NMR-核磁共振波谱法

核磁共振波谱法NuclearMagneticResonanceSpectroscopy，NMRSomehistoryofNMR1946PrincipleofsolidstateNMR(Bloch,Purcell)1950Resonancefrequencydependsonchemicalenvironment(Proctor,Yu)1953Overhausereffect1956FirstNMRspectraofprotein(Ribonuclease)1965FourierTransformspectroscopy(Ernst)1985Firstproteinstructure(bovinepancreatictrypsininhibitor)insolution(Wüthrich)1973Imagingtomography(Mansfield)Bynow:Morethan150proteinstructures(M60000)BPTIBoundwaterProteindynamicsFunctionalMRIMRIisusedforimagingofallorgansinthebody.NMRNobelPrizeWinners1944IsadorRabi1952FelixBloch&EdwinPurcell1991RichardErnst2002KurtWüthrich2003PaulLauterbur&SirPeterMansfieldTheNobelPrizeinPhysics1952fortheirdevelopmentofnewmethodsfornuclearmagneticprecisionmeasurementsanddiscoveriesinconnectiontherewithFelixBlochEdwardMillsPurcellTheNobelPrizeinChemistry1991forhiscontributionstothedevelopmentofthemethodologyofhighresolutionnuclearmagneticresonance(NMR)spectroscopyRichardR.ErnstTheNobelPrizeinChemistry2002forhisdevelopmentofnuclearmagneticresonancespectroscopyfordeterminingthethree-dimensionalstructureofbiologicalmacromoleculesinsolutionKurtWüthrichTheNobelPrizeinMedicine2003fortheirdiscoveriesconcerningmagneticresonanceimagingPaulC.LauterburSirPeterMansfield概述核磁共振(NuclearMagneticResonance，NMR)是上世纪中叶发现的低能电磁波（无线电波）与物质相互作用的一种基本物理现象。核磁共振是指处于外磁场中的物质原子核系统受到相应频率（兆赫数量级的射频）的电磁波作用时，在其磁能级之间发生的共振跃迁现象。核磁共振波谱是测量原子核对射频辐射（4～1000MHz）的吸收，这种吸收只有在高磁场中才能产生。核磁共振是近几十年发展起来的新技术，它与元素分析、紫外光谱、红外光谱、质谱等方法配合，已成为化合物结构测定的有力工具。目前核磁共振波谱的应用已经渗透到化学学科的各个领域，广泛应用于有机化学、药物化学、生物化学、环境化学等与化学相关的各个学科。Kcal/mol5.7X1059.5X1031.7X1034.8X1029.5X10-31.27210-4EIMSNMRE=hhc=Figure:(a)Nuclearspinsareorientedrandomlyintheabsenceofanexternalmagneticfieldbut(b)haveaspecificorientationinthepresenceofanexternalfield,B0.Someofthespins(red)arealignedparalleltotheexternalfieldwhileothers(blue)areantiparallel.TheparallelspinstateisslightlylowerinenergyandthereforefavoredDependenceofthedifferenceinenergybetweenlowerandhighernuclearspinlevelsofthehydrogenatomNucleiindifferentenvironments(i.e.withdifferentamountsofelectrondensityaroundthem)willrequiredifferentamountsofenergyto“flip”tohigherenergydifferentspinstate物质的磁性是由分子电流引起的。是一种特殊的物质形式。磁场不仅可由电流激发，也可通过变化着的电场激发。直线电流产生的磁场，其方向用右手螺旋法则确定。在磁体内部，磁场方向由S极指向N极；在磁体外部，磁场方向由N极指向S极。磁场强度B是用来度量磁场中某点磁场大小和方向的物理量。单位为高斯（Gauss,简称G）和特斯拉（Tesla，简称T），1G=10-4T。1.磁场强度2.磁矩将磁极强度为m，长度为l的条形，磁铁放入场强为B0的匀强磁场中，磁铁就会受到一种力偶矩（M）的作用。M=mlB0M与l反映磁铁的固有性质，与外磁场无关。乘积ml叫条形磁铁的磁矩。ExternalMagneticFieldWhenplacedinanexternalfield,spinningprotonsactlikebarmagnets.=TwoEnergyStatesThemagneticfieldsofthespinningnucleiwillaligneitherwiththeexternalfield,oragainstthefield.Aphotonwiththerightamountofenergycanbeabsorbedandcausethespinningprotontoflip.=3.转动和角频率（角速度）如圆盘匀速转动，则角速度为常数，单位是。2f/rads物体运动时，如果其上各点都绕同一直线作圆周运动，该运动就称为转动(rotation)，此直线就是转轴。4.角动量PJ角动量(angularmomentum)或动量矩(momentofmomentum)PmvJ为转动惯量(rotationalinertia),其大小由物体的质量、质量分布以及转轴的位置三者决定。J和相当于运动物体的动量(momentum)中的m和v。5.进动以陀螺的转动为例，当其转动轴线与重力方向出现倾角时，陀螺在绕自身轴线转动的同时，其转轴还绕重力方向回转。物理学上把这种回转现象称为进动(precession)6.原子核的自旋原子由原子核和绕核运动的电子所组成。自旋（spin）是指微观粒子像地球自转轴旋转那样高速旋转。这种旋转又与圆线圈中的电流（圆电流）类似，因而会产生磁场。自旋是粒子或原子核具有磁矩的原因。核外电子有单电子的轨道运动和电子的自旋两种运动方式。大多数原子核也具有自旋的特性。第二节核磁共振的基本概念7.原子核的磁矩原子核是带正电的粒子,其电荷均匀地分布在它的表面上。核的自旋运动使得核的周围出现磁场。原子核的磁矩为方向垂直于环形电流的方向。为核的磁旋比。（核的特征常数）NNNPN核磁共振现象的产生原子核的基本属性1）原子核的质量和所带电荷——是原子核的最基本属性。2）原子核的自旋和自旋角动量——量子力学中用自旋量子数I描述原子核的运动状态。质量数质子数中子数自旋量子数I典型核偶数偶数偶数012C,16O,32S偶数奇数奇数n/2(n=2,4…)2H,14N奇数偶数奇数奇数偶数n/2(n=1,3,5….)13C,17O,1H,19F,15N，11B,34Cl,79Br,81Br各种核的自旋量子数I=0，非自旋球体，无核磁共振现象；I=1，2，3，3/2，5/2…..自旋椭球体；I=1/2，自旋球体。核磁共振产生的条件当外界电磁波提供的能量正好等于相邻能级间的能量差时，核就能吸收电磁波的能量从较低能级跃迁到较高能级，被吸收的电磁波的频率为：021BhE外磁场的存在是核磁共振产生的必要条件。计算：B0=2.35T时，1H的吸收频率？13C的吸收频率？100MHz~25.2MHz——射频（无线电波）部分。驰豫（relaxation）受激发射：在电磁波作用下，处于高能级的粒子回到低能级，发出频率为ν的电磁波，因此电磁波强度增强的现象。Boltzmann分布表明，在平衡状态下，高低能级上的粒子数分布由下式决定：kTEhleNN/自发辐射的几率与能级差成正比。从激发状态恢复到Boltzmann平衡的过程就是驰豫过程。NuclearSpinAnucleuswithanoddatomicnumberoranoddmassnumberhasanuclearspin.Thespinningchargednucleusgeneratesamagneticfield.=EandMagnetStrengthEnergydifferenceisproportionaltothemagneticfieldstrength.E=h=hB02Gyromagneticratio,,isaconstantforeachnucleus(26,753s-1gauss-1forH).Ina14,092gaussfield,a60MHzphotonisrequiredtoflipaproton.Lowenergy,radiofrequency.=核磁共振原理一、原子核的磁矩原子核是带正电荷的粒子，和电子一样有自旋现象，因而具有自旋角动量以及相应的自旋量子数。由于原子核是具有一定质量的带正电的粒子，故在自旋时会产生核磁矩。核磁矩和角动量都是矢量，它们的方向相互平行，且磁矩与角动量成正比，即μ=γp式中：γ为旋磁比（magnetogyricratio）,rad·T−1·s−1，即核磁矩与核的自旋角动量的比值，不同的核具有不同旋磁比，它是磁核的一个特征值；μ为磁矩，用核磁子表示，1核磁子单位等于5.05×10−27J·T−1；p为角动量，其值是量子化的，可用自旋量子数表示p为角动量，其值是量子化的，可用自旋量子数表式中：h为普郎克常数（6.63×10−34J·s）；−I为自旋量子数，与原子的质量数及原子序数有关。式中：h为普郎克常数（6.63×10−34J·s）；−I为自旋量子数，与原子的质量数及原子序数有关。）（12IIhp基本原理一原子核的自旋和磁矩)1(2IIhp23,1,21,0:II自旋量子数，当I=0时，p=0，原子核没有磁矩，没有自旋现象；当I＞0时，p≠0，原子核磁矩不为零，有自旋现象。I=1/2的原子核在自旋过程中核外电子云呈均匀的球型分布，见图10.1（b）核磁共振谱线较窄，最适宜核磁共振检测，是NMR主要的研究对象。I＞1/2的原子核，自旋过程中电荷在核表面非均匀分布图10.1原子核的自旋形状质量数A原子序数Z自旋量子数I核磁性原子核偶数偶数0无偶数奇数整数有奇数奇或偶数半整数有612C816O12H714N11H613C自旋量子数与质量数、原子序数自旋量子数与原子的质量数及原子序数的关系见表：质量数A原子序数Z自旋量子数INMR信号原子核偶数偶数0无12C616O832S16奇数奇或偶数½有1H1，13C619F9，15N7，31P15奇数奇或偶数3/2,5/2…有1