核磁共振和質譜課件

核磁共振成像

NMR具有磁距的原子核在高強度磁場作用下，可吸收適宜頻率的電磁輻射，由低能態(tài)躍遷到高能態(tài)的現象。如1H、3H、13C、15N、19F、31P等原子核，都具有非零自旋而有磁距，能顯示此現象。由核磁共振提供的信息，可以分析各種有機和無機物的分子結構。目前對核磁共振譜的研究主要集中在1H和13C兩類原子核的圖譜。*基本原理：根據量子力學原理，原子核與電子一樣，也具有自旋角動量（P），其自旋角動量的具體數值由原子核的自旋量子數決定（I）。不同類型的原子核自旋量子數也不同。某種特定的原子核，在給定的外加磁場中，只吸收某一特定頻率射頻場提供的能量，這樣就形成了一個核磁共振信號。自旋量子數：I為零的原子核可以看作是一種非自旋的球體；I為1/2的原子核可以看作是一種電荷分布均勻的自旋球體，1H，13C，15N，19F，31P的I均為1/2，它們的原子核皆為電荷分布均勻的自旋球體；I大于1/2的原子核可以看作是一種電荷分布不均勻的自旋橢圓體。*PP:原子核的角動量:磁矩:磁旋比oI≥1/2NMR的形成一、原子核的自旋

（1）一些原子核像電子一樣存在自旋現象，因而有自旋角動量：I為自旋量子數

（2）由于原子核是具有一定質量的帶正電的粒子，故在自旋時會產生

核磁矩：m=

P

磁旋比，即核磁矩與自旋角動量的比值，不同的核具有不同的磁旋比，它是磁核一個特征（固定）值。*角動量：*

若原子核存在自旋，產生核磁矩，這些核的行為很像磁棒，在外加磁場下，核磁體可以有（2I+1）種取向。

只有自旋量子數（I）不為零的核才具有磁矩可以產生能級分裂的核*討論:(1)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(2)Ｉ＝1/2的原子核如1H，13C

這類原子核的核電荷分布可看作一個橢圓體，電荷分布不均勻，共振吸收復雜，研究應用較少；

原子核可看作核電荷均勻分布的球體，并象陀螺一樣自旋，有磁矩產生，是核磁共振研究的主要對象，C，H也是有機化合物的主要組成元素。*E=E2－E1=（h/2）B0自旋核在磁場中的行為：Pm=-1/2

m=+1/2B01HEE1=－（h/4）B0E2=+（h/4）B0磁旋比；B0外磁場強度發(fā)生核磁共振時：E=h0共振頻率

0=（1/2）B0*核磁共振產生的條件：

核有自旋(磁性核)(2)外磁場,使能級裂分;(3)照射頻率與外磁場的比值0/B0=

/(2)*馳豫(relaxtion)——高能態(tài)的核以非輻射的方式回到低能態(tài)縱向馳豫也稱自旋-晶格馳豫處在高能級的核將能量以熱能形式轉移給周圍分子骨架（晶格）中的其它核，而回到低能級，這種釋放能量的方式稱為縱向馳豫。

周圍的粒子，對固體樣品是指晶格，對液體樣品指周圍的同類分子或溶劑分子。橫向馳豫也稱自旋-自旋馳豫自旋核之間進行內部的能量交換，高能態(tài)的核將能量轉移給低能級的核，使它變成高能態(tài)而自身返回低能態(tài)，這種釋放能量的方式稱為橫向馳豫。弛豫就是用來描述自旋“忘記”特定指向狀態(tài)的速度。*B0兩能級上核數目差N/N=exp(-E/kT)FIDNMR的形成*四.核磁共振波譜儀：

1．永久磁鐵：提供外磁場，要求穩(wěn)定性好，均勻，不均勻性小于六千萬分之一。掃場線圈。2．射頻振蕩器：線圈垂直于外磁場，發(fā)射一定頻率的電磁輻射信號。60MHz或100MHz，…….*3．射頻信號接受器（檢測器）：當質子的進動頻率與輻射頻率相匹配時，發(fā)生能級躍遷，吸收能量，在感應線圈中產生毫伏級信號。4．探頭：有外徑5mm的玻璃樣品管座,發(fā)射線圈，接收線圈，預放大器和變溫元件等。樣品管座處于線圈的中心，測量過程中旋轉,磁場作用均勻。發(fā)射線圈和接收線圈相互垂直?；瘜W位移：原子核附近化學鍵和電子云的分布狀況稱為該原子核的化學環(huán)境，由于化學環(huán)境影響導致的核磁共振信號頻率位置的變化稱為該原子核的化學位移。*常用溶劑的化學位移值溶劑δ

1Hδ

13CCCl4

96.1CS2

192.8CDCl37.2777.1(3)(CD3)2CO2.0530.3(7),207.3(CD3)2SO2.5039.5(7)D2O4.8(變化大與樣品濃度及溫度有關)

苯d6(C6D6)7.20128.0(3)二氧六環(huán)d63.5567.4CF3COOH12.5116.5(4),163.3(4)還己烷-d121.6326.3(7)吡啶-d56.98,7.35,8.50149.3(3),123.5(3),135.5(3)CD3OH3.35

49.0(7)峰面積（積分曲線）：自旋耦合：自旋耦合是化學位移之外核磁共振譜提供的另一個重要信息，所謂耦合指的是臨近原子核自旋角動量的相互影響，這種原子核自旋角動量的相互作用會改變原子核自旋在外磁場中進動的能級分布狀況，造成能級的裂分，進而造成NMR譜圖中的信號峰形狀發(fā)生變化，通過解析這些峰形的變化，可以推測出分子結構中各原子之間的連接關系。核磁共振碳譜：27

質譜

MassSpectrometry質譜分析是一種測量離子荷質比（電荷-質量比）的分析方法，運用電磁學原理對荷電碎片進行分離、分析，單聚焦質譜儀示意圖3020世紀初英國J.J.Thomson（1906年獲諾貝爾物理學獎）發(fā)明了質譜

1910年世界上第一臺現代意義質譜儀在英國劍橋

Cavendish實驗室出現；

1917年電噴霧物理現象被發(fā)現（并非為了質譜）

1918年Dempsten180°磁扇面方向聚焦質譜儀；

1919年Aston第一臺速度聚焦質譜儀；

1935年Marttauch&R.Herzog雙聚焦質譜儀；

1953年Paul&Steinwedel四極質譜計；

1954年InghramMS/MS；

1955年Wiley&Mclarens飛行時間質譜儀；質譜發(fā)展史311960’s開發(fā)GC/MS；60’s-70’s大氣壓電離源被發(fā)現，但未被廣泛應用；70’s-80’s開始廣泛研究LC/MS；1974年后回旋共振質譜儀；1979年傳送帶式LC/MS接口成為商業(yè)產品；1982年離子束LC/MS接口出現；1984年第一臺電噴霧質譜儀宣告誕生；1988年電噴霧質譜儀首次應用于蛋白質分析

…

…質譜法的特色：高真空環(huán)境、特征性強、靈敏度高(10-12g,或10-15mole)、能確定分子量和分子式信息、可用于混合物分析由分子結構與裂解方式的經驗規(guī)律，根據分子離子和各種碎片離子的質荷比及其相對豐度，進行結構分析?；驹韒/z=B2R2(2V)其中，z為電荷數，e為電子電荷，U為加速電壓，m為碎片質量，V為電子運動速度。B為磁場強度，R為半徑

電子轟擊原理采用高速(高能)電子束沖擊樣品，從而產生電子和分子離子M+，M+繼續(xù)受到電子轟擊而引起化學鍵的斷裂或分子重排，瞬間產生多種離子。使用最廣泛，譜庫最完整；電離效率高；結構簡單，操作方便；但分子離子峰強度較弱或不出現（因電離能量最高）。質量分析器原理作用是將不同碎片按質荷比m/z分開。質量分析器類型：磁分析器、飛行時間、四極桿、離子捕獲、離子回旋等。質量分析器原理

帶電離子質量分析器，在磁場(場強為B)作用下，飛行軌道彎曲(曲率半徑為r)。當向心力Bev與離心力mv2/r相等時，離子才能飛出磁場區(qū)，即，e為電子電荷；U為加速電壓。由于（電場加速）,將上式帶入得，當B、r、U三個參數中任兩個保持不變而改變其中一個參數時，可得質譜圖。檢測器原理檢測器包括Faraday杯、電子倍增器、閃爍計數器、照相底片等。Faraday杯原理圖電子倍增器：類似于光電倍增管，可測10-18A電流。閃爍計數器：記錄離子的數目。質譜儀通常由四部分組成：進樣系統(tǒng)、離子源、質量分析器和離子檢測器。由于計算機的發(fā)展，近代質譜儀一般還帶有一個數據處理系統(tǒng),用作有機質譜數據的收集、譜圖的簡化和處理。質譜儀單聚焦質譜儀示意圖單聚焦質量分析器只是將m/z相同而入射方向不同的離子聚焦到一點（或稱實現了方向聚焦）。但對于m/z相同而動能（或速度）不同的離子不能聚焦，故其分辨率較低，一般為5000。

其他類型的質譜儀分析器雙聚焦型飛行時間分析器(Timeofflight,TOF)四極濾質器(Quadrupolemassfilter)離子阱(Iontrapanalyzer)離子回旋共振分析器(Ioncyclotronresonance,ICR)質譜儀器的主要指標質量范圍（massrange)：儀器所檢測的質荷比范圍。對單電荷離子即為離子的質量范圍；對多電荷離子，所檢測的離子質量則擴展到離子電荷數相應的倍數。靈敏度(sensitivity)：

出峰強度與所用樣品量之間的關系；或對選定的樣品在一定分辨率下產生一定信噪比的分子離子峰所需的樣品量。41?mm10%100%m+?mFull-widthathalf-maximum分辨率(resolution)：R=M/MR10%=aM/bMM為所測峰的質量；M為可分辨的兩峰的質量差；a為相鄰兩峰的中心距離；b為峰高5%處的峰寬。FT-ICR及ToF：R=M/MM為所測峰的質量；M為該峰半高寬所對應的質量數。

42準確度(accuracy):ppm(partpermillion)穩(wěn)定性(stability):儀器在一定時間間隔內某離子的m/z測量值的變化。動態(tài)范圍(dynamicrange):

在動態(tài)范圍內,樣品量與儀器輸出的信號應成正比例關系。2.3離子裂解的要點峰高隨分子量增加而減小，隨分支碳鏈的增加而減小能穩(wěn)定存在的基團更有可能從峰圖上看出來，如苯環(huán)、烯丙基正碳離子[CH2=CH-CN2]+與雜原子（氧、氮、硫）相鄰的碳骨架通常容易被切斷，并且在雜原子上帶有電荷。切斷通常伴隨著電中性的穩(wěn)定小分子的產生，如水、CO、NH3、烯烴、HCL、HCN或H2S分子有可能進行重排分子離子化合物失去一個或多個電子形成的離子有機物分子離子豐度大小:芳香環(huán)>共軛烯>孤立烯>環(huán)狀化合物>酮>醚>酯>胺>酸>醇>直鏈烴>支鏈烴對于有機物，雜原子S，O，P，N等上的未共用電子對最易失去，其次是電子，再其次是電子。分子離子的判別

必須是化合物譜圖中質量最高的離子必須是奇電子離子、符合氮規(guī)則必須能通過丟失合理的中性離子，產生譜圖中高質量區(qū)的重要離子奇電子離子（OE）帶有未成對電子的離子計算不飽和度U，如果U為整數，則為奇電子離子（OE），為半整數時為偶電子離子（EE）氮規(guī)則若一個化合物含有偶數個N原子，其分子離子的質量數一定是偶數，若含有奇數個N原子，分子離子的質量數為奇數。2）碎片離子峰因分子發(fā)生鍵的斷裂只需要十幾電子伏特的能量，而電子轟擊的能量為70eV，因而會產生更小的碎片離子峰。斷裂方式可分為均裂、異裂和半異裂（?表示電子）：均裂半異裂異裂烷烴化合物斷裂多在C-C之間發(fā)生，且易發(fā)生在支鏈上：

烯烴多在雙鍵旁的第二個鍵上開裂：

苯的最強峰為M+，芳香族化合物將先失去取代基，再形成苯甲離子：~~~~含C=O鍵化合物的開裂多在與其相鄰的鍵上：對含雜原子的分子，斷裂的鍵位順序為位、位和位：~~R—XR++X?~共振穩(wěn)定化離子~3）重排離子峰原子或基團經重排后再開裂而形成一種特殊的碎片離