核磁共振NMR波谱学原理及其应用

2.1.1 原子核的组成
► 原子核是由原子和中子组成的。 ► 原子核中质子的数目(Z代表原子序数)，决定原子的
特征及其核电荷。 ► 在元素周期表中，每一个元素的原子序数表示在化
学符号的右边，左上角的角码是同位素的质量数(A)， 它是Z和N的整数和。
A=Z+N
2.1.2 核自旋
► 质子是一种转动着的带电荷的粒子(Z=1)，故有磁 矩。
可用来研究分子结构。 ► 1958年第一台30MHz(CW-30MHz)。
► 1965年提出快速FT变换方法。
► 1966年R.R.Ernst等实现了FT-NMR实验。将信号 采集由频率域→时域，使信号累加变得容易，大 大提高NMR灵敏度，13C核的测量成为可能，这 是一次革命。
► 利用不同的脉冲组合来加工核自旋体系的信息， 获得特定的分子结构信息：驰豫时间，共振峰的 分类（DEPT，1NEPT）
1 ＝
to
t0的单位是秒， 的单位赫兹(Hz)
►在t0时间内，电磁波传播的距离为。
C= ̸ t0 对某一特定的波，其波长和频率不是二个互为独 立的量，而是互为反比例的关系。高频辐射具有 短的波长，而低频辐射则具有长的波长。
► 电磁波除了波动性外，还表现出粒子的某些行为。 光子最重要的类粒子性质是它的能量(E)。每一个 光子具有分立的能量，它与频率成正比关系。这 种关系可表示如下：
1013-4x1014 1012-1013 1010-1012 106-1010
Energy (kJ/mol) >1.2x108
1.2x106-1.2x108 1.2x104-1.2x106 6x102-1.2x104 3.2x102-6x102 1.6x102-3.2x102
4-1.6x102 0.4-4
10-1-10-3 10-10-1 200-10 380-200 780-380 3x104-780 3x105-3x104 3x107-3x105 1011-3x107
Frequency, (Hz) >3x1020
3x1018-3X1020 3x1016-3x1018 1.5x1015-3x1016 8x1014-1.5x1015 4x1014-8x1014
E=h 式中h－普朗克常数，其值为6.63x10-27尔格．秒
► 对NMR的目的来说，我们特别感兴趣的是射频辐 射(rf)，其频率范围与收音机和电视机的接收频率 相同。通常采用频率为200-750MHz的波段。表中 能量标尺的低能端，恰好是我们实现NMR实验所 需要的能量。
第二章 原子核的磁性
2.1 原子核的结构 化合物是由分子组成， 分子本身是原子的聚集体。 每一个原子都有若干带负电荷的电子。电子围绕一 个体积极小的带正电荷的原子核运动。99.9%以上 的原子的质量都集中在原子核上，核只占原子体积 的1/1012。
1970 FT NMR
Instrumental
1975 Superconducting magnets
Instrumental
1980 2D NMR
Methodological
ห้องสมุดไป่ตู้
1985 Protein structure determination
Methodological
1990 Isotope labeling/multidimensional NMR Methodological
Transmitter Receiver
Magnet Sample tube Probe
B0
rf pulse
FID
Sample tube inside coil
FT
140 120 100 80 60 40 20 0 PPM
Spectrum
NMR发展的里程碑
Year Development
Nature
► 1971年J.J.Jeener首次引入二维谱的概念。
► 1974年R.R.Ernst小组首次成功地实现二维实验， NMR进入全新时代。
► 上世纪80年代是NMR迅速发展的十年。 ► 1991年R.R.Ernst本人获诺贝尔化学奖。
1.2 仪器的基本构造
Data processing
rf console
第一章 绪言
1.1 回顾: NMR现象发现于1945年，发展迅速，已成 为当代研究物质结构最有力的工具。
► 1946年哈佛大学Purcell小组和斯福大学Block小组几 乎同时观测了石蜡中质子的信号， 1952年获诺贝尔 物理奖。
► 1951年发现化学位移现象。 ► 1952年Hahn等发现自旋偶合现象，显示NMR技术
1990 Pulsed field gradients
Instrumental/ Methodological
1995 NMR screening
Methodological
1997 TROSY
Methodological
1998 LC-NMR/LCMS-NMR
Instrumental
2000 Cryoprobes
Instrumental
1.3电磁辐射的性质
E0 E
t0 node
peak
if abscissa scale is time if abscissa scale is length
B B0
trough Electromagnetic wave with electric vector E and magnetic vector B
4x10-3-0.4 4x10-7-4x10-3
► 波实际上是由二个正交(互相垂直)的彼此完全相同 的波组成的。其中一个描述辐射的电场矢量(E)， 在一个平面内振荡，而另一个波描述磁场矢量(B)， 在垂直于电场的平面内振荡。
► 波可用二个独立的量，波长()和最大振幅(图中的 E0和B0)来表征。电磁辐射以固定的速度传播，可 用频率来描述波，频率是相邻两个波之间的距离 t0 的倒数。
Electromagnetic spectrum
Radiation Cosmic rays
Gamma rays X-rays
Far ultraviolet ultraviolet visible Infrared Far infrared Microwaves
Radio frequency
Wavelength, (nm) <10-3