核磁共振和質(zhì)譜課件

核磁共振成像

NMR具有磁距的原子核在高強(qiáng)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(xiàn)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(xiàn)象。由核磁共振提供的信息，可以分析各種有機(jī)和無機(jī)物的分子結(jié)構(gòu)。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(jù)量子力學(xué)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(shù)值由原子核的自旋量子數(shù)決定（I）。不同類型的原子核自旋量子數(shù)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(shù)：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(xiàn)象，因而有自旋角動量：I為自旋量子數(shù)

（2）由于原子核是具有一定質(zhì)量的帶正電的粒子，故在自旋時會產(chǎn)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(chǎn)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(shù)（I）不為零的核才具有磁矩可以產(chǎn)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(fù)雜，研究應(yīng)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(chǎn)生，是核磁共振研究的主要對象，C，H也是有機(jī)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(qiáng)度發(fā)生核磁共振時：E=h0共振頻率

0=（1/2）B0*核磁共振產(chǎn)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(zhuǎn)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(jìn)行內(nèi)部的能量交換，高能態(tài)的核將能量轉(zhuǎn)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(shù)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(dāng)質(zhì)子的進(jìn)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(yīng)線圈中產(chǎn)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(yù)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(zhuǎn),磁場作用均勻。發(fā)射線圈和接收線圈相互垂直?；瘜W(xué)位移：原子核附近化學(xué)鍵和電子云的分布狀況稱為該原子核的化學(xué)環(huán)境，由于化學(xué)環(huán)境影響導(dǎo)致的核磁共振信號頻率位置的變化稱為該原子核的化學(xué)位移。*常用溶劑的化學(xué)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(guān))

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(xué)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(jìn)動的能級分布狀況，造成能級的裂分，進(jìn)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(jié)構(gòu)中各原子之間的連接關(guān)系。核磁共振碳譜：27

質(zhì)譜

MassSpectrometry質(zhì)譜分析是一種測量離子荷質(zhì)比（電荷-質(zhì)量比）的分析方法，運(yùn)用電磁學(xué)原理對荷電碎片進(jìn)行分離、分析，單聚焦質(zhì)譜儀示意圖3020世紀(jì)初英國J.J.Thomson（1906年獲諾貝爾物理學(xué)獎）發(fā)明了質(zhì)譜

1910年世界上第一臺現(xiàn)代意義質(zhì)譜儀在英國劍橋

Cavendish實(shí)驗(yàn)室出現(xiàn)；

1917年電噴霧物理現(xiàn)象被發(fā)現(xiàn)（并非為了質(zhì)譜）

1918年Dempsten180°磁扇面方向聚焦質(zhì)譜儀；

1919年Aston第一臺速度聚焦質(zhì)譜儀；

1935年Marttauch&R.Herzog雙聚焦質(zhì)譜儀；

1953年P(guān)aul&Steinwedel四極質(zhì)譜計；

1954年InghramMS/MS；

1955年Wiley&Mclarens飛行時間質(zhì)譜儀；質(zhì)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(xiàn)，但未被廣泛應(yīng)用；70’s-80’s開始廣泛研究LC/MS；1974年后回旋共振質(zhì)譜儀；1979年傳送帶式LC/MS接口成為商業(yè)產(chǎn)品；1982年離子束LC/MS接口出現(xiàn)；1984年第一臺電噴霧質(zhì)譜儀宣告誕生；1988年電噴霧質(zhì)譜儀首次應(yīng)用于蛋白質(zhì)分析

…

…質(zhì)譜法的特色：高真空環(huán)境、特征性強(qiáng)、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(jié)構(gòu)與裂解方式的經(jīng)驗(yàn)規(guī)律，根據(jù)分子離子和各種碎片離子的質(zhì)荷比及其相對豐度，進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析。基本原理m/z=B2R2(2V)其中，z為電荷數(shù)，e為電子電荷，U為加速電壓，m為碎片質(zhì)量，V為電子運(yùn)動速度。B為磁場強(qiáng)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(chǎn)生電子和分子離子M+，M+繼續(xù)受到電子轟擊而引起化學(xué)鍵的斷裂或分子重排，瞬間產(chǎn)生多種離子。使用最廣泛，譜庫最完整；電離效率高；結(jié)構(gòu)簡單，操作方便；但分子離子峰強(qiáng)度較弱或不出現(xiàn)（因電離能量最高）。質(zhì)量分析器原理作用是將不同碎片按質(zhì)荷比m/z分開。質(zhì)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(zhì)量分析器原理

帶電離子質(zhì)量分析器，在磁場(場強(qiáng)為B)作用下，飛行軌道彎曲(曲率半徑為r)。當(dāng)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(dāng)B、r、U三個參數(shù)中任兩個保持不變而改變其中一個參數(shù)時，可得質(zhì)譜圖。檢測器原理檢測器包括Faraday杯、電子倍增器、閃爍計數(shù)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(shù)器：記錄離子的數(shù)目。質(zhì)譜儀通常由四部分組成：進(jìn)樣系統(tǒng)、離子源、質(zhì)量分析器和離子檢測器。由于計算機(jī)的發(fā)展，近代質(zhì)譜儀一般還帶有一個數(shù)據(jù)處理系統(tǒng),用作有機(jī)質(zhì)譜數(shù)據(jù)的收集、譜圖的簡化和處理。質(zhì)譜儀單聚焦質(zhì)譜儀示意圖單聚焦質(zhì)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(diǎn)（或稱實(shí)現(xiàn)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(zhì)譜儀分析器雙聚焦型飛行時間分析器(Timeofflight,TOF)四極濾質(zhì)器(Quadrupolemassfilter)離子阱(Iontrapanalyzer)離子回旋共振分析器(Ioncyclotronresonance,ICR)質(zhì)譜儀器的主要指標(biāo)質(zhì)量范圍（massrange)：儀器所檢測的質(zhì)荷比范圍。對單電荷離子即為離子的質(zhì)量范圍；對多電荷離子，所檢測的離子質(zhì)量則擴(kuò)展到離子電荷數(shù)相應(yīng)的倍數(shù)。靈敏度(sensitivity)：

出峰強(qiáng)度與所用樣品量之間的關(guān)系；或?qū)x定的樣品在一定分辨率下產(chǎn)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(zhì)量；M為可分辨的兩峰的質(zhì)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(zhì)量；M為該峰半高寬所對應(yīng)的質(zhì)量數(shù)。

42準(zhǔn)確度(accuracy):ppm(partpermillion)穩(wěn)定性(stability):儀器在一定時間間隔內(nèi)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(nèi),樣品量與儀器輸出的信號應(yīng)成正比例關(guān)系。2.3離子裂解的要點(diǎn)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(tuán)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(chǎn)生，如水、CO、NH3、烯烴、HCL、HCN或H2S分子有可能進(jìn)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(jī)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(jī)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(zhì)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(chǎn)生譜圖中高質(zhì)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(shù)，則為奇電子離子（OE），為半整數(shù)時為偶電子離子（EE）氮規(guī)則若一個化合物含有偶數(shù)個N原子，其分子離子的質(zhì)量數(shù)一定是偶數(shù)，若含有奇數(shù)個N原子，分子離子的質(zhì)量數(shù)為奇數(shù)。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(chǎn)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(qiáng)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?yàn)槲弧⑽缓臀唬簙~R—XR++X?~共振穩(wěn)定化離子~3）重排離子峰原子或基團(tuán)經(jīng)重排后再開裂而形成一種特殊的碎片離