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核磁共振碳谱的异核双共振技术

发布时间:2014-07-17 00:00 作者:中国标准物质网 阅读量:1550

13C核的天然丰度低(1.1%),分子中相邻碳同时为13C核的几率极小,这避免了在13C—NMR谱中13C-13C的偶合裂分。但由于大量的13C一1H偶合的存在,所得的13C—NMR谱因裂分峰的交叉重叠变得十分复杂。所以,在13C—NMR谱测定中,常使用异核双共振(也称异核双照射)的质子去偶技术。这些质子去偶技术有:质子宽带去偶、偏共振去偶、选择性去偶和门控去偶等。

(1)宽带去偶(broad band proton decoupling)

在观测13C—NMR谱时,使用一高频率的能够覆盖全部质子共振频率的去偶射频磁场(H2)(2~20×10-5,1~10W),使样品中全部1H同时发生共振饱和,从而消除了全部的13C一1H偶合分裂。这种质子去偶的13C—NMR谱由一个个分辨很好的单峰组成,每个不等价的碳都只出现一个共振峰,称为质子宽带去偶碳谱。
宽带去偶又称为噪声去偶。在宽带去偶碳谱中,可以直接测得各碳核的化学位移值。又由于NOE增益,除季碳以外的信号都得到加强,所以,宽带去偶碳谱具有信号分离度好,强度高的优点,常用于确定分子中不等价碳的数目,以及测定各碳的化学位移值。但是,宽带去偶消除了全部的13C一1H偶合,同时也失去了13C一1H关联的结构信息,因而不能区别伯、仲、叔碳。
若用一较低功率的质子宽带去偶射频磁场(H2)(约为高功率场的1/10)干扰全部质子的共振,则由于质子高低自旋能态的交换具有中介的速度,从而使所有与质子直接相连碳核的裂分信号被加宽而淹没于基线噪声中,而不受质子偶合的季碳仍表现为尖的单峰。因此,利用低功率质子宽带去偶,可以识别各种季碳信号。

(2)偏共振去偶(proton off—resonance decoupling)
若使去偶射频磁场H2稍偏离质子的共振频率,就可得到13C一1H不完全去偶。这时,13C一1H远程偶合完全消失,直偶多重峰裂距将大大缩小,这就是偏共振去偶。
去偶射频频率与质子共振频率之差称为去偶偏置,偏共振去偶后的偶合常数为JR (残留偶合常数)。在去偶射频场强度H2不变的条件下,去偶偏置越小,JR越小。若选择合适的去偶偏置(通常为0.5一lkHz),可以做到既保留偶合裂分信息,又不致使多重峰重叠。
质子偏共振去偶碳谱可得到13C一1H关联的结构信息。13C残留多重峰与直接相连的质子数有关,符合(n+1)规则,可用来鉴别CH3,(q)、CH2(t)、CH(d)和C(s),还可以求得分子结构中与碳直接相连的质子数,不与C直接相连的质子(如OH,NH及SH等基团上的质子)不能确定。偏共振去偶亦有NOE增益。但需注意,当与碳相连的质子在1H一NMR谱中为一级偶合时,质子偏共振去偶碳谱峰均为清晰的残留多重峰。若碳上的质子为高级偶合,则偏共振去偶碳谱峰常出现加宽、增多或虚假偶合等复杂的情形。如CHAHB的偏共振去偶13C信号有时为不清晰的三重峰。

(3)选择性去偶(selectivc proton decoupling)
化合物1H谱为一级偶合时,若用单一频率准确地照射所选定的某质子的共振频率,则在13C谱中可观察到与它偶合的碳信号的变化,这就是选择性去偶。在质子归属已确定的情况下,由此可得到碳信号的归属。
在选择性去偶实验中,质子去偶射频磁场的功率既比宽带去偶的要小,又比质子同核去偶的要大。典型值为RHH2/2π=400±100Hz,以确保1H谱中的13C卫星峰(1H一13C偶合裂分峰)被完全去偶。去偶功率过大,会使多个质子共振受到干扰,相应地在13C谱中可能有多个碳信号发生改变。

(4)门控去偶(gated decoupling)和反门控去偶(inverse gated decoupling)
质子去偶随着去偶射频场的打开而开始、关闭而即刻停止,而由去偶所引起的13C共振信号的NOE增益,却是与偶极一偶极弛豫相关的过程,在去偶照射开始或关闭后,随时间的增加分别呈指数增长或衰减。因此,利用脉冲去偶技术,既可测得具有NOE增益的质子偶合13C—NMR谱(gated decoupling—NOE enhanced coupled13C—NMR-spectm),亦称门控去偶谱;又可测得没有NOE增益的质子去偶13C一NMR谱(inverse gated decloupling—NOE suppressed proton—decoupled13C—NMR spectra),亦称反门控去偶谱。
①门控去偶 不去偶13C—NMR谱,由于偶合裂分以及缺乏NOE增益,信号强度很弱。应用门控去偶技术,即在13C激发射频脉冲作用间隔期问,开启质子去偶器(H2),而在13C激发射频脉冲作用及13C的FID信号采集期问,关闭质子去偶器,可测得具有NOE增益的偶合13C—NMR谱。与不去偶13C谱相比,信噪比最大可提高2倍。
②反门控去偶 分子中各碳的NOE增益及弛豫时问各不相同。因而质子宽带去偶13C—NMR谱中各碳的谱峰强度与碳核数目不成比例。应用反门控去偶技术,即只在FID信号采集期问开启质子去偶器(H2),则可获得没有NOE增益的质子去偶13C—NMR谱。并且通过13C激发脉冲问的长时间间隔(3TImax),碳核的弛豫速率对信号强度的影响也得到了抑制。因而这种质子去偶的13C—NMR谱中的谱峰强度基本上与对应碳核的数目成正比,可用于定量分析。但必须注意,这个方法是以牺牲灵敏度为代价的。

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