【教育行业标准(JY)】 超导脉冲傅里叶变换核磁共振波谱方法通则

20013823
现代分析仪器分析方法通则
超导脉冲傅里叶变换核磁共振谱方法通则JY/T007—1996
General rules for superconducting pulse Fourier transformnuclearmagnetic resonance spectrometry1997-01-23发布
1997-04-01实施
本标准的编写格式和方法符合GB/T1.1-1993《标准化工作导则第1单元：标准的起草与表述规则第1部分：标准编写的基本规定》，GB/T1.4一88《标准化工作导则化学分析方法标准编写规定》的要求。本标准附录A是提示的附录。
本标准起草单位：国家教育委员会本标准主要起草人：邵倩芬
方法原理
试剂和材料
分析步骤
分析结果的表述
安全注意事项
附录A(提示的附录）
核磁共振实验中液体谱常用的氛代溶剂(127)
超导脉冲傅里叶变换核磁共振谱方法通则General rules for superconducting pulseFourier transformniuclear magnetic resonance spectrometry1·范围
007-1996
本通则规定了用超导核磁共振谱仪作常规测试的一般方法，并对在该领域使用的一些最基本的定义以及样品、溶剂和谱图作了说明，适用于不同场强的超导类型脉冲傅里叶变换核磁共振谱仪。
2定义
(gyromagnetic ratio)y
2.1旋磁比
系核的磁矩与其角动量P之比，数值有正有负，是反映核的固有特性的常数之一(pulse)
2.2脉冲
这里一般专指矩形(方波)射频脉冲，脉冲的强弱同覆盖频谱的宽窄相关。(Fouriertransform)
2.3傅里叶变换
把时间函数转换成频率函数或其反过程的一种数学方法，此处是指通过计算机实现的快速傅里叶变换，简称FFT。做核磁测试时，把采样得到的时域的FID(核自由感应衰减)信号经过傅里叶变换成为NMR频谱。
2.4·分辨率
(resolution)
指仪器对两条相邻共振峰分辨的能力。对H谱来说，用邻二氯苯做标样，测试仪器的分辨率。
2.5灵敏度
(sensitivity)
仪器检测弱信号的能力，常用S/N表示。2.6内锁、外锁
(internal lock,external lock)利用核磁共振色散信号按照磁场与射频(或共振）频率成正比的关系，使二者联系起来，以保持磁场与频率相对关系的稳定，提供色散信号的物质可以与样品混在一起（内锁），也可与样品分开放置（外锁）。
2.7匀场
(shimming)
用磁场中的多组匀场线圈产生不同方向的弱磁场梯度以补偿或抵消磁体自身磁场微小不均匀性，它是提高分辨率的重要措施。2.8氛化试剂‘，(deuterated solvent）溶剂中的\H被其同位素D取代。2.9多核
(multi--nuclear)
泛指碳、氢以及其它核，如：15N、110、31P、23Na、27A1、19F等。国家教育委员会.1997-01-22批准1997-04-01实施
2.10化学位移
JY/T007—1996
(chemical shift)
在核磁共振中用它表示样品信号峰的位置，一般是用信号峰和参比物信号峰之间的相对位置，以ppm表示。它反映核外电子对核的屏蔽作用的大小。2.11：弛豫时间Tr(relaxationtimeT)受激发的核自旋系统的磁化矢量通过非辐射途径，即靠核自旋和它的环境（晶格)相互作用交换能量恢复到由居里定理给出的平衡值的过程定义为自旋一晶格弛豫过程。磁化强度在1)倍，时间T,即为自旋一晶格弛豫时间。时间T，内将恢复到平衡值的(1一2.12谱线折叠
(foldover)
测试中谱宽或发射机偏置设置不当，使谱图中出现假信号，其相位同其它信号不一致。2.13魔角旋转
(magic angle spinning)
是固体高分辨核磁共振最常用的方法之一，即让样品绕相对于外磁场B。的夹角为54.7°的轴旋转，可使样品谱线大大窄化。2.14高功率去耦
指通过高功率质子去耦，消除13C、（或15N、29Si等）核与\H的异核偶极相互作用，使该核固体NMR谱线变窄。
2.15 Hartmann-Hahn 条件
对自旋量子数都等于1/2的核I与核S进行交叉极化实验时，加在两种自旋系统上的射频场需满足YsBis=Y,B1。这样在旋转坐标中，两种核自旋进动频率相同，达到能级匹配。（这里与B，是旋磁比与射频场强度，下标S、I表示相应的自旋系统），称上述等式为Hartmann-Hahn条件。
2.16交叉极化www.bzxz.net
(cross polarization)
对I、S自旋系统，利用适当的脉冲序列，只要满足Hartmann-Hahn条件，极化（即能级之间的布居数差)能从高天然丰度的I自旋系统（例1H)，转移到低天然丰度的稀核S自旋系统（例13C、15N、2Si等），导致后者的磁化强度大大增强，故提高了信噪比。此外，这时系统的恢复时间与稀核固有的较长的T，无关，而由丰核较短的T，决定，故大大缩短了信号累加的时间。2.17二维NMR谱
指有两个时间变量，经两次傅里叶变换得到的两个独立的频率变量的NMR谱。3、方法原理
自旋量子数1≠0的原子核在静磁场中受外界适当频率电磁波照射时发生NMR。此时，磁感应强度B、电磁波频率%或角频率)和被测核旋磁比之间应满足下面关系：=1/2n · YB。或 =YB或 o=rB。若用射频脉冲照射，按照脉冲的频谱关系，可使不同化学环境的原子核同时发生共振，检测器收集到一个随时间衰减的于涉信号，称为自由感应衰减信号（FID），经过傅里叶变换，就得到该核的NMR谱图。通过对谱图的解析，便能获得该样品有关的结构信息。4试剂和材料
液体样品制样时一般选择氛代试剂作溶剂，其中的氛核可作为谱仪锁场之用，而没氛代尽的\H及所含的13C又可作\H及13C谱化学位移的二级定标（唯TMS为一级定标）。128
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应视样品溶解度的大小来选择氛代试剂。氛代氯仿(CDCl3)是最常用的溶剂，除强极性样品外均可适用，耳价廉。极性大的化合物可采用氛代丙酮：一般芳香化合物与芳香高聚物用氛代苯;对难溶的酸性或芳香物质及皂等天然化合物用氛代吡啶；某些在一般溶剂中难溶的物质可用氛代二甲亚砜：作低温测定时用凝固点低的氛代甲醇作溶剂。5仪器
5.1仪器组成
图1是超导脉冲FTNMR谱仪的主要结构框图。对仪器的主要部件说明如下
处理器
观察道
频率合成
彩色显示
打印机
绘图仪
变温单元
气动单元
音频滤波
正交相检
主放大器
区心区
去耦道
频率合成
变频器
调制器
发射机
均场单元
高功率相
图1超导脉冲FTNMR谱仪框图
5.1.1超导磁体
指用NbTi或NbsSb合金带材嵌入铜材内，绕成螺旋管形线圈，置于内壳含液氨外壳含液氮的杜瓦里，构成超导磁体。为了克服线圈因有限长度而给样品空间带来磁场的不均匀性的影响，还设置了若干组低温与室温匀场线圈，以提供自旋系统一定强度的稳定性与均匀性都佳的固定磁场。
频率高于100MHz的核磁谱仪磁场均由超导磁体产生5.1.2探头
探头是一插入式整体组合件，可依据测试需要更换。探头分氢选择探头、碳/氢双频探头、宽带探头、反式探头、带有梯度线圈的探头、固体宽谱和魔角高分辨探头等，它是发射射频和收集信号的部件，可根据不同核进行最佳匹配调整。固体探头配置功率更强的射频装置（大功率129
柜)。
5.1.3射频单元
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所有射频信号均由同一晶振经频率综合器产生，故有很高的频率稳定度及时基相关性。数字化的NMR波谱仪包括全数字式频率和相位发生器；数字化信号程序；数字锁和场调整系统和数字滤波技术等，能消除基线畸变，提高数字分辨率且没有谱线折叠。5.1.4计算机
计算机通过程序软件控制谱仪实现采样、处理数据及绘图。计算机亦可通过程序软件实现谱模拟与复杂谱图解析，也可通过软件与其他微机相联，提高谱仪的利用率与功效。5.2仪器性能
超导PFTNMR仪技术指标
200MHz
1H5mm分辨率
1H5mm灵敏度
iH5mm线形
\H5mm旋转边带
13C10mm分辨率
13C10mm灵敏度
13C10mm线形
固体高分辨13C分辨率
固体高分辨13C灵敏度
6样品
10%ODCB
10%CHCl3
10%CHCls
80%CgHs
80%CgH
ChoHie
ChoHi6
6.1对样品的要求
300MHz
360MHz
400MHz500MHz
600MHz
全部90°
脉宽(μs）
作结构测试的样品希望是纯净的单组分。做高分辨谱的液体样品应为对选定的溶剂有适当的溶解度且不与溶剂发生化学反应(专做反应者除外）的物质。配好的试样溶液应有较好的流动性（高聚物及胶体除外）。试样溶液中应没有悬浮的固体颗粒，特别不能有铁磁性沾污物。配好的试样溶液应有足够的体积（$5mm样品管内样品体积应不小于0.45ml，$10mm样品管内样品体积应不小于1.8ml）。对于需作特殊测试的样品，可根据具体测试内容结合上述要求综合考虑。样品的溶液应有较低的粘度，否则会降低谱峰的分辨率。样品用量应能保证必要的信噪比。
6.2液体样品的溶剂及参比物
以内锁方式测试时，把样品溶于氛代试剂。氛代试剂中常含有该样品所测核的参比物（即.用作标定化学位移的基准)。H，13C谱常用的参比物的化学位移值与谱线的多重性见附录A。其他核测试所用的参比物应在谱图中注明（如3P以85%H.PO.的3P峰Oppm为参照，23Na以1mol/1NaCl峰oppm为参照等）。6.3外标法
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用外锁方式工作时，溶剂中一般应不含待测核，若样品为液体，则可直接用作试样。参比物不与样品溶液混合，通常用一支毛细管封装参比物，放入待测样溶液中同时进行测试。必要时根据体积磁化率对所测值进行校正。校正公式为=%+(X—)2元/3
这里—一校正的化学位移值
%—一观察到的化学位移值
X-样品的体积磁化率
X2—参比物的体积磁化率
6.4固体样品参比物
这里介绍的几种参比物并没经过权威部门的认可，只是根据文献中通常使用的标准列出：13C以金刚烷CH1s的二条13C峰29.50ppm和38.56ppm为参照。27Al以AiCl·6H,O中的Al峰Oppm为参照。29Si以Q8M8中最低场的峰12.39ppm为参照。15N以NH,NO中NH+中的15N峰Oppm为参照。31P以85%H，PO.里31P峰0ppm为参照。6.5制样
6.5.1液体样品
采用适当浓度的样品溶液或液体样品，含内标或外标，样品溶液中应没有不溶物及气泡。参比物在谱图中的峰高不宜太强。对需作精密测试（如测定弛豫时间）的样品，按需要可用“循环冷冻法”除氧。
6.5.2固体样品
除特殊情况外，固体NMR样品均为粉末样品，要求颗粒尽量小（至少小于100目，以避免各向异性体块磁化率的影响）。魔角旋转（用$7mm转子）一般需0.3ml（压紧）样品，约200mg～1g样品。固体宽谱一般需30mg～1g样品，视样品分子量大小及被测核特性而异。7、分析步骤
7.1开机
7.2检测前准备
主要是指仪器分辨率与灵敏度的调整。将所测试的标样置入所选的探头，仔细匀场，按测试要求选择检查分辨率、灵敏度、线形、旋转边带等指标。7.3工作条件的选择
建立氛锁，仔细匀场，调用合适的脉冲程序及选择适当的检波方式。7.4一维谱测定
7.4.1常规H谱
设定采样参数：谱宽;采样数据点；频率偏置；脉冲宽度；累加次数和脉冲延迟等，执行采样累加。
将所得到的FID信号进行数据处理：建立窗函数；FT变换；相位校正，基线校正并积分。作图，打印参数及作积分图。图2为2-丙基丙烯酸乙酯H谱的图例。7.4.2H同核去耦谱
在前置放大器上安装好同核去耦附件。131
调用同核去耦脉冲程序。
图22-丙基丙烯酸乙酯的\H谱
用光标在耦合谱的相应位置定义去耦频率偏置。据耦合常数的大小选取去耦功率(耦合常数大，需去耦功率大)。其余同耦合谱。乙基苯H同核去耦谱的例子见图3。ppm
7.4.3抑制溶剂峰
图3乙基苯\H同核去耦谱
调用预饱和程序或其它相应程序。把去耦器的偏置频率用光标设置在溶剂峰上。设置必要的参数，例去耦功率，恢复延迟，去耦器开启时间，空扫次数等。执行程序，若变换谱呈现抑制效果较差，可调节去耦功率等参数。.132
抑制溶剂峰实验谱的例子见图4
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图：4溶于10%D.0和90%H20中薰糖水峰抑制\H谱7.4.4常规13C谱（宽带异核去耦）探头应对\H与13C频率分别调谐，获最佳匹配。定义去耦器偏置频率(需考虑所用的氛代溶剂，通常设在相应的质子谱的中央)。调整去耦器功率
用键盘打入指令，选择宽带去耦方式调节样品冷却空气流。防止由于去耦功率辐照，造成样品过热。选择合适的采样数据，累加，数据处理。看变换后的谱图，判断去耦效果。视情况改变去耦功率，直到满意为止。
注：由于各条谱线的NOE效果不同且弛豫时间T，可能相差较大，核的自旋数与谱峰强度不呈正比，所以谱图不作积分。溶于H20蔗糖的宽带异核去耦13C谱的例子见图5。ppr
图5溶于HO中蔗糖的13C宽带去耦谐7.4.5DEPT(DistortionlessNucleiEnhancementby.PolarizationTransfer)实验133
该实验可对13C谱里一CHa，一CHz属。
具体步骤如下：
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四种碳信号进行分类，以利于归将标样（例溶在氛代丙酮溶液里的80%苯），仔细匀场，测定它的去耦道及观测道的90°脉宽。
换入待测样品，调谐探头，仔细匀场(去耦道对\H，观测道对13C)。记一张常规的BB去耦13C谱，存入磁盘。调DEPT脉冲序列，分别设定去耦功率，去耦道90°、180°脉宽，观测道90°、180°脉宽，其中T=1/JcH(JcH值随样品而异，一般可取JcH=125Hz，然后稍加调整）设去偶道可变脉冲θ=45°执行自动程序，所得的谱中只含CH，CHz和CH3。设去偶道可变脉冲0一90°，执行自动程序，所得的谱中只含CH。设去偶道可变脉冲θ=135，执行自动程度，所得的谱中CH、CH相位为正，CH2相位为负。
从所得的全去偶谱和3个DEPT子谱径谱编辑即能区分不同的含C基团。13C核DEPT实验谱图的例子见图6。CH
图6乌索酸甲酯脂肪族部分的DEPT谱7.4.6固体高分辨魔角旋转（MAS-MagicAngleSpinning）换上相应频段的魔角探头，接好电路及气路电缆。7.4.6.1
7.4.6.2将样品在玛瑙研钵内磨细，然后填满转子均匀压实，盖紧帽子。7.4.6.3让气流把样品管送入探头适当的位置。适当调节气动单元，使转速达到所需的值。调谐探头，调谐发射机的高功率单元，调谐前置放大器的滤波器，使在没有发射脉冲7.4.6.4