實驗室關(guān)于核磁共振波譜NMR的知識（原理、用途、分析、問題）

時間：2023/2/13閱讀：1159

核磁共振波譜法（Nuclear Magnetic Resonance，簡寫為NMR）與紫外吸收光譜、紅外吸收光譜、質(zhì)譜被人們稱為“四譜"，是對各種有機(jī)和無機(jī)物的成分、結(jié)構(gòu)進(jìn)行定性分析的強(qiáng)有力的工具之一，亦可進(jìn)行定量分析。

核磁共振（NMR，Nuclear Magnetic Resonance）是基于原子尺度的量子磁物理性質(zhì)。具有奇數(shù)質(zhì)子或中子的核子，具有內(nèi)在的性質(zhì)：核自旋，自旋角動量。核自旋產(chǎn)生磁矩。NMR觀測原子的方法，是將樣品置于外加強(qiáng)大的磁場下，現(xiàn)代的儀器通常采用低溫超導(dǎo)磁鐵。核自旋本身的磁場，在外加磁場下重新排列，大多數(shù)核自旋會處于低能態(tài)。我們額外施加電磁場來干涉低能態(tài)的核自旋轉(zhuǎn)向高能態(tài)，再回到平衡態(tài)便會釋放出射頻，這就是NMR訊號。利用這樣的過程，我們可以進(jìn)行分子科學(xué)的研究，如分子結(jié)構(gòu)，動態(tài)等。

分類：核磁測試可分為固體、液體核磁；測試元素有碳譜（13C）、氫譜（1H）

其中氫譜的優(yōu)點主要表現(xiàn)在（1）靈敏度高；（2）得到的信號較多，除了化學(xué)位移和積分值，還有偶合常數(shù)和峰型. 缺點也很明顯，那就是化學(xué)位移窄（0~15 ppm），很多化合物都含有氫原子，所以說如果待測物是混合物，甲基亞甲基上的氫信號容易重疊，所以一般對目標(biāo)化合物的純度有要求。

碳譜則相反，靈敏度大打折扣，但專屬性好，化學(xué)位移寬，0~200 ppm?？偨Y(jié)下來各有千秋！

用途

除了運用在醫(yī)學(xué)成像檢查方面，在分析化學(xué)和有機(jī)分子的結(jié)構(gòu)研究及材料表征中運用最多。

1. 有機(jī)化合物結(jié)構(gòu)鑒定

一般根據(jù)化學(xué)位移鑒定基團(tuán)；由耦合分裂峰數(shù)、偶合常數(shù)確定基團(tuán)聯(lián)結(jié)關(guān)系；根據(jù)各H峰積分面積定出各基團(tuán)質(zhì)子比。核磁共振譜可用于化學(xué)動力學(xué)方面的研究，如分子內(nèi)旋轉(zhuǎn)，化學(xué)交換等，因為它們都影響核外化學(xué)環(huán)境的狀況，從而譜圖上都應(yīng)有所反映。

2. 高分子材料的NMR成像技術(shù)

核磁共振成像技術(shù)已成功地用來探測材料內(nèi)部的缺陷或損傷，研究擠塑或發(fā)泡材料，粘合劑作用，孔狀材料中孔徑分布等?？梢员挥脕砀倪M(jìn)加工條件，提高制品的質(zhì)量。

3. 多組分材料分析

材料的組分比較多時，每種組分的 NMR 參數(shù)獨立存在，研究聚合物之間的相容性，兩個聚合物之間的相同性良好時，共混物的馳豫時間應(yīng)為相同的，但相容性比較差時，則不同，利用固體 NMR 技術(shù)測定聚合物共混物的馳豫時間，判定其相容性，了解材料的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性及性能優(yōu)異性。

此外，在研究聚合物還用于研究聚合反應(yīng)機(jī)理、高聚物序列結(jié)構(gòu)、未知高分子的定性鑒別、機(jī)械及物理性能分析等等。

樣品制備

樣品量

不同場強(qiáng)需要的樣品量不同，如300兆核磁、分子量是幾百的樣品，測氫譜大約需要2mg以上的樣品，測碳譜大約需要10mg以上。600兆核磁測氫譜大約需要幾百微克。

氘代試劑的選擇

因為測試時溶劑中的氫也會出峰，溶劑的量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于樣品的量，溶劑峰會掩蓋樣品峰，所以用氘取代溶劑中的氫，氘的共振峰頻率和氫差別很大，氫譜中不會出現(xiàn)氘的峰，減少了溶劑的干擾。在譜圖中出現(xiàn)的溶劑峰是氘的取代不wan全的殘留氫的峰。另外，在測試時需要用氘峰進(jìn)行鎖場。

由于氘代溶劑的品種不是很多，要根據(jù)樣品的極性選擇極性相似的溶劑，氘代溶劑的極性從小到大是這樣排列的：苯、氯仿、乙腈、丙酮、二甲亞砜、吡啶、甲醇、水。還要注意溶劑峰的化學(xué)位移，最好不要遮擋樣品峰。

是否必須加TMS

測試樣品加TMS(四甲基硅烷)是作為定化學(xué)位移的標(biāo)尺，也可以不加TMS而用溶劑峰作標(biāo)尺。

圖譜分析

1. 解析核磁共振氫譜

一般先確定孤立甲基及類型，以孤立甲基峰面積的積分高度，計算出氫分布；其次是解析低場共振吸收峰（如醛基氫、羰基氫等），因這些氫易辨認(rèn)，根據(jù)化學(xué)位移，確定歸屬；最后解析譜圖上的高級偶合部分，根據(jù)偶合常數(shù)、峰分裂情況及峰型推測取代位置、結(jié)構(gòu)異構(gòu)、立體異構(gòu)等二級結(jié)構(gòu)信息。

2. 解析核磁共振碳譜

一般先查看全去偶碳譜上譜線數(shù)與分子式中所含碳數(shù)是否相同？數(shù)目相同說明每個碳的化學(xué)環(huán)境都不同，分子無對稱性；數(shù)目不相同（少）說明有碳的化學(xué)環(huán)境相同，分子有對稱性；然后由偏共振譜，確定與碳偶合的氫數(shù)；最后由各碳的化學(xué)位移，確定碳的歸屬。

3. 結(jié)合應(yīng)用碳譜和氫譜

C譜和H譜可互相補(bǔ)充。H譜不能測定不含氫的官能團(tuán)，如羰基和氰基等；對于含碳較多的有機(jī)物，如甾體化合物，常因烷氫的化學(xué)環(huán)境相似，而無法區(qū)別，這是氫譜的弱點；而碳譜彌補(bǔ)了氫譜的不足，它能給出各種含碳官能團(tuán)的信息，幾乎可分辨每一個碳核，能給出豐富的碳骨架信息。但是普通碳譜的峰高常不與碳數(shù)成正比是其缺點，而氫譜峰面積的積分高度與氫數(shù)成正比，因此二者可互為補(bǔ)充。

常見問題

1.元素周期表中所有元素都可以測出核磁共振譜嗎？

不是。首先，被測的原子核的自旋量子數(shù)要不為零；其次，自旋量子數(shù)最好為1/2（自旋量子數(shù)大于1的原子核有電四極矩，峰很復(fù)雜）；第三，被測的元素（或其同位素）的自然豐度比較高（自然豐度低，靈敏度太低，測不出信號）。

2. 怎么在H譜中更好的顯示活潑氫？

與O、S、N相連的氫是活潑氫，想要看到活潑氫一定選擇氘代氯仿或DMSO做溶劑。在DMSO中活潑氫的出峰位置要比CDCl3中偏低場些。活潑氫由于受氫鍵、濃度、溫度等因素的影響，化學(xué)位移值會在一定范圍內(nèi)變化，有時分子內(nèi)的氫鍵的作用會使峰型變得尖銳。

3. 怎么做重水交換？

為了確定活潑氫，要做重水交換。方法是：測完樣品的氫譜后，向樣品管中滴幾滴重水（不宜加入過多，一般1-2滴即可），振搖一下，再測氫譜，譜中的活潑氫就消失了。醛氫和酰胺類的氨基氫交換得很慢，需要長時間放置再測譜或者用電吹風(fēng)加熱一下，放置一會再進(jìn)行檢測。此時會發(fā)現(xiàn)譜圖中水峰信號增強(qiáng)，在CDCl3中此時的HDO峰會在4.8ppm的位置。此外，甲醇和三氟醋酸都有重水交換作用，看不到活潑氫的峰。

4. 解析合成化合物的譜、植物中提取化合物的譜和未知化合物的譜，思路有什么不同？

合成化合物的結(jié)果是已知的，只要用譜和結(jié)構(gòu)對照就可以知道化合物和預(yù)定的結(jié)構(gòu)是否一致。對于植物中提取化合物的譜，首先應(yīng)看是哪一類化合物，然后用已知的文獻(xiàn)數(shù)據(jù)對照，看是否為已知物，如果文獻(xiàn)中沒有這個數(shù)據(jù)則繼續(xù)測DEPT譜和二維譜，推出結(jié)構(gòu)。對于一個全未知的化合物，除測核磁共振外，還要結(jié)合質(zhì)譜、紅外、紫外和元素分析，一步步推測結(jié)構(gòu)。

更多疑問可以聯(lián)系渝偲醫(yī)藥，重慶渝偲醫(yī)藥專業(yè)測試核磁氫譜、核磁碳譜，是靠譜的第三方檢測機(jī)構(gòu)！

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