核磁共振波谱a.ppt

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1、第6章核磁共振波谱法(NuclearMagneticResonanceSpectroscopy,NMR)9.1NMR简介9.2NMR基本原理一.原子核能级的分裂及其描述二.能级分布与弛豫过程三.化学位移与自旋-自旋分裂9.3NMR仪器及组成一.仪器分类二.仪器组成NMR简介1.一般认识NMR是研究处于磁场中的原子核对射频辐射的吸收，它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。射频辐射——原子核(强磁场下能级分裂)——吸收──能级跃迁──NMR测定有机化合物的结构，1HNMR──氢原子的位置、环境以及官能团

2、和C骨架上的H原子相对数目）与UV-Vis和红外光谱法类似，NMR也属于吸收光谱，只是研究的对象是处于强磁场中的原子核对射频辐射的吸收。2.发展历史1924年：Pauli预言了NMR的基本理论，即，有些核同时具有自旋和磁量子数，这些核在磁场中会发生分裂；1946年：Harvard大学的Purcel和Stanford大学的Bloch各自首次发现并证实NMR现象，并于1952年分享了Nobel奖；1953年：Varian开始商用仪器开发，并于同年制作了第一台高分辨NMR仪；1956年：Knight发现元素所处的化学环境对NMR信号有影响，而这一影响与物质

3、分子结构有关。1970年：Fourier(pilsed)-NMR开始市场化（早期多使用的是连续波NMR仪器）。2002年，世界各地的医生进行了超过6千万次的核磁共振成像检测。这使得劳特布尔和曼斯菲尔德的获奖成为自然而然的事情2003年10月6日，瑞典卡罗林斯卡医学院宣布74岁的美国科学家保罗·劳特布尔和70岁的英国科学家彼得·曼斯菲尔德为本届诺贝尔医学奖的得主，这两位科学家的研究成果终于得到了认可。9.1NMR基本原理一.原子核能级的分裂及其描述1.原子核之量子力学模型带电原子核自旋自旋磁场磁矩(沿自旋轴方向)磁矩的大小与磁场方向的角动量P有关：

4、（为磁旋比）每种核有其固定值（H核为2.68×108T-1s-1)。其中，其中h为Planck常数(6.62410-27erg.sec)；m为磁量子数，其大小由自旋量子数I决定，m共有2I+1个取值，即角动量P有2I+1个状态！或者说有2I+1个核磁矩。必须注意：在无外加磁场时，核能级是简并的，各状态的能量相同。对氢核来说，I=1/2，其m值只能有21/2+1=2个取向：+1/2和-1/2。也即表示H核在磁场中，自旋轴只有两种取向：与外加磁场方向相同，m=+1/2，磁能级较低与外加磁场方向相反，m=-1/2，磁能级较高两个能级的能量分别为：两

5、式相减：又因为，所以，即，B0的单位为特斯拉(T,Kgs-2A-1),1T=104Gauss也就是说，当外来射频辐射的频率满足上式时就会引起能级跃迁并产生吸收。2.原子核之经典力学模型带正电荷的、且具有自旋量子数的核会产生磁场，该自旋磁场与外加磁场相互作用，将会产生回旋，称为进动(Procession)。进动频率与自旋核角速度及外加磁场的关系可用Larmor方程表示：此式与量子力学模型导出的式子完全相同。0称为进动频率。在磁场中的进动核有两个相反方向的取向，可通过吸收或发射能量而发生翻转。可见，无论从何种模型看，核在磁场中都将发生分裂，可以吸收一定

6、频率的辐射而发生能级跃迁。3.几点说明a)并非所有的核都有自旋，或者说，并非所有的核会在外加磁场中发生能级分裂！当核的质子数Z和中子数N均为偶数时，I=0或P=0，该原子核将没有自旋现象发生。如12C，16O，32S等核没有自旋。b)当Z和N均为奇数时，I=整数，P0，该类核有自旋，但NMR复杂，通常不用于NMR分析。如2H，14N等c)当Z和N互为奇偶时，I=半整数，P0，可以用于NMR分析，如1H，13C。二.能级分布与弛豫过程(RelaxationProcess)1.核能级分布在一定温度且无外加射频辐射条件下，原子核处在高、低能级的数目达到

7、热力学平衡，原子核在两种能级上的分布应满足Boltzmann分布：通过计算，在常温下，1H处于B0为2.3488T的磁场中，位于高、低能级上的1H核数目之比为0.999984。即：处于低能级的核数目仅比高能级的核数目多出16/1,000,000！当低能级的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。但随实验进行，只占微弱多数的低能级核越来越少，最后高、低能级上的核数目相等——饱和——从低到高与从高到低能级的跃迁的数目相同——体系净吸收为0——共振信号消失！幸运的是，上述“饱和”情况并未发生！例2：许多现代NMR仪器所使用的磁场强度为4.

8、69T。请问在此磁场中，氢核可吸收多大频率的辐射？例1：计算在25oC时，样品在4.69T磁场中，其处于高、