核磁共振基本原理及實(shí)現(xiàn)方法課件

1、 第4章 核磁共振氫譜（1HNMR） 一、原子核的自旋和磁矩 二、核在外磁場(chǎng)中的自旋取向三、核的回旋四、核磁共振五、弛豫過(guò)程 4.1 核磁共振基本原理1H Nuclear Magnetic Resonance principles of nuclear magnetic resonance 1945年，E. M. Purcell 和 F. Block 分別發(fā)現(xiàn)了水和石蠟中氫核的核磁共振現(xiàn)象。 化合物中原子產(chǎn)生的核磁共振信號(hào)與其分子結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。由有機(jī)化合物的核磁共振譜圖，可獲得相關(guān)原子在分子中所處化學(xué)環(huán)境的信息，因此可以確定化合物的分子結(jié)構(gòu)。4.1.1 原子核的自旋和磁矩atomi nucle

2、ar spin 若原子核存在自旋運(yùn)動(dòng)，便會(huì)產(chǎn)生核磁矩和自旋角動(dòng)量： 自旋量子數(shù)（I）可以為 0、整數(shù)、半整數(shù)。 I 0 的核，p0，無(wú)自旋運(yùn)動(dòng)。 I 不為零的核都具有核磁矩和自旋角動(dòng)量。 （1） I = 0 的原子核 ： 16 O、 12 C、 22 S .等 ，無(wú)自旋，沒(méi)有核磁矩，不 產(chǎn)生共振吸收。 （2） I 1/ 2 的原子核： I = 1 ： 2H， 14N I = 3/2： 11B，35Cl，79Br，81Br I = 5/2： 17O，127I. 這類(lèi)原子核可看作電荷在核表面非均勻分布的旋轉(zhuǎn)橢球體，其電四極矩不為零，共振吸收復(fù)雜，譜線(xiàn)較寬，不利于NMR測(cè)量，研究應(yīng)用較少。 （3）

3、1/ 2 的原子核 ： 1H，13C，19F，31P . 等。 這類(lèi)原子核可看作核電荷均勻分布于球面的旋轉(zhuǎn)球體，并象陀螺一樣自旋，有自旋磁矩產(chǎn)生，其電四極矩為零，NMR譜線(xiàn)較窄，適宜于NMR測(cè)量，是核磁共振研究的主要對(duì)象。 C、H 也是有機(jī)化合物的主要組成元素。 0 的核有自旋運(yùn)動(dòng)，其核磁矩與自旋角動(dòng)量P 的關(guān)系為： P 式中, 為磁旋比，是核的特征常數(shù)，其單位為: rad .T-1.s-1 1H 核的 26.752107rad .T-1.s-1. 13C 核的 6.728107rad .T-1.s-1 . 4.1.2 核在外磁場(chǎng)中的自旋取向 0 的核叫磁性核。 磁性核在外磁場(chǎng)中會(huì)發(fā)生自旋能級(jí)

4、的裂分，產(chǎn)生不同的自旋取向。 共有 21 種量子化的自旋取向。 每一種取向都代表了原子核的某一特定的自旋能量狀態(tài)，可用磁量子數(shù) m 來(lái)表示之。 磁量子數(shù) m 的取值為： m ，1，2，.（1）, 。例如， 1H 核 ： 1/ 2 ，故 m1/ 2，1/ 2 。 14N 核 ： 1，故 m 1， 0 ，1 。 33S 核 ： 3/ 2，故 m 在外磁場(chǎng)B0中，氫核的自旋能級(jí)產(chǎn)生兩種自旋取向：（1） 與外磁場(chǎng)平行，能量低，磁量子數(shù) 1/ 2 ; （2） 與外磁場(chǎng)相反，能量高，磁量子數(shù) 1/ 2 。1H14N 核自旋角動(dòng)量在Z 軸上的投影 PZ為 ： PZ hm / 2 核磁矩在Z 軸上的投影 Z為

5、 ： Z PZ hm / 2 在外磁場(chǎng)B0中，核磁矩與B0相互作用，使核磁矩具有一定的能量： EZ B0 對(duì)于1/ 2 核 ： m1/ 2 時(shí)， E（1/2） ZB0hm / 2hB0 / 4 m1/ 2 時(shí)， E（1/2） ZB0hm / 2 hB0 / 4 此二能級(jí)的能量差 E E（1/2） E（1/2） hB0 / 2 E hB0 / 2表明，在外磁場(chǎng) B0 中，核自旋能級(jí)裂分后的能級(jí)差隨著 B0 強(qiáng)度的增大而增大，如下圖所示。 4.1.3 核的回旋 將自旋核置于一均勻外磁場(chǎng) B0 中，若 B0 與核磁矩成一夾角，這時(shí)，外磁場(chǎng)將產(chǎn)生一個(gè)力矩作用于自旋核，迫使其取向于B0 ,從而產(chǎn)生繞自旋

6、軸旋轉(zhuǎn)的同時(shí)，繞 B0 進(jìn)行回旋的運(yùn)動(dòng) 拉摩爾進(jìn)動(dòng)。 核的回旋角頻率為： 2v0B0式中，v0為核的回旋頻率。v0 B0/ 2 4.1.4 核磁共振 在與外磁場(chǎng)B0 垂直的方向上施加一個(gè)頻率為 v 的交變射頻場(chǎng)B1，當(dāng) v 與核的回旋 v0 相等時(shí)，自旋核能夠吸收射頻場(chǎng)的能量，由低能級(jí)的自旋狀態(tài)躍遷至高能級(jí)的自旋狀態(tài)，產(chǎn)生自旋的倒轉(zhuǎn)和共振吸收信號(hào)，這種現(xiàn)象叫核磁共振。 即有： 射頻頻率 v v0B0/ 2 此時(shí)，射頻 v 所具有的能量hv正好核在B0中產(chǎn)生的核自旋能級(jí)差相等。即： hv E hB0/ 2h v0v v0B0/ 2 對(duì)于同一種核，為一常數(shù)，故當(dāng)B0增大時(shí)，其共振頻率也要相應(yīng)增加。

7、 例如，當(dāng)B01.4 T 時(shí)， 1H 的共振頻率為 60 MHZ。 而當(dāng)B02.3 T 時(shí)， 1H 的共振頻率為 100 MHZ。 對(duì)于不同種類(lèi)的核，其不同，因此，當(dāng)B0相同時(shí)，它們的共振頻率各不相同。 例如，當(dāng)B02.3 T時(shí)，1H 核的共振頻率為 100 MHZ，而13C 核的共振頻率為 25 MHZ。 4.1.5 弛豫過(guò)程（Relaxation） 在外磁場(chǎng)B0中，I = 1/ 2的核，有兩種自旋取向： (1) 低能級(jí)自旋取向，與外磁場(chǎng)平行，磁量子數(shù)1/ 2; (2) 高能級(jí)自旋取向，與外磁場(chǎng)相反，磁量子數(shù)1/ 2。 不同能級(jí)上分布的核數(shù)目可由Boltzmann 方程計(jì)算： 若取1H 核的

8、共振頻率為 100 MHZ，溫度為298K，可得： 計(jì)算結(jié)果表明， 兩能級(jí)上的核數(shù)目差約為1.6105 ， 處于低能態(tài)自旋取向的核僅占微弱多數(shù)； 用適當(dāng)頻率的射頻照射時(shí)，處于低能態(tài)自旋取向的核能夠吸收能量，躍遷至高能級(jí)，故可測(cè)得核磁共振吸收信號(hào)。 飽和（saturated） 低能態(tài)的核數(shù)等于高能態(tài)的核數(shù)。 弛豫（relaxation） 高能態(tài)的核以非輻射的方式回到低能態(tài)。弛豫過(guò)程包括 縱向弛豫 和 橫向弛豫 兩種。 一.自旋晶格弛豫（縱向弛豫） 為高能態(tài)的核與周?chē)h(huán)境（固體晶格、液體中溶劑分子等）進(jìn)行能量交換的過(guò)程。其所經(jīng)歷的時(shí)間為T(mén)1。 T1與核的種類(lèi)、樣品狀態(tài)、環(huán)境溫度等有關(guān)。 T1愈小，

9、縱向弛豫過(guò)程效率越高。 液體樣品T1約為104102s，固體樣品T1為數(shù)小時(shí)以上。二 . 自旋自旋弛豫（橫向弛豫） 為高能態(tài)自旋核將能量傳遞給相鄰的低能態(tài)自旋核的過(guò)程。該過(guò)程所經(jīng)歷的時(shí)間為 T2 。 液體樣品的 T2 約為 1s ， 固體樣品或高分子樣品的 T2 約為 103 s。 弛豫時(shí)間 T1 、T2 中的較小者，決定了自旋核在某一高能態(tài)滯留的平均時(shí)間。 根據(jù)海森堡（Heisenberg）測(cè)不準(zhǔn)原理，有：E . t h 又 Eh v h v. t h 故有： v 1/ t 這說(shuō)明，譜線(xiàn)寬度 v 與弛豫時(shí)間 t 成反比 。 固體樣品的T2很?。s103 s），故譜線(xiàn)很寬，不利于分析。 液體樣

10、品的平均弛豫時(shí)間大小適當(dāng)，故譜線(xiàn)較窄，有利于測(cè)量。 儀器磁場(chǎng)不均勻會(huì)使譜線(xiàn)加寬。 樣品中的順磁性物質(zhì)（如氧、鐵等），也會(huì)加寬譜線(xiàn)。 4.2 實(shí)現(xiàn)核磁共振的方法和儀 4. 2.1 實(shí)現(xiàn)核磁共振的方法 對(duì)于I1/2 的核，在外磁場(chǎng)中，其自旋能級(jí)產(chǎn)生裂分，在與外磁場(chǎng)垂直的方向上用頻率為v0的射頻照射樣品原子，若 0 = B0 / (2 ) 則可產(chǎn)生核磁共振。 對(duì)于I1/2 的核，核磁共振條件： 0 = B0 / (2 ) 對(duì)于同一種核 ，磁旋比 為定值， B0可變， 0可 變。 對(duì)于不同原子核，磁旋比 不同，產(chǎn)生共振的件不同，需要的磁場(chǎng)強(qiáng)度B0和射頻頻率 0不同。 一. 掃頻 ：固定B0 ，逐漸改變

11、 0 ，直至滿(mǎn)足上式，產(chǎn)生核磁共振。 二. 掃場(chǎng) ：固定 0 ，逐漸改變B0 ，直至滿(mǎn)足上式，產(chǎn)生核磁共振。一般儀器都采用掃場(chǎng)方式。 4.2.2 核磁共振儀 nuclear magnetic resonance spectrometer 一. 儀器的分類(lèi) 按射頻頻率分類(lèi)： 60MHZ 、100MHZ 、240MHZ 、600MHZ 等。 按磁體類(lèi)型分類(lèi)： 永磁體型 、電磁體型 、超導(dǎo)磁體型等。 按射頻源分類(lèi) ： 連續(xù)波核磁共振儀（CWNMR）、 脈沖傅立葉變換核磁共振儀（PFTNMR）。二. 連續(xù)波核磁共振儀簡(jiǎn)介 1永久磁鐵： 提供外磁場(chǎng)，要求穩(wěn)定性好，均勻，不均勻性小于六千萬(wàn)分之一。 2 射

12、頻振蕩器： 產(chǎn)生所需射頻，并通過(guò)垂直于外磁場(chǎng)的射頻振蕩器線(xiàn)圈，將電磁輻射信號(hào)作用于樣品。 3. 掃描發(fā)生器： 可在小范圍內(nèi)改變外磁場(chǎng)強(qiáng)度。 通過(guò)掃場(chǎng)線(xiàn)圈使施加于樣品的磁場(chǎng)強(qiáng)度由低到高變化，進(jìn)行掃場(chǎng)，以滿(mǎn)足核磁共振條件。 4. 射頻信號(hào)接受器（檢測(cè)器）：當(dāng)自旋核的進(jìn)動(dòng)頻率與輻射頻率相匹配時(shí)，發(fā)生能級(jí)躍遷，吸收能量，在接收器線(xiàn)圈中產(chǎn)生感應(yīng)信號(hào)。 5. 記錄系統(tǒng)： 將感應(yīng)信號(hào)放大并記錄下來(lái)。 此外， 還有去偶儀、溫度可變裝置、信號(hào)累積平均儀（CAT）等擴(kuò)展儀器功能的裝置。 6樣品管： 為外徑5mm的玻璃管，測(cè)量過(guò)程中以 4060周 /s 的速度旋轉(zhuǎn), 使樣品感受到的磁場(chǎng)作用更加均勻，防止譜線(xiàn)變寬。核磁共振波譜儀樣品的制備：試樣濃度： 510% ；一般需要純樣品 15-30 mg ； 傅立葉變換核磁共振波譜儀需要純樣品1 mg 。標(biāo)樣濃度：（四甲基硅烷 TMS） ： 1% 。溶劑： 1H 譜 四氯化碳，二硫化碳 。氘代溶劑： 氯仿，丙酮、苯、二甲基亞砜的氘代物。三 . 傅立葉變換核磁共振波譜