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核磁共振波谱法(一)
【来源/作者】周世华 【更新日期】2017-07-09

一、引言

核磁共振(nuclear magnetic resonance,NMR)波谱法开始于1938年Rabi创造的分子束核磁共振法,尔后Purcell和Bloch各自独立地创立了设备简单而又非常实用的方法,近年来,Ernst发展了多维核磁共振理论与技术,wnthrich发展了生物大分子三维结构分析法,Lauterbur和Mansfild建立起核磁成像法。他们因而分别荣获1944年度、1952年度、1991年度、2002年度、2 003年度诺贝尔奖。化合物中某种原子核在静磁场的作用下其自旋状态分裂,当另外施加能量恰好等于这个分裂能的电磁波时即发生核磁共振。通常可获得频谱图。NMR波谱法用图谱中谱峰的位置(化学位移)来表征分子中的官能团;用峰形、峰间距(耦合常数)可表征基团间相互的连接关系、立体构型与空间分布等静态构造;从峰面积或峰强度来获取核的相对数量以及用峰宽(弛豫)信息可表征基团在分子中的运动情况等,从而获取化合物分子比较完整的大量结构的信息。它也用于跟踪化学反应、化学交换、分子内部运动等动态过程,进而了解化学键、热力学参数和反应动力学机理方面的信息。它是一种无需破坏试样的分析方法。现代NMR谱仪不仅采用较高磁场强度,而且发展了多维、多量子跃迁技术,已广泛地应用于有机物的结构鉴定,也可用于产品质量的科学判定,更重要的是它已成为探索研究十分复杂生物大分子的结构、构象及生理行为的最得力的手段。

二、方法原理

1、核自旋磁能级

原子核带正电荷,有一定质量,还具有自旋现象,因此具有磁矩。描述核自旋运动固有特性的是核的自旋量子数I,不同核素具有不同的I值。凡I≠O的核,在外加静磁场B0中,核磁矩受到力矩作用,像陀螺似的绕B0作旋进运动(拉莫进动),原来简并的核自旋能级便分裂成(2I+1)个分立的能级,能级的高低由核自旋磁量子数

2、核磁共振条件

被分析试样放在静磁场B0中,再施加一频率为v(通常在射频区)的电磁辐射B1,其能量hv恰好与试样中欲分析的指定核素的相邻磁能级的能量间隔△E相等时,核体系将会吸收电磁辐射产生能级跃迁,此即核磁共振现象。选律规定了只有相邻能级间的跃迁才是允许的,即△M1=±1。因此,每种核素的共振只有一个数值,其共振必须满足:

式中,v是共振频率,MHz;ω是圆频率(ω=2πcv),rad/s;△E是能级差,J;△M1是核的自旋磁量子数之差;B0是静磁感应强度,T;γ是核的旋磁比,rad/(T·s);h是普朗克常数,J·s。凡I=O的核(如12C等)是不会有核磁共振信号的。

3、化学位移δ

实际上,某种核素的共振频率在不同化学基团中略不相同。因为核外化学环境不同,电子云分布不同,对核的屏蔽作用不同,核实际所感受到的外加的静磁感应强度不同,因此共振频率也就不同。式(12.2)应改写为:

式中,σ是屏蔽常数。σ综合了核外电子的屏蔽、化合物分子内部各基团的屏蔽及近邻的分子所产生的屏蔽效应。尽管不同化学环境的σ的差别甚微,但却构成核磁共振方法作为结构分析的最重要的信息和基础之一。

由式(12.3)可知,同一化学环境的核在不同磁感应强度B0(不同仪器场强皆不相同)下共振频率是不同的。因此用频率(Hz)来表示这同一共振峰显然是极不方便的。为了统一起见,采用一个无量纲的相对差值,称为化学位移,用符号艿来表示。由于化学位移值很小,因此将它扩大106倍。化学位移定义为:

式中,v是某公认的标准物中指定核的共振频率;v是被测试样中该核的共振频率;v0是仪器公称频率。化学位移的基准是人为规定的,目前公认用四甲基硅烷(TMS)兼作为1H,13C,29Si核的基准。

4、自旋的耦合与耦合常数

核自旋量子数I≠0的核在静磁场中有(2i+1)种自旋状态,它们的磁矩的方向与大小各不相同,所形成的附加磁场通过化学键中的成键电子而作用于其他核,这种作用是相互的,被称为自旋-自旋耦合。这些耦合作用导致核磁能级或谱线进一步分裂成精细结构。分析这种精细结构的形成可确定分子内各种基团之间的连接关系,进而获取分子总体的结构。因此自旋耦合是核磁共振波谱法中另一个极其重要的信息,并且是不能从质谱、红外光谱、紫外及可见光谱等方法中得到的特有的信息。

以I=1/2的1 H核为例,核的自旋运动产生白旋磁场。在静磁场B2中,因1H核有两种自旋取向a与β,它们分布于能量相近的两个核磁能级上,并且每个能级上的粒子(核)数——布居数几乎相等,其自旋磁场就相应地顺着B0和逆B0方向。这两种白旋磁场经价键电子传递,使近邻核的谱峰裂分为两支,其强度取决于处于两种取向的1H核的数目之比,根据玻尔兹曼分布应几乎是l∶1,其裂距称为耦合常数,记以J,单位为Hz。耦合常数J的大小取决于连接两耦合核的种类、核间距离、核间化学键的个数和类型,以及它们在分子结构中所处的位置,因此可从中获取结构信息。值得注意的是,它与外加静磁场强度B0无关,这点不同于化学位移。

5、饱和与弛豫

无外磁场作用时,核体系的各种白旋状态处于简并状态,各状态的布居数是相等的。当施加一外加静磁场B0后,一旦达到热平衡态,不同自旋状态的核子的布居数应服从玻尔兹曼分布:

1H核为例,在T=300K,B0=1T时,每200万个核子中处于低能态的粒子只比高能态的多7个。核磁共振吸收恰恰是靠这极其微小差额的核吸收射频场B1的辐射能而被检测出来。因此,NMR方法的灵敏度是比较低的,检测时所需试样量常常要在毫克级以上。

倘若体系吸收了足够强的射频场B1的辐射能,使相邻能级上的粒子数相等,这时体系不再呈现净吸收而不能测得核磁共振信号,此现象称为饱和。然而NMR信号之所以能维持是靠弛豫。弛豫是高能态的核以非辐射方式释放出能量,转变成低能态的核,最后恢复到原始热平衡态的过程。它分为纵向弛豫与横向弛豫两类。纵向弛豫是高能态核的能量以热的形式传递给周围环境,如固体晶格、周围液体分子和溶剂分子等的过程,也称自旋一晶格弛豫,用该过程的半衰期T1来表征。横向弛豫是体系自旋状态的交换过程,又称自旋一自旋弛豫,相应以T1来表征。饱和与弛豫是核磁共振中极重要的现象,是在脉冲傅里叶变换实验的参数设定时必须认真考虑的重要因素。

参考资料:现代仪器分析实验与技术


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