1、超導(dǎo)核磁共振譜儀的原理及應(yīng)用實驗指導(dǎo)書貴州大學(xué)精細(xì)化工研究開發(fā)中心（綠色農(nóng)藥與生物工程重點實驗室）1、實驗類型及學(xué)時數(shù)a) 實驗類型：設(shè)計性實驗(研究性實驗）b) 學(xué)時數(shù)：10學(xué)時2、實驗?zāi)康暮鸵饬x核磁共振是1946年由美國斯坦福大學(xué)布洛赫(F.Block)和哈佛大學(xué)珀賽爾(E.M.Purcell)各自獨立發(fā)現(xiàn)的，兩人因此獲得1952年諾貝爾物理學(xué)獎。50多年來，核磁共振已形成為一門有完整理論的新學(xué)科。在各種各樣的化學(xué)分析儀器中，核磁共振譜儀被公認(rèn)為是一種非常重要的研究和測試工具，它的許多功能是其它手段無法代替的。核磁共振譜儀可以給出小到原子核在分子中的精確位置及其周邊環(huán)境的微小變化，大到整個

2、人體的斷層成像等具有豐富內(nèi)涵的信息。被廣泛用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)、化學(xué)、生物、醫(yī)藥、地球科學(xué)和環(huán)境科學(xué)等領(lǐng)域。通過學(xué)習(xí)核磁共振波譜儀的構(gòu)成、使用方法及其在定性、定量分析中的應(yīng)用，培養(yǎng)學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度、細(xì)致的工作作風(fēng)、實事求是的數(shù)據(jù)報告和良好的實驗習(xí)慣（準(zhǔn)備充分、操作規(guī)范，記錄簡明，臺面整潔、實驗有序，良好的環(huán)保和公德意識）；培養(yǎng)學(xué)生的動手能力、理論聯(lián)系實際的能力、統(tǒng)籌思維能力、創(chuàng)新能力、獨立分析解決實際問題的能力、查閱手冊資料并運用其數(shù)據(jù)資料的能力以及歸納總結(jié)的能力等。3、實驗原理（1）基本原理自旋不為零的粒子，如電子和質(zhì)子，具有自旋磁矩。如果我們把這樣的粒子放入穩(wěn)恒的外磁場中，粒子的磁矩就會和外磁

3、場相互作用使粒子的能級產(chǎn)生分裂，分裂后兩能級間的能量差為E = hB0                                   （1）其中：為旋磁比，h為約化普朗可常數(shù)，B0為穩(wěn)恒外磁場。如果此時再在穩(wěn)恒外磁場的垂直方向加上一個交變電磁場，該電磁場

4、的能量為h                                           （2）其中：為交變電磁場的頻率。當(dāng)該能量等于粒子分裂后兩能級間的能量差時，即：h = h B0

5、                                  （3）2 = B0               &#

6、160;                  （4）低能極上的粒子就要吸收交變電磁場的能量產(chǎn)生躍遷，即所謂的磁共振。簡單地說，核磁共振波譜法就是將自旋核放入磁場中，用適宜頻率的電磁波照射，它們會吸收能量，發(fā)生原子核能級的躍遷，同時產(chǎn)生核磁共振信號，得到核磁共振譜的實驗方法。（2）脈沖傅立葉NMR譜儀的基本結(jié)構(gòu)與工作原理脈沖傅立葉NMR譜儀一般包括5個主要部分：射頻發(fā)射系統(tǒng)、探頭、磁場系統(tǒng)、信號接收系統(tǒng)和信號處理與控制系統(tǒng)。a)

7、射頻發(fā)射系統(tǒng)：射頻發(fā)射系統(tǒng)是將一個穩(wěn)定的、已知頻率的石英振蕩器產(chǎn)生的電磁波，經(jīng)頻率綜合器精確地合成出欲觀測核（如1H，13C，31P等）、被輻照核（如照射1H以消除其對觀測核的耦合作用）和鎖定核（如2D，7Li，用心穩(wěn)定儀器的磁場強(qiáng)度）的3個通道所需頻率的射頻源。射頻源發(fā)射的射頻脈沖通過探頭上的發(fā)射線圈照射到樣品上。b) 探頭：探頭是整個儀器的心臟，固定在磁極間隙中間。包括樣品管支架、發(fā)射線圈、接收線圈等，樣品管在探頭中高速旋轉(zhuǎn)，以消除管內(nèi)的磁場不均勻性。探頭分為多種，如正向探頭、反相探頭、微量探頭、固體探頭等。c) 磁場系統(tǒng)：用心產(chǎn)生一個強(qiáng)、穩(wěn)、勻的靜磁場以便觀測化學(xué)位移微小差異的共振信息。

8、高磁場磁體（高于2.3T）需要采用超導(dǎo)體繞制的線圈經(jīng)電激勵來產(chǎn)生，稱為超導(dǎo)磁體。超導(dǎo)磁體需要使用足夠的液He和液N2來降低溫度，維持其正常工作。磁體內(nèi)同時含有多組勻場線圈，通過調(diào)節(jié)其電流使它在空間構(gòu)成相互正交的梯度磁場來補(bǔ)償主磁體的磁場不均勻性。通過仔細(xì)反復(fù)調(diào)節(jié)，可獲得足夠高的儀器分辨率和良好的NMR譜圖。d) 信號接收系統(tǒng)：信號接收系統(tǒng)和射頻發(fā)射系統(tǒng)實際上用的是同一組線圈。當(dāng)射頻泳沖發(fā)射并施加到樣品上后，發(fā)射門關(guān)閉，接收門打開，F(xiàn)ID信號被信號接收系統(tǒng)接收下來。信號經(jīng)前置放大器放大、檢波、濾波等處理，再經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號，最后通過計算機(jī)快速采樣，F(xiàn)ID信號被記錄下來。e) 信號處理與控

9、制系統(tǒng)：負(fù)責(zé)控制和協(xié)調(diào)各系統(tǒng)有條不紊地工作。并對接收的FID信號進(jìn)行累、傅立葉變換處理等。4、實驗設(shè)備儀器設(shè)備：JEOL ECX 500型超導(dǎo)核磁共振譜儀 JEOL ECX 500核磁共振波譜儀 工作站操作介面JEOL ECX 500具有51mm自屏蔽超導(dǎo)磁體，磁場強(qiáng)度11.74T (1H,500MHz)，44級勻場線圈，Z1 to Z6氘梯度自動勻場裝置，磁場漂移3Hz/h；兩個射頻通道，頻率范圍10-1000 MHz；采樣譜寬50Hz-2MHz；配備自動調(diào)諧5mm梯度寬帶探頭（多核15N-31P，19F, 1H，分辨率小于0.45Hz，變溫范圍-100 to +150）；5mm FG/HX

10、反向探頭（1H，變溫范圍：-100 to +150）；3mm微量探頭(分辨率0.5Hz)。目前開展的常規(guī)測試項目有：1H、13C、DEPT90、DEPT135、31P、19F、15N、H-H COSY、H-C COSY（HMQC、HSQC）等一維和二維譜。5、實驗內(nèi)容了解并初步掌握脈沖傅立葉變換NMR譜儀的基本原理與構(gòu)造；學(xué)習(xí)核磁共振波譜法測定化合物結(jié)構(gòu)的方法；通過測定已知和未知樣品的1HNMR和13CNMR，初步掌握獲得譜圖的一般操作程序與技術(shù)；了解影響分析測定的重要因素，學(xué)會優(yōu)化分析條件；學(xué)習(xí)核磁共振譜圖的解析方法。6、實驗步驟1) 樣品的制備為了獲取分子內(nèi)部高分辨率的NMR譜圖，一般需采

11、用液態(tài)樣品。固體樣品要用隋性溶劑稀釋成樣品溶液，溶液應(yīng)盡量濃一些以減少測量時間，但不宜過于粘稠，樣品溶液保持較好的流動性可以減少分子間的相互作用，避免譜線過寬。在作精細(xì)測量時應(yīng)采用內(nèi)鎖方式進(jìn)行鎖場，溶劑必須采用氘代溶劑如CDCl3，D2O，(CD3)2CO，(CD3)2SO等，氘代溶劑還可避免溶劑信號過強(qiáng)而干擾測量。樣品溶液中應(yīng)不含未溶解的固體微粒、灰塵或順磁性雜質(zhì)，否則會導(dǎo)致譜線變寬，甚至失去應(yīng)有的精細(xì)結(jié)構(gòu)。2) 標(biāo)準(zhǔn)參考樣品測量樣品的化學(xué)位移必須用標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)作為參考，按標(biāo)準(zhǔn)參考物加入的方式可分為外標(biāo)法和內(nèi)標(biāo)法。外標(biāo)法是將標(biāo)準(zhǔn)參考物裝于毛細(xì)管中，再插入樣品管，與樣品溶液同軸進(jìn)行測量。內(nèi)標(biāo)法是將

12、標(biāo)準(zhǔn)參考物直接加入樣品中進(jìn)行測量。內(nèi)標(biāo)優(yōu)于外標(biāo)法。對于1H譜，通常采用四甲基硅（TMS）作內(nèi)標(biāo)，TMS化學(xué)隋性，具有12個等價質(zhì)子，只有一個尖銳單峰，出現(xiàn)在很高場，將其化學(xué)位移定為0點，一般化合物的譜峰都在它的左邊。不同核素所用的標(biāo)準(zhǔn)參考物不同。13C核與29Si核皆用TMS作內(nèi)標(biāo)。而31P核用85%的磷酸，以外標(biāo)法測定。3) 樣品測試a) 將樣品管放入儀器進(jìn)樣口。要求注意安全，必須垂直放入和取出，以名樣品管折斷污染探頭。b) 鎖場，仔細(xì)勻場以調(diào)整好儀器的分辨率。c) 設(shè)置測量參數(shù)并測量樣品。需要設(shè)置的參數(shù)包括：所用溶劑、觀測核、測量方法、脈沖系列類型、脈沖角度、譜寬、延遲時間、累加次數(shù)、采樣點數(shù)等。d) 測量，譜圖處理。譜圖處理包括相伴調(diào)整、化學(xué)位移標(biāo)定、積分等。e) 結(jié)束實驗，取出樣品。4) 譜圖解析5) 數(shù)據(jù)分析和實驗報告7、注意事項a) 所有操作在老師指導(dǎo)下完成，禁止擅動儀器；b) 嚴(yán)格按照操作程序進(jìn)行操作，實驗不用的命令不能亂動；c) 嚴(yán)禁將磁性物體帶到磁體附件，尤其是探頭區(qū)；d) 樣品管的插入與取出，務(wù)必小心謹(jǐn)慎