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NMR Spectrometer

NMR Spectrometer. 正修科技大學 化工與材料工程系 許 清 雲. 中華民國九十六年十一月三十日. Electromagnetic spectrum. Basic NMR Theory. 1924~ Pauli ：運用核磁矩與電子自旋磁矩作用解釋光譜線 1930~ Stern & Gerlach ：實驗測量出核自旋磁矩 1939~ Rabi ：首次發現核磁共振 1946~ Bloch & Purcell ： 發展出對樣品直接測量的實驗， 於 1952 年獲得諾貝爾物理獎 1951~ 發現同一種氫核分子間具有化學位移

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Presentation Transcript

  1. NMR Spectrometer 正修科技大學 化工與材料工程系 許 清 雲 中華民國九十六年十一月三十日

  2. Electromagnetic spectrum

  3. Basic NMR Theory 1924~ Pauli：運用核磁矩與電子自旋磁矩作用解釋光譜線 1930~ Stern & Gerlach：實驗測量出核自旋磁矩 1939~ Rabi：首次發現核磁共振 1946~ Bloch & Purcell： 發展出對樣品直接測量的實驗， 於1952年獲得諾貝爾物理獎 1951~ 發現同一種氫核分子間具有化學位移 1953~ C13 核磁共振引起化學家研究 1970~ 傅式轉換核磁共振儀問世

  4. Nuclei Magnetic Resonance • N(nuclei): 原子核 具內稟自旋(自旋角動量不為零)的原子核 • Magnetic Moment: μ = γJ ⇒ Quantized! • γ: nuclear gyromagnetic ratio • J: spin angular momentum • M (magnetic field)：磁場 外加強大靜磁場, B0 • 永久磁鐵或電磁鐵: typically < 3 Tesla • 超導磁鐵: 4.7-21.2 T (ca. 200-900 MHz for 1H) • R (resonance)：共振 同調頻率下的能量/磁矩交換

  5. 外加靜磁場對原子核的影響 No Magnetic Field Random Orientation Magnetic Field Nuclei Aligned or Anti-Aligned Z Bo x Y

  6. Basic NMR Theory Z N N S N Bo Bo N S Bo S S x Y Lower energy More stable Higher energy less stable

  7. Basic NMR Theory Z Bo Y x At each point of sample volume, vector sum of nuclei averages to zero in X-Y plane

  8. 能 階 • 具自旋性質的原子核，於磁場中會出現順磁場(α state)和逆磁場(βstate)的能階，當給予一適當頻率之能量時，低能階的原子核將會被激發。 Energy Strenght of applied Bo

  9. 外加磁場(Bo)與能階差(ΔE)之關係 High Field NMR ▫Increased sensitivity ▫ Increased dispersion β spin state Randomly oriented nuclei (no magnetic field) ∆E=400MHz For 1H ∆E=200MHz For 1H αspin state Energy 4.7 9.4

  10. NMR 訊 號 處 理 流程 Z Z θ M rga FID 收訊線圈 θ角脈衝激發 Y Y Z X X 熱平衡磁矩 MZ 乘以視窗函數 相位校正 基線校正 FT 轉換 LB, GB,…

  11. NMR訊號的量測

  12. NMR Of Common Nuclei No NMR observed NMR observed

  13. Chemical Shifts • 1H-NMR 儀主要是偵測1H 核子的訊號。 • 化學位移(Chemical Shifts， )通常是以ppm(百萬分之一)為單位，以TMS(tetramethylsilane) 為標準，定其為0。 • 一般而言，NMR化學位移如下： 1H - NMR ：0 ~ 15 ppm 3C - NMR ：0 ~ 300 ppm 15N-NMR ：0~500 ppm

  14. Common Spin Multiplicities

  15. a c b Ha Hc Hb

  16. Chemical Shift

  17. Coupling constant • 在1H-NMR 當中，1H 與1H 核子間，若相隔3 ~ 4 個化學鍵之內，則會相互作用，讓訊號有分裂的現象，此即稱為偶合。 • 一般而言，偶合後的分裂峰數，符合2nI + 1 定律，其中n 即為相鄰1H 的個數，I 即為磁自旋量子數(I=1/2)。再者，偶合常數愈大，則分裂得愈開，以Hz 為單位。 Homonuclear coupling：1H 核子，會造成1H-NMR 光譜的分裂 Heteronuclear coupling：相鄰1H 核子會造成13C-或15N-NMR 光 譜之分裂。

  18. Cryogenic Cooling System Cryogenic Chiller CryoBay Turbo Pump

  19. NMR Spectrometer

  20. 樣品配製 • 取用適當的樣品量(10 mg) • 選擇合適之D-solvent • 取用合適的NMR sample tube • 配製適當的量(for 5mm tube) • 一般樣品管: 體積≈ 0.5 mL, 3 cm • SHIGEMI樣品管: 體積≤ 0.3 mL 測量高度器 (Depth Gauge)

  21. 樣品深度量測(Depth Gauge) 樣品 Spinner (旋轉器) 樣品深度計 線圈中心點 最低樣品高度 20 mm for 5mm probe 底盤

  22. 氘鎖定(Deuterium Lock)勻場(Shim)

  23. 一維氫譜實驗 • 脈衝程序 • 重要參數 􀂾 弛豫時間(D1) = 1 ~ 5 × T1 􀂾 脈衝角度θ (flip angle) = 30° ≤ θ ≤ 60° 􀂾 死亡時間(DE) = 6.5 usec 􀂾 收訊時間(AQ): 1 ≤ AQ ≤ 3 sec 􀂾 掃瞄次數(NS)

  24. 脈衝式NMR

  25. Free Induction Decay

  26. 組合的FID

  27. Fourier Transform • A mathematical technique that resolves a complex FID signal into the individual frequencies that add together to make it.

  28. 組合的FID轉換成NMR光譜

  29. 2-ethyl indanone : Proton 1H

  30. 2-ethyl indanone : DEPT 13C

  31. 2-ethyl indanone : gCOSY 1H-1H

  32. 2-ethyl indanone : gHSQC 1H-13C

  33. 2-ethyl indanone : NOESY-1D

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