核磁共振讲义
相关主题
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
核磁共振波谱分析
窦智峰 海南大学分析测试中心
2009-5-13
1/43
海南大学分析测试中心
主要内容
前言 核磁共振基本原理 核磁共振基本知识 简单图谱解析
2009-5-13
2/43
海南大学分析测试中心
概述
什么是核磁共振
核磁共振(Nuclear Magnetic Resonance简称NMR)是磁性原子核的磁矩 在恒定磁场和射频电磁波[兆赫数量级]共同作用下，在其核磁能级间发生 的共振吸收[跃迁]现象。
2009-5-13
11/43
海南大学分析测试中心
二 核磁共振原理
5.核磁共振产生的条件
EE==hhBBoo//22
例如，当B0=2.35T时，1H的核磁共振吸收频率为 v=26.753×107T-1S-1×2.35T/2п=100MHz
2009-5-13
12/43
oo==BBoo//22
核磁共振波谱仪
CW-NMR
FT-NMR
17/43
海南大学分析测试中心
三 核磁共振基本知识
1 化学位移
偶数 奇数 奇数 偶数
偶数 奇数 偶数 奇数
0 n/2(n=2,4,6,…) n/2(n=1,3,5,…) n/2(n=1,3,5,…)
12C，16O，32S， 2H，6Li，14N 1H，19F，31P 13C，17O
2009-5-13
7/43
海南大学分析测试中心
二 核磁共振原理
2.原子核的磁矩
100
0.8340
31P ½ 1.1305 1.09×108
100
0.0640
14N 1 0.4037 0.19×108
99.64
0.0010
为什么1H核最适合用于NMR研究？
2009-5-13
13/43
海南大学分析测试中心
二 核磁共振原理
6.核磁共振波谱仪
a, 连续波核磁共振波谱仪 （CW-NMR） b, 傅立叶变换核磁共振波 谱仪(FT-NMR)
是否每一种原子核都有磁矩？
2009-5-13
8/43
海南大学分析测试中心
二 核磁共振原理
3.原子核的磁旋比
N gN N I（I 1）
P h I ( I 1) 2π
2 gN N h
表2 部分原子核的磁性质
核I
μ
γ / J.S 同位素丰度/ % 相对灵敏度
彼得·曼斯菲尔
化学奖 化学奖 生理医学奖
开创了FT-NMR和2D-NMR
发明了利用NMR技术测定溶液中生 物大分子三维结构的方法
核磁共振成像MRI
2009-5-13
4/43
海南大学分析测试中心
概述
一维(1D)：如1H-NMR,13C-NMR……
发
液体核磁共振 二维(2D)：如各种同核或异核相关谱
展 领
对于I不为零的核来说当其自旋时产生类似电流 通过线圈一样（形成环电流）产生磁场，因而具有 磁偶极矩，简称核磁矩μN 。核磁矩为矢量，方向与 核自旋角动量的方向一致，其大小为：
N gN N I (I 1)
gN——原子核朗特因子，又叫g因子 ，对于1H,gN =5.585 βN——核磁子，磁矩的最小单位，值为5.0508×10-27A·m2
2009-5-13
3/43
海南大学分析测试中心
概述
核磁共振技术发展历程
时间 获奖人 诺贝尔奖项
获奖业绩
1944 1952
伊西多.拉比 布洛赫和珀塞尔
物理学奖 物理学奖
人类首次认识原子核与磁场以及外 加射频场的相互作用
各自首次观察到质子核磁共振信号
1991 2002 2003
恩斯特
库尔特·维特里希 保罗·劳特伯尔和
2009-5-13
14/43
海南大学分析测试中心
二 核磁共振原理
2009-5-13
15/43
海南大学分析测试中心
2009-5-13
16/43
海南大学分析测试中心
本章小结
原子核的自旋
磁矩
磁旋比
塞曼分裂（2I+1） 原子核在磁场中的行为
2009-5-13
oo==BBoo//22 核磁共振产生条件
1H ½ 2.7927 2.67×108
99.98
1
2H
1 0.8574 0.41×108
0.02
0.0096
13C ½ 0.7023 0.67×108 19F ½ 2.6273 2.52×108 31P ½ 1.1305 1.09×108 14N 1 0.4037 0.19×108
1.07 100 100 99.64
海南大学分析测试中心
二 核磁共振原理
4.2核磁矩在外磁场中的能级分裂
E Z B0 Z m gN N
2 gN N
h
I=1/2磁核的能级裂分与外磁场关系
E
m h 2
对于某一确定的磁核，会有2I+1个核磁能级。在无外磁场时，它们是简 并的，在有外磁场作用时，核磁矩会由原来简并的能级分裂成2I+1个能级， 这种现象叫做塞曼分裂。
海南大学分析测试中心
二 核磁共振原理
5.核磁共振产生的条件
核I
μ
γ / J.S 同位素丰度/ % 相对灵敏度
1H ½ 2.7927 2.67×108
99.98
1
2H
1 0.8574 0.41×108
0.02
0.0096
13C ½ 0.7023 0.67×108
1.07
0.0159
19F ½ 2.6273 2.52×108
海南大学分析测试中心
二 核磁共振原理
1.原子核的自旋
原子核具有一定的体积和质量，如果它能绕穿过核心的某自旋轴作自
旋运动那么将产生自旋角动量P。P的方向可由右平螺旋法则确定，其大小
由(1)式确定
P
I
(I
1)
h
2
（1）
质量数
偶数 奇数
核自旋量子数与质子数及中子数关系
质子数 中子数 自旋量子数
举例Leabharlann Baidu
0.0159 0.8340 0.0640 0.0010
2009-5-13
9/43
海南大学分析测试中心
二 核磁共振原理
4.原子核在磁场中的行为
4.1核磁矩在外磁场中取向
进动或拉摩进动(Larmor Process)
Z m gN N
m为核自旋磁量子数
2009-5-13
10/43
共2I+1个
固体核磁共振 三维(3D)：如生物大分子结构分析
域
核磁共振成像
……
2009-5-13
5/43
海南大学分析测试中心
二 核磁共振原理
1.原子核的自旋 2.原子核的磁矩 3.原子核的磁旋比 4.原子核在磁场中的行为 5.核磁共振产生的条件 6.核磁共振波谱仪
核的固有性质 相互作用
2009-5-13
6/43
窦智峰 海南大学分析测试中心
2009-5-13
1/43
海南大学分析测试中心
主要内容
前言 核磁共振基本原理 核磁共振基本知识 简单图谱解析
2009-5-13
2/43
海南大学分析测试中心
概述
什么是核磁共振
核磁共振(Nuclear Magnetic Resonance简称NMR)是磁性原子核的磁矩 在恒定磁场和射频电磁波[兆赫数量级]共同作用下，在其核磁能级间发生 的共振吸收[跃迁]现象。
2009-5-13
11/43
海南大学分析测试中心
二 核磁共振原理
5.核磁共振产生的条件
EE==hhBBoo//22
例如，当B0=2.35T时，1H的核磁共振吸收频率为 v=26.753×107T-1S-1×2.35T/2п=100MHz
2009-5-13
12/43
oo==BBoo//22
核磁共振波谱仪
CW-NMR
FT-NMR
17/43
海南大学分析测试中心
三 核磁共振基本知识
1 化学位移
偶数 奇数 奇数 偶数
偶数 奇数 偶数 奇数
0 n/2(n=2,4,6,…) n/2(n=1,3,5,…) n/2(n=1,3,5,…)
12C，16O，32S， 2H，6Li，14N 1H，19F，31P 13C，17O
2009-5-13
7/43
海南大学分析测试中心
二 核磁共振原理
2.原子核的磁矩
100
0.8340
31P ½ 1.1305 1.09×108
100
0.0640
14N 1 0.4037 0.19×108
99.64
0.0010
为什么1H核最适合用于NMR研究？
2009-5-13
13/43
海南大学分析测试中心
二 核磁共振原理
6.核磁共振波谱仪
a, 连续波核磁共振波谱仪 （CW-NMR） b, 傅立叶变换核磁共振波 谱仪(FT-NMR)
是否每一种原子核都有磁矩？
2009-5-13
8/43
海南大学分析测试中心
二 核磁共振原理
3.原子核的磁旋比
N gN N I（I 1）
P h I ( I 1) 2π
2 gN N h
表2 部分原子核的磁性质
核I
μ
γ / J.S 同位素丰度/ % 相对灵敏度
彼得·曼斯菲尔
化学奖 化学奖 生理医学奖
开创了FT-NMR和2D-NMR
发明了利用NMR技术测定溶液中生 物大分子三维结构的方法
核磁共振成像MRI
2009-5-13
4/43
海南大学分析测试中心
概述
一维(1D)：如1H-NMR,13C-NMR……
发
液体核磁共振 二维(2D)：如各种同核或异核相关谱
展 领
对于I不为零的核来说当其自旋时产生类似电流 通过线圈一样（形成环电流）产生磁场，因而具有 磁偶极矩，简称核磁矩μN 。核磁矩为矢量，方向与 核自旋角动量的方向一致，其大小为：
N gN N I (I 1)
gN——原子核朗特因子，又叫g因子 ，对于1H,gN =5.585 βN——核磁子，磁矩的最小单位，值为5.0508×10-27A·m2
2009-5-13
3/43
海南大学分析测试中心
概述
核磁共振技术发展历程
时间 获奖人 诺贝尔奖项
获奖业绩
1944 1952
伊西多.拉比 布洛赫和珀塞尔
物理学奖 物理学奖
人类首次认识原子核与磁场以及外 加射频场的相互作用
各自首次观察到质子核磁共振信号
1991 2002 2003
恩斯特
库尔特·维特里希 保罗·劳特伯尔和
2009-5-13
14/43
海南大学分析测试中心
二 核磁共振原理
2009-5-13
15/43
海南大学分析测试中心
2009-5-13
16/43
海南大学分析测试中心
本章小结
原子核的自旋
磁矩
磁旋比
塞曼分裂（2I+1） 原子核在磁场中的行为
2009-5-13
oo==BBoo//22 核磁共振产生条件
1H ½ 2.7927 2.67×108
99.98
1
2H
1 0.8574 0.41×108
0.02
0.0096
13C ½ 0.7023 0.67×108 19F ½ 2.6273 2.52×108 31P ½ 1.1305 1.09×108 14N 1 0.4037 0.19×108
1.07 100 100 99.64
海南大学分析测试中心
二 核磁共振原理
4.2核磁矩在外磁场中的能级分裂
E Z B0 Z m gN N
2 gN N
h
I=1/2磁核的能级裂分与外磁场关系
E
m h 2
对于某一确定的磁核，会有2I+1个核磁能级。在无外磁场时，它们是简 并的，在有外磁场作用时，核磁矩会由原来简并的能级分裂成2I+1个能级， 这种现象叫做塞曼分裂。
海南大学分析测试中心
二 核磁共振原理
5.核磁共振产生的条件
核I
μ
γ / J.S 同位素丰度/ % 相对灵敏度
1H ½ 2.7927 2.67×108
99.98
1
2H
1 0.8574 0.41×108
0.02
0.0096
13C ½ 0.7023 0.67×108
1.07
0.0159
19F ½ 2.6273 2.52×108
海南大学分析测试中心
二 核磁共振原理
1.原子核的自旋
原子核具有一定的体积和质量，如果它能绕穿过核心的某自旋轴作自
旋运动那么将产生自旋角动量P。P的方向可由右平螺旋法则确定，其大小
由(1)式确定
P
I
(I
1)
h
2
（1）
质量数
偶数 奇数
核自旋量子数与质子数及中子数关系
质子数 中子数 自旋量子数
举例Leabharlann Baidu
0.0159 0.8340 0.0640 0.0010
2009-5-13
9/43
海南大学分析测试中心
二 核磁共振原理
4.原子核在磁场中的行为
4.1核磁矩在外磁场中取向
进动或拉摩进动(Larmor Process)
Z m gN N
m为核自旋磁量子数
2009-5-13
10/43
共2I+1个
固体核磁共振 三维(3D)：如生物大分子结构分析
域
核磁共振成像
……
2009-5-13
5/43
海南大学分析测试中心
二 核磁共振原理
1.原子核的自旋 2.原子核的磁矩 3.原子核的磁旋比 4.原子核在磁场中的行为 5.核磁共振产生的条件 6.核磁共振波谱仪
核的固有性质 相互作用
2009-5-13
6/43