收藏 |史上最简单的核磁共振波谱仪原理与使用指南

NMR是研究原子核对射频辐射的吸收，它是对各种有机和无机物的成分、结构进行定性分析的最强有力的工具之一，有时亦可进行定量分析，在多种类型实验室里被使用，但仍会有大部分实验员对它的原理不是很清楚，今天就和你一起学习它的原理和使用吧。首先，核磁共振波谱法（Nuclear Magnetic Resonance，简写为NMR）是材料表征中最有用的一种仪器测试方法，它与紫外吸收光谱、红外吸收光谱、质谱被人们称为“四谱”。广泛应用于物理学、化学、生物、药学、医学、农业、环境、矿业、材料学等学科，是对各种有机和无机物的成分、结构进行定性分析的最强有力的工具之一，亦可进行定量分析。目前核磁共振与红外、质谱仪等其他仪器配合，已鉴定了十几万种化合物。

原理核磁共振谱来源于原子核能级间的跃迁。只有置于强磁场中的某些原子核才会发生能级分裂，当吸收的辐射能量与核能级差相等时，就发生能级跃迁而产生核磁共振信号。用一定频率的电磁波对样品进行照射，可使特定化学结构环境中的原子核实现共振跃迁，在照射扫描中记录发生共振时的信号位置和强度，就得到核磁共振谱。核磁共振谱上的共振信号位置反映样品分子的局部结构（如官能团，分子构象等），信号强度则往往与有关原子核在样品中存在的量有关。NMR红外紫外本质（相同）分子吸收光谱波长范围1-1000μm0.75-1000μm200-800nm信号来源原子核能级间的跃迁分子振动能级之间的跃迁分子的电子能级的跃迁特点核磁共振波普法具有精密、准确、深入物质内部而不破坏被测样品的特点。此外，核磁共振是目前唯一能够确定生物分子溶液三维结构的实验手段。

核磁共振谱图分类1.连续波核磁共振谱仪(CW-NMR)射频振荡器产生的射频波按频率大小有顺序地连续照射样品，可得到频率谱；2.脉冲傅立叶变换谱仪（PET-NMR）射频振荡器产生的射频波以窄脉冲方式照射样品，得到的时间谱经过傅立叶变换得出频率谱。连续波核磁共振谱仪由磁场、探头、射频发射单元、射频、磁场扫描单元、[k1] [WU2] 射频检测单元、数据处理仪器控制六个部分组成。磁铁用来产生磁场，主要有三种：种类永久磁铁电磁铁超导磁铁频率60MHz100MHz200MHz以上频率大的仪器，分辨率好、灵敏度高、图谱简单易于分析。

连续波核磁共振谱仪结构图

连续波核磁共振谱仪原理图

脉冲傅立叶变换谱仪原理图优缺点对比连续波NMR仪PFT-NMR谱仪单频发射，单频接收强脉冲照射 自由感应衰减（FID）信号，计算机进行傅里叶变换NMR谱图扫描时间长，单位时间内的信息量少，信号弱光谱背景噪声小，测定速度高，可以较快地自动测定和分辨谱线及所对应的弛豫时间。累加的次数有限，灵敏度仍不高灵敏度及分辨率高，分析速度快谱线宽, 分辨不佳, 得到的信息不多固体高分辨 NMR,采用魔角旋转及其它技术 ,直接得出分辨良好的窄谱线。用于动态过程、瞬时过程及反应动力学方面的研究；测量13C、14N等弱共振信号适用范围测定对象元素NMR波谱按照测定对象分类可分为：1H-NMR谱（测定对象为氢原子核）、13C-NMR谱及氟谱、磷谱、氮谱等。根据谱图确定出化合物中不同元素的特征结构。有机化合物、高分子材料都主要由碳氢组成，所以在材料结构与性能研究中，以1H谱和13C谱应用最为广泛。可测试的性能除了运用在医学成像检查方面，在分析化学和有机分子的结构研究及材料表征中运用最多。有机化合物结构鉴定一般根据化学位移鉴定基团；由耦合分裂峰数、偶合常数确定基团联结关系；根据各H峰积分面积定出各基团质子比。核磁共振谱可用于化学动力学方面的研究，如分子内旋转，化学交换等，因为它们都影响核外化学环境的状况，从而谱图上都应有所反映。高分子材料的NMR成像技术核磁共振成像技术已成功地用来探测材料内部的缺陷或损伤，研究挤塑或发泡材料，粘合剂作用，孔状材料中孔径分布等。可以被用来改进加工条件，提高制品的质量。多组分材料分析材料的组分比较多时，每种组分的 NMR 参数独立存在，研究聚合物之间的相容性，两个聚合物之间的相同性良好时，共混物的驰豫时间应为相同的，但相容性比较差时，则不同，利用固体 NMR 技术测定聚合物共混物的驰豫时间，判定其相容性，了解材料的结构稳定性及性能优异性。此外，在研究聚合物还用于研究聚合反应机理、高聚物序列结构、未知高分子的定性鉴别、机械及物理性能分析等等。疑难解答1.元素周期表中所有元素都可以测出核磁共振谱吗？不是。首先，被测的原子核的自旋量子数要不为零；其次，自旋量子数最好为1/2（自旋量子数大于1的原子核有电四极矩，峰很复杂）；第三，被测的元素（或其同位素）的自然丰度比较高（自然丰度低，灵敏度太低，测不出信号）。2.配制样品为什么要用氘代试剂？怎样选择氘代试剂？因为测试时溶剂中的氢也会出峰，溶剂的量远远大于样品的量，溶剂峰会掩盖样品峰，所以用氘取代溶剂中的氢，氘的共振峰频率和氢差别很大，氢谱中不会出现氘的峰，减少了溶剂的干扰。在谱图中出现的溶剂峰是氘的取代不完全的残留氢的峰。另外，在测试时需要用氘峰进行锁场。由于氘代溶剂的品种不是很多，要根据样品的极性选择极性相似的溶剂，氘代溶剂的极性从小到大是这样排列的：苯、氯仿、乙腈、丙酮、二甲亚砜、吡啶、甲醇、水。还要注意溶剂峰的化学位移，最好不要遮挡样品峰。3.解析合成化合物的谱、植物中提取化合物的谱和未知化合物的谱，思路有什么不同？合成化合物的结果是已知的，只要用谱和结构对照就可以知道化合物和预定的结构是否一致。对于植物中提取化合物的谱，首先应看是哪一类化合物，然后用已知的文献数据对照，看是否为已知物，如果文献中没有这个数据则继续测DEPT谱和二维谱，推出结构。对于一个全未知的化合物，除测核磁共振外，还要结合质谱、红外、紫外和元素分析，一步步推测结构。声明: