一维及二维核磁共振

《一维及二维核磁共振》由会员分享，可在线阅读，更多相关《一维及二维核磁共振（12页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。

1、一维及二维核磁共振科學月刊全文資料庫二次世界大战期间，由于部队间通讯的需求，无线电技术迅速发展，也因此提供科学家一种无线电 波范围的电磁波能源。1951年，科学家就利用这种电磁波发现了核磁共振（nuclear magnetic resonance简 称NMR）。经过将近四十年，不断的演进与改良，今天，核磁共振已经是化学、医学、材料等科学的重 要研究工具。做核磁共振实验的仪器，除了无线电波范围的电磁波源之外，还必须具备磁场。早期核磁共振仪， 主要应用于物理性质的探讨及化合物的鉴定；仪器中使用电磁铁，磁场较低，以改变频率的扫描方式侦 测讯号，获得核磁共振光谱，称为连续波核磁共振（continuou

2、s wave, CW-NMR）。与其它光谱方法 比较，CW-NMR灵敏度较低，虽然多次扫描，可以提高灵敏度，但时间上极不经济，只应用于少数的原 子核，如氢、磷、氟。新一代的仪器，整合超导材料、电子学、计算机的研究成果，使用超导体磁场及高能量的无线电电 磁波，以脉冲的方式激发样品，可以迅速获得数字化的讯号，所以容易累积多次讯号，提高灵敏度。在 计算机中，数字化的讯号，需经傅氏转换（Fourier transform）的数学处理，获得核磁共振光谱，因此又 称为 FT-NMR。如今，核磁共振除了上述功能之外，最近发展出显微照相microimaging）及医用照相（MRI）技术， 可以不经开刀对肿瘤准

3、确定位，因此核磁共振也成了重要的医学诊断工具。在不同的应用上，核磁共振都必须具备磁场及电磁波源的基本配备，但各仪器的细部构造却不相同， 复杂的层次也大异其趣。活体核磁共振（in vivo）使用表面线圈，核磁共振影像必须具备磁场梯度；高分 辨率核磁共振则要求非常均匀的磁场。本文仅介绍高分辨率核磁共振（high resolution NMR），在化学结 构分析上的应用 维及二维核磁共振（one andtwo dimensional NMR），以酒精作为样品，解说二维光核磁共振的基本原理周期表上的元素，有部分原子核具有磁性，含一个质子的氢（1H）就是具磁性的原子核（见图一）。 磁场中，带有磁矩的原子

4、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

5、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7.05 Tesla（1 Tesla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600 MHz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。 14.10 Tesla 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7.05 Tesla

6、磁场下的氢原子核，加一频率为300 MHz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 300.1 MHz 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 3000 Hz 左右；对 300 MHz 来说，相当于 10 ppm（parts per million, 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

7、；对 600 MHz 的共振频 率，频率变化的范围是6000 Hz,仍是10 ppm。此外，在高分辨率的仪器中，必须能分辨电磁波的频率 到0.2 Hz的精确度。在300MHz的电磁波中，要测出0.2 Hz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

8、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。

9、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（free induction decay，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（chemical shift,以ppm作单位）与偶合（scalar coupling，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

10、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：0 ppm。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

11、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77.0 ppm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

12、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

13、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(evolution time)。 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1001000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

14、类，可将二维核磁共振光谱分为：化学位移相关光谱(shift correlation)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

15、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(diagonal peak)。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(cross peak)，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

16、称的另一交叉峰。 Ha a 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H是与C键结在一起。H键结于氧上，不与碳键结，因此没 cca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