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1、中南民族大学生命科学学院,第七章 波谱技术及核磁共振仪第一节 核磁共振波谱基本原理 核磁共振波谱技术（NMR）是利用处于高磁场中的原子核对射频辐射的吸收光谱来鉴定无机或有机化合物结构的分析技术。UV-Vis光谱：价电子吸收特定波长的紫外光在轨道能级间发生跃迁。IR光谱：样品吸收特定波长红外光后发生振动和转动能级跃迁。,中南民族大学生命科学学院,一、 原子核的自旋 （1）一些原子核像电子一样存在自旋现象，有自旋角动量：,为自旋量子数,自旋量子数与质量数的关系,中南民族大学生命科学学院,核自旋情况讨论：(1) I=0 的原子核 16 O； 12 C； 22 S等 ，无自旋，没有磁矩，不产生共振吸收
2、(2) I=1 或 I 0的原子核 I=1 ：2H，14N I=3/2： 11B，35Cl，79Br，81Br I=5/2：17O，127I,这类原子核的核电荷分布可看作一个椭圆体，电荷分布不均匀，共振吸收复杂，研究应用较少；(3)1/2的原子核 1H，13C，19F，31P 原子核可看作核电荷均匀分布的球体，并象陀螺一样自旋，有磁矩产生，是核磁共振研究的主要对象，C，H也是有机化合物的主要组成元素。,中南民族大学生命科学学院,（2）由于原子核是具有一定质量的带正电的粒子，故在自旋时会产生核磁矩：, 磁旋比，即核磁矩与自旋角动量的比值，不同的核具有不同的磁旋比，它是磁核一个特征值。 N称为核磁
3、子，是核磁矩的单位量。自旋量子数（I）不为零的核都具有磁矩。,中南民族大学生命科学学院,（二）核磁化及其共振1、能级分裂 自旋量子数 I=1/2的原子核（氢核），可当作电荷均匀分布的球体，绕自旋轴转动时，产生磁场，类似一个小磁铁。,当置于外磁场H0中时，相对于外磁场，有（2I+1）种取向：氢核（I=1/2），两种取向（两个能级）：(1)与外磁场平行，能量低，磁量子数1/2;(2)与外磁场相反，能量高，磁量子数1/2;,中南民族大学生命科学学院,2、核磁化与核回旋 磁性核（I0）在磁场中，核自旋产生的磁场与外磁场发生相互作用，由于这种作用不在同一方向，因此，磁性核一面自旋，一面又以自旋轴以一定角
4、度围绕外磁场方向进行回旋运动, 产生拉莫（Larmor）进动。 拉莫方程：0 = H0 /2 磁旋比； H0外磁场强度； 0拉莫频率,中南民族大学生命科学学院,3、核磁共振谱 两种进动取向不同的氢核之间的能级差： E= 2H0 （磁矩）核磁共振条件 ：(1) 核有自旋(磁性核)(2)外磁场,能级裂分;(3)照射频率与外磁场的比值0 / H0 = / (2 ),中南民族大学生命科学学院,二、驰豫及其机制不同能级上分布的核数目可由Boltzmann 定律计算：,由于两能级间的能量差很小，处于低能级核的总数仅比高能级的核总数多十万分之一左右，而NMR信号就是靠这极弱过量的低能级核产生的。饱和(sat
5、urated)低能态的核等于高能态的核。弛豫(relaxtion)高能态的核以非辐射的方式回到低能态。,中南民族大学生命科学学院,自旋驰豫有两种形式：自旋晶格驰豫和自旋自旋驰豫。1、自旋晶格驰豫 处于高能态的核自旋体系将能量传递给周围环境，自己回到低能态的过程，称为自旋晶格驰豫，也称为纵向驰豫，驰豫过程所用的时间用半衰期T1表示。 固态样品T1值较大，气态和液态样品T1值较小，为1s左右。 2、自旋自旋驰豫 处于高能态的核自旋体系将能量传递给邻近低能态同类磁性核的过程，称为自旋自旋驰豫，又称为横向驰豫，驰豫过程所用的时间用半衰期T2表示。 固态样品T2值特别小，气态和液态样品T2值为1s左右。
6、,中南民族大学生命科学学院,三、化学位移 理想化的、裸露的氢核；满足共振条件： 0 = H0 / (2 ) 产生恒定的核磁共振信号（单一的吸收峰）； 实际上，氢核受周围不断运动着的电子影响。在外磁场作用下，运动着的电子产生相对于外磁场方向的感应磁场，起到屏蔽作用，使氢核实际受到的外磁场作用减小： H=（1- ）H0 ：屏蔽常数。 越大，屏蔽效应越大。 0 = / (2 ) （1- ）H0 由于氢核在化合物中所处的化学环境不同，核外电子云密度不同，屏蔽作用的大小也不同，所以在同一H0 下，不同氢核的共振吸收频率会有差异。,中南民族大学生命科学学院,0 = / (2 ) （1- ）H0 由于屏蔽作
7、用的存在，氢核产生共振需要更大的外磁场强度（相对于裸露的氢核），来抵消屏蔽影响。,由于各种氢核周围的电子云密度不同（化合物结构中位置不同），具有不同的屏蔽常数，引起外磁场或共振频率的移动（即引起共振吸收峰的位移），这种现象称为化学位移。,中南民族大学生命科学学院,0 = / (2 ) （1- ）H0 屏蔽作用引起的值与外加磁场强度成正比，意味着用不同磁场强度的仪器测得的同一化学环境的氢核的化学位移值也不同。 为了使核的化学位移值不随磁场强度的改变而改变，引入一个相对量来描述化学位移： (vr-vs)106/vr = (Hr-Hs)106/Hr v为吸收频率，H为磁场强度,中南民族大学生命科学学
8、院,1H核磁共振测量化学位移选用的标准物质是四甲基硅烷（(CH3)4Si,TMS）， 规定其化学位移值为0。它具有以下优点： 1、 TMS分子中12个氢核所处的化学环境完全相同，在谱图上是一个尖峰。 2、 TMS的共振频率最小。 3、具有化学惰性。 4、易溶于大多数有机溶剂中。,中南民族大学生命科学学院,第二节 核磁共振波谱仪,中南民族大学生命科学学院,按工作方式分为：连续波核磁共振波谱仪、脉冲傅里叶变换核磁共振波谱仪。一、连续波核磁共振波谱仪： 磁铁、磁场扫描发生器、射频发射器、射频接收器及信号记录系统。,中南民族大学生命科学学院,1、磁铁提供外磁场磁铁的质量和强度决定了核磁共振波谱仪的灵敏
9、度和分辨率。要求磁铁提供强度大、稳定和均匀的磁场。永久磁铁、电磁铁以及超导磁铁 永久磁铁对温度变化极为敏感，需要恒温。 电磁铁对温度变化比较不敏感，但是需要冷却系统来消除由于通过大电流而产生的热量。电流必须十分稳定。 超导磁铁的分辨率最高，最昂贵，其提供的磁场强度可达14.09T，相当于质子的吸收频率为600MHZ。,中南民族大学生命科学学院,2 射频发生器：线圈垂直于外磁场，发射一定频率的电磁辐射信号。3 扫描线圈：提供附加磁场，使核的进动频率与射频发生器的频率相同，发生共振。连续波核磁共振波谱仪有两种扫描方式：固定磁场，线性地改变频率，称为扫频。固定频率，线性地改变磁场，称为扫场。扫场用得
10、较多。,中南民族大学生命科学学院,4、射频信号接收器（检测器）：当质子的进动频率与辐射频率相匹配时，发生能级跃迁，吸收能量，在感应线圈中产生毫伏级信号。5样品管：由不吸收射频辐射的材料制成 1H核磁共振谱的样品管外径约5mm，通常以硼硅酸盐玻璃制成。 由于13C的自然丰度低，研究13C核磁共振谱则用外径为10mm的管子。管长1520cm，加入样品量约占1816管长。 利用高速气流使样品管围绕Y轴以每秒钟30转的速率急速旋转，以消除磁场的非均匀性，提高谱峰分辨率。,中南民族大学生命科学学院,二、傅里叶变换核磁共振波谱仪不是通过扫场或扫频产生共振； 采用恒定磁场，施加全频脉冲，使自旋取向发生改变并
11、跃迁至高能态，收集高能态的核重返低能态过程中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。,中南民族大学生命科学学院,三、NMR的测定样品预处理：样品应充分精制，不含顺磁性物质及氧气。且粘度小。溶剂：溶剂选择主要决定于样品溶解度。若研究1H核磁共振谱，样品溶液应不含质子。常用溶剂有四氯化碳、二硫化碳及氘代溶剂（氯仿，丙酮、苯、二甲基亚砜的氘代物）。标准物质：四甲基硅烷 （TMS） 。,中南民族大学生命科学学院,解析化合物结构的一般步骤 1、获取试样的各种信息和基本数据。 2、区分出杂质峰、溶剂峰； 3、计算不饱和度； 4、确定谱图中各峰组所对应的氢原子数目，对氢原子数进行分配；5、根
12、据化学位移和偶合常数值，对基团进行推 断，并估计其相邻基团； 6、以重水对试样进行交换，比较交换前后的谱图，以判断活泼氢的存在； 7、合理组合解析所得的结构单元，推出结构式； 8、结合UV、IR、MS等结果检查推导的结构式是否合理。,中南民族大学生命科学学院,第三节 13C的核磁共振波谱仪13C谱特点：（1）研究C骨架，结构信息丰富；（2）化学位移范围大；0250ppm；（3）13C-13C偶合的几率很小；13C天然丰度1.1%；（4）13C-H偶合可消除，谱图简化。,中南民族大学生命科学学院,第八章 质谱技术与质谱仪 质谱法是通过将样品转化为运动的气态离子并按质荷比(m/e)大小进行分离并记
13、录其信息的分析方法。 根据质谱图提供的信息可以进行多种有机物及无机物的定性和定量分析、复杂化合物的结构分析、样品中各种同位素比的测定及固体表面的结构和组成分析等。 由于质谱法的独特的电离过程及分离方式，从中获得的信息是具有化学本性，直接与其结构相关的，可以用它来阐明各种物质的分子结构。正是由于这些因素，质谱仪成为多数研究室及分析实验室的标准仪器之一。,中南民族大学生命科学学院,一、质谱技术的基本原理 根据电磁学原理，离子电离后经加速进入磁场中，其动能与加速电压及电荷有关，即,其中z为电荷数，e为元电荷（e=1.6010-19C），U为加速电压，m为离子的质量，为离子被加速后的运动速度。 具有速
14、度的带电粒子进入质谱分析器的电磁场中，根据不同的m/e，发生不同程度的偏转，最终实现各种离子按m/e进行分离。,中南民族大学生命科学学院,进样系统,离子源,质量分析器,检测器,1.气体扩散2.直接进样3.气相色谱,1.电子轰击2.化学电离3.场致电离4.激光,1.单聚焦 2.双聚焦 3.飞行时间4.四极杆,二、质谱仪的基本结构 质谱仪由真空系统、进样系统、离子源系统、质量分析器和检测与显示系统。,中南民族大学生命科学学院,（一）真空系统质谱仪需要在高真空下工作：离子源（10-3 10-5Pa ） 质量分析器（10 -6 Pa ）(1)大量氧会烧坏离子源的灯丝；(2)用作加速离子的几千伏高压会引
15、起放电；(3)引起额外的离子分子反应，改变裂解模型，谱图复杂化。 一般质谱仪都采用机械泵预抽真空后，再用高效率扩散泵连续地运行以保持真空。现代质谱仪采用分子泵可获得更高的真空度。,中南民族大学生命科学学院,（二）进样系统 进样系统的目的是高效重复地将样品引人到离子源中并且不能造成真空度的降低。 目前常用的进样装置有三种类型：间歇式进样系统、直接探针进样及色谱进样系统。一般质谱仪都配有前两种进样系统以适应不同的样品需要，,中南民族大学生命科学学院,l、间歇式进样系统 该系统可用于气体、液体和中等蒸气压的固体样品进样，通过可拆卸式的试样管将少量（10100g）固体和液体试样引入试样贮存器中，由于进
16、样系统的低压强及贮存器的加热装置，使试样保持气态。实际上试样最好在操作温度下具有1.30.13Pa的蒸气压。由于进样系统的压强比离子源的压强要大，样品离子可以通过分子漏隙（通常是带有一个小针孔的玻璃或金属膜）以分子流的形式渗透到高真空的离子化室。,中南民族大学生命科学学院,2、直接探针进样 对那些在间歇式进样系统的条件下无法变成气体的固体、热敏性固体及非挥发性液体试样，可直接置于特制的试样小杯内通过真空闭锁装置引入到离子源中。,中南民族大学生命科学学院,（三）离子源 离子源的功能是将进样系统引入的气态样品分子转化成离子。 离子源是质谱仪的心脏，可以将离子源看作是比较高级的反应器，其中样品发生一
17、系列的特征降解反应，分解作用在很短时间（1s）内发生，所以可以快速获得质谱。 由于离子化所需要的能量随分子不同差异很大，因此，对于不同的分子应选择不同的离解方法。通常称能给样品较大能量的电离方法为硬电离方法，而给样品较小能量的电离方法为软电离方法。,中南民族大学生命科学学院,电子轰击离子化 (EI源) 使用高能电子束从试样分子中撞出一个电子而产生正离子。加速电子的轰击能量一般为70eV，大多数化合物分子共价键电离电位约 10eV，多余的能量可使分子进一步裂解成碎片。,中南民族大学生命科学学院,EI 源的特点：,电离效率高,灵敏度高；应用最广，标准质谱图基本都是采用EI源得到的；稳定，操作方便，
18、电子流强度可精密控制；结构简单，控温方便；,中南民族大学生命科学学院,通过离子一分子反应的软离子化技术，而不是用强电子束进行电离。离子室内的反应气（甲烷等；10100Pa，样品的103105倍），电子（100240eV）轰击，产生离子，再与试样分离碰撞，产生准分子离子。, 化学电离（CI源）:,最强峰为准分子离子；谱图简单；不适用难挥发试样；,中南民族大学生命科学学院,场电离（FI源）,应用强电场诱导样品电离。场电离源由电压梯度约为107108Vcm-1的两个尖细电极组成。流经电极之间的样品分子由于价电子的量子隧道效应而发生电离。电离后被阳极排斥出离子室并加速经过狭缝进人质量分析器。 分子离子
19、峰强；碎片离子峰少；不适合化合物结构鉴定；,中南民族大学生命科学学院,（四） 质量分析器 质量分析器的主要类型有：磁分析器（单聚焦质量分析器、双聚焦质量分析器）、飞行时间分析器、四极杆滤质器、离子阱分析器等。,中南民族大学生命科学学院,1、单聚焦磁场分析器 离子束经加速后飞入磁极间的弯曲区，由于磁场作用，飞行轨道发生弯曲,中南民族大学生命科学学院,2、双聚焦分析器 单聚焦质谱仪中影响分辨率提高的两个主要因素是离子束离开离子枪时的角分散和动能分散，因为各种离子是在电离室不同区域形成的。为了校正这些分散，通常在磁场前加一个静电分析器。,中南民族大学生命科学学院,3、飞行时间质量分析器（TOF） T
20、OF是一种无磁动态质量分析器，根据不同m/e的离子在无场分离区中的速度不同，引起漂移时间的差异而实现分离。,中南民族大学生命科学学院,离子加速后的速度为：,此离子达到无场漂移管另一端的时间为： t=L/ 对于具有不同m/e的离子，到达终点的时间差为：,由此可见，t取决于m/e的平方根之差。,中南民族大学生命科学学院,4、四极杆质量分析器 是一种非磁性结构动态质量分析器，由四根平行的金属杆电极组成，被加速的离子束穿过对准四根极杆之间空间的准直小孔。 通过在四极上加上直流电压U和射频电压Vcost，在极间形成一个射频场，离子进入此射频场后，会受到电场力作用，只有合适m/e的离子才会通过稳定的振荡进
21、入检测器。只要改变U和V并保持U/V比值恒定时，可以实现不同m/e的检测。,其主要优点是传输效率较高；可以快速地进行全扫描；制作工艺简单，仪器紧凑，常用在需要快速扫描的GCMS联用及空间卫星上进行分析。,中南民族大学生命科学学院,2.离子阱质量分析器,特定m/z离子在阱内一定轨道上稳定旋转，改变端电极电压，不同m/z离子飞出阱到达检测器；,中南民族大学生命科学学院,(五)检测与记录 质谱仪常用的检测器有法拉第杯(Faraday Cup)、电子倍增器及闪烁计数器、照相底片等。,中南民族大学生命科学学院,三、质谱仪的主要性能指标（一）质量范围 质谱仪的质量范围表示质谱仪所能够进行分析的样品的相对原
22、子质量（或相对分子质量）范围，通常采用原子质量单位（unified atomic mass unit，符号u）进行度量。原子质量单位是由12C来定义的，即一个处于基态的12C中性原子的质量的1/12，即,=1.6605410-27kg/12C原子,而在非精确测量物质的场合，常采用原子核中所含质子和中子的总数即“质量数”来表示质量的大小，其数值等于其相对质量数的整数。 测定气体用的质谱仪，一般质量测定范围在2100u，而有机质谱仪一般可达几千。现代质谱仪甚至可以研究相对分子质量达几十万的生化样品。,中南民族大学生命科学学院,(二)分辨率 是指质谱仪能分辨相邻两个最小质量差的质谱峰的能力，一般定义
23、是：两峰间的峰谷高度不超过其峰高10时，则认为两峰已经分开，其分辨率,其中m1、m2为质量数，且m1m2。故在两峰质量数较小时，要求仪器分辨率越大。,中南民族大学生命科学学院,（三）灵敏度 质谱仪的灵敏度有绝对灵敏度、相对灵敏度和分析灵敏度等几种表示方法。 绝对灵敏度是指仪器可以检测到的最小样品量；相对灵敏度是指仪器可以同时检测的大组分与小组分含量之比；分析灵敏度则指输入仪器的样品量与仪器输出的信号之比。,中南民族大学生命科学学院,四、质谱图及其判读（）质谱图与质谱表 质谱法的主要应用是鉴定复杂分子并阐明其结构、确定元素的同位素质量及分布等。一般质谱给出的数据有两种形式：一是棒图及质谱图，另一
24、个为表格即质谱表。 质谱图是以质荷比(m/e)为横坐标、相对强度为纵坐标构成，一般将原始质谱图上最强的离子峰定为基峰并定为相对强度100，其他离子峰以对基峰的相对百分值表示。 质谱表是用表格形式表示的质谱数据，质谱表中有两项即质荷比及相对强度。从质谱图上可以很直观地观察到整个分子的质谱全貌，而质谱表则可以准确地给出精确的m/e值及相对强度值，有助于进一步分析。,中南民族大学生命科学学院,中南民族大学生命科学学院,(二)质谱峰类型 分子在离子源中可以产生各种电离，即同一种分子可以产生多种离子峰，其中比较主要的有分子离子峰、同位素离子峰、碎片离子峰、重排离子峰、亚稳离子峰等。1分子离子峰 试样分子
25、在高能电子撞击下产生正离子，即,M e M+2e M+称为分子离子或母离子。 几乎所有的有机分子都可以产生可以辨认的分子离子峰，若不考虑同位素的影响，分子离子应该具有最高质量。,中南民族大学生命科学学院,一般质谱图上质荷比最大的峰为分子离子峰；有例外,由由分子结构及稳定性判断。 有机化合物分子离子峰的稳定性顺序：芳香化合物共轭链烯烯烃脂环化合物直链烷烃酮胺酯醚酸支链烷烃醇,中南民族大学生命科学学院,2、碎片离子峰 有机化合物受高能作用时会产生各种形式的分裂，碎裂后产生的离子形成的峰称为碎片离子峰。一般有机化合物的电离能为713电子伏特，质谱中常用的电离电压为70电子伏特，使结构裂解，产生各种“
26、碎片”离子。,正己烷,中南民族大学生命科学学院,3、同位素离子峰 由于同位素的存在，可以看到比分子离子峰大一个质量单位的峰；有时还可以观察到M+2，M+3。的波峰；,中南民族大学生命科学学院,4、重排离子峰 在分子离子的裂解过程中，伴随化学键的断裂，还可能出现原子或原子团的重排，产生比较稳定的重排离子，在质谱图上出现重排离子峰。,中南民族大学生命科学学院,5、亚稳离子峰 若质量为m1的离子在离开离子源受电场加速后，在进入质量分析器之前，由于碰撞等原因很容易进一步分裂失去中性碎片而形成质量为m2的离子，即m1m2+m，由于一部分能量被中性碎片带走，此时的m2离子比在离子源中形成的m2离子能量小，
27、故将在磁场中产生更大偏转，观察到的mz较小。这种峰称为亚稳离子峰，用m*表示，它的表观质量m*与m1、m2的关系是：,m*（m2）2/m1 式中m1为母离子的质量，m2为子离子的质量。,中南民族大学生命科学学院,（三）质谱的应用 质谱是纯物质鉴定的最有力工具之一，其中包括相对分子质量测定、化学式确定及结构鉴定等。1相对分子质量的测定 从分子离子峰的质荷比的数据可以准确地测定其相对分子质量，虽然理论上可认为除同位素峰同位素峰外分子离子峰应是最高质量处的峰，但在实际中并不能由此简单认定。有时由于分子离子稳定性差而观察不到分子离子峰，因此在实际分析时必须加以注意。,中南民族大学生命科学学院,在纯样品
28、质谱中，分子离子峰应具有以下性质： （l）原则上除同位素峰外它是最高质量的峰。（2）它要符合“氮律”。在只含C，H，0，N的化合物中，不含或含偶数个氮原子的分子的质量数为偶数，含有奇数个氮原子的分子的质量数为奇数。这是因为在由C，H，0，N,P卤素等元素组成的有机分子中，只有氮原子的化合价为奇数而质量数为偶数。（3）存在合理的中性碎片损失。因为在有机分子中，经电离后，分子离子可能损失一个H或CH3，H20，C2H4等碎片，相应为 M-l， M-15， M-18，M-28碎片峰，而不可能出现M3至M14，M一21至M24范围内的碎片峰，若出现这些峰，则峰不是分子离子峰。（4）在EI源中，若降低电
29、子轰击电压，则分子离子峰的相对强度应增加；若不增加则不是分子离子峰。,中南民族大学生命科学学院,2、化学分子式 由于高分辨的质谱仪可以非常精确地测定分子离子或碎片离子的质荷比（误差可小于10-5），则利用表中的确切质量求算出其元素组成。如CO与N2两者的质量数都是28，但从表可算出其确切质量为27.9949与28.0061，若质谱仪测得的质核比为28.0040则可推断其为N2。同样，复杂分子的化学式也可算出。,中南民族大学生命科学学院,3、结构鉴定 纯物质结构鉴定是质谱最成功的应用领域，通过对谱图中各碎片离子、亚稳离子、分子离子的化学式、m/z相对峰高等信息，根据各类化合物的分裂规律，找出各碎片离子产生的途径，从而拼凑出整个分子结构。根据质谱图拼出来的结构，对照其他分析方法，得出可靠的结果。 另一种方法就是与相同条件下获得的已知物质标准图谱比较来确认样品分子的结构。,中南民族大学生命科学学院,生物质谱的软电离技术1、电喷雾电离（ESI） 样品溶液在高电场下发生静电喷雾并产生离子发射的过程。2、基质辅助激光解吸电离(MALDI) 是一种直接气化并使非挥发性样品离子化的方式。,中南民族大学生命科学学院,第九章 色谱波谱联用技术,GC-MS联用仪器,
