背景介绍
硅作为非常重要的元素,广泛应用于玻璃,硅胶,水泥和硅酮等工业材料中。而29Si 核磁谱图可以用来获取这些材料的结构信息的手段之一。29Si的自旋为1/2,所以谱峰相对比较锐利而且弛豫时间长,一般在5s左右。天然丰度只有4.68%,相对于天然丰度的13C的灵敏度的2.16倍,谱峰范围分布从-346到173都有。而且和H的一键耦合在420-75Hz,两键耦合常数也在10-3Hz左右,三键耦合常数在8-1Hz,所以采集多用去氢耦合采集,比如用zgig。一般使用溶解在氯仿的TMS作为标准样品进行化学位移定标和脉冲功率调整。(参考:29Si NMR Some Practical Aspects, Frank Uhlig, Heinrich Chr. Marsmann)
硅树脂是以硅-氧-硅为主链,硅原子上联接有机基团的交联型的半无机高聚物。通过1H NMR、13C NMR等,可以得到这些材料的有机基团的信息,用29Si NMR法可以得到基本结构单元、缩合度的信息。根据官能基数大致可分为M单元(一官能性)、D单元(二官能性)、T单元(三官能性)、Q单元(四官能性),化学位移根据这些MDTQ的不同以及取代基的不同(R=H,CH3,CH=CH2,Phenyl等)而不同,如下图。(参考:Res. Reports Asahi Glass Co., Ltd., 66 (2016))


(参考:29Si NMR Some Practical Aspects, Frank Uhlig, Heinrich Chr. Marsmann)
然而29Si的天然丰度比较低,而且弛豫时间长,并且与氢原子核具有负NOE效应,所以如果不设置合适的脉冲等待时间,不仅定量不准确,甚至会导致无法检测出信号峰。因此为了定量要求,有可能会设置10~数百秒的等待时间,导致实验测试时间会很长。为了提高累加效率,经常考虑加入弛豫试剂,一般为具有顺磁性的物质,缩短弛豫时间,较少等待时间,从而减少采样时间。
由于Si29也存在玻璃里面,所以普通的硅酸盐核磁管或者石英核磁管都会有背景信号,并且常规核磁探头内部也会有玻璃中心管。如果要避免背景Si29信号,需要换成三氧化二铝核磁管,并且探头中心管也需要用三氧化二铝。但是使用蓝宝石的成本太贵了,蓝宝石核磁管一根就需要1万元以上。另外一种方法就是使用偏移的特氟龙核磁管,并且取消探头内部的玻璃管,但是有风险会损坏探头。当然也可以通过采集一张空白谱图,然后减掉这个背景,但是对于出锋在-110ppm左右的信号来说,这样子做会有一些问题。

探头内部的玻璃管

来自硅酸盐玻璃或者石英的Si29核磁谱(http://chem.ch.huji.ac.il/nmr/techniques/1d/row3/si.html)
实验测试
样品:有机硅树脂,加入20mM的乙酰丙酮铬,配置350ul,转移到特氟龙核磁管。
仪器:600MHz,配备超低温探头CPBBO,298K
实验参数:sw=200ppm, o1p=-100ppm, d1=1s, du=24us, NS=380, 总实验时间6分钟半
实验数据:
