核磁共振波谱法（一）

02十二月20231核磁共振波谱法NuclearMagneticResonance02十二月202343-2章节目录：14.0NMR概述14.1NMR基本原理14.2化学位移与NMR谱图的构成14.3核的自旋分裂与偶合14.4NMR氢谱的解析与示例14.5NMR仪与测试条件14.6NMR碳谱及其相关谱简介02十二月202343-314.0NMR概述陀螺原理1、陀螺自旋的观察与研究：

——科学研究始于观察02十二月202343-414.0NMR概述Larmorprecession：是指电子、原子核和原子的磁矩在外部磁场作用下的进动。这是1897年由英国物理学家约瑟夫·拉莫尔爵士(1857—1942年)首先推论的。2、将宏观引入微观：移植与转移—科学研究的技巧之一。02十二月202343-514.0NMR概述1924年：斯特恩和盖拉赫在实验中观察到了锂原子和银原子的磁偏转，并测量了未成对电子引起的原子磁矩。1933年斯特恩等人测量了质子磁矩。1939年：比拉第一次进行了核磁共振实验。泡利(W.Pauli)1924年：奥地利物理学家Pauli（1945年诺尔物理学奖）预言了NMR的基本理论，即有些核可能同时具有自旋和磁矩，这些核在磁场中会发生能级分裂。3、科学理论对科学实验研究具有巨大指导作用

02十二月202343-614.0NMR概述1945

年12月，美国哈佛大学珀塞尔（E.M.Purcell）等人，首先观察到石腊样品中氢质子的核磁共振吸收信号。1946

年1月，美国斯坦福大学布珞赫（F.Bloch，生于瑞士）研究小组在水样品中也观察到质子的核磁共振信号。二人因此获得1952年诺贝尔物理学奖。创新绝非凭空而来首创绝非幸运巧合02十二月202343-714.0NMR概述4、NMR与化学结构关系的研究成就了核磁共振波谱法1949年Knight

首次发现化学环境对核磁共振信号的影响，NMR与化合物结构有关系。1950年斯坦福大学物理学家普罗克特等在测定NH4NO3水溶液中14N的磁矩时发现有两个性质截然不同的共振信号，发现了同种原子核其化学环境不同，共振条件也不同，核磁共振频率也不同；1951年Arnold等人发现了乙醇分子NMR由三组峰组成，揭示NMR共振吸收频率随不同基团而异。02十二月202343-814.0NMR概述5、NMR与临床影像诊断的结合成就了核磁共振成像技术合纵与连横——科学研究的又一重要技巧合纵：基础与应用，科学与技术的纵向结合连横：跨学科、跨领域的研究与应用02十二月202343-914.0NMR概述1953年第一台商品化NMR波谱仪1956年Varian（曾在Bloch室工作）开始商用仪器开发，并于同年制作了第一台高分辨连续波NMR仪；1970年高强超导NMR，Pulse-FT-NMR市场化；6、NMR波谱仪的发展推动了实际应用02十二月202343-1014.0NMR概述2004年：美国科学家首次利用核磁共振成像技术，观测到单个电子的具体位置。这一突破实现了核磁共振的原子级成像，将使未来的显微镜可以在纳米尺度上观察到分子内部的立体结构图像。02十二月202343-1114.0NMR概述NMR分析技术的三个里程碑：①60年代NMR仪器测1H②70年代FTNMR测1H、13C③90年代2DNMR1991年诺贝尔化学奖：瑞士科学家恩斯特：发展了核磁共振光谱高分辩方法；2002年诺贝尔化学奖：瑞士科学家库尔特·维特里希：NMR测定溶液中生物大分子三维结构1952～2009年：先后有6位科学家因在3个学科因NMR荣获4次诺贝尔科学奖。02十二月202343-127、NMR波谱法的定义NMR概念：具有核磁性质的原子核，在高强磁场的作用下，吸收射频辐射，引起核自旋能级的跃迁所产生的波谱，叫核磁共振波谱。利用核磁共振波谱进行分析的方法，叫做核磁共振波谱法（NMR）NMR本质：属吸收光谱

对射频辐射（60～800MHz)的吸收

核自旋能级跃迁特点：信号弱，采用特殊共振吸收法测定吸收信号用途：表征结构，亦可定量分析；理化研究；临床诊断与药理、病理研究等14.0NMR概述02十二月202343-1314.1NMR基本原理一、原子核的自旋1、自旋分类2、核磁矩二、原子核的自旋能级和共振吸收（一）核自旋能级的分裂（二）原子核的共振吸收三、自旋弛豫02十二月202343-14自旋：物体绕自身轴线旋转的状态。杨振宁多年以前曾提出过这样的问题：“我们对自旋有了最终的描述吗”?原子核的自旋十分复杂，需用量子力学原理进行描述，但也可用经典电磁理论进行近似理解。据经典的电磁理论，旋转的带电粒子相当于一个电流线圈，会产生磁场，因此也会产生磁偶极矩和自旋角动量一、原子核的自旋02十二月202343-15某些原子核相当于很小的条形磁铁，有磁极。原子核以磁极连线为轴，以恒定速率旋转，所以这些原子核具有不为零的角动量P

和磁矩。核与核群的核磁矩及其排列示意图需要注意：并非所有的原子核都有自旋和磁矩。02十二月202343-161、原子核的自旋分类核自旋特征的描述：核自旋量子数

I（

I=0,1/2,1,3/2,…半整数的倍数）核自旋分三类：I=0的核：无自旋，质量数-偶、电荷数-偶I=整数的核：有自旋，质量数-偶、电荷数-奇I=半整数的核：有自旋，质量数-奇、电荷数-奇偶02十二月202343-17不产生核磁信号产生核磁信号，但比较复杂，研究尚较少核磁信号简单，研究多Why？02十二月202343-182、核磁矩角动量=质量×角速度。自旋角动量是由物体自旋产生的。角动量守恒定律是自然界普遍存在的基本定律之一。原子核中的质子、中子等都有质量，质量的自旋会产生自旋角动量P——式中，h为普朗克常数（6×10－34焦耳·秒）02十二月202343-19原子核：正电荷质子+中子核的自旋引起电荷运动，等价于一个环形导体中的电流，因而会产生磁场。磁场的方向由右手定则判断。因此：自旋核是一个磁偶极子，具有核磁矩μ因发明质子核磁矩获1943年诺贝尔物理学奖磁旋比γ

，原子核特征值02十二月202343-20I=0的核：角动量P=0，则μ=0，外磁场对其无作用，不产生核磁共振信号；I≠0的核：角动量P≠0，则μ≠0，外磁场作用下产生能级分裂，有核磁信号发生；何种原子核能产生核磁共振信号？据02十二月202343-21无外加磁场：核磁矩的取向任意，能级简并。有外磁场H0：核磁偶极子与外磁场相互作用，核磁矩有一定的空间取向。二、原子核的自旋能级和共振吸收1、核磁矩的空间取向的量子化02十二月202343-22核磁矩空间量子化：核磁矩在外磁场空间的取向不是连续的、任意的，而是量子化的。核磁矩空间取向数目＝2I

+1。用磁量子数m表示：m＝I,I－1,I－2,…,－I+1,－I例如对氢核来说：I＝1/2，其m值只能有2×1/2＋1＝2个取向：m＝+1/2，与外加磁场同向m＝-1/2，与外加磁场反向02十二月202343-23核磁矩在外磁场方向的分量μz大小取决于角动量在磁场Z轴方向上的分量Pz：2、原子核的自旋能级及其分裂跃迁02十二月202343-24核磁矩能量E与核磁矩分量μz和外磁场强度H0有关：对于I＝1/2的核：有m＝±1/2两取向能级，其能级差为：能级差与H0、γ成正比；能级差小，对应于射频区02十二月202343-25核磁矩的空间量子化导致核能级分裂动画连接02十二月202343-26I=1/2自旋核的能级跃迁示意图02十二月202343-2702十二月202343-281、自旋核的进动频率自旋核处于外加静磁场H0中，将会产生一个与外加磁场形成一定角度的核磁矩，在其作用下，自旋核会围绕外磁场H0进行Larmor进动。似陀螺（二）原子核的共振吸收02十二月202343-29自旋核进动的角速度ω0＝γH0进动频率ν

＝ω0／2πLarmor方程：说明：不同自旋核，在相同H0条件下进动频率不同；同种自旋核，H0增强，进动频率增大。02十二月202343-30例1：

1H核的γ=2.67519×108T－1·s－1，求在强为1.409T、2.3490T磁场中的共振吸收频率。解：据Larmor方程：磁场强度单位：1高斯（GS）=10－4T（特拉斯）13Cγ=

6.72615×107

较小02十二月202343-31①选择性：辐射能＝跃迁能，即辐射ν0

=进动ν。而由Larmor方程得知原子核的进动频率：核磁共振吸收：在外磁场作用下，辐射频率与核自旋的磁进动频率相等时所产生的核自旋能级的跃迁吸收称为核磁共振吸收。2、产生核磁共振吸收的条件02十二月202343-32选律：跃迁只限于相邻两能级间，即△m=±

1限制性：原子核I≠002十二月202343-333、产生核磁共振的两种方式扫频：固定H0，对辐射频率ν0扫描，获得ν

扫场：固定ν0，对磁场强度H0扫描，获得ν可知，获取共振的两种方法：由02十二月202343-34综上：NMR波谱的产生过程问题：核磁共振信号有多强？能否持久？02十二月202343-351、不同能级核的数量分布：

在一定温度且无外加射频辐射条件下，原子核处在低能级(n+)和高能级(n－)的数目达到热力学平衡，其数量分布符合Boltzmann分布：可知：提高磁场强度、降低测试温度可提高低能核的比例，从而提高灵敏度。三、自旋驰豫02十二月202343-36计算说明：当H0=1.4092（射频60MHz），温度为300K时，求高能态和低能态的1H核数之比：低能态核数目仅多出十万分之一左右；核磁信号即由此产生。核磁信号较弱，故NMR测定的灵敏度较低。易产生饱和，使信号中断02十二月202343-372、饱和：低能级核吸收了射频辐射后，被激发至高能态，同时给出共振吸收信号。但随吸收过程的不断进行，只占微弱多数的低能级核会越来越少，经过一段时间后，高、低能级的核数目趋于相等而不能保持其净吸收，共振信号将不能继续产生，谱峰平宽。此现象称为核跃迁达到饱和。实际测试时会有饱和现象发生吗？原因：存在着自旋弛豫！NO!Why?02十二月202343-383、自旋弛豫：处于高能态的自旋核通过非辐射途径释放能量而及时返回到低能态的过程称为自旋弛豫。自旋弛豫使低能态核数目总是略多，保证共振信号不会中止。弛豫越易发生，消除“磁饱和”能力越强。1927年德科学家Heisenberg提出的测不准原理（1932年获诺贝尔物理学奖）：激发能量

E与体系处于激发态的平均时间(寿命△τ)成反比，与谱线变宽

成正比：寿命△τ即为弛豫时间T02十二月202343-39弛豫决定处于高能级核寿命，也与信号频带宽度有关。弛豫时间长，核磁共振信号窄。弛豫可分为：纵向弛豫、横向弛豫①纵向驰豫T1（自旋-晶格驰豫）：高能级核将能量以热的形式传递给周围分子骨架（或晶格）中的核，使自己回到低能态的过程。寿命表示为T1：T1取决于磁核的运动，流动性降低，T1长：固体分子T1较长，液体、气体T1较短。T1相对较大，一般可达几秒、几十秒甚至上千秒。02十二月202343-40②横向驰豫T2(自旋-自旋驰豫)：指处于不同能级、但进动频率相同的相邻核，通过自旋状态的交换将高能级核能量传递给低能级核的弛豫现象。固体物质，核之间相对位置比较固定，利于核之间的能量转移，T2

很短，一般10－4～10－5s；液体和气体T2较长，一般约1s。注意：弛豫时间只决定于T1、T2中时间较短者固体的T2很小，谱线很宽。故，若得到高分辨率的核磁共振谱，必须配制成溶液后进行测定。02十二月202343-41固体液体与气体备注纵向驰豫时间T1几十～上千秒1～几秒几十～百秒粘度增时间长横向驰豫时间T210－4～10－5s1秒～几秒决定者√02十二月202343-42驰豫时间T：T与峰宽成反比，与饱和成正比。T不能过大以防止饱和，T也不能过小以防止峰加宽影响分辨率。对策：①提高H0，降低测试温度，防止饱和；②将固体样品配制成溶液适