核磁共振谱法.ppt
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1、核磁共振谱法,自1984年美国FDA批准磁共振成像系统应用于临床诊断以来,该技术及设备迅速发展起来.,一、概 述,核磁共振(Nuclear Magnetic Resonance)是1946年由美国哈佛大学珀赛尔(E.M.Purcell)和斯坦福大学布洛赫(F.Bloch)分别独立发现石腊样品中质子(即氢原子核)的核磁共振吸收信号、水样品中质子的核磁共振信号而取得的重要成果,两人因此获得1952年诺贝尔物理学奖。50多年来,核磁共振已成为一门有完整理论体系的新学科。,10多位科学家因对核磁共振研究的杰出贡献而获诺贝尔奖,1944年 I.Rabi 原子核的磁特性1952年 F.Bloch 核磁共振
2、1952年 E.M.Purcell 核磁共振1955年 W.E.Lamb 氢谱超精细结构的兰姆位移,电子的反常磁矩1955年 P.Kusch 电子磁矩1964年 微波激射器和激光器的发明 1966年 A.Kastler 光磁共振方法的发明1977年 J.H.Van Vleck 电子结构理论1989年 N.F.Ramsey 原子钟1991年 R.R.Ernst:付里叶NMR谱仪(Nobel化学奖)2003年 保罗劳特伯尔,彼得曼斯菲尔,医学诊断核磁共振 成像技术(MRI)(诺贝尔生理学或医学奖),前沿研究,磁共振成像技术的发展方向:介入式成像、功能成像、快速并行成像等国际前沿磁共振成像技术有力推
3、动我国磁共振成像技术和磁共振成像技术高科技产业的发展,1,中科院生物物理研究所于2003年底建成的磁共振脑成像研究中心,装备了我国第一台专门用于研究的3 Tesla高场强磁共振成像系统,该成像系统成像质量已跻身国际最高水准之列。,脑功能成像领域的诞生是科学史上的一件大事。通过以功能磁共振成像为代表的脑成像方法,人类第一次可以直接“看到”大脑的认知活动,就象望远镜对天文学、显微镜对生物学的重要性,认知科学有了研究大脑认知和智力的“望远镜”和“显微镜”。这对于人类关于自身精神世界的认识,对于“大脑和认知关系”乃至“精神和物质关系”的认识,其科学意义之重大、对人类社会发展影响之深远无论怎样估计都不会
4、过分。脑功能成像领域象高能物理学一样已被国际科学界称为“大科学”。无论是投资还是人员规模,脑功能成像的研究机构都达到和高能物理研究机构相比拟的程度。发达国家在短短数年中建立起了成批的、投资规模以千万美元计的脑成像研究中心。,是由原子核自旋能级跃迁而产生的吸收,原子核自旋能级差很小,比转动能级差还要小,吸收的电磁波在无线电波频率范围内。,核磁共振:,核磁共振谱:氢谱、碳谱,氢谱提供的信息:,分子中各类氢原子相对数目;各种氢所处的化学环境。,原子核的自旋:原子核和电子一样,存在自旋.从而有自旋量子数(I)自角动量()和自旋磁场H0,二 基本原理,原子核的自旋,自旋量子数I,核的自旋角动量()是量子
5、化的,不能任意取值,可用自旋量子数(I)来描述。,I0、1/2、1,I=0,=0,无自旋,不能产生自旋角动量,不会产生共振信号。只有当I O时,才能发生共振吸收,产生共振信号。,I 的取值可用下面关系判断:,原则上说,凡是自旋量子数不等于零的原子核,都可以测定它的核磁共振信号,但是,迄今为止有实际价值的只有H1、C13、F19、P31、N15 等少数的核磁共振信号。,H1:称为氢谱(1HNMR),C13:称为碳谱(13CNMR)较为重要,本章只讨论最为重要的氢谱(1HNMR),一个氢质子是一个带正电荷的自旋体,顺着它的自旋轴会产生一个微小的磁场,它本身就好像一块小磁铁,假如把它放在一个外加磁场
6、内,质子的自旋与磁场的取向只能有两个:,与外界磁场方向平行低能级的自旋(i),m=1/2,,与外界磁场方向反平行高能级的自旋(i i),能级差为 E,m=+1/2,,能级裂分与外加磁场强度的关系,(射为照射电磁波的频率),E=hH0/2,-旋核比,对H 核来讲是一个常数;h-Planck常数;H0 外界磁场强度,1H核发生共振的条件:照射电磁波提供的能量,h射=E,即:,射=H0/2,如果放在外磁场中,其运动方式变成:进动,质子的运动:进动频率0=0,饱和和弛豫,14092高斯60MHzT=300K,饱和低能态的核近似等于高能态的核。,弛豫高能态的核以非辐射的方式回到低能态。,MZ(M0)弛豫
7、 MZ(M0)纵向弛豫 M(0)M(0)横向弛豫,横向弛豫自旋相互交换。横向弛豫时间T2纵向弛豫传给周围分子。纵向弛豫时间T1,T1T2,三核磁共振仪:,(1)磁铁,可以是永久磁铁,也可以是电磁铁,前者稳定性好。磁场要求在足够大的范围内十分均匀。当磁场强度为1.409T时,其不均匀性应小于六千万分之一。由永久磁铁和电磁铁获得的磁场一般不能超过2.4T,这相应于氢核的共振频率为100MHz。对于200MHz以上高频谱仪采用超导磁体。超导磁体,可获得1017.5T的磁场,其相应的氢核共振频率为400750 MHz。,超导核磁共振波谱仪:,超导磁体:铌钛或铌锡合金等超导材料制备的超导线圈;超导核磁共
8、振波谱仪:200-400HMz;可 高达600-700HMz;,(2)射频振荡器,射频振荡器就是用于产生射频,NMR仪通常采用恒温下石英晶体振荡器。射频振荡器的线圈垂直于磁场,产生与磁场强度相适应的射频振荡。一般情况下,射频频率是固定的,振荡器发生60MHz(对于1.409T磁场)或100MHz(对于2.350T磁场)的电磁波只对氢核进行核磁共振测定。要测定其它的核,如19F,13C,11B,则要用其它频率的振荡器。,(3)射频接收器,射频接收器线圈在试样管的周围,并于振荡器线圈和扫描线圈相垂直,当射频振荡器发生的频率v0与磁场强度B0达到前述特定组合时,放置在磁场和射频线圈中间的试样就要发生
9、共振而吸收能量,这个能量的吸收情况为射频接收器所检出,通过放大后记录下来。所以核磁共振波谱仪测量的是共振吸收。,(4)探头,样品探头是一种用来使样品管保持在磁场中某一固定位置的器件,探头中不仅包含样品管,而且包括扫描线圈和接收线圈,以保证测量条件一致。为了避免扫描线圈与接收线圈相互干扰,两线圈垂直放置并采取措施防止磁场的干扰。,傅立叶变换核磁共振波谱仪,不是通过扫场或扫频产生共振;恒定磁场,施加全频脉冲,产生共振,采集产生的感应电流信号,经过傅立叶变换获得一般核磁共振谱图。(类似于一台多道仪),1电子屏蔽效应:,分子中的质子被价电子包围着,价电子在外加磁场作用下,发生循环流动,又产生一个感应磁
10、场(H),这个感应磁场与外加磁场的方向相反(对抗磁场)。,这对于 H 核来讲,好像穿上了一件“屏蔽衣”,它感受到的磁场强度比外加磁场的强度减弱了一点(HH),即:质子受到了屏蔽效应。,显然,质子周围的电子云密度越大,屏蔽效应就越大,要引起共振需要的外加磁场强度也越大。,四、化学位移,显然,核外电子云密度越大,屏蔽效应越强,要发生共振吸收就势必增加外加磁场强度,共振信号将移向高场区;反之,共振信号将移向低场区。,2化学位移:,分子中不同位置的质子,由于化学环境不同(周围的电子云密度不同),所受到的屏蔽或去屏蔽效应不同,所以在不同的磁场强度下发生共振吸收。,例如,苯基丙酮的核磁共振谱:,苯基丙酮的
11、 N M R,像这种由电子的屏蔽和去屏蔽作用引起的核磁共振吸收信号位置的移动,叫做化学位移。,化学位移的表示:,化学位移的大小,是相对于某一参考标准来定的,通常以(CH3)4Si(四甲基硅烷,简称 TMS)为标准化合物,以TMS 的吸收峰为原点,某个吸收峰与原点的距离,就是该峰的化学位移。,用 TMS 为标准化合物的优点:,用量少,TMS 含有12个化学环境相同的氢原子,核磁共振信号为一尖锐的单峰,用少量的 TMS 即可测出核磁共振信号。,2不产生干扰,Si 的电负性(1.9)比 C 的电负性(2.6)小,TMS分子中质子周围的电子云密度大,产生较大的屏蔽效应,它产生的 NMR 信号出现在很强
12、的磁场强度下,与样品中质子产生的 NMR 信号不会相互干扰。,3与样品不反应、不缔合,TMS化学性质不活泼。,4易溶解、易回收,TMS 易溶于有机溶剂,沸点低。,化学位移通常用 值来表示:,这样得到的化学位移值与 NMR 仪的频率无关。,以前也用值表示化学位移:,10,1970年,IUPAC建议,化学位移一律采用值,且规定,TMS 峰的位置为 0 ppm,左边的值为正,右边为负。,样品处理和实验技术:,样品要纯,溶剂选择,固体样品和粘度大的样品,必须配成溶液,再测定。,溶剂要求:溶解度好,不含1H,,如:CDCl3(氘代氯仿),CD3COCD3(氘代丙酮),CCl4,CS2,有时也用苯,环己烷
13、等,注意边峰:边峰是由于磁场调得不均匀或样品管转速过低造成的,位于主峰两边。,边峰与主峰的距离:与样品管转速成正比;,边峰的强度:与样品管转速成反比。,对液体样品,可以直接进行测定。对难以溶解的物质,如高分子化合物、矿物等,可用固体核磁共振仪测定。但在大多数情况下,固体样品和粘稠样品都是配成溶液(通常用内径4mm的样品管,内装0.4mL质量分数约为10%的样品溶液)进行测定。溶剂应该不含质子,对样品的溶解性好,不与样品发生缔合作用。常用的溶剂有四氯化碳、二硫化碳和氘代试剂等。四氯化碳是较好的溶剂,但对许多化合物溶解度都不好。氘代试剂有氘代氯仿、氘代甲醇、氘代丙酮、重水等,可根据样品的极性选择使
14、用。氘代氯仿是氘代试剂中最廉价的,应用也最广泛。,3、化学等价和积分曲线,1)化学等价质子,分子中,化学环境相同的质子,具有相同的化学位移值,这样的一组质子,我们叫做化学等价质子。例如:,上述分子中的质子,都是化学等价质子。化学等价质子之间不产生峰的裂分。如图:,2)化学不等价质子,分子中,化学环境不相同的质子,是化学不等价质子。化学不等价质子相邻时,产生峰的裂分。例如,1,1-二溴乙烷的NMR:,3)积分曲线,核磁共振谱的重要特征:吸收峰面积与相应的质子数成正比,也就是说,峰面积之比等于相应质子数之比。,例如:C6H5CH2OCH3 分子中三种质子的峰面积之比为 5:2:3。,峰面积的测量,
15、一般用积分曲线法,即积分曲线的高度比,就是峰面积之比,亦即质子数之比。如图:,化学不等价质子,由于化学环境不同,其值也不同,化学等价质子的值在 NMR 中有一定的范围,从质子的值数据,可估计质子的类型。,4、化学位移及其影响因素,一些常见基团中 H 的值,影响因素,1)电负性,与H相连的 碳上有电负性基团时,值增加,基团的电负性越大,质子的值增加越明显。如:,电负性基团越多,质子的值增加越明显。如:,电负性基团远离质子时,对值的影响减弱。如:,电负性基团使质子周围的电子云密度降低,屏蔽效应减弱,化学位移()增大,即吸收移向低场。,2)杂化效应,“SP3”氢,环丙烷CH3 CH2 CH,“SP2
16、”氢,烯基氢(CH):4.55.9 ppm,芳基氢(ArH):7.41.0 ppm,“SP”氢,炔基氢(CH):23 ppm,从电负性考虑,SP2 杂化、SP杂化碳原子比SP3碳原子的电负性大,所以“SP2”氢、“SP”氢值也大。但SP 杂化比SP2杂化碳原子的电负性更大,“SP”氢的值似乎应该更大,但实际上“SP2”氢具有较大的值,这是由于各向异性效应所致。,3)磁各向异性效应,CH3CH3 CH2=CH2 CHCH C6H6 0.96 5.84 2.88 7.26,在乙烯分子的上方和下方受到屏蔽效应,氢原子处在回来的磁力线上,受到去屏蔽效应,这称为磁各向异性效应,烯氢受到去屏蔽效应。4.5
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