第8章 核磁共振波谱法

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1、第8章核磁共振波谱法(NMR)主要内容1.ＮＭＲ的基本原理2.核磁共振波谱仪3.ＮＭＲ的信息4.图谱解析8-1概述英国科学家彼得·曼斯菲尔德和美国科学家保罗·劳特布尔因在核磁共振成像技术领域的突破性成就而一同分享2003年诺贝尔生理学或医学奖。迄今，已经有六位科学家因在核磁共振研究领域的突出贡献而分别获得诺贝尔物理学、化学、生理学或医学奖。利用核磁共振光谱进行结构测定，定性与定量分析的方法称为核磁共振波谱法。简称NMR将磁性原子核放入强磁场后，用适宜频率的电磁波照射，它们会吸收能量，发生原子核能级跃迁，同时产生核磁共振信号，得到核磁共振。在有机化合物中，经常研究的是1HNMR和13

2、CNMR的共振吸收谱，重点介绍H核共振的原理及应用。与紫外、红外比较共同点都是吸收光谱紫外-可见红外核磁共振吸收能量紫外可见光200~780nm红外光780nm~1000m无线电波1~100m波长最长，能量最小,不能发生电子振动转动能级跃迁跃迁类型电子能级跃迁振动能级跃迁自旋原子核发生能级跃迁NMR是对各种有机和无机物的成分、结构进行定性分析的最强有力的工具之一，有时亦可进行定量分析，在化学、生物、医学、临床等研究工作中得到了广泛的应用。分析测定时，样品不会受到破坏，属于无破损分析方法8-2NMR的基本原理一、原子核的磁性原子核是具有一定质量和体积的带电粒子，大多数核都有自旋现象

3、，具有核自旋角动量(P)。自旋时产生磁矩()。磁矩和角动量都是矢量，方向相互平行，且磁矩随角动量的增加呈正比地增加：=P：磁旋比；不同核不同核自旋角动量是量子化的，可用自旋量子数I表示。I：自旋量子数，由实验确定；h：普朗克常数；自旋角动量的大小，取决于核的自旋量子数I。I值得变化是不连续的，只能是0、半整数、整数。实践证明：自旋量子数（I）与原子质量数（A）、质子数（Z）、中子数（N）有关：质量数质子数中子数自旋量子数核磁性实例（A）（Z）（N）（I）偶数偶数偶数0无12C,16O,32S偶数奇数奇数1，2，3….有2H,10B,14N奇数奇数或偶数偶数或奇数1/2；

4、3/2；5/2….有1H,13C,17O,19F,31P表中可以看出：I=0的原子核没有自旋现象，无磁性，称为非磁性核，这类核不会发生核磁共振。其中I=1/2时，核电荷呈球形分布于核表面，其核磁共振的谱线窄，最适宜检测，是核磁共振要研究的主要对象。如1H,13C,19F,31P。自旋量子数I=1/2的原子核（氢核），可当作电荷均匀分布的球体，绕自旋轴转动时，产生磁场，类似一个小磁铁。当置于外加磁场B0中时，相对于外磁场，可以有（2I+1）种自旋取向：氢核（I=1/2），两种取向（两个能级）：(1)与外磁场平行，能量低，磁量子数ｍ＝＋1/2;(2)与外磁场相反，能量高，磁量子数ｍ＝－

5、1/2;磁量子数m取值：I，I-1,..,-I二、核自旋能级和核磁共振（一）核自旋能级3.NMR条件原子核必须具有核磁性质，即必须是磁性核(或称自旋核)，有些原子核不具有核磁性质，它就不能产生核磁共振波谱。这说明核磁共振的限制性；有处于外磁场（磁感应强度为B0）中的自旋原子核照射原子核的射频能量必须等于核磁能级差，ΔE=hν=rB0h/2Π8-3核磁共振波谱仪核磁共振仪可分为两类：(1)连续波核磁共振仪(2)脉冲-傅里叶变换核磁共振仪(一)连续波核磁共振仪连续波核磁共振仪磁铁射频振荡器探头射频接受器扫描发生器信号放大记录仪两个磁铁，给样品施加外加磁场，在磁铁上绕有扫描线圈，当线圈上

6、通以直流电就产生附加磁场，可以调节磁场强度，样品装在玻璃管中，样品管可以旋转，所需的射频场由射频振荡器发生，并通过射频振荡线圈作用于样品，NMR信号通过射频接受线圈由射频接受器接受，经放大由记录器给出核磁共振谱。1．永久磁铁：提供外磁场，要求稳定性好，均匀；决定核磁共振仪灵敏度及分辨率。常用的磁铁：永磁铁、电磁铁、超导磁铁。电磁铁的磁场强度可以调节。超导磁铁可以提供更高的磁场。2．射频振荡器：线圈垂直于外磁场，发射一定频率的电磁辐射信号。60MHz或100MHz。3．射频信号接受器（检测器）：当质子的进动频率与辐射频率相匹配时，发生能级跃迁，吸收能量，在感应线圈中产生毫伏级信号，放

7、大后即可显示于示波器上，由记录器自动描记谱图。4．样品管：外径5mm的玻璃管,测量过程中旋转,磁场作用均匀。5.探头：用来使样品管保持在磁场中某一固定位置的器件。(二)脉冲傅里叶变换核磁共振仪(PulsedFourierTransformNMR,PFT-NMR)采用在恒定的磁场中，用一定频率宽度的射频强脉冲波辐照试样，使自旋取向发生改变并跃迁至高能态。高能态的核经一段时间后又重新返回低能态，通过收集这个过程产生的感应电流，即可获得时间域上的波谱图。当脉冲发射时，试样中