核磁共振.ppt

1、核磁共振核磁共振(Nuclear Magnetic Resonance，NMR)1化學(xué)位移為什么用化學(xué)位移為什么用TMS作為基準(zhǔn)作為基準(zhǔn)?2NMR應(yīng)用范圍應(yīng)用范圍3、NMR提供的信息有哪些？提供的信息有哪些？問題？1、核磁共振、核磁共振(NMR)發(fā)展歷史及進(jìn)展發(fā)展歷史及進(jìn)展3 3、核磁共振的基本原理、核磁共振的基本原理4、核磁共振波譜法的特點、核磁共振波譜法的特點5、核磁共振儀分類及應(yīng)用范圍、核磁共振儀分類及應(yīng)用范圍2、NMR所能提供的信息所能提供的信息核磁共振核磁共振(Nuclear Magnetic Resonance，NMR)的發(fā)展的發(fā)展 1939年，拉比（年，拉比（I.Rabi ）通過

2、試驗高溫蒸發(fā)后的物質(zhì)觀）通過試驗高溫蒸發(fā)后的物質(zhì)觀測到了核磁共振現(xiàn)象，并獲得了測到了核磁共振現(xiàn)象，并獲得了1944 年的諾貝爾物理學(xué)年的諾貝爾物理學(xué)獎。獎。 核磁共振的現(xiàn)象是美國斯坦福大學(xué)的核磁共振的現(xiàn)象是美國斯坦福大學(xué)的F.Block和哈佛大學(xué)和哈佛大學(xué)的的E.M.Purcell于于1945年同時發(fā)現(xiàn)的，為此，他們兩人共年同時發(fā)現(xiàn)的，為此，他們兩人共享了享了1952年的諾貝爾物理學(xué)獎。年的諾貝爾物理學(xué)獎。 1953年，美國年，美國Varian公司首先試制了公司首先試制了NMR波譜儀，開始波譜儀，開始應(yīng)用于化學(xué)領(lǐng)域并并逐步推廣應(yīng)用于化學(xué)領(lǐng)域并并逐步推廣 NMR新進(jìn)展新進(jìn)展核磁共振核磁共振(Nu

3、clear Magnetic Resonance，NMR) 當(dāng)電磁波的能量與核自旋能級的能量差相等當(dāng)電磁波的能量與核自旋能級的能量差相等時，處于低能態(tài)的自旋核吸收一定頻率的電磁波時，處于低能態(tài)的自旋核吸收一定頻率的電磁波躍遷到高能態(tài)上去的這種現(xiàn)象就叫核磁共振。躍遷到高能態(tài)上去的這種現(xiàn)象就叫核磁共振。提供質(zhì)子、碳骨架結(jié)構(gòu)的信息提供質(zhì)子、碳骨架結(jié)構(gòu)的信息鑒定有機物、金屬有機物等分子結(jié)構(gòu)的工鑒定有機物、金屬有機物等分子結(jié)構(gòu)的工具具定量分析定量分析 核磁共振的基本原理核磁共振的基本原理7一、一、核磁共振是磁矩不為零的原子核，在外磁核磁共振是磁矩不為零的原子核，在外磁場作用下自旋能級發(fā)生塞曼分裂，共振吸

4、收某場作用下自旋能級發(fā)生塞曼分裂，共振吸收某一定頻率的射頻輻射的物理過程。一定頻率的射頻輻射的物理過程。二、原子核的自旋與磁性二、原子核的自旋與磁性 原子核與電子類似，也有自旋現(xiàn)象。核的自原子核與電子類似，也有自旋現(xiàn)象。核的自旋可以用自旋量子數(shù)來描述。自旋量子數(shù)的取旋可以用自旋量子數(shù)來描述。自旋量子數(shù)的取值取決于原子序數(shù)和原子的質(zhì)量數(shù)。值取決于原子序數(shù)和原子的質(zhì)量數(shù)。核磁共振波譜法的特點核磁共振波譜法的特點:核磁共振核磁共振氫譜（1HNMR）核磁共振碳譜（CNMR） 核磁共振譜可以得到與化合物分子結(jié)構(gòu)相關(guān)的信息，如從化學(xué)位移可以判斷各組磁化學(xué)位移可以判斷各組磁性核的類型性核的類型，在核磁共振氫

5、譜可以判斷烷基氫、烯氫、芳?xì)?、羥基氫、氨基氫、醛基氫等。在核磁共振碳譜可以判別飽和碳、烯碳、芳環(huán)碳、羰基碳等。11化學(xué)位移化學(xué)位移: 由于感應(yīng)磁場的屏蔽或去屏效應(yīng)，由于感應(yīng)磁場的屏蔽或去屏效應(yīng)，使得化學(xué)環(huán)境不同的質(zhì)子在不同的磁場使得化學(xué)環(huán)境不同的質(zhì)子在不同的磁場強度下發(fā)生共振吸收的現(xiàn)象就叫做化學(xué)強度下發(fā)生共振吸收的現(xiàn)象就叫做化學(xué)位移。位移。12化學(xué)位移的零點規(guī)定：化學(xué)位移的零點規(guī)定： SiCH3CH3CH3CH3 四甲基硅烷（四甲基硅烷（TMS)的的= 0ppm（儀（儀器的零點）器的零點）13 化學(xué)位移的表示化學(xué)位移的表示 不同質(zhì)子間化學(xué)位移的差值約在不同質(zhì)子間化學(xué)位移的差值約在115/百萬，

6、百萬，用磁場強度（用磁場強度（H）或電磁波頻率（）或電磁波頻率（）表示都不）表示都不方便，因而規(guī)定用一個相對的量方便，因而規(guī)定用一個相對的量來表示，單位來表示，單位是是ppm（百萬分之一）。（百萬分之一）。 )(1060ppmTMS樣品吸收頻率標(biāo)樣四甲基硅烷的共振樣品的共振吸收頻率樣品:TMS：所用儀器的頻率014 影響化學(xué)位移的因素影響化學(xué)位移的因素 質(zhì)子化學(xué)位移值的大小取決于它所處質(zhì)子化學(xué)位移值的大小取決于它所處的電子環(huán)境，主要影響因素有：的電子環(huán)境，主要影響因素有：一、電負(fù)性的影響一、電負(fù)性的影響 當(dāng)鍵合質(zhì)子的碳上連有電負(fù)性較大的原當(dāng)鍵合質(zhì)子的碳上連有電負(fù)性較大的原子或基團(tuán)時，因質(zhì)子外圍

7、的電荷密度降低子或基團(tuán)時，因質(zhì)子外圍的電荷密度降低,產(chǎn)生的感應(yīng)磁場較弱，對質(zhì)子的屏蔽作用產(chǎn)生的感應(yīng)磁場較弱，對質(zhì)子的屏蔽作用減小，使共振吸收移向低場。減小，使共振吸收移向低場。15二、磁的各向異性效應(yīng)二、磁的各向異性效應(yīng) 感應(yīng)磁場在空間不同的位置具有不同的方向感應(yīng)磁場在空間不同的位置具有不同的方向或加強外磁場或?qū)雇獯艌?，這種現(xiàn)象叫磁的或加強外磁場或?qū)雇獯艌?，這種現(xiàn)象叫磁的各向異性效應(yīng)。各向異性效應(yīng)。三、氫鍵的影響三、氫鍵的影響 氫鍵的形成使得價電子對質(zhì)子的屏蔽作氫鍵的形成使得價電子對質(zhì)子的屏蔽作用減弱，共振吸收移向低場。無氫鍵締合的用減弱，共振吸收移向低場。無氫鍵締合的質(zhì)子則在高場發(fā)生共振

8、吸收。質(zhì)子則在高場發(fā)生共振吸收。1HNMR 氫原子具有磁性，電磁波照射氫原子核，氫原子具有磁性，電磁波照射氫原子核，它能通過共振吸收電磁波能量，發(fā)生躍遷。它能通過共振吸收電磁波能量，發(fā)生躍遷。 特征峰的數(shù)目反映了有機分子中氫原子化特征峰的數(shù)目反映了有機分子中氫原子化學(xué)環(huán)境的種類；不同特征峰的強度比（及學(xué)環(huán)境的種類；不同特征峰的強度比（及特征峰的高度比）反映了不同化學(xué)環(huán)境氫特征峰的高度比）反映了不同化學(xué)環(huán)境氫原子的數(shù)目比。原子的數(shù)目比。 化學(xué)位移化學(xué)位移 :氫原子在分子中的化學(xué)環(huán)境不同，氫原子在分子中的化學(xué)環(huán)境不同，而顯示出不同的吸收峰，峰與峰之間的差而顯示出不同的吸收峰，峰與峰之間的差距距17

9、1 H1 NMR 譜可以給出如下信息：譜可以給出如下信息：1 、峰的數(shù)目：分子中有多少種不同類型的氫。、峰的數(shù)目：分子中有多少種不同類型的氫。2 、峰的位置：分子中氫的類別。、峰的位置：分子中氫的類別。3 、峰的強度：每種氫的數(shù)目。、峰的強度：每種氫的數(shù)目。4 、峰的裂分?jǐn)?shù)目：鄰近碳上氫原子的個數(shù)。、峰的裂分?jǐn)?shù)目：鄰近碳上氫原子的個數(shù)。18質(zhì)子數(shù)目的確定質(zhì)子數(shù)目的確定: 積分曲線法積分曲線法依據(jù)：吸收峰的面積與產(chǎn)生吸收的質(zhì)子數(shù)目依據(jù)：吸收峰的面積與產(chǎn)生吸收的質(zhì)子數(shù)目成正比。積分曲線的高度之比等于每組峰的成正比。積分曲線的高度之比等于每組峰的質(zhì)子數(shù)目之比質(zhì)子數(shù)目之比 積分曲線法：積分曲線法： 各

10、組質(zhì)子峰積分曲線的高度之和除以各組質(zhì)子峰積分曲線的高度之和除以質(zhì)子的總數(shù)，得到每個質(zhì)子所占有的積分質(zhì)子的總數(shù)，得到每個質(zhì)子所占有的積分曲線高度，用其除每組積分曲線的高度，曲線高度，用其除每組積分曲線的高度，就得到每組峰質(zhì)子的數(shù)目。就得到每組峰質(zhì)子的數(shù)目。 13C NMR概述概述 有機化合物中的碳原子構(gòu)成了有機物的骨架。因此觀察和研究碳原子的信號對研究有機物有著非常重要的意義。 自然界豐富的12C的I=0，沒有核磁共振信號，而I=1/2 的13C 核，雖然有核磁共振信號，但其天然豐度僅為1.1% ，故信號很弱，給檢測帶來了困難。 在早期的核磁共振研究中，一般只研究核磁共振氫譜（1HNMR），直到

11、上個世紀(jì) 70 年代脈沖傅立葉變換核磁共振譜儀問世，核磁共振碳譜（13C NMR）的工作才迅速發(fā)展起來，這期間隨著計算機的不斷更新發(fā)展，核磁共振碳譜的測試技術(shù)和方法也在不斷的改進(jìn)和增加，如偏共振去偶，可獲得13C-1H 之間的偶合信息，DEPT 技術(shù)可識別碳原子級數(shù)等，因此從碳譜中可以獲得極為豐富的信息。核磁共振碳譜的特點核磁共振碳譜的特點1 1、信號強度低、信號強度低2 2、化學(xué)位移范圍寬、化學(xué)位移范圍寬3 3、耦合常數(shù)大、耦合常數(shù)大4 4、弛豫時間長、弛豫時間長5 5、共振方法多、共振方法多6 6、圖譜簡單、圖譜簡單 13C NMR化學(xué)位移一般來說，碳譜中化學(xué)位移（一般來說，碳譜中化學(xué)位移

12、（ C C）是最重要的參數(shù)是最重要的參數(shù)。它直接反映了所觀察核周圍的基團(tuán)、電子分布的它直接反映了所觀察核周圍的基團(tuán)、電子分布的情況，即核所受屏蔽作用的大小。碳譜的化學(xué)位移情況，即核所受屏蔽作用的大小。碳譜的化學(xué)位移對核所受的化學(xué)環(huán)境是很敏感的，它的范圍比氫譜對核所受的化學(xué)環(huán)境是很敏感的，它的范圍比氫譜寬得多，一般在寬得多，一般在 0-250 0-250ppmppm。對于分子量在。對于分子量在 300- 300-500 500 的化合物，碳譜幾乎可以分辨每一個不同化學(xué)的化合物，碳譜幾乎可以分辨每一個不同化學(xué)環(huán)境的碳原子，而氫譜有時卻嚴(yán)重重迭。環(huán)境的碳原子，而氫譜有時卻嚴(yán)重重迭。 不同結(jié)構(gòu)與化學(xué)環(huán)

13、境的碳原子，它們的不同結(jié)構(gòu)與化學(xué)環(huán)境的碳原子，它們的 C C從高場到低場的順序與和它們相連的氫原從高場到低場的順序與和它們相連的氫原子的子的 H H有一定的對應(yīng)性，但并非完全相同有一定的對應(yīng)性，但并非完全相同。如飽和碳在較高場、炔碳次之、烯碳和如飽和碳在較高場、炔碳次之、烯碳和芳碳在較低場，而羰基碳在更低場。芳碳在較低場，而羰基碳在更低場。 分子有不同的構(gòu)型和構(gòu)象時，分子有不同的構(gòu)型和構(gòu)象時， C C比比 H H更為敏感。更為敏感。碳碳原子是分子的骨架，分子間的碳核的相互作用比較原子是分子的骨架，分子間的碳核的相互作用比較小，不像處在分子邊緣上的氫原子，分子間的氫核小，不像處在分子邊緣上的氫原

14、子，分子間的氫核相互作用比較大。所以對于碳核，分子內(nèi)的相互作相互作用比較大。所以對于碳核，分子內(nèi)的相互作用顯得更為重要，用顯得更為重要，和氫譜一樣，碳譜的化學(xué)位移和氫譜一樣，碳譜的化學(xué)位移 C C也是也是以以 TMS TMS 或某或某種溶劑峰為基準(zhǔn)的。種溶劑峰為基準(zhǔn)的。核磁共振定量分析核磁共振定量分析內(nèi)標(biāo)法內(nèi)標(biāo)法 內(nèi)標(biāo)法是將一定量的純物質(zhì)作內(nèi)標(biāo)物，加入到準(zhǔn)確稱內(nèi)標(biāo)法是將一定量的純物質(zhì)作內(nèi)標(biāo)物，加入到準(zhǔn)確稱量的試樣中，根據(jù)被測試樣和內(nèi)標(biāo)物的質(zhì)量比及其相應(yīng)的量的試樣中，根據(jù)被測試樣和內(nèi)標(biāo)物的質(zhì)量比及其相應(yīng)的色譜峰面積之比，來計算被測組分的含量。色譜峰面積之比，來計算被測組分的含量。選一與欲測組選一

15、與欲測組分相近但能完全分離的組分做內(nèi)標(biāo)物分相近但能完全分離的組分做內(nèi)標(biāo)物（當(dāng)然是樣品中沒有（當(dāng)然是樣品中沒有的組分），的組分），然后配制欲測組分和內(nèi)標(biāo)物的混合標(biāo)準(zhǔn)溶液，然后配制欲測組分和內(nèi)標(biāo)物的混合標(biāo)準(zhǔn)溶液，進(jìn)樣得相對校正因子。再將內(nèi)標(biāo)物加入欲測組分的樣品中，進(jìn)樣得相對校正因子。再將內(nèi)標(biāo)物加入欲測組分的樣品中，進(jìn)樣后測得欲測組分和內(nèi)標(biāo)物的定量參數(shù)。用內(nèi)標(biāo)法公式進(jìn)樣后測得欲測組分和內(nèi)標(biāo)物的定量參數(shù)。用內(nèi)標(biāo)法公式計算即可。計算即可。 內(nèi)標(biāo)法的優(yōu)點是測定的結(jié)果較為準(zhǔn)確，由于通過測量內(nèi)標(biāo)法的優(yōu)點是測定的結(jié)果較為準(zhǔn)確，由于通過測量內(nèi)標(biāo)物及被測組分的峰面積的相對值來進(jìn)行計算的，因而內(nèi)標(biāo)物及被測組分的峰面積

16、的相對值來進(jìn)行計算的，因而在一定程度上消除了操作條件等的變化所引起的誤差。內(nèi)在一定程度上消除了操作條件等的變化所引起的誤差。內(nèi)標(biāo)法的缺點是操作程序較為麻煩，每次分析時內(nèi)標(biāo)物和試標(biāo)法的缺點是操作程序較為麻煩，每次分析時內(nèi)標(biāo)物和試樣都要準(zhǔn)確稱量，有時尋找合適的內(nèi)標(biāo)物也有困難。樣都要準(zhǔn)確稱量，有時尋找合適的內(nèi)標(biāo)物也有困難。 內(nèi)標(biāo)物選擇內(nèi)標(biāo)物選擇選擇內(nèi)標(biāo)物有四個條件：選擇內(nèi)標(biāo)物有四個條件：1.內(nèi)標(biāo)物應(yīng)是該試樣中不存在的純物質(zhì)；內(nèi)標(biāo)物應(yīng)是該試樣中不存在的純物質(zhì)；2.它必須完全溶于試樣中，并與試樣中各組分的色它必須完全溶于試樣中，并與試樣中各組分的色譜峰能完全分離；譜峰能完全分離；3.加入內(nèi)標(biāo)物的量應(yīng)接近

17、于被測組分；加入內(nèi)標(biāo)物的量應(yīng)接近于被測組分；4.色譜峰的位置應(yīng)與被測組分的色譜峰的位置相近，色譜峰的位置應(yīng)與被測組分的色譜峰的位置相近，或在幾個被測組分色譜峰中間?；蛟趲讉€被測組分色譜峰中間。 核磁共振儀分類核磁共振儀分類按射頻源和掃描方式的不同可按射頻源和掃描方式的不同可分為連續(xù)波核磁共振譜儀分為連續(xù)波核磁共振譜儀（CW-NMR）和脈沖傅里葉變）和脈沖傅里葉變換核磁共振譜儀（換核磁共振譜儀（PFT-NMR）連續(xù)波核磁共振譜儀（連續(xù)波核磁共振譜儀（CW-NMR）組成）組成 主要由磁鐵、射頻發(fā)射器、檢測器、放大主要由磁鐵、射頻發(fā)射器、檢測器、放大器及記錄儀等組成器及記錄儀等組成樣品溶液樣品溶液

18、原子核處于原子核處于 核躍遷核躍遷 玻茲曼平衡玻茲曼平衡 恢復(fù)到平衡恢復(fù)到平衡 H0H1脈沖激發(fā)脈沖激發(fā)弛豫弛豫接收接收FID信號信號FID時間域頻率域脈沖傅里葉變換核磁共振譜儀脈沖傅里葉變換核磁共振譜儀（PFT-NMR） 與連續(xù)波儀器不同，它增設(shè)了脈沖程序控與連續(xù)波儀器不同，它增設(shè)了脈沖程序控制器和數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)制器和數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng) 與與CW-NMR比較，比較， PFT-NMR靈敏度很高，靈敏度很高，測試時間短，而測試時間短，而CW-NMR價格低廉，易操價格低廉，易操作，但是靈敏度差，需要樣品量大作，但是靈敏度差，需要樣品量大NMR 譜儀譜儀400 MHz600 MHz750 MHz900 MHz應(yīng)用范圍應(yīng)用范圍核磁共振成像（MRI） 發(fā)現(xiàn)病變：核磁共振成像是一種利用核磁共振原理的最新醫(yī)學(xué)影像新技術(shù)，對腦、甲狀腺、肝、膽、脾、腎、胰、腎上腺、子宮、卵巢、前列腺等實質(zhì)器官以及心臟和大血管有絕佳的診斷功能。 發(fā)現(xiàn)腫瘤：核磁共振對顱腦、脊髓等疾病是目前最有效的影像診斷方法，不僅可以早期發(fā)現(xiàn)腫瘤、腦梗塞、腦出血、腦膿腫、腦囊蟲癥及先天性腦血管畸形，還能確定腦積水的種類及原因等。 對人無害：由于核磁共振是磁場成像，沒有放射性，所以對人體無害，是非常安全的。據(jù)了解，目前世界上既沒有任何關(guān)于使用核磁共振檢查引起危害的報道，也沒有發(fā)現(xiàn)患者因進(jìn)行核磁共振檢查引起基因突變或染