核磁共振波谱和质谱分析.jsp.ppt

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1、*第十三章第十三章 核磁共振波谱核磁共振波谱一、概述一、概述generalization二、原子核的自旋二、原子核的自旋nuclear spin三、核磁共振现象三、核磁共振现象nuclear magnetic resonance四、饱和与弛豫四、饱和与弛豫Saturation and relaxation第一节第一节 核磁共振原理核磁共振原理Nuclear magnetic resonance spectroscopy,NMR Principles of nuclear magnetic resonance 一、概述一、概述 generalization在在磁磁场场的的激激励励下下，一一些些具

2、具有有磁磁性性的的原原子子核核存存在在着着不不同同的的能能级级，如如果果此此时时外外加加一一个个能能量量，使使其其恰恰等等于于相相邻邻2个个能能级级之之差差，则则该该核核就就可可能能吸吸收收能能量量（称称为共振吸收），从低能级跃迁到高能级。为共振吸收），从低能级跃迁到高能级。吸吸收收的的能能量量数数量量级级相相当当于于射射频频率率范范围围的的电电磁磁波波，因因此此，所所谓谓核核磁磁共共振振就就是是研研究究磁磁性性原原子子核核对对射射频频能的吸收。能的吸收。*紫外紫外-可见可见红外红外核磁共振核磁共振吸收吸收能量能量紫外可见光紫外可见光200 780nm红外光红外光780nm 1000 m无线电

3、波无线电波1 100m跃迁跃迁类型类型电子能级跃迁电子能级跃迁振动能级跃迁振动能级跃迁自旋原子核自旋原子核 能级跃迁能级跃迁与紫外、与紫外、红外光谱的比较红外光谱的比较*利用核磁共振光谱图进行结构预测，定性与定量利用核磁共振光谱图进行结构预测，定性与定量分析的方法称为核磁共振波谱法，简称分析的方法称为核磁共振波谱法，简称 NMR。在有机化合物中，经常研究的是在有机化合物中，经常研究的是1H和和13C的共振的共振吸收波谱。吸收波谱。吸收一定的能量，原子核能级发生跃迁，同时产吸收一定的能量，原子核能级发生跃迁，同时产生核磁共振信号，得到核磁共振谱图。生核磁共振信号，得到核磁共振谱图。NMR是结构分

4、析的重要工具之一，在化学、生是结构分析的重要工具之一，在化学、生物、医学、临床等研究工作中得到了广泛的应物、医学、临床等研究工作中得到了广泛的应用。用。分析测定时，样品不会受到破坏，属于无破损分析测定时，样品不会受到破坏，属于无破损分析方法。分析方法。原原子子核核具具有有质质量量并并带带正正电电荷荷，大大多多数数核核有有自自旋旋现现象象，在在自自旋旋时时产产生生磁磁矩矩（），磁磁矩矩的的方方向向可可用用右右手手定定则则确确定定，核核磁磁矩矩和和核核自自旋旋角角动动量量P都都是是矢矢量量，方方向向相相互互平平行行，且且磁磁矩矩随随角角动动量量（P）的增加成正比地增加的增加成正比地增加。（一）原子

5、核的磁性（一）原子核的磁性二、原子核的自旋二、原子核的自旋 nuclear spin =P，磁磁旋旋比比（magnetogyric ration），不不同同的的核核具具有有不不同同的的磁磁旋旋比比，对对某某元元素素是是定定值值。是磁性核的一个特征常数。是磁性核的一个特征常数。1H 核的核的 H=2.68108 T-1S-1（特（特斯拉斯拉-1 秒秒-1）；）；13C核的核的 C=6.73107 T-1S-1核的自旋角动量核的自旋角动量P是量子化的，与核的自旋量子数是量子化的，与核的自旋量子数 I 的关系如下的关系如下:I 可以取可以取0,1/2,1,3/2,2,5/2,3等值。等值。*代入式代

6、入式（=P）当当I=0时，时，P=0，原子核没有自旋现象，只有，原子核没有自旋现象，只有I 0，原子核才有自旋角动量和自旋现象。，原子核才有自旋角动量和自旋现象。实践证明，核自旋实践证明，核自旋与核的与核的质量数，质子质量数，质子数和数和中子数中子数有关。有关。质量数质量数为偶数为偶数原子序数原子序数为偶数为偶数自旋量子自旋量子数为数为0无自旋无自旋12C6，2S16，16O8原子序数原子序数为奇数为奇数自旋量子自旋量子数为数为1,2,3有自旋有自旋14N7质量数质量数为奇数为奇数原子序数原子序数为奇数或为奇数或偶数偶数自旋量子自旋量子数为数为1/2,3/2,5/2有自旋有自旋1H1，13C6

7、 19F9，31P15 自自旋旋量量子子数数为为零零的的原原子子核核有有：16O，12C，32S，28Si，因因为为没没有有磁磁矩矩，不不产产生生共共振振吸吸收收谱谱，不不能能用核磁共振来研究用核磁共振来研究；自自旋旋量量子子数数大大于于或或等等于于1原原子子核核有有：2H，14N、11B，35Cl，79Br，81Br和和127I，这这类类原原子子核核电电荷荷分分布布可可看看作作是是一一个个椭椭圆圆体体，电电荷荷分分布布不不均均匀匀，共共振振吸吸收收情情况况复复杂杂，目目前前在在核核磁磁共共振振的的研研究究上上应应用用还还很少。很少。自自旋旋量量子子数数I=1/2的的原原子子核核，核核电电荷荷

8、呈呈球球形形均均匀匀分分布布于于核核表表面面，如如:1H1，13C6，19F9，31P15，它它们们核核磁磁共共振振现现象象较较简简单单，谱谱线线窄窄，适适宜宜检检测测，目目前前研研究究和和应应用用较较多多的是的是1H和和13C核磁共振谱。核磁共振谱。（二）核自旋（二）核自旋 把把自自旋旋核核放放在在场场强强为为B0的的磁磁场场中中，由由于于磁磁矩矩 与与磁磁场场的的相相互互作作用用，核核磁磁矩矩相相对对外外加加磁磁场场有有不不同同的的取取向向，共共有有2I+1 个个，各各取取向向可可用用磁磁量量子子数数m表表示示 m=I，I-1，I-2，-I。每每种种取取向向各各对对应应一定能量状态，其大小

9、为一定能量状态，其大小为E=-B0m/I。I=1/2 的氢核只有两种取向；的氢核只有两种取向；I=1 的的原原子子核核有有三三种种取取向向，依依次次类类推推，如如下下图图所示：所示：与外磁场平行，能量较低，与外磁场平行，能量较低，m=+1/2,E 1/2=-B0与外磁场方向相反，能量较高，与外磁场方向相反，能量较高，m=-1/2,E-1/2=B0I=1/2的核自旋能级裂分与的核自旋能级裂分与B0的关系的关系由由式式 E=-ZB0及及图图可可知知，1H核核在在磁磁场场中中，由由低能级低能级E1向高能级向高能级E2跃迁，所需能量为：跃迁，所需能量为：E=E2E1=B0-(-B0)=2 B0 E与与

10、核核磁磁矩矩及及外外磁磁场场强强度度成成正正比比，B0越越大大，能级分裂越大，能级分裂越大，E越大。越大。三、核磁共振三、核磁共振 nuclear magnetic resonance如如果果以以一一定定频频率率的的电电磁磁波波照照射射处处于于磁磁场场B0中中的核，且射频频率的核，且射频频率 恰好满足下列关系时：恰好满足下列关系时：h =E E=2 B0处处于于低低能能态态的的核核将将吸吸收收射射频频能能量量而而跃跃迁迁至至高高能能态，这种现象叫做核磁共振现象。态，这种现象叫做核磁共振现象。（核磁共振条件式）（核磁共振条件式）（1）对对自自旋旋量量子子数数I=1/2的的同同一一核核来来说说，因

11、因磁磁矩矩为为一一定定值值，所所以以发发生生共共振振时时，照照射射频频率率的的大大小小取取决决于于外外磁磁场场强强度度的的大大小小。外外磁磁场场强强度度增增加加时时，为为使使核核发发生生共共振振，照照射射频频率率也也相相应应增增加加；反反之之，则则减小。减小。例：外磁场例：外磁场B0=4.69T，1H 的共振频率为的共振频率为:放在外磁场放在外磁场 B0=2.35T，=100MHz（2）对对自自旋旋量量子子数数I=1/2的的不不同同核核来来说说，若若同同时时放放入入一一固固定定磁磁场场中中，共共振振频频率率的的大大小小取取决决于于核核本本身身磁磁矩矩的的大大小小，大大的的核核，发发生生共共振振

12、所所需需的的照照射射频频率率也大；反之，则小。也大；反之，则小。例：例：13C和和1H的共振频率分别为的共振频率分别为:四、四、核自旋能级分布和驰豫核自旋能级分布和驰豫1H核核在在磁磁场场作作用用下下，被被分分裂裂为为m=+1/2和和m=-1/2两两个个能能级级，处处在在低低能能态态核核和和处处于于高高能能态态核核的的分分布布服从波尔兹曼分布定律。服从波尔兹曼分布定律。(一一)核自旋能级分布核自旋能级分布w当当B0=1.409 T，温度为，温度为300K时，高能态和低时，高能态和低能态的能态的1H核数之比为：核数之比为：处于低能级的核数比高能态核数多十万分之一，而处于低能级的核数比高能态核数多

13、十万分之一，而NMR信号就是靠这极弱过量的低能态核产生的。信号就是靠这极弱过量的低能态核产生的。以以合合适适的的射射频频照照射射处处于于磁磁场场的的核核，核核吸吸收收能能量量后后，由由低低能能态态跃跃迁迁到到高高能能态态，产产生生核核磁磁共共振振信信号号。若若高高能能态态核核不不能能通通过过有有效效途途径径释释放放能能量量回回到到低低能能态态，低低能能态态的的核核数数越越来来越越少少，一一定定时时间间后后，N(-1/2)=N(+1/2)，这这时时不不再再吸吸收收，核核磁磁共共振信号消失，这种现象为振信号消失，这种现象为“饱和饱和”。据据波波尔尔兹兹曼曼定定律律，提提高高外外磁磁场场强强度度，降

14、降低低工工作作温温度度，可可减减少少 N(-1/2)/N(+1/2)值值，提提高高观观察察NMR信号的灵敏度。信号的灵敏度。(二二)核自旋驰豫核自旋驰豫由由于于核核磁磁共共振振中中氢氢核核发发生生共共振振时时吸吸收收的的能能量量是是很很小小的的，因因而而跃跃迁迁到到高高能能态态的的氢氢核核不不可可能能通通过过发发射射谱谱线线的的形形式式失失去去能能量量而而返返回回到到低低能能态态（如如发发射射光光谱谱那那样样），这这种种由由高高能能态态回回复复到到低低能能态态而而不不发发射射原原来来所所吸吸收收的的能能量量的的过过程程称称为为驰驰豫豫（relaxation）过程。过程。驰豫过程是核磁共振现象发

15、生后得以保持的必要驰豫过程是核磁共振现象发生后得以保持的必要条件。条件。NMR：第十四章第十四章 质谱分析质谱分析一、概述一、概述Generalization二、质谱仪构造及原二、质谱仪构造及原理理Structure and principles of instruments Mass Spectrometry 第一节第一节 质谱分析原理质谱分析原理Principles of Mass Spectrometry 一、概述一、概述 generalization 质质谱谱法法是是通通过过将将样样品品转转化化为为运运动动的的气气态态离离子子并并按按质质荷荷比比（m/z）大大小小进进行行分分离离，并并

16、记记录录其其信信息息的的分分析析方方法法。所所得得结果以图谱表达，即所谓的质谱图（结果以图谱表达，即所谓的质谱图（Mass Spectrum）。）。*根根据据质质谱谱图图提提供供的的信信息息可可以以进进行行有有机机物物及及无无机机物物的的定定性性和和定定量量分分析析、复复杂杂化化合合物物的的结结构构分分析析、样样品品中中各各种种同同位位素素比比的的测测定定及及固固体体表表面面的的结结构构和和组组成分析等。成分析等。二、质谱仪二、质谱仪构造及原理构造及原理 质质谱谱仪仪是是通通过过对对样样品品电电离离后后产产生生的的具具有有不不同同m/z的的离离子子来来进进行行分分离离分分析析的的。质质谱谱仪仪

17、须须有有进进样样系系统统、电电离离系系统统、质质量量分分析析器器和和检检测测系系统统。为为了了获获得得离离子子的的良良好好分分析析，必必须须避避免免离离子子损损失失，因因此此凡凡有有样样品品分分子子及及离离子子存存在在和和通通过过的的地地方方，必必须须处处于真空状态。于真空状态。(一）质谱仪的构造一）质谱仪的构造*1.同位素质谱仪（测定同位素丰度）；同位素质谱仪（测定同位素丰度）；2.无机质谱仪无机质谱仪（测定无机化合物）；（测定无机化合物）；3.有机质谱仪（测定有机化合物）。有机质谱仪（测定有机化合物）。1.质谱仪分类：质谱仪分类：(二）质谱仪的工作原理二）质谱仪的工作原理*质质谱谱仪仪是是

18、利利用用电电磁磁学学原原理理，使使带带电电的的样样品品离离子子按按质质荷荷比比进进行行分分离离的的装装置置。离离子子电电离离后后经经电电场场加加速速进入磁场中，其动能与加速电压及电荷进入磁场中，其动能与加速电压及电荷z有关：有关：其中z为电荷数，U为加速电压，m为离子的质量，为离子被加速后的运动速度。2.质谱仪工作原理：质谱仪工作原理：1.气体扩散2.直接进样3.气相色谱1.电子轰击2.化学电离3.场致电离4.激光 1.单聚焦 2.双聚焦 3.飞行时间 4.四极杆 质谱仪需要在高真空下工作：质谱仪需要在高真空下工作：离子源（离子源（10-3 10-5 Pa）质量分析器（质量分析器（10-6 P

19、a）真空系统和进样系统：真空系统和进样系统：1.电子轰击源：70100ev的电子流轰击。离子源：离子源：（包括离子化区和加速区包括离子化区和加速区）离子化区：使样品蒸气分子离子化成各种离子化区：使样品蒸气分子离子化成各种m/z的离子。的离子。加速区：将正电荷离子聚焦并加速成高速离子流，几加速区：将正电荷离子聚焦并加速成高速离子流，几千伏电压使离子加速。千伏电压使离子加速。正离子进入加速区所获动能与加速电压关系：2.化学电离源：化学电离源：电子轰击源对于分子稳定差的往往得不到电子轰击源对于分子稳定差的往往得不到M+峰，峰，而化学电离源可解决此类问题。而化学电离源可解决此类问题。*样品由探头毛细管

20、处通过隔离进入离子源，反应样品由探头毛细管处通过隔离进入离子源，反应气体经压强控制进入反应室，样品经加热蒸发也气体经压强控制进入反应室，样品经加热蒸发也进入反应室，反应气体首先被电离成离子，然后进入反应室，反应气体首先被电离成离子，然后和样品分子通过离子和样品分子通过离子分子反应，产生样品离分子反应，产生样品离子，加速进入分析器。子，加速进入分析器。*质量分析器质量分析器质量分析器的主要类型有：磁分析器、飞行时间质量分析器的主要类型有：磁分析器、飞行时间分析器、四极滤质器、离子捕获分析器和离子回分析器、四极滤质器、离子捕获分析器和离子回旋共振分析器等。旋共振分析器等。在在加加速速区区外外加加一

21、一个个磁磁场场，在在磁磁场场和和加加速速电电压压的的作作用用下下，离离子子呈呈圆圆周周运运动动。离离子子运运动动半半径径由由磁磁场场力力和和离离心心力力所所决决定定。电电荷荷在在磁磁场场中中所所受受的的力力，只只改改变变运运动动的的方方向向，不不改改变运动速度，相当于向心力。变运动速度，相当于向心力。将 v=BzR/m 代入 1/2mv2=zU 得：质荷比是磁场强度，管道半径，加速电压的函数。mv2/R=Bzv B 磁场强度；磁场强度；Z电荷；电荷；R运动半径运动半径 v=BzR/m当R一定，U一定时，B从小大调，则m/z由小大，正离子流依次通过狭缝。当R一定，B一定时，U连续改变，同样测到不

22、同m/z离子组，加速电压越大，可测的质量范围越小。仅仅用用一一个个扇扇形形磁磁场场进进行行质质量量分分析析的的质质谱谱仪仪称称为为单单聚聚焦焦质谱仪，设计良好的单聚焦质谱仪分辨率可达质谱仪，设计良好的单聚焦质谱仪分辨率可达5000。若若要要求求分分辨辨率率大大于于5000则则需需要要双双聚聚焦焦质质谱谱仪仪。单单聚聚焦焦质质谱谱仪仪中中影影响响分分辨辨率率提提高高的的两两个个主主要要因因素素是是离离子子束束离离开开离离子子枪枪时时的的角角分分散散和和动动能能分分散散，因因为为各各种种离离子子是是在在电电离离室室不不同同区区域域形形成成的的。为为了了校校正正这这些些分分散散，通通常常在在磁磁场场

23、前前加加一一个个静静电电分分析析器器（Elctrostatic Analyzer，ESA），这这种种设设备备由由两两个个扇扇形形圆圆筒筒组组成成，向向外外电电极极加加上上正正电电压压，内内电电极极为为负负压压。*一一般般商商品品化化双双聚聚焦焦质质谱谱仪仪的的分分辨辨率率可可达达150000，质质量量测测定定准准确确度度可可达达0.03gg-1，即即对对于于相相对对分分子子质质量量为为600的的化合物可测至误差上化合物可测至误差上0.0002u。飞行时间分析器（飞行时间分析器（Time of Flight，TOF）这这种种分分析析器器的的离离子子分分离离是是用用非非磁磁方方式式达达到到的的，因

24、因为为从从离离子子源源飞飞出出的的离离子子动动能能基基本本一一致致，在在飞飞出出离离子子源源后后进进入入一一长约长约lm的无场漂移管，在离子加速后的速度为：的无场漂移管，在离子加速后的速度为：此离子达到无场漂移管另一端的时间为 t=L/故对于具有不同故对于具有不同mz的离子，到达终点的的离子，到达终点的时间差：时间差：由此可见，由此可见，t取决于取决于mz的平方根之差。的平方根之差。*因因为为连连续续电电离离和和加加速速将将导导致致检检测测器器的的连连续续输输出出而而无无法法获获得得有有用用信信息息，所所以以TOF是是以以大大约约10kHZ的的频频率率进进行行电电子子脉脉冲冲轰轰击击法法产产生

25、生正正离离子子，随随即即用用一一具具有有相相同同频频率率的的脉脉冲冲加加速速电电场场加加速速，被被加加速速的的粒粒子子按按不不同同的的(m/z)的的时时间间经经漂漂移移管管到到达达收收集集极极上上，并并馈馈入入一一个个水水平平扫扫描描频频率率与与电电场场脉脉冲冲频频率率一一致的示波器上，从而得到质谱图。致的示波器上，从而得到质谱图。四极滤质器四极滤质器 Quadrupole Mass Filter 四四极极滤滤质质器器由由四四根根平平行行的的金金属属杆杆组组成成，其其排排布布见见下下页页图图所所示示。被被加加速速的的离离子子束束穿穿过过对对准准四四根根极极杆杆之之间间空空间间的的准准直小孔。直

26、小孔。通通过过在在四四极极上上加加上上直直流流电电压压U和和射射频频电电压压Vcost，在在极极间间形形成成一一个个射射频频场场，正正电电极极电电压压为为UVcost，负负电电极极为为-（UVcost）。离离子子进进入入此此射射频频场场后后，会会受受到到电电场场力力作作用用，只只有有合合适适m/z的的离离子子才才会会通通过过稳稳定定的的振振荡荡进进入入检检测测器器。只只要要改变改变U和和V并保持并保持U/V比值恒定时，可以实现不同比值恒定时，可以实现不同m/z的检测的检测。*四极滤质器分辨率和四极滤质器分辨率和m/z范围与磁分析器大体相范围与磁分析器大体相同，其极限分辨率可达同，其极限分辨率可

27、达2000。其主要优点是传输。其主要优点是传输效率较高，入射离子的动能或角发散影响不大；效率较高，入射离子的动能或角发散影响不大；其次是可以快速地进行全扫描，而且制作工艺简其次是可以快速地进行全扫描，而且制作工艺简单，仪器紧凑，常用在需要快速扫描的单，仪器紧凑，常用在需要快速扫描的GCMS联用及空间卫星上进行分析联用及空间卫星上进行分析。离子阱分析器离子阱分析器 离子离子阱是一种通过电场或磁场将气相离子控制并贮存一段阱是一种通过电场或磁场将气相离子控制并贮存一段时间的装置时间的装置。由一环形电极再加上下各一的端罩电极构成。以端罩电极由一环形电极再加上下各一的端罩电极构成。以端罩电极接地，在环电

28、极上施以变化的射频电压，此时处于阱中具接地，在环电极上施以变化的射频电压，此时处于阱中具有合适的有合适的m/z加的离子将在环中指定的轨道上稳定旋转，加的离子将在环中指定的轨道上稳定旋转，若增加该电压，则较重离子转至指定稳定轨道，而轻些的若增加该电压，则较重离子转至指定稳定轨道，而轻些的离子将偏出轨道并与环电极发生碰撞。离子将偏出轨道并与环电极发生碰撞。*当当一一组组由由电电离离源源（化化学学电电离离源源或或电电子子轰轰击击源源）产产生生的的离离子子由由上上端端小小孔孔中中进进入入阱阱中中后后，射射频频电电压压开开始始扫扫描描，陷陷入入阱阱中中离离子子的的轨轨道道则则会会依依次次发发生生变变化化

29、而从底端离开环电极腔，从而被检测器检测。而从底端离开环电极腔，从而被检测器检测。这这种种离离子子阱阱结结构构简简单单、成成本本低低且且易易于于操操作作，已已用用于于GCMS联联用用装装置置用用于于m/Z 2002000的的分分子子分分析。析。离子回旋共振分析器离子回旋共振分析器Iic Cyclotron Resonance，ICR 当当一一气气相相离离子子进进入入或或产产生生于于一一个个强强磁磁场场中中时时，离离子子将将沿沿与与磁磁场场垂垂直直的的环环形形路路径径运运动动，称称之之为为回回旋旋，其其频频率率c可可用下式表示：用下式表示：回回旋旋频频率率只只与与m/z的的倒倒数数有有关关。增增加

30、加运运动动速速度度时时，离离子子回回旋半径亦相应增加。旋半径亦相应增加。回回旋旋的的离离子子可可以以从从与与其其匹匹配配的的交交变变电电场场中中吸吸收收能能量量（发发生生共共振振）。当当在在回回旋旋器器外外加加上上这这种种电电场场，离离子子吸吸收收能能量量后后速速度度加加快快，随随之之回回旋旋半半径径逐逐步增大；停止电场后，离子运动半径又变为常数。步增大；停止电场后，离子运动半径又变为常数。当当一一组组m/z相相同同的的离离子子时时，合合适适的的频频率率将将使使这这些些离离子子一一起起共共振振而而发发生生能能量量变变化化，其其他他m/z离离子子则不受影响则不受影响。*由于共振离子的回旋可以产生

31、称之为相电流的信号，相电流可以在停止交变电场后观察到。将图中开关置于2位时，离子回旋在两极之间产生电容电流，电流大小与离子数有关，频率由共振离子的m/z决定。在已知磁场B存在时通过不同频率扫描，可以获得不同m/z的信息。感应产生的相电流由于共振离子在回旋时不断碰撞而失去能量并归于热平衡状态而逐步消失，这个过程的周期一般在0.10.10s之间，相电流的衰减信号与Fourier变换NMR中的自由感应衰减信号（FID Signal）类似。离子检测器离子检测器质谱仪器常用的检测器有：法拉第杯；电子倍增器；闪烁计数器；照相底片等。电子倍增器可测出10-17A的微弱电流，时间常数远小于1s，可灵敏、快速地进行检测。结 束