固体核磁共振 基础原理
固体核磁共振 基础原理
固体核磁共振19.1 固体核磁共振基本原理19.1.1 核磁共振的基本原理及固体核磁中主要的相互作用如果我们将样品分子视为一个整体，则可将固体核磁中探测到的相互作用分为两大类：样品部的相互作用及由外加环境施加与样品的作用。
前者主要是样品在的电磁场在与外加电磁场相互作用时产生的多种相互作用力，这主要包括：化学环境的信息（分子中由于在电磁场屏蔽外磁场的强度、方向等），分子与分子间偶极自旋偶合相互作用，对于自旋量子数为>1/2的四极核尚存在四极作用。
外部环境施加与样品的主要作用有：1)由处于纵向竖直方向的外加静磁场作用于特定的核磁活性的核上产生的塞曼相互作用（Zeeman Interaction）, 核子相对映的频率为拉莫尔频率（Larmor Frequency）;2) 由处于x-y平面的振荡射频场产生的作用与待测样品的扰动磁场。
与溶液核磁共振技术测定化学结构的基本思路，在固体核磁共振实验中也是首先利用强的静磁场是样品中核子的能级发生分裂，例如对于自旋量子数I=1/2的核会产生两个能级，一个顺着静磁场方向从而导致体系的能量较低；另一个则逆着静磁场排列的方向使得体系相对能量较高。
经能级分裂后，处于高能级与低能级的核子数目分布发生改变，并且符合波尔兹曼分布原理：即处于低能级的核子数目较多而高能级的数目较少，最终产生一个沿竖直向上的净磁化矢量。
此磁化矢量在受到沿x-y平面的振荡射频磁场作用后产生一扭矩最终将沿竖直方向的磁化矢量转动一特定的角度。
由于这种射频脉冲施加的时间只是微秒量级，施加完射频脉冲后，体系中剩下的主要相互作用将会使这种处于热力学不稳定状态的体系恢复到热力学稳定的初始状态。
在磁化矢量的恢复过程中，溶液核磁中主要存在的相互作用有：化学位移，J-偶合等相对较弱的相互作用，而相对较强的分子间偶极自旋偶合相互作用在大多数体系中由于分子的热运动而被平均化。
但是在固体核磁共振实验中，由于分子处于固体状态从而难以使体系中的偶极自旋偶合作用通过分子热运动而平均化。
利用固体核磁共振技术研究材料结构
利用固体核磁共振技术研究材料结构固体核磁共振（solid-state nuclear magnetic resonance, ssNMR）技术是一种用来研究固体材料中原子结构和分子结构的重要工具。
与传统的质谱手段相比，ssNMR可以在不需要大量的分析样本的情况下，研究材料中原子和分子结构的细节，特别是在非晶态或无晶体结构中。
因此，固体核磁共振技术在材料科学领域得到了广泛应用。
固体核磁共振技术的原理是利用核磁共振现象，即核自旋与外磁场间的相互作用，通过一系列的脉冲序列和回波信号生成，确定材料中原子的排列方式、化学键的性质和分子的构象等信息。
与液态核磁共振不同，固态核磁共振的信号产生方式更复杂，需要通过优化仪器的设计和信号处理算法，来克服信号噪声等技术难题。
固体核磁共振技术在材料科学中的应用非常广泛。
其中，最常见的应用是研究催化剂、聚合物材料和电子器件等。
催化剂是其中的一个重要领域。
对于催化剂材料的研究，需要通过核磁共振技术来确定催化剂中活性位置的结构，确定反应机理的信息。
聚合物材料是另外一个常见的研究领域。
对聚合物材料分子结构的理解和确定，有助于优化聚合物的特性，提高材料性能。
电子器件则是近年来新兴的应用领域，例如，ssNMR技术可以用来研究高分子电解质和电极材料，以确定电池的性能和特性。
除了上述的应用，ssNMR技术还可以应用在其他领域，例如，医药和化学研究等。
医药研究中，ssNMR技术可以用来确定药物的结构和稳定性。
特别是在新药开发中，ssNMR技术可以帮助科学家确定新药分子的合成路径、理解药物与生物体的相互作用等。
在化学研究方面，ssNMR技术可以用来研究分子结构和物理性质，例如，固体材料的同位素效应、低维材料中个别分子的相互作用等。
在总结使用ssNMR技术的应用领域时，可以看到这项技术已经成为材料科学领域中必不可少的工具之一。
除了此外，还需要提到的是，核磁共振技术是一项现代科学技术的代表，随着技术的发展和新应用的出现，其应用前景也愈发广阔。
固体核磁共振技术
固体核磁共振技术固体核磁共振技术（Solid-state Nuclear Magnetic Resonance, SSNMR）是一种非常重要的分析技术，用于研究固体样品中的原子和分子结构以及它们之间的相互作用。
它广泛应用于材料科学、化学、生物化学等领域，为我们揭示了许多固体材料的内部结构和性质。
固体核磁共振技术的原理是基于原子核在磁场中的行为。
原子核有自旋，当它们处于外加磁场中时，会出现能级分裂的现象。
通过外加射频脉冲，可以使原子核跳跃到高能级，然后再返回到低能级时释放出一些能量。
这些能量的释放会被测量并用于研究样品的性质。
与传统的液体核磁共振技术不同，固体核磁共振技术主要应用于非晶态或结晶态的固体样品。
由于固体样品中原子核之间的相互作用较强，导致了谱线的展宽，使得信号分辨率较低。
因此，固体核磁共振技术在样品制备、谱线处理等方面都面临着较大的挑战。
为了克服这些挑战，研究人员开发了许多技术和方法。
其中一个重要的技术是魔角旋转（Magic Angle Spinning, MAS）。
通过将样品置于一个特定角度旋转的转子中，可以减少样品中的晶体畸变，从而提高信号分辨率。
此外，还可以利用不同的脉冲序列和谱线处理算法来提高信号强度和分辨率。
固体核磁共振技术可以用于研究各种固体样品，例如无机晶体、有机化合物、聚合物等。
通过测量样品中不同原子核的共振频率和耦合关系，可以确定它们的化学环境和化学键的性质。
此外，固体核磁共振技术还可以研究样品的动态过程，如固态反应、动态结构等。
在材料科学领域，固体核磁共振技术被广泛应用于研究材料的晶体结构、晶格动力学、晶体缺陷等。
例如，研究人员可以通过固体核磁共振技术来确定材料的晶体结构，并研究其在不同温度和压力下的变化。
此外，固体核磁共振还可以用于研究材料的表面性质、表面修饰等。
在化学和生物化学领域，固体核磁共振技术可以用于研究分子的结构、构象、动力学等。
通过对样品中特定原子核的共振频率进行测量，可以确定分子的化学环境和化学键的性质。
NMR-固体核磁的应用
固体核磁共振的原理及应用Solid-state NMR and Its Applications教学内容：NMR发展简史固体NMR基本原理固体NMR研究多孔材料结构与性质原位NMR研究催化反应机理与动力学Mo/HZSM-5催化剂上甲烷芳构化反应多相催化剂上烯烃氧化反应(TS-1)和复分解反应(Mo/HBeta)CHA分子筛上甲醇转化反应单壁碳纳米管(CNTs)中分子的吸附和扩散NMR 发展简史1946年哈佛大学的Purcell 与斯坦福大学的Bloch 等人发现特定结构中的磁核会吸收一定波长或频率的电磁波而实现能级跃迁，开辟了核磁共振分析的历史，因而获1952年诺贝尔物理学奖1951年Arnold 等发现乙醇的1H NMR 谱由三组峰（CH 3、CH 2、OH ）组成，发现了化学位移，进而发现了偶合现象，从而NMR 开始被化学家所重视1953年美国Varian 公司成功研制了世界上第一台商品化连续波NMR 谱仪（EM-300型，质子工作频率30MHz ，磁场强度0.7T ）1964年后，NMR 谱仪经历了两次重大的技术革命，其一是磁场超导化，其二是脉冲Fourier 变换技术（PFT ）的采用，从根本上提高了NMR 的灵敏度，谱仪的结构也有了很大的变化。
1964年Varian 公司研制出世界上第一台超导磁场的NMR 谱仪（200MHz ，场强4.74T ）使天然丰度很低的13C 及15N 等的NMR 测定成为可能1970年代，苏黎世瑞士联邦理工学院（ETH）的R.R. Ernst创立脉冲傅立叶变换核磁共振（FT-NMR）和发展了二维核磁共振(2D－NMR) ，1987年R.R. Ernst及其学生G. Bodenhausen和A. Wokaun合作出版《一维和二维核磁共振原理》，此书与A. Abragam出版的专著《核磁学原理》被称为NMR发展史上的两块里程碑。
1970s ---固体核磁、二维核磁、固体魔角旋转（MAS）技术（材料学）、核磁成像等相继出现1991年R.R. Ernst因其创立脉冲傅里叶变换核磁共振（FT-NMR）及发展二维核磁共振(2D-NMR)这两项杰出贡献,当之无愧的独享了1991年诺贝尔化学奖。
固体核磁共振原理
固体核磁共振原理核磁共振（Nuclear Magnetic Resonance，NMR）是一种基于原子核的微弱磁矩在外加磁场作用下发生共振现象的物理现象。
固体核磁共振是在固体材料中应用核磁共振技术的一种重要方法，其原理和应用在化学、生物、医学以及材料科学等领域都有广泛应用。
在固体核磁共振中，由于样品是固态的，与液态核磁共振相比，其结构和动力学性质更加复杂，因此需要特殊的技术手段和方法来解析和研究。
固体核磁共振的原理基本上与液体核磁共振相同，都是基于核磁共振现象。
核磁共振是当样品置于外加磁场中时，其核自旋会在外磁场的作用下产生共振现象，从而产生共振信号。
这些共振信号可以被探测和分析，从而获得有关样品的结构、成分和性质等信息。
液态核磁共振中，由于分子间的运动造成了高度的信号混杂，因此谱线通常较宽，信噪比较低。
而在固体核磁共振中，由于样品是固态的，分子间运动非常有限，因此谱线较窄，信噪比较高。
因此，固体核磁共振可用于研究固体材料的结构和动力学性质。
在固体核磁共振中，一个重要的参数是回旋频率，即共振频率。
外加磁场会引起样品中核自旋的能级分裂，而共振频率正是能级之间跃迁所对应的频率。
通过测量共振频率，可以获得有关样品的结构和性质等信息。
此外，固体核磁共振还可以应用于研究核自旋弛豫时间、化学位移、偶合常数等参数，从而揭示样品的结构和动力学性质。
固体核磁共振的原理与技术非常复杂，涉及到量子力学、固体物理学、磁共振技术等多个学科领域。
在固体核磁共振中，常用的技术包括固体核磁共振谱仪、脉冲序列技术、魔角旋转技术、动态核极化技术等。
这些技术手段可以有效地应用于固体材料的研究和分析，从而获得关于样品结构和性质的重要信息。
固体核磁共振在化学领域中有着重要的应用。
固体核磁共振可以用于分析固态化合物结构、表征材料性质、研究固相反应和固体界面等。
比如，固体核磁共振可以用于研究催化剂、纳米材料、聚合物材料等的结构和性质。
此外，固体核磁共振还可以用于研究生物材料中的含水量、结构和功能等。
固体核磁共振原理
固体核磁共振原理固体核磁共振（Solid State Nuclear Magnetic Resonance，SSNMR）是一种基于核磁共振原理的技术，主要用于研究固体材料的结构和性质。
它可以提供关于样品中原子核的位置、化学环境、运动以及相互作用等信息，为材料科学的研究和应用提供了重要的实验手段。
核磁共振（Nuclear Magnetic Resonance，NMR）是一种观察原子核自旋的现象。
当原子核处于外加磁场中时，它们会以一定的频率进行自旋翻转。
在磁场中，核自旋有两个可能的翻转方向，称为核自旋量子数（spin quantum number）。
核磁共振原理是基于这一现象。
固体核磁共振的关键技术包括脉冲儿洛德算法和魔角旋转脉冲算法。
这些算法通过施加脉冲序列来操作和读取核自旋系统的信息。
通过这些技术，可以将核磁共振信号转化为谱线，提供关于样品中原子核的化学环境、相对位置和动力学信息。
固体核磁共振在材料科学中有广泛的应用。
首先，它可以用于材料的结构表征。
通过固体核磁共振技术，可以确定材料中不同元素的位置和化学环境。
通过观察核磁共振信号的频率和强度，可以推断出材料中的化学键和晶格结构等信息。
其次，固体核磁共振可以用于研究材料的物理性质。
通过观察核磁共振信号在不同温度和压力下的变化，可以研究材料的相变和相互作用等现象。
例如，固体核磁共振可以用于研究材料的磁性和电性质等。
此外，固体核磁共振还可以用于研究材料的动力学性质。
通过观察核磁共振信号的弛豫时间和化学位移变化，可以研究材料中原子核的运动和相互作用等现象。
这对于理解材料的输运性质和反应动力学非常重要。
总的来说，固体核磁共振是一种非常重要的材料科学研究技术。
它可以提供关于固体材料结构、性质和动力学的详细信息，为材料科学的发展和应用提供有力的支持。
随着核磁共振技术的不断发展和创新，固体核磁共振在材料科学领域的应用将会更加广泛和深入。
水泥及原材料29Si固体核磁谱的测定
实验题目：水泥及原材料29Si固体核磁谱的测定实验目的了解固体核磁测试的原理，掌握一些相关的核磁信息。
能看懂固体核磁的基本图谱，会解一些基本的核磁图。
实验仪器：1.NMR（核磁共振）谱仪——AVANCEAV4OOMHZNMR2.样品管实验原理1、固体核磁共振基本原理固体核磁共振测试时，由于固体体系中的质子各向异性作用，相互偶极自旋耦合强度较高，表现在图谱上为宽线谱。
一般情况下，对固体样品测试会采用魔角旋转技术(MAS)与交叉极化技术(CP)来得到高分辨的固体杂核磁谱。
魔角旋转技术将样品填充入转子，并使转子沿魔角方向高速旋转，即使样品在旋转轴与磁场方向夹角β=θ=54°44 （魔角）的方向高速旋转来达到谱线窄化的目的。
在某些原子核的旋磁比较小的固体材料中使用交叉极化技术，由丰核(如1H)到稀核(如29Si)的交叉极化，使29Si的信号增强。
2、29SiNMR特征参数与结构的关系NMR的特征参数包括：谱线的数目、位置（化学位移）、宽度（峰形越锋利代表结晶性越好）、形状、面积和谱线的弛豫时间，现在主要通过化学位移来确定硅氧/铝氧多面体的聚合度，进而描述物质结构。
水泥矿物中，Si原子主要以硅氧四面体形式存在，以Q n (m Al)表示硅氧四面体的聚合状态，n为四面体的桥氧个数，m表示硅氧四面体相连的铝氧四面体个数。
Q0代表孤岛状的硅氧四面体[SO4]4−；Q1表示两个硅氧四面体相连的短链，表征C-S-H二聚体或高聚体中直链末端的硅氧四面体，通过29Si固体NMR研究可了解水泥的水化程度、C-S-H 结构及硅酸盐种类和水泥净浆的各种性能之间的相关性关系等信息。
实验内容1.制备样品2.插入样品管3.键入ej,将样品管放入磁体中，再键入ij。
4.建立新实验5.锁场6.调谐7.启动采集8.处理、打印图谱数据处理(到时打印出图谱再对应分析即可）图1 水泥的29Si-NMR图谱分析：图1是未水化硅酸盐水泥的29Si-NMR图谱，图谱中主要在化学位移为-71ppm左右存在一个较为尖锐的峰，在此位移的峰主要为孤立的岛状硅氧四面体结构。
固体核磁共振简介
固体核磁共振简介彭路明南京大学化学化工学院介观化学教育部重点实验室0. 从液体核磁共振到固体核磁共振核磁共振现象源于核自旋和磁场的相互作用，1945年由Edward Mills Purcell 和Felix Bloch分别发现。
核磁共振谱学从此日渐成为探索物质物理、化学、电子等性质和分子结构的重要工具。
在核磁共振中，有许多核自旋的相互作用，每一种都可能包含着丰富的结构和动力学信息，加上能够定量分析、对样品无损伤以及可针对特定的原子（核）等特点，使核磁共振成为一种十分理想的强大的分析手段。
在核磁共振的这些相互作用中，有一些是各向同性的相互作用，另一些则是各向异性的相互作用。
它们的区别在，前者对核磁共振信号频率的影响与分子的空间取向无关，而后者则有关，故后者可能因为被测分子空间取向的不同而造成谱线的宽化，导致分辨率和灵敏度的降低。
在液体中，由于分子的快速翻滚运动，消除了各种可能使谱线宽化的各向异性的核磁共振相互作用。
因此，液体核磁共振谱图中的共振信号十分尖锐，有很高的分辨率，这是液体核磁共振成为测定溶液中化合物结构的最强大的方法的原因之一。
但在固体中，由于上述分子运动的缺失导致核磁共振信号受到各向异性的相互作用影响而被展宽，分辨率和灵敏度低。
如果希望得到类似液体核磁共振所给出的信息，必须通过高分辨率固体核磁共振技术才能实现。
以下将分别简要介绍固体核磁共振中的一些重要相互作用以及部分高分辨率固体核磁共振技术。
1. 固体核磁共振中的相互作用核磁共振中核自旋的相互作用可以分为两大类：外部相互作用（external spin interactions ）和内部相互作用（internal spin interactions ）。
前者是核自旋和外部仪器设备产生的磁场（如静磁场，射频场）的相互作用。
后者则相反，是核自旋和样品本身所产生的磁场和电场的相互作用，这些作用包括屏蔽作用（化学位移，奈特位移，顺磁位移等），偶极作用（直接和间接），四极作用等等。
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固体核磁共振19、1 固体核磁共振基本原理19.1.1 核磁共振的基本原理及固体核磁中主要的相互作用如果我们将样品分子视为一个整体,则可将固体核磁中探测到的相互作用分为两大类:样品内部的相互作用及由外加环境施加与样品的作用。
前者主要就是样品内在的电磁场在与外加电磁场相互作用时产生的多种相互作用力,这主要包括:化学环境的信息(分子中由于内在电磁场屏蔽外磁场的强度、方向等),分子内与分子间偶极自旋偶合相互作用,对于自旋量子数为>1/2的四极核尚存在四极作用。
外部环境施加与样品的主要作用有:1)由处于纵向竖直方向的外加静磁场作用于特定的核磁活性的核上产生的塞曼相互作用(Zeeman Interaction), 核子相对映的频率为拉莫尔频率(Larmor Frequency);2) 由处于x-y平面的振荡射频场产生的作用与待测样品的扰动磁场。
与溶液核磁共振技术测定化学结构的基本思路, 在固体核磁共振实验中也就是首先利用强的静磁场就是样品中核子的能级发生分裂,例如对于自旋量子数I=1/2的核会产生两个能级,一个顺着静磁场方向从而导致体系的能量较低;另一个则逆着静磁场排列的方向使得体系相对能量较高。
经能级分裂后,处于高能级与低能级的核子数目分布发生改变,并且符合波尔兹曼分布原理:即处于低能级的核子数目较多而高能级的数目较少,最终产生一个沿竖直向上的净磁化矢量。
此磁化矢量在受到沿x-y平面的振荡射频磁场作用后产生一扭矩最终将沿竖直方向的磁化矢量转动一特定的角度。
由于这种射频脉冲施加的时间只就是微秒量级,施加完射频脉冲后,体系中剩下的主要相互作用将会使这种处于热力学不稳定状态的体系恢复到热力学稳定的初始状态。
在磁化矢量的恢复过程中,溶液核磁中主要存在的相互作用有:化学位移,J-偶合等相对较弱的相互作用, 而相对较强的分子间偶极自旋偶合相互作用在大多数体系中由于分子的热运动而被平均化。
但就是在固体核磁共振实验中,由于分子处于固体状态从而难以使体系中的偶极自旋偶合作用通过分子热运动而平均化。
另外值得指出的就是与化学位移,J-偶合等相互作用的强度相比,分子间偶极自旋偶合作用就是一种远强于前两者的一种相互作用。
通常情况下,化学位移与J-偶合一般都处于Hz量级,但就是偶极自旋偶合作用强度却处于kHz量级,所以如果不采用特殊手段压制偶极自旋偶合作用带来的谱线展宽, 通常静态条件下观察到的核磁共振谱往往就是信息被偶极自旋偶合作用掩盖下的宽线谱(图2所示为乙酸胆固醇酯在静态下以通常的去偶方式所得到的图谱与溶于CDCl3后所测得的溶液核磁图谱的对比,从中可瞧出固体核磁图谱在没有特殊技术处理下呈现的就是毫无精细结构的宽包峰。
)。
因此,在固体核磁中只有采用特殊技术首先压制来自强偶极自旋偶合作用导致谱线宽化的影响,才有可能观察到可用于解析物质化学结构的高分辨固体核磁共振谱。
图1 上图蓝线所示为乙酸胆固醇酯的固体13C NMR(静态,未进行强功率去偶)而下图红线记录的就是将其溶于CDCl3后的溶液状态的核磁共振谱。
由此可见在固体状态由于化学位移各向异性及强偶极相互作用等因素的存在使谱线展宽为毫无精细结构的图谱。
在固体核磁测试中,虽然质子的自然丰度与旋磁比都比较高,但就是由于体系中质子数目多,相互偶极自旋耦合强度远高于稀核,例如13C 与15N等,因此在大多数情况下固体核磁采用魔角旋转技术(Magic Angle Spinning MAS)与交叉极化技术(Cross Polarization CP)可得到高分辨的杂核固体核磁谱。
对于1H 必须采用魔角旋转与多脉冲结合方式(Combined Rotation and Multipulse Spinning CRAMPS)将质子的磁化矢量转至魔角方向方能得到高分辨质子谱。
19.1.2 魔角旋转技术在静态固体NMR谱中主要展现的就是化学位移各向异性、偶极自旋耦合与四极相互作用的信息,这些物理作用往往展现出的就是宽线谱。
如果在研究中对这些信息不感兴趣,而更多关注于化学位移与J-耦合时,可通过将样品填充入转子,并使转子沿魔角方向高速旋转,即可实现谱线窄化的目的。
这就是因为上述作用按时间平均的哈密顿量均含有因子(1-3cos2θ), 因此如果将样品沿θ=54、7°(即正方体的体对角线方向)旋转时,上述强的化学位移各向异性、偶极自旋偶合与四极相互作用被平均化,而其她相对较弱的相互作用便成为主要因素,因此有利于得到高分辨固体核磁共振谱。
值得指出的就是由于1H 核的自然丰度非常高,因此1H-1H核之间的偶极作用远强于13C-13C之间的相互作用,因此在不就是太高的旋转速度下就可以实现压制13C-13C之间的偶极相互作用,但要实现完全压制1H-1H核之间的偶极作用在许多固体核磁共振谱仪上还就是难以实现的。
实验中一般采用两种气流:bearing gas 与driving gas(见图3所示), 前者使样品管能够浮起并且在样品管旋转过程中具有使其处于平衡状态的功能,后者通过吹动样品管的锯齿帽而使之沿魔角所在方向进行高速旋转。
图2 魔角旋转实验的示意图,其中白色部分代表样品管,样品管头部的红色条纹代表样品管的锯齿状Kel-F或BN制成的用于高速旋转的帽。
为使样品管稳定高速旋转必须采用两种气流:bearing gas 与driving gas。
当魔角旋转速度非常高的情况下可将粉末状样品在静态图谱中所呈现的各向异性粉末状图案(Powder pattern)简化为各向同性的化学位移峰逐渐显现,但就是当沿魔角旋转速度不够快时,经魔角旋转后所得到的图谱出得到各向同性的表示化学位移的单峰外,尚存在一系列称为旋转边带(Spinning sideband)的卫星峰。
各旋转边带之间的间距(用Hz 表示)正好就是样品管的旋转速度,并且均匀分布在各向同性的化学位移所在的主峰的两侧。
当旋转速度加快时,旋转边带的间距也加大,具体实例见图4,最终呈现为各向同性的化学位移。
图3 固体核磁共振实验中旋转边带与魔角旋转速度的相互关联关系目前样品管的旋转速度随样品管的尺寸不同可在1-35 kHz范围内调解,这对于自然丰度比较低的核,例如:13C,15N可以有效抑制体系中的同核偶极相互作用,但对于自然丰度很高的核,例如1H,19F 等,由于体系中的偶极作用强度往往大于100 kHz, 因此如果单纯依靠魔角旋转技术就是难以获得高分辨图谱的。
19.1.3 交叉极化技术对于13C,15N等体系虽然通过魔角旋转技术有效地压制了同核偶极相互作用,但就是这些核的旋磁比比较小,自然丰度比较低,因此如果采用直接检测这些核的实验方法将导致整个实验过程的灵敏度非常低。
为进一步提高这些核的实验灵敏度,又发展了交叉极化技术。
通过该技术可将1H核的磁化矢量转移到13C或15N等杂核上,从而提高这些杂核的实验灵敏度。
通过交叉极化技术测定固体杂核的核磁共振脉冲程序如下:图4 交叉极化的脉冲序列。
此脉冲序列的净结果就是将核磁活性较高的核的磁化矢量传递给核磁活性较低的核的磁化矢量, 从而提高相关杂核固体核磁共振实验的灵敏度。
交叉极化过程的详细物理解释需要采用平均哈密顿理论(Average Hamiltonian Theory),在此仅对此过程进行简单的描述。
起初施加于氢核上的90ºx脉冲将氢沿z方向的初始磁化矢量转变到-y方向,这时施加于氢的脉冲磁场的相位迅速由x-轴转变为-y轴。
经过此相位转变后,氢的磁化矢量就被锁定在-y轴上,因为此时氢的磁化矢量的方向与外在脉冲静磁场的方向一致,即这时沿-y方向的磁场如同外加静磁场所起的作用一样,会使氢的磁化矢量沿脉冲磁场所在的-y方向产生能级分裂,使得在此坐标系中氢的α*H与β*H的数目分布有所不同。
值得指出的就是此时杂核在-y方向的磁化矢量为零,其α*X与β*X之间的数目分布相等。
此时若在杂核x上沿-y方向也施加一脉冲磁场,并且使得γH B1(1H)=γx B1(x) (Hartmann-Hahn Condition)时,氢从低能态可吸收来自杂核的偶极相互作用的能量跳到高能态,而相应的杂核的一部分核子则从高能态跳回到低能态,使得原来磁化矢量为零的状态转变为极化状态。
整个极化转移过程可由图6 表示。
图5 交叉极化过程的定性解释在交叉极化进行前由于锁场脉冲磁场的作用如同静磁场一样,因此在脉冲磁场所在的旋转坐标系中产生1H 的能级分裂,使其α态与β态数目不同,当在此旋转坐标系中对杂核X 施加一脉冲磁场使得体系满足哈特曼-哈恩(Hartmann-Hahn Condition)条件时,即:ωH =ωX ,氢核与杂核就可以通过偶极作用发生能量转移,能量转移的结果就是氢在α态与β态数目差异减小,而杂核原来低能级与高能级之间本没有数目差异,经此过程后,产生一定的数目差异,所以达到活化杂核的目的,使杂核在固体核磁共振实验中的灵敏度得到极大的提高。
在整个交叉极化过程中由于1H 核与X 核之间的偶极作用满足如下的关系式:从式中可以瞧到1H 核与X 核之间偶极作用只与z 方向有关,而与x-y 平面无关,然而交叉极化过程就是在-y 方向完成的,因此在交叉极化前后,总偶极强度保持不变。
因此通过交叉极化过程后,氢核的磁化矢量减少而杂核X 的磁化矢量增加,两种核增加与减少的幅度与核的种类、交叉极化的动力学过程等多种因素有关。
19.1.4 固体核磁共振的异核去偶技术在测定杂核的固体核磁共振实验过程中,采用魔角旋转技术能够比较有效地去除同核间的偶极偶合作用(例如:13C-13C;15N-15N 等),但就是对于这些核与氢核间的偶极偶合作用则比较有限,为此还发展了多种去偶技术抑制这些杂核间的偶极耦合作用。
值得指出的就是虽然在溶液核磁体系中已发展了多种去偶技术,但就是由于在溶液体系中相应的作用力远小于固体状态的作用力,因此在固体核磁共振实验中所采用的去偶功率往往在100-1000瓦量级,而非溶液状态的瓦级。
固体核磁共振实验中高功率去偶技术的采用带来的一个不可避免的注意事项就就是防止样品在照射过程中由于产生的热导致其变性。
固体核磁共振实验中之所以采用高功率去偶技术就是为了进一步提高图谱的分辨率与灵敏度。
经过高功率照射后使原来存在偶极作用的氢与杂原子之间的作用消失,这样原来所呈现的多峰就合并为一个,使得谱线的强度增加,并且使谱图的重叠减弱,有利于识谱。
但就是不可避免的就是在此过程中由于去偶技术的采用也使得反映有关原子周围的化学环境、原子间相对距离等信息被消除 19.1.5 固体核磁共振实验的特点(1) 固体核磁共振技术可以测定的样品范围远远多于溶液核磁,由于后者受限于样品的溶解性,对于溶解性差或溶解后容易变质的样品往往比较难以分析,但就是这种困难在固体核磁实验中不存在;(2) 从所测定核子的范围瞧,固体核磁同溶液核磁一样不仅能够测定自旋量子数为1/2的1H,19F,13C,15N,29Si,31P ,207Pb,还可以就是四极核,如:2H, 17O 等,所以可分析样品的范围非常广泛;(3) 就是一种无损分析。