核磁共振技术及其应用

核磁共振技术及其应用第1页，共57页，2023年，2月20日，星期一核磁共振的物理基础核磁共振实验技术的应用内容提要第2页，共57页，2023年，2月20日，星期一概述

核磁共振(NuclearMagneticResonance)是1946年由美国哈佛大学珀赛尔(E.M.Purcell)和斯坦福大学布洛赫(F.Bloch)分别独立发现石腊样品中质子（即氢原子核）的核磁共振吸收信号、水样品中质子的核磁共振信号而取得的重要成果，两人因此获得1952年诺贝尔物理学奖。50多年来，核磁共振已成为一门有完整理论体系的新学科。第3页，共57页，2023年，2月20日，星期一10多位科学家因对核磁共振研究的杰出贡献而获诺贝尔奖1944年I.Rabi原子核的磁特性1952年F.Bloch核磁共振1952年E.M.Purcell核磁共振1955年W.E.Lamb氢谱超精细结构的兰姆位移，电子的反常磁矩1955年P.Kusch电子磁矩1964年C.H.Townes微波激射器和激光器的发明1966年A.Kastler光磁共振方法的发明1977年J.H.VanVleck电子结构理论1989年N.F.Ramsey原子钟1991年R.R.Ernst：付里叶NMR谱仪（Nobel化学奖）2003年

保罗·劳特伯尔，彼得·曼斯菲尔，医学诊断核磁共振成像技术（MRI）（诺贝尔生理学或医学奖）第4页，共57页，2023年，2月20日，星期一2003年诺贝尔生理学或医学奖--美英科学家得奖2003年诺贝尔生理学或医学奖授予美国科学家保罗·劳特布尔和英国科学家彼得·曼斯菲尔德，以表彰他们在核磁共振成像技术领域的突破性成就。他们的成就是医学诊断和研究领域的重大成果。两位科学家将分享共为130万美元的奖金。获奖理由：两位获奖者在如何用核磁共振技术拍摄不同结构的图像上获得了关键性发现。这些发现导致了在临床诊断和医学研究上获得突破的核磁共振成像仪的出现。

劳特布尔：1929年生于美国俄亥俄州，1951年获凯斯理工学院理学士，1962年获费城匹兹堡大学化学博士。1963～1984年，劳特布尔作为化学和放射学系教授执教于纽约州立大学石溪分校。在此期间，致力于核磁共振光谱学及其应用的研究。劳特布尔还把核磁共振成像技术推广应用到生物化学和生物物理学领域。1985年至今，他担任美国伊利诺伊大学生物医学核磁共振实验室主任。上世纪70年代初，劳特布尔在主磁场内附加一个不均匀的磁场，即引进梯度磁场，并逐点诱发核磁共振无线电波，最终获得一幅二维的核磁共振图像。多年来，伊利诺伊大学一直认为劳特布尔极有希望获得诺贝尔奖。但劳特布尔本人对获奖还是有点惊讶，他对媒体说：“我听到过各种猜测，但现实仍令我惊讶。”

曼斯菲尔德1933年生于英国伦敦，1962年获伦敦大学物理学博士学位。1964年到英国诺丁汉大学物理系担任讲师，现为该大学物理系教授。除物理学之外，曼斯菲尔德还对语言学、阅读和飞行感兴趣，并拥有飞机和直升机两用的飞行员执照。他进一步发展了有关在稳定磁场中使用附加的梯度磁场的理论，为核磁共振成像技术从理论到应用奠定了基础。曼斯菲尔德获奖后对瑞典电台说：“我想每个科学家都希望有一天，他们可以被挑选出来获得这样一个荣誉。但就我个人而言，几年前我就很想得到它了，但总是擦肩而过。”第5页，共57页，2023年，2月20日，星期一核磁共振经过50多年的发展应用，使得此项技术迅速成为在物理、化学、生物、地质、计量、医学等领域研究的强大工具。高强磁场超导核磁共振仪的发展，灵敏度大大提高。脉冲付里叶变换NMR谱仪问世，使13C、15N、29Si等NMR谱及固体NMR谱得到广泛应用。近来出现的用于医学诊断的核磁共振成像技术（MRI），是自X光发现以来医学诊断技术的重大进展。可以说NMR与诺贝尔奖结下了不解之缘。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，在科研和生产中发挥了巨大作用。第6页，共57页，2023年，2月20日，星期一核磁共振基本原理核磁共振原理实现核磁共振的两种方法检测共振信号的方法傅里叶(Fourier)变换第7页，共57页，2023年，2月20日，星期一核磁共振光谱：以频率为兆赫级、波长很长、能量很低的电磁波照射分子，电磁波能与暴露在强磁场中的磁性核相互作用，引起磁性核在外磁场中发生磁能级的共振跃迁而产生吸收信号。与其他光谱方法一样，属于波谱分析。§1

原子核的磁性1、原子核的自旋原子核由质子和中子组成，与核外电子一样存在自旋。原子核绕轴自身作旋转运动，产生自旋角动量P。由量子力学计算，P的绝对值由核自旋量子数I决定。核磁共振原理第8页，共57页，2023年，2月20日，星期一式中：h是普朗克常数,6.62410-34J/SI是核的自旋量子数,I=0，

P=0，无自旋，不能产生自旋角动量，不会产生共振信号。

只有当I

＞0时，才能发生共振吸收，产生共振信号。

说明：

I为核自旋量子数也简称核自旋，其数值随核而异。（1）核内质子数和中子数都为偶数时，I=0，观察不到核磁共振现象（2）核内质子数和中子数均为奇数时，I为正整数。（3）核内质子数中子数一奇一偶时，I为半整数。后两类是核磁共振研究的主要对象。第9页，共57页，2023年，2月20日，星期一I的取值可用下面关系判断：

质量数（A）

原子序数（Z）

自旋量子数（I）

奇数奇数或偶数

半整数n+1/2。n=0,1,2,…奇数

整数

偶数

偶数0例如：

第10页，共57页，2023年，2月20日，星期一半数以上的原子核具有自旋，旋转时产生一小磁场。当加一外磁场，这些原子核的能级发生分裂，这一物理现象称为塞曼效应。在外磁场B0中塞曼分裂图：第11页，共57页，2023年，2月20日，星期一第12页，共57页，2023年，2月20日，星期一2、原子核的核磁矩

核自旋产生磁场，其方向由右手定则确定，如图所示。核磁矩由下式确定：式中：为旋磁比。不同的核，其值不同；为核磁矩；P为自旋角动量图1核磁产生磁场的方向将式代入：得到：第13页，共57页，2023年，2月20日，星期一3、核磁在外磁场中的行为1）核磁与外磁场H0之间的作用能P是空间量子化的，在坐标Z轴上的分量Pz取分立的值：式中：m是原子核的磁量子数，其值等于﹣I,I+1,…I-1,I。故能取(2I+1)个值Pz的各个值相相差的整数倍，因此是不连续的，是空间量子化的。H0Mi=

Mi=EE2=﹣H0E1=﹢H0E图21H在外磁场中的取向能级第14页，共57页，2023年，2月20日，星期一以1H核为例，无外磁场H0作用，排列是随机的，磁性相互抵消；加上外磁场H0时，1H有序排列。排列方式有(2I+1,I=1/2)种，即两种取向，分别对应两个自旋量子数Mi=1/2。外磁场H0与核的作用能:E=

H0两种取向对应两个能级：当与H0同向时，E=

-

H0；当与H0反向时，E=

﹢H0第15页，共57页，2023年，2月20日，星期一核磁矩在外磁场中的能级分布第16页，共57页，2023年，2月20日，星期一两能级差为：

E=E2-E1=2H0将式代入得：2)、拉摩进动(Lamor)

在外磁场旋转的原子核，其自旋轴与外磁场方向之间有一倾角。外磁场的作用使核磁受到一个垂直核磁矩的扭力，这样原子核就围绕外磁场的方向回旋，犹如在重力场中运动的陀螺。这种运动方式称为拉摩进动。图3、(a)自旋陀螺在重力场中的进动工(b)自旋原子核在外磁场中的进动第17页，共57页，2023年，2月20日，星期一进动角频率：，进动线频率：将式代入得：3）核磁共振的条件量子力学选律可知，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-E1=2H0如果在磁场的垂直方向加一个射频场，当射频场的能量满足条件：第18页，共57页，2023年，2月20日，星期一即核子从射频场中吸收能量hv从低能级跃迁到高能级，发生核磁共振吸收。原子核在外磁场中吸收特定频率电磁波的现象称为核磁共振。公式的意义：1)对于不同的原子核，由于磁旋比不同，发生共振的条件不同。2)对于同一种原子核来说，值一定，共振频率随外磁场H0而改变。从式中可知道，观察核磁共振吸收的方法有两种：固定磁场强度H0而改变频率，称为扫频法；固定电磁波频率而改变磁场强度H0，称之为扫场法。第19页，共57页，2023年，2月20日，星期一4、弛豫过程

1H的磁性核在电磁波的作用下，能级分裂为二。根据Boltzmann分配定律，处在低能级的原子核数目占有微弱的优势。如在外磁场（60MHz),温度为27℃时，两个能级上氢核数目N之比为：即每一百万个氢核中低能级氢核数公比高能级的多十个左右。虽然这种微弱的优势，使低能级的核在强磁场作用下吸收能量由低能级跃迁到高能级。随着低能级的核数目的减少，吸收信号减弱直至消失，此为饱和。实际应用中，只要合理地选用照射制度，就可以连续观察到NMR信号。使低能级上的核始终保持微弱多数的。因此必然存在使低能级的磁核始终保持微弱多数的内在因素，即高能级的核必须放出能量回到低能级，从而使低能级的核始终占优势。第20页，共57页，2023年，2月20日，星期一弛豫过程（Relaxation）:是高能态的核以非辐射的形式放出能量回到低能态重建Boltzmann分布的过程。如果没有弛豫过程，饱和现象容易发生。弛豫过程分为两类：1）自旋－晶格弛豫（纵向弛豫）(Spin-latticeRelaxation）自旋核与周围分子交换能量的过程。核周围的许多小分子相当于许多的小磁体，这些小磁体的快速运动产生瞬息万变的小磁场－波动磁场。某个波动磁场的频率与核自旋产生的磁场频率一致时，自旋核与波动磁场发生能量交换，将能量传递给周围分子而跳回低能级，从而使低能级的核数目占有微弱的优势。因此总的结果是降低高能级的核数目。弛豫过程经历的时间愈短，自旋－晶格弛豫过程的效率愈高。气体和液体样品的t1很短，仅几秒种。固体样品因分子热运动受到限制，T1很大，因此NMR常采用液体样品。第21页，共57页，2023年，2月20日，星期一2）自旋－自旋驰豫(Spin-spinRelaxation)核与核之间的能量交换。高能态核把能量传给同类低能态的自旋核，本身回到低能态，维持Boltzmann分布。结果是高低能态自旋核总数不变。自旋-自旋弛豫过程的半衰期用T2表示。液体T2～1s，固体或粘度大的液体，T2很小，10-4～10-5s第22页，共57页，2023年，2月20日，星期一§2

核磁共振谱线特征1、谱线的宽度1)自然宽度核磁并非静止地固定在某个能级上，而是在两个能级间跃迁，即在某个能级上的寿命是有限的，根据量子力学测不准关系：可知和。即越小，则越大，即谱线越宽。2）偶极加宽样品中含有大量的磁核，并在其周围产生磁场，从而被测原子核除受磁场的作用外，还受相邻核所产生的磁场的作用，而有一分布，从而使谱线变宽。第23页，共57页，2023年，2月20日，星期一3）非均匀加宽实际上在样品体积范围内的外磁场并非均匀分布，而是在某个数值范围内有微小差别，从而在样品体积范围内各部分原子核的共振频率值也不同，导致谱线变宽。4）驰豫加宽和调制加宽自旋－晶格驰豫过程使原子核在给定的能级中的平均寿命减少，当然谱线加宽。用连续波测定NMR吸收时，往往改变磁场，相当于加了一个调制，从而产生一定的频谱，也使谱线变宽。2谱线的线型溶液中的NMR谱线的线形为罗伦兹型；固态中的NMR谱线的线形为高斯型。第24页，共57页，2023年，2月20日，星期一3谱线的强度

在H1NMR谱中，一般谱线的强度正比于产生此峰的数目，据此可以进行定量测定。如CH3CH2OH中CH3、CH2、OH基团质子峰的相对强度比为3：2：1，恰好是这些基团所含质子数之比。但在C13NMR中，因分子中各个C13核所受影响的各因素各不相同，从而使谱峰的强度一般不与产生各谱线的C13核数成正比。第25页，共57页，2023年，2月20日，星期一4、化学位移的基本原理1）化学位移的产生由核磁共振条件，从理论上讲，某种原子核的共振频率只决定这种原子核的磁旋比和外磁场强度，同类核应有相同的共振频率。如果是这样，核磁共振对研究分子结构就没有意义。1950年等发现：磁性核的共振频率不仅取决于核的磁旋比和外部磁场强度，而且受到核周围的分子环境的影响，从而使各种不同各类的氢原子所吸收的频率有所不同如图所示图各种不同氢的化学位移第26页，共57页，2023年，2月20日，星期一产生这种差别在于被测原子核周围的化学环境，化学环境是由于氢核外围电子云对核的屏蔽作用引起的。电子屏蔽效应化学位移是由核外电子的屏蔽效应引起的。第27页，共57页，2023年，2月20日，星期一原子核在分子中不是完全裸露的，而是被价电子所包围的。核外电子在与外磁场垂直的平面上绕核旋转的同时，会产生与外磁场方向相反的感生磁场。感生磁场的大小用表示。为屏蔽常数，与核外电子云的密度有关。核实际感受到的磁场强度（有效磁场Hi）

核的共振频率为：

同一分子内同类核的化学环境不同，不同，因此不同第28页，共57页，2023年，2月20日，星期一核外电子对H核产生的这种作用，称为屏蔽效应(又称抗磁屏蔽效应)。

显然，核外电子云密度越大，屏蔽效应越强，要发生共振吸收就势必增加外加磁场强度，共振信号将移向高场区；反之，共振信号将移向低场区。因此，H核磁共振的条件是：第29页，共57页，2023年，2月20日，星期一2)化学位移表示方法不同环境中的质子的共振频率虽有差异，但差异很小，约为百万分之十。在测定共振频率时，常常要求几个赫兹的准确度，目前还不能精确测定。因此，采用相对数值。测定样品与标准物质的吸收频率之差，此差值为化学位移。常以四甲基硅（TMS）为标准物质，规定：它的化学位移为零，然后，根据其它吸收峰与零点的相对距离来确定它们的化学位移值。零点-1-2-31234566789TMS低场高场第30页，共57页，2023年，2月20日，星期一常用的标准物质：四甲基硅(TMS)：

2,2-二甲基-2-硅戊烷-5-磺酸钠(DSS)：第31页，共57页，2023年，2月20日，星期一TMS作为标准物的优点：TMS分子有12个相同化学环境的氢，NMR信号为单一尖峰，少量的TMS即可测出NMR信号。Si电负性比C低，TMS质子处在高电子密度区，产生较大的屏蔽效应。TMS的化学性质不活泼，与样品不发生化学反应和分子间的缔合。TMS容易溶于有机溶剂，沸点低，样品容易回收。TMS不溶于重水，用重水测谱时，用其他标准物如2,2-二甲基-2-硅戊烷-5-磺酸钠(DSS)第32页，共57页，2023年，2月20日，星期一（1）用赫兹表示化学位移CH3CCl2CH2Cl的H1NMR(60MHZ,100MHz)谱说明，同一质子在不同仪器上，用赫兹表示的化学位移是不同的，不容易进行比较。因此，该法须注明所用仪器的射频值。CH3CCl2CH2Cl的H1NMR(60MHZ,100MHz)谱第33页，共57页，2023年，2月20日，星期一（2）用位移常数表示化学位移固定磁场，改变频率样品和标准的共振频率：频率差：化学位移：第34页，共57页，2023年，2月20日，星期一频率固定，磁场改变(扫场法)样品和标准的共振磁场：因此位移可表示为：化学位移用表示，以前也用表示，与的关系为：

=10-单位为ppm。第35页，共57页，2023年，2月20日，星期一3)影响化学位移的因素诱导效应化学键的各向异性共轭效应浓度、温度、溶剂对δ值的影响溶剂对δ值的影响第36页，共57页，2023年，2月20日，星期一共振条件：

=0=0

实现核磁共振的两种方法a．扫场法:改变0b．扫频法:改变第37页，共57页，2023年，2月20日，星期一检测共振信号的方法

吸收法感应法平衡法

优点是比较简单，样品不易饱和，缺点是振荡频率的稳定性较差，噪音电平较高。一般只用于宽谱的波谱仪与测场仪优点是工作稳定度高，噪音低，但漏电流相位不易调整。常用在商业波谱仪优点是频率稳定好，噪音低，缺点是频率调谐范围不够宽。常用于灵敏度和分辨力高的波谱仪第38页，共57页，2023年，2月20日，星期一核磁共振实验方法1、核磁共振谱仪简介图为核磁共振谱仪示意图。它主要由以下部分组成：磁铁：永久磁铁和电磁铁只能产生100MH以下磁场强度，更高磁场强度用超导磁体。射频振荡器：其线圈垂直于磁场，能产生频率与磁场强度相应的射频振荡。1H常用的60,90,100MH的电磁波。射频接受器：与振荡器线圈垂直，并与扫场线圈垂直。探头和样品管座：探头中有射频振荡线圈、射频接受线圈，样品管插于探头内。第39页，共57页，2023年，2月20日，星期一NMR实验仪器图示电磁铁及调制线圈第40页，共57页，2023年，2月20日，星期一2、实验方法样品：常用液态样品，浓度为5%-10%，加入1%－2%TMS作内标。纯液体粘度，应用溶剂稀释或升温。(2)溶剂:磁各向异性和化学惰性。常用溶剂有CCl4、CDCl3、(CD3)2SO4等化学位移试剂：使复杂化合物的NMR谱各峰产生位移，分开重合峰。双共振技术复杂分子的NMR谱由于同类核及不同核的偶合作用，使被测核的峰分裂为多重峰，不仅降低了谱线的强度而且各多重分裂峰彼此重合在一起给谱的解释带来很多困难。因此在测定NMR谱时，使自旋体系样品同时受到两个不同频率的射频场作用，分别用于被测核A的共振吸收以及与被测核A有偶合作用的核B去偶合，使观察到的NMR谱如同未发生偶合作用一样。以表示第41页，共57页，2023年，2月20日，星期一傅里叶(Fourier)变换

时域信号F变换频域信号频域谱S（t1,t2,…）S(1,2,…)第42页，共57页，2023年，2月20日，星期一核磁共振新技术

核磁双共振

二维核磁共振

NMR成像技术魔角旋转技术

极化转移技术第43页，共57页，2023年，2月20日，星期一核磁双共振双核自旋系统检测器2扰动1脉冲双共振是同时用两种频率的射频场作用在两种核组成的系统上，第一射频场B1使某种核共振，第二射频场B2使另外一种核共振，这样两个原子核同时发生共振。第二射频场为干扰场。通常用一个强射频场干扰图谱中某条谱线，另一个射频场观察其他谱线的强度、形状和精细结构的变化，从而确定各条谱线之间的关系，区分相互重叠的谱线。第44页，共57页，2023年，2月20日，星期一二维核磁共振及多维核磁共振

二维核磁共振使NMR技术产生了一次革命性的变化，它将挤在一维谱中的谱线在二维空间展开（二维谱）,从而较清晰地提供了更多的信息。

第45页，共57页，2023年，2月20日，星期一

NMR成像技术投影重建成像方法Fourier成像方法弛豫时间成像方法逐点扫描方法线扫描方法切片扫描方法高分率成像和快速成像法第46页，共57页，2023年，2月20日，星期一Fourier成像方法

Fourier成像是应用十分广泛的一种方法，它与二维（多维）NMR相似。第47页，共57页，2023年，2月20日，星期一魔角旋转技术

固体中自旋之间的耦合较强，共振谱较宽，掩盖了其他精细的谱线结构，耦合能大小与核的相对位置在磁场中的取向有关，其因子是(3cos2β-1)，如果有一种方法使β=θ=54.440（魔角），则3cosβ-1=0，相互作用减小，达到了窄化谱线的目的。魔角旋转技术就是通过样品的旋转来达到减小相互作用的，当样品高速旋转时β与θ的差别就会平均掉。第48页，共57页，2023年，2月20日，星期一极化转移技术灵敏核非灵敏核检测（非灵敏核）J脉冲序列1脉冲序列2

极化转移(PT)是一种非常实技术，它用二种特殊的脉冲序列分别作用于非灵敏核和灵敏核两种不同的自旋体系上。通过两体系间极化强度的转移，从而提高非灵敏核的观测灵敏度，基本的技巧是从高灵敏度的富核处“借”到了极化强度。第49页，共57页，2023年，2月20日，星期一核磁共振应用核磁共振适合于液体、固体。如今的高分辨技术，还将核磁用于了半固体及微量样品的研究。核磁谱图已经从过去的一维谱图（1D）发展到如今的二维（2D）、三维（3D）甚至四维（4D）谱图，陈旧的实验方法被放弃，新的实验方法迅速发展，它们将分子结构和分子间的关系表现得更加清晰。在世界的许多大学、研究机构和企业集团，都可以听到核磁共振这个名词，包括我们在日常生活中熟悉的大集团。而且它在化工、石油、橡胶、建材、食品、冶金、地质、国防、环保、纺织及其它工业部门用途日益广泛。在中国，其应用主要在基础研究方面，企业和商业应用普及率不高，主要原因是产品开发不够、使用成本较高。但在石油化工、医疗诊断方法应用较多。第50页，共57页，2023年，2月20日，星期一一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