1、超導核磁共振譜儀的原理及應用實驗指導書貴州大學精細化工研究開發中心（綠色農藥與生物工程重點實驗室）1、實驗類型及學時數a) 實驗類型：設計性實驗(研究性實驗）b) 學時數：10學時2、實驗目的和意義核磁共振是1946年由美國斯坦福大學布洛赫(F.Block)和哈佛大學珀賽爾(E.M.Purcell)各自獨立發現的，兩人因此獲得1952年諾貝爾物理學獎。50多年來，核磁共振已形成為一門有完整理論的新學科。在各種各樣的化學分析儀器中，核磁共振譜儀被公認為是一種非常重要的研究和測試工具，它的許多功能是其它手段無法代替的。核磁共振譜儀可以給出小到原子核在分子中的精確位置及其周邊環境的微小變化，大到整個

2、人體的斷層成像等具有豐富內涵的信息。被廣泛用于工業、農業、化學、生物、醫藥、地球科學和環境科學等領域。通過學習核磁共振波譜儀的構成、使用方法及其在定性、定量分析中的應用，培養學生嚴謹的科學態度、細致的工作作風、實事求是的數據報告和良好的實驗習慣（準備充分、操作規范，記錄簡明，臺面整潔、實驗有序，良好的環保和公德意識）；培養學生的動手能力、理論聯系實際的能力、統籌思維能力、創新能力、獨立分析解決實際問題的能力、查閱手冊資料并運用其數據資料的能力以及歸納總結的能力等。3、實驗原理（1）基本原理自旋不為零的粒子，如電子和質子，具有自旋磁矩。如果我們把這樣的粒子放入穩恒的外磁場中，粒子的磁矩就會和外磁

3、場相互作用使粒子的能級產生分裂，分裂后兩能級間的能量差為E = hB0                                   （1）其中：為旋磁比，h為約化普朗可常數，B0為穩恒外磁場。如果此時再在穩恒外磁場的垂直方向加上一個交變電磁場，該電磁場

4、的能量為h                                           （2）其中：為交變電磁場的頻率。當該能量等于粒子分裂后兩能級間的能量差時，即：h = h B0

5、                                  （3）2 = B0               &#

6、160;                  （4）低能極上的粒子就要吸收交變電磁場的能量產生躍遷，即所謂的磁共振。簡單地說，核磁共振波譜法就是將自旋核放入磁場中，用適宜頻率的電磁波照射，它們會吸收能量，發生原子核能級的躍遷，同時產生核磁共振信號，得到核磁共振譜的實驗方法。（2）脈沖傅立葉NMR譜儀的基本結構與工作原理脈沖傅立葉NMR譜儀一般包括5個主要部分：射頻發射系統、探頭、磁場系統、信號接收系統和信號處理與控制系統。a)

7、射頻發射系統：射頻發射系統是將一個穩定的、已知頻率的石英振蕩器產生的電磁波，經頻率綜合器精確地合成出欲觀測核（如1H，13C，31P等）、被輻照核（如照射1H以消除其對觀測核的耦合作用）和鎖定核（如2D，7Li，用心穩定儀器的磁場強度）的3個通道所需頻率的射頻源。射頻源發射的射頻脈沖通過探頭上的發射線圈照射到樣品上。b) 探頭：探頭是整個儀器的心臟，固定在磁極間隙中間。包括樣品管支架、發射線圈、接收線圈等，樣品管在探頭中高速旋轉，以消除管內的磁場不均勻性。探頭分為多種，如正向探頭、反相探頭、微量探頭、固體探頭等。c) 磁場系統：用心產生一個強、穩、勻的靜磁場以便觀測化學位移微小差異的共振信息。

8、高磁場磁體（高于2.3T）需要采用超導體繞制的線圈經電激勵來產生，稱為超導磁體。超導磁體需要使用足夠的液He和液N2來降低溫度，維持其正常工作。磁體內同時含有多組勻場線圈，通過調節其電流使它在空間構成相互正交的梯度磁場來補償主磁體的磁場不均勻性。通過仔細反復調節，可獲得足夠高的儀器分辨率和良好的NMR譜圖。d) 信號接收系統：信號接收系統和射頻發射系統實際上用的是同一組線圈。當射頻泳沖發射并施加到樣品上后，發射門關閉，接收門打開，FID信號被信號接收系統接收下來。信號經前置放大器放大、檢波、濾波等處理，再經模數轉換轉化為數字信號，最后通過計算機快速采樣，FID信號被記錄下來。e) 信號處理與控

9、制系統：負責控制和協調各系統有條不紊地工作。并對接收的FID信號進行累、傅立葉變換處理等。4、實驗設備儀器設備：JEOL ECX 500型超導核磁共振譜儀 JEOL ECX 500核磁共振波譜儀 工作站操作介面JEOL ECX 500具有51mm自屏蔽超導磁體，磁場強度11.74T (1H,500MHz)，44級勻場線圈，Z1 to Z6氘梯度自動勻場裝置，磁場漂移3Hz/h；兩個射頻通道，頻率范圍10-1000 MHz；采樣譜寬50Hz-2MHz；配備自動調諧5mm梯度寬帶探頭（多核15N-31P，19F, 1H，分辨率小于0.45Hz，變溫范圍-100 to +150）；5mm FG/HX

10、反向探頭（1H，變溫范圍：-100 to +150）；3mm微量探頭(分辨率0.5Hz)。目前開展的常規測試項目有：1H、13C、DEPT90、DEPT135、31P、19F、15N、H-H COSY、H-C COSY（HMQC、HSQC）等一維和二維譜。5、實驗內容了解并初步掌握脈沖傅立葉變換NMR譜儀的基本原理與構造；學習核磁共振波譜法測定化合物結構的方法；通過測定已知和未知樣品的1HNMR和13CNMR，初步掌握獲得譜圖的一般操作程序與技術；了解影響分析測定的重要因素，學會優化分析條件；學習核磁共振譜圖的解析方法。6、實驗步驟1) 樣品的制備為了獲取分子內部高分辨率的NMR譜圖，一般需采

11、用液態樣品。固體樣品要用隋性溶劑稀釋成樣品溶液，溶液應盡量濃一些以減少測量時間，但不宜過于粘稠，樣品溶液保持較好的流動性可以減少分子間的相互作用，避免譜線過寬。在作精細測量時應采用內鎖方式進行鎖場，溶劑必須采用氘代溶劑如CDCl3，D2O，(CD3)2CO，(CD3)2SO等，氘代溶劑還可避免溶劑信號過強而干擾測量。樣品溶液中應不含未溶解的固體微粒、灰塵或順磁性雜質，否則會導致譜線變寬，甚至失去應有的精細結構。2) 標準參考樣品測量樣品的化學位移必須用標準物質作為參考，按標準參考物加入的方式可分為外標法和內標法。外標法是將標準參考物裝于毛細管中，再插入樣品管，與樣品溶液同軸進行測量。內標法是將

12、標準參考物直接加入樣品中進行測量。內標優于外標法。對于1H譜，通常采用四甲基硅（TMS）作內標，TMS化學隋性，具有12個等價質子，只有一個尖銳單峰，出現在很高場，將其化學位移定為0點，一般化合物的譜峰都在它的左邊。不同核素所用的標準參考物不同。13C核與29Si核皆用TMS作內標。而31P核用85%的磷酸，以外標法測定。3) 樣品測試a) 將樣品管放入儀器進樣口。要求注意安全，必須垂直放入和取出，以名樣品管折斷污染探頭。b) 鎖場，仔細勻場以調整好儀器的分辨率。c) 設置測量參數并測量樣品。需要設置的參數包括：所用溶劑、觀測核、測量方法、脈沖系列類型、脈沖角度、譜寬、延遲時間、累加次數、采樣點數等。d) 測量，譜圖處理。譜圖處理包括相伴調整、化學位移標定、積分等。e) 結束實驗，取出樣品。4) 譜圖解析5) 數據分析和實驗報告7、注意事項a) 所有操作在老師指導下完成，禁止擅動儀器；b) 嚴格按照操作程序進行操作，實驗不用的命令不能亂動；c) 嚴禁將磁性物體帶到磁體附件，尤其是探頭區；d) 樣品管的插入與取出，務必小心謹慎