天游线路检测中心 核磁共振 (NMR)
什么是核磁共振 (NMR)?
用核共振解开谜团
图1核磁共振装置
核磁共振仪(图1)如果我们仔细观察物质,它是分子的集合,分子是由原子链组成的(图2),而原子又是由原子核和电子组成的(图3)。核磁共振设备利用无线电波(60 MHz至1 GHz)在强磁场中从外部产生无线电波(60 MHz至1 GHz)。
图2物质、分子和原子
图3 原子结构
NMR装置的结构
图4 NMR设备配置
核磁共振 (NMR) 原理
一些原子具有小的原子核,例如氢原子核,具有磁性。这样的磁铁绕其轴旋转,就像陀螺一样。当放置在磁场中时,它的行为类似于陀螺的振荡运动。那个电信号核磁共振信号在 1174 T(特斯拉)的磁场强度下,氢原子核大约有 500 个
图5 核自旋
表1 1174T(特斯拉)的共振频率
从NMR获得的信息
核磁共振信号中,即使对于相同的氢核,也会出现如图6所示的各种信号。图6是乙醇信号。这个核磁共振谱无线电波不是光,而是电磁波,因此被称为频谱,就像光一样,信号从右侧开始分为CH3(甲基)、CH2(亚甲基)和OH(羟基)。NMR 谱分为官能团组。化学位移这种化学位移类似于指纹,因为如果物质不同,信号会出现在不同的位置。
化学位移(信号位置):有关原子核化学结构的信息(官能团等)
自旋耦合(信号分裂):有关与相邻原子核关系的信息
信号强度(信号面积):有关原子核数量比率的信息
弛豫时间:原子核的动态信息
图 6 乙醇 (CH3中文2OH)
NMR 配置
NMR装置的基本配置
磁铁(永磁铁、电磁铁、超导磁铁均可;需要磁场极其均匀且无时间波动且极其稳定的磁铁)
产生无线电波的高频振荡器
提供谐振频率并检测吸收能量的探头(线圈)
放大探头检测到的信号的放大器
控制这些并处理获得的数据的计算机
最新的核磁共振仪器脉冲傅里叶变换类型 (FT)通过施加振荡器产生的脉冲无线电波,整个化学位移区域发生共振。通过重复此过程并将信号相加,灵敏度也得到提高。傅立叶变换是将作为时间轴数据获得的NMR信号转换为频率轴数据的数学计算过程。
NMR 可以做什么
分子结构分析及未知化学物质鉴定
有机化学、无机化学、生物化学、制药、新材料、石油化学等非常广泛
定量分析
高分子化学、合成化学品质量控制、食品化学等
混合物分析
代谢组学、生物化学、食品化学等
动力学(化学反应速率、相互作用、结合位点的识别)
有机化学、无机化学、生物化学等
弛豫时间(分子迁移率、核间距离)
有机化学、高分子化学等
扩散系数(分子量、多聚体的确认、分子和离子的运动、受限空间的评估)
有机化学、高分子化学、新材料、电池等
可以用NMR完成的具体示例
化学分析
反应物/原料的纯度评价/成分分析/定量评价
反应中间体的鉴定、反应中间体的检查
反应效率评估
化学汇率分析
最终反应物的微观结构分析
医学
反应物/原料的纯度评价/成分分析/定量评价
反应中间体的鉴定、反应中间体的检查
反应效率评估
生药标准品的纯度测定
化学汇率分析
最终反应物的微观结构分析
药代动力学、代谢等
聚合物/纤维
聚合物的一级结构分析
合成聚合物的立构规整性(立构规整度)和 3D 结构分析
共聚聚合物聚合度的评价
嵌段共聚物的域尺寸评估
结晶/非晶结构的鉴定,结晶度的评价
合成聚合物的劣化分析、交联结构的鉴定、交联密度的评估
树脂固化/劣化分析
从微观结构评价物理性质和功能
合成聚合物中添加剂和杂质的鉴定和定量分析
动态结构分析
薄膜/涂层
涂料等薄膜合成树脂的分子结构分析及劣化分析
有机EL、有机薄膜太阳能电池等有机薄膜器件中的分子间堆积分析
液晶秩序和排列的评估
材料研究
锂离子电池的质量控制、结构分析、劣化分析
催化剂、沸石、分子筛等微观结构分析及功能评价
液晶材料的分子结构分析、有序评价、排列评价
iPS 细胞质量控制
能源
电极、电解质和隔膜材料的微观结构分析和性能评估
电解质中离子迁移率的评估
燃料电池和锂离子电池的当代评价
煤/油(原油、炼油厂)质量控制
以太阳能电池为目标的光合作用基础研究
简介
化学交换,动力学
生物分子的溶液结构多态性
分子识别
生物分子的固晶多态性
农业/食品
食品配料、食品添加剂的鉴定、成分分析、定量评价
食品添加剂纯度测定标准
工业生产的食品和农产品的原产地鉴定(多变量分析)
农药、化肥、土壤的成分分析
牛奶中乳脂肪含量的测定
乌冬面中所含乙二醇的定量
环境
水质调查/管理
土壤成分识别/成分分析
认证标准物质(农药等)的纯度测量
旨在减少二氧化碳排放的光合作用研究
火山灰、花粉、黄沙、PM 25等空气中物质的分析
金属/矿物
天然产物和人造矿物的微观结构分析
金属、合金、固溶体、非晶金属等材料的结构分析和电子态分析
法医学/法医学
尸僵的代谢组学分析
药物检测/鉴定/分子结构分析
非法草药的分子结构分析
医疗
尿液、血液等检测(多变量分析)
病理组织的成分分析
半导体/电气设备
非晶硅等电子元件用无机材料的微观结构分析和电子态分析
有机薄膜晶体管、有机薄膜太阳能电池、有机EL、有机半导体等分子结构分析
液晶的结构分析
航空/汽车
燃油/润滑油分析
轮胎橡胶及填充剂的分子结构分析及劣化分析
电子元件材料的微观结构分析
涂料成分分析
肠衣的强度分析、劣化分析等
车蜡等表面保护材料分析
