1、精選優質文檔-傾情為你奉上核磁共振實驗報告一、實驗目的：1 掌握核磁共振的原理與基本結構；2 學會核磁共振儀器的操作方法與譜圖分析；3 了解核磁共振在實驗中的具體應用；二、實驗原理核磁共振的研究對象為具有磁矩的原子核。原子核是帶正電荷的粒子，其自旋運動將產生磁矩，但并非所有同位素的原子核都有自旋運動，只有存在自選運動的原子核才具有磁矩。原子核的自選運動與自旋量子數I有關。I=0的原子核沒有自旋運動。I0的原子核有自旋運動。原子核可按I的數值分為以下三類：1) 中子數、質子數均為偶數，則I=0，如12C、16O、32S等。2) 中子數、質子數其一為偶數，另一為基數，則I為半整數，如：I=1/2；

2、1H、13C、15N、19F、31P等；I=3/2；7Li、9Be、23Na、33S等；I=5/2；17O、25Mg、27Al等；I=7/2，9/2等。3) 中子數、質子數均為奇數，則I為整數，如2H、6Li、14N等。 以自旋量子數I=1/2的原子核（氫核）為例，原子核可當作電荷均勻分布的球體，繞自旋軸轉動時，產生磁場，類似一個小磁鐵。當置于外加磁場H0中時，相對于外磁場，可以有（2I+1）種取向：氫核（I=1/2），兩種取向（兩個能級）：a. 與外磁場平行，能量低，磁量子數1/2;b. 與外磁場相反，能量高，磁量子數1/2;正向排列的核能量較低，逆向排列的核能量較高。兩種進動取向不同的氫核

3、之間的能級差：E= H0 （磁矩，H0外磁場強度）。一個核要從低能態躍遷到高能態，必須吸收E的能量。讓處于外磁場中的自旋核接受一定頻率的電磁波輻射，當輻射的能量恰好等于自旋核兩種不同取向的能量差時，處于低能態的自旋核吸收電磁輻射能躍遷到高能態。這種現象稱為核磁共振，簡稱NMR。三、儀器設備結構核磁共振波譜儀（儀器型號：Bruker AVANCE 400M）由以下三部分組成：1) 操作控制臺：計算機主機、顯示器、鍵盤和BSMS鍵盤。計算機主機運行Topspin程序，負責所有的數據分析和存儲。BSMS鍵盤可以讓用戶控制鎖場和勻場系統及一些基本操作。2) 機柜：AQS（采樣控制系統）、BSMS（靈巧

4、磁體系統），VTU（控溫單元）、各種功放。AQS各個單元分別負責發射激發樣品的射頻脈沖，并接收，放大，數字化樣品放射出的NMR信號。AQS完全控制譜儀的操作，這樣可以保證操作不間斷從而保證采樣的真實完整。BSMS：這個系統可以通過BSMS鍵盤或者軟件進行控制，負責操作鎖場和勻場系統以及樣品的升降、旋轉。3) 磁體系統：自動進樣器、勻場系統、前置放大器(HPPR)、探頭。本儀器所配置的自動進樣器可放置60個樣品。磁體產生NMR躍遷所需的磁場。室溫勻場系統被安裝在磁體的下端，是一組載流線圈，通過補充磁場均勻度來改善磁場一致性。探頭的功能是支撐樣品，發射激發樣品的射頻信號并接收共振信號，探頭被插入到

5、磁體的底部，位于室溫勻場線圈的內部。同軸電纜把激發信號從控制放大器傳送至探頭，并把NMR信號從樣品處傳回到接收器。四、實驗步驟1 樣品制備 對于固體樣品，如果使用5mm樣品管，按照豐度，氫譜質量分數5%-10%，碳譜20%左右。1H-NMR譜樣品幾毫克至幾十毫克，對于13C-NMR譜則要適量增加樣品質量。加入0.5mL左右氘代試劑，混合均勻，用生料帶封住管口，減少溶劑揮發。蓋上核磁管帽，做好標記。2 樣品手動檢測 開機：打開計算機、主機、輔助設備。 進入操作界面，利用相關軟件進行試驗參數的設置。 進樣：將樣品管插入轉子，定深量筒控制樣品管插入轉子的深度。確保樣品與量筒內的線圈對齊。 樣品的升降

6、是由一股壓縮空氣控制的。按下BSMS鍵盤上的LIFT鍵。可以聽到氣流的聲音，取下前一個樣品，把新樣品放到氣墊上。再次按下LIFT鍵。樣品會緩慢落進磁體，精確進入探頭中的位置。在往磁體中放入樣品前，確認存在氣流。（可以聽到氣流聲） 在命令行輸入指令edc,對新樣品進行命名。 在命令行鍵入lock命令，并選擇相應的溶劑。根據配置樣品所用的氘代試劑。 鎖場完成后，在命令行輸入指令atma，進行調諧。 調諧完成，在命令行輸入topshim,可以進行自動勻場，也可以進行手動勻場，具體操作是在BSMS鍵盤進行調整。磁場是三維的，所以勻場項的名稱使用XYZ坐標系統來反應相應的代數功能。 命令行輸入rga。自

7、動設定接收機增益。 命令行輸入ns。設定掃描次數。 命令行輸入zg。系統開始采集數據。 數據采集完成，在命令行輸入efp,將采集結果進行傅里葉變換。輸入apk,進行自動相位校正，輸入absn，進行基線校正。 對譜圖進行定位，標峰，積分處理，打印譜圖。 實驗結束，關閉相關軟件及計算機。3 樣品自動檢測1 在計算機上打開自動進樣器控制系統Icon NMR:automation。2 將樣品管插入轉子，定深量筒控制樣品管插入轉子的深度。擦拭干凈后 放入自動進樣器，記錄樣品編號。3 在自動進樣器控制系統內雙擊對應樣品編號進行設置:Name、No.、Solvent、Experiment、Par。設置完成后

8、submit，點擊start，儀器將自動完成測定。4 在實驗記錄本上對所做實驗進行記錄。5 樣品測定結束后從自動進樣器上取下。五、應用核磁共振在各個領域的應用都是相當廣泛的，下面簡單介紹下近年來核磁共振技術在化學分析、材料科學、藥學、生物學、煤化學等領域的應用。核磁共振在化學分析中正發揮越來越大的作用，它不僅是一種研究手段，也是常規分析中不可缺少的一種手段。用它可以對樣品進行定性和定量的分析，確定反應過程及反應機理。用它還可以研究各種化學鍵的性質，研究溶液中的動態平衡，測量液體的粘度，確定各種物質在生產過程中的一些其它性質和控制生產流程等。另外1H、13C、15N、31P等核磁共振譜在確定有機

9、化合物分子結構和變化，原子的空間位置和相互間的關聯等方面也得到普及。在材料科學領域高功率固體NMR是研究高分子聚合物、玻璃、陶瓷、煤、樹脂、新型表面活性劑、壓電物質的研究等非常重要的、有的時候甚至是唯一的方法。應用化學中精細有機合成的進一步發展，各種新型表面活性劑的合成、涂料的改性、水處理技術添加劑的研制、新型激光材料以及有機反應過程的動態和穩態的研究都必須依靠固體NMR譜儀的配合。利用核磁共振方法解決某些屬于分子結構和晶體結構的問題，研究固體中分子運動的性質，研究結構相變（例如鐵電體的結構相變），研究磁性材料中不同晶格位置上的超精細場等。在藥學領域，核磁共振技術在創新藥物研究及藥物質量控制方

10、面具有廣泛的應用，不僅能定性定量分析藥物及雜質，而且能建立復雜的中藥指紋圖譜。此外，液體NMR還能分析藥物的穩定性和藥物代謝，測定靶蛋白的溶液空間結構及其動力學，研究靶蛋白與藥物分子的相互作用不僅能定性定量分析藥物及雜質，而且能建立復雜的中藥指紋圖譜，等等。近年來，國際藥典、歐洲藥典及美國藥典指定NMR譜學技術作為對藥物進行分子結構鑒定和藥劑的定量研究主要工具。分子生物學中一個眾所周知的事實是蛋白質生物活性和功能的多是在溶液中顯現的，而能用于探測溶液中蛋白質的三維構象的唯一手段就是NMR。正因為如此，2002年的諾貝爾化學獎授予瑞士ETH的Wthrich ,表彰他用多維NMR波譜學在測定溶液中

11、蛋白質結構的三維構象方面的開創性貢獻。而最具前沿科學的不溶性蛋白或膜蛋白空間三位結構研究也需要用到固體核磁。1955年，英國的紐曼（P.C.Newman）等人首先將核磁共振氫譜（1H-NMR）用于煤的研究，1H-NMR能詳細給出煤及衍生物中氫分布的信息，此后迅速得到了廣泛的應用。1960年，英國人拉德納（W.R.Ladner）和布朗（J.K.Brown）利用氫分布和元素分析數據，提出了煤的三個重要結構參數（芳香環取代度，芳碳率fa，芳香環縮合度Haru/Car）的計算公式，這些公式已得到廣泛應用。1H-NMR需要在溶液狀態下測定，所以主要用于煤的抽提物、煤液化產物以及煤熱解液體產物等的表征。1968年，Retcofsky等首先將核磁共振碳譜（13C-NMR）應用到煤液化產品的分析中，從13C-NMR譜可以獲得煤的碳骨架和芳香度等信息，且從13C-NMR得到的芳香度是直接觀測的，優于任何其它方法所得值；除此之外，還能觀察到不與質子相連的基團中碳的信息。所以，將1H-NMR與13C-NMR這兩種方法結合起來，取長補短，已被廣泛用于研究煤及其衍生物的結構。13C-NMR既可以用于液體樣品測試，也可以用于固體樣品測試。由于煤中部分甚至大部分是不能被溶劑溶解的大分子骨架結構，所以對固體煤的直接研究非常重要，直接用固體煤進行測試時，可以消除由