核磁共振波譜法（一）

02十二月20231核磁共振波譜法NuclearMagneticResonance02十二月202343-2章節(jié)目錄：14.0NMR概述14.1NMR基本原理14.2化學(xué)位移與NMR譜圖的構(gòu)成14.3核的自旋分裂與偶合14.4NMR氫譜的解析與示例14.5NMR儀與測(cè)試條件14.6NMR碳譜及其相關(guān)譜簡(jiǎn)介02十二月202343-314.0NMR概述陀螺原理1、陀螺自旋的觀察與研究：

——科學(xué)研究始于觀察02十二月202343-414.0NMR概述Larmorprecession：是指電子、原子核和原子的磁矩在外部磁場(chǎng)作用下的進(jìn)動(dòng)。這是1897年由英國(guó)物理學(xué)家約瑟夫·拉莫爾爵士(1857—1942年)首先推論的。2、將宏觀引入微觀：移植與轉(zhuǎn)移—科學(xué)研究的技巧之一。02十二月202343-514.0NMR概述1924年：斯特恩和蓋拉赫在實(shí)驗(yàn)中觀察到了鋰原子和銀原子的磁偏轉(zhuǎn)，并測(cè)量了未成對(duì)電子引起的原子磁矩。1933年斯特恩等人測(cè)量了質(zhì)子磁矩。1939年：比拉第一次進(jìn)行了核磁共振實(shí)驗(yàn)。泡利(W.Pauli)1924年：奧地利物理學(xué)家Pauli（1945年諾爾物理學(xué)獎(jiǎng)）預(yù)言了NMR的基本理論，即有些核可能同時(shí)具有自旋和磁矩，這些核在磁場(chǎng)中會(huì)發(fā)生能級(jí)分裂。3、科學(xué)理論對(duì)科學(xué)實(shí)驗(yàn)研究具有巨大指導(dǎo)作用

02十二月202343-614.0NMR概述1945

年12月，美國(guó)哈佛大學(xué)珀塞爾（E.M.Purcell）等人，首先觀察到石臘樣品中氫質(zhì)子的核磁共振吸收信號(hào)。1946

年1月，美國(guó)斯坦福大學(xué)布珞赫（F.Bloch，生于瑞士）研究小組在水樣品中也觀察到質(zhì)子的核磁共振信號(hào)。二人因此獲得1952年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。創(chuàng)新絕非憑空而來(lái)首創(chuàng)絕非幸運(yùn)巧合02十二月202343-714.0NMR概述4、NMR與化學(xué)結(jié)構(gòu)關(guān)系的研究成就了核磁共振波譜法1949年Knight

首次發(fā)現(xiàn)化學(xué)環(huán)境對(duì)核磁共振信號(hào)的影響，NMR與化合物結(jié)構(gòu)有關(guān)系。1950年斯坦福大學(xué)物理學(xué)家普羅克特等在測(cè)定NH4NO3水溶液中14N的磁矩時(shí)發(fā)現(xiàn)有兩個(gè)性質(zhì)截然不同的共振信號(hào)，發(fā)現(xiàn)了同種原子核其化學(xué)環(huán)境不同，共振條件也不同，核磁共振頻率也不同；1951年Arnold等人發(fā)現(xiàn)了乙醇分子NMR由三組峰組成，揭示NMR共振吸收頻率隨不同基團(tuán)而異。02十二月202343-814.0NMR概述5、NMR與臨床影像診斷的結(jié)合成就了核磁共振成像技術(shù)合縱與連橫——科學(xué)研究的又一重要技巧合縱：基礎(chǔ)與應(yīng)用，科學(xué)與技術(shù)的縱向結(jié)合連橫：跨學(xué)科、跨領(lǐng)域的研究與應(yīng)用02十二月202343-914.0NMR概述1953年第一臺(tái)商品化NMR波譜儀1956年Varian（曾在Bloch室工作）開始商用儀器開發(fā)，并于同年制作了第一臺(tái)高分辨連續(xù)波NMR儀；1970年高強(qiáng)超導(dǎo)NMR，Pulse-FT-NMR市場(chǎng)化；6、NMR波譜儀的發(fā)展推動(dòng)了實(shí)際應(yīng)用02十二月202343-1014.0NMR概述2004年：美國(guó)科學(xué)家首次利用核磁共振成像技術(shù)，觀測(cè)到單個(gè)電子的具體位置。這一突破實(shí)現(xiàn)了核磁共振的原子級(jí)成像，將使未來(lái)的顯微鏡可以在納米尺度上觀察到分子內(nèi)部的立體結(jié)構(gòu)圖像。02十二月202343-1114.0NMR概述NMR分析技術(shù)的三個(gè)里程碑：①60年代NMR儀器測(cè)1H②70年代FTNMR測(cè)1H、13C③90年代2DNMR1991年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)：瑞士科學(xué)家恩斯特：發(fā)展了核磁共振光譜高分辯方法；2002年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)：瑞士科學(xué)家?guī)鞝柼亍ぞS特里希：NMR測(cè)定溶液中生物大分子三維結(jié)構(gòu)1952～2009年：先后有6位科學(xué)家因在3個(gè)學(xué)科因NMR榮獲4次諾貝爾科學(xué)獎(jiǎng)。02十二月202343-127、NMR波譜法的定義NMR概念：具有核磁性質(zhì)的原子核，在高強(qiáng)磁場(chǎng)的作用下，吸收射頻輻射，引起核自旋能級(jí)的躍遷所產(chǎn)生的波譜，叫核磁共振波譜。利用核磁共振波譜進(jìn)行分析的方法，叫做核磁共振波譜法（NMR）NMR本質(zhì)：屬吸收光譜

對(duì)射頻輻射（60～800MHz)的吸收

核自旋能級(jí)躍遷特點(diǎn)：信號(hào)弱，采用特殊共振吸收法測(cè)定吸收信號(hào)用途：表征結(jié)構(gòu)，亦可定量分析；理化研究；臨床診斷與藥理、病理研究等14.0NMR概述02十二月202343-1314.1NMR基本原理一、原子核的自旋1、自旋分類2、核磁矩二、原子核的自旋能級(jí)和共振吸收（一）核自旋能級(jí)的分裂（二）原子核的共振吸收三、自旋弛豫02十二月202343-14自旋：物體繞自身軸線旋轉(zhuǎn)的狀態(tài)。楊振寧多年以前曾提出過這樣的問題：“我們對(duì)自旋有了最終的描述嗎”?原子核的自旋十分復(fù)雜，需用量子力學(xué)原理進(jìn)行描述，但也可用經(jīng)典電磁理論進(jìn)行近似理解。據(jù)經(jīng)典的電磁理論，旋轉(zhuǎn)的帶電粒子相當(dāng)于一個(gè)電流線圈，會(huì)產(chǎn)生磁場(chǎng)，因此也會(huì)產(chǎn)生磁偶極矩和自旋角動(dòng)量一、原子核的自旋02十二月202343-15某些原子核相當(dāng)于很小的條形磁鐵，有磁極。原子核以磁極連線為軸，以恒定速率旋轉(zhuǎn)，所以這些原子核具有不為零的角動(dòng)量P

和磁矩。核與核群的核磁矩及其排列示意圖需要注意：并非所有的原子核都有自旋和磁矩。02十二月202343-161、原子核的自旋分類核自旋特征的描述：核自旋量子數(shù)

I（

I=0,1/2,1,3/2,…半整數(shù)的倍數(shù)）核自旋分三類：I=0的核：無(wú)自旋，質(zhì)量數(shù)-偶、電荷數(shù)-偶I=整數(shù)的核：有自旋，質(zhì)量數(shù)-偶、電荷數(shù)-奇I=半整數(shù)的核：有自旋，質(zhì)量數(shù)-奇、電荷數(shù)-奇偶02十二月202343-17不產(chǎn)生核磁信號(hào)產(chǎn)生核磁信號(hào)，但比較復(fù)雜，研究尚較少核磁信號(hào)簡(jiǎn)單，研究多Why？02十二月202343-182、核磁矩角動(dòng)量=質(zhì)量×角速度。自旋角動(dòng)量是由物體自旋產(chǎn)生的。角動(dòng)量守恒定律是自然界普遍存在的基本定律之一。原子核中的質(zhì)子、中子等都有質(zhì)量，質(zhì)量的自旋會(huì)產(chǎn)生自旋角動(dòng)量P——式中，h為普朗克常數(shù)（6×10－34焦耳·秒）02十二月202343-19原子核：正電荷質(zhì)子+中子核的自旋引起電荷運(yùn)動(dòng)，等價(jià)于一個(gè)環(huán)形導(dǎo)體中的電流，因而會(huì)產(chǎn)生磁場(chǎng)。磁場(chǎng)的方向由右手定則判斷。因此：自旋核是一個(gè)磁偶極子，具有核磁矩μ因發(fā)明質(zhì)子核磁矩獲1943年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)磁旋比γ

，原子核特征值02十二月202343-20I=0的核：角動(dòng)量P=0，則μ=0，外磁場(chǎng)對(duì)其無(wú)作用，不產(chǎn)生核磁共振信號(hào)；I≠0的核：角動(dòng)量P≠0，則μ≠0，外磁場(chǎng)作用下產(chǎn)生能級(jí)分裂，有核磁信號(hào)發(fā)生；何種原子核能產(chǎn)生核磁共振信號(hào)？據(jù)02十二月202343-21無(wú)外加磁場(chǎng)：核磁矩的取向任意，能級(jí)簡(jiǎn)并。有外磁場(chǎng)H0：核磁偶極子與外磁場(chǎng)相互作用，核磁矩有一定的空間取向。二、原子核的自旋能級(jí)和共振吸收1、核磁矩的空間取向的量子化02十二月202343-22核磁矩空間量子化：核磁矩在外磁場(chǎng)空間的取向不是連續(xù)的、任意的，而是量子化的。核磁矩空間取向數(shù)目＝2I

+1。用磁量子數(shù)m表示：m＝I,I－1,I－2,…,－I+1,－I例如對(duì)氫核來(lái)說：I＝1/2，其m值只能有2×1/2＋1＝2個(gè)取向：m＝+1/2，與外加磁場(chǎng)同向m＝-1/2，與外加磁場(chǎng)反向02十二月202343-23核磁矩在外磁場(chǎng)方向的分量μz大小取決于角動(dòng)量在磁場(chǎng)Z軸方向上的分量Pz：2、原子核的自旋能級(jí)及其分裂躍遷02十二月202343-24核磁矩能量E與核磁矩分量μz和外磁場(chǎng)強(qiáng)度H0有關(guān)：對(duì)于I＝1/2的核：有m＝±1/2兩取向能級(jí)，其能級(jí)差為：能級(jí)差與H0、γ成正比；能級(jí)差小，對(duì)應(yīng)于射頻區(qū)02十二月202343-25核磁矩的空間量子化導(dǎo)致核能級(jí)分裂動(dòng)畫連接02十二月202343-26I=1/2自旋核的能級(jí)躍遷示意圖02十二月202343-2702十二月202343-281、自旋核的進(jìn)動(dòng)頻率自旋核處于外加靜磁場(chǎng)H0中，將會(huì)產(chǎn)生一個(gè)與外加磁場(chǎng)形成一定角度的核磁矩，在其作用下，自旋核會(huì)圍繞外磁場(chǎng)H0進(jìn)行Larmor進(jìn)動(dòng)。似陀螺（二）原子核的共振吸收02十二月202343-29自旋核進(jìn)動(dòng)的角速度ω0＝γH0進(jìn)動(dòng)頻率ν

＝ω0／2πLarmor方程：說明：不同自旋核，在相同H0條件下進(jìn)動(dòng)頻率不同；同種自旋核，H0增強(qiáng)，進(jìn)動(dòng)頻率增大。02十二月202343-30例1：

1H核的γ=2.67519×108T－1·s－1，求在強(qiáng)為1.409T、2.3490T磁場(chǎng)中的共振吸收頻率。解：據(jù)Larmor方程：磁場(chǎng)強(qiáng)度單位：1高斯（GS）=10－4T（特拉斯）13Cγ=

6.72615×107

較小02十二月202343-31①選擇性：輻射能＝躍遷能，即輻射ν0

=進(jìn)動(dòng)ν。而由Larmor方程得知原子核的進(jìn)動(dòng)頻率：核磁共振吸收：在外磁場(chǎng)作用下，輻射頻率與核自旋的磁進(jìn)動(dòng)頻率相等時(shí)所產(chǎn)生的核自旋能級(jí)的躍遷吸收稱為核磁共振吸收。2、產(chǎn)生核磁共振吸收的條件02十二月202343-32選律：躍遷只限于相鄰兩能級(jí)間，即△m=±

1限制性：原子核I≠002十二月202343-333、產(chǎn)生核磁共振的兩種方式掃頻：固定H0，對(duì)輻射頻率ν0掃描，獲得ν

掃場(chǎng)：固定ν0，對(duì)磁場(chǎng)強(qiáng)度H0掃描，獲得ν可知，獲取共振的兩種方法：由02十二月202343-34綜上：NMR波譜的產(chǎn)生過程問題：核磁共振信號(hào)有多強(qiáng)？能否持久？02十二月202343-351、不同能級(jí)核的數(shù)量分布：

在一定溫度且無(wú)外加射頻輻射條件下，原子核處在低能級(jí)(n+)和高能級(jí)(n－)的數(shù)目達(dá)到熱力學(xué)平衡，其數(shù)量分布符合Boltzmann分布：可知：提高磁場(chǎng)強(qiáng)度、降低測(cè)試溫度可提高低能核的比例，從而提高靈敏度。三、自旋馳豫02十二月202343-36計(jì)算說明：當(dāng)H0=1.4092（射頻60MHz），溫度為300K時(shí)，求高能態(tài)和低能態(tài)的1H核數(shù)之比：低能態(tài)核數(shù)目?jī)H多出十萬(wàn)分之一左右；核磁信號(hào)即由此產(chǎn)生。核磁信號(hào)較弱，故NMR測(cè)定的靈敏度較低。易產(chǎn)生飽和，使信號(hào)中斷02十二月202343-372、飽和：低能級(jí)核吸收了射頻輻射后，被激發(fā)至高能態(tài)，同時(shí)給出共振吸收信號(hào)。但隨吸收過程的不斷進(jìn)行，只占微弱多數(shù)的低能級(jí)核會(huì)越來(lái)越少，經(jīng)過一段時(shí)間后，高、低能級(jí)的核數(shù)目趨于相等而不能保持其凈吸收，共振信號(hào)將不能繼續(xù)產(chǎn)生，譜峰平寬。此現(xiàn)象稱為核躍遷達(dá)到飽和。實(shí)際測(cè)試時(shí)會(huì)有飽和現(xiàn)象發(fā)生嗎？原因：存在著自旋弛豫！NO!Why?02十二月202343-383、自旋弛豫：處于高能態(tài)的自旋核通過非輻射途徑釋放能量而及時(shí)返回到低能態(tài)的過程稱為自旋弛豫。自旋弛豫使低能態(tài)核數(shù)目總是略多，保證共振信號(hào)不會(huì)中止。弛豫越易發(fā)生，消除“磁飽和”能力越強(qiáng)。1927年德科學(xué)家Heisenberg提出的測(cè)不準(zhǔn)原理（1932年獲諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)）：激發(fā)能量

E與體系處于激發(fā)態(tài)的平均時(shí)間(壽命△τ)成反比，與譜線變寬

成正比：壽命△τ即為弛豫時(shí)間T02十二月202343-39弛豫決定處于高能級(jí)核壽命，也與信號(hào)頻帶寬度有關(guān)。弛豫時(shí)間長(zhǎng)，核磁共振信號(hào)窄。弛豫可分為：縱向弛豫、橫向弛豫①縱向馳豫T1（自旋-晶格馳豫）：高能級(jí)核將能量以熱的形式傳遞給周圍分子骨架（或晶格）中的核，使自己回到低能態(tài)的過程。壽命表示為T1：T1取決于磁核的運(yùn)動(dòng)，流動(dòng)性降低，T1長(zhǎng)：固體分子T1較長(zhǎng)，液體、氣體T1較短。T1相對(duì)較大，一般可達(dá)幾秒、幾十秒甚至上千秒。02十二月202343-40②橫向馳豫T2(自旋-自旋馳豫)：指處于不同能級(jí)、但進(jìn)動(dòng)頻率相同的相鄰核，通過自旋狀態(tài)的交換將高能級(jí)核能量傳遞給低能級(jí)核的弛豫現(xiàn)象。固體物質(zhì)，核之間相對(duì)位置比較固定，利于核之間的能量轉(zhuǎn)移，T2

很短，一般10－4～10－5s；液體和氣體T2較長(zhǎng)，一般約1s。注意：弛豫時(shí)間只決定于T1、T2中時(shí)間較短者固體的T2很小，譜線很寬。故，若得到高分辨率的核磁共振譜，必須配制成溶液后進(jìn)行測(cè)定。02十二月202343-41固體液體與氣體備注縱向馳豫時(shí)間T1幾十～上千秒1～幾秒幾十～百秒粘度增時(shí)間長(zhǎng)橫向馳豫時(shí)間T210－4～10－5s1秒～幾秒決定者√02十二月202343-42馳豫時(shí)間T：T與峰寬成反比，與飽和成正比。T不能過大以防止飽和，T也不能過小以防止峰加寬影響分辨率。對(duì)策：①提高H0，降低測(cè)試溫度，防止飽和；②將固體樣品配制成溶液適