核磁共振基本原理

Varian Mercury300
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Varian Mercury 500
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什么是核磁共振
在外界磁场的激励(作用，或者处于 磁场中)下，具有磁性（核磁距不为零） 的原子核存在着不同的能级，如果此时外 加一个能量，使其等于相邻2个能级之差， 则该原子核就可能吸收能量（共振吸收）， 从低能态跃迁至高能态。这种能量对应的 频率在射频范围内。因此核磁共振就是研 究磁性原子核对射频能的吸收。
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讨论:
共振条件： 0 = B0 / (2 ) （1）对于同一种核 ，磁旋比 为定值， B0和射频频率0 变化。 （2）不同原子核，磁旋比 不同，产生共振的条件不同，需 要的磁场强度B0和射频频率0 不同。 （3）固定B0 ，改变0 （扫频） ，不同原子核在不同频率处 发生共振（图）。也可固定0 ，改变B0 （扫场）。扫场方式
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z
z
z
m=1/2 m=1
m=2
H0
m=1
m=0
mm==0-1
m=-1/2 m= -1
m= -2
I=1/2 I=1
I=2
H0
r
P
1H
E2=+ B0
E1=－ B0
△E= E2 － E1 = 2B0
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二、 核磁共振现象
nuclear magnetic resonance
应用较多。 氢核（1H）： 1.409 T 共振频率 60 MHz 2.305 T 共振频率 100 MHz
磁场强度B0的单位：1高斯（GS）=10-4 T（特拉斯）
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讨论:
在1950年，Proctor等人研究发现：质子的共振频率与其结 构（化学环境）有关。在高分辨率下，吸收峰产生化学位移 和裂分，如右图所示。
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一、 原子核的自旋
atomic nuclear spin
自旋量子数（I）不为零的核都具有
核磁矩：
核磁矩： g I(I 1)

核磁矩的单位是核磁子，例如：
1 H 2.79270 13C 0.70216
质量数（a） 原子序数（Z） 自旋量子（I）
例子
奇数 偶数
Bruker Avance 500MHz
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Bruker Avance 400MHz
北京大学 Bruker Avance III 800MHz
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Bruker Avance III PLUS 800MHz
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Bruker Avance 900MHz

exp
6.626 1034 1.38066
100.00 106 1023 298

J J
s s1 K1 K


0.999984
两能级上核数目差：1.610-5；
弛豫(relaxtion)——高能态的核以非辐射的方式回到低能态。
饱和(saturated)——低能态的核等于高能态的核。
Ni Nj
exp
Ei E j kT


exp

E exp kT
h
kT

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磁场强度2.3488 T；25C；1H的共振频率与分配比：
共振频率

2
B0

2.68108 2.3488 100.00MHz
2 3.24
Ni Nj
奇或偶 偶数
1,3,5 222
0
I

1 2
,1H
1
,
13C6 ,19F9 ,15N 7
I

3 2
,11B5
,
35
Cl17
,
I

5 2
,17
O8
12C6 ,16O8 ,32S16
偶数
奇数
1，2，3……
I 1, 2H1 ,14N 7 , I 3,10B5
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讨论:
(1) I=0 的原子核 16 O； 12 C； 22 S等 ，无自 旋，没有磁矩，不产生共振吸收
condition of nuclear magnetic resonance
在外磁场中，原子核能级 产生裂分，由低能级向高能 级跃迁，需要吸收能量。
能级量子化。射频振荡 线圈产生电磁波。
对于氢核，能级差： E= B0 （磁矩） 产生共振需吸收的能量：E= B0 = h 0 由拉莫进动方程：0 = 20 = B0 ;
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两种取向不完全与外磁场平行，
＝54°24’ 和 125 °36’相互
作用, 产生进动(拉莫进动)进动频
率 0； 角速度0；
0 = 20 = B0
磁旋比； B0外磁场强度；
两种进动取向不同的氢核之 间的能级差：
E= B0 （磁矩）
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三、核磁共振条件
共振条件： 0 = B0 / (2 )
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共振条件
(1) 核有自旋(自旋量子数不为零，磁距不为零) (2) 外磁场,能级裂分;
(3) 照射频率与外磁场的比值满足：0 / B0 = / (2 )
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能级分布与弛豫过程
不同能级上分布的核数目可由Boltzmann 定律计算：
(2) I=1 或 I >1的原子核 I=1 ：2H，14N I=3/2： 11B，35Cl，79Br，81Br I=5/2：17O，127I
这类原子核的核电荷分布可看作一个椭圆体，电荷分布 不均匀，共振吸收复杂，研究应用较少；
(3)Ｉ＝1/2的原子核 1H，13C，19F，31P
原子核可看作核电荷均匀分布的球体，并象陀螺一样自 旋，有磁矩产生，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。
自旋量子数 I=1/2的原子核 （氢核），可当作电荷均匀分 布的球体，绕自旋轴转动时， 产生磁场，类似一个小磁铁。
于外磁当场置，于有外（磁场2I+B10）中种时取，向相：对 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;
由有机化合物的核磁共振图，可获得质子所处化学环境的 信息，进一步确定化合物结构。
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四、核磁共振波谱仪
nuclear magnetic resonance spectrometer
1.连续波核磁共振波谱仪示意图
（1）永久或电磁鉄：为 连续波核磁共振谱仪提供 磁场，要求稳定性好，均 匀，不均匀性小于六千万 分之一。扫场线圈。