核磁共振及应用课件

核磁共振技术及其应用2011.04.07学号：101030041924年泡利提出核自旋的假设--实验证实。1932年，发现中子后，认识到：核自旋是质子自旋与中子自旋之和。核磁矩：质子数和中子数两者或其一为奇数时，核才有非零的核磁矩——产生核磁共振.核磁共振(nuclearmagneticresonance，NMR)

是指自旋磁矩不为零的原子核，在外磁场中，其核能级将发生分裂。若再有一定频率的电磁波作用于它，分裂后的核能级之间将发生共振跃迁的现象。概述核磁共振技术及其应用核磁共振的方法与技术作为分析物质的手段，由于其可深入物质内部而不破坏样品，并具有迅速、准确、分辨率高等优点而得以迅速发展和广泛应用，已经从物理学渗透到化学、生物、地质、医疗以及材料等学科，在科研和生产中发挥了巨大作用。核磁共振是1946年由美国斯坦福大学布洛赫(F.Block)和哈佛大学珀赛尔(E.M.Purcell)各自独立发现的，两人因此获得1952年诺贝尔物理学奖。50多年来，核磁共振已形成为一门有完整理论的新学科。核磁共振技术及其应用核磁共振基本原理原子核带正电荷的粒子当它的质量数和原子序数有一个是奇数时，它就和电子一样有自旋运动，产生磁矩11H，136C，199F和3115P有自旋现象，126C和168O没有自旋现象核磁共振技术及其应用（非自旋的球体）磁矩

，具有方向性，是一个矢量

=hI/2

旋磁比I自旋量子数hPlank常数核磁共振技术及其应用1H自旋量子数(I)1/2没有外磁场时，其自旋磁矩取向是混乱的在外磁场B0中，它的取向分为两种(2I+1=2)一种和磁场方向相反，能量较高(E=B0)一种和磁场方向平行，能量较低(E=B0)I=1/2的原子核在外磁场B0中塞曼分裂图：半数以上的原子核自旋不为0，旋转时产生一小磁场。当加一外磁场，这些原子核的能级将分裂，即塞曼效应。核磁共振技术及其应用两种取向的能量差E可表示为:核磁共振技术及其应用为了让原子核自旋的进动发生能级跃迁，需要为原子核提供跃迁所需要的能量，这一能量通常是通过外加射频场来提供的。根据物理学原理当外加射频场的频率与原子核自旋进动的频率相同的时候h=E

，射频场的能量才能够有效地被原子核吸收，为能级跃迁提供助力。因此某种特定的原子核，在给定的外加磁场中，只吸收某一特定频率射频场提供的能量，则处于低能级的核吸收射频能量而跃迁到高能级，即由一种取向（+1/2)变成另一种取向（-1/2）,这种现象称为核磁共振。核磁共振表核磁共振技术及其应用1H：氢谱，常用1HNMR表示13C：碳谱，常用13CNMR表示化学位移（chemicalshift）由于有机分子中各种质子受到不同程度的屏蔽效应，因此在核磁共振谱的不同位置上出现吸收峰。同一种核在分子中因所处的化学环境不同，使共振频率发生位移的现象。化学位移核磁共振技术及其应用化学位移产生的原因是分子中运动的电子在外磁场下对核产生的磁屏蔽。屏蔽作用的大小可用屏蔽因子σ来表示。一般来说屏蔽因子σ是一个二阶张量，只有在液体中由于分子的快速翻滚，化学位移的各向异性被平均，屏蔽因子才表现为一常量。化学位移的大小受邻近基团的电负性、磁各向异性、芳环环流、溶剂、pH值、氢键等许多因素的影响。吸收峰数多少种不同化学环境质子峰的位置质子类型峰的面积每种质子数目核磁共振技术及其应用峰的分裂和自旋耦合核磁共振技术及其应用每类氢核不总表现为单峰，有时多重峰。原因：相邻两个氢核之间的自旋耦合（自旋干扰）；峰的分裂和自旋耦合核自旋与核自旋之间通过分子中各个轨道上的电子间接的相互作用称为自旋—自旋耦合耦合作用的结果，使谱线发生分裂有自旋不等于0的核，由于自旋耦合，可导致能级进一步劈裂，能级间跃迁复杂化，故共振谱线出现多重性。耦合的存在，提供了被测核相互位置及空间关系的重要信息。是进行微观结构分析，尤其是确证分子构型构象的有用数据。核磁共振技术及其应用弛豫过程可分为两种类型：自旋-晶格弛豫和自旋-自旋弛豫。弛豫时间是反映物质相互作用的重要参数。根据弛豫时间的变化，可以研究相变、扩散和电子结构等问题。核的自旋弛豫弛豫过程：由激发态恢复到平衡态的过程核磁共振技术及其应用核磁共振实验方法

研究核磁共振有两种方法，一是连续波法或称稳态方法，是用连续的射频场（即旋转磁场B1）作用到核系统上，观察到核对频率的响应信号。另一种是脉冲方法，用射频脉冲作用在核系统上，观察到核对时间的响应信号。脉冲法有较高的灵敏度，测量速度快，但需要进行快速傅里叶变换，技术要求较高。核磁共振技术及其应用2脉冲傅里叶核磁共振谱仪（PFT-NMR）核磁共振技术及其应用核磁共振应用核磁共振技术及其应用核磁共振谱图主要可以得到如下信息：（1）由吸收峰数可知分子中氢原子的种类。（2）由化学位移可了解各类氢的化学环境。（3）由裂分峰数目大致可知各种氢的数目。（4）由各种峰的面积比即知各种氢的数目。一些实际的应用分子结构的测定化学位移各向异性的研究金属离子同位素的应用动力学核磁研究质子密度成像T1T2成像化学位移成像其它核的成像指定部位的高分辨成像元素的定量分析有机化合物的结构解析表面化学有机化合物中异构体的区分和确定大分子化学结构的分析生物膜和脂质的多形性研究脂质双分子层的脂质分子动态结构生物膜蛋白质——脂质的互相作用压力作用下血红蛋白质结构的变化生物体中水的研究生命组织研究中的应用生物化学中的应用在表面活性剂方面的研究原油的定性鉴定和结构分析沥青化学结构分析涂料分析农药鉴定食品分析药品鉴定核磁共振技术及其应用核磁共振在材料科学中的应用金属材料中的应用：研究金属材料中的不完整性，如晶格缺陷、杂质、应变等。磁性材料中的应用：测定材料不同晶格位置上的超精细场，如确定电荷和自旋的分布、晶场参数、合金的电子组态和局域磁矩、磁性相变等。高分子等材