核磁共振實(shí)驗(yàn)報(bào)告

1、核磁共振實(shí)驗(yàn)報(bào)告一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康模? 掌握核磁共振的原理與基本結(jié)構(gòu)；2 學(xué)會(huì)核磁共振儀器的操作方法與譜圖分析；3 了解核磁共振在實(shí)驗(yàn)中的具體應(yīng)用；二、實(shí)驗(yàn)原理核磁共振的研究對(duì)象為具有磁矩的原子核。原子核是帶正電荷的粒子，其自旋運(yùn)動(dòng)將產(chǎn)生磁矩，但并非所有同位素的原子核都有自旋運(yùn)動(dòng)，只有存在自選運(yùn)動(dòng)的原子核才具有磁矩。原子核的自選運(yùn)動(dòng)與自旋量子數(shù)I有關(guān)。I=0的原子核沒(méi)有自旋運(yùn)動(dòng)。I0的原子核有自旋運(yùn)動(dòng)。原子核可按I的數(shù)值分為以下三類(lèi)：1) 中子數(shù)、質(zhì)子數(shù)均為偶數(shù)，則I=0，如12C、16O、32S等。2) 中子數(shù)、質(zhì)子數(shù)其一為偶數(shù)，另一為基數(shù)，則I為半整數(shù)，如：I=1/2；1H、13C、15N、19

2、F、31P等；I=3/2；7Li、9Be、23Na、33S等；I=5/2；17O、25Mg、27Al等；I=7/2，9/2等。3) 中子數(shù)、質(zhì)子數(shù)均為奇數(shù)，則I為整數(shù)，如2H、6Li、14N等。 以自旋量子數(shù)I=1/2的原子核（氫核）為例，原子核可當(dāng)作電荷均勻分布的球體，繞自旋軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，產(chǎn)生磁場(chǎng)，類(lèi)似一個(gè)小磁鐵。當(dāng)置于外加磁場(chǎng)H0中時(shí)，相對(duì)于外磁場(chǎng)，可以有（2I+1）種取向：氫核（I=1/2），兩種取向（兩個(gè)能級(jí)）：a. 與外磁場(chǎng)平行，能量低，磁量子數(shù)1/2;b. 與外磁場(chǎng)相反，能量高，磁量子數(shù)1/2;正向排列的核能量較低，逆向排列的核能量較高。兩種進(jìn)動(dòng)取向不同的氫核之間的能級(jí)差：E= H0

3、（磁矩，H0外磁場(chǎng)強(qiáng)度）。一個(gè)核要從低能態(tài)躍遷到高能態(tài)，必須吸收E的能量。讓處于外磁場(chǎng)中的自旋核接受一定頻率的電磁波輻射，當(dāng)輻射的能量恰好等于自旋核兩種不同取向的能量差時(shí)，處于低能態(tài)的自旋核吸收電磁輻射能躍遷到高能態(tài)。這種現(xiàn)象稱(chēng)為核磁共振，簡(jiǎn)稱(chēng)NMR。三、儀器設(shè)備結(jié)構(gòu)核磁共振波譜儀（儀器型號(hào)：Bruker AVANCE 400M）由以下三部分組成：1) 操作控制臺(tái)：計(jì)算機(jī)主機(jī)、顯示器、鍵盤(pán)和BSMS鍵盤(pán)。計(jì)算機(jī)主機(jī)運(yùn)行Topspin程序，負(fù)責(zé)所有的數(shù)據(jù)分析和存儲(chǔ)。BSMS鍵盤(pán)可以讓用戶(hù)控制鎖場(chǎng)和勻場(chǎng)系統(tǒng)及一些基本操作。2) 機(jī)柜：AQS（采樣控制系統(tǒng)）、BSMS（靈巧磁體系統(tǒng)），VTU（控溫單

4、元）、各種功放。AQS各個(gè)單元分別負(fù)責(zé)發(fā)射激發(fā)樣品的射頻脈沖，并接收，放大，數(shù)字化樣品放射出的NMR信號(hào)。AQS完全控制譜儀的操作，這樣可以保證操作不間斷從而保證采樣的真實(shí)完整。BSMS：這個(gè)系統(tǒng)可以通過(guò)BSMS鍵盤(pán)或者軟件進(jìn)行控制，負(fù)責(zé)操作鎖場(chǎng)和勻場(chǎng)系統(tǒng)以及樣品的升降、旋轉(zhuǎn)。3) 磁體系統(tǒng)：自動(dòng)進(jìn)樣器、勻場(chǎng)系統(tǒng)、前置放大器(HPPR)、探頭。本儀器所配置的自動(dòng)進(jìn)樣器可放置60個(gè)樣品。磁體產(chǎn)生NMR躍遷所需的磁場(chǎng)。室溫勻場(chǎng)系統(tǒng)被安裝在磁體的下端，是一組載流線圈，通過(guò)補(bǔ)充磁場(chǎng)均勻度來(lái)改善磁場(chǎng)一致性。探頭的功能是支撐樣品，發(fā)射激發(fā)樣品的射頻信號(hào)并接收共振信號(hào)，探頭被插入到磁體的底部，位于室溫勻場(chǎng)線

5、圈的內(nèi)部。同軸電纜把激發(fā)信號(hào)從控制放大器傳送至探頭，并把NMR信號(hào)從樣品處傳回到接收器。四、實(shí)驗(yàn)步驟1 樣品制備 對(duì)于固體樣品，如果使用5mm樣品管，按照豐度，氫譜質(zhì)量分?jǐn)?shù)5%-10%，碳譜20%左右。1H-NMR譜樣品幾毫克至幾十毫克，對(duì)于13C-NMR譜則要適量增加樣品質(zhì)量。加入0.5mL左右氘代試劑，混合均勻，用生料帶封住管口，減少溶劑揮發(fā)。蓋上核磁管帽，做好標(biāo)記。2 樣品手動(dòng)檢測(cè) 開(kāi)機(jī)：打開(kāi)計(jì)算機(jī)、主機(jī)、輔助設(shè)備。 進(jìn)入操作界面，利用相關(guān)軟件進(jìn)行試驗(yàn)參數(shù)的設(shè)置。 進(jìn)樣：將樣品管插入轉(zhuǎn)子，定深量筒控制樣品管插入轉(zhuǎn)子的深度。確保樣品與量筒內(nèi)的線圈對(duì)齊。 樣品的升降是由一股壓縮空氣控制的。按

6、下BSMS鍵盤(pán)上的LIFT鍵。可以聽(tīng)到氣流的聲音，取下前一個(gè)樣品，把新樣品放到氣墊上。再次按下LIFT鍵。樣品會(huì)緩慢落進(jìn)磁體，精確進(jìn)入探頭中的位置。在往磁體中放入樣品前，確認(rèn)存在氣流。（可以聽(tīng)到氣流聲） 在命令行輸入指令edc,對(duì)新樣品進(jìn)行命名。 在命令行鍵入lock命令，并選擇相應(yīng)的溶劑。根據(jù)配置樣品所用的氘代試劑。 鎖場(chǎng)完成后，在命令行輸入指令atma，進(jìn)行調(diào)諧。 調(diào)諧完成，在命令行輸入topshim,可以進(jìn)行自動(dòng)勻場(chǎng)，也可以進(jìn)行手動(dòng)勻場(chǎng)，具體操作是在BSMS鍵盤(pán)進(jìn)行調(diào)整。磁場(chǎng)是三維的，所以勻場(chǎng)項(xiàng)的名稱(chēng)使用XYZ坐標(biāo)系統(tǒng)來(lái)反應(yīng)相應(yīng)的代數(shù)功能。 命令行輸入rga。自動(dòng)設(shè)定接收機(jī)增益。 命令行

7、輸入ns。設(shè)定掃描次數(shù)。 命令行輸入zg。系統(tǒng)開(kāi)始采集數(shù)據(jù)。 數(shù)據(jù)采集完成，在命令行輸入efp,將采集結(jié)果進(jìn)行傅里葉變換。輸入apk,進(jìn)行自動(dòng)相位校正，輸入absn，進(jìn)行基線校正。 對(duì)譜圖進(jìn)行定位，標(biāo)峰，積分處理，打印譜圖。 實(shí)驗(yàn)結(jié)束，關(guān)閉相關(guān)軟件及計(jì)算機(jī)。3 樣品自動(dòng)檢測(cè)1 在計(jì)算機(jī)上打開(kāi)自動(dòng)進(jìn)樣器控制系統(tǒng)Icon NMR:automation。2 將樣品管插入轉(zhuǎn)子，定深量筒控制樣品管插入轉(zhuǎn)子的深度。擦拭干凈后 放入自動(dòng)進(jìn)樣器，記錄樣品編號(hào)。3 在自動(dòng)進(jìn)樣器控制系統(tǒng)內(nèi)雙擊對(duì)應(yīng)樣品編號(hào)進(jìn)行設(shè)置:Name、No.、Solvent、Experiment、Par。設(shè)置完成后submit，點(diǎn)擊star

8、t，儀器將自動(dòng)完成測(cè)定。4 在實(shí)驗(yàn)記錄本上對(duì)所做實(shí)驗(yàn)進(jìn)行記錄。5 樣品測(cè)定結(jié)束后從自動(dòng)進(jìn)樣器上取下。五、應(yīng)用核磁共振在各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用都是相當(dāng)廣泛的，下面簡(jiǎn)單介紹下近年來(lái)核磁共振技術(shù)在化學(xué)分析、材料科學(xué)、藥學(xué)、生物學(xué)、煤化學(xué)等領(lǐng)域的應(yīng)用。核磁共振在化學(xué)分析中正發(fā)揮越來(lái)越大的作用，它不僅是一種研究手段，也是常規(guī)分析中不可缺少的一種手段。用它可以對(duì)樣品進(jìn)行定性和定量的分析，確定反應(yīng)過(guò)程及反應(yīng)機(jī)理。用它還可以研究各種化學(xué)鍵的性質(zhì)，研究溶液中的動(dòng)態(tài)平衡，測(cè)量液體的粘度，確定各種物質(zhì)在生產(chǎn)過(guò)程中的一些其它性質(zhì)和控制生產(chǎn)流程等。另外1H、13C、15N、31P等核磁共振譜在確定有機(jī)化合物分子結(jié)構(gòu)和變化，原子

9、的空間位置和相互間的關(guān)聯(lián)等方面也得到普及。在材料科學(xué)領(lǐng)域高功率固體NMR是研究高分子聚合物、玻璃、陶瓷、煤、樹(shù)脂、新型表面活性劑、壓電物質(zhì)的研究等非常重要的、有的時(shí)候甚至是唯一的方法。應(yīng)用化學(xué)中精細(xì)有機(jī)合成的進(jìn)一步發(fā)展，各種新型表面活性劑的合成、涂料的改性、水處理技術(shù)添加劑的研制、新型激光材料以及有機(jī)反應(yīng)過(guò)程的動(dòng)態(tài)和穩(wěn)態(tài)的研究都必須依靠固體NMR譜儀的配合。利用核磁共振方法解決某些屬于分子結(jié)構(gòu)和晶體結(jié)構(gòu)的問(wèn)題，研究固體中分子運(yùn)動(dòng)的性質(zhì)，研究結(jié)構(gòu)相變（例如鐵電體的結(jié)構(gòu)相變），研究磁性材料中不同晶格位置上的超精細(xì)場(chǎng)等。在藥學(xué)領(lǐng)域，核磁共振技術(shù)在創(chuàng)新藥物研究及藥物質(zhì)量控制方面具有廣泛的應(yīng)用，不僅能定

10、性定量分析藥物及雜質(zhì)，而且能建立復(fù)雜的中藥指紋圖譜。此外，液體NMR還能分析藥物的穩(wěn)定性和藥物代謝，測(cè)定靶蛋白的溶液空間結(jié)構(gòu)及其動(dòng)力學(xué)，研究靶蛋白與藥物分子的相互作用不僅能定性定量分析藥物及雜質(zhì)，而且能建立復(fù)雜的中藥指紋圖譜，等等。近年來(lái)，國(guó)際藥典、歐洲藥典及美國(guó)藥典指定NMR譜學(xué)技術(shù)作為對(duì)藥物進(jìn)行分子結(jié)構(gòu)鑒定和藥劑的定量研究主要工具。分子生物學(xué)中一個(gè)眾所周知的事實(shí)是蛋白質(zhì)生物活性和功能的多是在溶液中顯現(xiàn)的，而能用于探測(cè)溶液中蛋白質(zhì)的三維構(gòu)象的唯一手段就是NMR。正因?yàn)槿绱耍?002年的諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)授予瑞士ETH的Wthrich ,表彰他用多維NMR波譜學(xué)在測(cè)定溶液中蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的三維構(gòu)象方面的

11、開(kāi)創(chuàng)性貢獻(xiàn)。而最具前沿科學(xué)的不溶性蛋白或膜蛋白空間三位結(jié)構(gòu)研究也需要用到固體核磁。1955年，英國(guó)的紐曼（P.C.Newman）等人首先將核磁共振氫譜（1H-NMR）用于煤的研究，1H-NMR能詳細(xì)給出煤及衍生物中氫分布的信息，此后迅速得到了廣泛的應(yīng)用。1960年，英國(guó)人拉德納（W.R.Ladner）和布朗（J.K.Brown）利用氫分布和元素分析數(shù)據(jù)，提出了煤的三個(gè)重要結(jié)構(gòu)參數(shù)（芳香環(huán)取代度，芳碳率fa，芳香環(huán)縮合度Haru/Car）的計(jì)算公式，這些公式已得到廣泛應(yīng)用。1H-NMR需要在溶液狀態(tài)下測(cè)定，所以主要用于煤的抽提物、煤液化產(chǎn)物以及煤熱解液體產(chǎn)物等的表征。1968年，Retcofsky等首先將核磁共振碳譜（13C-NMR）應(yīng)用到煤液化產(chǎn)品的分析中，從13C-NMR譜可以獲得煤的碳骨架和芳香度等信息，且從13C-NMR得到的芳香度是直接觀測(cè)的，優(yōu)于任何其它方法所得值；除此之外，還能觀察到不與質(zhì)子相連的基團(tuán)中碳的信息。所以，將1H-NMR與13C-NMR這兩種方法結(jié)合起來(lái)，取長(zhǎng)補(bǔ)短，已被廣泛用于研究煤及其衍生物的結(jié)構(gòu)。13C-NMR既可以用于液體樣品測(cè)試，也可以用于固體樣品測(cè)試。由于煤中部分甚至大部分是不能被溶劑溶解的大分子骨架結(jié)構(gòu)，所以對(duì)固體煤的直接研究非常重要，直接用固體煤進(jìn)行測(cè)試