测定分子结构丨核磁共振（NMR）测试原理、制样要求以及常见问题深度解密！...

撰文排版：刘佳

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核磁共振是一种强大的分析工具，能够精确地测定样品的成分、纯度，并揭示其分子结构。核磁共振利用强磁场和特定频率的电磁波来探测分子的内部结构和组成。对于含有已知物质的混合物，核磁共振可以进行精确的定量分析。而面对未知化合物时，它可以通过与现有谱图数据库比对或直接分析谱图特征来推断其基本结构。一旦确定了化合物的基本框架，核磁共振还可以进一步探究溶液中分子的构象以及各种物理特性，如构象转换、相变过程、溶解性和分子扩散等。

核磁共振技术的一大优势在于其非侵入性，即在分析过程中不会对样品造成破坏。此外，它还能提供丰富的动态信息，如蛋白质之间的相互作用、结构变化以及化学反应的进程等。这些特点使得核磁共振成为现代分析化学中不可或缺的重要手段。

核磁共振测试的原理基于某些原子核在强磁场中的行为。在强磁场中，这些原子核会出现能级分裂。当它们吸收到与能级差相等的适当频率的电磁辐射时，就会发生能级跃迁，产生核磁共振信号。通过用特定频率的电磁波照射样品，可以诱导这些核进行共振跃迁。在整个过程中，记录下发生共振的信号位置和强度，就可以得到核磁共振谱。核磁共振谱展示了分子中不同原子的数目、类型和相对位置，信号的位置反映了分子的局部结构（如官能团和分子构象），而信号的强度则与样品中相关原子核的数量有关。

核磁共振（NMR）波谱可根据测定对象的不同，分为多种类型，包括氢核磁共振（¹H NMR）用于研究氢原子环境，碳核磁共振（¹³C NMR）用于分析有机分子的碳骨架，氮核磁共振（¹⁵N NMR）和磷核磁共振（³¹P NMR）分别用于含氮和含磷化合物的研究，氟核磁共振（¹⁹F NMR）适用于含氟药物和有机化合物，另外还有硅核磁共振（²⁹Si NMR）、锂核磁共振（⁷Li NMR）、钠核磁共振（²³Na NMR）、硼核磁共振（¹¹B NMR）及其他重核如铝-27（²⁷Al NMR）和铅-207（²⁰⁷Pb NMR）等，分别针对它们所含的特定核进行研究。

1. 解析核磁共振氢谱

首先识别并计算孤立甲基的峰面积，然后解析低场区域的特征峰，接着通过各峰的积分面积确定质子比例，分析峰的分裂模式和耦合常数，最后综合化学位移和分裂模式信息，推测取代位置、结构异构、立体异构等二级结构信息。

2. 解析核磁共振碳谱

首先检查全去偶碳谱上的谱线数是否与分子中的碳数一致，以判断分子对称性，然后通过偏共振谱确定与碳偶合的氢数，最后结合各碳的化学位移，确定每个碳原子的具体归属，从而推断分子的碳骨架结构。

3. 结合应用碳谱和氢谱

碳谱（¹³C NMR）和氢谱（¹H NMR）在核磁共振分析中具有互补性。氢谱无法检测不含氢的官能团，如羰基和氰基等；此外，对于含有大量碳原子的有机化合物，如甾体化合物，由于烷基氢原子的化学环境相似，氢谱往往难以区分各氢原子的位置，这是其局限性。然而，碳谱可以弥补这一不足，提供各种含碳官能团的信息，几乎能够分辨每一个碳原子并给出详细的碳骨架结构信息。然而，普通碳谱信号的强度往往不与碳原子数量成正比，这是碳谱的缺点。而氢谱的峰面积与氢原子数目成正比，这使得二者在实际使用中可以相互补充，共同提供全面的分子结构信息。

4. 计算偶合常数

自旋耦合引起共振峰发生分裂后，相邻两个分裂峰之间的距离（以Hz为单位）称为耦合常数。需要注意的是，这并不是两个不同氢组之间的化学位移差，而是同一组峰中相邻两个峰之间的化学位移差。通过耦合常数可以了解基团间的关系，邻位耦合常数通常较大，而远程耦合常数较小。此外，还可以利用Karplus公式计算邻位氢的二面角。对于含有双键的化合物，顺式氢原子之间的耦合常数通常为6-10 Hz，而反式氢原子之间的耦合常数则为12-16 Hz。

固体核磁样品要求：

1.被测样品应为微(纳)米粉，干燥、不吸潮、分布均匀。有毒样品或样品特性不稳定，应提前告知。

2.样品(包括反应原料)不应含铁磁性物质(如：铁、钴、镍等)，包括石墨烯材料)；样品本身应该没有静电；样品内部不应含有导电物质(如碳纤维、铁丝、金属粉等)。

3.样品在强磁场中的特性应保持绝对稳定(在高速运行或受到强电磁辐射时不会发生体积膨胀或爆炸)。例如，应考虑含氮化合物是否会爆炸。偶氮和叠氮都可能在射频照射下爆炸。

4.测试中含有有机物成分的样品不应在高温下烘烤，否则有机物部分无法检测到。

5.固体核磁检测所需样品量(压实后的体积)应超过0.5cm3。也就是说，2厘米长的火柴杆的圆柱体体积约为300毫克。

液体核磁样品制备：

1.液体核磁测试样品溶解度很重要，粉末样品：H谱15mg以上，溶解度需大于15mg/ml；C谱小分子样品提供20mg以上，溶解度需大于40mg/ml，大分子样品提供50mg以上，溶解度需大于100mg/ml；液体样品3ml以上；

2.其他元素由于天然丰度低，需50mg以上；对于需要定量称量样品和溶剂的，请自行称量混合好装在核磁管中邮寄；没有溶剂溶解的请选择固体核磁；

如果您有固体核磁测试需求，可以v肖老师（laoxiao2077）

清洁核磁管，烘干样品和核磁管，样品转移进入核磁管（溶液核磁需溶解后转入），上机测试。

固体核磁（Solid-State NMR）测试流程: 

固体核磁共振测试首先需要将样品制备成适合实验要求的固体形式，如粉末、晶体或膜，然后将样品装入特定的转子中进行处理。接着，将装有样品的转子放入核磁共振仪的探头中，通过施加射频脉冲和外部磁场，记录核磁共振信号，并通过后续的数据处理和分析得到样品的结构信息和动力学参数。

液体核磁（Solution NMR）测试流程: 

液体核磁共振测试的样品准备相对简单，通常是将待测物溶解在适当的溶剂中，装入核磁管并密封。然后将核磁管放入核磁共振仪的探头中，通过施加射频脉冲和恒定的外部磁场，记录样品的核磁共振信号，再通过傅里叶变换和数据处理，解析出样品分子的化学结构、相互作用及动态信息。

1.固体核磁测试为什么要求样品在样品量300mg以上，即(压实后的体积)应超过0.5cm3？

答:固态核磁检测是在高速运行的情况下，将样品放入小转子中进行检测。如果样品数量少，转子内的样品不均匀，可能无法平稳旋转，无法检测；也可能导致长时间检测后没有明显的信号，尤其是碳谱和硅谱的检测。

2.为什么谱图中出现了应该不存在的明显信号？

答:核磁检测是一种非常客观的检测。如果操作正确，基本上不会出现异常信号。如果位置对称于峰顶，可能是边缘带，可以通过改为测试速度来检查。如果转速改变后位置发生变化或消失，则为边缘带；如果位置不变，可能是样品、杂质或其他原因。如图，第一次测试结果在170ppm上下有峰值，第二次测试通过改变转速，约170ppm的峰值消失，证实实际上是边缘带。

3.为什么在测试过程中要表明具体样品信息要提供参考文献参数值？

答：由于不同的样品测试参数可能不同，特别是选择延迟时间和脉冲序列。

4.MAS和CP/MAS在固态核磁中的区别？

答：对于不同的物质，无机物通常是MAS，有机物需要使用CP/MAS；

5.固态核磁能否与液态核磁数据进行比较？

答：固体核磁体不能与液体核磁体相比。因为固体核磁体具有谱线加宽效应，所以可以溶解，所以优先测量液体核磁体。

6.液体核磁和固体核磁的标准物质？内标和外标的区别？

答：液体核磁标准一般为TMS(二甲基硅烷)，固体核磁标准为金刚烷；内部标准是直接添加样品水溶液，外部标准是不混入样品溶液。例如，在检查杂核时，外部放置在一个核磁管中，各自检查并校准化学位移。这种方法的前提是检查过程中磁场没有明显的漂移。

7.液体核磁装样量要求是什么？

至少是核磁管的1/3，约0.6ml。

8.液体核磁出峰不明显是什么原因？

可能是元素含量太低导致；特别是杂核元素，建议多准备一些样品，或者延长测试扫谱时间。

1.化学领域:

在化学领域，NMR技术被广泛用于结构解析和化学成分鉴定。它能够提供分子内部的详细信息，如化学环境、分子运动和分子间相互作用。这使NMR成为有机合成、反应机理研究和聚合物结构分析的重要工具。

2.生物科学:

NMR在生物科学中用于研究生物大分子的三维结构和动态。它能够解析蛋白质、核酸等生物分子的复杂结构，研究它们的功能和相互作用。此外，NMR也用于代谢组学研究，通过检测生物体内小分子的代谢物来分析代谢过程。

3.制药领域:

在制药行业，NMR技术用于药物筛选、药物设计和代谢研究。它可以识别活性分子、研究药物与靶标的相互作用，并追踪药物在体内的代谢途径，从而提高药物研发的效率和准确性。

4.环境科学领域:

NMR在环境科学中用于监测和分析环境污染物，研究土壤和水体中的有机物质。它能够提供污染物的化学信息，帮助理解其来源、分布和降解途径，从而制定有效的环境保护措施。

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