核磁共振波譜和質(zhì)譜分析

1、第十三章 核磁共振波譜一、概述generalization二、原子核的自旋nuclear spin三、核磁共振現(xiàn)象nuclear magnetic resonance四、飽和與弛豫Saturation and relaxation第一節(jié) 核磁共振原理Nuclear magnetic resonance spectroscopy, NMR Principles of nuclear magnetic resonance 2022/9/181一、概述 generalization在磁場(chǎng)的激勵(lì)下，一些具有磁性的原子核存在著不同的能級(jí)，如果此時(shí)外加一個(gè)能量，使其恰等于相鄰2個(gè)能級(jí)之差，則該核就可能吸收

2、能量（稱(chēng)為共振吸收），從低能級(jí)躍遷到高能級(jí)。吸收的能量數(shù)量級(jí)相當(dāng)于射頻率范圍的電磁波，因此，所謂核磁共振就是研究磁性原子核對(duì)射頻能的吸收。22022/9/183紫外-可見(jiàn)紅外核磁共振吸收能量紫外可見(jiàn)光200 780nm紅外光780nm 1000m無(wú)線電波1 100m躍遷類(lèi)型電子能級(jí)躍遷振動(dòng)能級(jí)躍遷自旋原子核 能級(jí)躍遷與紫外、紅外光譜的比較4利用核磁共振光譜圖進(jìn)行結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)，定性與定量分析的方法稱(chēng)為核磁共振波譜法，簡(jiǎn)稱(chēng) NMR。在有機(jī)化合物中，經(jīng)常研究的是1H和13C的共振吸收波譜。吸收一定的能量，原子核能級(jí)發(fā)生躍遷，同時(shí)產(chǎn)生核磁共振信號(hào)，得到核磁共振譜圖。2022/9/185NMR是結(jié)構(gòu)分析的重

3、要工具之一，在化學(xué)、生物、醫(yī)學(xué)、臨床等研究工作中得到了廣泛的應(yīng)用。分析測(cè)定時(shí)，樣品不會(huì)受到破壞，屬于無(wú)破損分析方法。6 原子核具有質(zhì)量并帶正電荷，大多數(shù)核有自旋現(xiàn)象，在自旋時(shí)產(chǎn)生磁矩（），磁矩的方向可用右手定則確定，核磁矩和核自旋角動(dòng)量P都是矢量，方向相互平行，且磁矩隨角動(dòng)量（P）的增加成正比地增加 。（一）原子核的磁性二、原子核的自旋 nuclear spin7 = P ， 磁旋比（magnetogyric ration），不同的核具有不同的磁旋比，對(duì)某元素是定值。 是磁性核的一個(gè)特征常數(shù)。81H 核的 H = 2.68108 T-1S-1（特斯拉-1 秒-1）；13C核的 C = 6.73

4、107 T-1S-1核的自旋角動(dòng)量P是量子化的，與核的自旋量子數(shù) I 的關(guān)系如下:I 可以取0, 1/2, 1, 3/2, 2, 5/2, 3等值。9代入式（ = P）當(dāng)I = 0時(shí)，P = 0，原子核沒(méi)有自旋現(xiàn)象，只有I0，原子核才有自旋角動(dòng)量和自旋現(xiàn)象。2022/9/1810實(shí)踐證明，核自旋與核的質(zhì)量數(shù)，質(zhì)子數(shù)和中子數(shù)有關(guān)。質(zhì)量數(shù)為偶數(shù)原子序數(shù)為偶數(shù)自旋量子數(shù)為0無(wú)自旋12C6，2S16，16O8原子序數(shù)為奇數(shù)自旋量子數(shù)為1,2,3有自旋14N7質(zhì)量數(shù)為奇數(shù)原子序數(shù)為奇數(shù)或偶數(shù)自旋量子數(shù)為1/2, 3/2, 5/2有自旋1H1，13C6 19F9，31P1511 自旋量子數(shù)為零的原子核有：

5、16O，12C，32S，28Si，因?yàn)闆](méi)有磁矩，不產(chǎn)生共振吸收譜，不能用核磁共振來(lái)研究； 自旋量子數(shù)大于或等于1原子核有：2H，14N、11B，35Cl，79Br，81Br和127I，這類(lèi)原子核電荷分布可看作是一個(gè)橢圓體，電荷分布不均勻，共振吸收情況復(fù)雜，目前在核磁共振的研究上應(yīng)用還很少。12自旋量子數(shù)I=1/2的原子核，核電荷呈球形均勻分布于核表面，如: 1H1，13C6 ，19F9，31P15，它們核磁共振現(xiàn)象較簡(jiǎn)單，譜線窄，適宜檢測(cè)，目前研究和應(yīng)用較多的是1H和13C核磁共振譜。13（二）核自旋 把自旋核放在場(chǎng)強(qiáng)為B0的磁場(chǎng)中，由于磁矩與磁場(chǎng)的相互作用，核磁矩相對(duì)外加磁場(chǎng)有不同的取向，共

6、有2I + 1 個(gè)，各取向可用磁量子數(shù)m表示 m = I，I-1，I-2， -I。每種取向各對(duì)應(yīng)一定能量狀態(tài)，其大小為E= - B0m/I。 I=1/2 的氫核只有兩種取向； I=1 的原子核有三種取向，依次類(lèi)推，如下圖所示：14與外磁場(chǎng)平行，能量較低，m= +1/2, E 1/2= -B0與外磁場(chǎng)方向相反，能量較高， m= -1/2, E -1/2=B015I=1/2的核自旋能級(jí)裂分與B0的關(guān)系16由式 E = -ZB0及圖可知，1H核在磁場(chǎng)中，由低能級(jí)E1向高能級(jí)E2躍遷，所需能量為： E = E2E1= B0 -(-B0) = 2 B0 E與核磁矩及外磁場(chǎng)強(qiáng)度成正比，B0越大，能級(jí)分裂越

7、大，E越大。17三、核磁共振 nuclear magnetic resonance如果以一定頻率的電磁波照射處于磁場(chǎng)B0中的核，且射頻頻率恰好滿(mǎn)足下列關(guān)系時(shí)： h =E E=2B0處于低能態(tài)的核將吸收射頻能量而躍遷至高能態(tài)，這種現(xiàn)象叫做核磁共振現(xiàn)象。（核磁共振條件式）18（1）對(duì)自旋量子數(shù)I=1/2的同一核來(lái)說(shuō)，因磁矩為一定值，所以發(fā)生共振時(shí)，照射頻率的大小取決于外磁場(chǎng)強(qiáng)度的大小。外磁場(chǎng)強(qiáng)度增加時(shí)，為使核發(fā)生共振，照射頻率也相應(yīng)增加；反之，則減小。例：外磁場(chǎng)B0= 4.69T，1H 的共振頻率為 :放在外磁場(chǎng) B0= 2.35T， =100MHz19（2）對(duì)自旋量子數(shù)I=1/2的不同核來(lái)說(shuō)，若

8、同時(shí)放入一固定磁場(chǎng)中，共振頻率的大小取決于核本身磁矩的大小，大的核，發(fā)生共振所需的照射頻率也大；反之，則小。例：13C和1H的共振頻率分別為: 20四、核自旋能級(jí)分布和馳豫1H核在磁場(chǎng)作用下，被分裂為m=+1/2和m=-1/2兩個(gè)能級(jí)，處在低能態(tài)核和處于高能態(tài)核的分布服從波爾茲曼分布定律。(一)核自旋能級(jí)分布21當(dāng)B0 = 1.409 T，溫度為300K時(shí)，高能態(tài)和低能態(tài)的1H核數(shù)之比為：處于低能級(jí)的核數(shù)比高能態(tài)核數(shù)多十萬(wàn)分之一，而NMR信號(hào)就是靠這極弱過(guò)量的低能態(tài)核產(chǎn)生的。22以合適的射頻照射處于磁場(chǎng)的核，核吸收能量后，由低能態(tài)躍遷到高能態(tài)，產(chǎn)生核磁共振信號(hào)。若高能態(tài)核不能通過(guò)有效途徑釋放能

9、量回到低能態(tài)，低能態(tài)的核數(shù)越來(lái)越少，一定時(shí)間后，N(-1/2) = N(+1/2)，這時(shí)不再吸收，核磁共振信號(hào)消失，這種現(xiàn)象為“飽和”。據(jù)波爾茲曼定律，提高外磁場(chǎng)強(qiáng)度，降低工作溫度，可減少 N(-1/2) / N(+1/2)值， 提高觀察NMR信號(hào)的靈敏度。23(二)核自旋馳豫由于核磁共振中氫核發(fā)生共振時(shí)吸收的能量是很小的，因而躍遷到高能態(tài)的氫核不可能通過(guò)發(fā)射譜線的形式失去能量而返回到低能態(tài)（如發(fā)射光譜那樣），這種由高能態(tài)回復(fù)到低能態(tài)而不發(fā)射原來(lái)所吸收的能量的過(guò)程稱(chēng)為馳豫（relaxation）過(guò)程。24馳豫過(guò)程是核磁共振現(xiàn)象發(fā)生后得以保持的必要條件。NMR： 25第十四章 質(zhì)譜分析一、概述G

10、eneralization二、質(zhì)譜儀構(gòu)造及原理Structure and principles of instruments Mass Spectrometry 第一節(jié) 質(zhì)譜分析原理Principles of Mass Spectrometry 26一、概述 generalization 質(zhì)譜法是通過(guò)將樣品轉(zhuǎn)化為運(yùn)動(dòng)的氣態(tài)離子并按質(zhì)荷比（m/z）大小進(jìn)行分離，并記錄其信息的分析方法。所得結(jié)果以圖譜表達(dá)，即所謂的質(zhì)譜圖（Mass Spectrum）。27根據(jù)質(zhì)譜圖提供的信息可以進(jìn)行有機(jī)物及無(wú)機(jī)物的定性和定量分析、復(fù)雜化合物的結(jié)構(gòu)分析、樣品中各種同位素比的測(cè)定及固體表面的結(jié)構(gòu)和組成分析等。 202

11、2/9/1828二、質(zhì)譜儀構(gòu)造及原理 質(zhì)譜儀是通過(guò)對(duì)樣品電離后產(chǎn)生的具有不同m/z的離子來(lái)進(jìn)行分離分析的。質(zhì)譜儀須有進(jìn)樣系統(tǒng)、電離系統(tǒng)、質(zhì)量分析器和檢測(cè)系統(tǒng)。為了獲得離子的良好分析，必須避免離子損失，因此凡有樣品分子及離子存在和通過(guò)的地方，必須處于真空狀態(tài)。(一）質(zhì)譜儀的構(gòu)造292022/9/18302022/9/18311. 同位素質(zhì)譜儀（測(cè)定同位素豐度）；2. 無(wú)機(jī)質(zhì)譜儀 （測(cè)定無(wú)機(jī)化合物）；3. 有機(jī)質(zhì)譜儀（測(cè)定有機(jī)化合物）。1. 質(zhì)譜儀分類(lèi)：(二）質(zhì)譜儀的工作原理2022/9/1832質(zhì)譜儀是利用電磁學(xué)原理，使帶電的樣品離子按質(zhì)荷比進(jìn)行分離的裝置。離子電離后經(jīng)電場(chǎng)加速進(jìn)入磁場(chǎng)中，其動(dòng)能

12、與加速電壓及電荷z有關(guān)：其中z為電荷數(shù)，U為加速電壓，m為離子的質(zhì)量，為離子被加速后的運(yùn)動(dòng)速度。2. 質(zhì)譜儀工作原理：2022/9/1833進(jìn)樣系統(tǒng)離子源質(zhì)量分析器檢測(cè)器1. 氣體擴(kuò)散2. 直接進(jìn)樣3. 氣相色譜1. 電子轟擊2. 化學(xué)電離3. 場(chǎng)致電離4. 激光 1. 單聚焦 2. 雙聚焦 3. 飛行時(shí)間 4. 四極桿 質(zhì)譜儀需要在高真空下工作：離子源（10-3 10 -5 Pa ） 質(zhì)量分析器（10 -6 Pa ）真空系統(tǒng)和進(jìn)樣系統(tǒng)：341. 電子轟擊源：70100ev的電子流轟擊。離子源：（包括離子化區(qū)和加速區(qū)）離子化區(qū)：使樣品蒸氣分子離子化成各種m/z的離子。加速區(qū)：將正電荷離子聚焦并

13、加速成高速離子流，幾千伏電壓使離子加速。 正離子進(jìn)入加速區(qū)所獲動(dòng)能與加速電壓關(guān)系：352. 化學(xué)電離源：電子轟擊源對(duì)于分子穩(wěn)定差的往往得不到M+峰，而化學(xué)電離源可解決此類(lèi)問(wèn)題。 36樣品由探頭毛細(xì)管處通過(guò)隔離進(jìn)入離子源，反應(yīng)氣體經(jīng)壓強(qiáng)控制進(jìn)入反應(yīng)室，樣品經(jīng)加熱蒸發(fā)也進(jìn)入反應(yīng)室，反應(yīng)氣體首先被電離成離子，然后和樣品分子通過(guò)離子分子反應(yīng)，產(chǎn)生樣品離子，加速進(jìn)入分析器。2022/9/18372022/9/1838 質(zhì)量分析器質(zhì)量分析器的主要類(lèi)型有：磁分析器、飛行時(shí)間分析器、四極濾質(zhì)器、離子捕獲分析器和離子回旋共振分析器等。在加速區(qū)外加一個(gè)磁場(chǎng)，在磁場(chǎng)和加速電壓的作用下，離子呈圓周運(yùn)動(dòng)。離子運(yùn)動(dòng)半徑由

14、磁場(chǎng)力和離心力所決定。電荷在磁場(chǎng)中所受的力，只改變運(yùn)動(dòng)的方向，不改變運(yùn)動(dòng)速度，相當(dāng)于向心力。3940將 v = BzR/m 代入 1/2mv2 = zU 得： 質(zhì)荷比是磁場(chǎng)強(qiáng)度，管道半徑，加速電壓的函數(shù)。mv2 / R = Bzv B 磁場(chǎng)強(qiáng)度； Z電荷；R運(yùn)動(dòng)半徑 v = BzR/m41當(dāng)R一定，U一定時(shí)，B從小大調(diào)，則m/z由小大， 正離子流依次通過(guò)狹縫。當(dāng)R一定，B一定時(shí)，U連續(xù)改變，同樣測(cè)到不同m/z離子組，加速電壓越大，可測(cè)的質(zhì)量范圍越小。42 僅用一個(gè)扇形磁場(chǎng)進(jìn)行質(zhì)量分析的質(zhì)譜儀稱(chēng)為單聚焦質(zhì)譜儀，設(shè)計(jì)良好的單聚焦質(zhì)譜儀分辨率可達(dá)5000。 若要求分辨率大于5000則需要雙聚焦質(zhì)譜儀

15、。單聚焦質(zhì)譜儀中影響分辨率提高的兩個(gè)主要因素是離子束離開(kāi)離子槍時(shí)的角分散和動(dòng)能分散，因?yàn)楦鞣N離子是在電離室不同區(qū)域形成的。為了校正這些分散，通常在磁場(chǎng)前加一個(gè)靜電分析器（Elctrostatic Analyzer， ESA），這種設(shè)備由兩個(gè)扇形圓筒組成，向外電極加上正電壓，內(nèi)電極為負(fù)壓。 4344一般商品化雙聚焦質(zhì)譜儀的分辨率可達(dá)150000，質(zhì)量測(cè)定準(zhǔn)確度可達(dá)0.03gg-1，即對(duì)于相對(duì)分子質(zhì)量為600的化合物可測(cè)至誤差上0.0002u。2022/9/1845飛行時(shí)間分析器（Time of Flight，TOF） 這種分析器的離子分離是用非磁方式達(dá)到的，因?yàn)閺碾x子源飛出的離子動(dòng)能基本一致，在

16、飛出離子源后進(jìn)入一長(zhǎng)約lm的無(wú)場(chǎng)漂移管，在離子加速后的速度為：此離子達(dá)到無(wú)場(chǎng)漂移管另一端的時(shí)間為 t=L/ 46故對(duì)于具有不同mz的離子，到達(dá)終點(diǎn)的時(shí)間差： 由此可見(jiàn)，t取決于mz的平方根之差。 47因?yàn)檫B續(xù)電離和加速將導(dǎo)致檢測(cè)器的連續(xù)輸出而無(wú)法獲得有用信息，所以TOF是以大約10kHZ的頻率進(jìn)行電子脈沖轟擊法產(chǎn)生正離子，隨即用一具有相同頻率的脈沖加速電場(chǎng)加速，被加速的粒子按不同的(m/z)的時(shí)間經(jīng)漂移管到達(dá)收集極上，并饋入一個(gè)水平掃描頻率與電場(chǎng)脈沖頻率一致的示波器上，從而得到質(zhì)譜圖。2022/9/184849四極濾質(zhì)器 Quadrupole Mass Filter 四極濾質(zhì)器由四根平行的金屬

17、桿組成，其排布見(jiàn)下頁(yè)圖所示。被加速的離子束穿過(guò)對(duì)準(zhǔn)四根極桿之間空間的準(zhǔn)直小孔。 通過(guò)在四極上加上直流電壓U和射頻電壓Vcost，在極間形成一個(gè)射頻場(chǎng)，正電極電壓為UVcost，負(fù)電極為-（UVcost）。離子進(jìn)入此射頻場(chǎng)后，會(huì)受到電場(chǎng)力作用，只有合適m/z的離子才會(huì)通過(guò)穩(wěn)定的振蕩進(jìn)入檢測(cè)器。只要改變U和V并保持U/V比值恒定時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)不同m/z的檢測(cè)。50 51 四極濾質(zhì)器分辨率和m/z范圍與磁分析器大體相同，其極限分辨率可達(dá)2000。其主要優(yōu)點(diǎn)是傳輸效率較高，入射離子的動(dòng)能或角發(fā)散影響不大；其次是可以快速地進(jìn)行全掃描，而且制作工藝簡(jiǎn)單，儀器緊湊，常用在需要快速掃描的GCMS聯(lián)用及空間衛(wèi)星上

18、進(jìn)行分析。2022/9/1852離子阱分析器 離子阱是一種通過(guò)電場(chǎng)或磁場(chǎng)將氣相離子控制并貯存一段時(shí)間的裝置。由一環(huán)形電極再加上下各一的端罩電極構(gòu)成。以端罩電極接地，在環(huán)電極上施以變化的射頻電壓，此時(shí)處于阱中具有合適的m/z加的離子將在環(huán)中指定的軌道上穩(wěn)定旋轉(zhuǎn)，若增加該電壓，則較重離子轉(zhuǎn)至指定穩(wěn)定軌道，而輕些的離子將偏出軌道并與環(huán)電極發(fā)生碰撞。5354當(dāng)一組由電離源（化學(xué)電離源或電子轟擊源）產(chǎn)生的離子由上端小孔中進(jìn)入阱中后，射頻電壓開(kāi)始掃描，陷入阱中離子的軌道則會(huì)依次發(fā)生變化而從底端離開(kāi)環(huán)電極腔，從而被檢測(cè)器檢測(cè)。這種離子阱結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低且易于操作，已用于GCMS聯(lián)用裝置用于m/Z 2002000的分子分析。 2022/9/185