液体核磁共振波谱（NMR）全解析

NMR的基本原理

一、 基本原理
核磁共振的本质是研究原子核在强外磁场中的量子力学行为。

1. 核自旋与磁矩
– 某些原子核（如 ^1H, ^13C, ^19F, ^31P）拥有自旋属性，使其像一个微小的磁铁，具有磁矩。
– 最常用的核是氢核（^1H），即质子，因为它自然丰度高（99.98%），核磁信号强。

2. 在外磁场中的取向
当将这些具有磁矩的原子核置于一个强大的外部静磁场（B₀）中时，它们的磁矩不能任意取向，而是会分裂成一系列磁能级（量子化）。
– 对于 ^1H 核，其自旋量子数 I = 1/2，它只能有两种取向：
① 低能态（α态）：磁矩与 B₀ 方向大致相同。
② 高能态（β态）：磁矩与 B₀ 方向大致相反。
– 处于低能态的核数目略微多于高能态（根据玻尔兹曼分布），从而产生一个沿 B₀ 方向（z轴）的净宏观磁化矢量（M_z）。这是 NMR 信号的基础。

3. 共振吸收
如果用一个特定频率的电磁波（射频场，B₁）照射样品，当射频的能量（ν）恰好等于两个能级之间的能量差（ΔE）时，低能态的核就会吸收能量，跃迁到高能态。这种现象就称为共振。

– 共振条件由 ‘拉莫尔方程’ 决定：ν = (γ * B₀) / 2π
ν：射频频率（MHz）
γ：磁旋比，是每种核独有的常数（例如 ^1H 的 γ 很大，所以信号强；^13C 的 γ 很小，信号弱）。
B₀：外磁场强度（Tesla）

– 因此，对于固定磁场 B₀，不同的核（具有不同的 γ）会在不同的频率下发生共振。这使我们能够选择性地观察特定种类的原子核（如只测氢谱或只测碳谱）。

二、 仪器构成：核磁共振谱仪
一台液体核磁共振谱仪主要由以下几部分组成：

1.  磁体（Magnet）：
– 核心部件，提供强大、稳定且均匀的静磁场 B₀。
– 现代谱仪通常采用超导磁体，浸泡在液氦中（4.2 K）以达到超导状态，从而产生稳定不变的强磁场（常见的有 400 MHz, 500 MHz, 600 MHz，甚至更高）。磁场强度越高，分辨率和技术灵敏度越好。

2.  探头（Probe）：
– 位于磁体中心，是放置样品和执行激发-检测操作的“心脏”。
– 包含射频线圈，用于发射射频脉冲（B₁）并接收来自样品的 NMR 信号。
– 通常配有温控单元，用于精确控制样品温度。

3.  射频发射与接收系统：
– 发射器：产生精确频率和形状的射频脉冲。
– 接收器：检测线圈接收到的极其微弱的 NMR 信号（自由感应衰减，FID）并将其放大。

4.  计算机系统：
– 控制整个实验过程：设置参数、发射脉冲、采集 FID 数据。
– 对采集到的时域信号（FID）进行傅里叶变换（Fourier Transform, FT），将其转换为我们能读懂的频域图谱，即 NMR 谱图。

5.  样品管：
– 样品溶解在合适的氘代溶剂（如 CDCl₃, D₂O）中，装入细长的玻璃管（通常直径 5 mm），然后插入探头中。样品管在压缩空气的驱动下高速旋转，以提高磁场均匀性。

NMR的应用领域

液体 NMR 是化学、生物、医学等领域不可或缺的分析工具：

1.  有机化学/药物化学：
① 结构鉴定与解析：确定未知化合物的分子结构，是合成化学家的“眼睛”。分子结构解析利用¹H和¹³C NMR光谱快速确定分子的化学结构。
– 案例：通过核磁分析某新合成药物分子的结构，确认其目标官能团（如羟基、酮基）是否存在。
② 反应监测：实时跟踪化学反应的进程和中间体的产生。
– 案例：分析有机合成中的Grignard反应中活性中间体的生成速率和稳定性。
③ 纯度检查：评估化合物的纯度及其同分异构体。
④ 定量分析（qNMR）：需标准品即可精确测定混合物中特定组分的含量，广泛应用于药物定量和参考物质定值。

2.  生物化学与结构生物学：
① 蛋白质结构与动力学：通过多维 NMR 技术（如 ^1H-^15N HSQC）解析蛋白质在溶液中的三维结构、折叠过程以及与其他分子（如药物、DNA）的相互作用。
– 案例：解析溶液中酶-抑制剂复合物的结构，了解抑制剂与酶活性位点的相互作用。
② 代谢组学：通过分析生物体液（如血液、尿液）的 ^1H NMR 谱图，寻找疾病生物标志物，用于疾病诊断和病理研究。
– 案例：通过液体核磁分析糖尿病患者血清中的葡萄糖和乳酸水平，揭示代谢异常。
③  药物筛选：利用NMR分析小分子药物与靶蛋白之间的结合亲和力。
– 案例：高通量筛选抗癌候选药物，通过NMR技术确认其与癌细胞表面蛋白的结合模式。

3. 材料与高分子化学
① 聚合物序列与分子量分布：测定共聚物的组成、序列分布、立构规整度等。
– 案例：分析共聚物中不同单体的比例和排列序列。
② 纳米材料表征：通过扩散核磁测量功能化纳米颗粒在溶液中的扩散行为，研究表面修饰效果。

4. 环境与食品科学
① 环境污染物检测：利用核磁分析水中有机污染物（如苯酚、芳香胺）。
– 案例：通过¹H NMR检测某河流样本中的有机污染物种类和浓度。
② 食品质量控制：液体核磁可用于分析食品的成分（如脂肪酸、糖类）。
– 案例：利用NMR监测橄榄油的脂肪酸组成，判断是否掺假。

液体核磁与固体核磁

固体核磁共振技术（SSNMR, Solid State Nuclear Magnetic Resonance）是一种以固体样品为研究对象的分析手段，目前应用于化学合成、多相催化、高分子材料、无机材料、生物大分子和药物剂型等诸多应用领域。

那么固体核磁和液体核磁如何选择呢？
简单的讲：样品只要能溶解在某种溶剂, 就考虑检测液体核磁。完全不溶的化合物, 或者刻意探讨四级矩相邻关系的化合物, 才考虑使用固体核磁检查。能溶解的，最好用液体，更能体现分子结构相关性。

具体对比如下：

NMR数据分析

一、 关键概念与信息

一张 NMR 谱图提供了极其丰富的分子结构信息：

1.  化学位移（Chemical Shift, δ）：
① 定义：由于核外电子云对原子核的“屏蔽”作用，不同化学环境下的同种原子核实际感受到的磁场强度略有不同，因此其共振频率会发生微小的偏移。
② 表示：使用无量纲的 δ 单位（ppm）表示，与仪器磁场无关，便于比较。
不同化学基团的典型化学位移范围（¹H NMR）：
– 0.5–2 ppm：烷基氢（饱和碳链上的氢）。
– 2–4 ppm：邻近电子吸引基团的氢（如邻近氧、卤素）。
– 4–6 ppm：双键烯丙基氢（C=C-H）。
– 6–8 ppm：芳香环上的氢。
– 9–10 ppm：醛基氢。
– 10–12 ppm：羧酸氢。
③ 信息：化学位移是判断原子核所处化学环境（如-CH₃, -CH₂-, -OH, -COOH等）的最重要依据。

2.  耦合常数（J-Coupling Constant, J）：
① 定义：通过化学键传递的核自旋之间的相互作用，会导致谱线发生分裂。
② 信息：J 耦合的大小（单位 Hz）提供了相邻原子核之间的关系（如邻位、间位、反式、顺式等），是确定分子构型、构象的关键。典型值范围为1-20 Hz。
1D NMR光谱中的分裂模式：
– 双峰（Doublet）：两相邻核，比例为1:1。
– 三峰（Triplet）：三个相邻核，比例为1:2:1。
– 多峰（Multiplet）：更复杂的分裂模式。

3.  积分（Integration）：
① 定义：谱图中信号峰下的面积。
② 信息：对于 ^1H NMR，峰面积与该化学环境中原子数量成正比。例如，一个面积为 3 的峰对应 3 个质子（如-CH₃），一个面积为 2 的峰对应 2 个质子（如-CH₂-）。在1H^1H1H NMR中，积分值可用于推测氢的相对数目。

4.  弛豫（Relaxation）：
① 定义：高能态的核通过非辐射途径释放能量回到低能态的过程。
② 种类：包括纵向弛豫（T1，恢复宏观磁化矢量 Mz）和横向弛豫（T2，决定谱线宽度）。
– 纵向弛豫时间（T1）：反映核自旋恢复到热平衡所需时间。与分子运动速度相关，可用于动态分析。
– 横向弛豫时间（T2）：表示核自旋之间相位失同步的时间，影响谱线宽度。T2越短，谱线越宽。
③ 信息：弛豫时间与分子大小、运动性密切相关，弛豫时间反映了分子的动力学性质，是研究分子动力学的重要工具。

5. 信噪比（SNR）与分辨率
① 定义：核磁分辨率依赖于静磁场强度和设备稳定性。
② 信噪比提升的主要手段：
– 增加扫描次数（通过叠加减少随机噪声）。
– 优化磁体均匀性与射频接收效率。

二、 核磁数据分析

液体核磁数据需要经过信号采集、傅里叶变换和峰形分析。以下是数据分析的关键步骤：

1. 数据处理
– 信号平均：通过多次扫描叠加提高信噪比。
– 傅里叶变换（Fourier Transform）：将时间域信号转换为频率域谱线。
– 相位校正：调整谱线的对称性。

2. 光谱解释
– 化学位移用于识别分子中不同环境的核。
– 偶合常数揭示相邻核之间的连接方式。
– 峰面积与核的数量成正比，用于定量分析。

液体核磁样品准备方法

1. 样品要求：
① 非磁性和非导电性。否则会扭曲磁场，降低分辨率；
② 液体样品尽量用高液小瓶装样，溶液内无灰尘或沉淀，尤其不应含有磁性元素杂质。

2. 溶解性和测试要求：
样品是否可以很好的溶解是测试的关键。
① 测1H谱：5-10mg，浓度不宜太低或太高，影响匀场效果；
② 测13C谱和杂核谱：20-100mg，浓度越高出峰越快，可节约测试时间；聚合物及其他分子量大的化合物，需要适当增加样品量，具体来说：
– 小分子样品（分子量小于600）如果测试碳谱需要达到40mg/ml以上的这个溶解量，测试时提供的样品量大于25mg；
– 大分子样品如果测试碳谱需要达到80mg/ml以上的溶解量，测试时提供大于50mg的样品。
③ 送样请扫描文末二维码添加微信，若样品量太少，请提前告知。

3. 溶剂：
需要选用氘代试剂，溶解后为混合均匀的溶液，无悬浮颗粒和沉淀物，装入核磁管后溶液高度不得低于3.5cm。
溶剂选择：
– 溶解度越大越好；
– 溶剂信号不能与样品信号重叠；
– 粘度越小越好。

4. 内标物：
化学惰性，不与样品缔合。出峰在高场，一般有机物出峰在左侧。
– 常用内标物：四甲基硅烷（CH3)4Si，TMS
– 其他内标物：4，4-二甲基-4-硅代戊磺酸钠（DSS）；3-三甲基甲硅烷基-2，2，3，3-四氘代丙酸钠（TSP）。

5.  送样：

如氘代试剂为挥发性强和流动性的氘代试剂（氘代氯仿），请不要自行溶解送样。样品在运输途中易挥发或者泄漏，容易造成样品损失。