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干货!核磁共振波谱
来源: | 作者:zkbaice | 发布时间: 2019-09-06 | 71 次浏览 | 分享到:

一、核磁共振的发展历史


1930年代,物理学家伊西多·拉比(Isidor Isaac Rabi)发现在磁场中的原子核会沿磁场方向呈正向或反向有序平行排列,而施加无线电波之后,原子核的自旋方向发生翻转。这是人类关于原子核与磁场以及外加射频场相互作用的最早认识。由于这项研究,拉比于1944年获得了诺贝尔物理学奖 。

1946年两位美国科学家布洛赫(F.Bloch)和珀塞尔(E.M.Purcell)发现,将具有奇数个核子(包括质子和中子)的原子核置于磁场中,再施加以特定频率的射频场,就会发生原子核吸收射频场能量的现象,这就是人们最初对核磁共振现象的认识。在精确测定物质的核磁属性方面取得了突破和进展,为此他们两人获得了1952年度诺贝尔物理学奖。

之后人们发现电磁波作用于原子核系统时,当电磁波频率所决定的量子的能量正好等于原子核相邻能量级之间的能量差时(ΔE=hv),原子核就会吸收电磁波,引起核能态在两个相邻能级之间的跃迁,这就是核磁共振现象。

1948年NMR信号的发现,1948年核磁弛遇理论的建立,1950年化学位移和耦合的发现以及1965年傅里叶变换谱学的诞生,促进了NMR的迅猛发展,形成了液体高分辨、固体高分辨和NMR成像三雄鼎力的新局面。二维NMR的发展,使液体NMR的应用迅速扩展到了生物领域;交叉极化技术的发展,使50年代就发明出来的固体魔角旋转技术在材料科学中发挥巨大的作用;NMR成像技术的发展,使NMR进入了与人民生命息息相关的医学领域。


二、核磁共振的原理



给处于外磁场的质子,辐射一定频率的电磁波,当辐射所提供的能量恰好等于质子两种取向的能量差(ΔE)时,质子就吸收电磁辐射的能量,从低能级跃迁至高能级,这种现象称为核磁共振。    ΔE=γ*Ho*h/2π,其中γ是旋磁比,h是普朗克常数,Ho是磁场强度。

原子核带正电并有自旋运动,其自旋运动必将产生磁矩,称为核磁矩。研究表明,核磁矩μ与原子核的自旋角动量P成正比,即μγ=P=(h/2π)[Ⅰ(Ⅰ+1)]1/2,γ为比例系数,称为原子核的旋磁比, Ⅰ为自旋量子数,因此只有在Ⅰ≠0时,原子核才能发生共振吸收,产生共振信号。实际上,当质子数和中子数都不为偶数时,Ⅰ≠0,这就是为何这就是核磁共振测试只能测试13C、17O、29Si等元素,而不能测试12C、16O、32S元素的原因。如下图所示:

化学位移(d):要使质子产生跃迁,必需加大磁场强度才能发生共振。这种由于同一类型磁核在分子中化学环境不同,而显示出不同的吸收峰,峰与峰之间的差距称为化学位移。化学位移的大小,采用一标准物为原点,其它峰与原点的距离就是该峰的化学位移。目前一般采用TMS((CH3)4Si )作为标准物。化学位移的大小受邻近基团的电负性、磁各向异性、芳环环流、溶剂、PH值、氢键等许多因素的影响。

结构对化学位移的影响:质子在不同的结构环境中经受的屏蔽效应不同,其化学位移也不同,根据质子的化学位移可以推测其结构环境。因此,NMR是测定有机化合物结构的有效手段。

屏蔽效应:由于有机分子中质子所处化学环境的不同,导致其周围电子云密度不同,在外加磁场作用下,引起电环流,环流引起另一个感应磁场,该感应磁场使质子产生对抗磁场,因此质子所感受的磁场强度减弱,实际作用于质子的磁场强度比H0小百万分之几,此时我们说质子受到屏蔽,质子周围电子云密度越大,屏蔽越大。

耦合常数:核与核之间以价电子为媒介相互耦合引起谱线分裂的现象称为自旋裂分。由于自旋裂分行成的多重峰中相邻两峰之间峰距离被称为自旋-自旋耦合常数,用J表示。

       质子在不同的结构环境中经受的屏蔽效应不同,其化学位移也不同,根据质子的化学位移可以推测其结构环境。因此,NMR是测定有机化合物结构的有效手段。例如在CH3X型化合物中,X电负性越大,甲基碳原子上电子密度越小,甲基上质子所经受的屏蔽效应越小,质子信号出现在低场( d值会随着H与X距离的增大而减小)。如下图所示:

弛豫(relaxtion):高能态的核以非辐射的方式回到低能态。

纵向弛豫也称自旋-晶格弛豫:处在高能级的核将能量以热形式转移给周围分子骨架(晶格)中的其它核,而回到低能级,这种释放能量的方式称为纵向弛豫,其恢复所用的时间表示为T1,周围的粒子,对固体样品是指晶格,对液体样品指周围的同类分子或溶剂分子。一般液体的T1很小,仅几秒钟,固体样品因分子的热运动收到限制,T1就比较大,这就是为何有些固体样品核磁测试需要的时间很长。

横向弛豫也称为自旋-自旋:自旋核之间进行内部能量交换,高能态的核将能量转移给低能级的核,使它变成高能态而自身返回低能态,这种释放能量的方式称为横向弛豫,其转移所需要的时间为T2

三、核磁共振波谱仪的结构


核磁共振仪主要由磁铁、射频发射器、检测器和放大器、记录仪等组成。如下图:


永久磁铁:提供外磁场,要求稳定性好,均匀

射频振荡器:线圈垂直于外磁场,发射一定频率的电磁辐射信号,发射的信号频率如下图:

电子、原子、分子各种能级跃迁及其相应波谱学的范围

核磁与紫外红外比较

紫外-可见

红外

核磁共振

吸收能量

紫外-可见光 200-780nm

红外光 780~1000um

无线电波 1~100m            波长最长,能量最小

跃迁类型

电子能级跃迁

振动能级跃迁

自旋原子核发生能级跃迁

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。

探头:有外径5mm的玻璃样品管座,发射线圈,接收线圈,预放大器和变温元件等。发射线圈和接收线圈相互垂直。

四、我们的核磁共振波谱仪


1.型号参数

我们实验室目前有三台状态良好的核磁共振波谱仪,分别是布鲁克Bruker 600MHz AVANCE III,日本电子JNM-ECZ600R,日本电子JNM-ECZ400S,它们不同的仪器性能参数如下表格:

仪器性能

Bruker   600MHz AVANCE III

JNM-ECZ600R

JNM-ECZ400S

分辨率

600M

600M

400M

可测温度范围

室温-80℃

-40℃-120℃/-40℃-60℃

只测室温条件

仪器性能应用

液体核磁

液体核磁/固体核磁

液体核磁

2.制样方式及送样要求

在固体核磁测试中,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平均化。因此导致固体核磁的谱图很宽(得到一个宽包峰),所以为得到高分辨的固体核磁共振谱图,一般采用魔角旋转技术(MAS)与交叉极化技术(CP)相结合。

液体核磁样品的制备

需要样品量

最好是纯样品,固体10mg,液体0.5ml左右,大分子需适当增多

试样浓度

5-10%

标样浓度

(四甲基硅烷TMS):1%

氘代溶剂

氘代氯仿,氘代丙酮,氘代二甲基亚砜(DMSO),重水(D2O)等,特殊试剂需提前说明

温度范围

-40℃-120℃(JEN-ECZ600R),室温-80℃(Bruker 600M AVANCE III)

固体核磁样品的制备

需要样品量

样品需研细干燥,大于100mg

标样

金刚烷(1H,13C),LiBr(7Li),NaCl(23Na),TSPA(29Si),AlK(SO4)2   (27Al)

固体探头

3.2mm和8mm转子

转速

5KHZ-20KHZ

温度范围

-40℃-60℃

仪器型号

JNM-ECZ600R (日本电子)

送样要求

请务必标明需要测试的核磁观察核(13C,1H,29Si等),液体核磁请写出所用氘代试剂,有其它要求

的请另外注明:弛豫时间(RD),温度,转速等。

3.我们的数据案例

(1)液体核磁H谱

(2)液体核磁C谱

(3)液体核磁二维谱(以HSQC为例)

(4)固体核磁C谱

4.常见问题

(1)要做液体核磁,样品溶解不好?如何解决?

若样品在所选氘代试剂中溶解性不好,会出现样品信号较弱,甚至碳谱无信号的情况。可以考虑是否能更换其他溶剂,得到很好的溶解效果;若不能,可以考虑长时间采集,但是这样成本较高,测样价格也会增高;或者考虑升温测试,部分样品在升高温度后可达到较好的效果。另外,还可以考虑直接进行固体核磁测试。

(2)第一次测固体核磁,固体核磁结果与液体核磁有什么区别?如果分析?

固体核磁与液体核磁相比,会出现谱峰宽化的现象,需要分峰拟合。

附:价格表




测试项目

收费标准

送样要求

备注

液体核磁

(400M)

H谱

80元/样

1.固体提供10mg左右,液体提供0.5ml左右;

 

2.需保证样品在指定氘代试剂中有良好的溶解性。

可提供D2O/DMSO/氘代氯仿三种氘代试剂,如需特殊试剂需加收试剂费。

C谱

100元/样

液体核磁

(600M)

H谱

100元/样

1.可提供D2O/DMSO/氘代氯仿三种氘代试剂,如需特殊试剂需加收试剂费;

2.常规样品的P谱为200元/样,多糖衍生物等不好处理的350元/样;

3.按照默认扫描次数测试,特殊样品需长时间扫描的,价格具体咨询。

C谱

150元/样

B谱

200元/样

P谱

200元/样

F谱

200元/样

Si谱

350元/样

Al谱

350元/样

Pb谱

500元/样

Br谱

500元/样

变温液体核磁

(600M)

H谱

350元/温度点

1.可测温度范围为-40℃-120℃;

2.测变温C谱需浓度较高,低浓度碳测不了变温核磁;

3.如果需要测试一系列多个温度点,可以给予一定优惠。

C谱

350元/温度点

液体核磁二维谱(600M)

COSY谱

250元/样

HMBC谱

250元/样

HSQC谱

250元/样

DEPT谱

350元/样

固体核磁

(600M)

H谱

450元/样

1.需提供干燥研细均匀的样品100mg以上;

 

2.N谱需要是15N同位素标记的样品,且含量在30%以上;

按照默认条件进行测试,特殊样品需长时间扫描的价格具体咨询。

C谱

700元/样

F谱

700元/样

B谱

700元/样

P谱

700元/样

Al谱

800元/样

Si谱

800元/样

数据分析项目

(液体核磁)

100元/图谱起

简单样品按照100元/图谱进行收费,具体根据复杂程度来确定。






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