核磁共振和质谱课件.ppt

1、核磁共振成像核磁共振成像 NMR 具有磁距的原子核在高强度磁场作用下，可吸收适宜频率的电磁辐射，由低能态跃迁到高能态的现象。如1H、3H、13C、15N、19F、31P等原子核，都具有非零自旋而有磁距，能显示此现象。由核磁共振提供的信息，可以分析各种有机和无机物的分子结构。目前对核磁共振谱的研究主要集中在1H和13C两类原子核的图谱。3:40:49基本原理：基本原理：根据量子力学原理，原子核与电子一样，也具有自旋角动量自旋角动量（P），其自旋角动量的具体数值由原子核的自旋量子数决定（I）。不同类型的原子核自旋量子数也不同。某种特定的原子核，在给定的外加磁场外加磁场中，只吸收某一特定频率射频场射

2、频场提供的能量，这样就形成了一个核磁共振信号。自旋量子数：自旋量子数：I为零的原子核可以看作是一种非自旋的球体；I为1/2的原子核可以看作是一种电荷分布均匀的自旋球体，1H，13C，15N，19F，31P的I均为1/2，它们的原子核皆为电荷分布均匀的自旋球体自旋球体；I大于1/2的原子核可以看作是一种电荷分布不均匀的自旋椭圆体。NMR方法：方法：（1）在很强的）在很强的外磁场外磁场中，某些磁中，某些磁性原子核可以分裂成两个或更多性原子核可以分裂成两个或更多的的量子化能级量子化能级。（2）用一个能量恰好等于分裂后相用一个能量恰好等于分裂后相邻能级差的邻能级差的电磁波电磁波照射，该核就可以照射，该

3、核就可以吸收此频率的波，发生吸收此频率的波，发生能级跃迁能级跃迁，从，从而产生而产生 NMR 吸收。吸收。3:40:503:40:51PP:P:原子核的角动量原子核的角动量:磁矩磁矩:磁旋比磁旋比oI 1/2NMR的形成的形成一、一、原子核的自旋原子核的自旋 （1）一些原子核像电子一样存在自旋现象，一些原子核像电子一样存在自旋现象，因而有因而有自旋角动量自旋角动量：I为自旋量子数为自旋量子数 79270.21H70216.013C（2）由于原子核是具有一定质量的带由于原子核是具有一定质量的带正电正电的粒子，故在自旋时会的粒子，故在自旋时会产生产生 核磁矩：核磁矩：m=P 磁旋比，磁旋比，即核磁

4、矩与即核磁矩与自旋角动量的比值，不同的核具有不同的自旋角动量的比值，不同的核具有不同的磁旋比，它是磁核磁旋比，它是磁核 一个特征（固定）值。一个特征（固定）值。3:40:51角动量：角动量：3:40:51 若原子核存在自旋，产生核磁矩，这些若原子核存在自旋，产生核磁矩，这些 核的核的 行为很像磁棒，在外加磁场行为很像磁棒，在外加磁场下，核磁体可以有下，核磁体可以有（2I+1）种取向。种取向。只有自旋量子数只有自旋量子数（I）不为零的核才具有磁矩不为零的核才具有磁矩可以产生能级分裂的核可以产生能级分裂的核3:40:52讨论讨论:(1)I=1 或或 I 0的原子核的原子核 I=1 ：2H，14N

5、I=3/2：11B，35Cl，79Br，81Br I=5/2：17O，127I(2)1/2的原子核的原子核 如如1H，13C 这类原子核的核电荷分布可看作一个椭圆这类原子核的核电荷分布可看作一个椭圆体，体，电荷分布不均匀，共振吸收复杂电荷分布不均匀，共振吸收复杂，研究应用，研究应用较少较少；原子核可看作核电荷均匀分布的球体，并象陀原子核可看作核电荷均匀分布的球体，并象陀螺一样自旋，有磁矩产生，是核磁共振研究的主螺一样自旋，有磁矩产生，是核磁共振研究的主要对象，要对象，C，H也是有机化合物的主要组成元素。二、二、核磁共振现象：核磁共振现象：氢核（氢核（I=1/2），），两种取向（两两种取向（两个

6、能级）：个能级）：(1)与外磁场与外磁场平行平行，能量低能量低，磁，磁 量子数量子数+1/2;(2)与外磁场与外磁场相反相反，能量高能量高，磁量子数磁量子数-1/2;3:40:523:40:52 E=E2 E1=（h/2 ）B0自旋核在磁场中的行为：自旋核在磁场中的行为：Pm=-1/2 m=+1/2B01H EE1=（h/4）B B0 0E2=+（h/4）B B0 0 磁旋比磁旋比；B0外磁场强度外磁场强度发生核磁共振时：E=h 0 共振频率共振频率 0=（1/2 ）B03:40:52（1 1）在相同）在相同 强度的外磁场下，不同的核，因强度的外磁场下，不同的核，因磁旋比磁旋比不同，发生共振的

7、不同，发生共振的频率不同，据此可以鉴别各种元素及同位素。频率不同，据此可以鉴别各种元素及同位素。例如，在例如，在 2.3 T 的磁场中，的磁场中，1H 的共振频率为的共振频率为100 MHz，13C 的为的为 25 MHz 只是氢核的只是氢核的1/4，而，而 133Cs 的仅仅是氢核的的仅仅是氢核的1/8 左右。左右。总结：总结：（2 2）对同一种核，）对同一种核，当外磁场强度改变时，共振频率也随之而变。当外磁场强度改变时，共振频率也随之而变。例如，氢核在例如，氢核在1.409 T 的磁场中，共振频率为的磁场中，共振频率为60 MHZ；而在；而在2.350 T 时，时，为为100 MHZ。3:

8、40:52核磁共振产生的条件：核磁共振产生的条件：(1)核有自旋核有自旋(磁性核磁性核)(2)外磁场外磁场,使能级裂分使能级裂分;(3)照射频率与外磁场的比值照射频率与外磁场的比值 0/B0=/(2 )3:40:52三三.能级分布与弛豫过程能级分布与弛豫过程：不同能级上分布的核数目可由不同能级上分布的核数目可由Boltzmann 定律计算：定律计算：磁场强度磁场强度2.3488 T；25 C；1H的共振频率与分配比：的共振频率与分配比：kThkTEkTEENNjiji expexpexp两能级上核数目差：百万分之十；两能级上核数目差：百万分之十；999984.0KKJssJ2981038066

9、.11000.10010626.6exp1123634 jiNN3:40:52驰豫驰豫(relaxtion)高能态的核以非辐射的方式回到高能态的核以非辐射的方式回到低能态低能态纵向驰豫纵向驰豫也称自旋也称自旋-晶格驰豫晶格驰豫 处在高能级的核将能量以热能形式转移给周围分子骨架（晶格）中的其它处在高能级的核将能量以热能形式转移给周围分子骨架（晶格）中的其它核，而回到低能级，这种释放能量的方式称为核，而回到低能级，这种释放能量的方式称为纵向驰豫纵向驰豫。周围的粒子，对固体样品是指晶格，对液体样品指周围的同类分子或溶剂分子。横向驰豫横向驰豫也称自旋也称自旋-自旋驰豫自旋驰豫 自旋核之间进行内部的能量

10、交换，高能态的核将能量转移给低能级的核，使自旋核之间进行内部的能量交换，高能态的核将能量转移给低能级的核，使它变成高能态而自身返回低能态，这种释放能量的方式称为它变成高能态而自身返回低能态，这种释放能量的方式称为横向驰豫横向驰豫。弛豫就是用来描述自旋弛豫就是用来描述自旋“忘记忘记”特定指向状态的速度。特定指向状态的速度。3:40:52B0两能级上核数目差N/N=exp(-E/kT)FIDNMR的形成的形成3:40:52四四.核磁共振波谱仪：核磁共振波谱仪：1永久磁铁永久磁铁：提供外磁场外磁场，要求稳定性好，均匀，不均匀性小于六千万分之一。扫场线圈。2 射频振荡器射频振荡器：线圈垂直于外磁场，发

11、射一定频率的电磁辐射信号。60MHz或100MHz，.3:40:523 射频信号接受器射频信号接受器（检测器）：当质子的进动频率与辐射频率当质子的进动频率与辐射频率相匹配时，发生能级跃迁，吸相匹配时，发生能级跃迁，吸收能量，在感应线圈中产生毫收能量，在感应线圈中产生毫伏级信号。伏级信号。4探头探头：有外径有外径5mm的玻璃样品管座的玻璃样品管座,发射线圈，接收线圈，预放大器和变温发射线圈，接收线圈，预放大器和变温元件等。样品管座处于线圈的中心，测量过程中旋转元件等。样品管座处于线圈的中心，测量过程中旋转,磁场作用均匀。发射线圈磁场作用均匀。发射线圈和接收线圈相互垂直。和接收线圈相互垂直。3:4

12、0:52样品的制备：样品的制备：试样浓度试样浓度：5-10%；需要纯样品；需要纯样品15-30 mg；傅立叶变换核磁共振波谱仪需要纯样品傅立叶变换核磁共振波谱仪需要纯样品1 mg；标样浓度标样浓度（四甲基硅烷（四甲基硅烷 TMS）：1%；溶剂溶剂：1H谱谱 四氯化碳，二硫化碳；四氯化碳，二硫化碳；氘代溶剂氘代溶剂：氯仿，：氯仿，丙酮、苯、二甲基亚砜的氘代物；丙酮、苯、二甲基亚砜的氘代物；化学位移：化学位移：原子核附近化学键和电子云的分布状况称为该原子核的化学环境，由于化学环境影响导致的核磁共振信号频率位置的变化称为该原子核的化学位移化学位移。3:40:52常用溶剂的化学位移值常用溶剂的化学位移

13、值溶剂溶剂 1H 13CCCl4 96.1CS2 192.8CDCl37.2777.1(3)(CD3)2CO2.0530.3(7),207.3(CD3)2SO2.5039.5(7)D2O4.8(变化大与样品浓度及温度有关变化大与样品浓度及温度有关)苯苯d6(C6D6)7.20128.0(3)二氧六环二氧六环d63.5567.4CF3COOH12.5116.5(4),163.3(4)还己烷还己烷-d121.6326.3(7)吡啶吡啶-d56.98,7.35,8.50149.3(3),123.5(3),135.5(3)CD3OH3.35 49.0(7)峰面积（积分曲线）：峰面积（积分曲线）：自旋耦

14、合：自旋耦合：自旋耦合自旋耦合是化学位移之外核磁共振谱提供的另一个重要信息，所谓耦合指的是临近原子核自旋角动量的相互影响，这种原子核自旋角动量的相互作用会改变原子核自旋在外磁场中进动的能级分布状况，造成能级的裂分，进而造成NMR谱图中的信号峰形状发生变化，通过解析这些峰形的变化，可以推测出分子结构中各原子之间的连接关系。核磁共振氢谱的自旋耦合：核磁共振氢谱的自旋耦合：核磁共振碳谱：核磁共振碳谱：27 质谱质谱 Mass Spectrometry 质谱分析是一种测量离子荷质比（电荷-质量比）的分析方法，运用电磁学原理对荷电碎片进行分离、分析，单聚焦质谱仪示意图单聚焦质谱仪示意图质谱能够提供的信息

15、：质谱能够提供的信息：相对分子质量相对分子质量 低分辨质谱就可以确定相对分子质量，高分辨质谱可精确到0.0001；分子式分子式(样品的元素组成样品的元素组成)用同位素丰度比法（低分辨法）或高分辨质谱仪测得的准确相对分子质量,均可以确定分子式；鉴定某些官能团鉴定某些官能团 如甲基(m/z 15)、羰基(m/z 28)、甲氧基(m/z 31)、乙酰基(m/z 43)分子结构信息分子结构信息 由分子结构与裂解方式的经验规律,根据碎片离子的m/z及相对丰度RA提供分子结构信息；30 20世纪初 英国J.J.Thomson（1906年获诺贝尔物理学奖）发明了质谱 1910年 世界上第一台现代意义质谱仪在

16、英国剑桥 Cavendish实验室出现；1917年 电喷雾物理现象被发现（并非为了质谱）1918年 Dempsten 180磁扇面方向聚焦质谱仪；1919年 Aston 第一台速度聚焦质谱仪；1935年 Marttauch&R.Herzog 双聚焦质谱仪；1953年 Paul&Steinwedel 四极质谱计；1954年 Inghram MS/MS；1955年 Wiley&Mclarens 飞行时间质谱仪；质谱发展史质谱发展史311960 s 开发GC/MS；60s-70s 大气压电离源被发现，但未被广泛应用；70s-80s 开始 广泛研究LC/MS；1974年后 回旋共振质谱仪；1979年

17、传送带式LC/MS接口成为商业产品；1982年 离子束LC/MS接口出现；1984年 第一台电喷雾质谱仪宣告诞生；1988年 电喷雾质谱仪首次应用于蛋白质分析 质谱法的特色：质谱法的特色：高真空环境、特征性强、灵敏度高(10-12g,或10-15 mole)、能确定分子量和分子式信息、可用于混合物分析 由分子结构与裂解方式的经验规律，根据分子离子和各种碎片离子的质荷比及其相对丰度，进行结构分析。基本原理基本原理m/z=B2R2(2V)其中，其中，z z为电荷数，为电荷数，e e为电子电荷，为电子电荷，U U为加速为加速电压，电压，m m为碎片质量，为碎片质量，V V为电子运动速度。为电子运动速

18、度。B B为磁场强度，为磁场强度，R R为半径为半径 电子轰击原理电子轰击原理 采用高速(高能)电子束冲击样品，从而产生电子和分子离子M+，M+继续受到电子轰击而引起化学键的断裂或分子重排，瞬间产生多种离子。使用最广泛，谱库最完整；电离效率高；结构简单，操作方便；但分子离子峰强度较弱或不出现（因电离能量最高）。质量分析器原理质量分析器原理作用是将不同碎片按质荷比m/z分开。质量分析器类型：磁分析器、飞行时间、四极杆、离子捕获、离子回旋等。质量分析器原理质量分析器原理 带电离子质量分析器，在磁场(场强为B)作用下，飞行轨道弯曲(曲率半径为r)。当向心力 Bev 与离心力 mv2/r 相等时，离子

19、才能飞出磁场区，即，e为电子电荷；U为加速电压。由于 （电场加速）,将上式带入得，当B、r、U三个参数中任两个保持不变而改变其中一个参数时，可得质谱图。检测器原理检测器原理 检测器包括Faraday杯、电子倍增器、闪烁计数器、照相底片等。Faraday杯原理图 电子倍增器：类似于光电倍增管，可测10-18A电流。闪烁计数器：记录离子的数目。质谱仪通常由四部分组成：进样系统、离子源、质量分析器和离子检测器。由于计算机的发展，近代质谱仪一般还带有一个数据处理系统,用作有机质谱数据的收集、谱图的简化和处理。质谱仪质谱仪单聚焦质谱仪示意图单聚焦质谱仪示意图单聚焦质量分析器只是将m/z 相同而入射方向不

20、同的离子聚焦到一点（或称实现了方向聚焦）。但对于m/z 相同而动能（或速度）不同的离子不能聚焦，故其分辨率较低，一般为5000。其他类型的质谱仪分析器 双聚焦型 飞行时间分析器(Time of flight,TOF)四极滤质器(Quadrupole mass filter)离子阱(Ion trap analyzer)离子回旋共振分析器(Ion cyclotron resonance,ICR)质谱仪器的主要指标质谱仪器的主要指标质量范围质量范围（mass range)：仪器所检测的质荷比范围。对单电荷离子即为离子的质量范围；对多电荷离子，所检测的离子质量则扩展到离子电荷数相应的倍数。灵敏度灵敏度

21、(sensitivity)：出峰强度与所用样品量之间的关系；或对选定的样品在一定分辨率下产生一定信噪比的分子离子峰所需的样品量。41mm10%100%m+mFull-width at half-maximum分辨率分辨率(resolution)：R=M/MR10%=aM/bM M为所测峰的质量；M 为可分辨的两峰的质量差；a为相邻两峰的中心距离；b为峰高5%处的峰宽。FT-ICR及ToF：R=M/M M为所测峰的质量；M为该峰半高宽所对应的质量数。42 准确度准确度(accuracy):ppm(part per million)稳定性稳定性(stability):仪器在一定时间间隔内某离子的m

22、/z测量值的变化。动态范围动态范围(dynamic range):在动态范围内,样品量与仪器输出的信号应成正比例关系。2.3离子离子裂解的要点裂解的要点 峰高随分子量增加而减小，随分支碳链的增加而减小 能稳定存在的基团更有可能从峰图上看出来，如苯环、烯丙基正碳离子CH2=CH-CN2+与杂原子（氧、氮、硫）相邻的碳骨架通常容易被切断，并且在杂原子上带有电荷。切断通常伴随着电中性的稳定小分子的产生，如水、CO、NH3、烯烃、HCL、HCN或H2S 分子有可能进行重排分子离子分子离子化合物失去一个或多个电子形成的离子化合物失去一个或多个电子形成的离子 有机物分子离子丰度大小有机物分子离子丰度大小:

23、芳香环芳香环共轭烯共轭烯 孤立烯孤立烯环状化合物环状化合物酮酮醚醚酯酯胺胺酸酸醇醇直链烃直链烃支链烃支链烃 对于有机物，杂原子对于有机物，杂原子S，O，P，N等上的未共用电子对最易失去，等上的未共用电子对最易失去，其次是其次是 电子，再其次是电子，再其次是 电子。电子。分子离子的判别分子离子的判别 必须是化合物谱图中质量最高的离子必须是化合物谱图中质量最高的离子 必须是奇电子离子、符合氮规则必须是奇电子离子、符合氮规则 必须能通过丢失合理的中性离子，产生谱图中高质量区的重必须能通过丢失合理的中性离子，产生谱图中高质量区的重要离子要离子 奇电子离子（OE）带有未成对电子的离子 计算不饱和度U，如

24、果U为整数，则为奇电子离子（OE），为半整数时为偶电子离子（EE）氮规则 若一个化合物含有偶数个N原子，其分子离子的质量数一定是偶数，若含有奇数个N原子，分子离子的质量数为奇数。2）碎片离子峰 因分子发生键的断裂只需要十几电子伏特的能量，而电子轰击的能量为70eV，因而会产生更小的碎片离子峰。断裂方式可分为均裂、异裂和半异裂（表示电子）：YXYXYXYX YXYXYXYX YXYXYXYX均裂半异裂异裂烷烃化合物断裂多在C-C之间发生，且易发生在支链上：烯烃多在双键旁的第二个键上开裂：苯的最强峰为M+，芳香族化合物将先失去取代基，再形成苯甲离子：含C=O键化合物的开裂多在与其相邻的键上：对含杂

25、原子的分子，断裂的键位顺序为 位、位和 位：RX R+X共振稳定化离子3）重排离子峰 原子或基团经重排后再开裂而形成一种特殊的碎片离子，称重排离子。如醇分子离子经脱水后重排可产生新的重排离子峰。4）亚稳离子峰过程：质量数为m1的多个带电离子，其中部分失去中性碎片m而变成m2(此时m1能量变小，在磁场中有更大的偏转)从而形成亚稳离子峰m*，此时可将此峰看成m1和m2的“混合峰”，即形成“宽峰”，极易识别。且满足下式：此式可用于寻找裂解途径(通过母离子m1与子离子m2的关系)。122)(*mmm一、质谱图 以质荷比m/z为横座标，以对基峰(最强离子峰，规定相对强度为100%)相对强度（或称丰度，a

26、bundance）为纵座标所构成的谱图，称之为质谱图。3.质谱的应用质谱的应用二、质谱峰类型 分子在离子源中可产生各种电离，即同一分子可产生多种离子峰：分子离子峰、同位素离子峰、碎片离子峰、重排离子峰、亚稳离子峰等。设有机化合物由A，B，C和D组成，当蒸汽分子进入离子源，受到电子轰击可能发生下列过程而形成各种类型的离子：分子离子碎片离子重排裂解碰撞裂解3.质谱的应用质谱的应用 3.1 气相质谱气相质谱 3.1 气相质谱气相质谱3.质谱的应用质谱的应用3.质谱的应用质谱的应用 3.2 液相质谱液相质谱 分子离子峰和碎片离子峰的识别和解析，对有机分子的定性分析十分重要。可以通过选择不同离子源来获得不同的信息。下图是不同离子源下麻黄碱的质谱图。化学电离源电子轰击源麻黄碱化学电离与电子轰击源质谱图比较分子离子峰