核磁共振波谱分析法

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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。
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讨论:
共振条件: 0 = H0 / (2 ) (1)对于同一种核 ,磁旋比 为定值, H0变,射频频率变。 (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H0和射频频率不同。 (3) 固定H0 ,改变(扫频) ,不同原子核在不同频率处 发生共振(图)。也可固定 ,改变H0 (扫场)。扫场方式
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H0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。
I=2
r
H0
P
1H
E2=+ m H0 E= E2 - E1 = 2m H0 E1=- m H0
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二、 核磁共振现象
nuclear magnetic resonance
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+H10)中种时取,向相:对 氢核(I=1/2),两种取向
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.永久磁铁:提供外磁 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。 2 .射频振荡器:线圈垂 直于外磁场,发射一定频 率的电磁辐射信号。 60MHz或100MHz。
标样浓度(四甲基硅烷 TMS) : 1%; 溶剂:1H谱 四氯化碳,二硫化碳; 氘代溶剂:氯仿,丙酮、苯、二甲基亚砜的氘代物;
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傅立叶变换核磁共振波谱仪
不是通过扫场或扫 频产生共振;
恒定磁场,施加全 频脉冲,产生共振,采 集产生的感应电流信号, 经过傅立叶变换获得一 般核磁共振谱图。 (类似于一台多道仪)
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共振条件
(1) 核有自旋(磁性核) (2)外磁场,能级裂分;
(3)照射频率与外磁场的比值0 / H0 = / (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:
Ni Nj
exp
Ei E j kT
exp
E exp kT
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
(2) I=1 或 I >0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;
(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;
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( 核磁共振现象)
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 = 2 0 = H0 磁旋比; H0外磁场强度;
(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。
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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
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第八章 核磁共振波谱
分析法
nuclear magnetic resonance spectroscopy
第二节 核磁共振与化学位移
一、核磁共振与化学位移
nuclear magnetic resonance and chemical shift
Leabharlann Baidu二、影响化学位移的因素
factors influenced chemical shift
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3 .射频信号接受器(检 测器):当质子的进动频 率与辐射频率相匹配时, 发生能级跃迁,吸收能量, 在感应线圈中产生毫伏级 信号。 4.样品管:外径5mm的 玻璃管,测量过程中旋转, 磁场作用均匀。
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核磁共振波谱仪
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样品的制备:
试样浓度:5-10%;需要纯样品15-30 mg; 傅立叶变换核磁共振波谱仪需要纯样品1 mg ;
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超导核磁共振波谱仪:
永久磁铁和电磁铁: 磁场强度<25 kG
超导磁体:铌钛或铌锡合金等超导 材料制备的超导线圈;在低温4K,处 于超导状态;磁场强度>100 kG
开始时,大电流一次性励磁后,闭 合线圈,产生稳定的磁场,长年保持不 变;温度升高,“失超”;重新励磁。
超导核磁共振波谱仪: 200-400HMz;可 高达600-700HMz;
两种进动取向不同的氢核之 间的能级差:
E= mH0 (m磁矩)
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三、核磁共振条件
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= mH0 (m磁矩) 产生共振需吸收的能量:E= m H0 = h 0 由拉莫进动方程:0 = 2 0 = H0 ; 共振条件: 0 = H0 / (2 )
h
kT
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
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;
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