1、固體核磁共振19.1 固體核磁共振基本原理19.1.1 核磁共振的基本原理及固體核磁中主要的相互作用如果我們將樣品分子視為一個整體，則可將固體核磁中探測到的相互作用分為兩大類：樣品內 部的相互作用及由外加環境施加與樣品的作用。前者主要是樣品內在的電磁場在與外加電磁場相互 作用時產生的多種相互作用力，這主要包括：化學環境的信息（分子中由于內在電磁場屏蔽外磁場 的強度、方向等），分子內與分子間偶極自旋偶合相互作用，對于自旋量子數為1/2的四極核尚存 在四極作用。外部環境施加與樣品的主要作用有：1）由處于縱向豎直方向的外加靜磁場作用于特定的核磁活性的核上產生的塞曼相互作用 （Zeeman Inter

2、action）,核子相對映的頻率為拉莫爾頻率（Larmor Frequency）;2）由處于x-y平面的振蕩射頻場產生的作用與待測樣品的擾動磁場。與溶液核磁共振技術測 定化學結構的基本思路，在固體核磁共振實驗中也是首先利用強的靜磁場是樣品中核子的能級發 生分裂，例如對于自旋量子數I=1/2的核會產生兩個能級，一個順著靜磁場方向從而導致體系的能 量較低；另一個則逆著靜磁場排列的方向使得體系相對能量較高。經能級分裂后，處于高能級與低能級的核子數目分布發生改變，并且符合波爾茲曼分布原理： 即處于低能級的核子數目較多而高能級的數目較少，最終產生一個沿豎直向上的凈磁化矢量。此磁 化矢量在受到沿x-y平面

3、的振蕩射頻磁場作用后產生一扭矩最終將沿豎直方向的磁化矢量轉動一 特定的角度。由于這種射頻脈沖施加的時間只是微秒量級，施加完射頻脈沖后，體系中剩下的主要 相互作用將會使這種處于熱力學不穩定狀態的體系恢復到熱力學穩定的初始狀態。在磁化矢量的恢 復過程中，溶液核磁中主要存在的相互作用有：化學位移，J-偶合等相對較弱的相互作用，而相 對較強的分子間偶極自旋偶合相互作用在大多數體系中由于分子的熱運動而被平均化。但是在固體 核磁共振實驗中，由于分子處于固體狀態從而難以使體系中的偶極自旋偶合作用通過分子熱運動而 平均化。另外值得指出的是與化學位移，J-偶合等相互作用的強度相比，分子間偶極自旋偶合作用 是一種

4、遠強于前兩者的一種相互作用。通常情況下，化學位移與J-偶合一般都處于Hz量級，但是 偶極自旋偶合作用強度卻處于kHz量級，所以如果不采用特殊手段壓制偶極自旋偶合作用帶來的 譜線展寬，通常靜態條件下觀察到的核磁共振譜往往是信息被偶極自旋偶合作用掩蓋下的寬線譜 （圖2所示為乙酸膽固醇酯在靜態下以通常的去偶方式所得到的圖譜與溶于CDCl3后所測得的溶液 核磁圖譜的對比，從中可看出固體核磁圖譜在沒有特殊技術處理下呈現的是毫無精細結構的寬包 峰。）。因此，在固體核磁中只有采用特殊技術首先壓制來自強偶極自旋偶合作用導致譜線寬化的影 響，才有可能觀察到可用于解析物質化學結構的高分辨固體核磁共振譜。圖1上圖藍

5、線所示為乙酸膽固醇酯的固體13CNMR （靜態，未進行強功率去偶）而下圖紅線記錄的是將其溶于 CDC13后的溶液狀態的核磁共振譜。由此可見在固體狀態由于化學位移各向異性及強偶極相互作用等因素的存在使 譜線展寬為毫無精細結構的圖譜。在固體核磁測試中，雖然質子的自然豐度與旋磁比都比較高，但是由于體系中質子數目多，相 互偶極自旋耦合強度遠高于稀核，例如13C和15N等，因此在大多數情況下固體核磁采用魔角旋轉 技術（Magic Angle Spinning MAS）與交叉極化技術（Cross Polarization CP）可得到高分辨的雜核 固體核磁譜。對于1H必須采用魔角旋轉與多脈沖結合方式（Co

6、mbined Rotation and Multipulse Spinning CRAMPS）將質子的磁化矢量轉至魔角方向方能得到高分辨質子譜。19.1.2 魔角旋轉技術在靜態固體NMR譜中主要展現的是化學位移各向異性、偶極自旋耦合和四極相互作用的信息， 這些物理作用往往展現出的是寬線譜。如果在研究中對這些信息不感興趣，而更多關注于化學位移 與J-耦合時，可通過將樣品填充入轉子，并使轉子沿魔角方向高速旋轉，即可實現譜線窄化的目 的。這是因為上述作用按時間平均的哈密頓量均含有因子（1-3cos26）,因此如果將樣品沿伊54.7° （即正方體的體對角線方向）旋轉時，上述強的化學位移各向異

7、性、偶極自旋偶合和四極相互作用 被平均化，而其他相對較弱的相互作用便成為主要因素，因此有利于得到高分辨固體核磁共振譜。 值得指出的是由于1H核的自然豐度非常高，因此1H-1H核之間的偶極作用遠強于13C-13C之間的相互 作用，因此在不是太高的旋轉速度下就可以實現壓制13C-13C之間的偶極相互作用，但要實現完全壓 制1H-1H核之間的偶極作用在許多固體核磁共振譜儀上還是難以實現的。實驗中一般采用兩種氣流： bearing gas和driving gas （見圖3所示），前者使樣品管能夠浮起并且在樣品管旋轉過程中具 有使其處于平衡狀態的功能，后者通過吹動樣品管的鋸齒帽而使之沿魔角所在方向進行高

8、速旋轉。圖2魔角旋轉實驗的示意圖，其中白色部分代表樣品管，樣品管頭部的紅色條紋代表樣品管的鋸齒狀Kel-F 或BN制成的用于高速旋轉的帽。為使樣品管穩定高速旋轉必須采用兩種氣流：bearing gas和driving gas。當魔角旋轉速度非常高的情況下可將粉末狀樣品在靜態圖譜中所呈現的各向異性粉末狀圖案(Powder pattern)簡化為各向同性的化學位移峰逐漸顯現，但是當沿魔角旋轉速度不夠快時，經魔角旋轉后所得到的圖譜出得到各向同性的表示化學位移 的單峰外，尚存在一系列稱為旋轉邊帶(Spinning sideband)的衛星峰。各旋轉邊帶之間的間距 (用Hz表示)正好是樣品管的旋轉速度，

9、并且均勻分布在各向同性的化學位移所在的主峰的兩側。 當旋轉速度加快時，旋轉邊帶的間距也加大，具體實例見圖4，最終呈現為各向同性的化學位移。spinning rate10 kHz圖3固體核磁共振實驗中旋轉邊帶與魔角旋轉速度的相互關聯關系目前樣品管的旋轉速度隨樣品管的尺寸不同可在1-35 kHz范圍內調解，這對于自然豐度比較 低的核，例如：KIN可以有效抑制體系中的同核偶極相互作用，但對于自然豐度很高的核，例如 1H, 19F等，由于體系中的偶極作用強度往往大于100 kHz，因此如果單純依靠魔角旋轉技術是難以 獲得高分辨圖譜的。19.1.3 交叉極化技術對于13C, 15N等體系雖然通過魔角旋轉

10、技術有效地壓制了同核偶極相互作用，但是這些核的旋磁 比比較小，自然豐度比較低，因此如果采用直接檢測這些核的實驗方法將導致整個實驗過程的靈敏 度非常低。為進一步提高這些核的實驗靈敏度，又發展了交叉極化技術。通過該技術可將1H核的 磁化矢量轉移到13C或15N等雜核上，從而提高這些雜核的實驗靈敏度。通過交叉極化技術測定固體雜核的核磁共振脈沖程序如下：圖4交叉極化的脈沖序列。此脈沖序列的凈結果是將核磁活性較高的核的磁化矢量傳遞給核磁活性較低的核 的磁化矢量，從而提高相關雜核固體核磁共振實驗的靈敏度。交叉極化過程的詳細物理解釋需要采用平均哈密頓理論(Average Hamiltonian Theory

11、)，在 此僅對此過程進行簡單的描述。起初施加于氫核上的90°x脈沖將氫沿z方向的初始磁化矢量轉變到 -y方向，這時施加于氫的脈沖磁場的相位迅速由x-軸轉變為-y軸。經過此相位轉變后，氫的磁化 矢量就被鎖定在-y軸上，因為此時氫的磁化矢量的方向與外在脈沖靜磁場的方向一致，即這時沿-y方向的磁場如同外加靜磁場所起的作用一樣，會使氫的磁化矢量沿脈沖磁場所在的方向產生 能級分裂，使得在此坐標系中氫的”和伊h的數目分布有所不同。值得指出的是此時雜核在-y方向 的磁化矢量為零,其a*X和此之間的數目分布相等。此時若在雜核X上沿-y方向也施加一脈沖磁場, 并且使得yH B1 (1H)=yxBJx)

12、 (Hartmann-Hahn Condition)時,氫從低能態可吸收來自雜核的偶極相互 作用的能量跳到高能態，而相應的雜核的一部分核子則從高能態跳回到低能態，使得原來磁化矢量 為零的狀態轉變為極化狀態。整個極化轉移過程可由圖6表示。中核子分布狀態p-交叉極化前在旋轉坐標系Z 中核子分布狀態經交叉極化后在旋轉坐標系ZB(H)1H磁化矢量圖5交叉極化過程的定性解釋在交叉極化進行前由于鎖場脈沖磁場的作用如同靜磁場一樣，因此在脈沖磁場所在的旋轉坐標 系中產生1H的能級分裂，使其a態與P態數目不同，當在此旋轉坐標系中對雜核X施加一脈沖磁 場使得體系滿足哈特曼-哈恩(Hartmann-Hahn Con

13、dition)條件時，即:H=x，氫核與雜核就可以 通過偶極作用發生能量轉移，能量轉移的結果是氫在a態與P態數目差異減小，而雜核原來低能級 與高能級之間本沒有數目差異，經此過程后，產生一定的數目差異，所以達到活化雜核的目的，使 雜核在固體核磁共振實驗中的靈敏度得到極大的提高。在整個交叉極化過程中由于1H核與X核之間的偶極作用滿足如下的關系式：八_1一 八 八H=Z d _(3cos29 -1) Ih IxHXik 2izkzi> k從式中可以看到1H核與X核之間偶極作用只與z方向有關，而與x-y平面無關，然而交叉極 化過程是在-y方向完成的，因此在交叉極化前后，總偶極強度保持不變。因此通

14、過交叉極化過程 后，氫核的磁化矢量減少而雜核X的磁化矢量增加，兩種核增加與減少的幅度與核的種類、交叉極 化的動力學過程等多種因素有關。19.1.4 固體核磁共振的異核去偶技術在測定雜核的固體核磁共振實驗過程中，采用魔角旋轉技術能夠比較有效地去除同核間的偶極 偶合作用(例如：13C-13C;15N-15N等)，但是對于這些核與氫核間的偶極偶合作用則比較有限，為此 還發展了多種去偶技術抑制這些雜核間的偶極耦合作用。值得指出的是雖然在溶液核磁體系中已發 展了多種去偶技術，但是由于在溶液體系中相應的作用力遠小于固體狀態的作用力，因此在固體核 磁共振實驗中所采用的去偶功率往往在100-1000瓦量級，而

15、非溶液狀態的瓦級。固體核磁共振實 驗中高功率去偶技術的采用帶來的一個不可避免的注意事項就是防止樣品在照射過程中由于產生 的熱導致其變性。固體核磁共振實驗中之所以采用高功率去偶技術是為了進一步提高圖譜的分辨率與靈敏度。經 過高功率照射后使原來存在偶極作用的氫與雜原子之間的作用消失，這樣原來所呈現的多峰就合并 為一個，使得譜線的強度增加，并且使譜圖的重疊減弱，有利于識譜。但是不可避免的是在此過程 中由于去偶技術的采用也使得反映有關原子周圍的化學環境、原子間相對距離等信息被消除19.1.5 固體核磁共振實驗的特點(1)固體核磁共振技術可以測定的樣品范圍遠遠多于溶液核磁，由于后者受限于樣品的溶解 性，

16、對于溶解性差或溶解后容易變質的樣品往往比較難以分析，但是這種困難在固體核磁實驗中不 存在；(2)從所測定核子的范圍看，固體核磁同溶液核磁一樣不僅能夠測定自旋量子數為1/2的1H,19F,13C,15N,29Si, 31P , 207Pb,還可以是四極核，如：2H, 17O等，所以可分析樣品的范圍非常廣泛；(3)是一種無損分析。(4)所測定的結構信息更豐富，這主要體現在固體核磁技術不僅能夠獲得溶液核磁所測得的化 學位移、J-耦合等結構方面的信息，還能夠測定樣品中特定原子間的相對位置(包括原子間相互距 離、取向)等信息，而這些信息，特別是對于粉末狀樣品或膜狀樣品，通常是其他常規手段無法獲 得的信息

17、。(5) 能夠對相應的物理過程的動力學進行原位分析，從而有助于全面理解相關過程。(6)能夠根據所獲信息的要求進行脈沖程序的設定，從而有目的有選擇性的抑制不需要的信 息但是保留所需信息。19.1.6 固體核磁共振應用簡介（1）研究對象無機材料（玻璃、沸石分子篩等），有機高分子材料（高分子固體），生物體系（膜蛋白），液 晶材料等（2.）研究內容有機小分子、高分子、無機化合物的粉末狀、多晶、單晶樣品及膜試樣的化學結構、空 間結構的表征與分析；固相反應的反應動力學，反應機理、特定物種的結構變化19.2 實驗部分19.2.1 實驗內容1 .利用交叉極化與魔角旋轉技術研究有機固體小分子化合物的聚集態結構2

18、 .利用交叉極化與魔角旋轉技術研究有機高分子化合物的聚集態結構19.2.2 實驗目的（1） 了解固體核磁共振儀的基本結構與主要組成單元；（2）掌握固體核磁中交叉極化與魔角旋轉技術的原理（3） 了解固體核磁的主要應用領域及所能獲得的主要結構信息；（4） 了解與掌握固體核磁的制樣、進樣方法，基本操作步驟19.2.3 儀器名稱及型號400MHz固體核磁共振儀BRUKER Avance III 400 MHz寬腔固體核磁共振儀19.2.4 固體核磁共振儀器結構固體核磁共振儀主要由以下幾部分組成：磁體部分，射頻發生器，接收器/發射器轉換開關， 探頭，接收器，進樣與載氣及計算機控制單元。（1）超導磁體磁體

19、部分通常要求在不同部位磁體的變化量不超過10-9,只有這樣所測定的實驗結果才有完全 可信度，否則由于磁場的不穩定性輕則導致譜線的展寬（直接影響對拉莫爾頻率差別非常小的體系 的分辨），重則直接導致測試結果的可信度。目前主要采用的是超導磁體，這是由于超導體能夠在 無外加能量的情況下支持大電流，一旦充電后，超導磁體能夠在為外加干擾的情況下提供極其穩 定的磁場。射頻發生器單元式核磁共振儀中產生射頻輻射的部分。（2）射頻發生器通常情況下，核磁共振儀中根據所測核的拉莫爾頻率的不同配備多個射頻單元。在射頻單元中 包括射頻合成器、脈沖門、脈沖程序單元和放大器。射頻合成器會產生一頻率固定的電磁振蕩信號， 其振蕩

20、頻率位于儀器的參考頻率，記為：叱ef。對于400 MHz的核磁共振儀其頻率合成器產生的振 蕩頻率為400 MHz,相應的該射頻合成器的輸出信號的波形為：Ssynth cos（叱f t + （p ），其中p是相 應射頻的相位，t是時間。在許多NMR實驗中射頻脈沖的相位可以快速變換;而這種變換是通過 脈沖程序單元控制的。脈沖門能夠截取所產生的連續波脈沖使之變為部連續狀態，但脈沖門打開時， 由射頻合成器產生的脈沖得以進入后續系統，但當脈沖門關閉時，射頻合成器產生的連續波將無法 進入后續系統。脈沖門打開的時間稱為脈寬。脈沖門的開放與否及相關時間亦由脈沖程序單元控制。射頻放大器是將所產生的門控調制的信號

21、放大到一定程度進而輸入到探頭。通常情況下，放大器信 號的輸出功率在幾瓦到一千瓦范圍。放大的射頻信號通過雙軸導線傳入到接收器/發射器轉換開關。（3）在接受器/發射器轉換開關該部件存在合并的兩組導線：一組通向固定與靜磁場中的探頭，另一組通向可檢測由核自旋產 生的微弱的射頻信號的接受器單元。因此此部分的功能就是當正向的由放大器發出的強射頻信號傳 入接受器/發射器轉換開關時，它會將此信號輸入探頭而不是檢測器，反之，當反向的有關核磁共 振響應的弱信號進來時，它會導向檢測器而非放大器。（4）探頭探頭是核磁共振儀中最復雜的部分，它具有以下方面的功能：1）由于它的存在，才能使樣品進入均勻的靜磁場中；2）在探頭

22、中存在產生射頻波以照射樣品以及檢測相應從樣品中產生的射頻輻射的射頻電子線 路；3）為保證固體核磁圖譜能得到更精細的結構信息，就必須將樣品在魔角方向進行高速旋轉， 因此在固體核磁中探頭中存在將樣品管傾斜至魔角方向并使其沿此方向進行高速旋轉的裝置；4）探頭中存在使樣品溫度恒定的裝置；5）在特定的場合，探頭中還存在一些特殊線圈（梯度場線圈）能產生空間上分布不均勻的磁 場，這些線圈的存在對減短樣品的檢測時間，選擇性收集所需要的磁化矢量，抑制不需要的磁化矢 量等方面具有極其重要的作用。另外探頭中尚存在一對容抗電路，通過這對容抗電路可調諧探頭的 感應頻率與外來的射頻發生器完全匹配，有利于產生共振，從而使之

23、能夠完全吸收來自前者的能量， 同時經過調諧后探頭所接受的NMR信號會員強于未經調諧的探頭，有利于提高NMR實驗的靈敏度。（5）接收器儀器的接受器單元的電子線路與設計往往都比較復雜，其基本組成主要有以下幾部分：信號預 放大器、四相位接受器、數模轉換器、信號相移單元（Signal Phase shifting）。NMR信號經過接受器/射頻發生器轉換開關后進入信號預放大器，信號預放大器是一種低噪音 射頻放大器，通過它能夠將微弱的NMR信號放大到伏特級。因此為了使微弱的NMR信號得以及時放 大，信號預放大器往往被置于最靠近磁場的部位，從而使信號在傳遞過程中的損失達到最小。信號必須傳入計算機才能進行分析

24、，因此就必須將振蕩變化的NMR電流信號數字化。將連續電 流或電壓變為數字化形式的器件就是數模轉換器（Analogue-to-digital converters ADCs）。在核 磁共振實驗中所測定的頻率位于MHz范圍，對于如此快的頻率變化數模轉換器是很難將其數字化 的。但是對于我們關心的核磁共振信號而言，其真正的變化區間是在kHz范圍內，為此我們采用 四相位接受器的方法將所觀察到的初始NMR信號與射頻發生器的參考信號加以比對，減去參考信號 從而產生一相對的拉莫爾頻率（。0=叱f,其中0是初始NMR信號的頻率，其范圍落在MHz范 圍內；明 是射頻發生器產生的參考射頻脈沖，其范圍也落在MHz范圍

25、內；Q0是經過四相位接受 器處理后的得到的相對拉莫爾頻率，其范圍往往小于1 MHz）。經過這種處理后，后續的數模轉活 就可以精確進行。另外在核磁共振實驗中所產生的頻率會大于（例如：500.001000MHz）或小于參 考頻率（例如：499.999000 MHz），但是經過上述轉變過程后分別變為+1.000kHz與-1.000 kHz。 如果單純只依靠頻率的變化是無法區分出這兩種情況的，為此接受器提供兩個輸出信號：SA（t）cos（Q0t）exp （-丸t）SB （t）sin（Q0t）exp（-At）這兩個信號可分別視為單一復數信號的實部與虛部。由于復數信號的采用就可以從相位角度輕 松地區分出共

26、振信號的頻率是較參比信號快還是慢。由于四相位接受器的采用所以產生兩個輸出信號，這兩個信號輸出單元分別接于各自的數模轉 換器上。數模轉換器是一套每隔特定的時間快速測量輸入信號電壓大小的電子線路，并且將所測的 相關數據轉換成一串“1”與“0”的表示的信息。核磁共振的信號是通過在一整套不同的時間點連 續測定并轉化成相應的數字化信息而實現的。轉換后的數字化信息就可存入計算機加以處理。在數 字化過程中所取點的間隔時間稱為取樣間隔(sampling interval),取樣間隔的倒數就是取樣帶寬 (sampling bandwidth)或譜寬(spectral width)。對固體與溶液核磁共振實驗而言，

27、譜寬通常分別是4 MHz與250 kHz,相對應的取樣間隔為250 ns與4處。在許多核磁共振實驗中，射頻脈沖的相位與NMR信號的相位會隨實驗的進行而動態變化。這種 動態變化有利于消除核磁共振實驗中的偽峰，并且有助于區分不同類型的核磁共振信號。射頻脈沖 的相位可通過脈沖門加以調控，而信號相位單元的調控可通過信號離開探頭進入接受器/數字化進 程后加以調控。目前有兩種常見的對信號相位進行調控的方法：1)接受器參考相位法：四相位接受器可以比較所測定的NMR信號與來自射頻發生器的參比波 的相位。如果在整個信號檢測階段，射頻發生器的參比波相位變化為另一值，例如p ，那么信號 rec的相位亦將改變同樣的數

28、值；2)數字化器相位調整：經數字化后的復數信號通過一個叫做后數字化相位移動器(post-digitization phase shifter)后首先乘以特定的復數因子exp(-ip ),然后再傳入計算機， dig就得到相位改變的信號。經數字化處理后的信號在經過計算機進行傅立葉變換、相位校正等處理據 可得到一張核磁共振圖譜。(6)進樣與載氣及計算機控制單元。對于固體核磁共振儀而言為了要得到高精細結構的固體核磁共振圖譜，首先必須采用魔角旋轉 技術壓制強偶極作用導致的譜線展寬，為此固體核磁共振儀尚配有一整套設備以滿足以上要求。例 如能夠使樣品管在豎直位置與魔角位置自如轉換的裝置，能夠將樣品安全地進入及彈出探頭系統并 能保證推動樣品管沿魔角方向進行高速旋轉的載氣系統等附屬設備。圖6固體核磁共振儀的基本結構框圖19.2.5試劑與樣品金剛烷（Adamantane）聚苯胺（Polyaniline）粉末聚酯（PET）薄膜19.2.6 實驗步驟（1）樣品的制備與就位要獲得一張高質量的固體核磁CP/MAS譜圖，對于常規有機物或無機物需要大約100-200mg左 右的樣品（為得到高質量的圖譜，樣品的純度應當盡可能的高），將這些樣品在研缽中研細，直到 體系