核磁共振分析法
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射频辐射——原子核(强磁场下能级分裂) ——吸收──能级跃迁──NMR
• NMR属于吸收光谱，只是研究的对象是处于强磁 场中的原子核对射频辐射的吸收。
07:51:54
与紫外、红外比较
• 共同点都是吸收光谱
吸收 能量
紫外-可见
紫外可见光 200~780nm
红外
核磁共振
1~100m波长
红外光
最长，能量最
2
22
代入上式得: h I (I 1) （ = P） 2
当I=0时,P=0,原子核没有自旋现象,只有I﹥0,原 子核才有自旋角动量和自旋现象
07:51:54
实践证明,核自旋与核的质量数, 质子数和中子数有关
质量数为偶 原子序数
数
为偶数
自旋量子 数为0
无自旋
12C6,32S1 6,16O8
• 分析测定时，样品不会受到破坏，属于无 破损分析方法
07:51:54
二、核磁共振基本原理
（一）原子核的磁性
原子核具有质量并带正电
荷，大多数核有自旋现象， 在自旋时产生磁矩，磁 矩的方向可用右手定则确
定，核磁矩和核自旋角 动量P都是矢量，方向相
互平行，且磁矩随角动量 的增加成正比地增加
= P
—磁旋比，不同的核具有不
• 瑞士科学家Kurt Wuthrich在测定生物大分子在溶液中 的三维结构中，引入了核磁共振光谱学，获得2002年 诺贝尔奖。
• 2003年诺贝尔医学奖授予了两位美英物理学家,劳特布 尔和曼斯菲尔德,表彰他们在磁共振成像方面的发现。
07:51:54
• NMR是结构分析的重要工具之一，在化学、 生物、医学、临床等研究工作中得到了广 泛的应用。
同的磁旋比，对某元素是定值。 是磁性核的一个特征常数
07:51:54
• 例：H原子H=2.68×108T-1·S-1([特斯拉]-1 ·秒-1) • C13核的C =6.73×107 T-1·S-1
核的自旋角动量是量子化的,与核的自旋量 子数 I 的关系如下:
p h I (I 1) I可以为0，1 ，1，3，2等值
核磁共振波谱法
讲授内容
• 一、核磁共振概述 • 二、核磁共振基本原理 • 三、核磁共振波谱仪 • 四、核磁共振谱的应用 • 五、 13C核磁共振谱简介 • 六、核磁共振谱的发展
07:51:54
一、核磁共振概述
• （一） 一般认识 • NMR是研究处于磁场中的原子核对射频辐
射(Radio-frequency Radiation)的吸收， 它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，有时亦可 进行定量分析。
在有机化合物中，经常研究的是1H和13C的共振 吸收谱，重点介绍H核共振的原理及应用
07:51:54
❖在强磁场中，原子核发生能级分裂(能级极小：在
1.41T磁场中，磁能级差约为2510-3J)，当吸收外来 电磁辐射(109-1010nm,4-900MHz)时，将发生核能级 的跃迁----产生所谓NMR现象。
• 每种取向各对应一定能量状态
• I=1/2的氢核只有两种取向
• I=1的核在B0中有三种取向
07:51:54
z
z
z
m =+1
m =
B0
m = +1/2
m =
m =
m =
m = 1/2
m = 1
m = 1 m = 2
I = 1/2
I=1
I=2
I=1/2的氢核 与外磁场平行，能量较低，m=+1/2, E 1/2= －B0 与外磁场方向相反, 能量较高, m= -1/2, E -1/2=B0
• 它们核磁共振现象较简单;谱线窄,适宜检测,目 前研究和应用较多的是1H和13C核磁共振谱
07:51:54
（二）核自旋能级和核磁共振
1、 核自旋能级
• 把自旋核放在场强为B0的磁场中,由于磁矩 与磁场相互作用,核磁矩相对外加磁场有不同 的取向,共有2I+1个,各取向可用磁量子数m表 示
•
m=I, I-1, I-2, ……-I
高能级E2跃迁,所需能量为
△E=E2－E1= B0 －(－B0) = 2 B0
• △E与核磁矩及外磁场强度成正比, B0越大,能级分裂越
07:51:54
• 1956年：Knight发现元素所处的化学环境对NMR信号 有影响，而这一影响与物质分子结构有关。
• 1970年：Fourier(pilsed)-NMR 开始市场化（早期多使 用的是连续波 NMR 仪器）。
• 1991年：瑞士化学家Richard R ErnstK开发研制了高 分辨率核磁共振仪技术获得诺贝尔奖。
780nm~1000 小,不能发生电
m
子振动转动能
级跃迁
跃迁 类型
电子能级跃迁
振动能级跃迁
自旋原子核发 生能级跃迁
07:51:54
（二） 发展历史 六个诺贝尔科学奖
•1924年：Pauli 预言了NMR 的基本理论，即，有些核同时具有 自旋和磁量子数，这些核在磁场中会发生分裂； •1943年：诺贝尔物理学奖授予德国物理学家斯特恩（Otto Stem）,以表彰他在发展分子束方法上所作的贡献和发现了质子 的磁矩 •1944年诺贝尔物理学奖授予美国拉比（Isidor Isaac Rabi ）,以 表彰他用共振方法纪录原子核磁特性。拉比的最大功绩是发展 了斯特恩的分子束法，并用之于磁共振。 • 1946年：Harvard 大学的Purcel和Stanford大学的Bloch各自首 次发现并证实NMR现象，并于1952年分享了Nobel奖； •1953年：Varian开始商用仪器开发，并于同年制作了第一台高 分辨NMR仪；
Байду номын сангаас07:51:54
• Pz为自旋角动量在Z轴上的分量
PZ
m
h
2
• 核磁矩在磁场方向上的分量
Z
m
h
2
• 核磁矩与外磁场相互作用而产生的核磁场作用能 E, 即各能级的能量为
E=－ZB0
E 1/2= －B0 E-1/2= B0
07:51:54
I=1/2的核自旋能级裂分与B0的关系
• 由式 E = －ZB0及图可知1H核在磁场 中,由低能级E1向
质量数为偶 原子序数
数
为奇数
自旋量子 数为1,2,3
有自旋
14N7
质量数为奇 数
原子序数 为奇或偶
数
自旋量子 数为
1/2,3/2,5/2
有自旋
1H1, 13C6 19F9,31P15
07:51:54
• I=1/2的原子核,核电荷球形均匀分布于核表面, 如: 1H1, 13C6 , 14N7, 19F9,31P15
• NMR属于吸收光谱，只是研究的对象是处于强磁 场中的原子核对射频辐射的吸收。
07:51:54
与紫外、红外比较
• 共同点都是吸收光谱
吸收 能量
紫外-可见
紫外可见光 200~780nm
红外
核磁共振
1~100m波长
红外光
最长，能量最
2
22
代入上式得: h I (I 1) （ = P） 2
当I=0时,P=0,原子核没有自旋现象,只有I﹥0,原 子核才有自旋角动量和自旋现象
07:51:54
实践证明,核自旋与核的质量数, 质子数和中子数有关
质量数为偶 原子序数
数
为偶数
自旋量子 数为0
无自旋
12C6,32S1 6,16O8
• 分析测定时，样品不会受到破坏，属于无 破损分析方法
07:51:54
二、核磁共振基本原理
（一）原子核的磁性
原子核具有质量并带正电
荷，大多数核有自旋现象， 在自旋时产生磁矩，磁 矩的方向可用右手定则确
定，核磁矩和核自旋角 动量P都是矢量，方向相
互平行，且磁矩随角动量 的增加成正比地增加
= P
—磁旋比，不同的核具有不
• 瑞士科学家Kurt Wuthrich在测定生物大分子在溶液中 的三维结构中，引入了核磁共振光谱学，获得2002年 诺贝尔奖。
• 2003年诺贝尔医学奖授予了两位美英物理学家,劳特布 尔和曼斯菲尔德,表彰他们在磁共振成像方面的发现。
07:51:54
• NMR是结构分析的重要工具之一，在化学、 生物、医学、临床等研究工作中得到了广 泛的应用。
同的磁旋比，对某元素是定值。 是磁性核的一个特征常数
07:51:54
• 例：H原子H=2.68×108T-1·S-1([特斯拉]-1 ·秒-1) • C13核的C =6.73×107 T-1·S-1
核的自旋角动量是量子化的,与核的自旋量 子数 I 的关系如下:
p h I (I 1) I可以为0，1 ，1，3，2等值
核磁共振波谱法
讲授内容
• 一、核磁共振概述 • 二、核磁共振基本原理 • 三、核磁共振波谱仪 • 四、核磁共振谱的应用 • 五、 13C核磁共振谱简介 • 六、核磁共振谱的发展
07:51:54
一、核磁共振概述
• （一） 一般认识 • NMR是研究处于磁场中的原子核对射频辐
射(Radio-frequency Radiation)的吸收， 它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，有时亦可 进行定量分析。
在有机化合物中，经常研究的是1H和13C的共振 吸收谱，重点介绍H核共振的原理及应用
07:51:54
❖在强磁场中，原子核发生能级分裂(能级极小：在
1.41T磁场中，磁能级差约为2510-3J)，当吸收外来 电磁辐射(109-1010nm,4-900MHz)时，将发生核能级 的跃迁----产生所谓NMR现象。
• 每种取向各对应一定能量状态
• I=1/2的氢核只有两种取向
• I=1的核在B0中有三种取向
07:51:54
z
z
z
m =+1
m =
B0
m = +1/2
m =
m =
m =
m = 1/2
m = 1
m = 1 m = 2
I = 1/2
I=1
I=2
I=1/2的氢核 与外磁场平行，能量较低，m=+1/2, E 1/2= －B0 与外磁场方向相反, 能量较高, m= -1/2, E -1/2=B0
• 它们核磁共振现象较简单;谱线窄,适宜检测,目 前研究和应用较多的是1H和13C核磁共振谱
07:51:54
（二）核自旋能级和核磁共振
1、 核自旋能级
• 把自旋核放在场强为B0的磁场中,由于磁矩 与磁场相互作用,核磁矩相对外加磁场有不同 的取向,共有2I+1个,各取向可用磁量子数m表 示
•
m=I, I-1, I-2, ……-I
高能级E2跃迁,所需能量为
△E=E2－E1= B0 －(－B0) = 2 B0
• △E与核磁矩及外磁场强度成正比, B0越大,能级分裂越
07:51:54
• 1956年：Knight发现元素所处的化学环境对NMR信号 有影响，而这一影响与物质分子结构有关。
• 1970年：Fourier(pilsed)-NMR 开始市场化（早期多使 用的是连续波 NMR 仪器）。
• 1991年：瑞士化学家Richard R ErnstK开发研制了高 分辨率核磁共振仪技术获得诺贝尔奖。
780nm~1000 小,不能发生电
m
子振动转动能
级跃迁
跃迁 类型
电子能级跃迁
振动能级跃迁
自旋原子核发 生能级跃迁
07:51:54
（二） 发展历史 六个诺贝尔科学奖
•1924年：Pauli 预言了NMR 的基本理论，即，有些核同时具有 自旋和磁量子数，这些核在磁场中会发生分裂； •1943年：诺贝尔物理学奖授予德国物理学家斯特恩（Otto Stem）,以表彰他在发展分子束方法上所作的贡献和发现了质子 的磁矩 •1944年诺贝尔物理学奖授予美国拉比（Isidor Isaac Rabi ）,以 表彰他用共振方法纪录原子核磁特性。拉比的最大功绩是发展 了斯特恩的分子束法，并用之于磁共振。 • 1946年：Harvard 大学的Purcel和Stanford大学的Bloch各自首 次发现并证实NMR现象，并于1952年分享了Nobel奖； •1953年：Varian开始商用仪器开发，并于同年制作了第一台高 分辨NMR仪；
Байду номын сангаас07:51:54
• Pz为自旋角动量在Z轴上的分量
PZ
m
h
2
• 核磁矩在磁场方向上的分量
Z
m
h
2
• 核磁矩与外磁场相互作用而产生的核磁场作用能 E, 即各能级的能量为
E=－ZB0
E 1/2= －B0 E-1/2= B0
07:51:54
I=1/2的核自旋能级裂分与B0的关系
• 由式 E = －ZB0及图可知1H核在磁场 中,由低能级E1向
质量数为偶 原子序数
数
为奇数
自旋量子 数为1,2,3
有自旋
14N7
质量数为奇 数
原子序数 为奇或偶
数
自旋量子 数为
1/2,3/2,5/2
有自旋
1H1, 13C6 19F9,31P15
07:51:54
• I=1/2的原子核,核电荷球形均匀分布于核表面, 如: 1H1, 13C6 , 14N7, 19F9,31P15