实验室分析仪器-- 核磁共振的基本结构与原理

核磁共振是电磁波与物质相互作用的结果,是吸收光谱的一种形式,即在适当的磁场条件下,样品能吸收射频(RF)区的电磁辐射而被激发,而且所吸收的辐射频率取决于样品的特性;待射频消失后,由激发状态返回平衡状态弛豫过程中,记录产生核磁共振光谱。核磁共振的原理如下图所示。

自从最初观察到水和石蜡中质子有核磁共振现象开始,核磁共振这门学科作为一种分析手段,经历了前所未有的发展,迄今为止相关研究成果已获得5次诺贝尔奖。核磁共振好似一棵常青树,枝繁果硕,正以不同的形式被应用到化学、生物学、医学、药学、食品和地质学等领域,其为现代有机化学的发展提供了基础。现代核磁共振谱学是一个已经高度发展、仍在继续发展的学科,不但继续在药物分析中扮演着重要的角色,而且还被赋予了新的使命,即在蛋白质组学(proteomics)和代谢组学(metabonomics)领域发挥着不可替代的重要作用。

(1)原子核的磁矩

核磁共振的研究对象为具有磁矩的原子核。原子核是带正电荷的粒子,由于旋转便产生一定的磁场,称为磁矩。磁矩与核的角动量成正比关系。但并非所有同位素的原子核都有自旋运动,只有存在自旋运动的原子核才具有磁矩。

原子核的自旋运动与自旋量子数I相关。I=0的原子核没有自旋运动。I≠0的原子核有自旋运动。

原子核可按I的数值分为以下三类。

①中子数、质子数均为偶数,则I=0,如¹²C、¹⁶O、³²S等。

②中子数与质子数其一为偶数,另一为奇数,则I为半整数,如:

等;

等;

等;

等。

③中子数、质子数均为奇数,则I为整数,如:²H、⁶Li、¹⁴N等,I=1;⁵⁸Co,I=2;¹⁰B,I=3。

由上述可知,只有②、③类原子核是核磁共振的研究对象。

(2)核的自旋与核磁共振

核磁共振是无线电波与强磁场中的自旋核相互作用,引起核自旋能级跃迁而产生的吸收光谱。质量数为奇数具有磁矩的原子核(自旋量子数I>0)如¹H、¹³C、¹⁹F、¹⁵N、³¹P 等原子都具有核自旋的特性。化学家最感兴趣的是¹H和¹³C,因为碳和氢是构成有机化合物最重要的元素。氢核(质子)可以被看作是一个球形的旋转着的带电质点,自旋产生一个小的磁矩,自旋量子数I为+1/2或-1/2。类似一个小磁铁。当质子被置于外加磁场时,其磁矩相对于外加磁场有两种取向,与外加磁场同向的是稳定的低能态,反向的是高能态,两种自旋状态的能量差与外加磁场的磁感应强度成正比:

式中,r为磁旋比,其值为26750;h为 Plank 常数;B₀ 为外加磁场的感应强度;ν 为电磁波的辐射频率。

如果用能量为 ΔE=hν 的电磁波照射处于磁场中的氢核,质子就会吸收能量,从低能态跃迁到高能态,即发生“共振”,并在 NMR 仪中产生吸收信号。从理论上讲,无论是改变外加磁场的磁感应强度(扫场),或者是改变辐射的无线电波的频率(扫频),都会达到质子翻转的目的。能量的吸收可以用电的形式测定得到,并以峰谱的形式记录下来,这种由于氢核吸收能量所引起的共振现象,称为氢核磁共振(1H NMR)。由于频率差更易准确地测定,实际工作中通常采用扫频的方法。

下图表明了外加磁场的磁感应强度与质子自旋态改变能量差之间的关系。可以看出,能量差与 B₀ 成正比,外加磁场的磁感应强度愈大,保持同向的倾向愈强,质子转向所需的能量愈高。

(a)外加磁场 B₀=0,ΔE=0;(b)外加磁场 B₀=1.41T,能量差对应的辐射频率为60×10⁴Hz(0.6MHz);(c)外加磁场 B₀=7.04T,能量差对应的辐射频率为300×10⁴Hz(3MHz)

核磁共振仪如下图所示。被测样品溶解在 CCl₄、CDCl₃、D₂O 等不含质子的溶剂中,置于磁铁之间并不停旋转,使样品受到均匀磁场的作用。固定辐射频率,调节磁强度,当满足上式所示的共振条件时,核磁矩的方向发生改变,产生共振信号。

下图为乙醇的¹H NMR 谱图。谱图中的信号可以给出如下信息:

①信号的数目即分子中质子的种类;

②信号的位置即分子中每种质子的类型;

③信号的强度即每种质子的数目;

④信号的裂分即每种质子相对于其他邻近质子的环境的情况。

(3)信号的数目等价和不等价质子

在一个分子中,环境相同的质子在相同的外加磁场强度下发生吸收;环境不同的质子在不同的外加磁场强度下发生吸收。我们把环境相同的质子说成是等价的。在核磁共振谱中,信号的数目表示一个分子中包含着几种等价质子,即多少种类的质子。如图5-4所示,乙醇分子中包含着 a、b、c 三种等价质子,产生三组吸收信号。

等价是指化学上的等价,我们可以用寻找异构体的方法判断质子是否等价。例如2-甲基-2-丁烯分子中10个质子均是不等价的。存在着三种不同类型的甲基和一个乙烯型质子,可产生四种不同的取代产物,见下图,故在¹H NMR 谱中有四种不同的信号。

(4)化学位移

原子核是被外部电子所包围的,这些核外电子由于不停地转动而产生一种环电流,并产生一个与外加磁场方向相反的次级磁场。这种对外加磁场的作用称为电子屏蔽效应。由于电子屏蔽效应,原子核受到的磁场强度不完全等于外加磁场强度,实际上受到的磁场强度等于外加磁场强度减去次级磁场强度。在分子中处于不同化学环境的原子核,其核外电子云的分布也各不相同,因此,原子核受到的屏蔽作用也就不同。核外电子云的密度越大,屏蔽作用也就越大。若固定照射频率,受到屏蔽作用大的核,其共振信号将出现在外加磁场较高的部位,反之亦然,这种现象称为化学位移。因此,化学位移反映了原子核所处的特定化学环境。化学位移能够帮助化学家获得关于电负性、键的各种异性及其他一些基本信息,对确定化合物的结构起到了很大的作用。

由于次级磁场非常小,只有外加磁场的百万分之几,化学位移的精确值很难测定。实际操作中一般都选用适当的化合物,如四甲基硅烷——(CH₃)4Si(tetramethylsilane,TMS),得出相对的化学位移值。选用四甲基硅烷是由于:它有12个等价氢,很小量的TMS即可产生相对强的单一信号;由于 Si 的电负性比 C 低,屏蔽效应强,大部分有机分子中氢的共振吸收都出现在它的低场,信号不会相互重叠;沸点低(27℃),测定后很容易从样品中除去。

化学位移用 b 来表示,其定义为:

式中,ν_样和ν_标分别为样品和 TMS 的共振频率,Hz;ν₀ 为仪器所用的频率,Hz。

化学位移的大小与外加磁场强度及相匹配的射频成正比,所用仪器的磁场和频率越高,化学位移值越大,仪器的分辨率越高。由于化学位移是用外加磁场的分数来表示的,故只是与质子化学环境有关的常数。

(5)自旋耦合与裂分

自旋量子数不为零的核在外磁场中会存在不同能级,这些核处在不同的自旋状态,会产生小磁场,产生的小磁场将与外磁场产生叠加效应,使共振信号发生分裂干扰。这种核的自旋产生的相互干扰称为自旋-自旋耦合(spin-spin coupling),简称自旋耦合。

在外磁场H₀的作用下,自旋的质子产生一个小的磁矩(磁场强度为H₁),通过成键价电子的传递,对邻近的质子产生影响。质子的自旋有两种取向,自旋时与外磁场取顺向排列的质子,使受它作用的邻近质子感受到的总磁场强度为(H₀+H₁);自旋时与外磁场取逆向排列的质子,使邻近质子感受到的总磁场强度为(H₀-H₁)。因此,当发生核磁共振时,一个质子发出的信号就被邻近的另一个质子裂分成了两个,这就是自旋裂分。

(6)原子核的弛豫

由高能态通过非辐射途径恢复到低能态的过程称为弛豫。弛豫过程决定了自旋核处于高能态的寿命,而 NMR 信号峰自然宽度与其寿命直接相关。根据 Heisenberg 不确定性原理,有

式中,Δτ 为自旋核高能态寿命。

自旋核总是处在周围分子的包围之中,一般将周围分子统称为晶格。在晶格中,核处于不断的热运动中,产生了一个变化的局部磁场。处于高能态的核可以将能量传递给相应的晶格,从而完成弛豫过程,称为自旋-晶格弛豫,其特征寿命为T₁。自旋-晶格弛豫的速度随被测物质的热运动速度的增加而加快。例如,在绝缘性较好的固体物质中,自旋晶格弛豫难以发生,T₁较大;在黏性较小的液体中,T₁则较小。弛豫发生在自旋核之间,称为自旋-自旋弛豫,其特征寿命为T₂。自旋-自旋弛豫是使自旋体系内部出现的不平衡状态恢复到平衡状态,并保持系统内部平衡的一种相互作用机制。

(7)傅里叶变换 NMR

傅里叶变换 NMR 谱仪又称脉冲傅里叶变换 NMR 仪(PFT-NMR,pulse Fourier transform NMR),是一种获取NMR 信号的仪器。在 PFT-NMR 中,不是通过扫描频率的方法找到共振条件,而是在恒定的磁场中,在整个频率范围内施加具有一定能量的脉冲,使自旋取向发生改变而跃迁到高能态。高能态的核经一段时间后又重新返回到低能态,通过收集这个过程产生的感应电流,即可获得时域上的波谱图。一种化合物具有多种吸收频率时,所得的图像将十分复杂,称为自由感应衰减(free induction decay,FID),其信号产生于激发态的弛豫过程。FID 信号经傅里叶变换后即可获得频域上的波谱图,即常见的 NMR 谱图。

(8)NMR 成像

经典力学模型认为,对于一个具有非零自旋量子数的核,由于核带正电荷,所以在其旋转时会产生磁场。当这个自旋核置于磁场中时,核自旋产生的磁场与外加磁场相互作用,就会产生回旋,称为进动。进动频率与外加磁场的关系可以用 Larmor 方程表示,即

式中,ν 为电磁波的辐射频率;r 为磁旋比;B 为磁感应强度。

NMR 成像需要在外磁场上再加上一个线性磁场梯度,质子进动频率则与其所在位置相关。因为频率可以通过测量得出,并且根据已知磁场的空间变化,便可确定共振核的位置。典型的傅里叶成像需要使用一个与原磁场方向相同的磁场梯度,同一磁场梯度的点则成为一个曲面。信号的频率在 X 轴方向上编码,相位也在 Y 轴方向上编码。在二维傅里叶转换后,可获得一个编码 NMR 信息的矩阵。此矩阵经过软件进行处理后,能在显示器上显示或打印出来,便成为可视化的图像。