液体核磁共振实验 以500MHz核磁为例,易 兰 南京理工大学分析测试中心核磁室 办公室：D101,研究生核磁实验课,实验目的,掌握核磁共振基本原理，并将所学理论 与实践相结合； 了解500MHz核磁谱仪 了解1H谱、13C谱的测试步骤； 了解Topspin3.0软件在谱图处理中的运用,主要内容,核磁室安全注意事项 第一部分 核磁共振实验原理 核磁共振基本原理 500MHz核磁谱仪工作原理 第二部分 核磁基本实验演示 测试前样品的配制 1H谱、13C谱实验演示 运用Topspin3.0软件进行谱图处理,核磁室安全注意事项,第一部分 核磁共振实验原理,核磁共振基本原理 500MHz核磁谱仪组成 及工作原理,核磁共振基本原理,一、核磁共振现象,Nuclear Magnetic Resonance（简称NMR） 简单说是指处于静磁场中的磁性原子核在另一交变磁场作用下发生的物理现象。处于外磁场中的磁性原子核系统受到相应频率的电磁波辐射，当辐射的能量恰好等于自旋核两种能级态的能量差时，处于低能级的自旋核吸收该电磁辐射能跃迁到高能级，这种物理现象称为核磁共振。,1.1/2，Q=0的原子核： 1H，13C，15N，19F，29Si，31P 这类原子核自旋过程中核电荷呈均匀分布的球体，由于不受电四极矩的影响，其核磁共振谱线较窄，最适宜核磁共振检测，容易得到高分辨的NMR谱，是核磁共振研究的主要对象。 他们是有机化合物的基本元素，因此其核磁共振检测被广泛用于有机化合物的结构测定。,二、核磁共振研究的对象,二、核磁共振研究的对象,2. 1/2，Q0的原子核： 1：2H，14N，6Li 2：58Co 3：10B =3/2：11B，23Na，33S，35Cl，37CL，79Br， 81Br，39K，63Cu，65Cu =5/2：17O，25Mg，27Al，55Mn，67Zn，127I 这类原子核在自旋过程中，核电荷呈非均匀分布的椭圆体或称四极矩核，形成特殊的弛豫，使谱峰加宽，给核磁共振检测增加了难度，其研究应用也较少。,二、核磁共振研究的对象,3.无机金属元素： 59Co,119Sn,195Pt,199Hg 它们也有核磁共振现象，在适当条件下也被用于测定无机物或络合物的分子结构。,1. 静磁场的作用（以I=1/2 为例） I0的原子核会自旋，产生磁矩，为一矢量，有方向和大小，每一个原子核都可以看作是一小磁针。在没有磁场存在时（基态），这些小磁针的排列是无序的，不存在能量差，即它们的能态是简并的，总的磁化强度为0。,三、核磁共振基本原理,当将它们置于一静磁场B0中时: 这些小磁针便会重新排列，简并解除，而产生能级分裂（塞曼分裂），分布在高能态和低能态上的原子核数量遵循Boltzmann分布规律，即与外磁场方向平行的处于低能态的原子核数量总是比反向的处于高能态的核稍多，此时原子核的自旋体系处于一平衡态。由于沿磁场方向的原子分布较多一些而造成一个沿Z轴的非零宏观磁化强度矢量M0(核磁矩的宏观特性），以0（共振频率）做Larmor进动，其能量状态保持不变，这个时候是观察不到核磁共振现象。,三、核磁共振基本原理,2.核磁共振产生的基本条件： 核磁矩在磁场中的能级数目取决于自旋量子数I，能级总数为2I+1，以I=1/2 为例：,B0=0,B00,E,三、核磁共振基本原理,当施加的射频脉冲提供的能量与E相等时，处于低能态的原子核就会吸收能量发生跃迁，产生NMR现象。即： E= hB0/2， = B0 NMR产生的基本条件 在同一磁场中，不同的原子核由于其旋磁比 不同，产生共振的频 率也不同，如在11.744T的磁场中，1H、13C、 31P、19F的共振频率分别为500、125.72、202.4、470.38MHz； 相同的原子核在不同的磁场中，其共振频率也不同。如1H在11.74T、 9.395T、7.046T磁场中的共振频率分别为500、400、300MHz。,三、核磁共振基本原理,磁体的磁场强度B0越大，NMR谱仪的灵敏度就越高 具有较大旋磁比的核，吸收或发射的能量就越大，也就越灵敏。灵敏度与3成正比：仅仅因为旋磁比的差异，1H的灵敏度就大约是13C的64倍；如果再考虑同位素的天然丰度，1H的灵敏度就大约是13C的 6400倍,三、核磁共振基本原理,3. NMR激发 NMR激发需要核自旋体系吸收能量，这个能量哪里来？ 施加一个与静磁场B0方向（Z轴）垂直、与被观测原子核的Larmor进动频率相同的射频脉冲B1，由于其能量与原子核在静磁场中能级之间的能量差相匹配，原子核就会受到激发，处于低能态的原子核吸收能量跃迁到高能态，产生核磁共振现象，同时围绕X轴做进行转动。 当关闭脉冲后，我们就可以观测到NMR信号。 NMR信号是如何被检测到的呢？,三、核磁共振基本原理,4、原子核的弛豫 射频脉冲使M0由Z轴倾倒到XY平面上，此时，原子核体系吸收能量，由平衡态变为非平衡态。一旦取消脉冲，体系就会逐渐回复到平衡态，释放出能量，M0在XY平面上的投影Mxy由大变小直至消失，在Z轴上的投影Mz则由小逐渐回复至M0。宏观磁化强度矢量M0由激发态回复到平衡态的过程称为。 弛豫过程是一个能量转变的过程，需要一定的时间。 M0的能量状态随着时间的延长而改变，整个回复过程比较复杂。弛豫分为以下两种类型，它们都与时间成指数衰减关系：,三、核磁共振基本原理,4.1 纵向弛豫（自旋-晶格弛豫） 描述的是自旋体系向外界释放能量，从高能态回复到平衡态的过程，所需要的时间为纵向弛豫时间T1。脉冲重复时间的设定与T1有关。 4.2 横向弛豫（自旋-自旋弛豫） 描述的是在XY平面，由于自旋-自旋相互作用，使得Mxy逐渐趋于0的过程，需要的时间为横向弛豫时间T2。这个过程比纵向弛豫过程快。采样时间的设定与T2有关。 T1、T2与原子核的种类、样品的特性及状态、温度以及外加磁场的大小有关。,三、核磁共振基本原理,整个弛豫过程可以描述为： 取消脉冲后，弛豫过程开始，经一时间间隔，出现 明显的横向弛豫 到某一时刻，横向弛豫过 程结束，纵向弛豫过程还在进行 纵向弛豫 过程也结束 核磁矩回复到平衡态，弛豫过程 结束。,三、核磁共振基本原理,4.3 横向弛豫与FID信号 在弛豫过程中，横向磁矩Mxy （确切的说是横向磁化矢量）垂直并围绕磁场Bo轴以Lamor频率进动，此转动切割了接收器线圈，而产生感应电流。由于Mxy受到T1、T2的影响，这一感应电流信号以指数方式衰减，接收线圈可检测到这一微弱的信号（毫伏）。因为它是自由进动感应产生，以指数方式衰减为0的函数，所以称为自由感应衰减（Free Induction Decay，FID）信号。,三、核磁共振基本原理,5、傅立叶变换（FT） 在核磁共振实验中，由于样品中各个原子核所处的化学环境不同，具有不同的共振频率。这些原子核同时受到激发，所得到的NMR信号是一包含了许多共振频率的复合信号，要分析研究这样的信号是很困难的。通过FT就可解决这个问题。,核磁共振原理简图,RF脉冲,M0,B0,B0,探头中的接收/发射线圈检测到微弱的NMR信号,放大、差频处理,FID信号,FT,NMR谱,三、核磁共振基本原理,Z,Y,X,X,M0,Y,Z,500MHz核磁 谱仪组成及工作原理,500MHzNMR谱仪的基本信息,中文名 ：500 MHz 全数字化超导核磁共振谱仪 英文名 ：500 MHz Digital NMR Spectrometer 型 号：AVANCE III 500MHz 厂 商：瑞士Bruker公司 主要技术指标： 频率：500MHz 磁场强度：11.7T 探头：BBFO-Plus正向宽带液体探头 可检测核范围：1H、13C、19F、31P、15N 1H灵敏度650:1(0.1%EB),13C灵敏度 230:1(ASTM) 场漂：7.5Hz/小时 变温范围：150450 Z方向梯度场强度60G/cm,谱仪组成,HPPR,超导磁体,探头,前置放大器,空气压缩机 空 调 除湿机,数据存贮 数据处理 总体控制,磁体系统,机柜,操作控制台,辅助设备,匀场系统 锁场系统,计算机,1.超导磁体 作用： 提供一个强的静磁场，这个磁场由超导磁体产生，它是一电磁体，利用电流来产生所需的静磁场。它是整个仪器中最基本的部分，需要足够的温度极低的液氮、液氦来维持其正常的工作。氦气的沸点是4K（-269），液氦的温度4K。液氮可保证的低温为77.35K（-195.8 )。 失超：当大量的液氦蒸发掉时，超导线圈的大部分就不再被液氦浸泡，温度将升高，达到一定温度就会失去超导电性。线圈的电阻会导致磁场突然衰减，同时产生的热量又会使液氦大量蒸发掉，这时房间内会瞬间从上向下充满大量的氦气，这被称为“失超”，是及其严重的安全事故！,一、磁体系统,2. 探头 硬件：是整个谱仪的心脏，是最关键的部分， 由磁体的底部插入，位于室温匀场线圈 的内部，由发射线圈、接收线圈（特别 设计的RF线圈）和电容组成。 作用： 放置测试样品； 对样品发射射频脉冲； 接收样品的NMR信号； 发射和接收锁场信号 探头的规格(指能够支撑的样品管规格） ：10mm、5mm、3mm、1mm AVANCEIII 500MHzNMR谱仪的探头： 5mm 、BBFO-Plus正向宽带液体探头,一、磁体系统,3. 前置放大器（HPPR） 硬件： 作用： 对样品的NMR信号进行放大（从微伏到毫伏）； 分离高能RF脉冲信号与低能NMR信号； 传送和接受锁场信号 HPPR内装有一接收/发射开关，阻止高压RF脉冲进入到敏感的低压信号 接收器。,一、磁体系统,4. 室温匀场系统 硬件：由磁体的下端插入到室温腔管内，是一组截流线圈（匀场线 圈），各组线圈控制着x、y、z、xy、xz、yz等各方向的磁场 梯度。 作用：改善磁场的均匀性。 工作原理：通过适当调整各线圈中的电流强度，这些小的变化在空 间上构成相互正交的梯度磁场，以此 来补偿主磁场的不 均匀性，而得到一均匀的磁场。,一、磁体系统,5.锁场系统 硬件：包括一个在HPPR中独立的氘模块，其作用是负责 发射和接收锁场信号；还有一个安装在机柜中的 接受器，用于监视氘频率并据此调整磁场强度。 作用：控制场漂，并使磁场不受外界信号的干扰而改 变，确保样品周围的磁场稳定。分氘锁和氟锁， 氘锁的应用范围最广。,一、磁体系统,5.锁场系统 工作原理： 锁场系统本质上是一个被设计用来观察氘的独立谱仪。 NMR分析需要测定观察核放射出信号的频率精确值，根据=B0，如果 静磁场强度B0稍有变动， 观察核的共振频率也随之改变，这是NMR实验不希望发生的事。因此，NMR 实验需要确保磁场强度B0稳定在一 恒定值。 静磁场的变化包括两个方面:（1）磁场强度的变化（Lock）；（2）磁场在一定空间范围存在不均匀性（Shim),一、磁体系统,5.锁场系统 工作原理： 锁场是通过监测溶剂中氘信号的变化来实现的。特定磁体中氘信号的频率精确值是已知的，一旦磁体的场强发生改变（漂移），氘频率就会发生变化。当锁场系统的接受器检测到正确的氘频率时，就不调整磁场；而当它检测到氘频率发生变化时，即表明此时场强发生了变化（场漂），这时匀场系统中的一个特殊线圈（H0线圈）中的电流就会发生改变，以此来矫正偏离的磁场。当系统被锁定后，我们可以认为实验采样期间的场强是一恒定的常量。,一、磁体系统,整合了一台现代数字谱仪的大部分执行命令的电子硬 件，包括： AQS、BSMS、IPSO、VTU、功放。 负责工作站的指令接收、转化、传输给磁体，并把磁体产生的信号转换后传回工作站。它相当于一支执行特种任务的“部队”,里面有执行不同