核磁共振法的基本原理是什么

核磁共振法的基本原理是什么？在材料研究中的應(yīng)用如何？１、核磁共振（ＮＭＲ）的基本原理：核磁共振是指原子核在外磁場作用下，其在能級之間共振躍遷的現(xiàn)象。原子核磁性的大小一般用磁矩L表示，L具有方向性，L=γhI,h是普朗克常數(shù),I為自旋量子數(shù)，簡稱自旋。旋磁比γ實際上是原子核磁性大小的度量，γ值大表示原子核的磁性強，反之亦然。在天然同位素中，以氫原子核(質(zhì)子)的γ值最大(42.6MHz/T),因此檢測靈敏度最高，這也是質(zhì)子首先被選擇為NMR研究對象的重要原因之一。當把有磁矩的核置于某磁場中,該原子核在磁場的行為就好似陀螺的運動－拉莫爾進動,其頻率由下式?jīng)Q定:ω=2πγ。式中ω為角頻率,γ為拉莫爾進動頻率。當外加射頻場的頻率與原子核的拉莫爾頻率相等時,處于低能態(tài)的核便吸收射頻能,從低能態(tài)躍遷到高能態(tài),此即核磁共振現(xiàn)象。沒有自旋的原子核(I=0)沒有磁矩,這類核觀察不到NMR信號,如14C,16O,32S等,I=?的原子核是NMR中研究得最多的核,如:1H,13C,19F,15N等。２、核磁共振技術(shù)的實驗裝置實現(xiàn)核磁共振可采取兩種途徑:一種是保持外磁場不變,而連續(xù)地改變?nèi)肷潆姶挪l率；另一種是用一定頻率的電磁波照射,而調(diào)節(jié)磁場的強弱。圖1為核磁共振現(xiàn)象的裝置示意圖:采用調(diào)節(jié)入射電磁波頻率的方法來達到核磁共振，樣品裝在小瓶中,并置于磁鐵兩極之間,瓶外繞有線圈,通有由射頻振蕩器輸出的射頻電流。于是,由線圈向樣品發(fā)射電磁波。調(diào)制振蕩器的作用是使射頻電磁波的頻率在樣品共振頻率附近連續(xù)變化,當頻率正好與核磁共振頻率吻合時,射頻振蕩器的輸出就會出現(xiàn)一個吸收峰。這可以在示波器上顯示出來。同時由頻率計即刻讀出這時的共振頻率值。核磁共振譜儀是專門用于觀測核磁共振的儀器,主要由磁鐵、探頭和譜儀三大部分組成。磁鐵的功用是產(chǎn)生一個恒定的磁場；探頭置于磁極之間,用于探測核磁共振信號；譜儀是將共振信號放大處理并顯示和記錄下來。隨著核磁共振技術(shù)的發(fā)展,已研制出各種類型的核磁共振儀。３、核磁共振技術(shù)在材料研究中的應(yīng)用核磁共振是交變磁場與物質(zhì)相互作用的一種物理現(xiàn)象,最早于1946年被Bloch和Purcell等人用實驗所證實。核磁共振的發(fā)現(xiàn)具有十分重要的意義,不僅為量子力學的基本原理提供了直接的驗證,而且為多個學科領(lǐng)域的研究提供了一種不可或缺的分析與測量手段。核磁共振技術(shù)主要有兩個學科分支:核磁共振波譜和磁共振成像。核磁共振波譜技術(shù)是基于化學位移理論發(fā)展起來的,主要用于測定物質(zhì)的化學成分和分子結(jié)構(gòu)。核磁共振成像技術(shù)誕生于1973年,它是一種無損測量技術(shù),可以用于獲取多種物質(zhì)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖像。由于核磁共振可獲取的信息豐富,因此應(yīng)用領(lǐng)域十分廣泛,如分析化學、生命科學、材料檢測、石油勘探和水資源探查等。３．１在分子結(jié)構(gòu)的測定中的應(yīng)用核磁共振技術(shù)是測定分子結(jié)構(gòu)的有效工具。現(xiàn)在已經(jīng)測定了萬余種有機化合物的核磁共振圖，對分子結(jié)構(gòu)的測定,包括對有機化合物絕對構(gòu)型的測定和對復雜化合物結(jié)構(gòu)的解析。應(yīng)用核磁共振技術(shù)測定有機化合物的絕對構(gòu)型,主要是測定R和(或)S手性試劑與底物反應(yīng)的產(chǎn)物的1H或13CNMR化學位移數(shù)據(jù),得到Δ值與模型比較來推斷底物手性中心的絕對構(gòu)型。有的情況下,我們要做更多的譜才能確定一個分子的結(jié)構(gòu),包括:1D只要有氫譜、碳譜、極化轉(zhuǎn)移譜；2D有氫-氫化學位移相關(guān)譜、碳-氫化學轉(zhuǎn)移相關(guān)譜、遠程化學位移相關(guān)譜以及J-分解譜等。對復雜化合物結(jié)構(gòu)解析是核磁共振技術(shù)最為主要的應(yīng)用。利用這項技術(shù)可以獲得化合物豐富的分子結(jié)構(gòu)信息,廣泛應(yīng)用于天然產(chǎn)物的結(jié)構(gòu)解析。在分析天然產(chǎn)物中,核磁共振儀的檢出限較其它波譜分析儀器高,這對于產(chǎn)率較低的天然產(chǎn)物化合物來說無疑是一種瓶頸制約因素。不過,近期在儀器的相關(guān)技術(shù)上有了一些技術(shù)革新,并正在走向成熟。３．２在有機合成反應(yīng)中的應(yīng)用核磁共振技術(shù)在有機合成中,不僅可對反應(yīng)物或產(chǎn)物進行結(jié)構(gòu)解析和構(gòu)型確定,在研究合成反應(yīng)中的電荷分布及其定位效應(yīng)、探討反應(yīng)機理等方面也有著廣泛應(yīng)用。核磁共振譜能夠精細地表征出各個H核或C核的電荷分布狀況,通過研究配合物中金屬離子與配體的相互作用,從微觀層次上闡明配合物的性質(zhì)與結(jié)構(gòu)的關(guān)系。對有機合成反應(yīng)機理的研究主要是對其產(chǎn)物結(jié)構(gòu)的研究和動力學數(shù)據(jù)的推測來實現(xiàn)的。另外,通過對有機反應(yīng)過程中間產(chǎn)物及副產(chǎn)物的辨別鑒定,可以研究有關(guān)有機反應(yīng)歷程及考察合成路線是否可行等問題。３．3在定量分析和分子量測定中的應(yīng)用核磁共振譜峰的面積(積分高度)正比于相應(yīng)質(zhì)子數(shù),這不僅用于結(jié)構(gòu)的分析中,同樣可用于定量分析。用NMR定量分析的最大優(yōu)點就是不需要引進任何校正因子或繪制工作曲線,NMR可以用于多組分混合物分析、元素的分析、有機物中活潑氫及重氫試劑的分析等。3．４在高分子化學中的應(yīng)用聚合物固體寬譜線NMR可以提供有關(guān)結(jié)晶度、聚合物取向、玻璃化溫度(T)等有關(guān)信息。還可以通過研究聚合反應(yīng)過程NMR譜線寬度的變化,了解反應(yīng)過程中正在生長聚合物鏈的活動度變化,從而獲得有關(guān)聚合反應(yīng)動力學方面的信息。聚合物液體高分辨NMR可以提供聚合物的信息有:①聚合物類型的鑒定；②有關(guān)聚合物鏈的異構(gòu)化信息；③通過13C-NMR譜可以分別研究其不同單元組的序列分布、交替度和不同反應(yīng)條件下聚合過程鏈活動度變化等聚合物微觀結(jié)構(gòu)信息。參考文獻：[1]陳建，嚴文等.材料研究方法.北京.化學工業(yè)出版社.2011.[2]毛希安.NMR前沿領(lǐng)域的若干新進展[J].化學通報,199