核磁共振概论精品课件

1、核磁共振概论第1页，共50页，2022年，5月20日，5点22分，星期四E = E2 E1核磁共振谱(NMR)1952年, Nobel 物理奖 1991年, Nobel 化学奖 R. R. Ernst磁诱导核自旋能级裂分第2页，共50页，2022年，5月20日，5点22分，星期四 核磁共振基本原理核磁共振仪核磁共振近期进展第3页，共50页，2022年，5月20日，5点22分，星期四 核磁共振基本原理 核自旋, 核磁矩 核磁共振 核弛豫第4页，共50页，2022年，5月20日，5点22分，星期四核自旋 用自旋量子数I表示，I值与原子核的质量A和核电荷数（质子数或原子序数）Z有关。 第5页，共50

2、页，2022年，5月20日，5点22分，星期四 I=1/2: 1H1 13C6 15N7 19F9 31P15 57Fe26 77Se34 195Pt78 199Hg80 I=3/2: 7Li3 9Be4 11B5 23Na11 33S16 39K19 63Cu29 65Cu29 35Cl17 37Cl17 79Br35 81Br35 .第6页，共50页，2022年，5月20日，5点22分，星期四I=5/2: 17O8 25Mg12 27Al13 55Mn25 67Zn30 I=1: 2H1 6Li3 14N7 I=2: 58Co27 I=3: 10B5 I=0: 12C6 16O8 32S1

3、6第7页，共50页，2022年，5月20日，5点22分，星期四核磁矩 I0的原子核具有自旋产生磁矩（），与自旋角动量P 有关。 I值不同，原子核表面电荷分布情况不同，可用电四极矩eQ来衡量, eQ是核表面电荷偏离球体的物理量度.P = = P第8页，共50页，2022年，5月20日，5点22分，星期四 磁旋比（magnetogyric ratio） 旋磁比（gyromagnetic ratio）第9页，共50页，2022年，5月20日，5点22分，星期四电偶极矩：电量相等而符号相反的两个点电荷相距很小距离时, 就构成电偶极矩。第10页，共50页，2022年，5月20日，5点22分，星期四电四极

4、矩： 两个大小相等、方向相反的电偶极矩相距很近时,构成电四极矩。电四极矩公式： Q = 2/5 z (b2-a2)第11页，共50页，2022年，5月20日，5点22分，星期四 原子核的电四极矩 第12页，共50页，2022年，5月20日，5点22分，星期四 I = 0, eQ = 0: 核电荷均匀分布于球体表面，球形非自转体, = 0。 I = , eQ = 0: 核电荷均匀分布于球体表面，球形自转体, 0第13页，共50页，2022年，5月20日，5点22分，星期四I = 1/2 eQ =0I 1/2 eQ 0I 1/2 eQ 0 核电荷非均匀分布，长椭球自转体， 0。 如2H1, 14N

5、7 eQ 核电荷在原子核表面呈非均匀分布第15页，共50页，2022年，5月20日，5点22分，星期四 电荷均匀分布于原子核表面（I = , eQ = 0）的核，核磁共振的谱线窄，有利于核磁共振检测。 电荷非均匀分布于原子核表面（I ,eQ 0）的核，都具有特有的弛豫机制（Relaxation）, 导致核磁共振的谱线加宽，不利于核磁共振检测。第16页，共50页，2022年，5月20日，5点22分，星期四 核磁共振 磁矩的取向 自旋核在B0场中的进动 核磁共振第17页，共50页，2022年，5月20日，5点22分，星期四 核磁共振 磁矩 的取向 I 0的自旋核，具有一定的角动量P, ( P =

6、), 核自旋产生磁矩 ( = P )。自旋核的取向，即磁矩 的取向。无外磁场（B0）时，磁矩 的取向是任意的。 第18页，共50页，2022年，5月20日，5点22分，星期四在B0中 I 0的自旋核，磁矩的取向不是任意的，而是量子化的，共有（2I + 1）种取向。可用磁量子数m表示：m：I，I, -1，-I, +1，-I I = 1/2的自旋核，共有2种取向 （+1/2，-1/2） I = 1的自旋核，共有3种取向 （+1，0， -1） 第19页，共50页，2022年，5月20日，5点22分，星期四在B0中原子核自旋角动量的空间量子化第20页，共50页，2022年，5月20日，5点22分，星期

7、四在B0中： 自旋角动量在Z轴（B0轴）上的投影： PZ = m 磁矩在Z轴（B0轴）上的投影： Z = PZ = m 磁矩与磁场相互作用能E = -ZB0=- m B0第21页，共50页，2022年，5月20日，5点22分，星期四 量子力学选律可知，只有m = 1的跃迁，才是允许跃迁，所以相邻两能级之间的能量差： E = E2 E1E = - m B0= B0 E B0 第22页，共50页，2022年，5月20日，5点22分，星期四核能级被外磁场分裂第23页，共50页，2022年，5月20日，5点22分，星期四 磁诱导产生自旋核的能级裂分 E = hh = B0 = B0第24页，共50页，

8、2022年，5月20日，5点22分，星期四 自旋核在B0场中的进动 I 0的自旋核, 绕自旋轴旋转(自旋轴的方向与 一致)，自旋轴又与B0场保持一角，绕B0场进动（Precess）,或称Larmor进动。这是由于B0对 有一个扭力， 与B0平行，旋转又产生离心力，平衡时保持角不变。第25页，共50页，2022年，5月20日，5点22分，星期四第26页，共50页，2022年，5月20日，5点22分，星期四 （经典力学分析，自旋核在B0中就象一个旋转的陀螺在地心场中。）第27页，共50页，2022年，5月20日，5点22分，星期四进动的频率 = 20 = B00 = B00 B0第28页，共50页

9、，2022年，5月20日，5点22分，星期四 核磁共振 若在垂直于B0的方向加射频场B1，其频率为1，在B1的作用下，会产生一个与自旋核旋进方向相同的回旋频率1 第29页，共50页，2022年，5月20日，5点22分，星期四第30页，共50页，2022年，5月20日，5点22分，星期四第31页，共50页，2022年，5月20日，5点22分，星期四 当1 = 0时，核就会吸收能量，由低能态（ + 1/2）跃迁至高能态（ - 1/2），这种现象称核磁共振。 第32页，共50页，2022年，5月20日，5点22分，星期四共振吸收频率 例如 对于1H B0=1.41 TG =60 MHz, B0=2.

10、35 TG =100 MHz = B0同一种核， =常数， B0 第33页，共50页，2022年，5月20日，5点22分，星期四B0一定时，不同的核，g 不同，不同。 例如：B0 =4.7 TG时，下列核的共振频率为： 1H = 26.752(107 rad./s.T), 200 MHz 13C = 6.728 (107 rad./s.T) 50.3 MHz19F = 25.181(107 rad./s.T) 188.2 MHz31P = 10.841(107 rad./s.T) 81 MHz(T=104高斯)第34页，共50页，2022年，5月20日，5点22分，星期四第35页，共50页，2

11、022年，5月20日，5点22分，星期四产生NMR条件 （1） I 0的自旋核（2） 外磁场B0（3） 与B0相互垂直的射频场B1， 且 1 = 0第36页，共50页，2022年，5月20日，5点22分，星期四弛豫(Relaxation) 高能态的核以非辐射的形式放出能量回到低能态,重建Boltzmann分布。 饱和（saturation）两种自旋状态的核数目完全相同，出现饱和。测定光谱时，如果照射电磁波的能量过大或扫描时间过长，就会出现饱和现象。第37页，共50页，2022年，5月20日，5点22分，星期四弛豫过程： 第38页，共50页，2022年，5月20日，5点22分，星期四自旋-格子弛

12、豫（spin-lattice relaxation）（纵向弛豫 longitudinal relaxation） 格子：含有旋进核的整个分子体系。也称为“晶格”，意即“环境”并非指晶格点阵（因为样品呈液态）。 在液体中，组成晶格的原子和分子都在进行平移、转动和振动。在这样的原子和分子中存在磁性核，因此会产生脉动磁场。在这些脉动磁场中，可能有一些磁场，它的频率与有些旋进核的频率相同。换句话说，在高能态的核附近，有可能产生能使它迁移到低能态的磁场。这样，高能态的核就被弛豫到低能态。这个时候放出的能量，作为平移、转动和振动的热能，传递到格子去。这种弛豫机制能保持过剩的低能态的核。 第39页，共50页

13、，2022年，5月20日，5点22分，星期四 自旋-格子弛豫过程的半衰期用T1表示 （T1与样品状态及核的种类、温度有关） 液体 T11s 固体或粘度大的液体， T1 很大。 第40页，共50页，2022年，5月20日，5点22分，星期四自旋-自旋弛豫（spin-spin relaxation）（横向弛豫： transverse relaxation）在进行旋进运动而互相接近的两个核之间，互相交换自旋而产生的。进行旋进的核，在与外部磁场垂直的平面上有旋转的磁性矢量成分。高能态的核与低能态的核非常接近时，这个旋转小磁场会使对方核的自旋迁移。这种自旋的交换，叫做自旋-自旋弛豫或横向弛豫。这种弛豫不

14、能保持过剩的低能态的核。第41页，共50页，2022年，5月20日，5点22分，星期四 自旋-自旋弛豫过程的半衰期用T2表示。 液体 T21s 固体或粘度大的液体，T2很小， 为 10-410-5s第42页，共50页，2022年，5月20日，5点22分，星期四宏观磁化矢量M被射频脉冲倾倒后的弛豫过程第43页，共50页，2022年，5月20日，5点22分，星期四 谱线宽度（1/2） T值越小，弛豫越有效。 T 值对半峰高宽度的影响，取决于 二者中的较小者。 Et h 1/2 1/T第44页，共50页，2022年，5月20日，5点22分，星期四核磁共振仪 磁体：永久磁体、电磁体、超导磁体 射频场(Radio Frequency Transmitter) 连续波NMR: Continual Wave-NMR(CW-NMR)(探头probe, 匀场系统, 扫描系统Field-Sweep) (Frequency-Sweep， 记录系统)第45页，共50页，2022年，5月20日，5点22分，星期四第46页，共50页，2022年，5月20日，5点22分，星期四脉冲傅立叶变换NMR Pulse Fourier Transform-NMR(PFT-NMR)