核磁共振谱学幻灯片.pptx

核磁共振谱学( NMR)
核磁共振发展史
1945年, F. Bloch(布洛赫) 和 E. M. Purcell(珀塞尔)两个小组几乎同时发现NMR现象,并获得1952年的诺贝尔物理奖
1953年美国Varian公司成功研制了世界上第一台商品化NMR谱仪
1964年美国Varian公司研制出世界上第一台超导磁场的NMR谱仪
1965年,脉冲傅立叶变换NMR (FT-NMR)研制成功。
1976年,恩斯特(R. R. Ernst) 提出二维核磁共振技术,并获得1991年的诺贝尔化学奖
1982年,劳特布尔(Lauterbur)和曼斯菲尔德(Mansfield)开创了核磁共振成像技术领域,并获得2003年诺贝尔生理学或医学奖。
1991年,Wüthrich开创了生物大分子NMR领域,维特里希因“发明了利用核磁共振技术测定溶液中生物大分子三维结构的方法”并获得2002年的诺贝尔化学奖。
一. 核磁共振基本原理
核磁共振三要素
1. 磁性核
核磁共振的研究对象:磁性核。
磁性核:具有磁矩的原子核。
磁矩是由于核的自旋运动产生的。
原子核是带正电荷的粒子,其自旋运动将产生磁矩,但并非所有同位素的原子核都有自旋运动,
只有存在自旋运动的原子核才具有磁矩。
原子核的自旋运动与自旋量子数I有关。
I = 0的原子核没有自旋运动。I ≠ 0的原子核才有自旋运动。
原子核可按I的数值分为三类:
1)质量数A和核电荷数 Z都为偶数,则I = 0,
如12C,16O, 32S等等。
2)质量数A为奇数,核电荷数 Z为奇数或偶数,
则I为半整数,如:
I = 1/2:1H、13C、15N、19F、31P等等;
I = 3/2:7Li、9Be、11B、23Na、35Cl、37Cl等等。
3)质量数A为偶数,核电荷数 Z为奇数,则I为整数,
如2H、6Li、14N等I = 1;58Co,I = 2。
自旋量子数 I 值与原子核的质量数A和核电荷数 Z有关。
I  0的原子核都有自旋现象,其自旋角动量(P)为:
μ= P
h:普朗克常数;
:磁旋比, 同一种核为常数
具有自旋角动量的原子核都具有磁矩μ
(1H) =  107 rad·s-1·T-1
磁场强度的单位:1高斯(GS)=10-4 T(特斯拉)
2. 外磁场
无外磁场(B0)时,原子核的自旋取向是任意的。
在外磁场(B0)中,具有磁矩的的自旋取向是量子化的,可用磁量子数m表示核自旋不同的空间取向,其数值可取:
m=I, I-1, I-2…..-I, 共有2I+1个取向。
每一个自旋取向都代表一个特定的能级状态,对于1H核(I=1/2),两种取向:
(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。
自旋角动量在Z轴(B0轴)上的投影:
磁矩μ在Z轴(B0轴)上的投影:
磁矩与磁场相互作用能:
在B0中:
相邻能级的能量差:
∆E与γ和B0成正比
当自旋核处在外磁场B0中时,除自旋外(自旋轴的方向与一致),还会绕B0进行回旋,称拉莫尔进动(Larmor进动) ,类似于陀螺在重力场中的进动。
进动频率 0; 角速度0;
0 = 20 =  B0
0 =  B0 / 2
3. 射频场
在外加磁场B0的作用下,自旋量子数为I的核,其自旋能级分裂为(2I+1)个,任意相邻的两能级间的能量差都等于γhB0/2π。用一个频率为ν的射频场(电磁波)照射磁场中的自旋核时,如果电磁波的能量hν与该能级差相等,即
 E=hν=ΔE=γ hB0/2π ν=γ·B0/2π
低自旋能态的核即可吸收电磁波的能量而跃迁到高自旋能态,同时自旋取向发生改变,即发生核磁共振。