核磁共振与电子顺磁共振波谱法
幻灯片1
期末复习
幻灯片2
第三章核磁共振与电子顺磁共振波谱法
核磁共振(Nuclear Magnetic Resonance, NMR)和电子顺磁共振(Electron Paramagnetic Resonance, EPR)与UV和IR相同，也属于吸收波谱。EPR又称为电子自旋共振谱(Electron Spin Resonance, ESR)。NMR和EPR是将样品置于强磁场中，然后用射频源来辐射样品。NMR是使具有磁矩的原子核发生磁能级的共振跃迁；而ESR是使未成对的电子产生自旋能级的共振跃迁。
幻灯片3
第三章核磁共振与电子顺磁共振波谱法
NMR E SR
研究对象具有磁矩的原子核具有未成对电子的物质
共振条件式
?磁子/J/T 称为核磁子，
1H的?＝5.05×10-27 称为玻尔磁子，
电子的?＝9.273×10-24
g因子
(又称朗德因子，无量纲) 氢核1H的g因子为
gN＝5.5855 自由电子的g因子为
ge＝2.0023
结构表征的主要参数耦合常数J，单位Hz；化学位移?，常用单位ppm 超精细分裂常数?，常用单位特斯拉
常用谱图核吸收谱的吸收曲线和积分曲线电子吸收谱的一级微分曲线
幻灯片4
3.1 核磁共振波谱
NMR是研究处于磁场中的原子核对射频辐射(Radio-frequency Radiation)的吸收，它是对各种有机和无机物的成分、结构进行定性分析的最强有力的工具之一，有时亦可进行定量分析。
在强磁场中，原子核发生能级分裂(能级极小：在1.41T磁场中，磁能级差约为25?10-3J)，当吸收外来电磁辐射(109-1010nm, 4-900MHz)时，将发生核能级的跃迁——产生所谓NMR现象。
幻灯片5
3.1 核磁共振波谱
测定有机化合物的结构，1HNMR──氢原子的位置、环境以及官能团和C骨架上的H原子相对数目）
与UV和红外光谱法类似，NMR也属于吸收光谱，只是研究的对象是处于强磁场中的原子核对射频辐射的吸收。
幻灯片6
3.2 1H－核磁共振波谱
3.2.1 化学位移及自旋－自旋分裂
原子核处于外磁场中时，核外电子运动要产生感应磁场，就像形成了一个磁屏蔽，使外磁场对原子核的作用减弱了，即实际作用在原子核上的磁场为,
?称为屏蔽常数，它反映了核所处的化学环境。
在一定的辐射频率下，处于不同化学环境的有机化合物中的质子，产生核磁共振的磁场强度或共振吸收频率不同的现象，称为化学位移。
幻灯片7
3.2 1H－核磁共振波谱
3.2.1 化学位移及自旋－自旋分裂
幻灯片8
3.2 1H－核磁共振波谱
3.2.1 化学位移及自旋－自旋分裂
分子内部相邻碳原子上氢核自旋也会相互干扰，通过成键电子之间的传递，形成相邻质子之间的自旋－自旋耦合，而导致谱峰发生分裂，即自旋－自旋分裂。
幻灯片9
3.2 1H－核磁共振波谱
3.2.
1 化学位移及自旋－自旋分裂
分裂峰数是由邻碳原子上的氢原子数n决定的，为n＋1，其峰面积之比为二项展开式系数。
幻灯片10
3.2 1H－核磁共振波谱
3.2.1 化学位移及自旋－自旋分裂
分裂峰之间的距离称为耦合常数，一般用nJ 表示(n为两H 氢间的键数)，单位为Hz。J是核之间耦合强弱的标志，它说明了它们之间相互作用的能量，因此是化合物结构的属性，与外磁场强度的大小无关。
幻灯片11
3.2 1H－核磁共振波谱
3.2.2 谱图表示方法
横坐标表示的是化学位移和耦合常数，而纵坐标表示的是吸收峰的强度。
由于屏蔽效应而引起质子共振频率的变化量极小，很难分辨，因此，采用相对变化量来表示化学位移的大小。一般选用四甲基硅烷(TMS)为标准物，因为：
幻灯片12
3.2 1H－核磁共振波谱
3.2.2 谱图表示方法
a)?由于四个甲基中12 个H 核所处的化学环境完全相同，因此在核磁共振图上只出现一个尖锐的吸收峰；
b) 屏蔽常数? 较大，因而其吸收峰远离待研究的峰的高磁场(低频)区；
c)?TMS—化学惰性、溶于有机物、易被挥发除去；
此外，也可根据情况选择其它标准物。
含水介质：三甲基丙烷磺酸钠。
高温环境：六甲基二硅醚。
幻灯片13
3.2 1H－核磁共振波谱
3.2.2 谱图表示方法
把TMS峰在横坐标的位置定为横坐标的原点(一般在谱图右端)。其它各种吸收峰的化学位移用化学位移参数? 值表示，? 的定义：
? 是一个比值，用ppm计量，与磁场强度无关，各种不同仪器上测定的数值一样。也用? 作为化学位移的参数，?＝10－? 。
3.2 1H－核磁共振波谱
3.2.2 谱图表示方法
如果化学位移用表示，则化学位移与耦合常数的差别是：前者与外加磁场强度有关，场强越大，也越大；而后者与场强无关，只和化合物结构有关。
幻灯片15
3.2 1H－核磁共振波谱
3.2.2 谱图表示方法
1H-NMR谱图可提供的主要信息是：
化学位移值；
确认氢原子所处的化学环境，即属于何种基团。
(2) 耦合常数；
推断相邻氢原子的关系与结构。
(3) 吸收峰面积
确定分子中各类氢原子的数量比。
幻灯片16
3.1化学位移的产生
屏蔽作用与化学位移
根据楞次定律，在外磁场作用下，运动着
的电子会产生环电流，并感应产生一个与外磁
场方向相反的的感应磁场，起到屏蔽作用，使
氢核实际受到的外磁场作用减小：
H=H0 - ? H0=（1- ? ）H0
?：屏蔽常数。
?0=2μβH /h= 2μβ（1-?）H0/h
H0=?0h/2μβ（1-?）
当?0固定，氢核的电子密度越大↑→屏
蔽效应↑→? ↑→H0 ↑
幻灯片17
chemical shift
H0=?0h/2μβ（1-?）
由于屏蔽作用的存在，氢核产生共振需要更大的外磁场强度（相对于裸露的氢核），来抵消屏蔽影响。
在有机化合物中，各种氢核周围的电子云密度不同（结构中不同位置）共振频率有差异，即引起共振吸收峰的位移，这种现象称为化学位移。
幻灯片18
3.2化学位移的表示
化学位移的标度
化学位移是很小的数值，一般在10?10－6范围内。
化学位移与磁场强度有关，不同的H0有不同的? H0，因此为了提高化学位移数值的准确度和统一标定化学位移的数值，化学位移采用相对值。
?0——扫场时固定的射频频率
标准物质是TMS（四甲基硅烷）。
人们已积累了一系列基团的化学位移的数据．因此可以利用化学位移鉴定化合物中有哪几种含氢原子的基团，可用作基团归属的快速指南。
18
幻灯片19
(1)位移的标准
没有完全裸露的氢核，没有绝对的标准。
相对标准：四甲基硅烷Si(CH3)4 （TMS）（内标）
位移常数?TMS=0
(2) 为什么用TMS作为基准?
a. 12个氢处于完全相同的化学环境，只产生一个尖峰；
b.屏蔽强烈，? 最小。与有机化合物中的质子峰不重迭；
c.化学惰性；易溶于有机溶剂；沸点低，易回收。
? = [（?样品- ?TMS) / ?0 ] 106
幻灯片20
3.3 影响化学位移的因素
核外电子云密度的影响：即电负性的作用
环电子流运动（电子云密度）磁屏蔽作用
而与氢核相连的原子或基团的电负性强弱电子云密度大小电负性化学位移δ
δ（ppm）
1
2
3
4
5
10
9
8
7
6
11
12
例：
卤素原子电负性增大，氢的屏蔽效应减小
幻灯片21
影响化学位移的因素
（一）电负性--去屏蔽效应
临近原子的电负性↑→氢核的电子密度↓→屏蔽效应↓→共振需要的外磁场强度H0 ↓→? ↑
-CH3 ，高场，? =1.6~2.0
-CH2I，低场，? =3.0 ~ 3.5
-C-H ，高场? 小
-O-H ，低场，? 大
幻灯片22
3.推测C8H8纯液体
解：1）? =1-8/2+8=5
2）峰归属
3）可能的结构
幻灯片23
重点
一、谱图解析步骤
1.由分子式（来自质谱）求不饱合度,判断是否有双键
2.由化学位移，偶合常数和峰数目解析，确定质子种类
例如: δ1.3 -C-CH3
δ 2.1 CH3-CO- 表明结构上有羰基
δ 3.6 CH3-O- 表明结构上有醚键
δ7.3 芳环上氢,表明结构上有苯环
3.由积分曲线求1H核的相对比例,
峰面积与同类质子数成正比.
4.裂分峰，有相邻质子.并能判断旁边有几个氢
三重峰和四重峰表明有CH2CH3相互偶合
5.参考IR，UV，MS和其它数据推断解构
6.得出结论，验证解构
幻灯片24
二、裂分峰数与峰面积
number of pear splitting and pear areas
裂分峰数符合n+1规律，n为相邻碳原子上的质子数
裂分的峰面积比为(a+1)n的展开式中各项系数之比
峰面积与同类质子数成正比，仅能确定各类质子之间的相对比例。
24
幻灯片25
不饱和度?=1+n4+(n3-n1)/2
n4:四价原子数目,例如C
n3:三价原子数目,例如N
n1:一价原子数目,例如H
C8H14O4的不饱和度=1+8+(0-14)/2=2
?=1一个双键
?=2两个双键
?>4 表明有苯环
25
幻灯片26
屏蔽作用：当原子核处于外磁场中时，核外电子运动要产生感应磁场，核外电子对原子核的这种作用就是
分子式为C7H7NO的不饱和度（）。
5 B、4 C、3 D、2
在1H NMR测定中不能使用带氢的溶剂，如果必须使用时要用氘代试剂。
幻灯片27
化合物CH3COCH2COOCH2CH3的1H-NMR谱的特点是( )
A.4个单峰；
B.3个单峰，1个三重峰；
C.2个单峰；
D.2个单峰，1个三重峰和1个四重峰
第三章、核磁共振波谱法 一、选择题 ( 共80题 ) 1. 2 分 萘不完全氢化时，混合产物中有萘、四氢化萘、十氢化萘。附图是混合产物的核磁共 振谱图，A、B、C、D 四组峰面积分别为 46、70、35、168。则混合产物中，萘、四氢化萘，十氢化萘的质量分数分别如下：( ) (1) 25.4%，39.4%，35.1% (2) 13.8%，43.3%，43.0% (3) 17.0%，53.3%，30.0% (4) 38.4%，29.1%，32.5% 2. 2 分 下图是某化合物的部分核磁共振谱。下列基团中，哪一个与该图相符？( ) CH (1)CH3C CH2 O CH O CH3 (2)CH (3)CH3CH O 2 (4)C H3O CH O CH
H X ：H M ：H A =1：2：3 3. 2 分 在下面四个结构式中 (1) C CH 3 H R H (2)H C CH 3H CH 3 (3)H C CH 3CH 3 CH 3 (4) H C H H H 哪个画有圈的质子有最大的屏蔽常数 ？ （ ） 4. 1 分 一个化合物经元素分析，含碳 88.2%，含氢 11.8%，其氢谱只有一个单峰。它是 下 列 可 能 结 构 中 的 哪 一 个 ？ ( ) 5. 1 分 下述原子核中，自旋量子数不为零的是 ( )
(1) F (2) C (3) O (4) He 6. 2 分 在 CH3- CH2- CH3分子中，其亚甲基质子峰精细结构的强度比为 哪一组数据 ?（） (1) 1 : 3 : 3 : 1 (2) 1 : 4 : 6 : 6 : 4 : 1 (3) 1 : 5 : 10 : 10 : 5 : 1 (4) 1 : 6 : 15 : 20 : 15 : 6 : 1 7. 2 分 ClCH2- CH2Cl 分子的核磁共振图在自旋－自旋分裂后，预计 ( ) (1) 质子有 6 个精细结构 (2) 有 2 个质子吸收峰 (3) 不存在裂分 (4) 有 5 个质子吸收峰 8. 2 分 在 O - H 体系中，质子受氧核自旋－自旋偶合产生多少个峰 ? ( ) (1) 2 (2) 1 (3) 4 (4) 3 9. 2 分 在CH3CH2Cl 分子中何种质子值大? ( ) (1) CH3- 中的 (2) CH2- 中的 (3) 所有的 (4)
电子顺磁共振实验报告 一、实验目的 1. 学习电子顺磁共振的基本原理和实验方法；； 2. 了解、掌握电子顺磁共振谱仪的调节与使用； 3.测定DMPO-OH的EPR 信号。 二、实验原理 1.电子顺磁共振（电子自旋共振） 电子自旋共振(Electron Spin Resonance, ESR)或电子顺磁共振(Electron Paramagnanetic Resonance,EPR)，是指在稳恒磁场作用下，含有未成对电子的原子、离子或分子的顺磁性物质,对微波发生的共振吸收。1944年，苏联物理学家扎沃伊斯基(Zavoisky)首次从CuCl2、MnCl2等顺磁性盐类发现。电子自旋共振（顺磁共振）研究主要对象是化学自由基、过渡金属离子和稀土离子及其化合物、固体中的杂质缺陷等，通过对这类顺磁物质电子自旋共振波谱的观测（测量因子、线宽、弛豫时间、超精细结构参数等），可了解这些物质中未成对电子状态及所处环境的信息，因而它是探索物质微观结构和运动状态的重要工具。由于这种方法不改变或破坏被研究对象本身的性质，因而对寿命短、化学活性高又很不稳定的自由基或三重态分子显得特别有用。近年来，一种新的高时间分辨ESR技术，被用来研究激光光解所产生的瞬态顺磁物质（光解自由基）的电子自旋极化机制，以获得分子激发态和自由基反应动力学信息，成为光物理与光化学研究中了解光与分子相互作的一种重要手段。电子自旋共振技术的这种独特作用，已经在物理学、化学、生物学、医学、考古等领域得到了广泛的应用。 2.EPR基本原理 EPR 是把电子的自旋磁矩作为探针，从电子自旋磁矩与物质中其它部分的相互作用导致EPR 谱的变化来研究物质结构的，所以只有具有电子自旋未完全配对，电子壳层只被部分填充（即分子轨道中有单个排列的电子或几个平行排列的电子）的物质，才适合作EPR 的研究。不成对电子有自旋运动，自旋运动产生自旋磁矩, 外加磁场后，自旋磁矩将平行或反平行磁场方向排列。经典电磁学可知，将磁矩为μ的小磁体放在外磁场H 中，它们的相互作用能为： E＝-μ· H = -μH cosθ 这里θ为μ与H之间的夹角,当θ= 0 时，E = -μH, 能量最低，体系最稳定。θ=π时，E=μH，能量最高。如果体系从低能量状态改变到高能量状态，需要外界提供能量；反之，如果体系由高能量状态改变为低能量状态，体系则向外释放能量。
第十四章核磁共振波谱法- 经典习题1．试对照结构指出图14-1上各个峰的归属。 解：δ1.2 三重峰 3H-CH2-CH3 δ2.0 单峰 3H-CO-CH3 δ4.0 四重峰 2H-O-CH2-CH3 δ6.8～7.6 4H-C6H4- δ9.8 单峰 1H-NH- 图14-1 例题1的1H-NMR谱 2．由下述1H-NMR图谱，进行波谱解析，给出未知物的分子结构及自旋系统。（1）已知化合物的分子式为C4H10O，1H-NMR谱如图14-2所示。 图14-2 C4H10O的 1H-NMR谱 解：u=(2+2×4-10)/2=0 δ1.13 三重峰 6H -CH2-CH3（2个） δ3.38 四重峰 4H -O-CH2-CH3（2个） 可能结构式为：CH
3-CH2-O-CH2-CH3 自旋系统：2个A2X3 （2）已知化合物的分子式为C9H12，1H-NMR谱如图14-3所示。 图14-3 C9H12的1H-NMR谱 解：u=(2+2×9-12)/2=4 δ1.22 二重峰 3H -CH-CH3 δ2.83 七重峰 1H -CH-(CH3)2 δ7.09 单峰 5H C6H5- 可能结构式为： 自旋系统：A6X，A5 （3）已知化合物的分子式为C10H10Br2O，1H-NMR谱如图14-4所示。 图14-4 C10H10Br2O的1H-NMR谱 解：u=(2+2×10-12)/2=5 δa 2.42 单峰 3H -CO-CH3 δb 4.88 双峰 1H
δc 5.33 双峰 1H
δd 7.35 单峰 5H C6H5- 可能结构式为： 自旋系统：A5、AB、A3 3．某化合物分子式为C8H12O4，NMR图谱如图14-6所示，δa=1.31（三重峰，）δb=4.19（四重峰），δc=6.71（单峰），Jab=7Hz，峰面积积分值比a:b:c=3:2:1，试推断其结构式。 图14-6 C8H12O4的氢核磁共振谱 解：（1）计算不饱和度u=(2+2×8-1)/2=3 （2）由积分值比计算氢分布：a:b:c=3:2:1 分子式有12个H，可知分子具有对称结构为a:b:c=6H:4H:2H （3）偶合系统（ab） 为一级偶合A2X3系统（二个质子的四重峰与三个质子的二重峰） （4）根据δa=1.31，δb=4.19及偶合系统可以推测有-CH２CH3存在，并均向低场移动，故为-OCH２CH3型结构。 （5）δc=6.71一个质子单峰，由不饱和度可知不是芳环质子峰，在如此低场范围内的质子，可能为烯烃质子旁连接一个去屏蔽基团，使烯烃质子进一步去屏蔽，又因分子式中含有4个氧原子，可能有羰基，因此推测有型结构。 （6）根据以上提供的信息，化合物种可能有以下结构 以上正好为分子式的一半，故完整的结构式为
电子顺磁共振谱仪 童伟 (2009-09-06) 强磁场科学中心EPR 性能 仪器型号：EMX-10/12 plus 制造厂商：德国Bruker 公司 主要技术指标： 磁场强度：磁极距72mm 时，最大1.45T 扫场分辨率：128000点 微波频率：X-波段 9.2-9.8GHz 灵 敏 度：1.5×109自旋数/G 液氮变温：100K －700K 液氦变温：1.8K －300K 电子顺磁共振(electron paramagnetic resonance , EPR)又叫电子自旋共振(electron spin resonance , ESR)，于1945首次被Zavoisky 在固体中检测到。由于高灵敏度以及对被测对象无破坏和介入的特点，使得它成为理想的分析手段之一。事实上，现在EPR 已经被广泛应用到物理，化学，材料，生物和医学等许多领域。 1. 基本物理 电子顺磁共振是物质中彼此孤立或相互作用很小的未成对电子系统的共振现象，经典的描述方式把电子顺磁共振看成是自由电子磁矩，原子或分子磁矩绕恒定磁场的Larmor 进动。量子力学则描述为由恒定磁场下产生的Zeeman 分裂能级间的量子跃迁。 我们知道，电子具两种自旋量子态1/2s M =±，相应的自旋磁矩也有两种取向－向“上”和向“下”。这样在外加磁场下0B (磁场方向为向上)，就形成两个能级为 0012 B s B E g B M g B μμ==± (1.1) 其中g 是朗德因子，B μ是波尔磁子。1/2s M =-对应自旋磁矩平行于外场能量低， 图 1 自旋态能量随外加磁场变化示意图。
图 3 EPR 共振信号。 1/2s M =+对应自旋磁矩反平行于外场能量高。微波可以看成光量子，能量为E h ν=，当微波的能量等于两个自旋态能级差时就发生共振吸收，即 0B h g B νμ= (1.2) 因此对于自由电子自旋，产生电子顺磁共振的角频率为0/(2)B νγπ= ，旋磁比 1111/ 1.7608610e B g rad s T γμ--=-=-???。 由1.2式可以知道，有两种方式来获得共振信号。一种是固定频率，扫场；一种是固定磁场扫频率。商业的EPR 谱仪一般是前者。图一是Zeeman 分裂的能级差随外磁场变化以及共振吸收示意图。 在实际的研究对象中，未成对电子自旋的主要来源有两大类：（1）过渡金属离子或原子，它们具有未填满的d 电子或f 电子壳层，这些离子（原子）称为顺磁离子（原子）。（2）金属或半导体中的导电电子，有机物的自由基，晶体缺陷（如位错）和辐照损伤（如色心）的外层电子或共有化电子。这些电子不再是自由电子，所要满足的共振条件仍是1.2式，不过g 因子不再是自由电子的值，磁场项将包括样品内的等效内场项。这些变化正是需要分析研究的内容。简单来说，研究掺杂顺磁离子的晶体的顺磁共振波谱，可以获得顺磁离子的基态能谱，顺磁离子所在晶位的点对称性，顺磁离子的驰豫以及基质晶体的相变等信息。研究半导体中的施主和受主杂志，顺磁离子掺杂，辐照损伤和晶体缺陷引起的电子顺磁共振可以得到有关半导体能带结构和导电机制的资料。在化学中，自由基或三重态分子具有短寿命，化学活性高，不稳定等特点，电子顺磁共振不仅可以检测它们的存在，测定它们的浓度或含量，确定未成对电子云密度在自由基分子中的分布情况等，并且在研究过程中不改变或不破坏自由基本身。从顺磁共振的超精细分裂还可以获得原子核处或其附件的电子自旋密度及顺磁离子配位络合物的共价键信息。 2. 仪器结构和信号 图2是电子顺磁共振系统的基本结构。其中微波源可以是固态的或电子调速管。商业的 仪器如Bruker 的EPR 系统通常将微波源，隔 离器，衰减器，探测器以及锁相放大器这些信 号产生和测量部件集成一个盒子里称为微波 图 2 电子顺磁共振谱仪基本组成的图示。
磁共振波谱分析MRS MRS 为目前唯一能无创性观察活体组织代谢及生化变化的技术。在相同的磁场环境下，处于不同化学环境中的同一种原子核，由于受到原子核周围不同电子云的磁屏蔽作用，而具有不同的共振频率。波谱分析就是利用化学位移研究分子结构，化学位移的程度具有磁场依赖性、环境依赖性。NAA：N-乙酰天门冬氨酸，神经元活动的标志位于： 2.02ppmCreatine：Cr肌酸，脑组织能量代谢的提示物，峰度相对稳定，常作为波谱分析时的参照物，位于： 3.05ppm Choline：Cho胆碱，细胞膜合成的标志位于：3.20ppm Lipid：脂质，细胞坏死提示物位于：0.9-1.3ppm Lactate：乳酸，无氧代谢的标志位于：1.33-1.35ppm Glutamate：Glx谷氨酰氨，脑组织缺血缺氧及肝性脑病时增加位于：2.1-2.4ppmmI：肌醇代表细胞膜稳定性，判断肿瘤级别位于：3.8ppmN-乙酰基天门冬氨酸（NAA） ·正常脑组织1H MRS中的第一大峰，位于 2.02-2.05ppm ·与蛋白质和脂肪合成，维持细胞内阳离子浓度以及钾、钠、钙等阳离子通过细胞和维持神经膜的兴奋性有关·仅存在于神经元内，而不会出现于胶质细胞，是神经元密度和生存的标志·含量多少反映神经元的功能状况，降低的程度反映了其受损的大小
肌酸（Creatine） ·正常脑组织1H MRS中的第二大峰，位于3.03ppm附近，有时在3.94ppm 处可见其附加峰（PCr）·此代谢物是脑细胞能量依赖系统的标志·能量代谢的提示物，在低代谢状态下增加，在高代谢状态下减低·峰值一般较稳定，常作为其它代谢物信号强度的参照物。 胆碱（Choline）·位于3.2 ppm附近，包括磷酸胆碱、磷酯酰胆碱和磷酸甘油胆碱·细胞膜磷脂代谢的成分之一，参与细胞膜的合成和蜕变，从而反映细胞膜的更新·Choline 峰是评价脑肿瘤的重要共振峰之一，快速的细胞分裂导致细胞膜转换和细胞增殖加快，使Cho峰增高·Cho峰在几乎所有的原发和继发性脑肿瘤中都升高·恶性程度高的肿瘤中，Cho/Cr比值显示增高· 同时Cho是髓鞘磷脂崩溃的标志，在急性脱髓鞘疾病，Cho水平显著升 乳酸（Lac）·位于1.32ppm，由两个共振峰组成·TE=144，乳酸双峰向下；TE=288，乳酸双峰向上；·正常情况下，细胞代谢以有氧代谢为主，检测不到Lac峰，或只检测到微量·此峰出现说明细胞内有氧呼吸被抑制，糖酵解过程加强·脑肿瘤中，Lac出现提示恶性程度较高，常见于多形胶质母细胞瘤中·Lac也可以积聚于无代谢的囊肿和坏死区内，脑肿瘤、脓肿及梗塞时会出现乳酸峰。 脂质（Lip）·位于1.3、0.9、1.5和6.0 ppm处，分布代表甲
第三章、核磁共振波谱法 一、选择题( 共79题) 1. 2 分 萘不完全氢化时，混合产物中有萘、四氢化萘、十氢化萘。附图是混合产物的核磁共振谱图，A、B、C、D 四组峰面积分别为46、70、35、168。则混合产物中，萘、四氢化萘，十氢化萘的质量分数分别如下：( ) (1) 25.4%，39.4%，35.1% (2) 13.8%，43.3%，43.0% (3) 17.0%，53.3%，30.0% (4) 38.4%，29.1%，32.5% 2. 2 分 下图是某化合物的部分核磁共振谱。下列基团中，哪一个与该图相符？( ) (1)CH3C CH2 O CH CH O CH3 (2)CH (3)CH3CH 2 O (4)CH3O CH O CH H X：H M：H A=1：2：3 3. 2 分 在下面四个结构式中 (1) C3(2) C CH3 CH3 (3) C CH3 CH3 3 (4) C H H 哪个画有圈的质子有最大的屏蔽常数？（）
4. 1 分 一个化合物经元素分析，含碳 88.2%，含氢 11.8%，其氢谱只有一个单峰。它是 下列可能结构中的哪一个？ ( ) 5. 1 分 下述原子核中，自旋量子数不为零的是 ( ) (1) F (2) C (3) O (4) He 6. 2 分 在 CH 3- CH 2- CH 3分子中，其亚甲基质子峰精细结构的强度比为哪一组数据 ?（ ） (1) 1 : 3 : 3 : 1 (2) 1 : 4 : 6 : 6 : 4 : 1 (3) 1 : 5 : 10 : 10 : 5 : 1 (4) 1 : 6 : 15 : 20 : 15 : 6 : 1 7. 2 分 ClCH 2- CH 2Cl 分子的核磁共振图在自旋－自旋分裂后，预计 ( ) (1) 质子有 6 个精细结构 (2) 有 2 个质子吸收峰 (3) 不存在裂分 (4) 有 5 个质子吸收峰 8. 2 分 在 O - H 体系中，质子受氧核自旋－自旋偶合产生多少个峰 ? ( ) (1) 2 (2) 1 (3) 4 (4) 3 9. 2 分 在 CH 3CH 2Cl 分子中何种质子 σ 值大 ? ( ) (1) CH 3- 中的 (2) CH 2- 中的 (3) 所有的 (4) 离 Cl 原子最近的 10. 2 分 在 60 MHz 仪器上，TMS 和一物质分子的某质子的吸收频率差为 120Hz ，则该质 子的化学位移为 ( ) (1) 2 (2) 0.5 (3) 2.5 (4) 4 11. 2 分 下图四种分子中，带圈质子受的屏蔽作用最大的是 ( ) C H H H C R C R C H (b )(c )(d ) (a ) 12. 2 分 质子的γ（磁旋比）为 2.67×108/(T ?s)，在外场强度为 B 0 = 1.4092Ｔ时,发生核磁共 振的辐射频率应为 ( ) (1) 100MHz (2) 56.4MHz (3) 60MHz (4) 24.3MHz 13. 2 分 下述原子核没有自旋角动量的是 ( )
核磁共振波谱分析 1.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，首先原子核必须具有磁性。自旋量子数I=0的原子核没有磁性，自旋量子数I≠0的原子核具有磁性。 I=1/2：1H，13C，15N，19F，31P，77Se，113Cd，119Sn，195Pt. I=3/2：7Li，9Be，11B，23Na，33S，35Cl，37Cl，39K，63Cu，79Br 此外还有I=5/2，7/2，9/2，1，2，3等。 I=1/2的原子核，电荷均匀分布在原子核表面，核磁共振的谱线窄，最适合核磁共振检测。1H，13C原子核是最为常见，其次是15N，19F，31P核。 除了原子核具有磁性外，要产生核磁共振，还必须外加一静磁场和一交变磁场。在磁场中，通电线圈产生磁距，与外磁场之间的相互作用使线圈受到力矩的作用而发生偏转。同样在磁场中，自旋核的赤道平面也受到力矩作用而发生偏转，其结果是核磁距围绕磁场方向转动，这就是拉莫尔进动。
其进动频率与外加磁场成正比，即：v=（?/2π）*H0。 V—进动频率； H0—外磁场强度； ?—旋磁比。 在相同的外磁场强度作用下，不同的原子核以不同的频率进动。如果在垂直于外磁场方向加一交变磁场H1，其频率v1等于原子核的进动频率v。此时，就产生共振吸收现象。即 使原子核在外磁场中的磁能级之间产生共振跃迁现象，也即核磁共振。 2.核磁共振波普在化学中的应用 2.1 基本原则 从核磁共振波谱得到的信息主要有化学位移、偶合常数、峰面积、弛豫时间等。 化学位移在有机化合物中，各种氢核周围的电子云密度不同（结构中不同位置）共振频率有差异，即引起共振吸收峰的位移，这种现象称为化学位移。化学位移的标准：相对标准TMS（四甲基硅烷）位移常数δ =0。与裸露的氢核相比，TMS的化学位移最大，但规定 TMS TMS=0，其他种类氢核的位移为负值，负号不加。采用此标准的原因：（1）12个氢处于完全相同的化学环境，只产生一个尖峰；（2）屏蔽强烈，位移最大；只在图谱中远离其他大多数待研究峰的高磁场区有一个尖峰；（3）易溶于有机溶剂，沸点低，易回收。影响因素：（1）诱导效应：吸电子，电子云降低，屏蔽下降，低场出现，图左侧；（2）共轭效应；（3）磁各相异性效应；（4）范得华效应；（5）氢键去屏蔽效应：电子云密度降低，产生去屏蔽作用，化学位移向低场；（6）溶剂效应。 弛豫过程：大量（而不是单个）原子核的运动规律。高能态原子核通过非辐射形式放出能量而回到低能态的过程叫弛豫过程。 屏蔽效应：核受周围不断运动着的电子影响，使氢核实际受到的外磁场作用减小, 这种对抗外磁场的作用为屏蔽效应，通过屏蔽效应可分析核周围情况。δ小，屏蔽强，σ大，共振需要的磁场强度大，在高场出现，图右侧；δ大，屏蔽弱，σ小，共振需要的磁场强度小，在低场出现，图左侧。 自选耦合和自旋裂分：分峰是由于分子内部邻近氢核自旋的相互干扰引起的，这种邻近氢核自旋之间的相互干扰作用称为自旋偶合，由自旋偶合引起的谱线增多现象称为自旋裂分。 n+1规律：当某基团上的氢有n个相邻氢时，它将裂分为n+1个峰。若这些相邻氢核处于不同的化学环境中，如一种环境为n个，另一种为n’个，则将裂分为（n+1)(n’+1)个峰。
核磁共振波谱分析 1946年美国科学家布洛赫(Bloch)和珀塞尔（Purcell）两位物理学家分别发现在射频*（无线电波*0.1～100MHZ,106～109μm）的电磁波能与暴露在强磁场中的磁性原子核相互作用,引起磁性原子核在外磁场中发生磁能级的共振跃迁,从而产生吸收信号,他们把这种原子对射频辐射的吸收称为核磁共振(NMR)。NMR 和红外光谱，可见—紫外光谱相同之处是微观粒子吸收电磁波后在不同能级上跃迁。引起核磁共振的电磁波能量很低,不会引起振动或转动能级跃迁,更不会引起电子能级跃迁。.根据核磁共振图谱上吸收峰位置、强度和精细结构可以研究分子的结构。化学家们发现分子的环境会影响磁场中核的吸收，而且此效应与分子 结构密切相关。1950年应用于化学领域，发现CH 3CH 2 OH中三个基团H吸收不同。 从此核磁共振光谱作为一种对物质结构（特别是有机物结构）分析的确良非常有效的手段得到了迅速发展。1966年出现了高分辨核共振仪，七十年代发明了脉冲傅立叶变换核磁共振仪，以及后来的二维核磁共振光谱（2D-NMR），从测量1H 到13C、31P、15N，从常温的1～2.37到超导的5T以上，新技术和这些性能优异的新仪器都核磁共振应用范围大大扩展，从有机物结构分析到化学反应动力学，高分子化学到医学、药学、生物学等都有重要的应用价值。 §4-1核磁共振原理 一、原子核自旋现象 我们知道原子核是由带正电荷的原子和中子组成，它有自旋现象原子核大都围绕着某个轴作旋转运动，各种不同的原子核，自旋情况不同。原子核的自旋情况在量子力学上用自旋量子数I表示，有三种情况： ①I=0,这种原子核没有自旋现象,不产生共振吸收(质量数为偶数(M),电子数,原子数为偶数(z)为12G,16O,32S) ②I=1、2、3、…、n，有核自旋现象，但共振吸收复杂，不便于研究。 ③I=n/2（n=1、2、3、5、…）有自旋现象，n〉1时，情况复杂，n=1时，I=1/2，
脑磁共振波谱分析的临床应用 苏州大学附属一院影像中心丁乙 磁共振波谱（MR spectroscopy，MRS）是目前唯一能无创伤地探测活体组织化学特性的方法。在许多疾病中，代谢改变先于病理形态改变，而MRS对这种代谢改变的潜在敏感性很高，故能提供信息以早期检测病变。磁共振波谱mRS）研究人体细胞代谢的病理生理改变，而常规MRI则是研究人体器官组织大体形态的病理生理改变，但二者的物理学基础都是核共振现象。 一、MRS的原理 磁共振信号的共振频率由两个因素决定①旋磁比r，即原子的内在特性②核所处位置的磁场强度。 核所受的磁场主要由外在主磁场（B。）来诀定，但是核所受的磁场强度也与核外电子云及邻近原子的原子云有关。电子云的作用会屏蔽主磁场的作用，使着核所受的磁场强度小于外加主磁场。这种由于电子云的作用所产生的磁场差别被称为化学位移。因此，对于给定的外磁场，不同核所处的化学环境不一样，从而产生共振频率的微小差别，导致磁共振谱峰的差别，从而识别不同代谢产物及其浓度。 MRS可检测许多重要化合物的浓度，根据这些代谢物含量的多少可以分析组织代谢的改变，1H-MRS可测定12种脑代谢产物和神经递质的共振峰，N-乙酸门冬氨酸(NAA)、肌酸（Cr）磷酸肌酸（PCr）胆碱（cho）肌醇（MI）谷氨酸胺Gln）谷氨酸盐（Glu)乳酸（Lac）等。生物中，许多生物分子都有31P，这些化合物参与细胞的能量代谢和与生物膜有关的磷脂代谢，31P－MRS被广泛用在对脑组织能量代谢及酸碱平衡的分析上，可以检测磷酸肌酸(PCr人无机磷酸盐(PI）α- A TP、β-A TP、γ—ATP的含量和细胞内的PH 值。 二、MRS的临床应用 1．正常人的脑MRS MR波谱变化可反映神经元生长分化，脑能量代谢和髓鞘分化瓦解过程改变。NAA是哺乳动物神经系统中普遍存在的化合物，几乎所有的NAA均存在于神经对内，目前将NAA作为反映神经元功能的内标物。正常人有很高的NAA／Cr）值，NAA下降提示神经元的缺失和破坏。Cho和Cr在神经元和神经胶质细胞内均被发现，但细胞研究证明，星形胶质和少突胶质细胞内Cho和Cr含量明显高于神经 元，故Cho和Cr增加提示有神经胶质增生。由于NAA减少或Cho、Cr增加，导致了NAA／（Cho＋Cr）上值降低，上值常作为反映神经元功能的指标。此外，1H-MAS发现NAA在人出生后一年内增加近两倍，肌酸信号也相应增加，NAA／Cr。及Giu-n/Cr随年龄增长而上升，MI/Cr随年龄的增长而下降，31P-MRS 研究也发现，磷酸一脂（PME）的信号相对于其他代谢产物来说随年龄增加衰减，磷酸肌酸则相反，这说明，通过定量分析脑组织代谢产物的MRS，可了解脑组织的发育成熟度，同时也提示我们在观察病理性波谱时，应考虑到年龄相关性变化。 2．癫痫的MRS 1H-MAS显示癫痫灶侧近中颞叶内NAA峰值降低，减少22% ChO和Cr分别增加25％和15%。NAA 的减少说明癫痛灶内神经元的缺失、受损或功能活动异常。Cr和Cho升高反映胶质细胞的增生，研究倾向于把NAA/Cho＋Cr作为定侧或判定异常的标志。正常人NAA／ChO＋Cr值的低限为0．72，两侧差值超过0．05或双侧较正常对照组明显降低均为异常。比值降低说明海马硬化。NAA/Cho+Cr的定侧敏感性为87%，准确率为96%此外1H-MAS还可用于测定与癫痫活动有关的神经递质，r一氨基丁酸（GABA）谷氨酸（Gln）和谷氨酸盐（GLn）． 3．脑肿瘤的MRS 1H-MAS是研究脑肿瘤物质和能量代谢的有效方法，有助于脑肿瘤的诊断和鉴别诊断，能提供其组织分级、术后复发和疗效评价等信息。 肿瘤组织的1H-MAS与正常脑组织有显著差异，其中ChO峰值升高提示膜代谢增加，NAA峰值降低提示神经元受压移位。脑膜瘤、转移瘤的1H-MAS显示NAA信号缺乏，肌酸峰值降低。另外，脑膜瘤的1H-MAS 还常见异常丙氨酸信号。转移瘤可见特征性的成对共振峰，系可流动脂质产生。低度恶性胶质瘤肌酸信号
Screen and evaluate the results within a certain period, analyze the deficiencies, learn from them and form Countermeasures. 姓名：___________________ 单位：___________________ 时间：___________________ 电子顺磁共振实验报告
编号：FS-DY-63232 电子顺磁共振实验报告 一、实验目的 1. 学习电子顺磁共振的基本原理和实验方法；； 2. 了解、掌握电子顺磁共振谱仪的调节与使用； 3. 测定DMPO-OH 的EPR 信号。 二、实验原理 1.电子顺磁共振（电子自旋共振） 电子自旋共振(Electron Spin Resonance, ESR)或电子顺磁共振(Electron Paramagnanetic Resonance,EPR)，是指在稳恒磁场作用下，含有未成对电子的原子、离子或分子的顺磁性物质,对微波发生的共振吸收。1944年，苏联物理学家扎沃伊斯基(Zavoisky)首次从CuCl2 、MnCl2等顺磁性盐类发现。电子自旋共振（顺磁共振）研究主要对象是化学自由基、过渡金属离子和稀土离子及其化合物、固体中的杂质缺陷等，通过对这类顺磁物质电子自旋共振波谱的观测（测量因子、线宽、
弛豫时间、超精细结构参数等），可了解这些物质中未成对电子状态及所处环境的信息，因而它是探索物质微观结构和运动状态的重要工具。由于这种方法不改变或破坏被研究对象本身的性质，因而对寿命短、化学活性高又很不稳定的自由基或三重态分子显得特别有用。近年来，一种新的高时间分辨ESR技术，被用来研究激光光解所产生的瞬态顺磁物质（光解自由基）的电子自旋极化机制，以获得分子激发态和自由基反应动力学信息，成为光物理与光化学研究中了解光与分子相互作的一种重要手段。电子自旋共振技术的这种独特作用，已经在物理学、化学、生物学、医学、考古等领域得到了广泛的应用。 2.EPR基本原理 EPR 是把电子的自旋磁矩作为探针，从电子自旋磁矩与物质中其它部分的相互作用导致EPR 谱的变化来研究物质结构的，所以只有具有电子自旋未完全配对，电子壳层只被部分填充（即分子轨道中有单个排列的电子或几个平行排列的电子）的物质，才适合作EPR 的研究。不成对电子有自旋运动，自旋运动产生自旋磁矩, 外加磁场后，自旋磁矩将平
电子顺磁共振实验报告 【实验简介】 电子顺磁共振谱仪是根据电子自旋磁矩在磁场中的运动与外部高频电磁场相互作用，对电磁波共振吸收的原理而设计的。因为电子本身运动受物质微观结构的影响，所以电子自旋共振成为观察物质结构及其运动状态的一种手段。又因为电子顺磁共振谱仪具有极高的灵敏度，并且观测时对样品没有破坏作用，所以电子顺磁共振谱仪被广泛应用于物理、化学、生物和医学生命领域。 【实验原理】 具有未成对电子的物质置于静磁场B 中，由于电子的自旋磁矩与外部磁场相互作用，导致电子的基态发生塞曼能级分裂，当在垂直于静磁场方向上所加横向电磁波的量子能量等于塞曼分裂所需要的能量，即满足共振条件B ?=γω，此时未成对电子发生能级跃迁。 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 、Vernon 、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 dt L d =，可以得到： B dt d ??=μγμ； （3） 考虑到弛豫作用其分量式为：
????? ??????--=--=--=122)()()(T B B dt d T B B dt d T B B dt d z x y y x z y z x x z y x y z z y x μμμγμμμμγμμμμγμ （4） 其稳态解为： ??? ???????+?-?+??=''???+?-?+-???='21212222011212122220021)(1)(1)(T T B T B T B T T B T B B T B Z Z Z γωγγχγωγωγγχ （5） 如图1所示： 实验中，通过示波器可以观察到共振信号，李萨如图形及色散图，又因为共振信号发生的条件为B ?=γω，所以知道磁场及共振频率，就可以求出旋磁比，进而由：