核磁共振波谱法

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1、第八章核磁共振波谱法（NuclearMagneticResonanceSpectroscopy,NMR）所谓核磁共振是指处于外磁场中物质的原子核受到相应频率的电磁波作用时，在其磁能级之间发生的共振跃迁现象，检测电磁波被原子核吸收的情况就可以得到核磁共振波谱。高分辨核磁共振谱23第一节、核磁共振基本原理一、原子核的自旋由于原子核是具有一定质量的带正电的粒子，故在自旋时会产生核磁矩。核磁矩和角动量都是矢量，它们的方向相互平行，且磁矩与角动量成正比，即：μ=γp式中：γ为磁旋比；μ为磁矩，p为角动量，其值是量子化的，

2、可用自旋量子数（I）表示：4自旋量子数（I）与原子的质量数（A）和原子序数（Z）的关系质量数A原子序数Z自旋量子数IMNR信号原子核偶数偶数0无奇数奇数或偶数1/2有3/2，5/2…有偶数奇数1，2，3…有5讨论当I=0时，P=0，原子核没有磁矩，没有自旋现象；当I＞0时，p≠0，原子核磁矩不为零，有自旋现象。I=1/2的原子核在自旋过程中核外电子云呈均匀的球型分布，核磁共振谱线较窄，最适宜核磁共振检测，是NMR主要的研究对象。I＞1/2的原子核，自旋过程中原子核的核电荷分布可看作一个椭圆体，电荷分布不均匀，共

3、振吸收复杂，研究应用较少。图原子核的自旋形状6二、自旋核在外加磁场中的行为当氢核围绕它的自旋轴转动时就产生磁场，由于氢核带正电荷，转动时产生的磁场方向可用右手螺旋定则确定。旋转的氢核可看作是一个小的磁铁棒。7在没有外磁场时，自旋核的取向是任意的，并且自旋产生的磁场方向也是任意的。如果把H核放在外磁场中,由于磁场间的相互作用，氢核的磁场方向会发生变化。8按照量子力学理论，自旋核在外加磁场中的自旋取向数不是任意的，可按下式计算：自旋取向数=2I＋1以H核为例，因I=1/2，故在外加磁场中，自旋取向数=2（1/2）＋

4、1=2，即有两个且自旋相反的两个取向，其中一个取向磁矩与外加磁场B0一致；另一取向磁矩与外加磁场B0相反。1H的自旋取向示意图B09每个自旋取向将分别代表原子核的某个特定的能量状态，并可用磁量子数（m）来表示，它是不连续的量子化能级。m取值可由－I……0……＋I决定。例如：I=1/2，则m=−1/2，0，＋1/2；I=1，则m=－1，0，＋1。当自旋取向与外加磁场一致时（m=＋1/2），氢核处于一种低能级状态（E=－μB0）；相反时（m=－1/2），氢核处于一种高能级状态（E=＋μB0）。两种取向间的能级差，可

5、用ΔE来表示：ΔE=E2－E1=＋μB0－(－μB0)=2μB0式中：μ为氢核磁矩；B0为外加磁场强度图能级裂分与外加磁场强度的关系10核的回旋当原子核的核磁矩处于外加磁场B0中，由于核自身的旋转，而外加磁场又力求它取向于磁场方向，在这两种力的作用下，核会在自旋的同时绕外磁场的方向进行回旋，这种运动称为Larmor进动。B011由于磁场的作用，原子核一方面绕轴自旋，另一方面又围绕着磁场方向进动。其进动频率，除与原子核本身特征有关外，还与外界的磁场强度有关。进动时的频率、自旋质点的角速度与外加磁场的关系可用Lar

6、mor方程表示：ω=2πv=γB0v=γB0/2π式中：ω—角速度；v—进动频率（回旋频率）；γ—磁旋比（特征性常数）。12三、核磁共振的产生及条件在磁场中，一个核要从低能态向高能态跃迁，此时核由m=+1/2的取向跃迁至m=-1/2的取向，就必须吸收ΔE＝2B0的能量。通常，这个能量可由照射体系用的电磁辐射来供给。13用一频率为ν射的电磁波照射磁场中的1H核时，电磁波的能量为：14如果发生核磁共振则要求E射=ΔE，所以发生核磁共振的条件是:或：‖当电磁波的频率与该核的回旋(或进动）频率相等时，电磁波的能量就会

7、被吸收，核的自旋取向就会由低能态跃迁到高能态，即发生核磁共振。15讨论：（1）对于不同的原子核，由于磁旋比(γ)不同，发生共振的条件不同，即发生共振时ν0和B0不同——鉴别各种元素及同位素。产生共振途径：固定B0，改变ν0（扫频），固定ν0，改变B0（扫场）。如：在1.4092特斯拉的磁场，各种核的共振频率为：1H60.000MHz13C15.086MHz19F56.444MHz31P24.288MHz16讨论：（2）对于同一种核，γ值一定。当外磁场一定时，共振频率也一定；当磁场强度改变时共振频率也随着改变。对

8、于1H核，不同的频率对应的磁场强度为：射频40MHz磁场强度0.9400特斯拉601.40921002.35002004.70003007.100050011.750017四、能级分布与弛豫过程当磁场不存在时，大量存在的I=1/2的原子核对两种可能的磁量子数并不优先选择任何一个，平均分布在m为+1/2和-1/2两个能级中。也就是说，由低能态吸收能量跃迁到高能态和高能态释放出能量回到低能