干货 一文看懂核磁共振波谱仪
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核磁共振波谱法(Nuclear Magnetic Resonance,简写为NMR)是材料表征中最有用的一种仪器测试方法,它与紫外吸收光谱、红外吸收光谱、质谱被人们称为“四谱”,广泛应用于物理学、化学、生物、药学、医学、农业、环境、矿业、材料学等学科,是对各种有机和无机物的成分、结构进行定性分析的最强有力的工具之一,亦可进行定量分析。目前核磁共振与红外、质谱仪等其他仪器配合,已鉴定了十几万种化合物。
NMR
红外
紫外
本质(相同)
分子吸收光谱
波长范围
1-1000μm
0.75-1000μm
200-800nm
信号来源
原子核能级间的跃迁
分子振动能级之间的跃迁
分子的电子能级的跃迁
600MHz 固体核磁共振谱仪 型号:Agilent VNMRS-600
图片来源:中科院物数所(http://whlsc.kjtj.cas.cn/)原理
用一定频率的电磁波对样品进行照射,可使特定化学结构环境中的原子核实现共振跃迁,在照射扫描中记录发生共振时的信号位置和强度,就得到核磁共振谱。核磁共振谱上的共振信号位置反映样品分子的局部结构(如官能团,分子构象等),信号强度则往往与有关原子核在样品中存在的量有关。
特点
核磁共振谱图
核磁共振波谱仪按工作方式可分为两种:(1)连续波核磁共振谱仪(CW-NMR)射频振荡器产生的射频波按频率大小有顺序地连续照射样品,可得到频率谱;
(2)脉冲傅立叶变换谱仪(PET-NMR)射频振荡器产生的射频波以窄脉冲方式照射样品,得到的时间谱经过傅立叶变换得出频率谱。
连续波核磁共振谱仪由磁场、探头、射频发射单元、射频、磁场扫描单元、[k1] [WU2] 射频检测单元、数据处理仪器控制六个部分组成。
磁铁用来产生磁场,主要有三种:
种类
永久磁铁
电磁铁
超导磁铁
频率
60MHz
100MHz
200MHz以上
频率大的仪器,分辨率好、灵敏度高、图谱简单易于分析。
连续波核磁共振谱仪结构图
连续波核磁共振谱仪原理图
图片来源:公开资料
脉冲傅立叶变换谱仪原理图
图片来源:公开资料
优缺点对比
PFT-NMR谱仪
单频发射,单频接收
强脉冲照射 自由感应衰减(FID)信号,计算机进行傅里叶变换NMR谱图
扫描时间长,单位时间内的信息量少,信号弱
光谱背景噪声小,测定速度高,可以较快地自动测定和分辨谱线及所对应的弛豫时间。
累加的次数有限,灵敏度仍不高
灵敏度及分辨率高,分析速度快
谱线宽, 分辨不佳, 得到的信息不多
固体高分辨 NMR,采用魔角旋转及其它技术 ,直接得出分辨良好的窄谱线。
用于动态过程、瞬时过程及反应动力学方面的研究;测量13C、14N等弱共振信号
测定对象元素
根据谱图确定出化合物中不同元素的特征结构。有机化合物、高分子材料都主要由碳氢组成,所以在材料结构与性能研究中,以1H谱和13C谱应用最为广泛。
可测试的性能
有机化合物结构鉴定
一般根据化学位移鉴定基团;由耦合分裂峰数、偶合常数确定基团联结关系;根据各H峰积分面积定出各基团质子比。核磁共振谱可用于化学动力学方面的研究,如分子内旋转,化学交换等,因为它们都影响核外化学环境的状况,从而谱图上都应有所反映。
高分子材料的NMR成像技术
核磁共振成像技术已成功地用来探测材料内部的缺陷或损伤,研究挤塑或发泡材料,粘合剂作用,孔状材料中孔径分布等。可以被用来改进加工条件,提高制品的质量。
多组分材料分析
材料的组分比较多时,每种组分的 NMR 参数独立存在,研究聚合物之间的相容性,两个聚合物之间的相同性良好时,共混物的驰豫时间应为相同的,但相容性比较差时,则不同,利用固体 NMR 技术测定聚合物共混物的驰豫时间,判定其相容性,了解材料的结构稳定性及性能优异性。
此外,在研究聚合物还用于研究聚合反应机理、高聚物序列结构、未知高分子的定性鉴别、机械及物理性能分析等等。
设备厂家
Bruker AVANCE III 800 超导高分辨核磁共振谱仪
图片来源:中科院物数所(http://whlsc.kjtj.cas.cn/)
主要的核磁共振谱仪生产商有:
德国Bruker http://www.instrument.com.cn/netshow/SH103191/
美国Agilent www.agilent.com.cn/
日本电子株式会社 www.jeol.co.jp/cn/
中国上海纽迈电子科技有限公司http://www.niumag.com/
傅里叶变换核磁共振波谱仪
型号:JNM-AL series 制造:JOEL Ltd (日本电子株式会社)
图片来源:中国生物器材网http://www.bio-equip.com.
纽迈低场核磁共振成像分析仪NMI20
图片来源:仪器信息网http://www.instrument.com.cn/news
疑难解答
不是。首先,被测的原子核的自旋量子数要不为零;其次,自旋量子数最好为1/2(自旋量子数大于1的原子核有电四极矩,峰很复杂);第三,被测的元素(或其同位素)的自然丰度比较高(自然丰度低,灵敏度太低,测不出信号)。
2.配制样品为什么要用氘代试剂?怎样选择氘代试剂?
因为测试时溶剂中的氢也会出峰,溶剂的量远远大于样品的量,溶剂峰会掩盖样品峰,所以用氘取代溶剂中的氢,氘的共振峰频率和氢差别很大,氢谱中不会出现氘的峰,减少了溶剂的干扰。在谱图中出现的溶剂峰是氘的取代不完全的残留氢的峰。另外,在测试时需要用氘峰进行锁场。由于氘代溶剂的品种不是很多,要根据样品的极性选择极性相似的溶剂,氘代溶剂的极性从小到大是这样排列的:苯、氯仿、乙腈、丙酮、二甲亚砜、吡啶、甲醇、水。还要注意溶剂峰的化学位移,最好不要遮挡样品峰。
3.解析合成化合物的谱、植物中提取化合物的谱和未知化合物的谱,思路有什么不同?
合成化合物的结果是已知的,只要用谱和结构对照就可以知道化合物和预定的结构是否一致。对于植物中提取化合物的谱,首先应看是哪一类化合物,然后用已知的文献数据对照,看是否为已知物,如果文献中没有这个数据则继续测DEPT谱和二维谱,推出结构。对于一个全未知的化合物,除测核磁共振外,还要结合质谱、红外、紫外和元素分析,一步步推测结构。
参考书籍
《核磁共振谱学》2006年化学工业出版社 作者:王乃兴
《核磁共振原理与实验方法 》 2008年武汉大学出版社作者: 高汉宾,张振芳
参考文献
彭永进,孙平川,李宝会.PVPh/PEO 共混物动力学演化过程的NMR 研究[J].波谱学杂志,2016( 02) : 188 ~197.
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