0 -NMR(1) 碳原子核的特徵 1 H 共振频率 (MHz) 400.00 100.58 自旋量子数 I 1/2 1/2 γ 值 (10 7 rad s -1 T -1 ) 26.752 6.728 豐度 99.98 1.108 相對靈敏度 1.0 1.7 10-4 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
-NMR(3) 12 12 1% 12 12 1% 12 12 1% 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 200 175 150 125 100 75 50 25 0
-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 200 180 160 140 120 100 80 60 40 20 0
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