核磁共振实验讲义
核磁共振实验讲义
把样品为水（掺有硫酸铜）的探头插入到磁铁中心，并使测试仪前端的探测杆与磁场在同一水平方向上，左右移动测试仪使它大致处于磁场的中间位置。将测试仪前面板上的“频率输出”和“NMR输出”分别与频率计和示波器连接。把示波器的扫描速度旋钮放在1ms/格位置，纵向放大旋钮放在0.5V/格或1V/格位置。“X轴偏转输出”与示波器上加到示波器的X轴连接，打开频率计、示波器和核磁共振仪电源的工作电源开关以及扫描电源开关，这时频率计应有读数。连接好“扫场电源输出”与磁场底座上的“扫场电源输入”打开电源开关并把输出调节在较大数值，缓慢调节测试仪频率旋钮，改变振荡频率同时监视示波器，搜索共振信号。待共振信号出现后，逐步减小扫场幅度，并同步调节射频频率，保持在示波器屏幕上能观察到共振信号。由于B0的误差不会超过扫场的幅度B’，因此减小扫场幅度有利于提高磁场B0的测量精度。调节射频的频率使共振信号保持间隔为10ms的均匀排列。在能观察到共振信号的前提下，将B’减小到最小，记下B’达到最小而共振信号等间隔排列时对应的频率 ,利用水中质子的 和共振条件（8）式计算磁铁磁场B0。
一.实验目的
1.掌握ＮＭＲ的基本原理及观测方法。
2.用磁场扫描法（扫场法）观察核磁共振现象。
3.由共振条件测定氟核（１９Ｆ）的g因子。
二.实验原理
1.磁共振、核磁共振
磁共振是指磁矩不为零的原子或原子核在稳恒磁场作用下对电磁辐射能的共振吸收现象。如果共振是由原子核磁矩引起的，则该粒子系统产生的磁共振现象称核磁共振（NMR）;如果磁共振是由物质原子中的电子自旋磁矩提供的，则称电子自旋共振（ESR）,亦称顺磁共振(EPR)；而由铁磁物质中的磁畴磁矩所产生的磁共振现象，则称铁磁共振（FMR）.
（7）
则氢核就会吸收电磁波的能量，由 的能级跃迁到 的能级，这就是核磁共振吸收现象。式（2－7）就是核磁共振条件。为了应用上的方便，常写成
核磁共振实验课
S(t) FT
S(w)
射频脉冲对磁化矢量的作用
z
Bo
Mz
Mx
x
M
My
y
当射频脉冲作用时，磁化矢量会在垂直 于作用方向的平面上转动。
脉冲作用于X方向？ 脉冲作用于Y方向？ 脉冲作用于Z方向？
脉冲作用后磁化矢量的运动
z
Bo
x
M
y
通过弛豫过程，释放能量回到平衡状态
FID信号的产生
磁化矢量M0在X轴上的投影发生了周期性的变化，使得线圈中的磁通量也有 了相同的周期性变化，产生了感应电动势-FID信号
M0脉冲作用后在XY平面上的投影
M x (t) M o cos(wot)et /T2
NMR：锁场与匀场
NMR的高分辨率要求静磁场有很高的稳定性：
500兆仪器： 假设谱峰的峰宽： 如果有10%的误差（即0.1Hz)，多大的静磁场变化能引 起这种变化？
静磁场的变化：随时间的变化、随空间的变化
NMR：锁场与匀场
旋转坐标系及FID信号
脉冲作用前
脉冲作用时
脉冲作用后
M0脉冲作用后在XY平面上的投影
My = M0 sin β sin(ω0t ). Mx = M0 sin β cos(ω0t )
旋转坐标系意义（1）：差频检测ω=ωs-ωr 当ωs＝ωr时，信号将是怎样？
Free induction decay
ω=γB0
g 1H的 值
Bo
267.512 106 rad T1s1
14 T
6.0 108 s1
600M Hz
2
宏观磁化矢量M0的产生
z
z
x
y
Bo
Mo
核磁共振破谱概念、原理、仪器结构-(初定版)(1)讲义
I=1/2的氢核，在外加磁场B0中只 有两种取向：与外磁场平行，能量较 低，m=+1/2；与外磁场方向相反, 能 量较高, m= -1/2，如右图所示。两种 取向间的能级差，可用ΔE来表示：
E μB0 I
由于I=1/2，故ΔE = 2μB0
式中：μ为氢核磁矩；B0为外加磁场强度 上式表明：氢核由低能级向高能级跃迁时 需要的能量ΔE与外加磁场强度B0及氢核磁 矩μ成正比 。
进动核便与辐射光子相互作用（共振），体系吸 收能量，核由低能态跃迁至高能态。
2.5 核的自旋弛豫
前面讨论的是单个自旋核在磁场中的行为，而实际 测定中，观察到的是大量自旋核组成的体系。一组1H核 在磁场作用下能级被一分为二，如果这些核平均分布在 高低能态，也就是说，由低能态吸收能量跃迁到高能态 和高能态释放出能量回到低能态的速度相等时，就不会 有净吸收，也测不出核磁共振信号。但事实上，根据玻 尔兹曼分配定律， 以1H核为例，可以计算出，在室温
ω = 2 πv0 = γB0
式中： ω— 角速度； v0 — 进动频率（回旋频率）； γ— 旋磁比（特征性常数）
2.4 核跃迁与电磁辐射(核磁共振)
已知核从低能级自旋态向高能态跃迁时，需要一定 能量。所以，与吸收光谱相似，为了产生共振，可以 用具有一定能量的电磁波照射核。
当电磁波的能量符合下式时： ΔE = 2μB0=hv0
利用核磁共振光谱进行结构测定，定性与定 量分析的方法称为核磁共振波谱法。简称 NMR。
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。
2.基本原理
核磁共振是在电磁波的作用下，原子核在外磁场中的磁能级 之间的共振跃迁现象。因此，要产生核磁共振，首先原子核必 须具用磁性。
核磁共振实验说明
按图示连接线路
可调恒流源0-3.5A
示波器调节
横向5.00ms/格
纵向100mV/格
上下移动 左右移动 纵向调节 横向调节
触发信源设置
2. 测量水样品（H核）和聚四氟乙烯（F核）样品的
g 因子和 γ
注意：两种样品的 B0 不同
特斯拉计放 在架子上
水样品与四氟乙烯样品 g 因子测量数据
样品：
样品：
五、注意事项
1. 水样品盛放于玻璃容器中，取放要小心。 2. 插拔导线时请轻插轻拔，不要用力过猛。 3. 实验完成后，整理好仪器，样品放入样品盒中，并交还老
师。
ν(Mபைடு நூலகம்z) B0(mT) 1
ν(MHz)
2
3
4
5
6
B0(mT)
四、结果分析
1. 画出 1H 核的 ν 与 B0 关系曲线，利用最小二乘法计算 1H 核 的 g 因子、磁旋比 γ/2π。测得的 g 因子与公认值比较，分 析误差。
2. 画出 19F 核的 ν 与 B0 关系曲线，利用最小二乘法计算 19F 核 的 g 因子、磁旋比 γ/2π。测得的 g 因子与公认值比较，分 析误差。
核磁共振实验
一、实验原理
1. 核磁共振
质子和氟核的自旋角动量:
z
y
B x
P 1 I (I 1) h （I = 1/2）
2
样品
它们自旋角动量在空间某方向的分量:
h
Pz m 2
(m 1 / 2，-1/2)
扫场线圈
励磁线圈
核自旋磁矩为:
g e P
2M
P
（ g 为兰德因子）
（
g e 2M
称为磁旋比）
大学物理实验之核磁共振讲义
N
•
，h为普朗克常数， mp为质子质量，c为光速，I为核自旋量子 g 5.5856947 数，对氢核 ，而常数 e N 2m p c 称为玻尔核磁矩。 当核自旋系统处在恒定磁场Bz中时，由于 核自旋和磁场Bz间的相互作用，核能级发生 塞曼能级分裂。对氢核这类I = 1/2的简单 核系统，核能级仅分裂成上、下两个能级E2 和E1，如图8-1所示。磁场为Bz时，塞曼分 裂上下两能级间能量差与g和Bz成正比。
g H 5.58569 , N 5.050791027 J T 1 , h 6.626071034 J S
2. 用硫酸铜水溶液样品，用扫频法观察共 振信号，测出共振频率 v1 ，标定磁场B。 3. 仍用硫酸铜水溶液样品，测量离磁场中 心前后约1cm处的磁场B，分析磁场均匀度。
一、原理
• 1. 共振吸收 • 对于质子数和中子数两者或其一为奇数 的原子核才有核自旋，其磁矩μ与核自旋角 动量J成正比，可写成 rJ • （1） • r为旋磁比，实验上常用无量纲的比例因子 g代替r，称为g因子，其间的关系可写成 • rJ r I ( I 1) g ( e ) I (I 1) g I (I 1)
用移相法观察：磁场和示波器都用同一音 频正弦波（50Hz）进行同步扫描，示波器上 看到李萨如图形，示波器Y轴接共振信号，X 轴接RC平衡式移相器的输出信号，电位器W1 用于移相，W2则用于调幅。ω1指二峰在中 间的圆频率，ω0指二峰一起移到边缘时的圆 频率，Δt通过如图8—3的比例求得。
•
二、实验内容 1.假定 B 0.52T ，硫酸铜水溶液样品中 H核核磁共振时，估算射频场的频率 v1 。
核磁共振
• 1924年泡利（W.Pauli）提出核自旋的假 设，1930年埃斯特曼（L.Esterman）在 实验上证实.核磁共振是指电磁波作用的原 子核系统在外磁场中能级之间发生共振跃 迁的现象，1939年，拉比（I.I.Rabi）以 及随后的伯塞尔（E.M.Purcell）和布洛 赫（F.Bloch）因观察到此现象而分别获 得1944年和1952年诺贝尔物理学奖。核 磁共振已成为确定物质分子结构、组成和 性质的重要实验方法.
【精品】核磁共振实验讲义
第五章核磁共振实验核磁共振在生物医学化学和物理学有广泛的应用，核磁共振的应用实验原理及实验方法成为相关领域必不可少的教学内容。
过去由于进口核磁共振本身价格昂贵仪器操作复杂核磁共振一直没有纳入相关的实验大纲。
最近几年国产核磁共振教学仪器的发展已经能使小尺寸的核磁共振成像系统在本科教学实验中普及。
教学仪器本身具有的开放性和可拆卸性是进口仪器所不能替代的。
这些实验可以让学生直观的了解核磁共振技术的实现过程，为今后操作使用以及核磁共振仪的生产打下坚实的基础。
本章从基本的连续核磁共振实验开始了解核磁共振最基本的共振现象。
尔后脉冲核磁共振实验了解各脉冲序列的原理和脉冲核磁共振的实验方法对今后了解成像及谱仪的工作原理有重要的认识。
之后在核磁共振成像实验（上）中了解核磁共振成像SE序列的成像原理及图像重建的数学处理方法，为今后学生毕业后自行操作仪器及编译脉冲序列打下一定的基础。
之后在核磁共振成像实验（中）对各种伪影产生的机理和脉冲参数设置对图像的影响产生一定的认识。
最后核磁共振成像实验（下）中进行自主提高性实验，如三维核磁共振成像观察切割的组织或小动物的器官等，也可以自行编辑IR序列并自行对实验采集数据进行处理，如采用伪彩色处理等。
本章的实验均在国产教学仪器中完成。
第一节基础理理论一、Bloch方程:1946年Bloch采用正交线圈感应法观察水的核磁共振信号后就根据经典理论力学推导出Bloch方程建立核磁共振的唯象理论。
长久以来大量的实验表明Bloch方程在液体中完全精确，同时还发现Bloch 方程在其他能级跃迁理论也高度吻合，比如激光的瞬态理论中Bloch 方程同样适用。
所以Bloch 方程已经超越了半经典的陀螺模型，现在已经推广到磁共振以外的能级跃迁系统。
在激光物理中采用密度矩阵和Maxwell 方程组推导出Bloch 方程又称为Maxwell-Bloch 方程(有的书称为FHV 表象理论)。
所以Bloch 方程促进了量子力学的发展是非常重要的公式。
FB500型核磁共振讲义(定稿)
核磁共振实验引言1945年12月的美国哈佛大学科学家Purcell 和1946年1月美国斯坦福大学Bloch 发现核磁共振现象，两人由于这项成就，获1952年诺贝尔物理学奖。
在核磁共振技术方面作出重要贡献的12位科学家获得诺贝尔化学奖。
核磁共振(nuclear magnetic resonance ，NMR)是指自旋磁矩不为零的原子核，在外磁场中，其核能级将发生分裂。
若再有一定频率的电磁波作用于它，分裂后的核能级之间将发生共振跃迁的现象。
核磁共振是一种利用原子核在磁场中的能量变化来获得关于核的信息的技术。
核磁共振技术在物理、化学、生物、医学和临床诊断、计量科学、石油分析与勘探等许多领域得到重要应用。
本实验通过用最基本的核磁共振仪器操作，希望使同学能了解其基本原理和实验方法。
实验目的1、了解核磁共振的基本原理2、观察核磁共振稳态吸收信号及尾波信号3、学习利用核磁共振校准磁场4、测量g 因子的方法实验原理1、 核自旋与核磁矩。
核自旋角动量： ∙+∙=)1(I I P (1) 式中π2h = ，h ：普朗克常数；I :自旋量子数，质量数 原子序数自旋量子数I 偶数 偶数 0偶数 奇数 1，2，3….奇数 奇数或偶数 1/2；3/2；5/2….核自旋角动量在空间某一方向，例如z 方向的分量：m P z =(2) 其中m ：磁量子数， m = 1 ， ，I I -…，I I -+- , 1共()12+I 的数值。
核 磁 矩：)1()1(22+=+==I I g I I M e g P M e g N I I μμ (3)e ：质子的电荷，M ：质子的质量，g ：核的朗德因子，它可正，也可负 当施加一个外磁场B 后，通常把B 的方向规定为z 方向，N Z Z gm Me gm P M e g μμ===22 (4) N μ：核磁子，常用作度量核磁矩的单位，M e N 2 =μ 通常引入核的旋磁比γ，γ定义原子核的磁矩与自旋角动量之比：P μγ=(5)相应地有 m P z z γγμ== (6)2、能级分裂与共振跃迁在外磁场B 中，核磁矩与其作用能EB g B m B P B B E N Z z μγγμμ=-=-=-=⋅-= (7)因m 可取()12+I 个值，从而原来简并的同一能级分裂为()12+I 个子能级，相邻子能级的能量间隔B E γ=∆ 而且，对于质子而言，21=I ，因此m 只能取21=m 和21-=m 两个数值，施加磁场前后的能级分别如图1中的(a)和（b ）所示的总能量增加，这相当于系统从射频场中吸收了能量。
[核磁共振共振波谱学讲义]第三章—NMR实验技术基础(2数据采集)
![[核磁共振共振波谱学讲义]第三章—NMR实验技术基础(2数据采集)](https://img.taocdn.com/s3/m/fef85b9d51e79b8968022696.png)
第三章 NMR 实验技术基础2 数据采集在现代脉冲Fourier 变换核磁谱仪上，核磁矩在一系列脉冲作用下产生横向磁化，横向磁化围绕外磁场进动并在探头的检测线圈中产生感生电流，经放大及ADC 数字化后记录下来。
这种时域信号称为FID(free-induction decay)或interferogram 。
前者专门指检测线圈中检测到的信号，后者既可指FID ，也可指多维谱中间接维中检测的信号。
数字化的FID 通常经Fourier 变换产生对应的频域信号即通常意义上的核磁共振谱，数字化处理是现代脉冲Fourier 变换核磁谱仪的一个典型特征。
a 采样定理在信号处理中最常用也最容易实现的是周期采样，即采样的时间间隔固定。
记时间间隔为∆t,有著名的采样定理：若一个连续时域信号的最高频率成分的频率不超过f c ,则周期采样信号系列S(k ∆t)能再现原信号的条件是：12∆t f c ≥ 通常称f tn =12∆为Nyquist frequency 换一种说法，采样频率不能低于信号最高频率的2倍。
(1) 满足采样定理时，原信号可由离散信号系列S(k ∆t)复原：s t S k t c ft k t n k ()()sin {()}=-=-∞∞∑∆∆2π 此处sin ()sin()c x x x =可检测到的最高信号频率为±采样频率/2，其间隔称为谱宽： SW f tn ==21∆ (2) 当信号频率超过Nyquist 频率时，将产生折叠现象(folding/aliasing)，在频谱上表现为谱宽范围内的一个信号，如：当时域信号为复数系列时:两个频率成分νν02=+mf n a 与νa 在频谱上出现在同一位置. 前者的时域信号为：Ae Ae Ae Ae Ae Ae Ae Ae Ae i t i t i t i mf t i mf t i t i m i t i t n a n a a a ωθπνθπνθπνθππνθππνθπνθ++++++++======22222222220()这正是后者的时域信号，因而两种频率成分在时域的离散采样不可区分，也就是说，一个离散时间系列变换到的频谱具有有限带宽。
核磁共振实验讲义
超导核磁共振（NMR）实验讲义（初稿）一、实验目的1、了解核磁共振仪的组成及结构。
2、熟悉核磁共振仪的实验流程。
3、学习并掌握核磁共振仪的工作原理。
4、学习并掌握有机实验合成产物的分析鉴定。
二、实验注意事项1、超导磁体所瓣生的磁场是磁场环境中最危险的因素，一旦超导磁体被升场后，即使所有系统的电源被关掉，磁场依然存在。
磁场的磁力线由磁体中心点向上、向下、向外围延伸，它会穿透门、墙、天药板及地板。
随着与磁体之间的距离不断缩短，磁体的磁场强度将以数倍数值增加，任何人及其他对象在5高斯的磁力线范围内都是危险的。
2、强磁场还会吸引铁磁性物质。
铁磁性物体包含铁、钴、镍等，它们是用于制造大部分工具的主要材料，也是制造人工器官的重要组成部分。
当一个没有被固定的金属工具或对象接近磁体时，它会被磁场吸引而变成一个投射体向磁体飞去，当金属工具飞向磁体时，则中间的任何人或物都有可能因此而受伤。
铁磁金属经常作为外科植入物或者假肢装置。
强磁场是可以扭曲人体内的金属植入物，将造成组织损伤和巨大的痛苦，并且可能产生危及生命的情形。
对于心脏起搏器、神经刺激器等装置，如果放置于磁场环境中会停止工作而危害到生命安全。
3、在磁场强度约为10高斯以上，磁性储存媒体内的数据可能会遗失。
三、超导核磁共振仪及核磁共振实验的发展简史及用途1、核磁共振仪的作用或用途1)测定有机分子的精细结构；2)测定生物分子的三唯立体结构；3)核磁共振成像（医院）；4)其它。
2、核磁共振仪的原理3、核磁共振仪的发展简史四、超导核磁共振仪的结构本校于2011年最新购置了一台400MHz 超导核磁共振仪（V ARIAN-400MHz）。
主要结构组成包括：磁体、Console、控制台、稳压电源、空压机及外围设置。
磁体的主要作用是提供一个均匀、稳定的超强磁场。
其由内及外由超导线圈、液氦腔、液氮腔、真空层组成。
Console的主要作用是发射脉冲和接收脉冲，当然也包含了信号的放大处理等。
核磁共振讲义核磁共振(共59张PPT)
问题：下图是氟代丙酮（CH3COCH2F）的1H谱。请画出它的质子耦合的
19F谱峰形，并标注相应的耦合常数。
4. 双共振 (double resonance)
（1）自旋去耦
H{P}
（2） NOE(nuclear Overhauser effect)
活泼氢的化学位移
化合物类型 醇 酚(分子内缔合) 其它酚 烯醇(分子内缔合） 羧酸 RC=NOH R-SH
（PPM)
化合物类型
0.5-5.5
Ar-SH
10.5-16 4-8 15-19 10-13 7.4-10.2
RSO3H RNH2, R2NH ArNH2, Ar2NH, ArNHR RCONH2, ArCONH2 RCONHR’, ArCONHR
NOE 实验
1D NOE
可以得到NOE变化
百分比
灵敏度高
2D NOESY
得到NOE交叉峰 全部信息
最常用
NOE 应用举例
5. Dynamic NMR
No Image
核磁共振仪有一定的
“时标”（ time scale），即检测速度， 相当于照相机的快门。 若分子的两种形式交换 速度远远快于仪器的时 标（Δν） ，仪器测量
0.9-2.5
RCONHAr, ArCONHAr
（PPM) 3-4 11-12 0.4-3.5 2.9-4.8 5-6.5 6-8.2 7.8-9.4
化学位移图表和计算公式
• 氢谱化学位移数值已有较完善总结
• 经验公式
• 计算机预测
2. 自旋耦合与耦合常数
自旋耦合的产生
A核能级图
核磁共振波谱法讲义课件
环境科学中的应用
总结词
核磁共振波谱法在环境科学中也有重要的应 用。
详细描述
核磁共振波谱法可用于研究环境中的污染物 和天然有机物。通过测量水中、土壤中、大 气中有机污染物的核磁共振信号，核磁共振 波谱法能够提供关于污染物的种类、浓度和 分布的信息。此外，核磁共振波谱法还可用 于研究天然有机物（如腐殖质）的组成和降
多维核磁共振技术
多维核磁共振技术是一种通 过使用多个频率和磁场分量 来解析核磁共振信号的技术
。
通过多维核磁共振技术，可 以获得更丰富的化学位移信 息和耦合常数信息，从而更
好地解析分子结构。
多维核磁共振技术被广泛应 用于有机化学、材料科学等 领域，对于研究有机分子结 构、材料组成等具有重要意 义。
06 核磁共振波谱法实验操作演示
药物代谢与动力学研究
总结词
核磁共振波谱法在药物代谢与动力学研 究中具有广泛的应用。
VS
详细描述
核磁共振波谱法可用于研究药物在体内的 代谢过程和动力学行为，进而揭示药物的 作用机制和药效。通过测量药物分子在不 同时间点的代谢产物和浓度，核磁共振波 谱法能够提供关于药物吸收、分布、代谢 和排泄的重要信息，有助于新药开发和优 化治疗方案。
耦合常数
测量相邻原子核间自旋作用的强度和方向，揭示分子结构中的空间构型和相互作用。
04 核磁共振波谱法的实验技术应用
CHAPTER
有机化合物的结构鉴定
要点一
总结词
核磁共振波谱法是一种常用的实验技术，可用于有机化合 物的结构鉴定。
要点二
详细描述
核磁共振波谱法是一种基于核自旋磁矩的实验技术，通过 测量原子核在磁场中的共振频率来确定分子的结构。在有 机化合物的结构鉴定中，核磁共振波谱法可用于确定分子 中各原子的连接方式和化学环境，进而推断出分子的三维 结构。常见的核磁共振波谱法包括一维和二维核磁共振谱 ，其中二维核磁共振谱能够提供更丰富的结构信息。
核磁共振实验讲义-活泼氢
核磁共振实验讲义-活泼氢核磁共振实验特别提醒：由于核磁共振实验室是强磁场环境（9.6T），机械表,磁卡,含铁的工具,装有心脏起博器和人工假肢等人不可靠近磁体，以防发生意外。
3.1 化合物1H谱的测定3.1.1 目的要求（1）了解核磁共振的基本原理和氢谱的测定方法；（2）了解A VANCE-400核磁共振波谱仪的结构并初步掌握其使用方法；（3）掌握简单核磁共振氢谱谱图的解析技能。
3.1.2 基本原理核磁共振波谱法是表征、分析和鉴定有机化合物结构的最有效手段之一，现代核磁共振波谱仪主要为脉冲傅里叶变换核磁共振波谱仪。
图3-1是核磁共振波谱仪的示意图。
图3-1是核磁共振波谱仪的示意图核磁共振谱是由具有磁矩的原子核受电磁波辐射而发生跃迁所形成的吸收光谱。
用一定频率的电磁波对样品进行照射，可使特定化学环境中的原子核实现共振跃迁，在照射扫描中记录发生共振时信号的位置和强度，即可得到核磁共振普。
核磁共振谱中的共振信号峰位置反应样品分子的局部结构（如特征官能团、分子构型和构象等），而信号强度则往往与相关原子核在样品中存在的量有关。
原子质量数为奇数的原子核如1H、13C、19F、31P等，由于核内质子的自旋在沿着核轴方向产生磁矩，因此可以发生核磁共振。
而12C、16O、32S等原子核不具有磁性故不发生核磁共振现象。
核自旋量子数I≠0的原子核在外磁场作用下只可能有2I+1个取向，每一个取向都可以用一个自旋磁量子数来表示。
如1H的自旋磁量子数I=1/2，在外磁场中有两个取向，存在两个不同的能级，两能级的能量差△E与外磁场强度成正比：△E =E-1/2-E+1/2=γh/(2πB0)由于1H核周围电子的运动产生次级磁场，使得有机物分子中不同化学环境的1H 核实际受到的磁场强度不同，导致产生共振吸收的电磁辐射频率不同。
B=B0-σB0=B0（1-σ）为了便于比较，通常引入一个相对标准的方法测定样品的吸收频率与标准物的吸收频率差，采用相对值消除不同频源的差别及化学位移（δ）。
核磁共振实验讲义
核磁共振教学仪实验报告上海复旦天欣科教仪器有限公司核 磁 共 振 实 验一.实验概述核磁共振现象最早在1946年由美国斯坦福大学的Bloch 和哈佛大学的Purcell 发现的，他们因此获得了1952年度的诺贝尔奖金。
具有磁矩的原子核位于恒定磁场中时，一般将以一定的角速度围绕磁场轴做进动并最终沿磁场方向趋向。
如果垂直于该恒定磁场外加一弱交变磁场，则当交变场的圆频率0ω和恒定磁场0B 满足一定关系（00B ⋅=γω，γ为旋磁比）时，核磁矩将会沿着固定的轨道绕恒定磁场进动，同时出现能量最大吸收。
随后，Bloch 、Landau 等科学家分别从这一经典的物理图像出发，给出了核磁共振的经典描述。
以后，又有了量子力学的解释。
今天，核磁共振已经成为研究物质结构、研究原子核的磁性、进行各种化合物的分析和鉴定、测定各种原子核磁矩以及进行医学诊断的有利工具。
二.实验原理Bloch 根据经典理论力学和部分量子力学的概念推导出Bloch 方程。
Feynman 、V ernon 、Hellwarth 在推导二能级原子系统与电磁场作用时，从基本的薛定谔方程出发得到与Bloch 方程完全相同的结果，从而得出Bloch 方程适用于一切能级跃迁的理论，这种理论被称之为FVH 表象。
原子核具有磁矩：L⋅=γμ； （1） γ称为回旋比，是一个参数；L表示自旋的角动量；原子核在磁场中受到力矩：B M⋅=μ； （2）根据力学原理M dtLd=，可以得到： B dtd⨯⋅=μγμ； （3）其分量式为：⎪⎪⎪⎩⎪⎪⎪⎨⎧-=-=-=)()()(x y y x zz x x z yy z z y xB B dt d B B dt d B B dt d μμγμμμγμμμγμ （4） 以上（3）、（4）式称之为Bloch 方程。
存在驰豫过程的Bloch 方程为：⎪⎪⎪⎪⎩⎪⎪⎪⎪⎨⎧--=--=--=122)()()(T B B dtd T B B dt d T B B dt d z x y y x z y z x x z yx y z z y xμμμγμμμμγμμμμγμ （5） 连续核磁共振是在所测样品上加幅度不变的射频场：⎩⎨⎧==)sin()cos(0101t B B t B B y x ωω （6） 代入Bloch 方程，并转换为旋转坐标系得到：⎪⎪⎪⎪⎩⎪⎪⎪⎪⎨⎧-'=''--'--=''-'--='1121020)()(T B dt d T B B dt d T B dtd zyz y z x z y x y y x μμγμμμγμωγμμμωγμ （7） 其中1B 为射频幅度，0ω为旋转频率，1T 为纵向驰豫时间，2T 为横向驰豫时间（具体推导过程见参考资料）。
[核磁共振波谱学讲义]第三章—NMR实验技术基础(1NMR仪器)知识讲解
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第三章 NMR 实验技术基础1 NMR 仪器如图，现代超导核磁谱仪的主要组成部分包括：1. 超导磁体Magnet 包括Field Lock ，Shim Coils2. 探头Probe 内有RF Coils ，Gradient Coils3. 脉冲编程器及射频放大器4. 接收器5. 数据采集及处理计算机At the top of the schematic representation, you will find the superconducting magnet of the NMR spectrometer. The magnet produces the Bo field necessary for the NMR experiments. Immediately within the bore of the magnet are the shim coils for homogenizing the Bo field.Within the shim coils is the probe. The probe contains the RF coils for producing the B1 magnetic field necessary to rotate the spins. The RF coil also detects the signal from the spins within the sample. The sample is positioned within the RF coil of the probe. Some probes also contain a set of gradient coils. These coils produce a gradient in Bo along the X, Y , or Z axis. Gradient coils are used for for gradient enhanced spectroscopy, diffusion, and NMR microscopy experiments. The heart of the spectrometer is the computer. It controls all of the components of thespectrometer. The RF components under control of the computer are the RF frequency source and pulse programmer. The source produces a sine wave of the desired frequency. The pulse programmer sets the width, and in some cases the shape, of the RF pulses. The RF amplifier increases the pulses power from milli Watts to tens or hundreds of Watts. The computer alsocontrols the gradient pulse programmer which sets the shape and amplitude of gradient fields. The gradient amplifier increases the power of the gradient pulses to a level sufficient to drive the gradient coils. The operator of the spectrometer gives input to the computer through a console terminal with a mouse and keyboard. Some spectrometers also have a separate small interface for carrying out some of the more routine procedures on the spectrometer. A pulse sequence isselected and customized from the console terminal. The operator can see spectra on a video display located on the console and can make hard copies of spectra using a printer.1. 超导磁体MagnetMagnet主要要求：a 高磁场强度,分辨率与B0成正比，而灵敏度与B032成正比，故750MHz较600MHz的分辨率提高25%,而灵敏度提高40%b 高均匀性,目前可达10-9c 高稳定性The NMR magnet is one of the mostexpensive components of the nuclearmagnetic resonance spectrometer system.Most magnets are of the superconductingtype. A superconducting magnet has anelectromagnet made of superconductingwire. Superconducting wire has aresistance approximately equal to zerowhen it is cooled to a temperature close toabsolute zero (-273.15 C or 0 K) byemersing it in liquid helium. Once currentis caused to flow in the coil it willcontinue to flow for as long as the coil iskept at liquid helium temperatures.(Some losses do occur over time due to theinfinitesimally small resistance of the coil. These losses are on the order of a ppm of the main magnetic field per year.) The length of superconducting wire in the magnet is typically several miles. This wire is wound into a multi -turn solenoid or coil. The coil of wire and cryroshim coils are kept at a temperature of 4.2K by immersing it in liquid helium. The coil and liquid helium are kept in a large dewar. This dewar is typically surrounded by a liquid nitrogen (77.4K) dewar, which acts as a thermal buffer between the room temperature air (293K) and the liquid helium.The following image is an actual cut -away view of asuperconducting magnet. The magnet is supported by threelegs, and the concentric nitrogen and helium dewars aresupported by stacks coming out of the top of the magnet. Aroom temperature bore hole extends through the center of theassembly. The sample probe and shim coils are located withinthis bore hole. Also depicted in this picture is the liquidnitrogen level sensor, an electronic assembly for monitoringthe liquid nitrogen level.Going from the outside of the magnet to the inside, wesee a vacuum region followed by a liquid nitrogen reservoir.The vacuum region is filled with several layers of a reflectivemylar film. The function of the mylar is to reflect thermal photons, and thus diminish heat from entering the magnet. Within the inside wall of the liquid nitrogen reservoir, we see anothervacuum filled with some reflective mylar. The liquid helium reservoir comes next. This reservoir houses the superconducting solenoid or coil of wire.Taking a closer look at the solenoid it is clear to see the coil and the bore tube extending through the magnet.Field LockIn order to produce a high resolutionNMR spectrum of a sample, especially onewhich requires signal averaging or phasecycling, you need to have a temporallyconstant and spatially homogeneous magneticfield. Consistency of the Bo field over timewill be discussed here; homogeneity will bediscussed in the next section of this chapter.The field strength might vary over time due toaging of the magnet, movement of metal objects near the magnet, and temperature fluctuations. Here is an example of a one line NMR spectrum of cyclohexane recorded while the Bo magnetic field was drifting a very significant amount. The field lock can compensate for these variations.The field lock is a separate NMRspectrometer within your spectrometer. Thisspectrometer is typically tuned to thedeuterium NMR resonance frequency. Itconstantly monitors the resonance frequencyof the deuterium signal and makes minorchanges in the Bo magnetic field to keep theresonance frequency constant. The deuteriumsignal comes from the deuterium solvent usedto prepare the sample. The animation window contains plots of the deuterium resonance lock frequency, the small additional magnetic field used to correct the lock frequency, and the resultant Bo field as a function of time while the magnetic field is drifting. The lock frequency plot displays the frequency without correction. In reality, this frequency would be kept constant by the application of the lock field which offsets the drift.On most NMR spectrometers the deuterium lock serves a second function. It provides the reference. The resonance frequency of the deuterium signal in many lock solvents is well known. Therefore the difference in resonance frequency of the lock solvent and TMS is also known. As a consequence, TMS does not need to be added to the sample to set reference; the spectrometer can use the lock frequency to calculate reference.Shim CoilsThe purpose of shim coils on a spectrometer is to correct minor spatial inhomogeneities in the Bo magnetic field. These inhomogeneities could be caused by the magnet design, materials in the probe, variations in the thickness of the sample tube, sample permeability, and ferromagnetic materials around the magnet. A shim coil is designed to create a small magnetic field which will oppose and cancel out an inhomogeneity in the Bo magnetic field. Because these variations may exist in a variety of functional forms (linear, parabolic, etc.), shim coils are needed which can create a variety of opposing fields. Some of the functional forms are listed in the table below.Shim Coil Functional FormsShim FunctionZ0Z, Z2, Z3, Z4, Z5X, XZ, XZ2, X2Y2, XY , Y , YZ, YZ2XZ3, X2Y2Z, YZ3, XYZ, X3, Y3By passing the appropriate amount of current througheach coil a homogeneous Bo magnetic field can beachieved. The optimum shim current settings are found byeither minimizing the linewidth, maximizing the size of theFID, or maximizing the signal from the field lock. On mostspectrometers, the shim coils are controllable by thecomputer. A computer algorithm has the task of finding thebest shim value by maximizing the lock signal.2. 探头Sample ProbeThe sample probe is the name given to that part of the spectrometer which accepts the sample, sends RF energy into the sample, and detects the signal emanating from the sample. It contains the RF coil, sample spinner, temperature controlling circuitry, and gradient coils. The RF coil and gradient coils will be described in the next two sections. The sample spinner and temperature controlling circuitry will be described here.The purpose of the sample spinner is to rotate the NMRsample tube about its axis. In doing so, each spin in the samplelocated at a given position along the Z axis and radius from the Zaxis, will experience the average magnetic field in the circledefined by this Z and radius. The net effect is a narrower spectrallinewidth. To appreciate this phenomenon, consider the following examples. In picture an axial cross section of a cylindrical tube containing sample. In a very homogeneous Bo magnetic field this sample will yield a narrow spectrum. In a more inhomogeneous field the sample will yield a broader spectrum due to the presence of lines from the parts of the sample experiencing different Bo magnetic fields. When the sample is spun about its z -axis, inhomogeneities in the X and Y directions are averaged out and the NMR line width becomes narrower.Many scientists need to examine properties of their samples as a function of temperature. As a result many instruments have the ability to maintain the temperature of the sample above and below room temperature. Air or nitrogen which has been warmed or cooled is passed over the sample to heat or cool the sample. The temperature at the sample is monitored with the aid of a thermocouple and electronic circuitry maintains the temperature by increasing or decreasing the temperature of the gas passing over the sample.RF CoilsRF coils create the B1 field which rotates thenet magnetization in a pulse sequence. They alsodetect the transverse magnetization as it precesses inthe XY plane. Most RF coils on NMR spectrometersare of the saddle coil design and act as thetransmitter of the B1 field and receiver of RF energyfrom the sample. You may find one or more RF coilsin a probe.Each of these RF coils must resonate, that isthey must efficiently store energy, at the Larmorfrequency of the nucleus being examined with theNMR spectrometer. All NMR coils are composed of an inductor, or inductive elements, and a set of capacitive elements. The resonant frequency, , of an RF coil is determined by the inductance (L) and capacitance (C) of the inductor capacitor circuit. RF coils used in NMR spectrometers need to be tuned for the specific sample being studied. An RF coil has a bandwidth or specific range of frequencies at which it resonates. When you place a sample in an RF coil, the conductivity and dielectric constant of the sample affect the resonance frequency. If this frequency is different from the resonance frequency of the nucleus you are studying, the coil will not efficiently set up the B1 field nor efficiently detect the signal from the sample. You will be rotating the net magnetization by an angle less than 90 degrees when you think you are rotating by 90 degrees. This will produce less transverse magnetization and less signal. Furthermore, because the coil will not be efficiently detecting the signal, your signal -to -noise ratio will be poor.The B1 field of an RF coil must be perpendicular to the Bo magnetic field. Anotherrequirement of an RF coil in an NMR spectrometer is that the B1 field needs to be homogeneous over the volume of your sample. If it is not, you will be rotating spins by a distribution of rotation angles and you will obtain strange spectra.Gradient CoilsThe gradient coils produce the gradients in the Bo magnetic field needed for performing gradient enhanced spectroscopy, diffusion measurements, and NMR microscopy. The gradient coils are located inside the RF probe. Not all probes have gradient coils, and not all NMR spectrometers have the hardware necessary to drive these coils.The gradient coils are room temperature coils (i.e. do not require cooling with cryogens to operate) which, because of their configuration, create the desired gradient. Since the vertical bore superconducting magnet is most common, the gradient coil system will be described for this magnet.Assuming the standard magnetic resonance coordinatesystem, a gradient in Bo in the Z direction is achieved with anantihelmholtz type of coil. Current in the two coils flow inopposite directions creating a magnetic field gradient betweenthe two coils. The B field at the center of one coil adds to theBo field, while the B field at the center of the other coilsubtracts from the Bo field.The X and Y gradients in the Bo field are created by apair of figure -8 coils. The X axis figure -8 coils create agradient in Bo in the X direction due to the direction of thecurrent through the coils. The Y axis figure -8 coils providesa similar gradient in Bo along the Y axis.3. 脉冲编程器及射频放大器包括频率综合器，放大器及有关的电子器件。
[核磁共振讲义]第一章—核磁共振基础知识
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第一章核磁共振基础知识核磁共振（NMR）是指核磁矩不为零的核，在外磁场的作用下，核自旋能级发生塞曼分裂，共振吸收某一定频率的射频辐射的物理过程。
核磁共振是波谱学的一个分支，研究核磁共振现象与原子所处环境如分子结构，构象，分子运动的关系及其应用。
生物化学，分子生物学的发展对生物大分子空间结构的测定提出越来越高的要求，而逐渐形成一门新兴的交叉学科即结构生物学。
结构生物学已成为生命科学研究的前沿领域和热点。
核磁共振波谱学是结构生物学的一种重要的研究手段，核磁共振波谱学各种最新技术的出现和发展往往与结构生物学密切相关。
如3D，4DNMR。
简史：1924 Pauli从光谱的超精细结构推测某些原子核有核磁距，能级裂分，共振吸收1936 Gorter试图观察LiF中7Li的吸收，未能成功，因样品弛豫时间太长1945－1946 F.Bloch(Stanford), H2O 感应法E.M.Purcell(Harvard), 石蜡吸收法1946－1948 奠定了理论基础1952年共得诺贝尔物理奖1951 Arnold et al 乙醇1H化学位移精细结构1957 Saunders et al 核糖核酸酶40 MHz的1H谱(1965 Cooley, Tukey FTT)1966 R.R. Ernst 脉冲NMR理论1971 Jeener 2DNMR原理1984 K. Wuethrich用NMR解蛋白质溶液结构1945-1951 奠定理论和实验基础1951-1965 CW－NMR发展，双共振技术1965-1970～PFT－NMR发展1970～--- 2D－NMR，MQT－NMR，SOLID－NMR，自旋成象技术核磁共振可以用于研究有机分子的化学结构，代谢途径，酶反应的立体化学信息，生物大分子的溶液构象，分子间相互作用的细节，化学反应速率，平衡常数，还可用来研究分子动力学，包括分子内的基团运动，以及生物膜的流动性。
细胞和活组织中化学成分的分布及交换过程，等等。
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核磁共振实验
特别提醒：由于核磁共振实验室是强磁场环境（9.6T），机械表,磁卡,含铁的工具,装有心脏起博器和人工假肢等人不可靠近磁体，以防发生意外。
3.1 化合物1H谱的测定
3.1.1 目的要求
（1）了解核磁共振的基本原理和氢谱的测定方法；
（2）了解A V ANCE-400核磁共振波谱仪的结构并初步掌握其使用方法；
（3）掌握简单核磁共振氢谱谱图的解析技能。
3.1.2 基本原理
核磁共振波谱法是表征、分析和鉴定有机化合物结构的最有效手段之一，现代核磁共振波谱仪主要为脉冲傅里叶变换核磁共振波谱仪。
图3-1是核磁共振波谱仪的示意图。
图3-1是核磁共振波谱仪的示意图
核磁共振谱是由具有磁矩的原子核受电磁波辐射而发生跃迁所形成的吸收光谱。
用一定频率的电磁波对样品进行照射，可使特定化学环境中的原子核实现共振跃迁，在照射扫描中记录发生共振时信号的位置和强度，即可得到核磁共振普。
核磁共振谱中的共振信号峰位置反应样品分子的局部结构（如特征官能团、分子构型和构象等），而信号强度则往往与相关原子核在样品中存在的量有关。
原子质量数为奇数的原子核如1H、13C、19F、31P等，由于核内质子的自旋在沿着核轴方向产生磁矩，因此可以发生核磁共振。
而12C、16O、32S等原子核不具有磁性故不发生核磁共振现象。
核自旋量子数I≠0的原子核在外磁场作用下只可能有2I+1个取向，每一个取向都可以用一个自旋磁量子数来表示。
如1H的自旋磁量子数I=1/2，在外磁场中有两个取向，存在两个不同的能级，两能级的能量差△E与外磁场强度成正比：
△E =E-1/2-E+1/2=γh/(2πB0)
由于1H核周围电子的运动产生次级磁场，使得有机物分子中不同化学环境的1H 核实际受到的磁场强度不同，导致产生共振吸收的电磁辐射频率不同。
B=B0-σB0=B0（1-σ）
为了便于比较，通常引入一个相对标准的方法测定样品的吸收频率与标准物的吸收频率差，采用相对值消除不同频源的差别及化学位移（δ）。
δ=[(νx-νS)/νS]×106
式中，νx为样品1H核的共振频率；νS为标准物质1H核的共振频率。
通常采用如四甲基硅烷[(CH3)4Si, TMS]、2,2-二甲基-2-硅戊烷-5-磺酸钠[(CH3)3SiCH2CH2CH2SO3Na]等作为标准物质进行测试。
3.1.3 仪器与试剂
A V ANCE-400核磁共振波谱仪，NMR样品管（φ5mm），移液枪（1ml），漩涡振荡器；正丙醇（A.R.），重水。
3.1.4 实验步骤
结构分析一般应采用液态样品（溶液）得到高分辨率的谱图，因此实验的第一步是选择良好的溶剂－氘代溶剂溶解样品。
常用的氘代试剂：CDCl3, D2O, DMSO, C6D6, CD3OD, CD3COCD3, C5D5N等（1）样品准备：用移液枪移取5 L正丙醇于核磁管中，然后再移取0.5mL 重水于核磁管中，混合均匀；
（2）核磁管的定位：将转子置于样品规顶部，将核磁管插入转子，根据样品液柱的实际高度调整核磁管的位置，使液柱中心与样品规上的黑色中心线对齐，核磁管底部最多只能放到样品规的底部，用软纸（布）轻擦核磁管，待测；
（3）放样步骤：
在核磁软件“topspin”界面中：
a. 键入“ej”，压缩空气闸门打开；
b. 腔内样品弹出悬浮于磁体顶部（或听到气流声后），随转子取出原样品管，将套在转子上的新样品管放入，悬浮于磁体顶部；
c. 键入“ij”，压缩空气闸门关闭，样品随气流被送入腔内到达探头；
d. 设定采样温度，295K。
安全性：1.核磁管的定位非常重要，若核磁管插入转子过深，即样品管底部实际已超出样品规，样品送入腔内后将触及探头，导致碎裂；
2.气阀未打开，一定不能放入样品管，以防样品管碎裂！！
（4）1H数据采集
a. 键入[NEW]，建立实验和标准参数；
b. 键入[LOCK]，选择溶剂D2O；
c. 键入[GETPROSOL]，读取脉冲宽度和功率；
d. 键入[ATMA]，自动调谐；
e. 键入[TOPSHIM]，自动匀场。
（确保样品温度已稳定）
(c, d, e三步骤可用窗口上方快捷键“PRE（getprosol+atma+topspin）”替代；
f. 键入[RGA]，自动设置增益；
g. 键入[ZG]，开始采样同时清空内存；
（5）1H谱图处理
h. [EFP] 傅立叶转换(FT)，FID信号转换成谱图，得到1H谱图。
i. [APK] 自动相位调整，或手动校正（phase correction）“”，先“0”级校正，后“1”级校正；
j.“”，图谱定位（spectrum calibration），利用TMS或溶剂峰定位；
k. “”，手动标峰（peck picking）；
l. “”，积分（interactive integration）；
m. [Plot]，谱图编辑，保存。
（6）实验结束，键入[lock off]，脱锁，[ej] 打开气阀，将样品取出；
键入[ij]，关闭气阀。
3.1.5 结果与讨论
（1）观察正丙醇重水溶液的1H谱并解析；
（2）谱图中羟基质子是否出现？为什么？
3.2 活泼氢的检测及氢键对质子化学位移的影响
3.2.1 目的要求
（1）通过对比实验，了解活泼氢与溶剂之间的快速交换对谱图的影响；
（2）了解氢键对质子化学位移的影响。
3.2.2 基本原理
常见的活泼氢，如-OH、-NH-、-SH、-COOH等基团的质子，在溶剂中交换很快，并受测定条件如浓度、温度、溶剂的影响，δ值不固定在某一数值上，而在一个较宽的范围内变化。
活泼氢的峰形有一定特征，一般而言，酰胺、羧酸类缔合峰为宽峰，醇、酚类的峰形较钝，氨基，巯基的峰形较尖。
用重水交换法可以鉴别出活泼氢的吸收峰，（加入重水后活泼氢的吸收峰消失）。
氢键对化学位移对影响：绝大多数氢键形成后，质子化学位移移向低场，表现出相当大的去屏蔽效应，提高温度和降低浓度都可以破坏氢键。
3.2.3 仪器与试剂
A V ANCE-400核磁共振波谱仪，NMR样品管（φ5mm），移液枪，漩涡振荡器；正丙醇（A.R.），氘代氯仿（CDCl3，含0.03％TMS）。
3.2.4 实验步骤
主要步骤均同3.1.4，需要修改的步骤如下：
（1）样品准备：将溶剂重水改为CDCl3；
（4）1H数据采集：b. 键入[LOCK]，选择溶剂CDCl3；
本实验同一个样品做两次，第一次采样结束后，将样品温度设定为303K，建立新的实验目录，待温度稳定后重新匀场，采集1H谱。
（5）1H谱图处理：同3.1.4。
3.2.5 结果与讨论
对比本次实验采集得到的3张正丙醇的NMR 1H谱，指出主要的异同点，并解释。