核磁共振技術應用于本科實驗教學的探究

鄧冬艷，李成輝

（四川大學a.化學學院；b.分析測試中心，成都 610064）

0 引言

大學化學是一門以實驗為基礎的學科，實驗教學是化學專業不可或缺的一個重要環節。實驗教學以理論教學為基礎，是學生將課堂所學理論知識進行運用與實踐的重要途徑。通過實驗教學，使學生更加深刻地理解并掌握化學實驗的基礎知識、原理及技能操作，從而培養具有良好的科學素養、創新思維和實踐能力，能夠從事化學及相關學科領域工作的人才［1-4］。儀器分析實驗課程是化學類專業學生的必修課程，而儀器設備是該實驗課程的重要組成部分，在教學工作中扮演著技術支撐的角色［5-8］。近年來，隨著國家和地方對高校教育的大力資助，高校大型儀器設備的數量和質量得到極大改善，為教學和科研工作提供強有力的技術保障。但是總體來講，利用這些儀器設備進行教學工作，尤其是本科實驗教學的時間遠低于科研工作［7-8］。因此，亟須探究如何發揮這些儀器設備在本科實驗教學中的作用。其中，核磁共振儀是有機結構分析必不可少的重要手段，該技術快速、簡便，適合在學生中開展基于核磁共振技術的相關實驗。并且，探索核磁共振技術在本科化學實驗教學中的應用對該專業實驗教學改革具有重要的作用［9-11］。

化學學科屬于我校“雙一流”建設學科，近年來發展較為迅速，而學校化學實驗中心專業實驗室綜合訓練教學平臺目前已配備有多臺核磁共振儀。在滿足日常科研工作測試需求的同時，可以充分利用該資源進行本科實驗教學。目前，綜合訓練教學平臺開設了多門本科生設計實驗教學課程。在實驗教學不斷探索與改革過程中［12-14］，為了讓學生更好地了解與掌握核磁共振的原理、儀器操作及其應用，探究了設計實驗“核磁共振氫譜法測定白酒中的乙醇含量”，并將其應用于本科四年級學生的實驗教學。設計實驗包括前期教師對核磁儀器的原理、構造、操作流程和制樣要求的講解，以及實驗教學過程中學生進行樣品的制備、實驗測試和譜圖數據分析。為了有效提高實驗教學質量，讓學生有更多自主學習核磁儀器的機會，采取小組化方式教學。由此避免以教師演示、學生觀察為主的實驗教學弊端。該實驗具有很強的能動性，著重培養學生自主學習能力、發現問題、分析問題以及解決問題的能力，強化學生對所學理論知識的理解，從而有效將所學理論知識運用到實踐中。

1 實驗設計

1.1 實驗目的

（1）學習核磁共振波譜的基本原理。

（2）學習核磁共振氫譜的制樣方法、實驗測試、解析方法和定量技術。

（3）了解核磁共振儀的工作原理和基本操作。

（4）培養學生自主學習能力和實踐能力，提高學生的學習興趣，并激發其對科學研究的興趣，為科研團隊注入新鮮血液。

1.2 實驗原理

核磁共振氫譜圖可以提供化合物的化學位移值、耦合常數、裂分峰形及各峰的積分面積，可用于化合物的結構分析。同時，在核磁共振氫譜中，只要氫核未被飽和激發，則信號的積分面積通常正比于該信號的相應基團中的質子數目。因此，可利用核磁共振氫譜的積分面積的測量和計算來進行定量分析。白酒的主要成分是乙醇和水，占總量的98%以上。其核磁共振氫譜譜圖反映的主要是乙醇和水之間質子的變化規律［15］。通過白酒樣品的核磁共振氫譜譜圖分析可知，乙醇的甲基和亞甲基分別在化學位移約1.05×10－6和3.50×10－6處有四重峰和三重峰，而水和乙醇中的羥基質子在4.60×10－6左右出峰。然后對信號進行積分，利用它們的峰面積可以計算出該體系中兩種組分（乙醇和水）的相對含量。注意：化學位移4.60×10－6左右的信號包括乙醇和水中的羥基質子信號，所以在計算乙醇和水的質量比時，需要從水的積分面積值中減去對應于乙醇分子中一個質子的強度。由該體系中兩種組分（乙醇和水）的相對含量進一步得出白酒中的乙醇含量（以體積分數計，ωa）。具體計算公式如下：

式中：Wa、Wb分別為組分乙醇和水的質量分數；Sa、Sb分別為乙醇亞甲基和水信號的積分面積；Na、Nb分別為產生該信號的氫核的數目，本實驗中都是2；Ma、Mb分別為乙醇和水的相對分子質量，本實驗中分別為46和18；ρa、ρb分別為乙醇和水的相對密度值，本實驗中室溫條件下分別為0.79和1.0。

將式（1）結果代入式（2）則可得白酒中的乙醇含量值。同時，根據標準曲線法，由乙醇／水標準系列溶液的乙醇體積分數（Wa）與乙醇亞甲基和水信號的積分面積相對值（Sa／Sb）建立線性回歸方程式，通過白酒試樣溶液的Sa／Sb值可計算得出其乙醇含量。通過與標準曲線法所得乙醇含量值進行比較來驗證該方法的準確性。

1.3 實驗試劑與儀器

主要試劑：氘代丙酮、無水乙醇、超純水（18.24 MΩ·cm－1）、白酒（市售）；

主要儀器：傅里葉變換核磁共振譜儀（AVANCE III HD 400 MHz，Bruker，Germany），Φ5 mm 核磁共振樣品管。

1.4 實驗內容與步驟

1.4.1 乙醇／水標準系列溶液及白酒樣品溶液配制

考慮到利用核磁共振氫譜定量時，組分比例差距較大會產生較大誤差，擬配制的乙醇／水標準系列溶液的乙醇體積分數分別為40%、45%、50%、55%、60%和65%，乙醇和水總體積為600 μL。則具體配制方法為，分別取360、330、300、270、240 和210 μL 超純水于核磁共振樣品管中（做好標記），然后分別加入240、270、300、330、360 和390 μL 無水乙醇，再依次滴加50 μL氘代丙酮，封口后振蕩使樣品溶液混合均勻。

取600 μL白酒（52°）于核磁共振樣品管中，滴加50 μL氘代丙酮，封口后振蕩使樣品溶液混合均勻，即為白酒原液樣品溶液。取500 μL白酒（52°）于核磁共振樣品管中，分別加入100 μL無水乙醇或100 μL超純水，然后滴加50 μL氘代丙酮，封口后振蕩使樣品溶液混合均勻，即為白酒樣品1溶液和白酒樣品2溶液。

1.4.2 1H NMR測定

氫譜分析條件：測定溫度為25℃，檢測頻率為400.13 MHz，譜寬為4 001.3 Hz，脈沖寬度為11.9 μs，采集時間6.82 s，延遲時間為1 s，采集次數為16；采樣點數為32 000。

將待測樣品送入磁體，然后依次執行鎖場、調諧、勻場、自動增益步驟，接著采集乙醇／水標準系列溶液以及白酒樣品的自由衰減信號（FID，free induced decay），并進行數據處理，包括：數據的窗函數處理、傅里葉變換、相位調節、基線校正、標準參考峰位標定、譜峰標注、譜峰積分處理并記錄積分面積值，繪出譜圖。注意，需確保積分區間間隔足夠遠，以保證給出完整的積分。

1.5 實驗數據分析

1.5.1 直接法測定白酒中乙醇含量值

圖1所示為白酒樣品的核磁共振氫譜譜圖。首先利用氘代丙酮的溶劑峰（δ＝2.05×10－6）進行譜峰標定。由圖可知，δ＝1.02 ×10－6和δ＝3.46 ×10－6處的四重峰和三重峰分別為乙醇甲基和亞甲基質子信號，δ＝4.66×10－6處的單峰及附近的鼓包為水和乙醇羥基質子信號。實驗中選擇乙醇亞甲基質子信號與水的質子信號作為分析對象，此時產生核磁信號的氫核數目均為2。將乙醇甲基質子信號積分面積作為基準，獲得乙醇亞甲基質子信號與水的質子信號的積分面積，再由兩者的積分面積比值計算得出白酒中乙醇含量值。由于δ＝4.66×10－6處的單峰及附近的鼓包包含水和乙醇羥基質子信號，所以水的實際積分面積值需要從總的積分值（7.57）中減去對應于乙醇分子中一個質子的強度（1.005）。由圖1所示白酒樣品氫譜譜圖數據處理結果，可計算得到該酒樣中乙醇含量ωa為49.76%。由于核磁測試實驗過程中白酒原液與樣品總體積比為60∶65，所以最終得到白酒原液樣品中的乙醇含量ω′a為53.91%。而白酒原液樣品中乙醇的實際含量（體積分數）為52%，可知由該核磁共振氫譜法直接測得的結果與實際值的相對標準偏差為3.67%，表明該方法具有很好的可靠性，且白酒樣品1和2的測試結果也與實際值具有很好的一致性。具體數據分析如表1所示。

圖1 白酒原液樣品的核磁共振氫譜譜圖及其數據處理

表1 直接法測定白酒樣品中乙醇含量數據分析

1.5.2 標準曲線法測定白酒中乙醇含量值

配制一系列不同體積分數的乙醇／水標準溶液（此時應考慮到利用核磁共振氫譜定量時，組分比例差距較大會產生較大誤差，因此配制的乙醇／水標準溶液濃度需控制好），對測得的核磁共振氫譜譜圖（見圖2）進行相應的數據處理。然后建立乙醇亞甲基質子信號和水的質子信號的積分面積比（Sa／Sb）與乙醇體積分數（ωa）的標準曲線（見圖3）。結果表明，在乙醇體積分數為40%～65%的范圍內，Sa／Sb與ωa具有良好的線性關系。擬合線性回歸方程為y＝1.544x－0.451，相關系數R＝0.994。表明采用核磁共振氫譜法測定乙醇／水溶液中的乙醇含量是可行的。

圖2 不同體積分數的乙醇／水標準系列溶液的核磁共振氫譜譜圖

圖3 乙醇／水標準系列溶液所得核磁共振氫譜譜圖中乙醇亞甲基質子信號和水的質子信號的積分面積比（Sa／Sb）與乙醇體積分數（ωa）的線性關系曲線

同時利用標準曲線法測定白酒原液樣品、樣品1及樣品2中的乙醇含量。白酒中約98%以上的成分是乙醇和水［12］，相當于乙醇／水溶液。則分別測定白酒原液樣品、樣品1及樣品2的核磁共振氫譜。對白酒樣品的亞甲基信號和水信號進行峰面積積分，分別將所得Sa／Sb值代入線性回歸方程得到樣品中的乙醇含量值。由表2結果可知，采用標準曲線法測得的白酒樣品的乙醇含量值與實際含量值的相對標準偏差在0.48%～6.35%之間，且與直接法得到的含量值相當。表明使用核磁共振氫譜建立的標準曲線法用于白酒樣品中的乙醇含量測定準確度較好。

表2 標準曲線法測定白酒樣品中乙醇含量值及其與直接法所得值的比較分析

2 實驗教學效果討論

目前，該實驗已在本科化學設計實驗教學中順利實施，并取得了較好的教學效果。一方面，從理論講解到實際操作，并采取小組化方式教學，使學生熟練掌握核磁儀器的工作原理和操作技能，加深對大型儀器設備的了解認識，彌補本科生在大型儀器教學中上機訓練機會少的不足。另一方面，在教學實踐中，學生從樣品制備、實驗測試到核磁數據分析，全程自主設計并操作，使學生掌握核磁共振氫譜直接法和標準曲線法測定白酒中乙醇含量的實驗技術，了解核磁相關技術的前沿知識，激發學生的科研興趣，并充分訓練學生的綜合能力。

3 結語

將核磁共振波譜技術引入本科化學實驗教學中，建立“核磁共振氫譜法測定白酒中的乙醇含量”的設計實驗，使前沿技術與實驗課程相結合，豐富了實驗內容，充分發揮大型儀器在實驗教學中的技術支持作用。通過實踐教學，使學生充分掌握核磁儀器的工作原理和操作技能；同時，使學生掌握基于核磁共振氫譜法的定量技術，了解核磁相關技術的前沿知識，培養學生的創新能力和實踐能力，從而有效地提高實驗教學質量。