核磁NMR分析方法(研究生课件)

•有高度的化学惰性，不与样品发生化学 反应或产生缔合； •信号峰为单峰，与样品峰不发生重叠； •易溶于有机溶剂； •易挥发，使样品可以回收。
内标物是直接加到待测样品中，而外标物是先将内标物封 装在毛细管内，再加到待测样品中。
常用内标物
氢谱：非水溶液样品用四甲基硅烷（TMS） 水溶液样品用三甲基硅丙基磺酸钠（DSS） 碳谱：四甲基硅烷（ TMS ）或者氘代试剂中的碳峰 硼谱：乙醚三氟化硼或者三甲氧基硼 磷谱：８５％磷酸（但只能作为外标） 硅谱：四甲基硅烷（TMS）
1 13
CH3 H 3C Si CH3 CH3
四甲基硅烷(TMS)
D2O溶液中常用DSS作为内标物
NaSO3－CH2－CH2－CH2－Si（CH3）3
δC≠0 δH≠0 有干扰 δC＝0 δH＝0
2.3 自旋偶合与自旋裂分
N
S S S N S S S N N S
N
N
S S N
射频波ν
ΔE＝hν=ћ γ B0
N N
N
N
N
S N N
N
S
N N N
S
S
S
S
S
S
S
在外加磁场中，具有偶极磁矩的原子核吸收射频波的能 量，从低能级跃迁到高能级的现象，就叫做核磁共振。
E
m=-1/2
DE= gћB0 No magnetic field
共振频率b 100 25.144 94.08 94.08 19.865 40.481
检测灵敏度c 1 1.76x10-4 0.83 0.83 3.69x10-4 0.0663
a
磁旋比的单位是107弧度/特斯拉/秒； b 共振频率以1H频率为100MHz作参考； c 检测灵敏度以1H为1作为参考，并考虑了同位素的天然丰度。
1.2 NMR分析方法的分类
按被测核进行分类： •核磁共振氢谱（ H NMR）
1
按被测样品状态进行分类： •液体 NMR •固体 NMR 按谱图维数进行分类： •一维NMR •二维NMR •三维NMR
•核磁共振碳谱（ C NMR）
•核磁共振氟谱（ F NMR） •核磁共振磷谱（ P NMR）
31 9
2.1.2 电磁能量吸收理论
N 在磁场外, 核自旋没有固定的 取向，核自旋能级简并。
N
S
S
在外加磁场中原子核发生能级分裂
m=-1/2
N
S S N S S S N N
DE = ћ γBo
N
N
S
N N N
S
S
S
Bo
Bo
E
m=1/2
能级上原子核个数的分布
假定处于低能级的原子核数目为n1,处于高能 级的原子核数目为n2， n2与n1之间的比值满足 玻尔兹曼定律：
(2) 外磁场B0,能级裂分;
(3) 照射的射频波频率ω =γ B0
饱和和弛豫
处于低能级的原子核吸收射频波的能量跃迁到 高能级，结果导致处于高、低能级的原子核数目相 等，此时核磁共振信号消失，这种现象叫饱和。 处于高能级的原子核失去能量回到低能级的现 象叫弛豫。原子核的弛豫现象使其持续产生核磁 共振信号。原子核有两种弛豫方式：
16O，12C，32S 2H，14N
奇数
奇数或偶数
1/2；3/2；5/2….
1H，13C，11B
I>1/2的原子核，电荷在原子核表面呈非均匀分布，共振吸 收复杂，核磁谱线宽，NMR中很少研究; I=1/2的原子核，电荷平均分布在原子核表面，核磁谱线窄， 最宜于核磁共振检测。 Ｉ＝1/2的原子核： H， C， N， F，
k为玻尔兹曼常数 当T=300K，B0=1.4092T n1/n2=1.0000099
能级差与外加磁场强度和原子核的 磁旋比大小成正比
ΔE
1H
splitting
DE = ћ γBo
γ( H)=26.752 γ( C)=6.728
13 1
13C
splitting B0
原子核吸收射频波的能量产生共振
1
2.ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ 化学位移
裸核产生共振的条件
ω= γ B0
由于核外电子云存在的屏蔽作用， 原子核实际感受到的磁场: B = B0-Be= B0- σ B0=(1-σ) B0 σ 称为屏蔽常数 原子核产生共振的射频波频率为： ω = γ B= γ (1-σ ) B0 同一种核在同一磁场下，由于在分子中所处 的化学环境不同，因而在不同的射频波频率 下产生共振——NMR分析的主要依据
ω= γ B= γ(1-σ) B0
屏蔽效应减小，δ 增大，低场方向
屏蔽效应增大，δ 减小，高场方向
各种化学环境中氢的化学位移
各种化学环境中碳的化学位移
sp 杂化碳的δ 值范围在0～90；sp 杂化碳的δ 值范围在 100～300；sp杂化碳的δ 值范围在70～110。
3
2
2.2.3 内标物应该具备的条件
核磁共振波谱
（Nuclear Magnetic Resonance)
（NMR）
查刘生 分析测试中心 纤维材料改性国家重点实验室
主要内容
一、NMR分析方法的发展和主要特点
二、NMR分析方法的基本原理与基本知识
三、NMR仪器结构与实验方法
四、NMR分析方法在材料科学研究中的应用
一、NMR分析方法的发展和 主要特点
13
•核磁共振硅谱（ SiNMR）
29
1.3 NMR分析方法的特点
优点： •分析物质的精细结构；
•应用非常广泛；
•不破坏样品。
缺点：
•定量分析误差大； •灵敏度低，需要的样品较多； •难以分析多组分混合物
1.4 NMR的主要应用
分子结构的测定 化学位移各向异性的研究 金属离子同位素的应用 动力学核磁研究 质子密度成像 T1T2成像 化学位移成像 其它核的成像 指定部位的高分辨成像 元素的定量分析 有机化合物的结构解析 表面化学 有机化合物中异构体的区分和确定 大分子化学结构的分析 生物膜和脂质的多形性研究 脂质双分子层的脂质分子动态结构 生物膜蛋白质——脂质的互相作用 压力作用下血红蛋白质结构的变化 生物体中水的研究 生命组织研究中的应用 生物化学中的应用 在表面活性剂方面的研究 原油的定性鉴定和结构分析 沥青化学结构分析 涂料分析 农药鉴定 食品分析 药品鉴定 医学诊断
1.5 NMR在高分子科学中的应用
分子量测定 端基分析 支化度分析 几何异构体 头－尾及头－头结构 聚合物分子链之间的相互作用 聚合物之间的相容性 聚合物分子链运动 聚合物分子链取向分布 聚合物分子链取向与分子链运动的相关性 聚合物晶态结构 小分子在聚合物材料内的扩散过程
聚烯烃的立构规整度
共聚物的序列结构 聚合物构象分析 交联反应 多相聚合物体系
Richard R. Ernst 1991年化学奖 高分辨NMR、多维 NMR和MRI
Kurt Wuthrich 2002年化学奖 利用NMR测定溶液中生物 大分子三维结构的方法
Paul Lauterbur 2003年医学奖 发现MRI并用于 医学诊断
Peter Mansfield 2003年医学奖 发现MRI并用于 医学诊断
脉冲傅立叶核磁共振波谱仪
2.1.1 原子核的自旋和偶极磁矩
自旋量子数（I）不为零的核存在自旋，自旋会产生 环电流，环电流产生偶极磁距µ：
μ
µ= ћ γ (I(I+1))
1/2
γ：磁旋比，是核的特征常数。
原子核的自旋量子数I
质量数 偶数 偶数 原子序数 偶数 奇数 I 0 1，2，3…. 有代表性的原子核
1 13 15 19 29
Si， P
31
NMR分析中常见原子核的有关物理参数
同位素
1H 13C 15N 19F 29Si 31P
天然丰度 0.99985 0.01108 0.365 1 0.047 1
自旋 1/2 1/2 1/2 1/2 1/2 1/2
磁旋比a 26.752 6.7283 －2.712 25.181 -5.3188 10.841
300 MHz
内标峰
1 ppm = 300 Hz
ω
ppm
sample reference reference
12
8
4
0 δ (ppm)
500 MHz ω
1 ppm = 500 Hz
12
8
4
0 δ (ppm)
同一化学环境中的磁核，不同 仪器上测得的共振频率不同， 不同化学环境中磁核的共振频 率的差值也不同。
同一化学环境中的磁核， 不同仪器上测得的δ 相同， 不同化学环境中磁核的δ 的差值也相同。
甲醇的 H NMR谱图
δ a=3.3
1
δ b=4.2
MePEG-PLA block copolymer
1
13
H NMR of MePEG-PLA
C NMR of MePEG-PLA
核外电子云密度越高，屏蔽效应越强，外加磁场强度 不变的情况下，共振需要的射频波频率越小，越小，共 振吸收峰出现在谱图右侧；如果维持射频波的频率不变， 共振需要的外加磁场强度越高，因此也将谱图右侧叫高场 方向。反之，将谱图左侧叫低场方向。
T1越小，测定NMR谱需要的时间越少。 H核的T1值小于 其他的核。液体或气体样品中原子核的T1值小于固体 样品中原子核的T1值。低粘度液体样品的T1值小于高 粘度液体样品的T1值。
横向弛豫时间（T2）：横向弛豫过程所经历的时间。 T2的大小反映了原子核在高能级上停留的时间长短。 NMR谱线宽度与T2大小有关， T2越小，谱线越宽。固 体及粘度大的液体样品中原子核与原子核之间比较靠 近，有利于原子核之间进行能量交换，因此T2很小， 谱线较宽。
为什么常选用四甲基硅烷（TMS）作为内标物
• TMS可作为 H NMR、 CNMR、 29 Si NMR谱的内标物； 1 •TMS分子中12个 H处于完全相同 的化学环境，只产生一个尖峰， 少量的TMS即可测出NMR信号； • 屏蔽强烈，共振吸收峰位于谱 1 图最右端。与有机化合物中的 H 峰不重叠； •化学惰性； •易溶于有机溶剂； •沸点低（27℃），样品易回收。
B0
Be＝σ B0
Lorentz定律
甲醇分子中H核a的核外电子云密度高，屏蔽效应大，σ 大， 在较低的频率下产生共振。相反H核b在较高的频率下产生共 振。
ωa= γB= γ(1-σa) B0 ω b=γ B= γ (1-σ b) B0 σ a> σ b ω a< ω b
2.2.1 化学位移的定义
hn
共振吸收
m=1/2
Energy
B0 ΔE＝hν=γ ћ B0= γ h B0/2π
射频波频率（s-1，Hz）ν=
γ B0/2π
γ B0
射频波园频率（弧度/秒）ω=2πν=
在相同ω射频波的照射下，不同的原子核在不同的 磁场强度下发生共振
ω =γ B0
核磁共振产生的条件
(1) 核有自旋(磁性核，磁旋比γ );
为了解决上述问题，1970年IUPAC建议采用内标法来表示化 学位移δ ：
δ ＝（（ω s- ω r)/ ω r）10
6
={[γ (1-σ
s)B0-γ
(1-σ
r)B0]/
6
γ (1-σ
6 r)B0}10
=[(σ r-σ s)/(1-σ r)]
10
δ 与外加磁场强度B0无关，是一个相对值，无单位。但以 前曾用ppm（part per million)作为单位，现在已基本上不 用，只保留数值。
1.1 NMR分析方法的发展
Otto Stern 1943年物理奖 发现了质子的磁矩
Isidor Isaac Rabi 1944年物理奖 用共振方法记录原子 核磁特性
Felix Bloch 1952年物理奖 精确地测量了核磁矩并 发现了核磁共振现象
Edward Mills Purcell
1952年物理奖 精确地测量了核磁矩并发 现了核磁共振现象
聚合物材料内部缺陷及空洞的测定
不同聚合物材料的非均匀混合 聚合物材料内部的组成梯度
二、NMR分析方法的基本原理 与基本知识
2.1 NMR的基本原理
1. 电磁能量吸收理论（Purcell提出，基 于量子光学中的能量吸收）
连续波核磁共振波谱仪
2. 电磁感应理论（Bloch提出，基于 Faraday电磁理论）
一般地，把分子中同类原子核，因化学 环境不同而产生的共振频率的变化量， 称为化学位移。
化学位移表达的难度： （1）分子中处于不同化学环境的原子核的共振频率 差别很小，用频率差值来表示化学位移很不方便； （2）不同仪器因磁场强度不同，同一分子中同一化 学环境的原子核的共振频率不同，难以相互比较。
2.2.2 化学位移的表示方法
1. 自旋-晶格弛豫（纵向弛豫）：处于高能级的原子核将能 量传递给周围环境（如溶剂分子等），产生热量。 2. 自旋-自旋弛豫（横向弛豫）：相邻核之间由于核磁矩的 相互作用而彼此交换自旋取向，从而进行能量交换。该弛 豫不改变处于高低能级原子核的数目。
弛豫时间
纵向弛豫时间（T1)：纵向弛豫过程所经历的时间。