核磁共振波谱法讲稿.ppt

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1、关于核磁共振波谱法第一页，讲稿共三十页哦NMRNMR是研究处于磁场中的原子核对射频辐射是研究处于磁场中的原子核对射频辐射的吸收，它是对各种有机和无机物的成分、结的吸收，它是对各种有机和无机物的成分、结构进行定性分析的最强有力的工具之一，有时构进行定性分析的最强有力的工具之一，有时亦可进行定量分析。亦可进行定量分析。与与UV-VisUV-Vis和红外光谱法类似，和红外光谱法类似，NMRNMR也属于吸也属于吸收光谱，只是研究的对象是处于强磁场中的原子收光谱，只是研究的对象是处于强磁场中的原子核自旋能级对射频辐射的吸收。核自旋能级对射频辐射的吸收。第一节第一节 核磁共振波谱的基本原理核磁共振波谱的基

2、本原理第二页，讲稿共三十页哦发展历史发展历史 第三页，讲稿共三十页哦一、原子核的自旋一、原子核的自旋 式中：式中：为磁旋比为磁旋比(magnetogyric ratio)(magnetogyric ratio)，T-1.S-1,T-1.S-1,即核磁矩与核的自旋角动量即核磁矩与核的自旋角动量的比值。不同的核具有不同磁旋比，它是磁核的一个特征值；的比值。不同的核具有不同磁旋比，它是磁核的一个特征值；为磁矩，用核磁子表示，为磁矩，用核磁子表示，1 1核磁子单位等于核磁子单位等于5.055.0510-27J.T-110-27J.T-1；p p为角动量，其值是量化的，可用自旋量子数表示。为角动量，其值

3、是量化的，可用自旋量子数表示。1)I(I2hp=第四页，讲稿共三十页哦二、核磁共振现象二、核磁共振现象 E=2B0 第五页，讲稿共三十页哦 在外磁场中的核，除了自旋外还同时存在一个以外磁场方在外磁场中的核，除了自旋外还同时存在一个以外磁场方向为轴线的回旋运动，称为进动或拉摩尔进动，如下图所示向为轴线的回旋运动，称为进动或拉摩尔进动，如下图所示 :自旋核在外磁场中的两种取向示意图自旋核在外磁场中的两种取向示意图 第六页，讲稿共三十页哦外磁场作用下，核自旋能级的裂分示意图外磁场作用下，核自旋能级的裂分示意图 自旋核的进动频率与外磁场的磁感应强度成正比自旋核的进动频率与外磁场的磁感应强度成正比，可用

4、拉摩尔方程式表示，可用拉摩尔方程式表示 :0=20=B0 （2）第七页，讲稿共三十页哦式中：式中：0 0为进动角速度，为进动角速度，rad.srad.s-1-1,它与外磁场的感应强度成正比它与外磁场的感应强度成正比；0 0为进动频率，为进动频率，MHzMHz；B B0 0为磁感应强度为磁感应强度,T,T。由（由（2）式可得）式可得 0=B0 （3）在给定的磁场强度下，核的进动频率是一定的，用具有一定能在给定的磁场强度下，核的进动频率是一定的，用具有一定能量的电磁波（相当于射频范围）照射核，若对应的能量符合量的电磁波（相当于射频范围）照射核，若对应的能量符合 h0=E=B0 .h （4）2 进动

5、核便与光子相互作用，满足进动核便与光子相互作用，满足“共振条件共振条件”，此时体，此时体系会有效的吸收射频的能量，使磁矩在外磁场中的取向逆转，核系会有效的吸收射频的能量，使磁矩在外磁场中的取向逆转，核从低能级跃迁到高能级而产生核磁共振信号，此过程就是核磁共从低能级跃迁到高能级而产生核磁共振信号，此过程就是核磁共振吸收。振吸收。第八页，讲稿共三十页哦驰豫过程驰豫过程 H=2.7927 B0=14092G 1.0000099*0 kTEenn驰豫现象：驰豫现象：高能态的核以非辐射形式释放能量，回到高能态的核以非辐射形式释放能量，回到低能态，维持低能态，维持n n0 0略大于略大于n n*，致使核磁

6、共振信号存，致使核磁共振信号存在，这种过程称为在，这种过程称为“驰豫驰豫”。第九页，讲稿共三十页哦第十页，讲稿共三十页哦三、核磁共振波谱仪简介三、核磁共振波谱仪简介 核磁共振波谱仪结构如图所示。它主要由磁铁、射频发射器、射核磁共振波谱仪结构如图所示。它主要由磁铁、射频发射器、射频接受器和记录仪及试样管和试样探头等组成。频接受器和记录仪及试样管和试样探头等组成。核磁共振波谱仪示意图核磁共振波谱仪示意图1.磁铁磁铁 2.扫场线圈扫场线圈 3.射频发射器射频发射器 4 射频接受器及放大器射频接受器及放大器 5试样管试样管 6记录仪或示波器记录仪或示波器 第十一页，讲稿共三十页哦第二节第二节 化学位移

7、化学位移一、化学位移的产生一、化学位移的产生 hIB0第十二页，讲稿共三十页哦一、化学位移的产生一、化学位移的产生 在外磁场作用下，氢核外运动着的电子产生相对于在外磁场作用下，氢核外运动着的电子产生相对于外磁场方向的感应磁场，起到屏蔽作用，使氢核实际受外磁场方向的感应磁场，起到屏蔽作用，使氢核实际受到的外磁场作用减小：到的外磁场作用减小：第十三页，讲稿共三十页哦由于核外电子云的屏蔽作用，氢核产生共振需要更由于核外电子云的屏蔽作用，氢核产生共振需要更大的外磁场强度大的外磁场强度(相对于裸露的氢核相对于裸露的氢核)来抵消屏蔽用作用的来抵消屏蔽用作用的影响。影响。在有机化合物中，各种氢核周围的电子云

8、密度不同在有机化合物中，各种氢核周围的电子云密度不同(结构中不同位置结构中不同位置)共振频率有差异，即引起共振吸收峰的共振频率有差异，即引起共振吸收峰的位移，这种现象称为化学位移。位移，这种现象称为化学位移。在屏蔽作用下，核磁共振实际频率在屏蔽作用下，核磁共振实际频率为为:=（1-）B0 （5）因此可根据化学位移的大小来判断原子核所处的因此可根据化学位移的大小来判断原子核所处的化学环境，也就是物质的分子结构。化学环境，也就是物质的分子结构。第十四页，讲稿共三十页哦二、化学位移的表示方法二、化学位移的表示方法 v 没有完全裸露的氢核，也没有绝对的标准。没有完全裸露的氢核，也没有绝对的标准。v 相

9、对标准：四甲基硅烷相对标准：四甲基硅烷Si(CHSi(CH3 3)4 4 (TMSTMS)-)-内标内标物物v 规定其位移常数规定其位移常数 TMSTMS=0=0CH3SiH3CCH3H3C第十五页，讲稿共三十页哦第十六页，讲稿共三十页哦 由于化学位移值很小，因此将它扩大由于化学位移值很小，因此将它扩大1.01.010106 6倍（单位倍（单位为为PPmPPm）。化学位移）。化学位移表示为表示为=（Bs-Bx）106/Bs 或或 =（X-S）106/S （X-S）106/0 （6）式中：式中：S、x分别代表标准参考物和样品中该核的共振频率；分别代表标准参考物和样品中该核的共振频率；Bs、Bx分

10、别代表标准参考物和样品中该核共振所需的磁感应强度；分别代表标准参考物和样品中该核共振所需的磁感应强度；0是仪器公是仪器公称频率，它与称频率，它与S相差很小。相差很小。第十七页，讲稿共三十页哦三、影响化学位移的主要因素三、影响化学位移的主要因素1 1、电负性：相邻的原子和基团的电负性直接影响核外电子、电负性：相邻的原子和基团的电负性直接影响核外电子云密度，电负性愈强，绕核的电子云密度愈小，对核产生云密度，电负性愈强，绕核的电子云密度愈小，对核产生的屏蔽作用愈弱，共振信号移向低场（即的屏蔽作用愈弱，共振信号移向低场（即值增大）。值增大）。2 2、磁各向异性效应：在分子中，质子与某一基团的空、磁各向

11、异性效应：在分子中，质子与某一基团的空间关系，有时会影响质子的化学位移的效应称为磁各向间关系，有时会影响质子的化学位移的效应称为磁各向异性效应，它是通过空间起作用的。异性效应，它是通过空间起作用的。3 3、其他因素：当分子形成氢键、溶剂的性质、浓度、温、其他因素：当分子形成氢键、溶剂的性质、浓度、温度、度、pHpH等。等。第十八页，讲稿共三十页哦第三节第三节 实验技术实验技术一、样品制备一、样品制备 测定时一般为液态样品，固体样品需用合测定时一般为液态样品，固体样品需用合适的溶剂配成溶液，使其不含有未溶解的适的溶剂配成溶液，使其不含有未溶解的固体颗粒、灰尘或顺磁性的杂质，且流动固体颗粒、灰尘或

12、顺磁性的杂质，且流动性好，常用惰性溶剂稀释。性好，常用惰性溶剂稀释。第十九页，讲稿共三十页哦二、标准参考样品二、标准参考样品外标法：将标准参考物装于毛细管中，再外标法：将标准参考物装于毛细管中，再插入含被测试样的样品管内，同轴测定。插入含被测试样的样品管内，同轴测定。内标法：将标准参考物直接加入样品中测内标法：将标准参考物直接加入样品中测量，以抵消磁化率的差别。量，以抵消磁化率的差别。第二十页，讲稿共三十页哦三、谱图解析三、谱图解析例例12.1 已知已知 的核磁共振谱图如下图所示，试解释各个的核磁共振谱图如下图所示，试解释各个吸收峰。吸收峰。的核磁共振谱第二十一页，讲稿共三十页哦第四节第四节

13、质谱分析法的原理和仪器质谱分析法的原理和仪器一、概述一、概述 质谱法主要是通过对离子质荷比（质谱法主要是通过对离子质荷比（m/zm/z）的）的分析来实现对样品进行定性和定量的一种分析方法分析来实现对样品进行定性和定量的一种分析方法。第二十二页，讲稿共三十页哦二、基本原理二、基本原理 质谱分析中，样品以一定的方式（直接进样或通质谱分析中，样品以一定的方式（直接进样或通过色谱仪进样）进入质谱仪，在质谱仪离子源作用下过色谱仪进样）进入质谱仪，在质谱仪离子源作用下，气态分子或固体、液体的蒸气分子在高真空状态下，气态分子或固体、液体的蒸气分子在高真空状态下受到高能电子流的轰击，失去外层电子，生成带正电受

14、到高能电子流的轰击，失去外层电子，生成带正电荷的阳离子或进一步使阳离子的化学键断裂，产生与荷的阳离子或进一步使阳离子的化学键断裂，产生与原分子结构有关的、具有不同原分子结构有关的、具有不同m/zm/z的碎片离子。它们在通的碎片离子。它们在通过质量分析器时，受到磁场和静电场的综合作用，按过质量分析器时，受到磁场和静电场的综合作用，按m/zm/z不不同分开，经电子倍增器检测，得到样品分子离子按同分开，经电子倍增器检测，得到样品分子离子按m/zm/z大大小顺序排列的质谱图。小顺序排列的质谱图。第二十三页，讲稿共三十页哦三、质谱仪及性能指标三、质谱仪及性能指标1.质谱仪质谱仪（1 1）离子源）离子源

15、：把样品分子：把样品分子离子化，并得离子化，并得到带有样品信到带有样品信息的离子息的离子 电子电离源（电子电离源（electron impact ionization,EI）化学电离源（化学电离源（chemical ionization,CI）快原子轰击（快原子轰击（fast atom bombardment，FAB）电喷雾电离源（电喷雾电离源（electrosptay ionization,ESI）基质辅助激光电离源（基质辅助激光电离源（MALD）大气压化学电离源（大气压化学电离源（APCI）第二十四页，讲稿共三十页哦（2 2）质量分析器将离）质量分析器将离子源产生的离子按子源产生的离子按m

16、/zm/z分离，并按顺序排列成分离，并按顺序排列成谱谱 。单聚焦分析器又称磁场分析器单聚焦分析器又称磁场分析器双聚焦分析器双聚焦分析器 四极杆分析器四极杆分析器 飞行时间分析器飞行时间分析器 第二十五页，讲稿共三十页哦（3 3）离子检测器）离子检测器 ：离子检测器主要使用电子倍增器或光电倍增器，将离子检测器主要使用电子倍增器或光电倍增器，将从分析器来的离子流接受并放大，然后送到计算机存储从分析器来的离子流接受并放大，然后送到计算机存储，这些信号经计算机处理后得到所要分析的谱图、数据，这些信号经计算机处理后得到所要分析的谱图、数据和其它信息。和其它信息。（4 4）真空系统）真空系统 真空系统是质

17、谱仪的重要附属部分。它的作用是为离真空系统是质谱仪的重要附属部分。它的作用是为离子源、质量分析器及检测器提供所需要的真空，消减不子源、质量分析器及检测器提供所需要的真空，消减不必要的离子碰撞、散射效应、复合反应等，减小本底与必要的离子碰撞、散射效应、复合反应等，减小本底与记忆效应，保证离子源中电子束的正常调节以及仪器的记忆效应，保证离子源中电子束的正常调节以及仪器的分辨率。通常真空系统包括机械真空泵、扩散泵或分子分辨率。通常真空系统包括机械真空泵、扩散泵或分子涡轮泵涡轮泵。第二十六页，讲稿共三十页哦2 2、质谱仪的主要性能指标、质谱仪的主要性能指标（1 1）质谱仪的质量测定范围）质谱仪的质量测

18、定范围（2 2）分辨率）分辨率(分辨本领分辨本领)（3 3）灵敏度）灵敏度 一般质量测定范围在一般质量测定范围在2 2100100，而有机质谱仪一般可，而有机质谱仪一般可达几千，现代质谱仪可以研究相对分子质量达几十万的达几千，现代质谱仪可以研究相对分子质量达几十万的生化大分子样品。生化大分子样品。质谱仪分辨率是指分开两个相邻质量数离子的能力质谱仪分辨率是指分开两个相邻质量数离子的能力，常用，常用R R表示表示 ；当前质谱仪的分辨率都在；当前质谱仪的分辨率都在5005005000050000范围。分辨率在范围。分辨率在1000010000以上的称为中或高分辨率质谱以上的称为中或高分辨率质谱 绝对

19、灵敏度、相对灵敏度、和分析灵敏度绝对灵敏度、相对灵敏度、和分析灵敏度 第二十七页，讲稿共三十页哦四、联用技术及应用四、联用技术及应用1.气相色谱气相色谱-质谱（质谱（GC-MS）联用）联用2.液相色谱液相色谱-质谱（质谱（LC-MS）的联用）的联用3.质谱质谱-质谱（质谱（MS-MS）联用）联用 8080年代年代ESIESI、MALDIMALDI、FABFAB等新的软电离技术的发展，等新的软电离技术的发展，使有机质谱跨出近代结构化学和分析化学的领域，进入使有机质谱跨出近代结构化学和分析化学的领域，进入了生命科学的范畴，并逐渐形成了新的分支学科了生命科学的范畴，并逐渐形成了新的分支学科生物生物质谱它是目前质谱学中最活跃，最富生命力的研究领质谱它是目前质谱学中最活跃，最富生命力的研究领域。域。五、生物质谱五、生物质谱第二十八页，讲稿共三十页哦例例12.6 天然紫玉兰叶油天然紫玉兰叶油GC/MS总离子流图。总离子流图。天然紫玉兰叶油天然紫玉兰叶油GC/MS总离子流图总离子流图 第二十九页，讲稿共三十页哦感谢大家观看感谢大家观看第三十页，讲稿共三十页哦