核磁共振波谱分析

2.3488
(T 1
s1 T )
100MHz
背景知识：磁感应强度，单位：特斯拉 T
永磁铁：0.4-0.7 T 变压器铁芯：0.8-1.4 T 超导强电流:几十 T 地面：0.510-4 T
B0
F lI
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共振条件讨论：
2
B0
（1）对于同一种核 ，磁旋比 为定值， B0变，射频频率变。
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原子核可看作核电荷均匀分布的球体，并象陀螺一 样自旋，有核磁矩产生，自旋量子数 I=1/2的原子核 是核磁共振研究的主要对象。例如氢核可当作电荷 均匀分布的球体，核绕自旋轴转动时，就会产生磁 场，类似一个小磁铁。
自旋轴
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右手法则
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二、原子核自旋能级和共振吸收
（一）核自旋能级分裂 1、核磁矩的取向：当核置于外磁场B0中时，相对于 外磁场，原子核到底有多少种取向？通常 用m（磁 量子数）表示,取值范围为I，I-1，…，-I共（2I+1） 种取向。 核磁矩在外磁场空间的取向不是任意的， 是量子化的。这种现象称为核磁矩的空间量子化。
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z
z
z
m=1/2
m=1
m=2
B0
m=1
m=0
m=0
m= -1
m=-1/2
m= -1
m= -2
I = 1/2
I=1
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
I=2
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2、核磁矩在外加磁场Z轴上的分量取决于角动量在
该轴上的分量（Pz），且
Pz
m
h
2
z
m
h
2
m:磁量子数 m I，I 1，I 2， ， I
E
z B0
m
h
2
B0
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1H :
E1
1
2
h
2
B0 ,
E
1
1
2
h
2
B0
2
2
E
h
2
B0
由能级分裂现象说明，高场强仪器比低场强仪器测 得的核磁共振信号清晰。
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回旋轴
（二）原子核的共振吸收
1、原子核的进动
当带正电荷的、且具有自旋量子数的
核绕自旋轴旋转时则会产生磁场，当
2.3488 T 共振频率 100 MHz
磁场强度B0的单位：1高斯（GS）=10-4 T（特斯拉）
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例 计算在多大强度的的磁场中，1H的共振频 率为500MHz。
B0
2
2 3.14 500 106 2.67519 108
11.72T
三、原子核磁能级上的粒子分布
不同能级上分布的核数目可由Boltzmann 定律计算：
Ni Nj
exp
Ei E j kT
exp
E kT
exp
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
2.67519 108 2 3.24
2.3488
100.00MHz
Ni Nj
e
xp
6.626 1034 100 1.38066 1023
(2) I=1 或 正整数的原子核: 2H1，14N7 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: 1H1，13C6，19F9，31P15 I = 3/2： 11B5，35Cl17，79Br35， I = 5/2： 17O8
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（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和射频频率不同。
（3） 固定B0 ，改变（扫频） ，不同原子核在不同频率处 发生共振产生吸收（图）。也可固定 ，改变B0（扫场,多用） 不同原子核在不同磁场强度处发生共振产生吸收。
氢核（1H）： 1.409 T 共振频率 60 MHz
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一、原子核的自旋
形成分子原子核在外磁场中分裂→分裂能量差为△E→当照射 频率满足能量差△E时→则原子核会发生跃迁→产生吸收信号
原子核是带正电粒子，通过对原子光谱
精细结构研究，发现了核的自旋运动，
若原子核存在自旋，就会产生核磁
矩 ： p
p h I (I 1)
2
角动量p、核磁矩都是矢量，其方向平行，符合右手法则
.00 106 298
J J
s s1 K 1 K
1.000016
1.000016-1= 1.610-5
Ni 、 Nj 分别为低能级（基态）和高能级（激发态）
0
2
B0
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(1) 核有自旋(磁性核)
共振条件
(2)外磁场，能级裂分;
(3)照射频率与进动频率相等
0
2
B0
(4) 跃迁选律： m 1(只能发生在相邻能级间 )
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例 计算在2.3488T磁场中，1H的共振频率。
0
2
B0
2.67519 108 2 3.14
称为磁旋比，(magnetogyric ratio),每种核都有特定值。
对于 1H1 核，其值为2.67519108 T-1 s-1 ;Ⅰ为自旋量子数
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1、核自旋分类（用自旋量子数Ⅰ来描述）
(1) I=0 的原子核: 16 O8； 12 C6； 32 S16 无自旋，没有核磁矩，不产生共振吸收
核磁共振波普分析
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第一节 基本原理
一、原子核的自旋 二、核磁共振现象 三、核磁共振条件
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核磁共振（NMR）：在外磁场的作用下，具有磁矩的原子核 存在着不同能级，当用一定频率的射频照射时，可引其原子 核能级跃迁的现象。核磁共振信号强度对照射频率作图，所 得图谱称为核磁共振波谱。利用核磁共振波谱进行结构测定 分析的方法称为核磁共振波谱法。该方法属于吸收光谱范畴。 NMR共振吸收法是一种测定核能级跃迁吸收的一种特殊方法。 研究对象为具有核磁矩的原子核
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3、核能级分裂：若无外磁场，由于核的无序排列， 不同自旋方向的核不存在能级的差别。在外磁场作 用下，核磁矩按一定方向排列，对氢核的磁矩则有 两种取向，即m=1/2,是顺磁场,能量低；m=－1/2，逆 磁场，能量高。从而产生了能级的分裂现象。每一 种核的磁矩取向所对应的能级可通过下面公式求得。
这个自旋核置于外磁场中时，该核的
自旋磁场与外加磁场相互作用，将会
产生回旋（摇头旋转），这种回旋称
为进动 。进动频率 与外加磁场关系
可用 Larmor 方程 表示：
2
B0
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2、核磁共振吸收条件 在外磁场中，原子核能级产生裂分，由低能级向高能级跃 迁时，需要吸收能量。当射频振荡线圈产生电磁波的能量 （h 0）等于核能级差△E就会有NMR。