1、 1 超导 核磁共振 谱仪的 原理及应用实验指导书 贵州大学精细化工研究开发中心（绿色农药与生物工程重点实验室） 1、实验类型及学时数 a) 实验类型： 设计性实验 (研究性实验） b) 学时数： 10 学时 2、实验目的和意义 核磁共振是 1946 年由美国斯坦福大学布洛赫 (F.Block)和哈佛大学珀赛尔 (E.M.Purcell)各自独立发现的，两人因此获得 1952 年诺贝尔物理学奖。 50 多年来，核磁共振已形成为一门有完整理论的新学科。 在各种各样的化学分析仪器中，核磁共振谱仪被公认为是一种非常重要的研究和测试工具，它的许多功能是其它手段 无法代替的。 核磁共振谱仪可以给出小到原
2、子核在分子中的精确位置及其周边环境的微小变化，大到整个人体的断层成像等具有丰富内涵的信息。被广泛用于工业、农业、化学、生物、医药、地球科学和环境科学等领域。 通过 学习核磁共振波谱仪的构成 、 使用方法 及其 在定性、定量分析中的应用 ，培养学生严谨的科学态度、细致的工作作风、实事求是的数据报告 和 良好的实验习惯（准备充分、 操作规范，记录简明，台面整洁、实验有序，良好的环保和公德意识）； 培养学生的 动手能力、理论联系实际的能力、统筹思维能力、创新能力、独立分析解决实际问题的能力、查阅 手册资料并运用其数据资料的能力以及归纳总结的能力等。 3、实验原理 （ 1）基本原理 自旋不为零的粒子，
3、如电子和质子，具有自旋磁矩。如果我们把这样的粒子放入稳恒的外磁场中，粒子的磁矩就会和外磁场相互作用使粒子的能级产生分裂，分裂后两能级间的能量差为 E = hB0 （ 1） 其中： 为旋磁比， h为约化普朗可常数， B0 为稳恒外磁场。 2 如果此时再在稳恒外磁场的垂直方向加上一个交变电磁场，该电磁场的能量为 h （ 2） 其中： 为交变电磁场的频率。 当该能量等于粒子分裂后两能级间的能量差时，即： h = h B0 （ 3） 2 = B0 （ 4） 低能极上的粒子就要吸收交变电磁场的能量产生跃迁，即所谓的磁共振。 简单地说， 核磁共振波谱法 就是 将自旋核放入磁场中，用适宜频率的电磁波照射，它
4、们会吸收能量，发生原子核能级的跃迁，同时 产生核磁共振信号，得到核磁共振谱 的实验方法 。 （ 2）脉冲傅立叶 NMR 谱 仪的基本结构与工作原理 脉冲傅立叶 NMR 谱仪 一般包括 5 个主要部分：射频发射系统、探头、磁场系统、信号接收系统和信号处理与控制系统。 a) 射频发射系统：射频发射系统是将一个稳定的、已知频率的石英振荡器产生的电磁波，经频率综合器精确地合成出欲观测核（如 1H， 13C， 31P 等）、被辐照核（如照射 1H 以消除其对观测核的耦合作用）和锁定核（如 2D， 7Li，用心稳定仪器的磁场强度）的 3 个通道所需频率的射频源。射频源发射的射频脉冲通过探头上的发射线圈照射
5、到 样品上。 b) 探头：探头是整个仪器的心脏，固定在磁极间隙中间。包括样品管支架、发射线圈、接收线圈等，样品管在探头中高速旋转，以消除管内的磁场不均匀性。探头分为多种，如正向探头、反相探头、微量探头、固体探头等。 c) 磁场系统：用心产生一个强、稳、匀的静磁场以便观测化学位移微小差异的共振信息。高磁场磁体（高于 2.3T）需要采用超导体绕制的线圈经电激励来产生，称为超导磁体。超导磁体需要使用足够的液 He 和液 N2 来降低温度，维持其正常工作。磁体内同时含有多组匀场线圈，通过调节其电流使它在空间构成相互正交的梯度磁场来补偿主磁体 的磁场不均匀性。通过仔细反复调节，可获得足够高的仪器分辨率和
6、良好的 NMR 谱图。 d) 信号接收系统：信号接收系统和射频发射系统实际上用的是同一组线圈。当射频泳冲发射并施加到样品上后，发射门关闭，接收门打开， FID 信号被信号接收系统接收下来。信号经前置放大器放大、检波、滤波等处理，再经模数转换转化为数字信号，最后通过计算机3 快速采样， FID 信号被记录下来。 e) 信号处理与控制系统：负责控制和协调各系统有条不紊地工作。并对接收的 FID 信号进行累、傅立叶变换处理等。 4、实验设备 仪器 设备 ： JEOL ECX 500 型超导核磁共振谱仪 JEOL ECX 500 核磁共振波谱仪 工作站 操作介面 JEOL ECX 500 具有 51m
7、m 自屏蔽超导磁体，磁场强度 11.74T (1H,500MHz)， 44 级匀场线圈， Z1 to Z6 氘梯度自动匀场装置，磁场漂移 3Hz/h；两个射频通道，频率范围 10-1000 MHz；采样谱宽 50Hz-2MHz；配备自动调谐 5mm 梯度宽带探头（多核 15N-31P， 19F, 1H，分辨率小于 0.45Hz，变温范围 -100 to +150）； 5mm FG/HX反向探头（ 1H，变温范围： -100 to +150）；3mm 微量探头 (分辨率 0.5Hz)。 目前开展的常规测试项目有： 1H、 13C、 DEPT90、 DEPT135、 31P、 19F、 15N、
8、H-H COSY、H-C COSY（ HMQC、 HSQC）等一维和二维谱。 5、实验内容 了解并初步掌握脉冲傅立叶变换 NMR 谱仪的基本原理与构造；学习核磁共振波谱法测定化合物结构的方法 ； 通过测定已知和未知样品的 1HNMR 和 13CNMR，初步掌握获得谱图的一般操作程序与技术；了解影响分析测定的重要因素，学会优化 分析条件；学习核磁共振谱图的解析方法。 6、实验步骤 1) 样品的制备 4 为了获取分子内部高分辨率的 NMR 谱图，一般需采用液态样品。固体样品要用隋性溶剂稀释成样品溶液，溶液应尽量浓一些以减少测量时间，但不宜过于粘稠，样品溶液保持较好的流动性可以减少分子间的相互作用，
9、避免谱线过宽。在作精细测量时应采用内锁方式进行锁场，溶剂必须采用氘代溶剂如 CDCl3， D2O， (CD3)2CO， (CD3)2SO 等，氘代溶剂还可避免溶剂信号过强而干扰测量。 样品溶液中应不含未溶解的固体微粒、灰尘或顺磁性杂质，否则会导致谱线变宽，甚至失去 应有的精细结构。 2) 标准参考样品 测量样品的化学位移必须用标准物质作为参考，按标准参考物加入的方式可分为外标法和内标法。 外标法是将标准参考物装于毛细管中，再插入样品管，与样品溶液同轴进行测量。 内标法是将标准参考物直接加入样品中进行测量。 内标优于外标法。对于 1H 谱，通常采用四甲基硅（ TMS）作内标， TMS 化学隋性，
10、具有 12 个等价质子，只有一个尖锐单峰，出现在很高场，将其化学位移定为 0 点，一般化合物的谱峰都在它的左边。不同核素所用的标准参考物不同。 13C 核与 29Si 核皆用 TMS 作内标。而 31P 核用 85%的磷 酸，以外标法测定。 3) 样品测试 a) 将样品管 放入 仪器进样口。要求 注意安全 ，必须垂直放入和取出，以名样品管折断污染探头。 b) 锁场，仔细匀场以调整好仪器的分辨率。 c) 设置测量参数并测量样品。需要设置的参数包括：所用溶剂、观测核、测量方法、脉冲系列类型、脉冲角度、谱宽、延迟时间、累加次数、采样点数等。 d) 测量，谱图处理。谱图处理包括相伴调整、化学位移标定、
11、积分等。 e) 结束实验，取出样品。 4) 谱图 解析 5) 数据分析和实验报告 7、注意事项 a) 所有操作在老师指导下完成，禁止擅动仪器； b) 严格按照操作程序进行操作，实验不用的命令不能乱动； c) 严 禁将磁性物体带到磁体附件，尤其是探头区； 5 d) 样品管的插入与取出，务必小心谨慎，切忌折断或碰碎在探头中造成事故； e) 样品管外壁应擦试干净，用量规限定涡轮转子的高度，以保证样品在磁体中心位置； 8、思考题或作业 (1) NMR 波谱法与 IR、 UV 光谱法相比较有何重要差异？为什么？ (2) 如何获取一张正确的 1H NMR 谱图？试讨论你所作的谱图的优劣 。 (3) 结合本实验讨论从中可获取哪些信息，分析你推定化合物结构的理由。 (4) 比较、归纳 13C NMR 谱与 1H NMR 谱的特点。
