固体核磁共振基础原理Word文档格式.docx
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但是在固体核磁共振实验中,由于分子处于固体状态从而难以使体系中偶极自旋偶合作用通过分子热运动而平均化。
另外值得指出是及化学位移,J-偶合等相互作用强度相比,分子间偶极自旋偶合作用是一种远强于前两者一种相互作用。
通常情况下,化学位移及J-偶合一般都处于Hz量级,但是偶极自旋偶合作用强度却处于kHz量级,所以如果不采用特殊手段压制偶极自旋偶合作用带来谱线展宽,通常静态条件下观察到核磁共振谱往往是信息被偶极自旋偶合作用掩盖下宽线谱(图2所示为乙酸胆固醇酯在静态下以通常去偶方式所得到图谱及溶于CDCl3后所测得溶液核磁图谱对比,从中可看出固体核磁图谱在没有特殊技术处理下呈现是毫无精细结构宽包峰。
)。
因此,在固体核磁中只有采用特殊技术首先压制来自强偶极自旋偶合作用导致谱线宽化影响,才有可能观察到可用于解析物质化学结构高分辨固体核磁共振谱。
图1上图蓝线所示为乙酸胆固醇酯固体13CNMR(静态,未进行强功率去偶)而下图红线记录是将其溶于CDCl3后溶液状态核磁共振谱。
由此可见在固体状态由于化学位移各向异性及强偶极相互作用等因素存在使谱线展宽为毫无精细结构图谱。
在固体核磁测试中,虽然质子自然丰度及旋磁比都比较高,但是由于体系中质子数目多,相互偶极自旋耦合强度远高于稀核,例如13C和15N等,因此在大多数情况下固体核磁采用魔角旋转技术(MagicAngleSpinningMAS)及交叉极化技术(CrossPolarizationCP)可得到高分辨杂核固体核磁谱。
对于1H必须采用魔角旋转及多脉冲结合方式(CombinedRotationandMultipulseSpinningCRAMPS)将质子磁化矢量转至魔角方向方能得到高分辨质子谱。
19.1.2魔角旋转技术
在静态固体NMR谱中主要展现是化学位移各向异性、偶极自旋耦合和四极相互作用信息,这些物理作用往往展现出是宽线谱。
如果在研究中对这些信息不感兴趣,而更多关注于化学位移及J-耦合时,可通过将样品填充入转子,并使转子沿魔角方向高速旋转,即可实现谱线窄化目。
这是因为上述作用按时间平均哈密顿量均含有因子(1-3cos2θ),因此如果将样品沿θ=54.7°
(即正方体体对角线方向)旋转时,上述强化学位移各向异性、偶极自旋偶合和四极相互作用被平均化,而其他相对较弱相互作用便成为主要因素,因此有利于得到高分辨固体核磁共振谱。
值得指出是由于1H核自然丰度非常高,因此1H-1H核之间偶极作用远强于13C-13C之间相互作用,因此在不是太高旋转速度下就可以实现压制13C-13C之间偶极相互作用,但要实现完全压制1H-1H核之间偶极作用在许多固体核磁共振谱仪上还是难以实现。
实验中一般采用两种气流:
bearinggas和drivinggas(见图3所示),前者使样品管能够浮起并且在样品管旋转过程中具有使其处于平衡状态功能,后者通过吹动样品管锯齿帽而使之沿魔角所在方向进行高速旋转。
图2魔角旋转实验示意图,其中白色部分代表样品管,样品管头部红色条纹代表样品管锯齿状Kel-F或BN制成用于高速旋转帽。
为使样品管稳定高速旋转必须采用两种气流:
bearinggas和drivinggas。
当魔角旋转速度非常高情况下可将粉末状样品在静态图谱中所呈现各向异性粉末状图案(Powderpattern)简化为各向同性化学位移峰逐渐显现,
但是当沿魔角旋转速度不够快时,经魔角旋转后所得到图谱出得到各向同性表示化学位移单峰外,尚存在一系列称为旋转边带(Spinningsideband)卫星峰。
各旋转边带之间间距(用Hz表示)正好是样品管旋转速度,并且均匀分布在各向同性化学位移所在主峰两侧。
当旋转速度加快时,旋转边带间距也加大,具体实例见图4,最终呈现为各向同性化学位移。
图3固体核磁共振实验中旋转边带及魔角旋转速度相互关联关系
目前样品管旋转速度随样品管尺寸不同可在1-35kHz范围内调解,这对于自然丰度比较低核,例如:
13C,15N可以有效抑制体系中同核偶极相互作用,但对于自然丰度很高核,例如1H,19F等,由于体系中偶极作用强度往往大于100kHz,因此如果单纯依靠魔角旋转技术是难以获得高分辨图谱。
19.1.3交叉极化技术
对于13C,15N等体系虽然通过魔角旋转技术有效地压制了同核偶极相互作用,但是这些核旋磁比比较小,自然丰度比较低,因此如果采用直接检测这些核实验方法将导致整个实验过程灵敏度非常低。
为进一步提高这些核实验灵敏度,又发展了交叉极化技术。
通过该技术可将1H核磁化矢量转移到13C或15N等杂核上,从而提高这些杂核实验灵敏度。
通过交叉极化技术测定固体杂核核磁共振脉冲程序如下:
图4交叉极化脉冲序列。
此脉冲序列净结果是将核磁活性较高核磁化矢量传递给核磁活性较低核磁化矢量,从而提高相关杂核固体核磁共振实验灵敏度。
交叉极化过程详细物理解释需要采用平均哈密顿理论(AverageHamiltonianTheory),在此仅对此过程进行简单描述。
起初施加于氢核上90º
x脉冲将氢沿z方向初始磁化矢量转变到-y方向,这时施加于氢脉冲磁场相位迅速由x-轴转变为-y轴。
经过此相位转变后,氢磁化矢量就被锁定在-y轴上,因为此时氢磁化矢量方向及外在脉冲静磁场方向一致,即这时沿-y方向磁场如同外加静磁场所起作用一样,会使氢磁化矢量沿脉冲磁场所在-y方向产生能级分裂,使得在此坐标系中氢α*H和β*H数目分布有所不同。
值得指出是此时杂核在-y方向磁化矢量为零,其α*X和β*X之间数目分布相等。
此时若在杂核x上沿-y方向也施加一脉冲磁场,并且使得γHB1(1H)=γxB1(x)(Hartmann-HahnCondition)时,氢从低能态可吸收来自杂核偶极相互作用能量跳到高能态,而相应杂核一部分核子则从高能态跳回到低能态,使得原来磁化矢量为零状态转变为极化状态。
整个极化转移过程可由图6表示。
图5交叉极化过程定性解释
在交叉极化进行前由于锁场脉冲磁场作用如同静磁场一样,因此在脉冲磁场所在旋转坐标系中产生1H能级分裂,使其α态及β态数目不同,当在此旋转坐标系中对杂核X施加一脉冲磁场使得体系满足哈特曼-哈恩(Hartmann-HahnCondition)条件时,即:
ωH=ωX,氢核及杂核就可以通过偶极作用发生能量转移,能量转移结果是氢在α态及β态数目差异减小,而杂核原来低能级及高能级之间本没有数目差异,经此过程后,产生一定数目差异,所以达到活化杂核目,使杂核在固体核磁共振实验中灵敏度得到极大提高。
在整个交叉极化过程中由于1H核及X核之间偶极作用满足如下关系式:
从式中可以看到1H核及X核之间偶极作用只及z方向有关,而及x-y平面无关,然而交叉极化过程是在-y方向完成,因此在交叉极化前后,总偶极强度保持不变。
因此通过交叉极化过程后,氢核磁化矢量减少而杂核X磁化矢量增加,两种核增加及减少幅度及核种类、交叉极化动力学过程等多种因素有关。
19.1.4固体核磁共振异核去偶技术
在测定杂核固体核磁共振实验过程中,采用魔角旋转技术能够比较有效地去除同核间偶极偶合作用(例如:
13C-13C;
15N-15N等),但是对于这些核及氢核间偶极偶合作用则比较有限,为此还发展了多种去偶技术抑制这些杂核间偶极耦合作用。
值得指出是虽然在溶液核磁体系中已发展了多种去偶技术,但是由于在溶液体系中相应作用力远小于固体状态作用力,因此在固体核磁共振实验中所采用去偶功率往往在100-1000瓦量级,而非溶液状态瓦级。
固体核磁共振实验中高功率去偶技术采用带来一个不可避免注意事项就是防止样品在照射过程中由于产生热导致其变性。
固体核磁共振实验中之所以采用高功率去偶技术是为了进一步提高图谱分辨率及灵敏度。
经过高功率照射后使原来存在偶极作用氢及杂原子之间作用消失,这样原来所呈现多峰就合并为一个,使得谱线强度增加,并且使谱图重叠减弱,有利于识谱。
但是不可避免是在此过程中由于去偶技术采用也使得反映有关原子周围化学环境、原子间相对距离等信息被消除
19.1.5固体核磁共振实验特点
(1)固体核磁共振技术可以测定样品范围远远多于溶液核磁,由于后者受限于样品溶解性,对于溶解性差或溶解后容易变质样品往往比较难以分析,但是这种困难在固体核磁实验中不存在;
(2)从所测定核子范围看,固体核磁同溶液核磁一样不仅能够测定自旋量子数为1/21H,19F,13C,15N,29Si,31P,207Pb,还可以是四极核,如:
2H,17O等,所以可分析样品范围非常广泛;
(3)是一种无损分析。
(4)所测定结构信息更丰富,这主要体现在固体核磁技术不仅能够获得溶液核磁所测得化学位移、J-耦合等结构方面信息,还能够测定样品中特定原子间相对位置(包括原子间相互距离、取向)等信息,而这些信息,特别是对于粉末状样品或膜状样品,通常是其他常规手段无法获得信息。
(5)
能够对相应物理过程动力学进行原位分析,从而有助于全面理解相关过程。
(6)能够根据所获信息要求进行脉冲程序设定,从而有目有选择性抑制不需要信息但是保留所需信息。
19.1.6固体核磁共振应用简介
(1)研究对象
无机材料(玻璃、沸石分子筛等),有机高分子材料(高分子固体),生物体系(膜蛋白),液晶材料等
(2.)研究内容
有机小分子、高分子、无机化合物粉末状、多晶、单晶样品及膜试样化学结构、空间结构表征及分析;
固相反应反应动力学,反应机理、特定物种结构变化
19.2实验部分
19.2.1实验内容
1.利用交叉极化及魔角旋转技术研究有机固体小分子化合物聚集态结构
2.利用交叉极化及魔角旋转技术研究有机高分子化合物聚集态结构
19.2.2实验目
(1)了解固体核磁共振仪基本结构及主要组成单元;
(2)掌握固体核磁中交叉极化及魔角旋转技术原理
(3)了解固体核磁主要应用领域及所能获得主要结构信息;
(4)了解及掌握固体核磁制样、进样方法,基本操作步骤
19.2.3仪器名称及型号
400MHz固体核磁共振仪
BRUKERAvanceIII400MHz宽腔固体核磁共振仪
19.2.4固体核磁共振仪器结构
固体核磁共振仪主要由以下几部分组成:
磁体部分,射频发生器,接收器/发射器转换开关,探头,接收器,进样及载气及计算机控制单元。
(1)超导磁体
磁体部分通常要求在不同部位磁体变化量不超过10-9,只有这样所测定实验结果才有完全可信度,否则由于磁场不稳定性轻则导致谱线展宽(直接影响对拉莫尔频率差别非常小体系分辨),重则直接导致测试结果可信度。
目前主要采用是超导磁体,这是由于超导体能够在无外加能量情况下支持大电流,一旦充电后,超导磁体能够在为外加干扰情况下提供极其稳定磁场。
射频发生器单元式核磁共振仪中产生射频辐射部分。
(2)射频发生器
通常情况下,核磁共振仪中根据所测核拉莫尔频率不同配备多个射频单元。
在射频单元中包括射频合成器、脉冲门、脉冲程序单元和放大器。
射频合成器会产生一频率固定电磁振荡信号,其振荡频率位于仪器参考频率,记为:
ωref。
对于400MHz核磁共振仪其频率合成器产生振荡频率为400MHz,相应该射频合成器输出信号波形为:
Ssynth∼cos(ωreft+φ),其中φ是相应射频相位,t是时间。
在许多NMR实验中射频脉冲相位可以快速变换,而这种变换是通过脉冲程序单元控制。
脉冲门能够截取所产生连续波脉冲使之变为部连续状态,但脉冲门打开时,由射频合成器产生脉冲得以进入后续系统,但当脉冲门关闭时,射频合成器产生连续波将无法进入后续系统。
脉冲门打开时间称为脉宽。
脉冲门开放及否及相关时间亦由脉冲程序单元控制。
射频放大器是将所产生门控调制信号放大到一定程度进而输入到探头。
通常情况下,放大器信号输出功率在几瓦到一千瓦范围。
放大射频信号通过双轴导线传入到接收器/发射器转换开关。
(3)在接受器/发射器转换开关
该部件存在合并两组导线:
一组通向固定及静磁场中探头,另一组通向可检测由核自旋产生微弱射频信号接受器单元。
因此此部分功能就是当正向由放大器发出强射频信号传入接受器/发射器转换开关时,它会将此信号输入探头而不是检测器,反之,当反向有关核磁共振响应弱信号进来时,它会导向检测器而非放大器。
(4)探头
探头是核磁共振仪中最复杂部分,它具有以下方面功能:
1)由于它存在,才能使样品进入均匀静磁场中;
2)在探头中存在产生射频波以照射样品以及检测相应从样品中产生射频辐射射频电子线路;
3)为保证固体核磁图谱能得到更精细结构信息,就必须将样品在魔角方向进行高速旋转,因此在固体核磁中探头中存在将样品管倾斜至魔角方向并使其沿此方向进行高速旋转装置;
4)探头中存在使样品温度恒定装置;
5)在特定场合,探头中还存在一些特殊线圈(梯度场线圈)能产生空间上分布不均匀磁场,这些线圈存在对减短样品检测时间,选择性收集所需要磁化矢量,抑制不需要磁化矢量等方面具有极其重要作用。
另外探头中尚存在一对容抗电路,通过这对容抗电路可调谐探头感应频率及外来射频发生器完全匹配,有利于产生共振,从而使之能够完全吸收来自前者能量,同时经过调谐后探头所接受NMR信号会员强于未经调谐探头,有利于提高NMR实验灵敏度。
(5)接收器
仪器接受器单元电子线路及设计往往都比较复杂,其基本组成主要有以下几部分:
信号预放大器、四相位接受器、数模转换器、信号相移单元(SignalPhaseshifting)。
NMR信号经过接受器/射频发生器转换开关后进入信号预放大器,信号预放大器是一种低噪音射频放大器,通过它能够将微弱NMR信号放大到伏特级。
因此为了使微弱NMR信号得以及时放大,信号预放大器往往被置于最靠近磁场部位,从而使信号在传递过程中损失达到最小。
信号必须传入计算机才能进行分析,因此就必须将振荡变化NMR电流信号数字化。
将连续电流或电压变为数字化形式器件就是数模转换器(Analogue-to-digitalconvertersADCs)。
在核磁共振实验中所测定频率位于MHz范围,对于如此快频率变化数模转换器是很难将其数字化。
但是对于我们关心核磁共振信号而言,其真正变化区间是在kHz范围内,为此我们采用四相位接受器方法将所观察到初始NMR信号及射频发生器参考信号加以比对,减去参考信号从而产生一相对拉莫尔频率(Ω0=ω0-ωref,其中ω0是初始NMR信号频率,其范围落在MHz范围内;
ωref是射频发生器产生参考射频脉冲,其范围也落在MHz范围内;
Ω0是经过四相位接受器处理后得到相对拉莫尔频率,其范围往往小于1MHz)。
经过这种处理后,后续数模转活就可以精确进行。
另外在核磁共振实验中所产生频率会大于(例如:
500.001000MHz)或小于参考频率(例如:
499.999000MHz),但是经过上述转变过程后分别变为+1.000kHz及-1.000kHz。
如果单纯只依靠频率变化是无法区分出这两种情况,为此接受器提供两个输出信号:
SA(t)∼cos(Ω0t)exp(-λt)
SB(t)∼sin(Ω0t)exp(-λt)
这两个信号可分别视为单一复数信号实部及虚部。
由于复数信号采用就可以从相位角度轻松地区分出共振信号频率是较参比信号快还是慢。
由于四相位接受器采用所以产生两个输出信号,这两个信号输出单元分别接于各自数模转换器上。
数模转换器是一套每隔特定时间快速测量输入信号电压大小电子线路,并且将所测相关数据转换成一串“1”及“0”表示信息。
核磁共振信号是通过在一整套不同时间点连续测定并转化成相应数字化信息而实现。
转换后数字化信息就可存入计算机加以处理。
在数字化过程中所取点间隔时间称为取样间隔(samplinginterval),取样间隔倒数就是取样带宽(samplingbandwidth)或谱宽(spectralwidth)。
对固体及溶液核磁共振实验而言,谱宽通常分别是4MHz及250kHz,相对应取样间隔为250ns及4μs。
在许多核磁共振实验中,射频脉冲相位及NMR信号相位会随实验进行而动态变化。
这种动态变化有利于消除核磁共振实验中伪峰,并且有助于区分不同类型核磁共振信号。
射频脉冲相位可通过脉冲门加以调控,而信号相位单元调控可通过信号离开探头进入接受器/数字化进程后加以调控。
目前有两种常见对信号相位进行调控方法:
1)接受器参考相位法:
四相位接受器可以比较所测定NMR信号及来自射频发生器参比波相位。
如果在整个信号检测阶段,射频发生器参比波相位变化为另一值,例如φrec,那么信号相位亦将改变同样数值;
2)数字化器相位调整:
经数字化后复数信号通过一个叫做后数字化相位移动器(post-digitizationphaseshifter)后首先乘以特定复数因子exp(-iφdig),然后再传入计算机,就得到相位改变信号。
经数字化处理后信号在经过计算机进行傅立叶变换、相位校正等处理据可得到一张核磁共振图谱。
(6)进样及载气及计算机控制单元。
对于固体核磁共振仪而言为了要得到高精细结构固体核磁共振图谱,首先必须采用魔角旋转技术压制强偶极作用导致谱线展宽,为此固体核磁共振仪尚配有一整套设备以满足以上要求。
例如能够使样品管在竖直位置及魔角位置自如转换装置,能够将样品安全地进入及弹出探头系统并能保证推动样品管沿魔角方向进行高速旋转载气系统等附属设备。
因此通常核磁共振仪结构图可展示于图1。
图6固体核磁共振仪基本结构框图
19.2.5试剂及样品
金刚烷(Adamantane)聚苯胺(Polyaniline)粉末
聚酯(PET)薄膜
19.2.6实验步骤
(1)样品制备及就位
要获得一张高质量固体核磁CP/MAS谱图,对于常规有机物或无机物需要大约100-200mg左右样品(为得到高质量图谱,样品纯度应当尽可能高),将这些样品在研钵中研细,直到体系中确保无任何硬块状碎片存在。
然后利用装填工具将所得粉末状样品填充至转子中,并利用挤压器(Pressor)将样品夯实并且均匀地填入转子内。
(注意:
在使用挤压器时,必须保证用力方向始终保持竖直向下,绝对应该避免用力扭曲,否则会折断挤压器!
!
)在样品制备过程中,样品填充高度为转子顶部2mm左右,此高度是为了盖转子帽而预留。
手工盖上转子帽,在盖帽过程中应尽可能用较小力以避免破坏帽上所带有锯齿。
用装有乙醇溶剂洗瓶将转子外部洗干净,(注意:
绝对应当避免盖帽不严导致乙醇进入转子中)。
用吸水纸擦干转子外部乙醇溶液,并用黑色记号笔在转子底部弧形部分画半个圆弧以利于记录转子转速。
将样品放入磁场中,在气动控制单元中按下“INSER””键,选定样品管转动速率,然后按下“GO”,等待样品管旋转稳定。
(2)CP/MAS实验参数设定
从D:
\data\wuxd\CP\MAStest\22拷贝相关实验参数进入新文件夹(指令:
edc),修改相应存储文件文件名及路径及标题。
进入取样界面:
输入指令:
wobb
开始调谐操作,最终是调谐曲线最下端正对准零点中心线;
在开始实验前,必须将前置放大器及探头相连氢通道LAN连线改为直接及探头相连,绕过前置放大器(非常重要,否则会产生严重后果!
)
进一步检查实验参数,确认功率参数是安全,然后开始进行实验。
(3)实验数据得到及处理
ft进行傅里叶变换,apk进行相位校正;
打印出相应谱图。
(4)停止样品旋转,将样品从探头中弹出,停止实验。
19.2.7实验注意事项
为了保证实验数据正确性,需注意以下几点:
(1)实验室保持高度清洁
(2)严禁强磁性样品分析
(3)测试前需预先告知样品性能,以免污染探头
(4)制备或处理样品时使用聚乙烯手套,禁止使用塑料手套和工具以免硅树脂污染样品表面
(5)使用玻璃制品(如表面皿、称量瓶等)或者铝箔盛放样品,禁止直接使用塑料容器、塑料袋或纸袋,以免硅树脂或纤维污染样品表面
19.2.8思考题
(1)比较固体核磁及溶液核磁原理、谱线特征及相关结构信息异同点。
(2)试说明取向材料及非晶材料在固体核磁谱图上有什么典型不同?
(3)说明固体核磁共振实验中需要特别注意相关实验细节,并说明原因。
参考文献
- 配套讲稿:
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- 固体 核磁共振 基础 原理