核磁共振-潍坊学院

核磁共振(NMR)潍坊学院物理与电子科学学院核磁共振(NMR)核磁共振现象核磁共振原理实验方法核磁共振仪山西大学物理实验中心•1924年泡利提出核自旋的假设--实验证实。•1932年，发现中子后，认识到：核自旋是质子自旋与中子自旋之和。•核磁矩：质子数和中子数两者或其一为奇数时，核才有非零的核磁矩——产生核磁共振.•核磁共振(nuclearmagneticresonance，NMR)是指自旋磁矩不为零的原子核，在外磁场中，其核能级将发生分裂。若再有一定频率的电磁波作用于它，分裂后的核能级之间将发生共振跃迁的现象。核磁共振是1946年由美国斯坦福大学布洛赫(F.Block)和哈佛大学珀赛尔(E.M.Purcell)各自独立发现的，两人因此获得1952年诺贝尔物理学奖。50多年来，核磁共振已形成为一门有完整理论的新学科。核磁共振的方法与技术作为分析物质的手段，由于其可深入物质内部而不破坏样品，并具有迅速、准确、分辨率高等优点而得以迅速发展和广泛应用，已经从物理学渗透到化学、生物、地质、医疗以及材料等学科，在科研和生产中发挥了巨大作用。12位因对核磁共振做出贡献而获得诺贝尔奖的科学家•1944年I.Rabi•1952年F.Block•1952年E.M.Purcell•1955年W.E.Lamb•1955年P.Kusch•1964年C.H.Townes•1966年A.Kastler•1977年J.H.VanVleck•1981年N.Bloembergen•1983年H.Taube•1989年N.F.Ramsey•1991年R.R.Ernst核磁共振原理半数以上的原子核具有自旋，旋转时产生一小磁场。当加一外磁场，这些原子核的能级将分裂，即塞曼效应。在外磁场B0中塞曼分裂图：原子核的自旋若原子核存在自旋，产生核磁矩：自旋角动量：I：自旋量子数；h：普朗克常数；核磁子=eh/2Mc；自旋量子数（I）不为零的核都具有磁矩，原子的自旋情况可以用（I）表征：质量数原子序数自旋量子数I偶数偶数0偶数奇数1，2，3….奇数奇数或偶数1/2；3/2；5/2….)1(2IIh)1(IIg核磁矩：核磁矩•核磁矩：•I:核自旋量子数、因子、•：核的玻尔磁子（常数）•在外磁场Bz下：•宏观物质：体磁化强度NiiuM1IgrJNgN讨论:1．I=0的原子核O(16)；C（12）；S（22）等，无自旋，没有磁矩，不产生共振吸收。2．I=1或I1的原子核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；3．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。核磁共振自旋量子数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H0中时，相对于外磁场，可以有（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;核磁共振（NMR）产生条件：•均匀磁场Bz：•产生塞曼能级分裂：•垂直Bz加一射频磁场B1：•受激吸收跃迁和受激发射跃迁hBgEEEzN12tBtB1cos1)(1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。能级量子化。射频振荡线圈产生电磁波。对于氢核，能级差：E=H0（磁矩）产生共振需吸收的能量：E=H0=h0由拉莫进动方程：0=20=H0;共振条件：0=H0/(2)共振条件(1)核有自旋(磁性核)(2)外磁场,能级裂分;(3)照射频率与外磁场的比值0/H0=/(2)核磁共振实验方法研究核磁共振有两种方法，一是连续波法或称稳态方法，是用连续的射频场（即旋转磁场B1）作用到核系统上，观察到核对频率的响应信号。另一种是脉冲方法，用射频脉冲作用在核系统上，观察到核对时间的响应信号。脉冲法有较高的灵敏度，测量速度快，但需要进行快速付里叶变换，技术要求较高。NSBoB1DetectorFrequencyGeneratorRecorderMagnet核磁共振实验简图脉冲核磁共振脉冲核磁共振比连续波核磁共振去掉了移相器，增加了脉冲程序器用来产生不同宽度、不同间隔的窄脉冲，以控制射频电磁场的发射和接收．在脉冲程序器作用下，射频电磁场只在短时间内作用于样品，随即关闭．射频接收机在射频电磁场作用于样品时，不接收射频信号，当脉冲射频场结束时，射频接收机接收带有核自旋系统的自由感应衰减或自旋回波信息的射频信号．因此脉冲程序器对射频发射机和接收机来说相当于单刀双掷开关．共振条件：=0=0实现连续波核磁共振的两种方法a．扫场法:改变ob．扫频法:改变连续波核磁共振实验装置图瞬时共振吸收信号稳态共振吸收信号脉冲核磁共振仪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。10MHz－30MHz。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。4．样品管：外径5mm的玻璃管,测量过程中旋转,磁场作用均匀。讨论:1)样品用蒸馏水，缓慢改变B0或，找出共振信号，然后分别改变、、大小，观察共振信号位置、形状的变化并分析讨论。2)如将核磁共振方法作为探测手段,其探测精度如何确定?如何提高?3)不加扫场电压能否观察到共振信号？4）B0、B1的作用是什么？如何产生，它们有什么区别？核磁共振技术应用•核磁共振方法适合于液体、固体。如今的高分辨技术，还将核磁用于了半固体及微量样品的研究。核磁谱图已经从过去的一维谱图（1D）发展到如今的二维（2D）、三维（3D）甚至四维（4D）谱图，陈旧的实验方法被放弃，新的实验方法迅速发展，它们将分子结构和分子间的关系表现得更加清晰。•在世界的许多大学、研究机构和企业集团，都可以听到核磁共振这个名词。而且它在化工、石油、建材、食品、冶金、地质、国防、环保及其它工业部门用途日益广泛。•在我国，其主要应用在基础研究，企业和商业应用普及率不高，主要原因是产品开发不够、使用成本较高。但在石油化工、医疗诊断方法应用较多。潍坊学院物理学实验中心