西南林大现代生化仪器分析课件07核磁共振波谱分析法第1节 核磁共振基本原理

10:32:04第七章核磁共振波谱分析法一、原子核的自旋atomicnuclearspin二、核磁共振现象nuclearmagneticresonance三、核磁共振条件conditionofnuclearmagneticresonance四、核磁共振波谱仪nuclearmagneticresonancespectrometer第一节核磁共振基本原理nuclearmagneticresonancespectroscopy;NMRprinciplesofnuclearmagneticresonance10:32:04核磁共振—在磁场的激励下，一些具有磁性的原子核存在着不同的能级，如果此时外加一个能量，使其恰好等于相邻2个能级之差，则该原子核就可能吸收能量，从低能态跃至高能态，所吸收的能量数量级相当于射频率范围的电磁波，故核磁共振就是研究磁性原子核对射频能的吸收。10:32:04若原子核存在自旋，产生核磁矩：自旋量子数I=0时原子核没有自旋现象,核磁矩等于零,故不产生共振吸收谱。自旋量子数I≠为零的核都具有磁矩。)1(IIg79270.21H70216.013C一、原子核的自旋10:32:04质量数（a）原子序数（Z）自旋量子（I）例子奇数奇或偶25,23,21,,2111HI715919613,,NFC8171735511,25,,,23OIClBI偶数偶数01632816612,,SOC偶数奇数1，2，3……51071412,3,,,1BINHI各种原子核的自旋量子数10:32:04(1)I=1或I0的原子核I=1：2H，14NI=3/2：11B，35Cl，79Br，81BrI=5/2：17O，127I(2)Ｉ＝1/2的原子核1H，13C，19F，31P原子核可看作核电荷均匀分布的球体，并象陀螺一样自旋，有磁矩产生，是核磁共振研究的主要对象，C，H也是有机化合物的主要组成元素。这类原子核的核电荷分布可看作一个椭圆体，电荷分布不均匀，共振吸收复杂，研究应用较少；10:32:04二、核磁共振现象当原子核置于外磁场B0中时，相对于外磁场，有（2I+1）种取向：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＝－1/2;10:32:04(核磁共振现象)如果氢核两种取向不完全与外磁场平行时，外磁场就要使它取向于外磁场，＝54°24’和125°36’。核自旋产生的磁场与外磁场相互作用时,产生进动(拉莫尔进动)进动频率0；角速度0；0=20=B0磁旋比；B0外磁场强度；两种进动取向不同的氢核之间的能级差：E=B0（磁矩）10:32:04三、核磁共振条件在外磁场中，原子核能级产生裂分，由低能级向高能级跃迁，需要吸收能量。即核吸收2B0的能量后，便产生共振。零磁场EE=2B0高能自旋态低能自旋态21m21m0B010:32:04在与外磁场垂直方向放置一个射频振荡线圈，产生射电频率的电磁波照射原子核，当磁场强度为某一数值时，核进动频率与振荡频率相等，则原子核与电磁波发生共振，核将吸收电磁波的能量跃迁到较高能态上。B0B010:32:04对于氢核，能级差：E=2B0（磁矩）产生共振需吸收的能量：E=2B0=h0由拉莫进动方程：0=20=B0;故共振条件：200B10:32:04共振条件式说明：1、在相同的磁场中，不同原子核发生共振时的频率各不相同，据此可以鉴别各种元素及同位素。2、对于同一种核，值一定。当外加磁场一定时，共振频率也一定；当磁场强度改变时，共振频率也随着改变。10:32:04弛豫过程弛豫——高能态的核以非辐射的方式回到低能态。饱和——低能态的核等于高能态的核。氢原子核在外磁场中，m=+1/2比m=-1/2的能态更有利。根据波尔兹曼公式计算，处于低能态的核约多百万分之一左右。如果在射频电磁波的照射下，核能吸收能量发生跃迁，低能态的核等于高能态的核，核不再吸收能量，共振吸收峰渐渐降低甚至消失，发生了饱和现象。若在饱和时，较高能态的核能及时回到较低能态，就可能保持信号稳定。由于核磁共振中氢核发生共振时吸收的能量E很小，高能态的核不可能通过发射谱线的形式失去能量而返回低能态，故高能态的核以非辐射的方式回到低能态的过程称为弛豫过程。10:32:04弛豫过程自旋-晶格弛豫：处于高能态的氢核把能量转移给周围的分子（固体为晶格，液体为溶济分子或同类分子）变成热运动，氢核就回到低能态。自旋-自旋弛豫：两个能态不同的相同核，在一定的距离内它们会互相交换能量，改变进动方向，称为自旋-自旋弛豫。10:32:04四、核磁共振波谱仪1．永久磁铁：提供外磁场，要求稳定性好，均匀，不均匀性小于六千万分之一。扫场线圈。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。10:32:043．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。4．样品管：外径5mm的玻璃管,测量过程中旋转,磁场作用均匀。10:32:04核磁共振波谱仪10:32:04样品的制备：试样浓度：5-10%；需要纯样品15-30mg；傅立叶变换核磁共振波谱仪需要纯样品1mg；标样浓度（四甲基硅烷TMS）：1%；溶剂：1H谱四氯化碳，二硫化碳；氘代溶剂：氯仿，丙酮、苯、二甲基亚砜的氘代物；10:32:04傅立叶变换核磁共振波谱仪不是通过扫场或扫频产生共振；恒定磁场，施加全频脉冲，产生共振，采集产生的感应电流信号，经过傅立叶变换获得一般核磁共振谱图。（类似于一台多道仪）10:32:04超导核磁共振波谱仪：永久磁铁和电磁铁：磁场强度25kG超导磁体：铌钛或铌锡合金等超导材料制备的超导线圈；在低温4K，处于超导状态；磁场强度100kG开始时，大电流一次性励磁后，闭合线圈，产生稳定的磁场，长年保持不变；温度升高，“失超”；重新励磁。超导核磁共振波谱仪：200-400HMz；可高达600-700HMz；