第1章 結(jié)構(gòu)鑒定(3)MS、GC、NMR

1第一章結(jié)構(gòu)鑒定

1.1傅里葉紅外光譜

1.2激光拉曼散射光譜

1.3紫外光譜

1.4熒光光譜

1.5質(zhì)譜法

1.6氣相色譜法

1.7核磁共振波譜法

1.8毛細(xì)管電泳

1.9X射線分析

1.10X射線光電子能譜法5質(zhì)譜法質(zhì)譜法，簡(jiǎn)稱質(zhì)譜，一般采用高能離子束（如電子）轟擊樣品的蒸氣分子，打掉分子中的價(jià)電子，形成帶正電荷的離子，然后按質(zhì)荷比（m/z）的大小順序進(jìn)行收集和記錄，得到質(zhì)譜圖。質(zhì)譜法是唯一可以確定分子式的方法，而分子式對(duì)推測(cè)結(jié)構(gòu)至關(guān)重要。質(zhì)譜法與核磁共振譜、紅外光譜聯(lián)合使用，用于對(duì)復(fù)雜化合物的結(jié)構(gòu)分析和鑒定，已經(jīng)成為研究有機(jī)化合物結(jié)構(gòu)的有力工具之一。5.1質(zhì)譜儀

5.1.1質(zhì)譜儀的工作原理質(zhì)譜儀是利用電磁學(xué)原理，使帶電的樣品離子按質(zhì)荷比進(jìn)行分離的裝置。離子電離后經(jīng)加速進(jìn)入磁場(chǎng)中，其動(dòng)能與加速電壓及電荷Z有關(guān)，即其中z為電荷數(shù)，e為電子電荷(e=1.6×10-19C)，U為加速電壓，m為離子的質(zhì)量，v為離子被加速后的運(yùn)動(dòng)速度。具有速度v的帶電粒子進(jìn)入質(zhì)譜分析器的電磁場(chǎng)中，將各種離子按m/z的大小實(shí)現(xiàn)分離和測(cè)定。5.1.2質(zhì)譜儀的基本結(jié)構(gòu)質(zhì)譜儀是通過(guò)對(duì)樣品電離后產(chǎn)生的具有不同m/z的離子來(lái)進(jìn)行分離分析的，質(zhì)譜儀一般包含進(jìn)樣系統(tǒng)、電離系統(tǒng)、質(zhì)量分析器、檢測(cè)系統(tǒng)和真空系統(tǒng)。1.真空系統(tǒng)

質(zhì)譜儀中的離子在產(chǎn)生、運(yùn)動(dòng)過(guò)程中必須處于真空狀態(tài)。若真空度過(guò)低，則會(huì)造成離子源燈絲損壞、本底增高、副反應(yīng)過(guò)多，從而使圖譜復(fù)雜化。2.進(jìn)樣系統(tǒng)

作用是高效重復(fù)地將樣品引入到離子源中并且不能造成真空度的降低。把處于大氣環(huán)境中的樣品送入處于真空狀態(tài)的質(zhì)譜儀中，并加熱使樣品成為氣態(tài)分子。3.離子源離子源，也稱為電離和加速室，是將被分離物質(zhì)的氣態(tài)分子電離成各種離子，并會(huì)聚成具有一定能量的離子束。通常稱能給樣品較大能量的電離方法為硬電離方法，而給樣品較小能量的電離方法為軟電離方法，后一種方法適用于易破裂或易電離的樣品。離子源是質(zhì)譜儀的心臟，可看作高級(jí)反應(yīng)器，發(fā)生特征降解反應(yīng)，短時(shí)間(～1s)內(nèi)發(fā)生。常見(jiàn)離子源電子轟擊電離法(ElectronImpactIonization，EI)、化學(xué)電離(ChemicalIonization，CI)、場(chǎng)電離(FieldIonization，F(xiàn)I)、場(chǎng)解析(FieldDesorption，F(xiàn)D)、快原子轟擊(FastAtomBombandment，F(xiàn)AB)（1）電子轟擊電離法應(yīng)用最普遍、發(fā)展最成熟，用高能電子束從試樣分子中撞出一個(gè)電子而產(chǎn)生正離子，即

M為待測(cè)分子，M+為分子離子或母體離子，若產(chǎn)生的分子離子能量較高，會(huì)發(fā)生碎裂反應(yīng)，形成廣義的碎片離子，如

由于電子電離得到的質(zhì)譜圖中一般均為單電荷離子，即質(zhì)荷比的數(shù)值為離子的質(zhì)量。而有些分子離子形成時(shí)由于能量不足，難以碎裂，則可以檢測(cè)到分子離子。優(yōu)點(diǎn)：易于實(shí)現(xiàn)，質(zhì)譜圖再現(xiàn)性好，便于計(jì)算機(jī)檢索和對(duì)比，含有推測(cè)未知物結(jié)構(gòu)必需的碎片信息。質(zhì)譜圖的解析所依據(jù)的主要是EI產(chǎn)生的質(zhì)譜圖?；瘜W(xué)電離是通過(guò)離子-分子反應(yīng)來(lái)進(jìn)行。離子與樣品分子按下列方式進(jìn)行反應(yīng)，轉(zhuǎn)移一個(gè)質(zhì)子給試樣或由試樣移去一個(gè)H+或電子，試樣則變成+1電荷的離子?；瘜W(xué)電離時(shí)因?yàn)橛蟹磻?yīng)氣（如CH4），一般在1.3×102Pa壓強(qiáng)下工作，由于樣品分子的數(shù)量與反應(yīng)氣分子相比是極少的，所以在具有一定能量的電子作用下，反應(yīng)氣分子被電離，隨后有復(fù)雜的反應(yīng)過(guò)程。以甲烷反應(yīng)氣為例，部分反應(yīng)為：

上式中，M代表被分析的樣品分子，由它生成了準(zhǔn)分子離子MH+。由此可以進(jìn)一步推斷出分子量。（2）化學(xué)電離4．質(zhì)量分析器

質(zhì)譜儀的質(zhì)量分析器位于離子源和檢測(cè)器之間，其作用是依據(jù)不同方式將樣品離子按質(zhì)荷比m/z分開(kāi)，質(zhì)譜儀的核心。質(zhì)量分析器是一個(gè)處于磁場(chǎng)中的弧形管道，進(jìn)入質(zhì)量分離器的離子在磁場(chǎng)的作用下，其運(yùn)動(dòng)由直線變?yōu)榛⌒诬壍肋\(yùn)動(dòng)。根據(jù)m/z的不同，離子的偏轉(zhuǎn)角度也不同，質(zhì)荷比大的偏轉(zhuǎn)角度小，質(zhì)荷比小的偏轉(zhuǎn)角度大，從而使質(zhì)量不同的離子得到分離。若固定R，在連續(xù)改變磁場(chǎng)強(qiáng)度或加速電壓時(shí)，各種離子按m/z大小順序依次到達(dá)檢測(cè)器。5．檢測(cè)系統(tǒng)

檢測(cè)器的作用是接收被分離的離子，放大和測(cè)量離子流的強(qiáng)度。常用的檢測(cè)器有靜電式電子倍增器、筒狀或平板金屬電極檢測(cè)器和感光板檢測(cè)器。5.2質(zhì)譜圖及其應(yīng)用5.2.1質(zhì)譜圖與質(zhì)譜表

質(zhì)譜法的主要應(yīng)用是鑒定復(fù)雜分子并闡明其結(jié)構(gòu)、確定元素的同位素質(zhì)量及分布等。

質(zhì)譜圖是以質(zhì)荷比(m/z)為橫坐標(biāo)、相對(duì)強(qiáng)度為縱坐標(biāo)構(gòu)成，一般將原始質(zhì)譜圖上最強(qiáng)的離子峰定為基峰并規(guī)定其相對(duì)強(qiáng)度100％，其他離子峰以對(duì)基峰的相對(duì)百分值表示。5.2.2質(zhì)譜中的離子峰

質(zhì)譜信號(hào)十分豐富。分子在離子源中可以產(chǎn)生各種電離，即同一種分子可以產(chǎn)生多種離子峰，其中比較主要的有分子離子峰、同位素離子峰、碎片離子峰、重排離子峰、亞穩(wěn)離子峰等。

1、分子離子峰試樣分子在高能電子撞擊下產(chǎn)生正離子，即

M+稱為分子離子或母離子。

n電子最易失去，其次π電子，再次σ電子。所以雜原子易先失電子形成分子離子，如

上式中氧原子上的“+·”表示由未共用電子對(duì)失去一個(gè)電子。當(dāng)正電荷的位置不明確時(shí)，可表示為“”。分子離子的質(zhì)量對(duì)應(yīng)于中性分子的質(zhì)量。芳香環(huán)分子的分子離子峰較強(qiáng)，而高分子量的烴、脂肪醇、醚及胺等則弱。分子離子通常是最高質(zhì)量。氮律：分子中若含有偶數(shù)個(gè)氮原子，則相對(duì)分子質(zhì)量將是偶數(shù)；反之，將是奇數(shù)，這就是所謂的“氮律”。

2.碎片離子峰一般強(qiáng)度最大的質(zhì)譜峰相應(yīng)于最穩(wěn)定的碎片離子，通過(guò)各種碎片離子相對(duì)峰高的分析，有可能獲得整個(gè)分子結(jié)構(gòu)的信息。要注意連續(xù)斷裂或重排。例如反應(yīng)式中CH3—C≡O(shè)+為碎片離子，它進(jìn)一步裂解生成新的碎片離子CH3+，同時(shí)失去中性碎片分子CO。分子的裂解和分子結(jié)構(gòu)有關(guān)，因此可根據(jù)質(zhì)譜圖中碎片離子來(lái)推測(cè)化合物可能的結(jié)構(gòu)。但是要準(zhǔn)確地進(jìn)行定性分析最好與標(biāo)準(zhǔn)圖譜進(jìn)行比較。3同位素離子峰及應(yīng)用M+1，M+2峰，由同位素形成的離子峰稱為同位素離子峰。分子離子的同位素離子峰相對(duì)強(qiáng)度之比符合統(tǒng)計(jì)規(guī)律。如含1個(gè)氯的分子中峰相對(duì)強(qiáng)度之比(IM+2)/IM=32.5%，含1個(gè)溴化合物中(M+2)+峰的相對(duì)強(qiáng)度幾乎與M+峰的相等。含一個(gè)溴原子的分子中，質(zhì)譜中分子離子峰簇中M:M+2的積分比為1：1；含兩個(gè)溴原子的分子中，質(zhì)譜中分子離子峰簇中M:M+2:M+4的積分比為1：2：1。

圖1-49a含一個(gè)溴原子的化合物分子質(zhì)譜圖C7H7BrO3EI質(zhì)譜圖（m/z218和220積分比為1：1）圖1-49b含兩個(gè)溴原子的化合物分子質(zhì)譜圖C16H12Br2O6的EI質(zhì)譜圖m/z458、460和462積分比為1：2：15.3有機(jī)化合物的斷裂方式有機(jī)化合物中，C-C鍵不如C-H鍵穩(wěn)定，因此烷烴的斷裂一般發(fā)生在C-C鍵之間，且較易發(fā)生在支鏈上，形成正離子穩(wěn)定性的順序是三級(jí)>二級(jí)>一級(jí)，如2,2-二甲基丁烷。烷烴質(zhì)譜中m/z為41，43，55和57占優(yōu)勢(shì)，這些代表C3H5+、C3H7+、C4H7+、C4H9+，在m/z＞57的譜圖區(qū)域出現(xiàn)峰的相對(duì)強(qiáng)度隨m/z增大而減小，相鄰的兩峰之間往往m/z相差14，這是由于碎裂下來(lái)—CH2—的結(jié)果.飽和脂肪族化合物如果含有雜原子（N、O、鹵素原子等），斷裂主要發(fā)生在雜原子周圍。如鹵素原子:穩(wěn)定共振烯烴羰基苯：分子離子；取代苯：苯甲離子，鎓離子5.4質(zhì)譜法的應(yīng)用(1)確定分子離子峰和決定分子式根據(jù)分子離子峰的質(zhì)荷比確定分子式。高分辨儀器關(guān)注分子離子峰m/e小數(shù)點(diǎn)后的尾數(shù)；低分辨儀器可借助同位素峰組來(lái)判斷。進(jìn)一步計(jì)算不飽和度，確定分子中環(huán)加雙鍵數(shù)。(2)確定碎片離子的特征標(biāo)記奇電子數(shù)離子OE·＋和偶電子數(shù)離子EE＋。高質(zhì)量端發(fā)現(xiàn)OE·＋時(shí)，注意重排。高質(zhì)量端中性碎片丟失：M-15，-CH3；M-18，H2O、醇。低質(zhì)量端的偶電子系列：有m/e為15，29…碎片，為烷烴系列CnH2n+1，質(zhì)量數(shù)延長(zhǎng)多少表示有幾個(gè)碳。(3)提出可能的結(jié)構(gòu)式并進(jìn)行驗(yàn)證例1利用同位素峰組確定結(jié)構(gòu)。1、分子離子峰88?→86,8484,86,88M:M+2:M+49:6:1CH2Cl22、驗(yàn)證CH2Cl+49:51=3:1圖1-50某種有機(jī)溶劑的質(zhì)譜圖例2己知某一化合物不含氮，試確定其結(jié)構(gòu)1、分子離子峰12039,51,65,77,91芐基離子M-15,M-292、標(biāo)記OE+和EE+3、高質(zhì)量端γ氫的重排峰OE·＋,92甲基、乙基正丙苯4、驗(yàn)證6氣相色譜法氣相色譜法（gaschromatography，GC）是一種以氣體為流動(dòng)相的色譜分離方法。根據(jù)所選用的固定相的不同，可以進(jìn)一步分為氣固色譜和氣液色譜。分離對(duì)象：能氣化而又不分解特點(diǎn)：分離效能高、靈敏度高、分析速度快應(yīng)用：石油工業(yè)、冶金、高分子材料、食品工業(yè)及生物、醫(yī)藥、衛(wèi)生、農(nóng)業(yè)、商品檢騎、環(huán)境保護(hù)和航天等領(lǐng)域聯(lián)用技術(shù)6.1氣相色譜儀6.1.1氣相色譜流程圖1-51氣相色譜流程示意圖

1-高壓氣瓶2-減壓閥3-氣流調(diào)節(jié)閥4-凈化干燥管

5-壓力表6-熱導(dǎo)池7-進(jìn)樣口8-色譜柱

9-恒溫箱10-流量計(jì)11-測(cè)量電橋12-記錄儀6.1.2氣相色譜儀的結(jié)構(gòu)氣相色譜儀由五大系統(tǒng)組成：氣路系統(tǒng)、進(jìn)樣系統(tǒng)、分離系統(tǒng)、溫控系統(tǒng)以及檢測(cè)和記錄系統(tǒng)。1.氣路系統(tǒng)氣路系統(tǒng)包括載氣鋼瓶、凈化器、穩(wěn)壓閥、流量計(jì)和供載氣連續(xù)運(yùn)行的密閉管路等裝置。要求載氣穩(wěn)定純凈，并具有一定的流速。常用的載氣有氫氣、氮?dú)?、氦氣和氬氣，一般根?jù)所選用的檢測(cè)器和分析對(duì)象及其它一些因素選擇合適的載氣。2.進(jìn)樣系統(tǒng)把樣品加到色譜柱上端，對(duì)進(jìn)樣的要求是快速而定量。進(jìn)樣系統(tǒng)包括進(jìn)樣器和氣化室兩部分。目前氣相色譜儀多是毛細(xì)管色譜，使用的進(jìn)樣方式有:分流進(jìn)樣，分流/不分流進(jìn)樣，柱頭進(jìn)樣，直接進(jìn)樣，程序升溫氣化進(jìn)樣。3.分離系統(tǒng)分離系統(tǒng)由色譜柱組成，它是色譜儀的核心部件，其作用是分離樣品。色譜柱主要有兩類：填充柱和毛細(xì)管柱。4.溫控系統(tǒng)溫度直接影響色譜柱的選擇分離、檢測(cè)器的靈敏度和穩(wěn)定性?？刂茰囟戎饕笇?duì)色譜柱爐、氣化室、檢測(cè)器三處的溫度進(jìn)行控制。對(duì)于色譜柱的溫度控制方式有恒溫和程序升溫二種。對(duì)于沸點(diǎn)范圍很寬的混合物，往往采用程序升溫法進(jìn)行分析。程序升溫指在一個(gè)分析周期內(nèi)柱溫隨時(shí)間由低溫向高溫作線性或非線性變化，以達(dá)到用最短時(shí)間獲得最佳分離的目的。5.檢測(cè)器和放大記錄系統(tǒng)檢測(cè)器把進(jìn)入的組分按其濃度或質(zhì)量，轉(zhuǎn)化成電信號(hào)，經(jīng)過(guò)放大傳遞給記錄儀，最后記錄得到該混合樣品的色譜流出曲線。表1-14常用氣相色譜檢測(cè)器6.2氣相色譜分離原理

6.2.1色譜流出曲線及有關(guān)術(shù)語(yǔ)圖1-52色譜流出曲線（1）色譜流出曲線和色譜峰由檢測(cè)器輸出的電信號(hào)強(qiáng)度對(duì)時(shí)間作圖，為色譜流出曲線。突起部分即色譜峰。（2）基線色譜柱后沒(méi)有樣品組分流出時(shí)的流出曲線稱為基線，穩(wěn)定的基線應(yīng)該是一條水平直線。（3）峰高色譜峰頂點(diǎn)與基線之間的垂直距離，h，AB’。（4）保留值1.死時(shí)間t0

從進(jìn)樣到色譜圖上出現(xiàn)峰極大值所需的時(shí)間稱為死時(shí)間，也可以認(rèn)為是流動(dòng)相流經(jīng)色譜柱的時(shí)間。如O’A’。平均線速ū可用柱長(zhǎng)L0與t0的比值計(jì)算：2.保留時(shí)間tr

試樣從進(jìn)樣開(kāi)始到柱后出現(xiàn)峰極大值時(shí)所經(jīng)過(guò)的時(shí)間，如OB。3.調(diào)整保留時(shí)間t’r

保留時(shí)間扣除死時(shí)間后，即：反映了組分與固定相之間的相互作用時(shí)間，定性依據(jù)。4.死體積V0

指色譜柱在固定相填充后剩留空間，可由死時(shí)間與色譜柱出口的載氣流速Fc(cm3·min-1)計(jì)算，即V0=t0Fc

式中Fc為柱溫下的載氣流速，可以用色譜柱出口的溫度和壓力下測(cè)得的載氣體積流速F0來(lái)計(jì)算：Fc=F0(Tc/Ta)

Tc

、Ta分別以熱力學(xué)溫度K表示的柱溫和室溫。5.保留體積Vr

指從進(jìn)樣開(kāi)始到被測(cè)組分在柱后出現(xiàn)濃度極大點(diǎn)時(shí)所通過(guò)的流動(dòng)相的體積。6.調(diào)整保留體積Vr‘保留體積扣除死體積。7.相對(duì)保留值組分2與1調(diào)整保留值之比：

相對(duì)保留值只與柱溫及固定相性質(zhì)有關(guān)，與柱徑、柱長(zhǎng)、填充情況及流動(dòng)相流速無(wú)關(guān)，定性依據(jù)。在定性分析中，通常固定一個(gè)色譜峰作為標(biāo)準(zhǔn)(s)，然后再求其他峰(i)對(duì)這個(gè)峰的相對(duì)保留值，α表示:

式中t’r(i)為較晚出峰的組分的調(diào)整保留時(shí)間，所以α總是大于1的。相對(duì)保留值往往可作為衡量固定相選擇性的指標(biāo)，又稱選擇因子。（5）區(qū)域?qū)挾群饬恐始胺从成V操作條件的動(dòng)力學(xué)因素。表示方法：1.標(biāo)準(zhǔn)偏差σ0.607倍峰高處色譜峰寬的一半，如圖中EF距離的一半。2.半峰寬W1/2

峰高一半處對(duì)應(yīng)的峰寬。GH，它與標(biāo)準(zhǔn)偏差的關(guān)系為3.峰底寬度W

色譜峰兩側(cè)拐點(diǎn)上的切線在基線上截距間的距離。IJ，它與標(biāo)準(zhǔn)偏差σ的關(guān)系是色譜流出曲線提供信息：(1)根據(jù)色譜峰的個(gè)數(shù)，可以判斷樣品中所含組分的最少個(gè)數(shù)；(2)根據(jù)色譜峰的保留值，可以進(jìn)行定性分析；(3)根據(jù)色譜峰的面積或峰高，可以進(jìn)行定量分析；(4)色譜峰的保留值及其區(qū)域?qū)挾龋窃u(píng)價(jià)色譜柱分離效能的依據(jù)；(5)色譜峰兩峰間的距離，是評(píng)價(jià)固定相(或流動(dòng)相)選擇是否合適的依據(jù)。6.2.2色譜法基本原理色譜是在互不相溶的兩相即固定相和流動(dòng)相中進(jìn)行的一種物理化學(xué)分離方法。物化性質(zhì)和分子結(jié)構(gòu)上的差異相互作用類型、強(qiáng)弱不同不同組分在固定相中滯留時(shí)間的長(zhǎng)短不同（1）分配系數(shù)K和分配比k1.分配系數(shù)K

分配色譜的分離是基于樣品組分在固定相和流動(dòng)相之間反復(fù)多次地分配過(guò)程，而吸附色譜的分離是基于反復(fù)多次地吸附——脫附過(guò)程。固定相和流動(dòng)相是互不相溶的兩相。描述組分在兩相間分配的參數(shù)稱為分配系數(shù)K。它是指在一定溫度和壓力下，組分在固定相和流動(dòng)相之間分配達(dá)平衡時(shí)的濃度之比值，即

分配系數(shù)是由組分和固定相的熱力學(xué)性質(zhì)決定的，它是每一個(gè)溶質(zhì)的特征值，它僅與固定相和溫度有關(guān)，與兩相體積、柱管的特性以及所使用的儀器無(wú)關(guān)。（2）分配比k分配比是指在一定溫度和壓力下達(dá)平衡時(shí)，組分在固定相和流動(dòng)相中的質(zhì)量比。

k又稱分配容量或容量因子，衡量色譜柱對(duì)被分離組分保留能力的重要參數(shù)，反映組分及固定相的熱力學(xué)性質(zhì)。與柱溫、柱壓、流動(dòng)相及固定相的體積有關(guān)。

Cs，Cm分別為組分在固定相和流動(dòng)相的濃度，Vm柱中流動(dòng)相體積，近似死體積。Vs固定相體積，在各種不同的類型的色譜中有不同的含義。例如：在分配色譜中，代表示固定液的體積；在尺寸排阻色譜中，則表示固定相的孔體積。

根據(jù)以下公式，分配比k值可直接從色譜圖測(cè)得。（3）分配系數(shù)K與分配比k的關(guān)系（4）分配系數(shù)K及分配比k與選擇因子α的關(guān)系

對(duì)A，B兩組分的選擇因子：

表明：如果兩組分的K或k值相等，則α=1，兩個(gè)組分的色譜峰必將重合，說(shuō)明分不開(kāi)。兩組分的K或k值相差越大，則分離得越好。因此兩組分具有不同的分配系數(shù)是色譜分離的先決條件。β為相比，它是反映各種色譜柱柱型特點(diǎn)的又一個(gè)參數(shù)。6.3氣相色譜固定相氣相色譜法能否將某一樣品中的各組分完全分離，主要取決于色譜柱的選擇性和效能。這在很大程度上是由固定相的性能決定的。氣相色譜固定相分為兩類：(1)氣液色譜的液體固定相(包括固定液和載體)(2)氣固色譜的固體吸附劑。6.3.1氣液色譜固定相

氣液色譜固定相由載體(擔(dān)體)和固定液構(gòu)成，載體為固定液提供一個(gè)大的惰性表面，以承擔(dān)固定液，使它能在表面展成薄而均勻的液膜。（1）載體(擔(dān)體)

對(duì)載體的要求載體為多孔性固體，起支持固定液的作用，具有較大比表面積和良好的熱穩(wěn)定性，無(wú)吸附和催化活性?？煞譃楣柙逋梁头枪柙逋羶深悺９柙逋潦怯商烊还柙逋两?jīng)煅燒等處理而成，又分為紅色載體和白色載體。非硅藻土載體品種不一，如有機(jī)玻璃微球載體，氟載體，高分子多孔微球等。（2）固定液

固定液一般為高沸點(diǎn)有機(jī)物，均勻地涂漬在多孔的載體表面，起分離作用的物質(zhì)，操作溫度下呈液膜狀態(tài)。固定液要求：選擇性要好，有良好的熱穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性；對(duì)試樣各組分有適當(dāng)?shù)娜芙饽芰?；在操作溫度下有較低蒸氣壓，以免流失太快。6.3.2氣固色譜固定相在氣相色譜分析中，氣液色譜法固然應(yīng)用范圍廣，但在分離和分析永久性氣體及氣態(tài)烴類，效果并不好。若采用吸附劑作固定相，利用其對(duì)氣體的吸附性能差別，可得較滿意的結(jié)果。1.固體吸附劑

主要有強(qiáng)極性的硅膠，弱極性的氧化鋁，非極性的活性炭和特殊作用的分子篩等。使用時(shí)，可根據(jù)它們對(duì)各種氣體的吸附能力不同，選擇最合適的吸附劑。硅膠：分離永久性氣體及低級(jí)烴；氧化鋁：分離烴類及有機(jī)異構(gòu)物，在低溫下可分離氫的的同位素；活性炭：分離永久性氣體及低沸點(diǎn)烴類，不適于分離極性化合物；分子篩：特別適用于永久性氣體和惰性氣體的分離。2.人工合成的固定相高分子多孔微球是一類人工合成的多孔共聚物。將它作為有機(jī)固定相則既起到載體的作用，又作為固定液，可在活化后直接用于分離，也可作為載體在其表面涂漬固定液后再用。由于是人工合成的，可控制其孔徑大小及表面性質(zhì)。圓球型顆粒容易填充均勻，數(shù)據(jù)重現(xiàn)性好。在無(wú)液膜存在時(shí)，沒(méi)有“固定相流失”問(wèn)題，有利于大幅度程序升溫，這類高分子多孔微球特別適用于有機(jī)物中痕量水的分析，也可用于多元醇、脂肪酸、腈類、胺類的分析。分極性和非極性兩種：(1)非極性的是由苯乙烯，二乙烯苯共聚而成，如國(guó)內(nèi)的GDX1型和2型，國(guó)外的Chromosorb系列等；(2)極性的是在苯乙烯、二乙烯苯共聚物中引入了極性官能團(tuán)，如國(guó)內(nèi)的GDX3型和4型，國(guó)外的PorapakN等。（1）柱效能將色譜柱當(dāng)作精餾塔，用“塔板”概念來(lái)描述組分在色譜柱內(nèi)的分配行為。塔板可理解為極小的一段色譜柱，每個(gè)色譜柱分許多個(gè)塔板。組分在每個(gè)塔板的兩相間瞬間達(dá)到分配平衡，達(dá)到一次分配平衡所需要的最小柱長(zhǎng)稱為理論塔板高度，H。H越小表明柱效能越高。氣相色譜柱的理論塔板數(shù)一般達(dá)103~106，塔板數(shù)越多，其流出曲線越接近于正態(tài)分布曲線。假設(shè)柱長(zhǎng)L，塔板數(shù)n，則實(shí)驗(yàn)證明理論塔板數(shù)與色譜峰寬有關(guān)，可按下式計(jì)算：n理論塔板數(shù)，tr保留時(shí)間，W1/2半峰寬，W峰底寬。色譜柱長(zhǎng)一定時(shí)，色譜峰越窄，塔板數(shù)n越多，理論塔板高度H就越小，柱效能越高。6.4氣相色譜分離條件的選擇

6.4.1色譜柱的分離效果由于死時(shí)間t0包括在tr中，而實(shí)際死時(shí)間不參與柱內(nèi)的分配，所以計(jì)算出來(lái)n值盡管很大，H很小，但與實(shí)際柱效相差甚遠(yuǎn)。因而提出把死時(shí)間扣除的有效理論塔板數(shù)neff，和有效塔板高度Heff作為柱效能指標(biāo)。由于neff和Heff較好地反映了組分與固定相和流動(dòng)相間的相互作用，因而能較為真實(shí)地反映柱效能的好壞。說(shuō)明柱效時(shí)，除注明色譜條件外，還應(yīng)明確物質(zhì)名稱。（2）選擇性兩組分是否實(shí)現(xiàn)分離不能看有效理論塔板數(shù)，而應(yīng)以選擇性為依據(jù)。選擇性是指色譜柱對(duì)不同組分保留值的差別，以相對(duì)保留值α來(lái)表示選擇性的好壞。α越大選擇性越好，色譜圖中兩峰的距離越大，越容易分離（3）分離度選擇性α和柱效能n分別從兩個(gè)不同的方面評(píng)價(jià)色譜分離效果，不全面。引入分離度(R)，既能反映柱效率又能反映選擇性，稱總分離效能指標(biāo)。R又叫分辨率，它定義為相鄰兩組分色譜峰保留值之差與兩組分色譜峰底寬總和一半的比值，即

分離度R的定義并沒(méi)有反映影響分離度的諸因素。分離度實(shí)際受柱效(n)、選擇因子(α)和分配比(k)三個(gè)參數(shù)的控制。由此引出基本色譜分離方程：

R值越大，表明相鄰兩組分分離越好。一般說(shuō)，當(dāng)R＜1時(shí)，兩峰有部分重疊；當(dāng)R=1時(shí)，分離程度可達(dá)98﹪；當(dāng)R=1.5時(shí)，分離程度可達(dá)99.7﹪。通常用R=1.5作為相鄰兩組分已完全分離的標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)基本色譜分離方程式及范氏理論，可指導(dǎo)選擇色譜分離的操作條件。1.柱長(zhǎng)的選擇理論上，由于分離度與柱長(zhǎng)的平方根成正比，在塔板高度不變的情況下，增加柱長(zhǎng)可使理論塔板數(shù)增大，有利于提高分離度，但增加柱長(zhǎng)會(huì)使各組分的保留時(shí)間增加，使峰展寬加大，分析時(shí)間延長(zhǎng)。因此，填充柱的柱長(zhǎng)要選擇適當(dāng)。一般情況下，柱長(zhǎng)選擇原則是以使組分達(dá)到一定分離度的條件下，盡量使用短柱。6.4.2色譜分離條件的選擇2.載氣及其流速的選擇1956年荷蘭學(xué)者vanDeemter等在研究氣液色譜時(shí)，提出了色譜過(guò)程動(dòng)力學(xué)理論-速率理論。該理論應(yīng)用了塔板理論中板高的概念，并充分考慮了組分在兩相間的擴(kuò)散和傳質(zhì)過(guò)程。從而在動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)上較好地解釋了影響板高的各種因素。vanDeemter方程的數(shù)學(xué)簡(jiǎn)化式為圖1-53H-U關(guān)系圖u流動(dòng)相線速度，可用u=L/tM；A、B、C分別代表渦流擴(kuò)散項(xiàng)系數(shù)、分子擴(kuò)散項(xiàng)系數(shù)、傳質(zhì)阻力項(xiàng)系數(shù)。A=λd，稱為渦流擴(kuò)散項(xiàng)，其中d為柱中固定相平均顆粒直徑，λ為裝填不規(guī)則因子。渦流擴(kuò)散是由于流動(dòng)相載著組分通過(guò)柱子時(shí)的多路徑而導(dǎo)致柱效降低、譜峰加寬的一種現(xiàn)象，所以A與u無(wú)關(guān)。A相當(dāng)于圖中的截距。B=2γDM，稱為縱向擴(kuò)散項(xiàng)系數(shù)。B與填充物的曲率因子γ和氣相擴(kuò)散系數(shù)DM有關(guān)。縱向擴(kuò)散是因組分在柱中沿縱向存在濃度梯度及分子的無(wú)規(guī)運(yùn)動(dòng)而造成。u越小，B的影響越大，從圖中也可看出，當(dāng)u小時(shí)，該項(xiàng)起主要作用。C為傳質(zhì)阻力項(xiàng)系數(shù)。由兩部分阻力組成，即氣相傳質(zhì)阻力與液相傳質(zhì)阻力。隨流速增加，C項(xiàng)影響加大。圖中曲線的后半部分接近直線，其斜率即為傳質(zhì)阻力項(xiàng)系數(shù)。3.柱溫的選擇柱溫直接影響分離效能和分析速度。提高柱溫可使氣相、液相傳質(zhì)速率加快，有利于降低塔板高度，改善柱效。但增加柱溫同時(shí)又加劇縱向擴(kuò)散，從而導(dǎo)致柱效下降。如果柱溫較低，又往往延長(zhǎng)了分析時(shí)間。選擇原則是：使最難分離的組分有盡可能好的分離前提下，采取適當(dāng)?shù)偷闹鶞?，但以保留時(shí)間適宜，峰形不拖尾為度。柱溫不能高于固定液的最高使用溫度。對(duì)于寬沸程的多組分混合物，可采用程序升溫法；隨著溫度上升，組分由低沸點(diǎn)到高沸點(diǎn)依次分離出來(lái)。程序升溫可改善分離，縮短時(shí)間，得到的峰形也很理想。4.載體粒度的選擇載體的粒度愈小，填裝愈均勻，柱效就愈高。但粒度也不能太小。否則，阻力和柱壓也急劇增大。6.5定性分析定性依據(jù)保留值，需要標(biāo)準(zhǔn)品，不擅長(zhǎng)。聯(lián)用技術(shù)。

6.5.1用已知純物質(zhì)對(duì)照定性一定操作條件下，各組分的保留時(shí)間一定；復(fù)雜樣品可用加標(biāo)法，通過(guò)未知物中哪個(gè)峰增大，來(lái)確定未知物中成分。圖1-54對(duì)照比較進(jìn)行定性分析無(wú)標(biāo)樣時(shí)，可用文獻(xiàn)值或用經(jīng)驗(yàn)規(guī)律定性。碳數(shù)規(guī)律：在一定溫度下，同系物的調(diào)整保留時(shí)間的對(duì)數(shù)與分子中碳原子數(shù)成線性關(guān)系，即

A1和C1是常數(shù)，n為分子中的碳原子數(shù)(n≥3)。沸點(diǎn)規(guī)律：同族同碳數(shù)碳鏈的異構(gòu)體化合物，其調(diào)整保留時(shí)間的對(duì)數(shù)和它們的沸點(diǎn)呈線性關(guān)系，即

A2和C2均為常數(shù)，Tb為組分的沸點(diǎn)(K)。6.5.2用經(jīng)驗(yàn)規(guī)律和文獻(xiàn)值進(jìn)行定性分析6.5.3根據(jù)相對(duì)保留值定性相對(duì)保留值定性比用保留值定性更可靠。保留值：條件完全一致；相對(duì)保留值：柱溫不變即可，需標(biāo)準(zhǔn)物?；鶞?zhǔn)物質(zhì)，苯、正丁烷、環(huán)己烷等?；鶞?zhǔn)物的保留值盡量接近待測(cè)樣品組分的保留值。

6.5.4根據(jù)保留指數(shù)定性又稱Kovats指數(shù)，重現(xiàn)性好，根據(jù)固定相和柱溫與文獻(xiàn)值對(duì)照，不需標(biāo)樣。規(guī)定正構(gòu)烷烴的保留指數(shù)為其碳數(shù)乘100，如正己烷和正辛烷的保留指數(shù)分別為600和800。其他物質(zhì)的保留指數(shù)采用兩個(gè)相鄰正構(gòu)烷烴保留指數(shù)進(jìn)行標(biāo)定。如組分x的保留指數(shù)：

求出保留指數(shù)，與文獻(xiàn)值對(duì)照定性。要重現(xiàn)實(shí)驗(yàn)條件，如固定液、柱溫等，同時(shí)用幾個(gè)已知組分進(jìn)行驗(yàn)證。6.5.5雙柱、多柱定性對(duì)于復(fù)雜樣品的分析，為了保證結(jié)果的準(zhǔn)確性，往往利用雙柱或多柱法更有效、可靠。兩種組分在一根柱子上可能出現(xiàn)相同保留值，當(dāng)改變色譜分離條件，使用不同的柱子時(shí)，就有可能出現(xiàn)不同的保留值。6.5.6與其他方法結(jié)合氣相色譜與質(zhì)譜、傅立葉紅外光譜、發(fā)射光譜等儀器聯(lián)用是目前解決復(fù)雜樣品定性分析最有效工具之一。6.6定量分析氣相色譜定量分析是根據(jù)檢測(cè)器對(duì)溶質(zhì)產(chǎn)生的響應(yīng)信號(hào)與溶質(zhì)的量成正比的原理，通過(guò)色譜圖上的面積或峰高，計(jì)算樣品中溶質(zhì)的含量。6.6.1峰面積測(cè)量方法峰面積是色譜圖提供的基本定量數(shù)據(jù)，峰面積測(cè)量的準(zhǔn)確與否直接影響定量結(jié)果。6.6.2校正因子(1)定量校正因子峰面積與組分的量成正比。但對(duì)不同物質(zhì)，檢測(cè)器的靈敏度不同，相同的峰面積并不意味著相等物質(zhì)的量。因此，在計(jì)算時(shí)需將面積乘上一個(gè)換算系數(shù)(fi‘)，使組分的面積轉(zhuǎn)換成相應(yīng)物質(zhì)的量，即

ωi為組分i的量，質(zhì)量、摩爾數(shù)或體積(對(duì)氣體)；Ai為峰面積，fi’為換算系數(shù)，稱為定量校正因子。它可表示為定量校正因子：?jiǎn)挝环迕娣e的組分的量。檢測(cè)器靈敏度Si與定量校正因子關(guān)系：⑵相對(duì)定量校正因子由于物質(zhì)量ωi不易準(zhǔn)確測(cè)量，要準(zhǔn)確測(cè)定定量校正因子fi‘不易達(dá)到，在實(shí)際工作引入相對(duì)定量校正因子fi。fi定義：樣品中各組分與標(biāo)準(zhǔn)物的定量校正因子之比。用下式表示

m質(zhì)量，A面積，i待測(cè)組分，s標(biāo)準(zhǔn)物。一般來(lái)說(shuō)，熱導(dǎo)池檢測(cè)器標(biāo)準(zhǔn)物用苯，氫火焰離子檢測(cè)器用正庚烷。fi(m)表示相對(duì)質(zhì)量校正因子，也可用相對(duì)摩爾校正因子fi(M)和相對(duì)體積校正因子fi(V)表示。式中Mi和Ms分別為待測(cè)組分和標(biāo)準(zhǔn)物的相對(duì)分子質(zhì)量；22.4L/mol是氣體標(biāo)況摩爾體積。6.6.3幾種常用的定量計(jì)算方法⑴歸一化法最常用，前提條件：試樣中各組分必須全部流出色譜柱，并在色譜圖上都出現(xiàn)色譜峰。式中Ai為組分i的峰面積，fi為組分i的定量校正因子。（fi分別為摩爾校正因子、體積校正因子、質(zhì)量校正因子時(shí)，xi則相應(yīng)為摩爾分?jǐn)?shù)、體積分?jǐn)?shù)、質(zhì)量分?jǐn)?shù)。）優(yōu)點(diǎn)：簡(jiǎn)便準(zhǔn)確，操作條件如進(jìn)樣量、載氣流速等對(duì)結(jié)果影響小。適合于對(duì)多組分試樣中各組分含量的分析。⑵外標(biāo)法通用方法，即校準(zhǔn)曲線法。特點(diǎn)：簡(jiǎn)便，不需要校正因子，但進(jìn)樣量要求準(zhǔn)確，操作條件要求嚴(yán)格。它適用于日常控制分析和大量同類樣品的分析。⑶內(nèi)標(biāo)法特點(diǎn)：選擇內(nèi)標(biāo)物，以固定的濃度加入標(biāo)準(zhǔn)液和樣品液中，以抵消實(shí)驗(yàn)條件和進(jìn)樣量誤差。校準(zhǔn)曲線是用Ai/As對(duì)xi作圖。通過(guò)原點(diǎn)的直線可表示為

Ki比例常數(shù)，它與校正因子的關(guān)系是：

內(nèi)標(biāo)物要求：樣品中不含有內(nèi)標(biāo)物；峰的位置在各待測(cè)組分之間或與之相近；穩(wěn)定、易得純品；與樣品能互溶但無(wú)化學(xué)反應(yīng)；濃度恰當(dāng)，峰面積與待測(cè)組分相差不太大。6.7毛細(xì)管氣相色譜法色譜動(dòng)力學(xué)理論認(rèn)為，氣相色譜填充柱由于存在固定相顆粒，在運(yùn)行中不可避免地存在較嚴(yán)重的渦流擴(kuò)散，制約了色譜柱分離柱效的提高。1956年，空心毛細(xì)管色譜柱，為毛細(xì)管色譜奠定了基礎(chǔ)。毛細(xì)管氣相色譜儀和填充柱色譜儀相似。前者比后者在柱前多一個(gè)分流或不分流進(jìn)樣器，柱后加一個(gè)尾吹氣路。毛細(xì)管柱柱容量小、出峰快，須特殊技術(shù)：要求瞬間注入極小量樣品，進(jìn)樣器的好壞直接影響色譜柱色譜的定量結(jié)果。需要響應(yīng)快、靈敏度高的檢測(cè)器和快速響應(yīng)的記錄儀。1.毛細(xì)管色譜柱的分類(i)涂壁開(kāi)管柱(WCOT)：先將內(nèi)壁經(jīng)預(yù)處理后，再把固定液直接涂在毛細(xì)管內(nèi)壁上，不含任何固態(tài)載體。(ii)多孔層開(kāi)管柱(PLOT)：在毛細(xì)管內(nèi)壁上有多孔層固定相，不再涂固定液。柱容量大。(iii)載體涂漬開(kāi)管柱(SCOT)：內(nèi)壁上沉積載體后涂固定液的空心柱，沉積載體后增大表面積，液膜較厚，可以提高進(jìn)樣量。柱容量較WCOT柱大。(iv)交聯(lián)型開(kāi)管柱：涂漬型WCOT、SCOT熱穩(wěn)定性和耐溶劑性較差。把固定液交聯(lián)到毛細(xì)管內(nèi)壁上，高效、耐高溫及抗溶劑沖刷。(v)鍵合型開(kāi)管柱：化學(xué)鍵合固定液與毛細(xì)管內(nèi)壁，提高了熱穩(wěn)定性。2、毛細(xì)管柱的特點(diǎn)(i)滲透性好，可使用長(zhǎng)色譜柱。滲透性好指流動(dòng)阻力小，一般毛細(xì)管柱的比滲透率為填充柱的100倍。(ii)相比率(β，氣固相容積之比)大，有利于提高柱效并實(shí)現(xiàn)快速分。β值大(固定液液膜厚度小)，有利于提高柱效?？捎煤芨叩妮d氣流速，實(shí)現(xiàn)快速分析。(iii)柱容量小，允許進(jìn)樣量少。進(jìn)樣量取決于柱內(nèi)固定液含量，由于毛細(xì)管柱涂漬的固定液僅幾十毫克，液膜厚度為0.35～1.50μm，柱容量小。對(duì)液體樣品，一般進(jìn)樣量為10-3~10-2μL，故需要采用分流進(jìn)樣技術(shù)。(iv)總柱效高。由于毛細(xì)管柱長(zhǎng)比填充柱大1~2個(gè)數(shù)量級(jí)，所以總柱效遠(yuǎn)高于填充柱，適合分離復(fù)雜混合物。6.8裂解氣相色譜分析裂解氣相色譜(PGC)：裂解裝置+色譜，進(jìn)樣器處安裝裂解器，產(chǎn)生的碎片隨載氣進(jìn)入氣相色譜儀進(jìn)行分析。PGC-MS聯(lián)用，適合于分析高分子材料。6.8.1裂解氣相色譜的特點(diǎn)1、對(duì)于結(jié)構(gòu)類似的樣品，可以通過(guò)選擇適宜的裂解條件進(jìn)行分辨。2、樣品純度要求不高，可直接對(duì)高分子材料及其中的某些助劑、殘留單體和溶劑等進(jìn)行鑒定。3、操作較簡(jiǎn)便，分析速度快。4、應(yīng)用范圍寬，廣泛用于高分子研究的各個(gè)領(lǐng)域。5、缺點(diǎn)：影響裂解的因素多，裂解過(guò)程復(fù)雜，重復(fù)性差。6.8.2熱裂解裝置溫度低，降解速度慢，副產(chǎn)物多，特征峰不明顯；溫度太高，碎片太小，也不適合定性定量。如聚苯乙烯，425℃主要生成苯乙烯及其二聚體；825℃，除單體外，還有苯、甲苯、乙烯、乙炔等碎片；1025℃生成大量的苯和乙烯等，無(wú)特征性。對(duì)裂解裝置的要求：(1)有一定的溫度調(diào)節(jié)范圍，且比較容易進(jìn)行溫控。(2)能快速升溫。避免在升溫過(guò)程中不斷分解。(3)裂解后，產(chǎn)物能很快移出裂解器，二次反應(yīng)少。(4)裂解器無(wú)催化作用。目前最常用的裂解裝置有熱絲裂解器、管爐裂解器、居里點(diǎn)裂解器、激光裂解器等。6.8.3譜圖解析“指紋圖”或“特征峰”。所謂“指紋圖”的方法，是依照整個(gè)譜圖的形狀來(lái)鑒別樣品。所謂“待征峰”法則不需要對(duì)照整個(gè)譜圖，只需研究特征的幾個(gè)峰即可。特征峰的方法也可用于高分子材料的定量分析。要求譜圖重復(fù)性好。分離與結(jié)構(gòu)分析結(jié)合。在GC/MS中，色譜儀相當(dāng)于分離和進(jìn)樣裝置，質(zhì)譜儀則相當(dāng)于定性檢測(cè)器。質(zhì)譜儀高真空，氣相色譜常壓并需載氣。過(guò)渡裝置-接口。接口作用：1、壓力匹配2、組分濃縮——排除載氣，使被測(cè)物濃縮后進(jìn)入離子源GC-MS適合于復(fù)雜組分的分離與鑒定，其具有GC的高分辨率和MS的高靈敏度，是生物樣品中藥物與代謝物定性定量的有效工具。6.9氣相色譜與質(zhì)譜聯(lián)用技術(shù)（GC/MS）7核磁共振波譜法核磁共振波譜法（NuclearMagneticResonance，簡(jiǎn)寫為NMR），是鑒定化合物結(jié)構(gòu)的重要工具之一，它與紫外光譜、紅外光譜、質(zhì)譜被人們稱為“四譜”。7.1核磁共振基本原理在強(qiáng)磁場(chǎng)中，磁性原子核的能量可以裂分為2個(gè)或2個(gè)以上的能級(jí)。如果此時(shí)外加的能量等于相鄰2個(gè)能級(jí)之差，則核就會(huì)吸收能量，產(chǎn)生共振吸收，從低能態(tài)躍遷至高能態(tài)。所吸收能量的數(shù)量級(jí)相當(dāng)于頻率范圍為0.1~100MHz的電磁波，屬于射頻區(qū)。同時(shí)產(chǎn)生核磁共振信號(hào)，得到核磁共振譜。7.1.1原子核的自旋原子核是帶正電荷的粒子，許多原子核能繞核軸自旋，形成一定的自旋角動(dòng)量P，這種自旋如同電流流過(guò)線圈能產(chǎn)生磁場(chǎng)一樣，可以產(chǎn)生磁矩。各種不同的原子核，自旋的情況不同，原子核自旋的情況可用自旋量子數(shù)I表征。I是核的特征常數(shù)，其數(shù)值與中子數(shù)和質(zhì)子數(shù)有關(guān)。表1-15各種核的自旋量子數(shù)規(guī)律：(ⅰ)I=0原子核，中子數(shù)、質(zhì)子數(shù)、質(zhì)量數(shù)均為偶數(shù)。核的自旋角動(dòng)量為零，無(wú)自旋現(xiàn)象，如12C6、16O8、32S16等核。I=0的核稱為非磁性核，I≠0的核則稱為磁性核；(ⅱ)I=1/2，3/2，5/2，…原子核，中子數(shù)和質(zhì)子數(shù)一個(gè)為偶數(shù)，另一個(gè)為奇數(shù)，質(zhì)量數(shù)為奇數(shù)，如1H1、15N7、19F9，11B5、17O8等核，自旋角動(dòng)量不為零，可產(chǎn)生核自旋現(xiàn)象；(ⅲ)I=1，2，…原子核，中子數(shù)、質(zhì)子數(shù)均為奇數(shù)，質(zhì)量數(shù)為偶數(shù)，如2H1、14N7等，自旋角動(dòng)量不為零，是磁性核。核磁共振研究的對(duì)象即為(ⅱ)、(ⅲ)類原子核。其中I=1/2的原子核，核電荷呈球形均勻分布于核表面，具有良好的核磁共振的譜線，最宜于核磁共振檢測(cè)。目前研究和應(yīng)用最多的是1H1和13C6的核磁共振譜。7.1.2核磁共振現(xiàn)象量子力學(xué)模型和經(jīng)典力學(xué)模型。

（1）量子力學(xué)模型

以氫核為例，可看做電荷均勻分布的球體，自旋量子數(shù)I為1/2。當(dāng)氫核圍繞它的自旋軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)就產(chǎn)生磁場(chǎng)。由于氫核帶正電荷，轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的磁場(chǎng)方向可由右手定則確定，由此可將旋轉(zhuǎn)的核看成是一個(gè)小的磁鐵棒。圖1-55在外磁場(chǎng)中核自旋能級(jí)的裂分示意圖若將氫核置于外加磁場(chǎng)H0中，核的自旋軸在外加磁場(chǎng)中有(2I+1)個(gè)取向。由于氫核的I=1/2，故只能有兩種取向。兩種取向不同的氫核，其能量差△E：由于I=1/2，故式中為自旋核產(chǎn)生的磁矩，以“核磁子b”為單位，b是一個(gè)常數(shù)，稱為核磁子，等于5.0505×10-27J/T，H0為外加磁場(chǎng)強(qiáng)度，以T(特斯拉)為單位。當(dāng)射頻輻射的能量條件時(shí)，氫核便與輻射光子相互作用，體系吸收能量，核由低能態(tài)(m=+1/2)躍遷至高能態(tài)(m=-1/2)。v0即為射頻輻射頻率。（2）經(jīng)典力學(xué)模型以氫核為例，在外部磁場(chǎng)中，核自旋產(chǎn)生的磁場(chǎng)與外磁場(chǎng)相互作用，產(chǎn)生的回旋運(yùn)動(dòng)，稱為進(jìn)動(dòng)(procession)，進(jìn)動(dòng)的頻率與自旋質(zhì)點(diǎn)角速度及外部磁場(chǎng)的關(guān)系可以用Larmor方程表示，即：圖1-56自旋核在外磁場(chǎng)中的兩種取向γ是各種核的特征常數(shù)，稱磁旋比。各種不同的核，γ不同。由上式得，核的進(jìn)動(dòng)頻率為：由公式H0一定，則核的進(jìn)動(dòng)頻率一定。若此時(shí)以相同頻率的射頻輻射進(jìn)動(dòng)核，即產(chǎn)生了共振(此時(shí)v0=進(jìn)動(dòng)頻率=光子頻率)，處于低能態(tài)的核將吸收射頻能量而躍遷至高能態(tài)，使其磁矩在磁場(chǎng)中的取向逆轉(zhuǎn)，產(chǎn)生核磁共振現(xiàn)象。共振頻率影響因素：（?。┎煌雍舜判圈貌煌?，在同一磁場(chǎng)中，發(fā)生共振時(shí)的頻率各不相同。據(jù)此可鑒別各種元素及同位素。（ⅱ）同一原子核磁旋比γ是一個(gè)定值，當(dāng)外磁場(chǎng)一定時(shí)，共振頻率一定，若磁場(chǎng)強(qiáng)度改變，共振頻率也改變。表1-16常見(jiàn)核的核磁共振數(shù)據(jù)7.1.3弛豫在室溫(300K)及1.409T磁場(chǎng)中，處在高能態(tài)與低能態(tài)上的原子核數(shù)目符合玻耳茲曼方程，處于低能態(tài)的核僅比高能態(tài)的核多百萬(wàn)分之十左右。N(-?)和N(+?)：處在高能態(tài)和低能態(tài)上的核數(shù)目；△E：兩能級(jí)間的能量差；K：玻耳茲曼常數(shù)；T：絕對(duì)溫度。低能級(jí)的核吸收能量后，激發(fā)到高能級(jí)，同時(shí)給出共振信號(hào)。隨著實(shí)驗(yàn)進(jìn)行，低能級(jí)核越來(lái)越少，最后高能級(jí)與低能級(jí)上分布的核數(shù)目相等。此時(shí)，共振信號(hào)消失，稱為“飽和”。事實(shí)上，共振信號(hào)并未中止，因?yàn)樘幱诟吣芗?jí)的核通過(guò)非輻射途徑釋放能量后，及時(shí)返回低能級(jí)，從而使低能級(jí)核始終維持多數(shù)。處于高能級(jí)的核通過(guò)非輻射途徑而回復(fù)到低能級(jí)的過(guò)程稱為弛豫。分縱向弛豫和橫向弛豫?？v向弛豫又稱自旋-晶格弛豫。處于高能級(jí)的核將其能量轉(zhuǎn)移給周圍分子骨架(晶格)中的其它核變成熱能回到低能級(jí)，使高能級(jí)的核數(shù)減少，整個(gè)體系能量降低，這種方式稱縱向弛豫。縱向弛豫時(shí)間t1。t1越小，表示弛豫過(guò)程越快。橫向弛豫又稱自旋-自旋弛豫。相鄰的同類磁核中發(fā)生能量交換，使高能級(jí)的核回到低能級(jí)，在這種狀況下，整個(gè)體系各種取向的磁核總數(shù)不變，體系能量也不發(fā)生變化，這就是自旋-自旋弛豫。橫向弛豫時(shí)間t2，通常t1>t2。弛豫時(shí)間長(zhǎng)，核磁共振信號(hào)的譜線窄，但系統(tǒng)易飽和；弛豫時(shí)間短，造成譜線變寬，分辨率下降。磁場(chǎng)是否均勻?qū)ψV線寬度的影響大，因此測(cè)試期間樣品管需高速旋轉(zhuǎn)。7.2核磁共振波譜儀7.2.1核磁共振波譜儀分類連續(xù)波&脈沖傅里葉變換兩種核磁共波振譜儀。

組成：電磁鐵、磁場(chǎng)掃描發(fā)生器、射頻發(fā)射器、射頻接受器及信號(hào)記錄系統(tǒng)。圖1-56核磁共振儀的示意圖磁鐵能形成高的場(chǎng)強(qiáng)，磁鐵的質(zhì)量和強(qiáng)度決定了核磁共振波譜儀的靈敏度和分辨率。從樣品測(cè)定的角度要求磁場(chǎng)的均勻性、穩(wěn)定性及重現(xiàn)性好。射頻發(fā)生器提供穩(wěn)定電磁波(射頻)。射頻接受器當(dāng)射頻發(fā)生器發(fā)射的電磁波頻率和磁場(chǎng)強(qiáng)度符合核磁共振條件時(shí)，放置在磁場(chǎng)和射頻線圈中間的試樣發(fā)生共振而吸收能量，這個(gè)能量吸收情況被射頻接受器檢出后，經(jīng)放大記錄成核磁共振譜。樣品管不吸收射頻，急速旋轉(zhuǎn)。核磁共振儀的掃描方式有兩種：一種是保持頻率不變，線性地改變磁場(chǎng)強(qiáng)度進(jìn)行掃描，這種方式稱為掃場(chǎng)；另一種是保持磁場(chǎng)恒定，線性地改變頻率，稱為掃頻。許多儀器同時(shí)具有這兩種掃描方式。7.2.2脈沖傅里葉變換NMR儀脈沖傅里葉變換NMR儀(PulsedFourierTransformNMR，PFT-NMR)是采用在恒定的磁場(chǎng)中，在整個(gè)頻率范圍內(nèi)施加一定能量的脈沖，使自旋取向發(fā)生改變并躍遷至高能態(tài)。高能態(tài)的核經(jīng)一段時(shí)間后又重新返回低能態(tài)，通過(guò)收集這個(gè)過(guò)程產(chǎn)生的感應(yīng)電流，即可獲得時(shí)間域上的波譜圖。一種化合物具有多種吸收頻率時(shí)，圖譜復(fù)雜，稱為自由感應(yīng)衰減(FreeInductionDecay，F(xiàn)ID)，自由感應(yīng)衰減信號(hào)經(jīng)快速傅里葉變換后即可獲得頻域上的波譜圖，即常見(jiàn)的NMR譜圖。PFT-NMR特點(diǎn)：分析速度快，靈敏度高，分辨率高；可用于核的動(dòng)態(tài)過(guò)程、瞬時(shí)過(guò)程、反應(yīng)動(dòng)力學(xué)等方面的研究。7.31H-核磁共振波譜7.3.1化學(xué)位移應(yīng)用高分辨率核磁共振儀，有機(jī)物中氫核的共振譜線有許多條，且存在許多精細(xì)結(jié)構(gòu)，如圖。核所處的化學(xué)環(huán)境對(duì)核磁共振吸收的影響：(1)質(zhì)子周圍基團(tuán)的性質(zhì)不同，使共振頻率不同，這種現(xiàn)象稱為化學(xué)位移。(a)

(2)質(zhì)子受相鄰基團(tuán)的質(zhì)子的自旋狀態(tài)影響，使其吸收峰裂分的現(xiàn)象稱為自旋-自旋裂分。(b)圖1-58乙醇的核磁共振波譜圖一個(gè)核置于強(qiáng)磁場(chǎng)中，其周圍不斷運(yùn)動(dòng)的電子就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)方向相反的感應(yīng)磁場(chǎng)，使核實(shí)際受到的磁場(chǎng)強(qiáng)度減弱。這種現(xiàn)象稱為屏蔽，如圖，核所受到的實(shí)際磁場(chǎng)強(qiáng)度為：

H0為沒(méi)有屏蔽作用時(shí)，核共振所需磁場(chǎng)強(qiáng)度；σ為屏蔽常數(shù)，反映核外電子感應(yīng)磁場(chǎng)抵消外加磁場(chǎng)的程度，ppm級(jí)，使原子核實(shí)際受到的磁場(chǎng)作用減小。表示式：圖1-59電子對(duì)質(zhì)子的屏蔽作用屏蔽作用的大小與核外電子云有關(guān)，電子云密度愈大，屏蔽作用也愈大，共振時(shí)產(chǎn)生的化學(xué)位移也愈大?；瘜W(xué)位移的大小用位移常數(shù)δ來(lái)表示，化學(xué)位移沒(méi)有一個(gè)絕對(duì)標(biāo)準(zhǔn)，因而采用相對(duì)表示法。一般用四甲基硅烷(TMS)作參比，用下式表示相對(duì)化學(xué)位移值δ：選用TMS做標(biāo)準(zhǔn)的原因：(1)TMS中的12個(gè)氫核處于完全相同的化學(xué)環(huán)境中，它們的共振條件完全一樣，因此只有一個(gè)尖峰。(2)它們外圍的電子云密度和一般有機(jī)物相比是最密的，因此這些核都是最強(qiáng)烈地被屏蔽著，位移常數(shù)δ值最大，不會(huì)和其它化合物的峰重疊。(3)TMS化學(xué)惰性，不會(huì)和試樣反應(yīng)。表1-29各種分子環(huán)境的質(zhì)子化學(xué)位移范圍7.3.2影響化學(xué)位移的各種因素影響核外電子云密度分布的因素都會(huì)影響化學(xué)位移，包括誘導(dǎo)效應(yīng)、共軛效應(yīng)、磁各向異性效應(yīng)等內(nèi)部因素和溶劑效應(yīng)、氫鍵的形成等外部因素。⑴誘導(dǎo)效應(yīng)由于電負(fù)性基團(tuán)的存在，如鹵素、硝基、氰基等，使與之相接的核外電子云密度下降，從而產(chǎn)生去屏蔽作用，使共振信號(hào)移向低場(chǎng)。且屏蔽作用將隨電負(fù)性基團(tuán)的元素的電負(fù)性大小及個(gè)數(shù)而發(fā)生相應(yīng)變化(見(jiàn)表)，但變化并不具有線性加和性。表1-18甲烷中質(zhì)子的化學(xué)位移與取代元素電負(fù)性的關(guān)系

⑵共軛效應(yīng)共軛效應(yīng)亦可使電子云密度發(fā)生變化，從而使化學(xué)位移向高場(chǎng)或低場(chǎng)變化。⑶磁各向異性效應(yīng)電子環(huán)流將會(huì)產(chǎn)生一個(gè)次級(jí)磁場(chǎng)(右手定則)。如苯環(huán)上的質(zhì)子是去屏蔽的(圖1-60)，在低磁場(chǎng)處共振。同理，具有π電子云的乙炔、乙烯、醛基都會(huì)產(chǎn)生屏蔽作用[圖1-61(b)]和去屏蔽作用[圖1-61(a)]。圖1-60苯環(huán)上質(zhì)子的去屏蔽效應(yīng)圖1-61環(huán)流電子所引起的次級(jí)磁場(chǎng)

(a)乙烯(b)乙炔⑷氫鍵當(dāng)形成分子內(nèi)氫鍵時(shí)，氫質(zhì)子周圍的電子云密度降低，氫鍵中質(zhì)子的信號(hào)明顯地移向低磁場(chǎng)，使化學(xué)位移值變大。其化學(xué)位移的變化與濃度無(wú)關(guān)，只與其自身結(jié)構(gòu)有關(guān)。對(duì)于分子間形成的氫鍵，化學(xué)位移的改變與溶劑的性質(zhì)及濃度有關(guān)。如在惰性溶劑的稀溶液中，可以不考慮氫鍵的影響；但隨著濃度增加，羥基的化學(xué)位移值增大。⑸溶劑效應(yīng)不同的溶劑可能具有不同的磁各向異性，可能以不同方式與分子相互作用而使化學(xué)位移發(fā)生變化。只有在同一種溶劑中化合物的譜圖才具有可比性。7.3.3自旋耦合與自旋裂分乙醇的低分辨NMR圖譜只有三個(gè)峰，高分辨NMR圖譜發(fā)生裂分。相鄰碳原子的質(zhì)子之間相互作用稱為自旋-自旋耦合，簡(jiǎn)稱耦合。由自旋耦合引起的譜線增多的現(xiàn)象稱自旋-自旋裂分，簡(jiǎn)稱自旋裂分。每一個(gè)質(zhì)子都可看做一個(gè)自旋的小磁體，與外磁場(chǎng)方向一致或相反，這兩種可能性出現(xiàn)的幾率基本相等。乙醇：甲基中的Ha受到相鄰亞甲基碳原子上兩個(gè)Hb的影響。即在Ha的近旁存在著兩個(gè)小磁鐵，通過(guò)成鍵價(jià)電子的傳遞，對(duì)Hb產(chǎn)生影響。由于質(zhì)子的自旋有兩種取向，兩個(gè)Hb的自旋就可能有三種不同的組合。HO-CH2-CH3去屏蔽小的屏蔽常數(shù)大的化學(xué)位移低場(chǎng)正屏蔽大的屏蔽常數(shù)小的化學(xué)位移高場(chǎng)(1)磁矩與外界磁場(chǎng)方向一致，使Ha受到的磁場(chǎng)力增強(qiáng)，移向低場(chǎng)；(2)與外磁場(chǎng)方向相反，使Ha受到的磁場(chǎng)力降低，于是使Ha的共振峰移向高場(chǎng)；(3)兩種狀態(tài)磁場(chǎng)抵消，無(wú)影響。四種自旋組合的概率相等，因此(3)的情況出現(xiàn)的概率二倍于(1)或(2)，于是中間的共振峰的強(qiáng)度也二倍于(1)或(2)。同理，Ha也影響Hb的共振，一個(gè)Ha的自旋取向有八種，但這八種其中只有四種組合是有影響的，故三個(gè)Ha可產(chǎn)生四種不同的局部磁場(chǎng)，使Hb的共振峰分裂為四重峰，強(qiáng)度比為1：3：3：1。HO-CH2-CH3

ppm一般來(lái)說(shuō)，分裂峰的數(shù)目是由相鄰碳原子上的氫原子數(shù)決定的，若相鄰碳原子上的質(zhì)子數(shù)為n，則分裂峰數(shù)為n+1。而分裂后各組多重峰的強(qiáng)度比為：二重峰1：1；三重峰l：2：1；四重峰1：3：3：1等。即比例數(shù)為(a十b)n展開(kāi)后各項(xiàng)的系數(shù)。分裂后各多重峰之間的距離用耦合常數(shù)J表示，單位為Hz。J的大小表示耦合作用的強(qiáng)弱，耦合常數(shù)與化學(xué)位移不同，它不隨外加磁場(chǎng)強(qiáng)度變化而變化。質(zhì)子間的耦合作用是通過(guò)成鍵的價(jià)電子傳遞的，當(dāng)質(zhì)子間相隔三個(gè)鍵時(shí)，這種力比較顯著，J一般在1～20HZ之間；如果相隔四個(gè)單鍵或四個(gè)以上單鍵，相互間作用力已很小，J值減小至1HZ左右或等于零。由于耦合是質(zhì)子之間的相互作用，因此互相耦合的二組質(zhì)子，其耦合常數(shù)相等。根據(jù)耦合常數(shù)J，可判斷相互耦合的氫核鍵的連接關(guān)系，并可幫助推斷化合物的結(jié)構(gòu)和構(gòu)象。表1-19質(zhì)子自旋-自旋耦合常數(shù)1.7.413C核磁共振波譜13C-NMR是目前常規(guī)NMR方法之一，用于研究有機(jī)化合物中13C核的核磁共振狀況，給出化合物中碳的信息，對(duì)于化合物(特別是高分子)中碳的骨架結(jié)構(gòu)的分析測(cè)定是很有意義的。在碳譜中，正確判斷碳原子的級(jí)數(shù)，即碳原子上相連氫原子的數(shù)目，對(duì)于鑒定有機(jī)物結(jié)構(gòu)具有十分重要的意義。配合全去耦圖可清楚地鑒別各種碳原子的級(jí)數(shù)。與核磁共振氫譜相比的優(yōu)勢(shì)：⑴13CNMR提供的是分子骨架的信息；⑵13CNMR譜的化學(xué)位移范圍達(dá)200ppm，而1H-NMR的化學(xué)位移只在10ppm左右，13CNMR中峰重疊比質(zhì)子NMR小得多。⑶有機(jī)化合物中，相鄰的13C不會(huì)發(fā)生自旋耦合；⑷去耦技術(shù)成熟，可有效消除13C與質(zhì)子之間耦合。圖1-62常見(jiàn)官能團(tuán)的碳譜化學(xué)位移值7.5核磁共振波譜法的應(yīng)用核磁共振波譜能提供的參數(shù)主要有化學(xué)位移值、質(zhì)子的裂分峰數(shù)、耦合常數(shù)以及各組峰的積分等。譜圖解析注意：1.區(qū)分出雜質(zhì)峰，溶劑峰。

雜質(zhì)的含量相比于樣品總是少的，因此雜質(zhì)的峰面積和樣品的峰面積相比也是小的，且樣品和雜質(zhì)的峰面積之間沒(méi)有簡(jiǎn)單的整數(shù)比關(guān)系，據(jù)此，可將雜質(zhì)峰區(qū)別開(kāi)來(lái)。

氫核磁共振實(shí)驗(yàn)所用來(lái)溶解樣品的試劑為氘代試劑，試劑的純度不可能達(dá)到100%的同位素純，其中的微量氫會(huì)有相應(yīng)的峰，如CDCl3，在約7.26ppm處出峰。因此，應(yīng)當(dāng)對(duì)各種常用氘代試劑的出峰位置非常熟悉。2.確定譜圖中各峰組所對(duì)應(yīng)的氫原子的數(shù)目，對(duì)氫原子進(jìn)行分配。確定數(shù)目時(shí)，所依據(jù)的主要是積分，如果知道元素組成式，即知道該化合物有多少個(gè)氫原子時(shí)，根據(jù)積分曲線便可確定譜圖中各峰組所對(duì)應(yīng)的氫原子數(shù)目；如果不知道元素組成式，但是譜圖中存在能準(zhǔn)確判斷氫原子數(shù)目的峰組（如甲氧基、甲基等），則可以此為準(zhǔn)找到化合物中各種含氫官能團(tuán)的氫原子的個(gè)數(shù)。

對(duì)于比較復(fù)雜的譜圖，峰組重疊，各峰組對(duì)應(yīng)的氫原子數(shù)目不很清楚時(shí)，需結(jié)合氫譜和碳譜仔細(xì)比較，認(rèn)真判斷。3.考慮分子的對(duì)稱性。若分子中存在對(duì)稱現(xiàn)象，或是整體對(duì)稱，或是局部對(duì)稱，會(huì)使譜圖出現(xiàn)的峰組數(shù)明顯減少，則應(yīng)結(jié)合質(zhì)譜的分子離子峰的判斷結(jié)果，及積分的大小，分析出其對(duì)稱性部分。4.對(duì)每一組峰的化學(xué)位移和耦合常數(shù)都進(jìn)行仔細(xì)分析。應(yīng)充分注意峰組內(nèi)的等間距和峰組間的等間距，因?yàn)槊拷M等間距均應(yīng)對(duì)應(yīng)一個(gè)耦合常數(shù)，具有相同等間距的峰組說(shuō)明它們有相互耦合關(guān)系。這一點(diǎn)在譜圖解析中非常重要。5.組合所有可能的結(jié)構(gòu)式。將推斷出的若干結(jié)構(gòu)單元進(jìn)行組合，得出幾種可能的結(jié)構(gòu)式。6.對(duì)推斷出的結(jié)構(gòu)通過(guò)與其他譜圖進(jìn)行綜合確認(rèn)。NMR在高聚物研究中的應(yīng)用應(yīng)用廣泛：NMR可用于鑒別高分子材料、測(cè)定共聚物的組成、研究動(dòng)力學(xué)過(guò)程等。特別是在研究共聚物序列分布和高聚物的立構(gòu)規(guī)整性方面有其突出的特點(diǎn)。只要NMR有足夠的分辨率，可以不用已知標(biāo)樣，直接從譜峰面積得出定量計(jì)算結(jié)果。應(yīng)用局限：在一般的NMR測(cè)定中，要求把試樣配成溶液，而一般的高分子材料溶解性差，即使溶解了粘度也會(huì)較大。實(shí)際工作中，需要選擇適當(dāng)?shù)娜軇┖驮谝欢ǖ臏囟认逻M(jìn)行測(cè)定才能得到較好結(jié)果。固體高分辨核磁共振波譜法：采用固體高分辨核磁共振波譜法，可用于測(cè)定高分子固體試樣。1高分子的鑒別

NMR是鑒別高聚物的有效手段，甚至一些結(jié)構(gòu)類似，紅外光譜圖也基本類似，只是指紋區(qū)不同的聚合物，用NMR也能鑒別。聚丙烯酸乙酯聚丙酸乙烯酯組成均為C5H8O2，IR譜圖很相似，若用1H-NMR就很容易區(qū)別。Ha四重峰，Hb三重峰。Ha=4.12Hb=1.21屏蔽大Ha=2.25Hb=1.112共聚物組成的測(cè)定用NMR特別是1H-NMR可以直接測(cè)定質(zhì)子數(shù)之比而得到各基團(tuán)的定量結(jié)果，因此用NMR研究共聚物組成最大的優(yōu)點(diǎn)是不用依靠已知標(biāo)樣，就可以直接測(cè)定共聚組成比。例如丁二烯-苯乙烯共聚物1H-NMR譜圖：在δ=5ppm左右的吸收峰為C=C上的氫，而δ=7ppm左右的峰為苯環(huán)上的