核磁共振波谱分析法课件.ppt

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1、第九章核磁共振波谱法(NMR)NuclearMagneticResonanceSpectroscopy第一节概述一、什么是NMRNMR的研究对象磁性核与电磁波的相互作用磁性核在磁场中磁性核：109种元素所有的核均带电荷，有些核具有角动量，即其电荷可以绕自旋轴自转(似带电的陀螺)磁棒在磁场中图示：磁性核在外加磁场中的行为图1:(1)无外加磁场时，样品中的磁性核任意取向。(2)放入磁场中，核的磁角动量取向统一，与磁场方向平行或反平行图2:(1)无外加磁场时，磁性核的能量相等。(2)放入磁场中，有与磁场平行（低能量）和反平行（高能量）两种，出现能量

2、差E=h。用能量等于E的电磁波照射磁场中的磁性核，则低能级上的某些核会被激发到高能级上去(或核自旋由与磁场平行方向转为反平行)，同时高能级上的某些核会放出能量返回低能级，产生能级间的能量转移，此即共振。NMR利用磁场中的磁性原子核吸收电磁波时产生的能级分裂与共振现象。NSNSSNNS电磁波与不同种类核的作用NSNSNSSNSNNS不同频率频率强度二、NMR发展简史1924年PauliW.假设特定的原子核具有自旋和磁矩，放入磁场中会产生能级分裂1952年Standford大学的Bloch和Harvard大学的Purcell独立证实了上述

3、假设。获NobelPrize1953年，第一台NMR仪器FT-NMR1991年，Ernst对高分辨核磁共振方法发展（获NobelPrize）2002年（生物大分子的核磁分析）三、设计NMR仪器的关键考虑a)NMR产生的外因：外加磁场b)NMR信号产生的内因：样品是否吸收，由核的种类决定c)样品的吸收频率范围：无线电电磁波d)NMR谱记录：吸收峰频率(化学位移）与峰强度的关系第二节核磁共振理论基础一、核磁共振的产生1、磁性核和非磁性核自旋角动量与磁矩磁矩原子核荷正电，当其绕轴旋转时产生电流，周围形成磁场，使得原子核存在磁距μ。磁距μ与自旋角动

4、量P成正比，比例常数为：=P称为磁旋比，是原子核的重要属性（见下页图）。但是，不是所有的原子核都有磁性。经验规律：（1）原子核的总核自旋角动量P为零，此类核无NMR信号。如4He,12C,16O，质子数与中子数相等。（2）自旋角动量P不为零，称为磁性核：I0I0的核为磁性核，可以产生NMR信号。I=0的核为非磁性核，无NMR信号。自旋角动量P是量子化的，可用自旋量子数I表示。I为整数、半整数或零。原子核组成(质子数p与中子数n)与自旋量子数I的经验规则：p与n同为偶数，I=0。如12C,16O,32S等。p+n=奇数，I=半整数(1

5、/2,3/2等)。如1H,13C,15N,17O,31P等。p与n同为奇数，I=整数。如2H,6Li等。I0的核为磁性核，可以产生NMR信号。I=0的核为非磁性核，无NMR信号。I=1/2的原子核，其电荷均匀分布于原子核表面，这样的原子核不具有四极矩，其核磁共振的谱线窄，最宜于核磁共振检测。自旋量子数与原子核的质量数及质子数关系2、核磁共振的频率磁距μ与磁场B0的相互作用能E为E=-μB0=PB0原子核间进行能级跃迁的能量为（选律m=1）=B0/2自旋量子数为1/2的核核磁矩与能级的关系(a)地球重力场中陀螺的进动(b)磁场中磁性

6、核的进动核的进动圆频率：=2=B0核磁共振的产生静磁场中，磁性核存在不同能级。用一特定频率的电磁波(能量等于E)照射样品，核会吸收电磁波进行能级间的跃迁，此即核磁共振。E=h=(h/2)B0=B0/2核磁共振的基本方程式讨论：（1）磁场固定时，不同频率的电磁波可使不同的核(不同)产生共振；（2）同样的核(一定)，改变磁场时，吸收频率不同。不同核的NMRB0=2.35T（特士拉）：=25MHz时，13C共振；分别为100MHz、94MHz、40.5MHz时，可分别观测1H,19F,31P核的吸收。磁性核的共振频率与

7、外加磁场成比例：B03、驰豫过程RelaxationProcess热平衡时各能级上核的数目服从Boltzmann分布N/N=exp(-E/kT)E=h=hB0/2N/N=exp(-hB0/2kT)N：高能级的原子核数N：低能级的原子核数k：Boltzmann常数，1.3810-23JK-1若1H核，B0=4.39T,20C时，则：N/N=exp[-(2.681086.6310-344.39)/(21.3810-23293)]=0.999967对于106个高能级的核，低能级核的数目：N=106

8、/0.999967=1,000,033(a)核在态与态间达到热平衡的状态。(b)比(a)处于高热能的状态，不再有热平衡(c)两能级间原子核数目相等