一维及二维核磁共振Word下载.docx
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磁场中,带有磁矩的原子核,与磁场作用,造成磁矩与磁场之间,只能有某些特定的相对排列方向,而产生能阶差异;
利用无线电波观察这种能阶差异,或观察原子核吸收、放射无线电波的现象,就是「核磁共振」。
氢原子核磁矩,有两种自旋(spin)状态:
没有磁场时,磁矩排列混乱,无法分别这两种自旋状态,可说是在相同的能阶之下(见图二)。
但在磁场下,就能产生能阶差异,磁矩顺着磁场方向排列的,能阶较低比较稳定;
磁矩逆着磁场方向排列的,能阶较高就比较不稳定(见图三)。
更详细的来看,磁矩在磁场下,是动态的在做陀螺似的进动(见图三右)。
这种进动有两种可能性:
顺着及逆着磁场方向;
二者分别处于两不同的能阶上。
由于能量差并不大,磁矩在两能阶的分布,差异极为有限,这是造成核磁共振灵敏度低的主要原因之一。
磁场下的能阶差异,随磁场大小而改变:
磁场大,能阶差异大;
磁场小,能阶差异小。
氢原子核在7.05Tesla(1Tesla即一万高斯)磁场下,能阶分裂的大小,刚好等于频率为300MHz电磁波的能量。
氢原子核在14.10Tesla磁场下,能阶分裂则等于频率为600MHz电磁波的能量。
能阶分裂越大,在低能阶与高能阶的分布差异越大,灵敏度则越高。
灵敏度虽并非单与磁场大小有关,但磁场显然是一个提高灵敏度非常直接的方法。
14.10Tesla磁场是目前能维持长久稳定,且使用来进行核磁共振实验的最高磁场。
若对在7.05Tesla磁场下的氢原子核,加一频率为300MHz的电磁波源,就可以造成共振现象;
即氢原子核会吸收电磁波,从低能阶跃迁到高能阶,而造成激发。
若加300.1MHz的电磁波源,由于能量不匹配,氢原子核就不会吸收电磁波,造成共振。
对不同频率的电磁波源,记录原子核吸收电磁波的情形,就可得核磁共振光谱。
从另一角度来看,为了促使在不同化学环境下的原子核吸收电磁波,必须改变电磁波的频率。
对氢原子核而言,频率变化的范围一般约在3000Hz左右;
对300MHz来说,相当于10ppm(partspermillion,即一百万分之一)的化学位移。
若将磁场增高,频率变化的范围也会相对的增加;
对600MHz的共振频率,频率变化的范围是6000Hz,仍是10ppm。
此外,在高分辨率的仪器中,必须能分辨电磁波的频率到0.2Hz的精确度。
在300MHz的电磁波中,要测出0.2Hz的差异,有人形容,这就好象从月球上,要准确量测台北市两电线杆的距离。
从这个比喻中,可以了解高分辨率核磁共振所要求的稳定性。
碳原子中的13C也带有磁矩,在磁场下,也能产生能阶差异,但在同样是7.05Tesla的磁场下,能阶差异就只有相当于频率为75MHz电磁波的能量,可以想到灵敏度是更低了。
更有甚者,自然界中,碳有三种同位素:
12C、13C、14C分别含有6、7、8个中子,其中13C才是用核磁共振侦测的原子核,含量却只有1.11%(1H在氢的同位素中占99.9%)。
由此可以了解,以碳在化学上扮演的重要角色,为何在早期核磁共振的研究中,碳的核磁共振并不普遍。
至于对碳原子核,电磁波频率变化的范围,比氢原子核的范围大很多;
一般在20000Hz左右。
对75MHz来说,相当于270ppm。
就分辨的能力而言,比氢要好得多。
也因此,科学家不断发展新的技巧,克服低灵敏度的缺陷。
今天,碳的核磁共振光谱,已经是一般性的分析技术,而不再只是专家手中的特殊工具。
一维核磁共振光谱
磁矩在磁场中,排列成特定的形式(见图四左上),各磁矩相加的结果,只在Z方向有净磁矩,但在XY平面上的分量则相互抵消。
一维核磁共振是利用一高能脉冲,将原来在XY平面是混乱排列,没有秩序的原子核磁矩,转成排列整齐的原子核磁矩,在XY平面上,形成净磁矩分量(见图四左上),使之同步进动。
在XY平面上,产生微弱的讯号,经由线圈拾取讯号加以放大,传入计算机,即得自由衰退讯号(freeinductiondecay﹐简称FID)。
数字化的自由衰退讯号,在计算机中,经过傅氏转换的数学运算,就得到核磁共振光谱。
化学位移(chemicalshift,以ppm作单位)与偶合(scalarcoupling,以Hz作单位),是一维核磁共振光谱的两项重要资料。
这些资料就如同化合物的指纹,可以用来鉴定化合物。
酒精的化学式是C2H5OH,由两个碳、一个氧、六个氢组成,其结构式如图五。
以下我们谈谈酒精的核磁共振光谱。
化学位移,顾名思义是由相同原子核因化学环境的不同,造成核磁共振光谱上吸收峰的位移。
就氢核在化学分析的应用上,一般把〔四甲基硅烷(CH3)4Si〕上的氢核吸收峰定为标准:
0ppm。
由右至左逐渐增加,与一般坐标轴的标示方法相反。
酒精有三种不同的氢原子,这些氢原子的化学环境并不相同,其个数也各自不同。
如图五中,只有一个氢Ha键结于氧上;
Hb键结于碳上,有两个;
Hc键结于碳上,有三个。
Ha直接键结于氧上,受氧的影响最大;
Hb距离氧也近,还受氧的影响;
Hc距氧较远,受氧的影响较小。
这些化学环境的差异,造成在核磁共振光谱上不同的吸收峰:
如在图六的3.07、3.60、1.14ppm三群吸收峰,就是分别属于Ha、Hb、Hc,其下的面积的比值正好是1:
2:
3代表其个数。
图七是酒精的碳核一维核磁共振光谱。
酒精中有两个碳,也是分别处于不同的化学环境之下:
Cb比较靠近氧;
而Cc比较远离氧,受氧的影响不同。
因此,光谱上有两个吸收峰,出现在57.9、18.1ppm,分别属于Cb与Cc。
在77.0ppm出现的三重峰,是溶剂氘氯仿(CDCl3)中碳的讯号。
偶合是由相邻的原子核磁矩,藉化学键传递信息,互相影响,而造成的。
偶合使各个氢的吸收讯号发生变化,提供详细的分子结构资料。
偶合型态可用来辨识邻近的氢核数目;
Hc可感觉邻近的碳上有两个氢,而形成三重峰(2nI+1,triplet)。
Hb则感觉邻近的碳上有三个氢,而形成四重峰。
这种相同原子核,藉化学键传递磁矩信息而造成的偶合,称为「同核偶合」。
理论上说Ha与Hb也应互相偶合,但由于氢氧基(-OH)比较特别,除非样品经特别处理,否则一般光谱上看不见-OH基与相邻-CH的偶合。
在碳的光谱中,也有偶合。
但由于自然界中,碳只有1.11%的含量是13C。
换言之,两个13C相邻的机会是非常小的,大部分13C的旁边是12C,而12C没有磁矩,因此不会与13C偶合。
然而13C会与紧接于其上的氢偶合,这又称为「异核偶合」。
一般碳光谱应显出与氢偶合的多重峰(见图七上):
Cc上有三个氢,因此呈现四重峰;
Cb上有两个氢,因此呈现三重峰。
一般而言,为增加灵敏度可使用异核去偶合的技术,让Cc,Cb都呈现单重峰(见图七下)。
二维共振光谱
二维核磁共振实验是一维核磁共振的延伸;
在一维实验的脉冲的过程中,加入演化期(evolutiontime)。
在每次实验中,将演化期按顺序的逐次增加,来获得数据,经两次的傅氏转换就可得二维共振光谱。
演化期增加的次数可达100~1000次,因此所需的时间,也是一维光谱的百倍至千倍。
由此获得的数据,需很大的储存空间(储存于计算机的硬盘中)。
若非有计算机近几年来突飞猛进的发展,二维共振光谱不可能这么普遍的。
粗略的分类,可将二维核磁共振光谱分为:
化学位移相关光谱(shiftcorrelation)及化学位移偶合常数二维光谱(J-reso1ved)两大类。
每类又各分为同核及异核二维光谱。
实验所得的结果,本来是三度空间的光谱图形(见图八),但在复杂光谱中,三度空间的图形表示法,虽然美观,但前方的吸收峰会遮盖其后的吸收峰。
因此,一般均使用由上往下鸟瞰(见图九)的等高线光谱图来表示。
化学位移相关光谱,简称COSY,是季尼(Jeener)于1971年在一次科学会议中,提出的构想。
也是第一个二维核磁共振构想,由于只是理论构想,没有实验结果,加上当时FT-NMR刚被发展出来,因此并没有引起太多注意。
然而到现在,COSY已经是核磁共振应用最多的二维光谱,此二维光谱的两轴都是氢核的化学位移。
图九就是酒精的同核化学位移相关光谱,图中由左下到右上45度的是对角线,在对角线上出现的吸收峰称为「对角线峰」(diagonalpeak)。
这些对角线峰是一维光谱的重复,并没有提供更多的资料。
(1.14,1.14),(3.07,3.07),(3.60,3.60)就是对角线峰。
不在对角线出现的吸收峰称为「交叉峰」(crosspeak),这交叉峰是由相互偶合的吸收峰造成的。
例如,酒精中Hb与Hc相互偶合,因此,会有交叉峰出现。
图九中(1.14,3.60)就是交叉峰;
而(3.60,1.14)是对对角线对称的另一交叉峰。
Ha与Hc不会相互偶合,因此(1.14,3.07)位置,就没有交叉峰出现。
获得二维同核化学位移相关光谱的实验稍作变化,可以获得偶合常数,特别是偶合特性复杂,或互相重叠的吸收峰,其一维光谱不易分析者,更能发挥此氢核二维光谱的特长。
异核化学位移相关光谱是另一种常用的二维光谱;
它提供原子直接键结的证据。
异核相关光谱的两轴,分别是不同原子核的化学位移,横轴一般是异核的化学位移,纵轴则是氢的化学位移。
此时由于两轴不同,因此不再有对角线峰,只有交叉峰。
此交叉峰,是因异核偶合而得,也是两异核原子相互键结的证据。
图十就是酒精的异核化学位移相关光谱:
位于(57.9,3.60)的交叉峰,表示Hb是与Cb键结在一起的;
而位于(18.1,1.14)的交叉峰,表示Hc是与Cc键结在一起。
Ha键结于氧上,不与碳键结,因此没有交叉峰与之对应。
化学位移偶合常数二维光谱,将化学位移与偶合常数的讯息分开。
此二维光谱的两轴,分别是化学位移(单位ppm)与偶合常数(单位Hz)。
同核化学位移偶合常数二维光谱中,横轴是氢的化学位移,纵轴是氢的同核偶合常数。
图十一是酒精的氢核同核化学位移偶合常数二维光谱;
在化学位移为1.14,3.60ppm的位置,分别显出三重峰、四重峰的偶合型态,光谱有上下对称的特性。
在3.07ppm的吸收峰,因不与其它吸收峰偶合,没有分裂的偶合型态。
图十二是酒精的碳核与氢核异核化学位移偶合常数二维光谱。
横轴是碳的化学位移,纵轴则是氢与碳的偶合常数。
同样地,在化学位移为57.9,18.1ppm的位置,分别显出三重峰、四重峰的偶合型态,仍有上下对称性。
本文介绍的两种二维光谱,只是初步了解二维光谱的实例。
对于有机化合物分子有相当大的应用价值。
但二维光谱的应用,并不限于此。
二维光谱技术,广泛的使用于研究生物化学大分子(如蛋白质、核酸等)在溶液中的结构。
这是其它光谱学技术,无法比拟的。
例如,用结晶绕射分析,虽然可以准确的决定生物大分子,在固态时的结构,却无法知道溶液中分子的结构。
生物体中这些大分子大部分是在溶液状态之下,因此溶液中的结构往往比固态时的结构更具实用价值。
若只是要决定溶液中分子的结构,除了前面提到的化学位移与偶合现象之外,必须利用原子核磁矩之间的一些其它作用力:
如极性作用、极性转移及多量子跃迁等。
林英智任教于台湾大学化学系
.图一:
氢原子的原子核磁矩。
.图二:
没有磁场时,原子核磁矩混乱排列。
图三:
氢原子的原子核磁矩在磁场的能量。
图四:
一维核磁共振实验。
(a)磁场下的氢原子核磁矩沿Z轴整齐排列;
在XY平面混乱排列;
(b)脉冲后氢原子核磁矩沿Z轴在XY平面都整齐排列;
(c)在XY平面上的投影随时间变化,即自由衰退讯号。
.图五
图六:
酒精的氢核一维核磁共振光谱。
图七:
酒精的碳核一维核磁共振光谱。
碳核与氢核偶合(上);
去偶合后(下)形成单重峰。
图八:
酒精的氢核二维同核化学位移相关光谱(三度空间表示法)。
图九:
酒精的氢核二维同核化学位移相关光谱。
图十:
酒精的碳核与氢核二维异核化学位移相关光谱。
图十一:
酒精的氢核同核化学位移偶合常数二维光谱。
图十二:
酒精的碳核与氢核异核化学位移偶合常数二维光谱
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