核磁共振波谱和质谱分析

第十三章

核磁共振波谱一、概述generalization二、原子核的自旋nuclearspin三、核磁共振现象nuclearmagneticresonance四、饱和与弛豫Saturationandrelaxation第一节

核磁共振原理Nuclearmagneticresonancespectroscopy,NMRPrinciplesofnuclearmagneticresonance1核磁共振波谱和质谱分析5/8/2024一、概述generalization在磁场的激励下，一些具有磁性的原子核存在着不同的能级，如果此时外加一个能量，使其恰等于相邻2个能级之差，则该核就可能吸收能量（称为共振吸收），从低能级跃迁到高能级。吸收的能量数量级相当于射频率范围的电磁波，因此，所谓核磁共振就是研究磁性原子核对射频能的吸收。2核磁共振波谱和质谱分析5/8/20243核磁共振波谱和质谱分析5/8/2024紫外-可见红外核磁共振吸收能量紫外可见光200~780nm红外光780nm~1000

m无线电波1~100m跃迁类型电子能级跃迁振动能级跃迁自旋原子核能级跃迁与紫外、红外光谱的比较4核磁共振波谱和质谱分析5/8/2024利用核磁共振光谱图进行结构预测，定性与定量分析的方法称为核磁共振波谱法，简称NMR。在有机化合物中，经常研究的是1H和13C的共振吸收波谱。吸收一定的能量，原子核能级发生跃迁，同时产生核磁共振信号，得到核磁共振谱图。5核磁共振波谱和质谱分析5/8/2024NMR是结构分析的重要工具之一，在化学、生物、医学、临床等研究工作中得到了广泛的应用。分析测定时，样品不会受到破坏，属于无破损分析方法。6核磁共振波谱和质谱分析5/8/2024

原子核具有质量并带正电荷，大多数核有自旋现象，在自旋时产生磁矩（），磁矩的方向可用右手定则确定，核磁矩和核自旋角动量P都是矢量，方向相互平行，且磁矩随角动量（P）的增加成正比地增加。（一）原子核的磁性二、原子核的自旋nuclearspin7核磁共振波谱和质谱分析5/8/2024

=P，—磁旋比（magnetogyricration），不同的核具有不同的磁旋比，对某元素是定值。

是磁性核的一个特征常数。8核磁共振波谱和质谱分析5/8/20241H核的

H=2.68×108T-1·S-1（特[斯拉]-1·秒-1）；13C核的C=6.73×107T-1·S-1核的自旋角动量P是量子化的，与核的自旋量子数I的关系如下:I可以取0,1/2,1,3/2,2,5/2,3等值。9核磁共振波谱和质谱分析5/8/2024代入式（=P）当I=0时，P=0，原子核没有自旋现象，只有I﹥0，原子核才有自旋角动量和自旋现象。10核磁共振波谱和质谱分析5/8/2024实践证明，核自旋与核的质量数，质子数和中子数有关。质量数为偶数原子序数为偶数自旋量子数为0无自旋12C6，2S16，16O8原子序数为奇数自旋量子数为1,2,3有自旋14N7质量数为奇数原子序数为奇数或偶数自旋量子数为1/2,3/2,5/2有自旋1H1，13C6

19F9，31P1511核磁共振波谱和质谱分析5/8/2024自旋量子数为零的原子核有：16O，12C，32S，28Si，因为没有磁矩，不产生共振吸收谱，不能用核磁共振来研究；自旋量子数大于或等于1原子核有：2H，14N、11B，35Cl，79Br，81Br和127I，这类原子核电荷分布可看作是一个椭圆体，电荷分布不均匀，共振吸收情况复杂，目前在核磁共振的研究上应用还很少。12核磁共振波谱和质谱分析5/8/2024自旋量子数I=1/2的原子核，核电荷呈球形均匀分布于核表面，如:1H1，13C6

，19F9，31P15，它们核磁共振现象较简单，谱线窄，适宜检测，目前研究和应用较多的是1H和13C核磁共振谱。13核磁共振波谱和质谱分析5/8/2024（二）核自旋把自旋核放在场强为B0的磁场中，由于磁矩与磁场的相互作用，核磁矩相对外加磁场有不同的取向，共有2I+1个，各取向可用磁量子数m表示m=I，I-1，I-2，……-I。每种取向各对应一定能量状态，其大小为E=-B0m/I。

I=1/2的氢核只有两种取向；

I=1的原子核有三种取向，依次类推，如下图所示：14核磁共振波谱和质谱分析5/8/2024与外磁场平行，能量较低，m=+1/2,E1/2=-

B0与外磁场方向相反，能量较高，m=-1/2,E-1/2=B015核磁共振波谱和质谱分析5/8/2024I=1/2的核自旋能级裂分与B0的关系16核磁共振波谱和质谱分析5/8/2024由式E=-

ZB0及图可知，1H核在磁场中，由低能级E1向高能级E2跃迁，所需能量为：

△E=E2－E1=B0-(-

B0)=2B0△E与核磁矩及外磁场强度成正比，B0越大，能级分裂越大，△E越大。17核磁共振波谱和质谱分析5/8/2024三、核磁共振

nuclearmagneticresonance如果以一定频率的电磁波照射处于磁场B0中的核，且射频频率

恰好满足下列关系时：

h

=ΔEΔE=2

B0处于低能态的核将吸收射频能量而跃迁至高能态，这种现象叫做核磁共振现象。（核磁共振条件式）18核磁共振波谱和质谱分析5/8/2024（1）对自旋量子数I=1/2的同一核来说，因磁矩为一定值，所以发生共振时，照射频率的大小取决于外磁场强度的大小。外磁场强度增加时，为使核发生共振，照射频率也相应增加；反之，则减小。例：外磁场B0=4.69T，1H的共振频率为:放在外磁场B0=2.35T，

=100MHz19核磁共振波谱和质谱分析5/8/2024（2）对自旋量子数I=1/2的不同核来说，若同时放入一固定磁场中，共振频率的大小取决于核本身磁矩的大小，

大的核，发生共振所需的照射频率也大；反之，则小。例：13C和1H的共振频率分别为:20核磁共振波谱和质谱分析5/8/2024四、核自旋能级分布和驰豫1H核在磁场作用下，被分裂为m=+1/2和m=-1/2两个能级，处在低能态核和处于高能态核的分布服从波尔兹曼分布定律。(一)核自旋能级分布21核磁共振波谱和质谱分析5/8/2024当B0=1.409T，温度为300K时，高能态和低能态的1H核数之比为：处于低能级的核数比高能态核数多十万分之一，而NMR信号就是靠这极弱过量的低能态核产生的。22核磁共振波谱和质谱分析5/8/2024以合适的射频照射处于磁场的核，核吸收能量后，由低能态跃迁到高能态，产生核磁共振信号。若高能态核不能通过有效途径释放能量回到低能态，低能态的核数越来越少，一定时间后，N(-1/2)=N(+1/2)，这时不再吸收，核磁共振信号消失，这种现象为“饱和”。据波尔兹曼定律，提高外磁场强度，降低工作温度，可减少N(-1/2)/N(+1/2)值，提高观察NMR信号的灵敏度。23核磁共振波谱和质谱分析5/8/2024(二)核自旋驰豫由于核磁共振中氢核发生共振时吸收的能量是很小的，因而跃迁到高能态的氢核不可能通过发射谱线的形式失去能量而返回到低能态（如发射光谱那样），这种由高能态回复到低能态而不发射原来所吸收的能量的过程称为驰豫（relaxation）过程。24核磁共振波谱和质谱分析5/8/2024驰豫过程是核磁共振现象发生后得以保持的必要条件。NMR：25核磁共振波谱和质谱分析5/8/2024第十四章

质谱分析一、概述Generalization二、质谱仪构造及原理Structureandprinciplesofinstruments

MassSpectrometry第一节

质谱分析原理PrinciplesofMassSpectrometry26核磁共振波谱和质谱分析5/8/2024一、概述generalization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/z）大小进行分离，并记录其信息的分析方法。所得结果以图谱表达，即所谓的质谱图（MassSpectrum）。27核磁共振波谱和质谱分析5/8/2024根据质谱图提供的信息可以进行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。28核磁共振波谱和质谱分析5/8/2024二、质谱仪构造及原理

质谱仪是通过对样品电离后产生的具有不同m/z的离子来进行分离分析的。质谱仪须有进样系统、电离系统、质量分析器和检测系统。为了获得离子的良好分析，必须避免离子损失，因此凡有样品分子及离子存在和通过的地方，必须处于真空状态。(一）质谱仪的构造29核磁共振波谱和质谱分析5/8/202430核磁共振波谱和质谱分析5/8/202431核磁共振波谱和质谱分析5/8/20241.同位素质谱仪（测定同位素丰度）；2.无机质谱仪（测定无机化合物）；3.有机质谱仪（测定有机化合物）。1.质谱仪分类：(二）质谱仪的工作原理32核磁共振波谱和质谱分析5/8/2024质谱仪是利用电磁学原理，使带电的样品离子按质荷比进行分离的装置。离子电离后经电场加速进入磁场中，其动能与加速电压及电荷z有关：其中z为电荷数，U为加速电压，m为离子的质量，υ为离子被加速后的运动速度。2.质谱仪工作原理：33核磁共振波谱和质谱分析5/8/2024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

质谱仪需要在高真空下工作：离子源（10-310-5Pa

）质量分析器（10-6Pa

）真空系统和进样系统：34核磁共振波谱和质谱分析5/8/20241.电子轰击源：70～100ev的电子流轰击。离子源：（包括离子化区和加速区）离子化区：使样品蒸气分子离子化成各种m/z的离子。加速区：将正电荷离子聚焦并加速成高速离子流，几千伏电压使离子加速。正离子进入加速区所获动能与加速电压关系：35核磁共振波谱和质谱分析5/8/20242.化学电离源：电子轰击源对于分子稳定差的往往得不到M+峰，而化学电离源可解决此类问题。36核磁共振波谱和质谱分析5/8/2024样品由探头毛细管处通过隔离进入离子源，反应气体经压强控制进入反应室，样品经加热蒸发也进入反应室，反应气体首先被电离成离子，然后和样品分子通过离子——分子反应，产生样品离子，加速进入分析器。37核磁共振波谱和质谱分析5/8/202438核磁共振波谱和质谱分析5/8/2024

质量分析器质量分析器的主要类型有：磁分析器、飞行时间分析器、四极滤质器、离子捕获分析器和离子回旋共振分析器等。在加速区外加一个磁场，在磁场和加速电压的作用下，离子呈圆周运动。离子运动半径由磁场力和离心力所决定。电荷在磁场中所受的力，只改变运动的方向，不改变运动速度，相当于向心力。39核磁共振波谱和质谱分析5/8/202440核磁共振波谱和质谱分析5/8/2024将

v=B·z·R/m代入1/2·mv2=z·U得：

质荷比是磁场强度，管道半径，加速电压的函数。mv2/R=B·z·vB—磁场强度；Z—电荷；R—运动半径

v=B·z·R/m41核磁共振波谱和质谱分析5/8/2024当R一定，U一定时，B从小→大调，则m/z由小→大，正离子流依次通过狭缝。当R一定，B一定时，U连续改变，同样测到不同m/z离子组，加速电压越大，可测的质量范围越小。42核磁共振波谱和质谱分析5/8/2024

仅用一个扇形磁场进行质量分析的质谱仪称为单聚焦质谱仪，设计良好的单聚焦质谱仪分辨率可达5000。若要求分辨率大于5000则需要双聚焦质谱仪。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（ElctrostaticAnalyzer，ESA），这种设备由两个扇形圆筒组成，向外电极加上正电压，内电极为负压。

43核磁共振波谱和质谱分析5/8/202444核磁共振波谱和质谱分析5/8/2024一般商品化双聚焦质谱仪的分辨率可达150000，质量测定准确度可达0.03μg·g-1，即对于相对分子质量为600的化合物可测至误差上±0.0002u。45核磁共振波谱和质谱分析5/8/2024飞行时间分析器（TimeofFlight，TOF）

这种分析器的离子分离是用非磁方式达到的，因为从离子源飞出的离子动能基本一致，在飞出离子源后进入一长约lm的无场漂移管，在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/υ

46核磁共振波谱和质谱分析5/8/2024故对于具有不同m／z的离子，到达终点的时间差：由此可见，Δt取决于m／z的平方根之差。47核磁共振波谱和质谱分析5/8/2024因为连续电离和加速将导致检测器的连续输出而无法获得有用信息，所以TOF是以大约10kHZ的频率进行电子脉冲轰击法产生正离子，随即用一具有相同频率的脉冲加速电场加速，被加速的粒子按不同的√(m/z)的时间经漂移管到达收集极上，并馈入一个水平扫描频率与电场脉冲频率一致的示波器上，从而得到质谱图。48核磁共振波谱和质谱分析5/8/202449核磁共振波谱和质谱分析5/8/2024四极滤质器QuadrupoleMassFilter

四极滤质器由四根平行的金属杆组成，其排布见下页图所示。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Vcosωt，在极间形成一个射频场，正电极电压为U＋Vcosωt，负电极为-（U＋Vcosωt）。离子进入此射频场后，会受到电场力作用，只有合适m/z的离子才会通过稳定的振荡进入检测器。只要改变U和V并保持U/V比值恒定时，可以实现不同m/z的检测。50核磁共振波谱和质谱分析5/8/2024

51核磁共振波谱和质谱分析5/8/2024四极滤质器分辨率和m/z范围与磁分析器大体相同，其极限分辨率可达2000。其主要优点是传输效率较高，入射离子的动能或角发散影响不大；其次是可以快速地进行全扫描，而且制作工艺简单，仪器紧凑，常用在需要快速扫描的GC－MS联用及空间卫星上进行分析。52核磁共振波谱和质谱分析5/8/2024离子阱分析器离子阱是一种通过电场或磁场将气相离子控制并贮存一段时间的装置。由一环形电极再加上下各一的端罩电极构成。以端罩电极接地，在环电极上施以变化的射频电压，此时处于阱中具有合适的m/z加的离子将在环中指定的轨道上稳定旋转，若增加该电压，则较重离子转至指定稳定轨道，而轻些的离子将偏出轨道并与环电极发生碰撞。53核磁共振波谱和质谱分析5/8/202454核磁共振波谱和质谱分析5/8/2024当一组由电离源（化学电离源或电子轰击源）产生的离子由上端小孔中进入阱中后，射频电压开始扫描，陷入阱中离子的轨道则会依次发生变化而从底端离开环电极腔，从而被检测器检测。这种离子阱结构简单、成本低且易于操作，已用于GC－MS联用装置用于m/Z200－2000的分子分析。