核磁NMR分析方法(研究生课件).pdf

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1、核磁共振波谱（NuclearMagneticResonance)（NMR）查刘生分析测试中心纤维材料改性国家重点实验室主要内容一、NMR分析方法的发展和主要特点二、NMR分析方法的基本原理与基本知识三、NMR仪器结构与实验方法四、NMR分析方法在材料科学研究中的应用一、NMR分析方法的发展和主要特点1.1NMR分析方法的发展IsidorIsaacRabiFelixBlochEdwardMillsPurcellOttoStern1943年物理奖1944年物理奖1952年物理奖1952年物理奖用共振方法记录原子精确地测量了核磁矩并精确地测量了核

2、磁矩并发发现了质子的磁矩核磁特性发现了核磁共振现象现了核磁共振现象RichardR.ErnstKurtWuthrichPaulLauterburPeterMansfield1991年化学奖2002年化学奖2003年医学奖2003年医学奖高分辨NMR、多维利用NMR测定溶液中生物发现MRI并用于发现MRI并用于NMR和MRI大分子三维结构的方法医学诊断医学诊断1.2NMR分析方法的分类按被测核进行分类：按被测样品状态进行分类：1•核磁共振氢谱（HNMR）•液体NMR13•核磁共振碳谱（CNMR）•固体NMR9•核磁共振氟谱（FNMR）按谱图维

3、数进行分类：31•核磁共振磷谱（PNMR）•一维NMR29•核磁共振硅谱（SiNMR）•二维NMR•三维NMR1.3NMR分析方法的特点优点：•分析物质的精细结构；•应用非常广泛；•不破坏样品。缺点：•定量分析误差大；•灵敏度低，需要的样品较多；•难以分析多组分混合物1.4NMR的主要应用分子结构的测定生物膜和脂质的多形性研究化学位移各向异性的研究脂质双分子层的脂质分子动态结构金属离子同位素的应用生物膜蛋白质——脂质的互相作用动力学核磁研究压力作用下血红蛋白质结构的变化质子密度成像生物体中水的研究TT成像生命组织研究中的应用12化学位移成像

4、生物化学中的应用其它核的成像在表面活性剂方面的研究指定部位的高分辨成像原油的定性鉴定和结构分析元素的定量分析沥青化学结构分析有机化合物的结构解析涂料分析表面化学农药鉴定有机化合物中异构体的区分和确定食品分析大分子化学结构的分析药品鉴定医学诊断1.5NMR在高分子科学中的应用分子量测定聚合物分子链之间的相互作用端基分析聚合物之间的相容性支化度分析聚合物分子链运动几何异构体聚合物分子链取向分布头－尾及头－头结构聚合物分子链取向与分子链运动的相关性聚烯烃的立构规整度聚合物晶态结构共聚物的序列结构小分子在聚合物材料内的扩散过程聚合物构象分析聚合物材

5、料内部缺陷及空洞的测定交联反应不同聚合物材料的非均匀混合多相聚合物体系聚合物材料内部的组成梯度二、NMR分析方法的基本原理与基本知识2.1NMR的基本原理1.电磁能量吸收理论（Purcell提出，基于量子光学中的能量吸收）连续波核磁共振波谱仪2.电磁感应理论（Bloch提出，基于Faraday电磁理论）脉冲傅立叶核磁共振波谱仪2.1.1原子核的自旋和偶极磁矩自旋量子数（I）不为零的核存在自旋，自旋会产生环电流，环电流产生偶极磁距µ：μ1/2µ=ћγ(I(I+1))γ：磁旋比，是核的特征常数。原子核的自旋量子数I质量数原子序数I有代表性的原子

6、核偶数偶数016O，12C，32S偶数奇数1，2，3….2H，14N奇数奇数或偶数1/2；3/2；5/2….1H，13C，11BI>1/2的原子核，电荷在原子核表面呈非均匀分布，共振吸收复杂，核磁谱线宽，NMR中很少研究;I=1/2的原子核，电荷平均分布在原子核表面，核磁谱线窄，最宜于核磁共振检测。11315192931Ｉ＝1/2的原子核：H，C，N，F，Si，PNMR分析中常见原子核的有关物理参数同位素天然丰度自旋磁旋比a共振频率b检测灵敏度c1H0.999851/226.752100113C0.011081/26.728325.1441

7、.76x10-415N0.3651/2－2.71294.080.8319F11/225.18194.080.8329Si0.0471/2-5.318819.8653.69x10-431P11/210.84140.4810.0663a磁旋比的单位是107弧度/特斯拉/秒；b共振频率以1H频率为100MHz作参考；c检测灵敏度以1H为1作为参考，并考虑了同位素的天然丰度。2.1.2电磁能量吸收理论在磁场外,核自旋没有固定的N取向，核自旋能级简并。NSS在外加磁场中原子核发生能级分裂m=-1/2NSNSNSNSSDE=ћγBoNSNSNSNNm=

8、1/2SBBoEo能级上原子核个数的分布假定处于低能级的原子核数目为n1,处于高能级的原子核数目为n2，n2与n1之间的比值满足玻尔兹曼定律：k为玻尔兹曼常数当T=300K，B0