核磁共振技术应用于本科实验教学的探究

邓冬艳，李成辉

（四川大学a.化学学院；b.分析测试中心，成都 610064）

0 引言

大学化学是一门以实验为基础的学科，实验教学是化学专业不可或缺的一个重要环节。实验教学以理论教学为基础，是学生将课堂所学理论知识进行运用与实践的重要途径。通过实验教学，使学生更加深刻地理解并掌握化学实验的基础知识、原理及技能操作，从而培养具有良好的科学素养、创新思维和实践能力，能够从事化学及相关学科领域工作的人才［1-4］。仪器分析实验课程是化学类专业学生的必修课程，而仪器设备是该实验课程的重要组成部分，在教学工作中扮演着技术支撑的角色［5-8］。近年来，随着国家和地方对高校教育的大力资助，高校大型仪器设备的数量和质量得到极大改善，为教学和科研工作提供强有力的技术保障。但是总体来讲，利用这些仪器设备进行教学工作，尤其是本科实验教学的时间远低于科研工作［7-8］。因此，亟须探究如何发挥这些仪器设备在本科实验教学中的作用。其中，核磁共振仪是有机结构分析必不可少的重要手段，该技术快速、简便，适合在学生中开展基于核磁共振技术的相关实验。并且，探索核磁共振技术在本科化学实验教学中的应用对该专业实验教学改革具有重要的作用［9-11］。

化学学科属于我校“双一流”建设学科，近年来发展较为迅速，而学校化学实验中心专业实验室综合训练教学平台目前已配备有多台核磁共振仪。在满足日常科研工作测试需求的同时，可以充分利用该资源进行本科实验教学。目前，综合训练教学平台开设了多门本科生设计实验教学课程。在实验教学不断探索与改革过程中［12-14］，为了让学生更好地了解与掌握核磁共振的原理、仪器操作及其应用，探究了设计实验“核磁共振氢谱法测定白酒中的乙醇含量”，并将其应用于本科四年级学生的实验教学。设计实验包括前期教师对核磁仪器的原理、构造、操作流程和制样要求的讲解，以及实验教学过程中学生进行样品的制备、实验测试和谱图数据分析。为了有效提高实验教学质量，让学生有更多自主学习核磁仪器的机会，采取小组化方式教学。由此避免以教师演示、学生观察为主的实验教学弊端。该实验具有很强的能动性，着重培养学生自主学习能力、发现问题、分析问题以及解决问题的能力，强化学生对所学理论知识的理解，从而有效将所学理论知识运用到实践中。

1 实验设计

1.1 实验目的

（1）学习核磁共振波谱的基本原理。

（2）学习核磁共振氢谱的制样方法、实验测试、解析方法和定量技术。

（3）了解核磁共振仪的工作原理和基本操作。

（4）培养学生自主学习能力和实践能力，提高学生的学习兴趣，并激发其对科学研究的兴趣，为科研团队注入新鲜血液。

1.2 实验原理

核磁共振氢谱图可以提供化合物的化学位移值、耦合常数、裂分峰形及各峰的积分面积，可用于化合物的结构分析。同时，在核磁共振氢谱中，只要氢核未被饱和激发，则信号的积分面积通常正比于该信号的相应基团中的质子数目。因此，可利用核磁共振氢谱的积分面积的测量和计算来进行定量分析。白酒的主要成分是乙醇和水，占总量的98%以上。其核磁共振氢谱谱图反映的主要是乙醇和水之间质子的变化规律［15］。通过白酒样品的核磁共振氢谱谱图分析可知，乙醇的甲基和亚甲基分别在化学位移约1.05×10－6和3.50×10－6处有四重峰和三重峰，而水和乙醇中的羟基质子在4.60×10－6左右出峰。然后对信号进行积分，利用它们的峰面积可以计算出该体系中两种组分（乙醇和水）的相对含量。注意：化学位移4.60×10－6左右的信号包括乙醇和水中的羟基质子信号，所以在计算乙醇和水的质量比时，需要从水的积分面积值中减去对应于乙醇分子中一个质子的强度。由该体系中两种组分（乙醇和水）的相对含量进一步得出白酒中的乙醇含量（以体积分数计，ωa）。具体计算公式如下：

式中：Wa、Wb分别为组分乙醇和水的质量分数；Sa、Sb分别为乙醇亚甲基和水信号的积分面积；Na、Nb分别为产生该信号的氢核的数目，本实验中都是2；Ma、Mb分别为乙醇和水的相对分子质量，本实验中分别为46和18；ρa、ρb分别为乙醇和水的相对密度值，本实验中室温条件下分别为0.79和1.0。

将式（1）结果代入式（2）则可得白酒中的乙醇含量值。同时，根据标准曲线法，由乙醇／水标准系列溶液的乙醇体积分数（Wa）与乙醇亚甲基和水信号的积分面积相对值（Sa／Sb）建立线性回归方程式，通过白酒试样溶液的Sa／Sb值可计算得出其乙醇含量。通过与标准曲线法所得乙醇含量值进行比较来验证该方法的准确性。

1.3 实验试剂与仪器

主要试剂：氘代丙酮、无水乙醇、超纯水（18.24 MΩ·cm－1）、白酒（市售）；

主要仪器：傅里叶变换核磁共振谱仪（AVANCE III HD 400 MHz，Bruker，Germany），Φ5 mm 核磁共振样品管。

1.4 实验内容与步骤

1.4.1 乙醇／水标准系列溶液及白酒样品溶液配制

考虑到利用核磁共振氢谱定量时，组分比例差距较大会产生较大误差，拟配制的乙醇／水标准系列溶液的乙醇体积分数分别为40%、45%、50%、55%、60%和65%，乙醇和水总体积为600 μL。则具体配制方法为，分别取360、330、300、270、240 和210 μL 超纯水于核磁共振样品管中（做好标记），然后分别加入240、270、300、330、360 和390 μL 无水乙醇，再依次滴加50 μL氘代丙酮，封口后振荡使样品溶液混合均匀。

取600 μL白酒（52°）于核磁共振样品管中，滴加50 μL氘代丙酮，封口后振荡使样品溶液混合均匀，即为白酒原液样品溶液。取500 μL白酒（52°）于核磁共振样品管中，分别加入100 μL无水乙醇或100 μL超纯水，然后滴加50 μL氘代丙酮，封口后振荡使样品溶液混合均匀，即为白酒样品1溶液和白酒样品2溶液。

1.4.2 1H NMR测定

氢谱分析条件：测定温度为25℃，检测频率为400.13 MHz，谱宽为4 001.3 Hz，脉冲宽度为11.9 μs，采集时间6.82 s，延迟时间为1 s，采集次数为16；采样点数为32 000。

将待测样品送入磁体，然后依次执行锁场、调谐、匀场、自动增益步骤，接着采集乙醇／水标准系列溶液以及白酒样品的自由衰减信号（FID，free induced decay），并进行数据处理，包括：数据的窗函数处理、傅里叶变换、相位调节、基线校正、标准参考峰位标定、谱峰标注、谱峰积分处理并记录积分面积值，绘出谱图。注意，需确保积分区间间隔足够远，以保证给出完整的积分。

1.5 实验数据分析

1.5.1 直接法测定白酒中乙醇含量值

图1所示为白酒样品的核磁共振氢谱谱图。首先利用氘代丙酮的溶剂峰（δ＝2.05×10－6）进行谱峰标定。由图可知，δ＝1.02 ×10－6和δ＝3.46 ×10－6处的四重峰和三重峰分别为乙醇甲基和亚甲基质子信号，δ＝4.66×10－6处的单峰及附近的鼓包为水和乙醇羟基质子信号。实验中选择乙醇亚甲基质子信号与水的质子信号作为分析对象，此时产生核磁信号的氢核数目均为2。将乙醇甲基质子信号积分面积作为基准，获得乙醇亚甲基质子信号与水的质子信号的积分面积，再由两者的积分面积比值计算得出白酒中乙醇含量值。由于δ＝4.66×10－6处的单峰及附近的鼓包包含水和乙醇羟基质子信号，所以水的实际积分面积值需要从总的积分值（7.57）中减去对应于乙醇分子中一个质子的强度（1.005）。由图1所示白酒样品氢谱谱图数据处理结果，可计算得到该酒样中乙醇含量ωa为49.76%。由于核磁测试实验过程中白酒原液与样品总体积比为60∶65，所以最终得到白酒原液样品中的乙醇含量ω′a为53.91%。而白酒原液样品中乙醇的实际含量（体积分数）为52%，可知由该核磁共振氢谱法直接测得的结果与实际值的相对标准偏差为3.67%，表明该方法具有很好的可靠性，且白酒样品1和2的测试结果也与实际值具有很好的一致性。具体数据分析如表1所示。

图1 白酒原液样品的核磁共振氢谱谱图及其数据处理

表1 直接法测定白酒样品中乙醇含量数据分析

1.5.2 标准曲线法测定白酒中乙醇含量值

配制一系列不同体积分数的乙醇／水标准溶液（此时应考虑到利用核磁共振氢谱定量时，组分比例差距较大会产生较大误差，因此配制的乙醇／水标准溶液浓度需控制好），对测得的核磁共振氢谱谱图（见图2）进行相应的数据处理。然后建立乙醇亚甲基质子信号和水的质子信号的积分面积比（Sa／Sb）与乙醇体积分数（ωa）的标准曲线（见图3）。结果表明，在乙醇体积分数为40%～65%的范围内，Sa／Sb与ωa具有良好的线性关系。拟合线性回归方程为y＝1.544x－0.451，相关系数R＝0.994。表明采用核磁共振氢谱法测定乙醇／水溶液中的乙醇含量是可行的。

图2 不同体积分数的乙醇／水标准系列溶液的核磁共振氢谱谱图

图3 乙醇／水标准系列溶液所得核磁共振氢谱谱图中乙醇亚甲基质子信号和水的质子信号的积分面积比（Sa／Sb）与乙醇体积分数（ωa）的线性关系曲线

同时利用标准曲线法测定白酒原液样品、样品1及样品2中的乙醇含量。白酒中约98%以上的成分是乙醇和水［12］，相当于乙醇／水溶液。则分别测定白酒原液样品、样品1及样品2的核磁共振氢谱。对白酒样品的亚甲基信号和水信号进行峰面积积分，分别将所得Sa／Sb值代入线性回归方程得到样品中的乙醇含量值。由表2结果可知，采用标准曲线法测得的白酒样品的乙醇含量值与实际含量值的相对标准偏差在0.48%～6.35%之间，且与直接法得到的含量值相当。表明使用核磁共振氢谱建立的标准曲线法用于白酒样品中的乙醇含量测定准确度较好。

表2 标准曲线法测定白酒样品中乙醇含量值及其与直接法所得值的比较分析

2 实验教学效果讨论

目前，该实验已在本科化学设计实验教学中顺利实施，并取得了较好的教学效果。一方面，从理论讲解到实际操作，并采取小组化方式教学，使学生熟练掌握核磁仪器的工作原理和操作技能，加深对大型仪器设备的了解认识，弥补本科生在大型仪器教学中上机训练机会少的不足。另一方面，在教学实践中，学生从样品制备、实验测试到核磁数据分析，全程自主设计并操作，使学生掌握核磁共振氢谱直接法和标准曲线法测定白酒中乙醇含量的实验技术，了解核磁相关技术的前沿知识，激发学生的科研兴趣，并充分训练学生的综合能力。

3 结语

将核磁共振波谱技术引入本科化学实验教学中，建立“核磁共振氢谱法测定白酒中的乙醇含量”的设计实验，使前沿技术与实验课程相结合，丰富了实验内容，充分发挥大型仪器在实验教学中的技术支持作用。通过实践教学，使学生充分掌握核磁仪器的工作原理和操作技能；同时，使学生掌握基于核磁共振氢谱法的定量技术，了解核磁相关技术的前沿知识，培养学生的创新能力和实践能力，从而有效地提高实验教学质量。