核磁共振基本原理及实现方法ppt课件.ppt

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1、第4章核磁共振氢谱（1HNMR）一、原子核的自旋和磁矩二、核在外磁场中的自旋取向三、核的回旋四、核磁共振五、弛豫过程4.1核磁共振基本原理1HNuclearMagneticResonanceprinciplesofnuclearmagneticresonance1945年，E.M.Purcell和F.Block分别发现了水和石蜡中氢核的核磁共振现象。化合物中原子产生的核磁共振信号与其分子结构密切相关。由有机化合物的核磁共振谱图，可获得相关原子在分子中所处化学环境的信息，因此可以确定化合物的分子结构。4.1.1原子核的自旋和磁矩atominu

2、clearspin若原子核存在自旋运动，便会产生核磁矩μ和自旋角动量：自旋量子数（I）可以为0、整数、半整数。I＝0的核，p＝0，无自旋运动。I不为零的核都具有核磁矩和自旋角动量。（1）I=0的原子核：16O、12C、22S…….等，无自旋，没有核磁矩，不产生共振吸收。（2）I>1/2的原子核：I=1：2H，14N……I=3/2：11B，35Cl，79Br，81Br……I=5/2：17O，127I…….这类原子核可看作电荷在核表面非均匀分布的旋转椭球体，其电四极矩不为零，共振吸收复杂，谱线较宽，不利于NMR测量，研究应用较少。（3）Ｉ＝1/

3、2的原子核：1H，13C，19F，31P…….等。这类原子核可看作核电荷均匀分布于球面的旋转球体，并象陀螺一样自旋，有自旋磁矩产生，其电四极矩为零，NMR谱线较窄，适宜于NMR测量，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。Ｉ≠0的核有自旋运动，其核磁矩μ与自旋角动量P的关系为：μ＝γP式中,γ为磁旋比，是核的特征常数，其单位为:rad.T-1.s-11H核的γ＝26.752×107rad.T-1.s-1.13C核的γ＝6.728×107rad.T-1.s-1.4.1.2核在外磁场中的自旋取向Ｉ≠0的核叫磁性核。磁性核在

4、外磁场中会发生自旋能级的裂分，产生不同的自旋取向。共有2Ｉ＋1种量子化的自旋取向。每一种取向都代表了原子核的某一特定的自旋能量状态，可用磁量子数m来表示之。磁量子数m的取值为：m＝Ｉ，Ｉ－1，Ｉ－2，….（－Ｉ＋1）,－Ｉ。例如，1H核：Ｉ＝1/2，故m＝＋1/2，－1/2。14N核：Ｉ＝1，故m＝＋1，0，－1。33S核：Ｉ＝3/2，故m＝在外磁场B0中，氢核的自旋能级产生两种自旋取向：（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。1H14N核自旋角动量在Z轴上的投影PZ为：PZ＝hm

5、/2π核磁矩在Z轴上的投影μZ为：μZ＝γPZ＝γhm/2π在外磁场B0中，核磁矩与B0相互作用，使核磁矩具有一定的能量：E＝－μZB0对于Ｉ＝1/2核：m＝＋1/2时，E（＋1/2）＝－μZB0＝－γhm/2π＝－γhB0/4πm＝－1/2时，E（－1/2）＝－μZB0＝－γhm/2π＝γhB0/4π此二能级的能量差⊿E＝E（－1/2）－E（＋1/2）＝γhB0/2π⊿E＝γhB0/2π表明，在外磁场B0中，核自旋能级裂分后的能级差随着B0强度的增大而增大，如下图所示。4.1.3核的回旋将自旋核置于一均匀外磁场B0中，若B0与核磁矩成一夹

6、角θ，这时，外磁场将产生一个力矩作用于自旋核，迫使其取向于B0,从而产生绕自旋轴旋转的同时，绕B0进行回旋的运动——拉摩尔进动。θ核的回旋角频率为：ω＝2πv0＝γB0式中，v0为核的回旋频率。v0＝γB0/2π4.1.4核磁共振在与外磁场B0垂直的方向上施加一个频率为v的交变射频场B1，当v与核的回旋v0相等时，自旋核能够吸收射频场的能量，由低能级的自旋状态跃迁至高能级的自旋状态，产生自旋的倒转和共振吸收信号，这种现象叫核磁共振。即有：射频频率v＝v0＝γB0/2π此时，射频v所具有的能量hv正好核在B0中产生的核自旋能级差相等。即：hv

7、＝⊿E＝γhB0/2π＝hv0v＝v0＝γB0/2π对于同一种核，γ为一常数，故当B0增大时，其共振频率也要相应增加。例如，当B0＝1.4T时，1H的共振频率为60MHZ。而当B0＝2.3T时，1H的共振频率为100MHZ。对于不同种类的核，其γ不同，因此，当B0相同时，它们的共振频率各不相同。例如，当B0＝2.3T时，1H核的共振频率为100MHZ，而13C核的共振频率为25MHZ。4.1.5弛豫过程（Relaxation）在外磁场B0中，I=1/2的核，有两种自旋取向：(1)低能级自旋取向，与外磁场平行，磁量子数ｍ＝＋1/2;(2)高能

8、级自旋取向，与外磁场相反，磁量子数ｍ＝－1/2。不同能级上分布的核数目可由Boltzmann方程计算：若取1H核的共振频率为100MHZ，温度为298K，可得：计算结果表明，两能