NMR原理_WJF_091227
实验室仪器的原理(动图演示)-3.核磁共振波谱法NMR分析原理
3.核磁共振波谱法NMR分析原理：在外磁场中，具有核磁矩的原子核，吸收射频能
量，产生核自旋能级的跃迁谱图的表示方法：吸收光能量随化学位移的变化提供的信息：峰的化学位移、强度、裂分数和偶合常数，提供核的数目、所处化学环境和几何构型的信息
NMR结构
进样
样品在磁场中当外加射频场的频率与原子核自旋进动的频率相同时，射频场的能量才能被有效地吸收，因此对于给定的原子核，在给定的外加磁场中，只能吸收特定频率射频场提供的能量，由此形成核磁共振信号。
核磁共振及数据输出。
NMR基本原理课件
36
1. 化学位移的产生
• 裸露的核：
1
2
H0
• 核外有电子云
感应磁场 外磁场
核实际受到的磁场强度H0’
电子云对核的屏蔽作用
H0’ = H0－ H0 = H0（1－）
为使核发生共振，须
＝ 1 2
H '0
1
2
H（0 1－）
提高外磁场强度以抵消 感应磁场
由此产生了化学位移37
化学位移
化学位移：由于化学环境的差异而引起的同类磁核在核磁 共振中出现不同共振信号的现象。
38
屏蔽常数 与原子核所处的化学环境有关:
d p s
• d 为抗磁屏蔽 球形对称的s 电子云产生。与外磁场方向
相反，削弱外磁场（屏蔽作用）。共振信号发生在高场。
• p 为顺磁屏蔽 核外非球形对称的电子云产生。与外磁场
CH3
• 化学性质不活泼，与样品及溶剂等不发生化学反应和分子间 缔合。
• 四个甲基有相同的化学环境，在氢谱和碳谱中都只有一个吸 收峰。
• 电负性：Si(1.9) < C(2.5)，氢和碳核受大的屏蔽效应，产生的 信号不会干扰样品NMR信号。
• 沸点很低（27℃）易去除，有利于回收样品。
45
• 在1H和13C谱中规定：TMS的化学位移值 = 0，位于图谱 的右边。其左边 为正值，在它的右边 为负值。
6
2003年诺贝尔生理学和医学奖 :美国科学家保罗·劳特布尔 (Paul Lauterbur)和英国科学家彼得·曼斯菲尔德(Peter Mansfield )
Peter 用核磁共振成像“拍摄”的脑截面7图象
2002诺贝尔化学奖: 瑞士科学家库尔特·. 维特里希“for his development of nuclear
nmr核磁共振原理
nmr核磁共振原理
NMR核磁共振原理
核磁共振（NMR）是一种基于原子核的物理现象的技术，它可以用来研究物质的结构和性质。
NMR技术的原理是基于原子核的自旋和磁矩，当原子核处于外加磁场中时，它会产生一个磁矩，这个磁矩会与外加磁场相互作用，从而产生共振现象。
NMR技术的基本原理是利用原子核的自旋和磁矩来研究物质的结构和性质。
原子核的自旋是一个量子力学的概念，它表示原子核围绕自身轴心旋转的速度和方向。
原子核的磁矩是由自旋产生的，它表示原子核在外加磁场中的取向。
当原子核处于外加磁场中时，它会产生一个磁矩，这个磁矩会与外加磁场相互作用，从而产生共振现象。
共振现象是指当外加磁场的频率与原子核的共振频率相等时，原子核会吸收外加磁场的能量，从而产生共振信号。
NMR技术可以用来研究物质的结构和性质，例如分子的构型、化学键的性质、分子的动力学行为等。
NMR技术可以通过测量共振信号的强度、频率和宽度来研究物质的性质。
共振信号的强度表示原子核的数量，频率表示原子核的化学环境，宽度表示原子核的运动状态。
NMR技术在化学、生物、医学等领域都有广泛的应用。
在化学领
域，NMR技术可以用来研究分子的结构和反应机理；在生物领域，NMR技术可以用来研究蛋白质的结构和功能；在医学领域，NMR 技术可以用来研究人体组织的结构和代谢过程。
NMR技术是一种基于原子核的物理现象的技术，它可以用来研究物质的结构和性质。
NMR技术的原理是基于原子核的自旋和磁矩，当原子核处于外加磁场中时，它会产生一个磁矩，这个磁矩会与外加磁场相互作用，从而产生共振现象。
NMR技术在化学、生物、医学等领域都有广泛的应用。
核磁共振(NMR)工作原理及基本操作
根据分析结果，对样品的组成和性质进行解释和推断。
06
NMR的未来发展与挑战
高场强与超导技术
总结词
高场强与超导技术是NMR领域的重要发 展方向，它们能够提高信号强度和分辨 率，从而更好地应用于复杂样品和生物 医学研究。
VS
详细描述
随着科学技术的不断发展，高场强核磁共 振技术已经成为一种重要的研究手段。高 场强NMR具有更高的磁场强度和分辨率 ，能够提供更精确的化学位移和更强的核 自旋磁化率，从而更好地解析分子结构和 动力学。超导技术是实现高场强NMR的 关键技术之一，它能够产生更强的磁场， 同时保持长时间的稳定性和可靠性。
NMR的定义和重要性
核磁共振(NMR)是一种基于原 子核磁性的物理检测方法，用 于研究物质的微观结构和动态
行为。
NMR技术具有非破坏性、高 灵敏度和高分辨率等优点， 广泛应用于化学、物理、生
物医学等领域。
NMR技术对于推动科学研究 和工业生产的发展具有重要意 义，是现代科技领域不可或缺
的重要工具之一。
样品准备
选择合适的样品容器，确保样品 纯净、无磁性杂质，并按照实验 要求进行样品制备。
实验步骤与参数设置
实验步骤 打开核磁共振谱仪，进行系统自检； 调整磁场强度和射频频率，确保与实验需求匹配；
实验步骤与参数设置
01
进行样品测量，记录数据；
02
分析数据，得出结论。
参数设置
03
实验步骤与参数设置
磁场强度
固态核磁技术
要点一
总结词
固态核磁技术是研究固体材料结构和性质的重要工具，具 有广泛的应用前景。
要点二
详细描述
固态核磁技术是利用核自旋磁矩进行研究的技术，它可以 提供关于物质结构和动态行为的详细信息。由于固态样品 在自然状态下处于非晶态或晶体状态，因此其结构和性质 与液态样品存在显著差异。通过固态核磁技术，可以深入 了解固体材料的晶体结构、化学键、电子结构等信息，对 于材料科学、化学、物理学等领域的研究具有重要意义。
波谱分析第四章1NMR基本原理
约10％的样品溶液，加1－2％ TMS。
（4）照射频率与外磁场的比值 / B0 = / (2p )
讨论: 共振条件： = B0 / (2p )
（1）射频频率与磁场强度成正比。对于同一种核 ， 为定值，
B0强度越高，射频频率越高。 氢核（1H）： 1.409 T 共振频率 60 MHz 2.305 T 共振频率 100 MHz B0的单位：1高斯（GS）=10-4 T（特斯拉）
自旋核的取向
具有磁矩的核在外磁场中，排列有序，取向是量子化的。
磁量子数ｍ表示核自旋空间不同取向。
可有(2I+1)个取向，(m＝I、I-1、… -I+1、－I)
如：氢核（I=1/2），两种取向（两个能级）：
(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;
2. 溶剂要求不含质子、沸点低 、与样品不起作用，要有
足够的溶解度。常用有CCl4 、CS2 。有时用氘代溶剂（D2O、 CDCl3等），在不同溶剂中测定时，信号位置有些位移。
3. 试样中若有灰尘或磁性杂质时，应将样品过滤除去杂质
后再测定, 防止局部磁场的不均匀使谱线加宽，甚至使谱线
分辨不清。
4. 内标物质（TMS)与样品一起放在样品管中，制备0.4ml
产生磁场的方向用右手法则来确定，磁性大小称 核磁矩。
＝
P=
h
2p
I(I + 1)
－ 磁旋比，原子核的特性参数，是原子核的重要属性。
1H： ＝ 2.675×10 8 （rad T-1 S-1） 13C: ＝ 6.728×10 7（rad T-1 S-1）
的大小与I有关 ，I >0的核 ，0 产生核磁共振信号。
核磁共振波普NMR的原理、用途、分析问题
核磁共振波普NMR的原理、用途、分析问题核磁共振波谱法（Nuclear Magnetic Resonance，简写为NMR）与紫外吸收光谱、红外吸收光谱、质谱被人们称为“四谱”，是对各种有机和无机物的成分、结构进行定性分析的最强有力的工具之一，亦可进行定量分析。
原理在强磁场中，某些元素的原子核和电子能量本身所具有的磁性，被分裂成两个或两个以上量子化的能级。
吸收适当频率的电磁辐射，可在所产生的磁诱导能级之间发生跃迁。
在磁场中，这种带核磁性的分子或原子核吸收从低能态向高能态跃迁的两个能级差的能量，会产生共振谱，可用于测定分子中某些原子的数目、类型和相对位置。
分类NMR波谱按照测定对象分类可分为：1H-NMR谱（测定对象为氢原子核）、13C-NMR谱及氟谱、磷谱、氮谱等。
有机化合物、高分子材料都主要由碳氢组成，所以在材料结构与性能研究中，以1H谱和13C谱应用最为广泛。
用途除了运用在医学成像检查方面，在分析化学和有机分子的结构研究及材料表征中运用最多。
1、有机化合物结构鉴定一般根据化学位移鉴定基团；由耦合分裂峰数、偶合常数确定基团联结关系；根据各H峰积分面积定出各基团质子比。
核磁共振谱可用于化学动力学方面的研究，如分子内旋转，化学交换等，因为它们都影响核外化学环境的状况，从而谱图上都应有所反映。
2、高分子材料的NMR成像技术核磁共振成像技术已成功地用来探测材料内部的缺陷或损伤，研究挤塑或发泡材料，粘合剂作用，孔状材料中孔径分布等。
可以被用来改进加工条件，提高制品的质量。
3、多组分材料分析材料的组分比较多时，每种组分的 NMR 参数独立存在，研究聚合物之间的相容性，两个聚合物之间的相同性良好时，共混物的驰豫时间应为相同的，但相容性比较差时，则不同，利用固体NMR 技术测定聚合物共混物的驰豫时间，判定其相容性，了解材料的结构稳定性及性能优异性。
此外，在研究聚合物还用于研究聚合反应机理、高聚物序列结构、未知高分子的定性鉴别、机械及物理性能分析等等。
简述nmr的原理
简述nmr的原理
NMR (核磁共振) 原理是基于原子核在外加磁场下的行为。
其原理如下：
1. 原子核具有自旋，因此可以看作一个带电的旋转体。
当一个外加磁场作用在原子核上时，其自旋会对齐或反对齐于磁场方向。
2. 每个原子核都有特定的共振频率。
当原子核处于对齐状态时，可以通过给原子核施加一定频率的电磁辐射（通常是射频谱线），使其吸收能量并跃迁到反对齐状态。
3. 当外加的射频辐射停止时，原子核会从反对齐状态返回到对齐状态并释放出吸收的能量。
这些能量以特定的频率重新辐射出来，形成特定的谱线，称为核磁共振谱。
4. 核磁共振谱中的信号强度和频率都与样品中的原子核种类、数量以及化学环境有关。
因此，通过测量核磁共振谱，可以确定样品中的分子结构、组成和化学环境。
总的来说，核磁共振通过测量不同原子核的共振频率和信号强度，从而提供了有关样品结构和成分的信息，被广泛应用于化学、生物化学、医学等领域。
核磁共振基本原理知识介绍
无线电波
利用无线电波作为能量传输 介质，激发样品核自旋的共 振现象。
信号检测
通过接收和处理样品返回的 核磁共振信号，获取样品的 结构和Hale Waihona Puke 质信息。核磁共振成像的应用领域
1 医学诊断
核磁共振成像广泛应用于 医学领域，可以帮助医生 观察人体内部组织和器官 的结构和功能。
2 材料科学
核磁共振成像可以用于材 料的表征和研究，帮助了 解材料的性能和特性。
核磁共振技术的未来发展
核磁共振技术在医学、化学、材料科学等领域的发展前景广阔。未来，可以 期待出现更高分辨率、更快速的数据采集以及更广泛的应用。
将待测样品溶解或固态放置于核磁共振
磁场调整
2
仪中。
通过调整核磁共振仪的磁场强度和方向，
使样品处于稳定的共振状态。
3
数据采集
通过发送特定频率的无线电波并监听返
数据处理
4
回信号，获取样品的核磁共振数据。
利用数学算法和图像处理技术对采集的 核磁共振数据进行处理和分析。
核磁共振原理的三个关键要素
磁场
稳定和均匀的磁场是核磁共 振实验的基础，必须提供适 当的磁场环境。
核磁共振基本原理知识介 绍
核磁共振（NMR）是一种基于原子或分子核自旋的物理现象，通过外加磁场 和辅助脉冲来探测和分析样品的结构和性质。
核磁共振原理的定义
核磁共振原理是利用核磁共振现象对样品进行分析的技术方法。它基于原子或分子核自旋在外加磁场作用下发 生共振的特性。
核磁共振实验的基本步骤
1
样品准备
3 化学分析
核磁共振成像在化学领域 被用来分析样品的分子结 构和组成。
核磁共振在医学中的应用
核磁共振在医学领域有广泛的应用，包括疾病诊断、解剖学研究、病理生理 学研究和药物研发等方面。
NMR原理
核磁共振现象来源于原子核的自旋角动量在外加磁场作用下的进动。
根据量子力学原理，原子核与电子一样，也具有自旋角动量，其自旋角动量的具体数值由原子核的自旋量子数决定，实验结果显示，不同类型的原子核自旋量子数也不同：质量数和质子数均为偶数的原子核，自旋量子数为0质量数为奇数的原子核，自旋量子数为半整数质量数为偶数，质子数为奇数的原子核，自旋量子数为整数迄今为止，只有自旋量子数等于1/2的原子核，其核磁共振信号才能够被人们利用，经常为人们所利用的原子核有：1H、11B、13C、17O、19F、31P由于原子核携带电荷，当原子核自旋时，会由自旋产生一个磁矩，这一磁矩的方向与原子核的自旋方向相同，大小与原子核的自旋角动量成正比。
将原子核置于外加磁场中，若原子核磁矩与外加磁场方向不同，则原子核磁矩会绕外磁场方向旋转，这一现象类似陀螺在旋转过程中转动轴的摆动，称为进动。
进动具有能量也具有一定的频率。
原子核进动的频率由外加磁场的强度和原子核本身的性质决定，也就是说，对于某一特定原子，在一定强度的的外加磁场中，其原子核自旋进动的频率是固定不变的。
原子核发生进动的能量与磁场、原子核磁矩、以及磁矩与磁场的夹角相关，根据量子力学原理，原子核磁矩与外加磁场之间的夹角并不是连续分布的，而是由原子核的磁量子数决定的，原子核磁矩的方向只能在这些磁量子数之间跳跃，而不能平滑的变化，这样就形成了一系列的能级。
当原子核在外加磁场中接受其他来源的能量输入后，就会发生能级跃迁，也就是原子核磁矩与外加磁场的夹角会发生变化。
这种能级跃迁是获取核磁共振信号的基础。
为了让原子核自旋的进动发生能级跃迁，需要为原子核提供跃迁所需要的能量，这一能量通常是通过外加射频场来提供的。
根据物理学原理当外加射频场的频率与原子核自旋进动的频率相同的时候，射频场的能量才能够有效地被原子核吸收，为能级跃迁提供助力。
因此某种特定的原子核，在给定的外加磁场中，只吸收某一特定频率射频场提供的能量，这样就形成了一个核磁共振信号。
NMR基本原理优秀课件
• 4.1 基本原理
• 4.2 核磁共振氢谱（1H NMR）
• 4.3 核磁共振碳谱（13C NMR）
• 4.4 二维谱
§ 4.1 基本原理
4.1.1 NMR现象的产生
（一）原子核的自旋角动量和磁矩 • 核的自旋
第四章 核磁共振波谱
（ Nuclear Magnetic Resonance Spectroscopy，NMR）
发展历史
1952年诺贝尔物理学奖：布洛赫(Felix Bloch ) & 珀赛尔 (Edward Purcell)领导的两个研究组首次独立观察到核磁共振 信号，共同获得诺贝尔物理学奖。
* 布洛赫(Felix Bloch )
出,并将接收到的信号传送到放大器放大。 • 探头:有样品管座、发射线圈、接受线圈、变温元件等。 • 扫描单元：安装在磁极上的扫描线圈，提供一个附加可
变磁场，用于扫描测定。
脉冲傅里叶变换核磁共振谱仪PFT-NMR
在外磁场保持不变的条件下，使用一个强而短的射频脉冲 照射样品。这个射频脉冲包括所有不同环境的同类磁核的共振 频率。各种核同时激发，发生共振，然后通过弛豫逐步恢复 Boltzmann平衡。在这个过程中，射频接受器接受信号，得到 随时间衰减的信号，称自由感应衰减信号（FID)，通过计算机 进行傅里叶变换转化为通常的NMR谱图。
珀赛尔 (Edward Purcell2)
发展历史
• 1950年前后Proctor发现处在不同化学环境的同种原子核有 不同的共振频率，即化学位移；随即又发现因相邻自旋核 而引起的多重谱线，即自旋－自旋耦合。就此开拓了核磁 共振在化学领域的应用。
核磁共振NMR工作原理及基本操作
活泼氢 “万能溶剂” 难以回收 溶剂峰与样品峰重叠 熔点低 18℃
化学位移相近的峰分开
02
樟脑
TLC板多种展开体系下 是一个点 色谱峰单一
样品纯度要尽量高
对样品要有足够的溶解度
01
对1H谱一般5-10mg， 13C 谱最好用10 mg以上。
02
与样品不发生化学反应。 溶剂的吸收峰对样品信号没有干扰。
03
氘代溶剂
氘代试剂的选择
CDCl3 D2O DMSO-d6 CD3ห้องสมุดไป่ตู้D C6D6
当射频场的频率与核磁场中的拉摩尔进动频率匹配时，发生共振-----低能级的磁性核吸收一个辐射量子跃迁至较高能级；同时，位于高能级的核释放出能量回到低能级。
1H的两个自旋态布居数相差的数量级为20ppm。 与其它技术，如IR和UV光谱，NMR灵敏度相对较低。
对NMR来说，射频辐射(rf)，其频率范围与收音机和电视机的接收频率相同。
B0
m=+½
m=-½
原子序数
质量数
I
实例
偶
偶
0
6C 8O 16S
奇
奇
1H 9F 15P 7N I=½
偶
奇
6C I=½ 5B I=³/²
奇
偶
整数
1H 7N I=1
12
16
32
1
19
31
15
13
11
2
14
NMR原理
ω0 = 2π ν0 = γ B0 2π γ 磁旋比； B0外磁场强度； 磁旋比； 外磁场强度；
两种进动取向不同的氢核之 间的能级差： 磁矩） 间的能级差：∆E= 2µB0 （µ磁矩）
高能自旋态与低能自旋态的能量之差 Eβ=+µB0
E E0
E1
E2
E3
Eα=-µB0
H0
高低自旋态能量的差值（ 高低自旋态能量的差值（△ E ） 低能态的核比高能态的核稍多一点，约百 对于氢核，处于低能态的核比高能态的核稍多一点，
万分之十左右。也就是说，在1 000 000个氢核中，低能态的核 000个氢核中 个氢核中， 万分之十左右。也就是说， 仅比高能态的核多十个左右， NMR信号就是靠这极弱量过剩的 仅比高能态的核多十个左右，而NMR信号就是靠这极弱量过剩的 低能态氢核产生的。 低能态氢核产生的。如果低能态的核吸收电磁波能量向高能态跃 迁的过程连续下去，那么这极微量过剩的低能态氢核就会减少， 迁的过程连续下去，那么这极微量过剩的低能态氢核就会减少， 吸收信号的强度也随之减弱。 吸收信号的强度也随之减弱。最后低能态与高能态的核数趋于相 使吸收信号完全消失，这时发生“饱和”现象。 等，使吸收信号完全消失，这时发生“饱和”现象。
NMR原理： NMR原理： 原理 一、 原子核的自旋
• 原子核是带正电荷的粒子，和电子一样有自旋现象， 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 由于原子核是具有一定质量的带正电的粒子， 自旋时会产生核磁矩。核磁矩和角动量都是矢量， 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， 它们的方向相互平行，且磁矩与角动量成正比，即 µ=γp 式中： 为旋磁比， 式中：γ为旋磁比，即核磁矩与核的自旋角动量的比 不同的核具有不同旋磁比， 值，不同的核具有不同旋磁比，它是磁核的一个特 征值； 为磁矩； 征值；µ为磁矩；
NMR基本原理及在多孔介质中的应用
NMR基本原理及在多孔介质中的应用目录NMR基本原理及在多孔介质中的应用 (1)核磁共振基本原理 (2)原子核的磁性 (2)极化 (2)脉冲翻转和自由感应衰减 (4)自旋回波及CPMG (5)核磁共振测量时序 (7)核磁共振在多孔材料中的应用原理 (8)孔隙流体的核磁共振弛豫机制 (8)多指数衰减 (12)回波串反演 (13)二维NMR技术 (14)核磁共振孔渗饱测试基本原理 (17)核磁共振孔隙模型 (17)NMR T2分布 (18)孔径分布 (18)NMR自由流体指数与束缚流体饱和度 (19)BVI的确定 (19)NMR渗透率 (20)核磁共振渗透率模型 (21)储层流体的NMR特性 (23)纽迈科技Tel: +86-021-********Fax: +86-21-51208283E-mail: admin@纽迈科技 Tel: +86-021-********Fax: +86-21-51208283E-mail: admin@核磁共振基本原理虽然核磁共振对多孔介质的研究依据的物理原理十分复杂，但只需了解一些核磁共振的基本概念，就可进行测试和资料解释工作。
这些基本概念包括核磁，极化，T 1弛豫时间，脉冲翻转，自由感应衰减，自旋回波，T 2弛豫时间和CPMG 脉冲序列。
原子核的磁性核磁共振是指原子核被磁场磁化，对射频的响应。
许多原子核都有一净磁矩和角动量（或自旋）。
当存在一外部磁场时，原子核就围绕外磁场的方向进动，就像陀螺绕着地球的重力场进动一样。
当这些自旋的有磁性的原子核与外部磁场相互作用时，就可产生一可测量的信号。
如果原子核的中子数和质子数有一项或两者均为奇数时，就具备产生核磁共振信号的条件。
如氢核1H ，碳13C ，氮14N 等。
其中氢核1H 自然界内含量丰富，检测的灵敏度高，具有较大的磁矩并产生较强的信号。
几乎所有的核磁共振技术都以氢原子核的响应为基础。
我们讨论的质子就是氢核。
氢原子核有一个质子，它是一个很小的带正电荷的粒子，具有角动量或自旋。
核磁共振NMR高斯计的测绘原理
核磁共振NMR 高斯计的测绘原理By Philip Keller, Metrolab产品经理瑞士Metrolab公司是精密磁力计的全球市场领导者，在过去的30年中，已经赢得了大型物理实验室和磁共振成像的所有领先厂商的信赖。
磁共振磁强计已经成为世界各地的物理学家，工程师和技术人员日常工具。
最常见的应用包括研究，磁体的制造和测试，标准和校准。
北京华贺技术有限公司作为Metrolab在中国的专业代理与进口公司，全面支持其在中国的市场、销售和售后等服务。
1.NMR 高斯计技术With a resolution approaching 1 ppb (part per billion), Nuclear Magnetic Resonance (NMR) is the gold standard of magnetic measurement. Bellow picture illustrates the technical principle:Principles of NMR magnetic field strength measurement.A proton (hydrogen nucleus) has two possible spin states. In the absence of an external magnetic field, these states are degenerate, but as soon as we apply a field, the spinaligned state is lower energy than the unaligned state. The energy differential ΔE between the two states depends linearly on the magnetic field strength. This exact linear dependence, very nearly independent of all other external factors such as temperature, forms the basis for NMR teslameters.In an NMR teslameter, a coil is wrapped around a sample material rich in hydrogen nuclei – ordinary water works great. This is the "Nuclear" part of NMR. The sample is placed in the magnetic field to be measured ("Magnetic") and irradiated with an RF signal whose frequency gradually increases. When we hit the frequency that corresponds to ΔE, the sample suddenly absorbs energy ("Resonance"). For a field strength of 1 T, this resonance occurs at about 42.5 MHz; this is the gyromagneticratio (γ) for hydrogen nuclei.The resonance is extremely narrow, and so the frequency provides an extremely precise measure of the magnetic field strength.NMR has some overwhelming advantages over other measurement technologies:- extremely precise;- no drift; and- measures total field.That last point is perhaps not obvious. In fact, the protons align themselves with the magnetic field, and the resonance always occurs at B/γ, regardless of how we orient our coil. It turns out, however, that the best coupling between the RF field and the proton spins is achieved when the magnetic field is perpendicular to the coil's axis. In fact, NMR has a blind spot when the coil's axis is exactly aligned with the magnetic field.NMR also has substantial limitations:- Uniform field only: In a field gradient, one edge of the sample will resonate at one frequency, and the opposite edge at another. As the gradient increases, the resonance signal becomes broader and shallower, until it can no longer be detected; this limit typically lies in the range of several hundred to several thousand ppm/cm. In some situations, gradient correction coils can improve this situation.- DC / low-AC fields only: NMR is a relatively slow measurement method, making it unsuitable for measuring rapidly varying fields. Here, we have to distinguish search mode from measurement mode: scanning through a large frequency range to find the resonance requires the field to remain stable for seconds; but once the search is completed, we can track the field and achieve measurement rates of up to about 100 measurements per second.- Low fields require a large sample, ESR or pre-polarization: As the field and, consequently, the energy gap between the spin states tends towards zero, the populations of the two states tend to become equal, and the strength of the resonance diminishes. There are three possible remedies:●Use a very large sample to increase the number of spin-flips.●oPre-polarize the sample in a strong field to populate the spin-aligned state,and then remove this bias field during the measurement.●Use ESR, i.e. the spin of orbital electrons instead of protons, because thesehave a gyromagnetic ratio (γ) three orders of magnitude higher than protons.2.NMR 核磁共振测绘To build an NMR mapper, we need:- NMR probe or probe array. As we will see in the example, a probe array ramatically speeds up the acquisition and simplifies the jig.- Positioning jig.- NMR teslameter (the electronics).The output of an NMR mapper is straightforward:- total field B,- point-sampled,In fact, the size of the "points" are determined by the size of our NMR sample, which is typically a few millimetres in diameter.- very high precision.Well below 1 ppm, in the best case approaching 1 ppb.Computational post-processing depends very much on the application. The typical postprocessing for MRI applications is described in the following section.Close-up of an NMR probe array. Each probe – one of them is circled – is mounted on itsown circuit card. Such probe arrays typically contains 24 or 32 probes (maximum 96).3.NMR核磁共振测绘–案例The most widespread use of NMR mapping relates to the development, manufacturing and installation of MRI (Magnetic Resonance Imaging) magnets. These can be permanent, resistive, or superconducting magnets, with a typical field strength between 0.2 and 7 T.Technically, the preferred shape is a torroid, but for improved access to the patient, or for a less claustrophobic feel, C-shaped magnets are sometimes used. Most modern full-body systems from the major manufacturers use superconducting torroids, 1.5 or 3 T, as illustrated in Figure 12.Example of modern full-body MRI scanner (Philips Achieva).The homogeneity of the field in the imaging region must typically be guaranteed to within a few ppm. Since minor, unavoidable manufacturing variations cause inhomogeneities generally two orders of magnitude greater than that, the homogeneity must be adjusted in a process called shimming.The overall shimming procedure is to map the field, analyze the map, adjust the field with iron shims and/or shim-coil current adjustments, and to remap the field to verify the results.If necessary, this process is repeated until the specified homogeneity is achieved. The same process, and usually the same equipment, is used in R&D, manufacturing and installation. The measurement is extremely sensitive, and obscure effects such as the passing of an overhead crane or the return current of a nearby train can cause hugeerrors.NMR mapping jigs for torroid- and C-shaped MRI magnets, respectively.The probe arrays and jigs shown in Figure 11 and Figure 13 generate a map of thetotal field on the surface of a sphere. As long as there are no currents or magneticmaterial inside this sphere, and assuming the direction of the field is known, the fieldat every point inside the sphere can be calculated from Maxwell's equations. Generally we use an expansion in spherical harmonics to perform this computation.It is worth noting that the jigs shown are much simpler that in the previous examples. Fundamentally, there are two reasons for this:- Using a probe array reduces the required motion to a single dimension.- Partly because the field is so uniform, and partly because the NMR sample points are fairly large, the requirements on the positioning precision are much less –typically 0.1mm. Compare that to the 0.1 μm for the Hall mapper example!4.问答To summarize our observations from these different examples of magnetic mapping, here is a small check-list of key questions to ask if you want (rather, need) to build a mapper:- Use: R&D, production, field service?It makes a big difference if a system is to be used once in a while for R&D, or all the time in production, or packed up in a suitcase for field service.- Measurement: field components, total field, integral, gradient?Do you really need Bx, By, Bz, or do you really need B, or an integral or gradient of B?By choosing the appropriate measurement technology, you may be able to speed up the acquisition as well improve your precision.- Field: strength, uniformity, AC/DC, stability?The characteristics of your field also play an important role in the choice of measurement technology.- Precision: 10% or 10 ppm?…as does the precision required.- Positioning: access, range, precision, reproducibility?The design of your jig is as important as the choice of magnetic sensor. What sort of access do you have to the region to be measured? What positioning precision do you need? How reproducible must the positioning be?- Environment: vacuum, cryogenic?The environment changes dramatically depending on whether you're in a lab, on a production floor or in the field. In addition, magnetic systems are often combined with vacuums and cryogenic temperatures. Hall effect sensors, for example, don't work at liquid-helium temperatures.- Speed: cost, external error sources, human error?Making a fast mapper may not cost more; for example, we saw that the simplification of the jig may more than make up for the costs of a sensor array. In addition, the improved speed dramatically reduces external and human error.。
NMR-核磁共振(含化学位移概念)
NMRNMR（Nuclear Magnetic Resonance）为核磁共振。
是磁矩不为零的原子核，在外磁场作用下自旋能级发生蔡曼分裂，共振吸收某一定频率的射频辐射的物理过程。
核磁共振波谱学是光谱学的一个分支，其共振频率在射频波段，相应的跃迁是核自旋在核蔡曼能级上的跃迁。
国内叫NMR，国外叫MR，因为国外比较避讳Nuclear这个单词。
目录基本原理核磁共振应用核磁共振发展动向二维核磁共振波谱的基本原理划分区域基本原理自旋量子数I不为零的核与外磁场 H0相互作用，使核能级发生2I+1重分裂，此为蔡曼分裂。
核磁共振是1946年由美国斯坦福大学布洛赫(F.Block)和哈佛大学珀赛尔(E.M.Purcell)各自独立发现的，两人因此获得1952年诺贝尔物理学奖。
50多年来，核磁共振已形成为一门有完整理论的新学科。
核磁共振应用核磁共振适合于液体、固体。
如今的高分辨技术，还将核磁用于了半固体及微量样品的研究。
核磁谱图已经从过去的一维谱图（1D）发展到如今的二维（2D）、三维（3D）甚至四维（4D）谱图，陈旧的实验方法被放弃，新的实验方法迅速发展，它们将分子结构和分子间的关系表现得更加清晰。
在世界的许多大学、研究机构和企业集团，都可以听到核磁共振这个名词，包括我们在日常生活中熟悉的大集团。
而且它在化工、石油、橡胶、建材、食品、冶金、地质、国防、环保、纺织及其它工业部门用途日益广泛。
在中国，其应用主要在基础研究方面，企业和商业应用普及率不高，主要原因是产品开发不够、使用成本较高。
但在石油化工、医疗诊断方法应用较多。
核磁共振发展动向20世纪后半叶，NMR技术和仪器发展十分快速，从永磁到超导，从60MHz到800MHz的NMR谱仪磁体的磁场差不多每五年提高一点五倍，这是被NMR在有机结构分析和医疗诊断上特有功能所促进的。
现在有机化学研究中NMR已经成为分析常规测试手段，同样，在医疗上MRI（核磁共振成像仪器）亦成为某些疾病的诊断手段。
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1.3 NMR的基本原理
1945年F.Bloch和E.M.Purcell为首的两个研究小组分别基于核磁感应理论和量子光学中能量吸收的观点独立发现NMR现象而获得了诺贝尔物理学奖。
其中基于Purcell量子光学的理论认为原子核和电子一样也有自旋角动量，对于自旋角动量不为零的原子核自旋时，会产生一个与原子核自旋方向相同的磁矩，其大小与原子核的自旋角动量成正比。
当把原子核置于外加磁场中时，原子核会发生进动，其进动的能量与磁场、核磁矩、磁矩和磁场的夹角 相关。
在外加射频场的作用下提供原子核进行跃迁所需要的能量，当外加射频场的频率与原子核自旋进动的频率相同的时候，射频场的能量才能有效地被原子核吸收，发生能级的跃迁，产生NMR信号（如图1-2A）。
基于Bloch的核磁感应理论，认为磁化强度本质上是宏观磁矩，它在线圈中有自身的磁通量。
当磁化强度绕磁场旋进时，线圈中的磁通量就会发生周期性的变化，因而在线圈中可以记录到振荡频率为γћB0的交变电流，从而产生NMR信号（如图1-2B）[54]。
(A)(B)
图1-2 NMR实验的两种解释示意图[54]
（A）能量吸收图解；（B）电磁感应图解
通过核磁共振的分析能够为代谢物提供以下三种结构信息：化学位移，偶合常数，和各种核的信号强度比。
1.3.1 化学位移
同一种核由于其所在的分子不同，或在同一分子内邻近于不同的化学基团，共振频率会略有不同，因而把同一种核在分子中不同化学环境下共振吸收频率不
同的现象称为化学位移（chemical shift ）[55]。
化学位移产生的原因是，分子中运动的电子受到外磁场的影响产生感生电流，进而产生感生磁场，感生磁场与外磁场相互叠加，使核本身受到的有效场发生变化，原子核就会在略微不同的磁场强度下发生共振，此种现象又被称为屏蔽效应，用屏蔽因子σ表示。
核外成键电子产生的屏蔽效应分为两部分，第一部分是成键电子云在外场作用下，被极化产生的感应电子环流，呈现逆磁的感应磁矩，产生一个与外场方向相反的内部场，使核实际感受到的磁场小于外磁场，此种现象称为抗磁性屏蔽。
第二部分是由于化学键限制成键电子在外场中的运动而产生顺磁性屏蔽。
由于在实际工作中测量的都是相对的化学位移，因而为了比较在不同谱仪操作条件下的化学位移，实际工作中常选用一种与磁场强度无关的，无量纲的值δ来表示化学位移的大小（公式如下），其中νsam 和νref 分别是样品和参考物的共振频率。
化学位移δ的大小只取决于样品的种类、溶剂和温度等，而与谱仪的实际工作频率无关。
6
ref ref sam 10νν-νδ⨯=
若所研究的质子附近有高电负性的基团存在，则其周围的电子云密度降低，屏蔽效应也降低，顺磁性增加，σ下降，产生共振所需磁场强度小，吸收峰向低场移动；反之，若有几个低电负性基团存在，则它周围的电子云密度增加，抗磁性效应增强，化学位移向高场移动。
一般来讲分子中核受到的屏蔽与邻近基团的磁各向异性，范德华效应，溶剂作用，氢键效应，pH 值的影响，温度的影响.等相关。
1.3.2 自旋偶合和自旋裂分
原子核周围的电子云密度和它们对外加磁场的屏蔽作用决定了它们的化学位移。
除了核外电子云的作用以外，每种化学环境中的原子核还受到邻近原子核两种自旋态的小磁场的作用。
这种因分子中相邻质子间的自旋相互作用，称为自旋偶合。
由自旋偶合作用而形成的共振吸收峰分裂的现象，称为自旋裂分。
核自旋之间的相互作用形式分为两种，一种是核与核之间直接磁偶极相互作
用，称为偶极-偶极相互作用；另一种是通过成键电子传递的间接相互作用，称为自旋-自旋偶合，它是核-核之间的间接偶合。
它不同于偶极偶极相互作用，与和所处的空间方位有关，也不同于核-电子偶合，与外磁场B0无关，且只有当样品中存在两类化学位移不等价的磁性核时才可能出现自旋-自旋偶合裂分现象。
一般说来，当偶合常数远小于化学位移频率差时自旋裂分数可以应用n+1规律。
即一组相同的磁性核所具有的裂分峰书目，是由邻近的磁核数目n所决定的，其裂分数为2n I+1，对质子而言，因I=1/2，故裂分数为n+1。
需要补充的是，自旋偶合和自旋裂分通常在邻近碳原子上的质子之间发生，非相邻碳原子的偶合作用比较小。
由自旋偶合作用产生的多重峰中相邻两峰的距离（峰间隔）被称为自旋自旋偶合常数，通常用符号J表示。
影响偶合常数的因素大体可分为两个部分：原子核的磁性和分子结构。
与原子核通过化学键作用的核的磁性的大小和有无决定了偶合常数的大小和存在与否。
一般说来，原子核的磁性越大，偶合常数越大，反之亦然。
因为核旋磁比γ实际上是核的磁性大小的度量，因此偶合常数与旋磁比有直接的关系。
分子结构对偶合常数的影响可概括为两个基本因素：几何构型和电子结构。
几何构型包括键长、键角两个因素；电子结构包括核周围电子密度和化学键的电子云分布两个因素。
1.3.3 1D 和2D NMR谱的原理
脉冲傅里叶变换核磁共振谱是采用射频脉冲激发在一定范围内所有欲观测的核，通过傅里叶变换得到NMR谱图（如图1-3）。
图1-3 1D NMR谱的基本原理[56]
自二维NMR谱出现以来，它以直观的主要优势被广泛的应用于复杂波谱的解析中。
一维NMR谱把共振信号展示在一个频率坐标轴上，而二维NMR谱有两个时间变量，把一维谱分别在两个独立的坐标轴上展开，将化学位移、偶合常数等多种与化合物结构相关信息在2D NMR平面图上显示出来，减少了谱线重叠的现象，有利于谱图的解析，而且还提供了自旋核之间相互作用的信息。
它通过利用多脉冲序列对核自旋系统进行激发，在多脉冲序列作用下的核自旋系统得到两个独立的频率变量的函数，再通过对两个时域函数自由衰减信号进行两次傅里叶变换，最后得到2D NMR谱线。
通常2D谱的脉冲序列包括四个区间：预备期，发展期（t1），混合期（tm）和检测期（t2）。
其中在预备期主要通过脉冲延迟达到实验热平衡从而使核自旋体系处于初始平衡状态或通过系列脉冲使各质子的磁矢量处于某种特定的相位调制状态。
然后在发展期打破平衡状态，当样品中的核自旋被激发后，以确定频率进动并延续一段时间，通过演化期固定的时间增量△t1进行一系列实验，从而产生一系列FID信号。
混合期由一组固定长度的脉冲和延迟组成，在此期间通过相干或极化传递，建立检测的条件。
最后混合期产生的横向磁化矢量受到新的Halmilton量的作用进行演化，在检测期检测到信号的发生[57]。
1.3.4 谱峰归属的解析思路
在得到复杂的谱图后，首先根据分子中处于不同环境氢核的化学位移值大概地推断可能是什么样的基团，如1.0ppm附件多为甲基相关的信号，6.5~8区域多为芳香族化合物苯环的信号，9~10左右多为-COOH或-CHO内氢的信号。
然后根据谱峰的裂分模式，偶合常数确定分子中存在的自旋系统，得到邻近基团和连接方式，再与13C NMR数据做相应的关联确定自旋系统对应的结构单元；最后再根据化学位移将相关的官能团与自旋系统归属的结构单元相连接。
此外可以通过二维核磁共振波谱有助于推测复杂的分子结构。
如通过同核J 分解谱可以从复杂重叠的谱峰中得到相邻峰的偶合常数及裂分模式；1H-1H同核相关谱（COrrelation SpectroscopY，COSY）可以得到分子中相邻碳上的氢1H-1H
之间（< 3J HH）的偶合关系；1H-1H同核质子全相关谱（Total COrrelation SpectroscopY，TOCSY）可以通过某一质子出发，找到处于同一偶合体系内所有质子的相关峰；1H-13C异核单量子相关谱（Heteronuclear Singles Quantum Coherence，HSQC）和1H-13C异核多量子相关谱（Heteronuclear Multiple Quantum coherence，HMQC）可以把直接相连的碳和氢的信息关联起来；而1H-13C异核多键相关谱（Heteronuclear Multiple Bond Coherence，HMBC）可以获得13C-1H 之间长程偶合的信息，把季碳原子和其它碳氢基团的信息关联起来。
1.3.5 MAS的基本原理
一般情况下核的自旋会产生一些相互作用力，主要的三种相互作用力包括偶极-偶极相互作用、化学位移各向异性和核四级矩，容易导致谱线增宽信号丢失等问题。
魔角旋转（magic angle spinning，MAS）技术就是让生物组织样品在与静磁场成魔角（θ=54.7°）的方向旋转, 通过样品的旋转来达到减小分子相互作用的目的，有效平均掉样品内各种相互作用和磁化率不均匀引起的谱线变宽等影响, 从而获得与液体高分辨NMR 相媲美分辨率的生物谱图。
目前，HR-MAS NMR 已经被用于人类和动物各种组织器官的分析和研究中，包括脑组织、心脏、肝脏和肾脏等[58-60]。