第十五章核磁共振要点资料讲解
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美籍奥地利人I.I.Rabi因应用共 振方法测定了原子核的磁矩和光 谱的超精细结构获得了1944年诺 贝尔物理学奖。
Isidor Isaac Rabi Columbia University New York, NY, USA
The Noble Prize in Physics 1952
美籍科学家Bloch和Purcell首次观测到宏观物 质核磁共振信号,他们二人为此获得了1952年诺贝尔 物理学奖。
The Nobel Prize in Physiology or Medicine 2003
2003年诺贝尔生理或医学奖授予美国的保罗·C·劳特伯(Paul C. Lauterbur) 和英国的皮特·曼斯菲尔德(Peter Mansfield)，因为他们发明了磁共振成像 技术(Magnetic Resonance Imaging, MRI)。该项技术可以使 人们能够无损 伤地从微观到宏观系统地探测生物活体的结构和功能，为医疗诊断和科学 研究提供了非常便利的 手段。
第一节 基本原理
一、原子核的自旋
μγP
P h II 1
2
：核磁矩 ：磁旋比
磁性核的特征常数 P ：自旋角动量
I=0 ，无自旋
11H163 C , 17,5 N199 ,F13,5P 1
I=1/2，主要原子核有
（ I=1/2 ，核电荷呈球形分布于核表面，核磁共振 现象较为简单）
二、原子核的自旋能级和共振吸收
The Nobel Prize in Physiology or Medicine 2003
彼得·曼斯菲尔德
保罗·劳特布尔（美） 彼得·曼斯菲尔德（英）
在如何用核磁共振技术拍摄 不同结构的图像上获得了关键 性发现。这些发现导致了在临 床诊断和医学研究上获得突破 的核磁共振成像仪的出现。
上世纪70年代初，劳特布尔在主磁 场内附加一个不均匀的磁场，即引进 梯度磁场，并逐点诱发核磁共振无线 电波，最终获得一幅二维的核磁共振 图像。曼斯菲尔德进一步发展了有关 在稳定磁场中使用附加的梯度磁场的 理论，为核磁共振成像技术从理论到 应用奠定了基础。
Paul C. Lauterbur University of Illinois
Urbana, IL, USA
Sir Peter Mansfield University of Nottingham, School of Physics and Astronomy Nottingham, United Kingdom
Felix Bloch Stanford University Stanford, CA, USA
Edward Mills Purcell Harvard University Cambridge, MA, USA
The Noble Prize in Chemistry 1991 瑞士科学家恩斯特，发明了傅立叶变
换核磁共振分光法和二维及多维的核磁共 振技术而获得1991年度诺贝尔化学奖。
Richard R. Ernst Swiss Federal Institute of Technology
Zurich, Switzerland
The Noble Prize in Chemistry 2002
2002瑞士核磁共振波谱学家库尔特.维 特里希（Kurt Wüthrich） 教授由于 “发明了利用核磁共振（NMR）技术 测定溶液中生物大分子三维结构的方 法”，而分享了2002年诺贝尔化学奖。
E 1 2
1 2
h 2
H0
m 1时 2
1 h
E ( )
1 2
2 2
H0
E
E 1 2
E 1 2
h 2
H0
原子核的进动
0
2
H0
0
核磁共振
h
E
h 2
H0
ຫໍສະໝຸດ Baidu
2
H0
共振吸收条件
（1）
2
H0
（2）m = 1
例 1H 2.68108;13C 6.73107
在外磁H 场0 4.67T的超导磁体中，共率振分频别为
P h I(I 1) 2π
PZ
m
h 2π
m I, I 1, I 2, , I
cos θ m I(I 1)
(2I 1) 个
E2hH0
E 1 2
1 h
2
2
H0
1 h
E 1 2
2
2
H0
z
Pz
h 2
m
E
zH 0
m
h 2
H0
1 H 在外磁场中只有
m
1 2
及m
1 2
两种取向
m 1时 2
去，使核从高能态降到低能态。 自旋-晶格弛豫、自旋-自旋弛豫
第二节 核磁共振仪
一、连续波核磁共振仪
扫频法 扫场法
1. 磁铁：提供强、均匀、稳定的磁场 永久磁铁、电磁铁、超导磁铁
2. 探头：检测NMR信号 试样管、发射线圈、接受线圈、预放大单元
3. 波谱仪： 射频源和音频调制 扫描单元：扫频、扫场 接收单元 信号累加
1 H
H0 2
2.68108 4.672.00108s1
2
200MHz
13C
H0 2
6.73107 4.675.03107 s1
2
50.3MHz
三、自旋弛豫
核自旋能级分布：低能态的核数仅比高能态 的核数多十万分之一左右
若高能级的核数目＝低能级的核数目 （“饱和”，核磁共振信号消失）
弛豫：核将其获得的能量释放到周围环境中
The Noble Prize in Physics 1943 美籍德国人O.Stern因发展分
子束的方法和发现质子磁矩获 得了1943年诺贝尔物理学奖。
Otto Stern Carnegie Institute of Technology
Pittsburgh, PA, USA
The Noble Prize in Physics 1944
二、脉冲傅里叶变换核磁共振仪
➢ 多道发射多种频率 ➢ 不同化学环境的核同时共振 ➢ 多道接收
三、溶剂和试样测定
1. 溶剂：溶解度，无干扰 CCl4、CS2 、氯仿、丙酮、苯等 氘代衍生物 2. 标准样：
第十五章 核磁共振波谱法 Nuclear Magnetic
Resonance Spectroscopy
将自旋核放入磁场中，用适宜频率的电磁波 照射，它们会吸收能量，发生原子核能级的 跃迁，同时产生核磁共振信号，得到核磁共 振谱，这种方法称为核磁共振波谱法。 （NMR， nuclear magnetic resonance spectroscopy）
Isidor Isaac Rabi Columbia University New York, NY, USA
The Noble Prize in Physics 1952
美籍科学家Bloch和Purcell首次观测到宏观物 质核磁共振信号,他们二人为此获得了1952年诺贝尔 物理学奖。
The Nobel Prize in Physiology or Medicine 2003
2003年诺贝尔生理或医学奖授予美国的保罗·C·劳特伯(Paul C. Lauterbur) 和英国的皮特·曼斯菲尔德(Peter Mansfield)，因为他们发明了磁共振成像 技术(Magnetic Resonance Imaging, MRI)。该项技术可以使 人们能够无损 伤地从微观到宏观系统地探测生物活体的结构和功能，为医疗诊断和科学 研究提供了非常便利的 手段。
第一节 基本原理
一、原子核的自旋
μγP
P h II 1
2
：核磁矩 ：磁旋比
磁性核的特征常数 P ：自旋角动量
I=0 ，无自旋
11H163 C , 17,5 N199 ,F13,5P 1
I=1/2，主要原子核有
（ I=1/2 ，核电荷呈球形分布于核表面，核磁共振 现象较为简单）
二、原子核的自旋能级和共振吸收
The Nobel Prize in Physiology or Medicine 2003
彼得·曼斯菲尔德
保罗·劳特布尔（美） 彼得·曼斯菲尔德（英）
在如何用核磁共振技术拍摄 不同结构的图像上获得了关键 性发现。这些发现导致了在临 床诊断和医学研究上获得突破 的核磁共振成像仪的出现。
上世纪70年代初，劳特布尔在主磁 场内附加一个不均匀的磁场，即引进 梯度磁场，并逐点诱发核磁共振无线 电波，最终获得一幅二维的核磁共振 图像。曼斯菲尔德进一步发展了有关 在稳定磁场中使用附加的梯度磁场的 理论，为核磁共振成像技术从理论到 应用奠定了基础。
Paul C. Lauterbur University of Illinois
Urbana, IL, USA
Sir Peter Mansfield University of Nottingham, School of Physics and Astronomy Nottingham, United Kingdom
Felix Bloch Stanford University Stanford, CA, USA
Edward Mills Purcell Harvard University Cambridge, MA, USA
The Noble Prize in Chemistry 1991 瑞士科学家恩斯特，发明了傅立叶变
换核磁共振分光法和二维及多维的核磁共 振技术而获得1991年度诺贝尔化学奖。
Richard R. Ernst Swiss Federal Institute of Technology
Zurich, Switzerland
The Noble Prize in Chemistry 2002
2002瑞士核磁共振波谱学家库尔特.维 特里希（Kurt Wüthrich） 教授由于 “发明了利用核磁共振（NMR）技术 测定溶液中生物大分子三维结构的方 法”，而分享了2002年诺贝尔化学奖。
E 1 2
1 2
h 2
H0
m 1时 2
1 h
E ( )
1 2
2 2
H0
E
E 1 2
E 1 2
h 2
H0
原子核的进动
0
2
H0
0
核磁共振
h
E
h 2
H0
ຫໍສະໝຸດ Baidu
2
H0
共振吸收条件
（1）
2
H0
（2）m = 1
例 1H 2.68108;13C 6.73107
在外磁H 场0 4.67T的超导磁体中，共率振分频别为
P h I(I 1) 2π
PZ
m
h 2π
m I, I 1, I 2, , I
cos θ m I(I 1)
(2I 1) 个
E2hH0
E 1 2
1 h
2
2
H0
1 h
E 1 2
2
2
H0
z
Pz
h 2
m
E
zH 0
m
h 2
H0
1 H 在外磁场中只有
m
1 2
及m
1 2
两种取向
m 1时 2
去，使核从高能态降到低能态。 自旋-晶格弛豫、自旋-自旋弛豫
第二节 核磁共振仪
一、连续波核磁共振仪
扫频法 扫场法
1. 磁铁：提供强、均匀、稳定的磁场 永久磁铁、电磁铁、超导磁铁
2. 探头：检测NMR信号 试样管、发射线圈、接受线圈、预放大单元
3. 波谱仪： 射频源和音频调制 扫描单元：扫频、扫场 接收单元 信号累加
1 H
H0 2
2.68108 4.672.00108s1
2
200MHz
13C
H0 2
6.73107 4.675.03107 s1
2
50.3MHz
三、自旋弛豫
核自旋能级分布：低能态的核数仅比高能态 的核数多十万分之一左右
若高能级的核数目＝低能级的核数目 （“饱和”，核磁共振信号消失）
弛豫：核将其获得的能量释放到周围环境中
The Noble Prize in Physics 1943 美籍德国人O.Stern因发展分
子束的方法和发现质子磁矩获 得了1943年诺贝尔物理学奖。
Otto Stern Carnegie Institute of Technology
Pittsburgh, PA, USA
The Noble Prize in Physics 1944
二、脉冲傅里叶变换核磁共振仪
➢ 多道发射多种频率 ➢ 不同化学环境的核同时共振 ➢ 多道接收
三、溶剂和试样测定
1. 溶剂：溶解度，无干扰 CCl4、CS2 、氯仿、丙酮、苯等 氘代衍生物 2. 标准样：
第十五章 核磁共振波谱法 Nuclear Magnetic
Resonance Spectroscopy
将自旋核放入磁场中，用适宜频率的电磁波 照射，它们会吸收能量，发生原子核能级的 跃迁，同时产生核磁共振信号，得到核磁共 振谱，这种方法称为核磁共振波谱法。 （NMR， nuclear magnetic resonance spectroscopy）