核磁共振波谱2012(1)课件

核磁共振氢谱

(1HNMR)

制作人:许招会副教授核磁共振(NMR,NuclearMagneticResonance):核磁距不为零的核在外磁场作用下，核自旋能级发生分裂，共振吸收某一特定频率的电磁波(能量等于

E)的物理过程．核磁共振概念NMR氢谱碳13谱NMR信息化学位移偶合常数弛豫时间如：1HNMR：化学位移：各种结构的1H有不同的化学位移，确定氢核的类型。峰的裂分情况与耦合常数：磁性氢核附近的取代、取向情况及空间排列（如：顺式等）。峰面积：结构分析：不同化学环境相同质子的个数。弛豫时间：研究化学反应的动态过程。

核磁共振发展的历史1921年o.Stern发现了原子通过不均匀磁场会发生偏转。证实了原子核磁距在磁场中有不同的取向。1939年I.I.Rabi首先让氢分子通过不均匀磁场，然后再通过一个均匀磁场，同时在均匀磁场设置一个射频场，发现氢分子能吸收特定的频率射频而发生偏转。这是首次发现核磁共振现象。Rabi的这一实验获得1944年诺贝尔物理奖。1951年W.G.Proctor等发现了NaSbF6NMR有5条谱线组成。这是首次观察到的自旋偶合现象。1952年E.M.PurcellandF.Bloch因为发现一般状态的核磁共振现象，获得若贝尔物理奖。1953年A.W.Overhauser发现了NOE效应。1957年P.C.lauterbur首次利用连续波观测13C谱。1965年J.W.cooley提出了傅立叶变换原理，使脉冲FTNMR方法在实际中得以实现。1971年比利时科学家J.Jeener提出了二维核磁的原理和实验方法。1971年R.Damadian首次提出核磁成像原理1975年R.R.Ernst提出了二维13C分解谱，获得了第一张二维谱。1976年R.R.Ernst确立了二维谱的理论基础。和同核化学位移相关谱。它是二维谱和多维谱的里程碑。（J.Chem.Phys.1976,64,2229)1987年C.Griesinger和R.R.Ernst提出三维相关谱技术。1991年E.R.P.Zuiderweg提出四维NMR.1992年瑞士科学家RR.Ernst因其在傅立叶变换和二维核磁方面的杰出贡献获得若贝尔化学奖2002年K.Wüthrich(1938-)获诺贝尔化学奖。2003年诺贝尔生理学和医学奖获得者P.C.Lauterbur(1929-2007)；2003年诺贝尔生理学和医学奖获得者P.Mansfield(1933-)1991年诺贝尔化学奖：恩斯特R.R.Ernst（1933－）瑞士物理化学家他的主要成就在于他在发展高分辨核磁共振波谱学方面的杰出贡献。这些贡献包括：

一.脉冲傅利叶变换核磁共振谱二.二维核磁共振谱三.核磁共振成像PulseFT-NMR2003年诺贝尔医学奖:美国科学家保罗·劳特布尔(PaulLauterbur)和英国科学家彼得·曼斯菲尔德(PeterMansfield)用核磁共振层析“拍摄”的脑截面图象Peter原子的组成原子的三个主要组成部分质子——带正电荷中子——不带电荷电子——带负电荷原子核核磁共振原理及基本概念原子的组成右手定则确定磁场方向3.1.1核自旋(NuclearSpin)原子核除了具有电荷与质量外，许多原子核还具有自旋角动量

其中

I——自旋量子数，它只能是零、整数或半整数不同核的I是不同的

核自旋是对原子核所固有的自旋角动量这种性质的描述对核磁共振而言，只有I0的核才能产生核磁共振现象I的取值取决于质量数和原子序数

原子序数=质子数=核外电子数自旋量子数不为零的核是核磁共振研究的对象，其中I=1/2的原子核电荷均匀分布表面，其核磁共振谱线窄，最适宜于核磁共振检测分析。

核的自旋08无外加磁场时，核磁矩的取向是随机的3.1.2核的取向,取向数和能级分裂Bo在外磁场作用下，核磁矩会呈一定取向，与磁场一致或相反wom自旋取向数=2I+1DEm=+1/2(a)，取向与B0相同m=1/2(b)，取向与B0相反对I=1/2的核，如1H、13C、15N、19F、31P，m=1/2,-1/2，只能有2个取向，3.1.3核的进动及拉摩尔频率3.1.4核磁共振条件核跃迁能E=2H0

电磁辐射能

E’=hυ核磁共振时E=E’核磁共振条件扫频：H一定，改变υ扫场：υ一定，改变H

目前大多数仪器采用扫场法，这是因为制造高稳定性固定频率的射频振荡器要比制造高稳定性的可变频率的射频振荡器要容易得多。

核——原子核自旋I≠0磁——外加磁场H0诱导产生自旋能级分裂共振——外界=0进动,

0=

H0/(2)能级跃迁核磁共振现象常见核的性质讨论:共振条件：0=

H0/(2)（1）对于同一种核，磁旋比

为定值，H0变，射频频率变。（2）不同原子核，磁旋比不同，产生共振的条件不同，需要的磁场强度H0和射频频率不同。（3）固定H0，改变（扫频），不同原子核在不同频率处发生共振（图）。也可固定，改变H0（扫场）。扫场方式应用较多。氢核（1H）：1.409T共振频率60MHz2.305T共振频率100MHz磁场强度H0的单位：1高斯（GS）=10-4T（特拉斯）3.1.4弛豫与弛豫机制Boltzman分布：

热平衡时，高能态核数n1与低能态核数n2服从Boltzman分布：对1H核，常温下，n2/n1=1000000/1000007，核磁共振正是依据这微弱的过量的低能态核吸收射频能跃迁到高能态而产生共振信号，所以，核磁共振的灵敏度低。Ho=0Ho>0DE=hnab

饱和现象：

60MHz对应610-6KCal/mol，低能态仅过剩十万分之一，很容易不再有核磁共振现象。核的自旋驰豫驰豫过程:由激发态恢复到平衡态的过程驰豫过程可分为两种类型：自旋-晶格驰豫和自旋-自旋驰豫。

自旋晶格驰豫或纵向驰豫：核与环境进行能量交换。体系能量降低而逐渐趋于平衡。又称纵向驰豫。速率1/T1，T1为自旋晶格驰豫时间。

自旋自旋驰豫或横向驰豫：自旋体系内部、核与核之间能量平均及消散。又称横向驰豫。体系的做能量不变，速率1/T2，T2为自旋自旋时间。

驰豫时间与谱线宽度的关系：即谱线宽度与驰豫时间成反比。

12低能级

高能级

21自旋晶格驰豫或纵向驰豫纵向弛豫:受激态高能级磁核将能量传递给周围的介质粒子，自身回复到低能磁核的过程。1/T1

自旋-自旋驰豫或横向驰豫12低能级

高能级

21高能级

低能级

横向弛豫:受激态高能级磁核将能量传递给同种低能级磁核，自身回到低能级磁核的过程。1/T2

核磁共振基本原理宏观解释MoyxzxyzBoBo对于一个宏观体系，如我们实际测试的样品，在热平衡态下,所有核磁矩m在z方向的分量叠加的结果，得到一个与B0方向相同的净磁化矢量，称为宏观磁化矢量M0MozxiB1Transmittercoil(y)yBoB1

=C*cos(wot)为了激发样品，我们需要对其施加一个外加的由交变电流产生的射频场B1当该射频场B1的频率等于w0时,就满足了共振条件.B1与M0

相互作用，对M0产生一个扭矩，系统吸收射频辐射能量。用矢量模型来描述，即是M0被激发到xy平面，得到Mxy：此时系统的平衡被打破，高能态粒子数（Nb）大于低能态粒子数（Na）B1MozxB1zxMxyyywowo当射频场B1消失以后，系统就要重新恢复平衡，即重新建立Nb和Na之间的比例，而Mxy就要重新恢复到平衡态的M0，这就是弛豫过程。在这个过程中，Mxy一直绕z轴进动。Mxy逐渐变小，而Mz渐渐增大，最后达到M0。zxyMzzxMxyywozxyMoMxywoM变化的Mxy会在接收线圈中产生感应电流，由此产生信号。zxyMzzxMxyywozxyMoMxywoReceivercoil(x)NMRsignalB0MB0MRF脉冲接收器ReceiverFTS(t)S(w)3.2核磁共振仪核磁共振仪的发展.1953年美国Varian公司研制第一台商品化NMR(30MHz)核磁仪。.1964年Varian公司研制第一台超导核磁谱仪（200MHz)..1969年Varian研制成功脉冲傅立叶变换核磁谱仪（XL-100)..1987年Bruker公司研制成功第一台600MHz核磁仪..1993年Bruker公司研制成功第一台750MHz核磁仪。.2001年Varian研制成功第一台900MHz核磁仪。连续波核磁共振仪

扫场方式3.2核磁共振仪扫频方式连续波核磁共振仪3.2核磁共振仪傅里叶变换核磁共振仪（PFT-NMR）化学位移（ppm）

FT-NMR具有如下优点：

提高了仪器的灵敏度；提高了测量速度；FT-NMR工作原理：当样品经射频脉冲照射后接受线圈感应得到含有样品结构信息的干涉图，经傅里叶变换后得频域核磁共振谱图。3.2连续核磁共振仪组成NMR仪器

射频振荡器记录仪或示波器射频接收器及放大器磁场扫场线圈磁场扫场线圈样品管核磁共振谱仪核磁共振谱仪系统示意图

Avance1000核磁仪

世界第一台采用永久超导磁场技术的频率高达1000MHz核磁共振谱仪，于2009年11月在法国里昂安装成功。423.2.1NMR仪器（1）磁铁要求强而均匀的磁场，例如在14000Gs时，不均匀性小于6千万分之一。永久磁铁：方便，常用于60MHz与90MHz电磁铁：要求电流稳定度10-6A，磁场上限100MHz超导磁铁：低温（液氦）超导，200-1000MHz（2）射频振荡器线圈与外加磁场垂直，可发射几种固定频率无线电波，如60、100、120、200、300MHz3.2.1NMR仪器（3）扫描发生器可在小范围内调节外加磁场强度进行扫描，通常3~10mGs（4）射频接受器检测被吸收的电磁波能量（5）样品管玻璃管，要粗细均匀并且旋转（10~20转/s以上）常量管0.4ml，微量管0.1ml，样品几十毫克，几毫克。（6）记录器及计算机（7）其它：电源、去偶仪、信号累计平均仪等核磁共振探头

常见的探头类型有双核探头，四核探头，宽带探头，低频探头，超低温探头，微量探头，固体探头，成像探头等许多种。核磁共振样品及探头线圈FreeInductionDecay(FID)NMRSpectrumFT脉冲傅立叶变换核磁共振通过射频脉冲一次性激发所有核自旋，得到随时间衰减的信号FID，然后经FT变换得到频谱核磁共振谱仪一些傅立叶变换对

时域频域FID核磁共振谱仪脉冲傅立叶变换（FT）实验

实验技术样品溶于重氢氯仿或四氯化碳、重水中，加四甲基硅（TMS）作内标，进行测定。如丙酰胺：2H

2H

3H

NH2

CH2

CH3

TMSCH3-CH2-C-NH2

∥O

样品管

核磁样品管及清洗器

根据样品及仪器实际情况，可选择不同规格的样品管。测试前应确保样品洗涤干净，同时避免烘干过程导致其变形。测试溶剂1H谱的理想溶剂是四氯化碳或二硫化碳。此外，常用的其他溶剂有氯仿、丙酮、二甲基亚砜、苯以及氘代试剂等。测试溶剂1H谱的理想溶剂是四氯化碳或二硫化碳。此外，常用的其他溶剂有氯仿、丙酮、二甲基亚砜、苯以及氘代试剂等。测试溶剂残留吸收峰氘代氯仿的核磁峰7.27ppm

某化合物的1HNMR谱图

48基准物质