第4章_核磁共振(10) 1汇总
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第四章 核磁共振成像技术ppt课件
∵S1→S2
S1PPRS2PRP S1P1 R1P1 S2P2 R2P2
∴R1P1=R2P2 且P1、P2在胶片中心位置不 变 ∴R点的影像即R1R2位置也 不变，即可获得清晰的断 层图像。
1、 NMR现象的发现（属于原子核物理研究范畴）
1945年12月，哈佛大学的 Purcell和他的小组， 在石蜡样品中观察到质子的核磁共振吸收信号
不仅为MRI奠定了基础，而且鼓舞了这一 领域的学者。
1988年Damadian和Lauterbur获美国最高科 技奖（总统奖）。
Lauterbur和英国Mansfield共同获2003年 Nobel医学及生理学奖。
2003 Nobel Prize in Physiology or Medicine
（2）奇偶核:质子数是奇数，中子数是偶数；或 质子数是偶数，中子数是奇数的核，自旋量子数 I=1/2，3/2，5/2…等半整数；
（3）奇奇核:质子数是奇数，中子数也为奇数的 核，I=1，2，3…等正常数。
只有自旋量子数 I 0 的原子核要进行自旋运动，原 子核的自旋运动用自旋角动量L描述，L的方向与自旋 轴重合。
原子核的一般特性 核中的质子数核的电荷； 核中的质子数目（Z）+中子数（N）核的质量（A）
2、核素
Z、N相同且有相同能量状态的一类原子核称为核素； 或Z、A相同且有相同能量状态的一类原子核称为核素；
4.1.2 原子核的电荷
原子核带正电荷，其电荷量Q=Ze 即核中的质子数核的电荷；
4.1.3 原子核的质量
RF信号包含人体内组织空间的定位信息， MR图像就是一个显示来自人体层面内每个体 素RF信号强度大小的象素陈列。图像象素的亮 度取决于相应体素所发射的RF信号的强度，而 RF的强度又取决于组织的性质。
S1PPRS2PRP S1P1 R1P1 S2P2 R2P2
∴R1P1=R2P2 且P1、P2在胶片中心位置不 变 ∴R点的影像即R1R2位置也 不变，即可获得清晰的断 层图像。
1、 NMR现象的发现（属于原子核物理研究范畴）
1945年12月，哈佛大学的 Purcell和他的小组， 在石蜡样品中观察到质子的核磁共振吸收信号
不仅为MRI奠定了基础，而且鼓舞了这一 领域的学者。
1988年Damadian和Lauterbur获美国最高科 技奖（总统奖）。
Lauterbur和英国Mansfield共同获2003年 Nobel医学及生理学奖。
2003 Nobel Prize in Physiology or Medicine
（2）奇偶核:质子数是奇数，中子数是偶数；或 质子数是偶数，中子数是奇数的核，自旋量子数 I=1/2，3/2，5/2…等半整数；
（3）奇奇核:质子数是奇数，中子数也为奇数的 核，I=1，2，3…等正常数。
只有自旋量子数 I 0 的原子核要进行自旋运动，原 子核的自旋运动用自旋角动量L描述，L的方向与自旋 轴重合。
原子核的一般特性 核中的质子数核的电荷； 核中的质子数目（Z）+中子数（N）核的质量（A）
2、核素
Z、N相同且有相同能量状态的一类原子核称为核素； 或Z、A相同且有相同能量状态的一类原子核称为核素；
4.1.2 原子核的电荷
原子核带正电荷，其电荷量Q=Ze 即核中的质子数核的电荷；
4.1.3 原子核的质量
RF信号包含人体内组织空间的定位信息， MR图像就是一个显示来自人体层面内每个体 素RF信号强度大小的象素陈列。图像象素的亮 度取决于相应体素所发射的RF信号的强度，而 RF的强度又取决于组织的性质。
磁共振知识点总结
磁共振知识点总结一、磁共振成像（MRI）基本原理。
1. 原子核特性。
- 许多原子核都具有自旋特性，例如氢原子核（单个质子）。
当置于外磁场中时，这些自旋的原子核会发生能级分裂，产生两种不同的能量状态（平行和反平行于外磁场方向）。
- 两种状态的能量差与外磁场强度成正比，公式为Δ E = γℏ B_0，其中γ是旋磁比（不同原子核有不同的旋磁比），ℏ是约化普朗克常数，B_0是外磁场强度。
2. 射频脉冲（RF）的作用。
- 当施加一个频率与原子核进动频率相同（拉莫尔频率，ω_0=γ B_0）的射频脉冲时，原子核会吸收能量，从低能级跃迁到高能级，处于激发态。
- 射频脉冲停止后，原子核会释放能量回到低能级，这个过程产生磁共振信号。
3. 弛豫过程。
- 纵向弛豫（T1弛豫）- 也称为自旋 - 晶格弛豫。
是指处于激发态的原子核将能量传递给周围晶格（分子环境），恢复到纵向平衡状态的过程。
- T1值反映了组织纵向弛豫的快慢，不同组织的T1值不同。
例如，脂肪组织的T1值较短，水的T1值较长。
- 横向弛豫（T2弛豫）- 也称为自旋 - 自旋弛豫。
是指激发态的原子核之间相互作用，导致横向磁化矢量衰减的过程。
- T2值反映了组织横向弛豫的快慢，一般来说，纯水的T2值较长，固体组织的T2值较短。
二、MRI设备组成。
1. 磁体系统。
- 主磁体。
- 产生强大而均匀的外磁场B_0，是MRI设备的核心部件。
常见的磁体类型有永磁体、常导磁体和超导磁体。
- 永磁体：不需要电源，磁场强度相对较低（一般小于0.5T），维护成本低，但重量大。
- 常导磁体：通过电流产生磁场，磁场强度一般在0.2 - 0.5T，需要大量电力供应，产生热量多。
- 超导磁体：利用超导材料在超导状态下的零电阻特性，通过强大电流产生高磁场（1.5T、3.0T甚至更高），磁场均匀性好，但需要液氦冷却，设备成本和维护成本高。
- 梯度磁场系统。
- 由X、Y、Z三个方向的梯度线圈组成，用于在主磁场基础上产生线性变化的梯度磁场。
第4章1H核磁共振
1952年，分享1952年诺贝尔物理奖； 1953年，第一台商品化核磁共振波谱仪问世 1965年，艾斯特 （Ernst)发展出傅里叶变换
核磁共振和二维核磁共振；
1991年，艾斯特被授予诺贝尔化学奖； 2002年，瑞士科学家库尔特·维特里希发明了
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而获诺贝尔 化学奖；
Hb Ha 屏蔽效应： Hb Ha
b a
1）诱导效应(induction effect)
（1）与质子相连元素的电负性越强，吸电子作用越强，
质子周围的电子云密度越小，屏蔽作用减弱，信号峰在低场
出现。
卤 原
CH3I = 2.16
子 的
CH3Br
2.68
电 负
CH3Cl
3.05
性 增
CH3F
4.26
去 屏 蔽 作 用 大
强
低场
高场
9 8 7 6 6 5 4 3 2 1 零 -1 -2 -3 点 TMS
（2）诱导效应是通过成键电子沿键轴方向传递的， 氢核与取代基的距离越大，诱导效应越弱。
化学式 R-CH2Br R-CH2-CH2-Br R-CH2-CH2-CH2-Br
δ
3.30
1.69
1.25
3．乙酸乙酯中的三种类型氢核电子屏蔽效 应相同否？若发生核磁共振，共振峰的化学位 移从大到小应当怎么排列？
CH3—COO—CH2—CH3
（a）
化学位移的差别约为百万分之十，精 确测量十分困难，现采用相对数值。
以四甲基硅烷（TMS）为标准物质， 规定：它的化学位移为零，然后，根据其 它吸收峰与零点的相对距离来确定它们的 化学位移值。
为什么选用TMS(四甲基硅烷)作为标准物质?
核磁共振和二维核磁共振；
1991年，艾斯特被授予诺贝尔化学奖； 2002年，瑞士科学家库尔特·维特里希发明了
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而获诺贝尔 化学奖；
Hb Ha 屏蔽效应： Hb Ha
b a
1）诱导效应(induction effect)
（1）与质子相连元素的电负性越强，吸电子作用越强，
质子周围的电子云密度越小，屏蔽作用减弱，信号峰在低场
出现。
卤 原
CH3I = 2.16
子 的
CH3Br
2.68
电 负
CH3Cl
3.05
性 增
CH3F
4.26
去 屏 蔽 作 用 大
强
低场
高场
9 8 7 6 6 5 4 3 2 1 零 -1 -2 -3 点 TMS
（2）诱导效应是通过成键电子沿键轴方向传递的， 氢核与取代基的距离越大，诱导效应越弱。
化学式 R-CH2Br R-CH2-CH2-Br R-CH2-CH2-CH2-Br
δ
3.30
1.69
1.25
3．乙酸乙酯中的三种类型氢核电子屏蔽效 应相同否？若发生核磁共振，共振峰的化学位 移从大到小应当怎么排列？
CH3—COO—CH2—CH3
（a）
化学位移的差别约为百万分之十，精 确测量十分困难，现采用相对数值。
以四甲基硅烷（TMS）为标准物质， 规定：它的化学位移为零，然后，根据其 它吸收峰与零点的相对距离来确定它们的 化学位移值。
为什么选用TMS(四甲基硅烷)作为标准物质?
有机波谱第4章1HNMR
4.2.3脉冲傅立叶变换核磁共振的基本原理 样品放进静磁场B0中后， 各个质子会绕B0作回旋进动。 回旋进动将沿着以B0为轴的 顶点为坐标原点的两个圆锥面进行。
宏观磁化强度矢量M为各个原子的核 磁矩i的矢量和，M=i。 从统计规律讲，原子的核磁矩i均匀分布在两个圆锥面 上，但在两个圆锥面上的核磁矩数目略有区别，沿着B0 方向的核磁矩数目略多一些。
4.2.1 连续波核磁共振仪 1.磁铁：用来产生一个强的外加磁场。 磁铁：永久磁铁、电磁铁、超导磁铁三种。 前两种磁铁的仪器最高可以做到100MHZ，超导磁铁可 高达950MHZ。
MHZ数越大，磁场强度越大，仪器越灵敏，做出来的 图谱越简单，越易解析。
连续波核磁共振仪部件图
在磁铁上有一个扫描线圈(又叫Helmholtz线圈)内通直流 电。它产生一个附加磁场，可用来调节原有磁场的磁场强 度，连续改变磁场强度进行扫描。 2. 射频振荡器：用于产生射频。一般情况下，射频频率是 固定的。在测定其他核如13C、15N时，要更换其他频率的 射频振荡器。
4.2 核磁共振仪简介 核磁共振现象的观察有两种方法，可用连续波仪器或用 脉冲傅立叶变换核磁共振仪完成。
连续波仪器中一般用永磁铁或电磁铁，在固定射频下 进行磁场扫描或在固定磁场下进行频率扫描，使不同的核 依次满足共振条件而画出谱线。连续波仪器做样时间长， 灵敏度低，无法完成13C核磁共振和二维核磁共振的工作， 已经基本不生产，而代之为脉冲傅立叶变换核磁共振仪。
3. 射频接受器和记录仪：产生核磁共振时，射频接受器能 检出被吸收的电磁波能量。此讯号被放大后，用仪器记录 下来就是NMR谱图。射频振荡器、射频接受器在样品管 外面，它们两者互相垂直并且也与扫描线圈垂直。
4. 探头和样品管座：射频线圈和射频接受线圈都在探头里。 样品管座能够旋转，使样品受到均匀的磁场。
第四章+核磁共振氢谱
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 超导核磁共振波谱仪： 一般200-400HMz；可 高达600800HMz；
-196oC -269oC
4-2 化学位移
4-2-1 电子对质子的屏蔽作用
4-2-7 不同质子化学位移的分区
4-2-8 1H NMR 化学位移的变化规律
值从RCH2-H, R2CH-H, R3C-H 依次增加; 值随邻位原子电负性的增加而增加, 如: CH3Li < CH3CH3 < CH3NH2 < CH3OH < CH3F 氢原子距吸电子原子越远, 值越小, 如: R-O-C3-H < R-O-C2-H < R-O-C-H 受去屏蔽效应的影响, 不饱和碳原子氢的 值比较特殊, 如: -CHO >Ar-H > =C-H > ≡C-H
4-2-5-1 乙炔质子的各向异性
该区域磁场增强
该区域磁场强度减弱
三键的筒形电子云所产生的电子环流围绕其轴线循环， 在外磁场的作用下，产生各向异性感生磁场。轴线上的 氢处于屏蔽区，共振跃迁移向高场。
4-2-5-2 双键质子的各向异性
该区域磁场增强
双键在外磁场的作用下，产生各向异性感生磁场。双键 平面上的氢处于去屏蔽区，共振跃迁移向低场。
4-1-2 原子核的磁性与非磁性
质量数 原子序数 自旋量子数
偶数 奇数 偶数 奇数或偶数 0 1/2
实例
12C ,16O ,32S ,28Si ,30Si 等 6 8 16 14 14 1H ,13C ,15N ,19F , 31P ,29Si , 1 6 7 9 15 14 57Fe ,77Se , 195Pt , 199Hg 等 26 34 78 80 7Li ,9Be ,11B , 23Na ,33S , 35Cl , 3 4 5 11 16 17 37Cl , 39K ,63Cu ,79Br , 127I ; 17 19 29 35 53 17O , 25Mg , 55Mn , 67Zn 等 8 12 25 30 2H ,6Li , 14N ; 58Co ;10B , 等 1 3 7 27 5
第四章 氢谱
各向异性效应
化合物中非球形对称的电子云，如 π电子系统，对邻近质 子会附加一个各向异性的磁场，即这个附加磁场在某些区 域与外磁场 B0的方向相反，使外磁场强度减弱，起抗磁性 屏蔽作用，而在另外一些区域与外磁场 B0方向相同，对外 磁场起增强作用，产生顺磁性屏蔽的作用。 通常抗磁性屏蔽作用简称为屏蔽作用，产生屏蔽作用的区 域用“ + ”表示，顺磁性屏蔽作用也称作去屏蔽作用，去 屏蔽作用的区域用“ -”表示。
磁等价
如果两个原子核不仅化学位移相同（ 即化学等价），而且还以相同的耦合常数与 分子中的其他核耦合，则这两个原子核就是磁等价的。 乙醇分子中甲基的三个质子有相同的化学环境，是化学等价的，亚甲基的两个质 子也是化学等价的。同时，甲基的三个质子与亚甲基每个质子的耦合常数都相等 ，所以三个质子是磁等价的，同样的理由，亚甲基的两个质子也是磁等价的。 对位取代苯2，Ha和 Ha’ ，Hb和 Hb’ 是化学等价的，但 Ha与 Hb是间隔三个键的 2 邻位耦合（3J ），Ha’ 与 Hb是间隔五键的对位耦合（5J ），所以它们不是磁等 价的；同样，处于取代基 Y 邻位的 Hb和 Hb 也是化学等价，但不是磁等价的。 如果是对称的三取代苯3，则 Ha和 Ha’ 是磁等价的，因为它们与 Hb都是间位耦 3 合（4J），耦合常数相等。
1H
是有机化合物中最常见的同位素，1H NMR 谱是有机物结构解 析中最有用的核磁共振谱之一。
核磁共振氢谱
6
4 4 4
提供的结构信息： δ、J、峰的裂分情况和峰面积
氢化学位移 δ
1.
化学位移值能反映质子的类型以及所处的化学环境，与分子 结构密切相关
2. 3.
δ (TMS)=0
τ(TMS)=10
第4章 氢谱
值增大
H
H CH3 O A
H
O
B
H3
H2 H1
OH
H3
H2 HO
H1
H1 4.68 H2 2.40
H1 H2
3.92 3.55
吸电子诱导
O-CH3
3.24-4.20
N-CH3
2.12-3.10
C-CH3
0.77-1.88
Si-CH3
0
电子效应-场效应
10
1
CH3 N OH N H OH
3.07
60MHz仪器
c组 60000126 Hz b组 60000216 Hz a 组 60000438 Hz
100MHz仪器
100000210 Hz 100000360 Hz 100000730 Hz
化学位移() 及其表示
选一个屏蔽常数较大的化合物(常用四甲基 硅烷(TMS)）为标准物质，其他氢核与它的 信号位置的相对距离叫化学位移。
磁等价的同组氢核内的相互偶合不产生 峰裂分
H1 H1 | | H2 — C — C —I | |
H3 H2 (a) (b) Ja1 b1 = J a2 b1 = J a3 b1 = J a1b2= J a2 b2 = J a3b2 = 7.45Hz (a) CH3 化学等价,磁等价H1= H2 = H3 (b) CH2 化学等价，磁等价
6、活泼氢
第三节 自旋偶合与偶合常数（J）
一、自旋偶合与自旋分裂 自旋偶合与自旋分裂的含义 n+1 规律: 1:1 , 1:2:1 , 1:3:3:1 ……
n+1 规律的局限性
只适用于一级偶合（ /J ≥ 10）所产生的裂分。
偶合常数 J (Hz)：裂分后两峰间的距离，反映偶合作
第四章 核磁共振氢谱
在外加磁场B0中，自旋核的 取向不是任意的，取向数 =
2 I + 1。对于1H核，I＝1/2
对I=1/2的1H核，在外磁场B0中取向数 = 2 I + 1＝2 γH 0 ν = ms=+1/2表示 磁距与B0方向相同时，处于低能级，用 磁距与B0方向相反时，处于高能级，用ms= -1/2表示
2π
γ — 磁旋比(物质的特
② 通过重键的作用要比单键的大。 ③ 一 般 活 泼 H 即 直 接 和 杂 原 子 连 接 的 H( 如 OH,NH,SH），不和其他质子偶合。 含活泼质子的化合物如 R-OH ， R-NH2 。由 于快速交换作用，活泼质子只产生一个单峰。加 入重水后，活泼质子信号消失。常用重水交换确 定活泼质子及其值。
（１）裂分规律
① 裂分峰数目：n+1 规律； n为相邻碳原子上的 质子数。适用范围：相邻碳原子只有一种等价质子
CH3——CH2——CH3 2+1=3重峰 6+1=7重峰
②裂分峰强度比：二项式的展开式系数:（a+b)n
当△ν >>J时成立
自旋偶合的限度：
① 所谓邻近H原子通常指邻位碳上的H。自旋偶 合随着距离的增大而很快消失（通常隔四个 σ 键 作用就很小了）
a.快速旋转化学等价: 质子在单键快速旋转过程中,位置可对映互换 时,则为化学等价. 如:CH3I . CH3CH2OH
b.对称化学等价: 分子内存在对称因素,通过对称操作,处在对称 位置上的氢核.为化学等价.
某基团X取代任何一个氢，得到
的产物是相同的或者是对映异构体，
则这些氢是化学等价的。
某基团X取代任何一个氢，得到的 产物不相同或者是非对映异构体，则这 些氢是化学不等价的。
核磁共振碳谱总结
核磁共振碳谱总结————————————————————————————————作者: ————————————————————————————————日期:第4章核磁共振碳谱在C的同位素中,只有13C有自旋现象,存在核磁共振吸收,其自旋量子数Ｉ＝１/2。
13C NMR的原理与1Ｈ NＭR一样。
由于γc= γH／４,且1３C的天然丰度只有1.1%,因此13Ｃ核的测定灵敏度很低,大约是H核的１/6０00，测定困难。
加之H核的偶合干扰，使得13C NMR 信号变得很复杂,难以测得有实用价值的图谱。
知道二十世纪七十年代后期,质子去偶技术和傅里叶变换技术的发展和应用，才使１３ＣＮMＲ的测定变的简单易得。
４．1 核磁共振碳谱的特点1. 灵敏度低由于γc= γH/4，且1３Ｃ的天然丰度只有1.1％,因此1３C核的测定灵敏度很低,大约是H核的1／6０00,测定困难。
２. 分辨能力高氢谱的化学位移δ值很少超过10ppm,而碳谱的δ值可以超过200ppｍ,最高可达600ppm。
这样,复杂和分子量高达４00的有机物分子结构的精细变化都可以从碳谱上分辨。
同时1３C自身的自旋-自旋裂分实际上不存在,虽然质子和碳核之间有偶合，但可以用质子去偶技术进行控制。
3. 能给出不连氢碳的吸收峰有机化合物分子骨架主要由 C 原子构成，因而13C ＮMＲ能更全面地提供有关分子骨架的信息。
而1ＨNMＲ中不能给出吸收信号的Ｃ＝O、C=Ｃ、C≡C、C≡N以及季碳等基团，在13CNMR 中都可以直接给出特征吸收峰。
1３CNMR 可直接观测不带氢的含碳官能团，如羰基、氰基等。
4. 不能用积分高度来计算碳的数目１3C NMR的常规谱是质子全去偶谱。
对大多数碳，尤其是质子化碳,他们的信号强度都会由去偶的同时产生的NOE效应而大大增强。
因此不到呢国家的碳原子的数目不能通过常规共振谱的谱线强度来确定。
5. 弛豫时间T１可作为化合物结构鉴定的波谱参数在化合物中，处于不同环境的1３C核,他们的弛豫时间数值相差较大,可以达到2~3个数量级,通过T1可以致人结构归属,窥测体系的运动情况等。
磁共振知识点总结
磁共振知识点总结一、MRI技术的原理MRI技术的原理是基于核磁共振现象。
核磁共振是指原子核在外加磁场的作用下，会发生共振吸收和发射射频信号的现象。
MRI设备利用强静态磁场和射频脉冲来对人体组织进行成像，其原理主要包括以下几个方面：1. 原子核的自旋原子核中的质子、中子等粒子都具有一个自旋矢量，它们在静态磁场作用下会产生一个磁矩。
不同原子核具有不同的自旋量子数和磁矩大小，因此它们在外加磁场中会处于不同的能级状态。
2. 弛豫过程当原子核受到射频脉冲的作用时，它们会从基态跃迁到激发态，然后再返回基态。
这个过程包括横向弛豫和纵向弛豫两个方面。
横向弛豫会导致原子核在外加磁场中产生横向磁化，而纵向弛豫则会导致原子核在外加磁场中产生纵向磁化。
这些磁化过程会引起射频信号的发射与吸收。
3. 磁共振信号当外加磁场作用下，原子核会受到射频脉冲的共振激发，产生一系列射频信号。
这些信号包含了原子核的位置、密度、运动状态等信息，在接受机中可以被解析成图像。
二、MRI成像的影像生成过程MRI成像是通过获得人体组织内部的信号来生成图像。
影像生成的过程包括以下几个步骤：1. 建立静态磁场MRI设备通过建立一个强静态磁场来使人体组织中的原子核产生磁化。
一般来说，MRI设备使用约1.5-3.0特斯拉的静态磁场，这些磁场能够使人体内部的原子核产生很强的磁化。
2. 施加射频脉冲在静态磁场作用下，MRI设备会向人体组织施加射频脉冲，从而使原子核产生共振激发，并发射射频信号。
这些射频信号包含了人体组织的信息。
3. 接受射频信号MRI设备会通过接收线圈来接受人体组织中的射频信号。
接收线圈一般位于病人周围或病人表面，它们可以将射频信号转换成电信号，并传输给接收机。
4. 信号处理与图像重建接收机会对接收到的射频信号进行处理，包括滤波、放大、调制等操作，然后将其传输给计算机。
计算机会对这些信号进行图像重建，生成人体组织的MRI图像。
三、MRI技术的临床应用MRI技术在临床医学中有着广泛的应用，可以用于诊断和治疗多种疾病，包括：1. 脑部成像MRI可以清晰地显示脑部组织的形态和解剖结构，对于脑部肿瘤、脑梗塞、脑出血等病变的诊断具有重要价值。
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1946年，以珀赛尔(Purcell)和布洛赫(Bloch)领导的两 个小组独立地以稍微不同的方法在宏观物体中成功的观察 到核磁共振，为此他们获得了1952年诺贝尔奖。
1956年Varian公司制造出第一台高分辨核磁共振商品 仪器。
物理学家
❖ 拉比 (I.I.Rabi)——美国物理学家， 原籍奥地 利，后移居美国。
❖ 最重要的贡献就是发展了测量原子核磁矩 的核感应方法。发现了核磁共振现象，
❖ 1959年获诺贝尔物理学奖。
目前常用的核磁共振谱仪分为连续波 及脉冲核磁共振谱仪两大类。后者亦称为 脉冲傅里叶变换核磁共振谱仪(Pulse and Fourier Transform Nuclear Magnetic Resonance，PFT-NMR)，是20世纪70年 代快速傅里叶变换方法和计算机技术发展 后开始产生的。
第四章
核磁共振波谱分析
Nuclear Magnetic Resonance Spectroscopy，
NMR
本次课应掌握的要点：
1、自旋量子数与原子的质量数及原子序 数的关系。 2、原子核在磁场中的行为：自旋、回 旋、 能级裂分。 3、两种核磁共振波谱仪的结构及工作原理。 4、什么是化学位移？如何表示？
§4－1 核磁共振原理
在磁场的激励下，一些具有磁性的原子 核存在着不同的能级，如果此时外加一个能 量，使其恰等于相邻 2 个能级之差，则该核 就可能吸收能量(称为共振吸收)，从低能态 跃迁至高能态，而所吸收能量的数量级相当 于射频率范围的电磁波。因此，所谓核磁共 振就是研究磁性原子核对射频能的吸收。
如果将氢核置于外加磁场 B0 中，则它对 于外加磁场可以有 (2I+l) 种取向。由于氢核 的 I＝1/2，因此它只能有两种取向: 一种与外 磁场平行，这时能量较低，以磁量子数 m＝ +1/2 表征;
一种与外磁场逆平行，这时氢核的能量 稍高，以 m＝－1/2 表征。
对于具有自旋量子数 I 和磁量子数m的核,
物理学家
❖ 珀赛尔(Purcell)——美国物理学家 生于伊 利诺州泰勒斯维尔。
❖ 1933年毕业于珀杜大学。 ❖ 1938年又获哈佛大学博士学位。 ❖ 二战期间 在马萨诸塞理工学院辐射实验
室从事雷达研制工作。
❖ 美国物理学会、美国哲学会会员。
❖ 通过应用与原子核磁场成直角的第二磁场， 精确的测量了不同物质中原子进动频率， 开辟了物理学的崭新领域--磁共振能谱学。
0
奇 数 奇或偶数
1
2
— 呈球形
无
12 16 32
C, O, S
有
1 13 19 15 31
H, C, F, N, P
奇 数 奇或偶数 3 , 5 ,... 22
扁平椭圆 形
有
偶数 奇 数
1，2，3
伸长椭圆 形
有
11 35 79 17
B, C1, Br, O,
27 Al
2 14 H, N
自旋量子数 I 等于零的原子核有16O， 12C，32S, 28Si 等。实验证明，这些原 子核没有自旋现象，因而没有磁矩， 不产生共振吸收谱，故不能用核磁共 振来研究。
❖ 1919年毕业于康奈尔大学， ❖ 1927年获哥伦比亚大学哲学博士学位。1929
年任哥伦比亚大学讲师，1937年后任教授。 ❖ 美国国家科学院、美国物理学会会员。1950
年被选为美国明了分子束磁
共振法，用以测定原子核的磁性，以研究分 子和原子的精细结构和超精细结构。 ❖ 于1944年获得诺贝尔物理学奖。
自旋量子数 I 等于 1 或大于 1 的原子核:
I = 3/2 的有 11B, 35C1，79Br, 81Br 等; I = 5/2
的有 17O，127I; I=l 的有 2H, 14N 等。这类原
子
核
核
电
荷
分
布
可
看1 2
作
是
一
个
椭
圆
体
，
电
荷分布不均匀。它们的共振吸收常会产生
复杂情况，目前在核磁共振的研究上应用
量子能级的能量可用下式确定：
❖ 1952年获诺贝尔物理学奖。
物理学家
❖ 布洛赫(Bloch)——美国物理学家，生于瑞 士苏黎世，1928年获莱比锡大学物理学博 士学位
❖ 1934年去美国任斯坦福大学教授。19421945年任哈佛大学教授，兼无线电研究所 研究员。
❖ 布洛赫在斯坦福大学期间，采用测量极化 中子束的方法，成功的测量了中子磁矩。
5、掌握影响化学位移的主要因素。
简述：
核磁共振是指具有磁矩的原子核在恒定磁场中由电磁 波引起的共振跃迁现象。核磁共振已经广泛地应用于有机 物质的研究，高分子化学以及医学，药学和生物学等领域。
1924年，泡利(Pauli)在解释原子光谱的超精细结构时， 提出了原子核具有磁矩的概念。
1938年，拉比(Rabi)等人在原子束实验中首次观察到 核磁共振(NMR)现象。
二. 自旋核在磁场中的行为 1.核自旋产生磁场
已如前述，自旋量子数 I 为 l/2 的原子 核(如氢核)，可当作为电荷均匀分布的球 体。当氢核围绕着它的自旋轴转动时就产 生磁场。由于氢核带正电荷，转动时产生 的磁场方向可由右手螺旋定则确定。由此 可将旋转的核看作是一个小的磁铁棒。
2. 核磁矩在外加磁场中的取向
一. 原子核的自旋
由于原子核是带电荷的粒子，若 有自旋现象，即产生磁矩。物理学的 研究证明，各种不同的原子核，自旋 的情况不同，原子核自旋的情况可用 自旋量子数 I 表征。
表4-1 自旋量子数与原子的质量数及原子序数关系
质量数 原子序数
A
Z
自旋量子 自旋核 NMR信
数 I 电荷分布
号
原子核
偶数 偶 数
还很少。
自旋量子数 I 等于 1/2 的原子核有 1H, 19F，31P, C13 等。这些核可当作一个电荷均匀 分布的球体，并像陀螺一样地自旋，故有磁 矩形成。这些核特别适用于核磁共振实验。 前面三种原子在自然界的丰度接近 100%，核 磁共振容易测定。
尤其是氢核(质子)，不但易于测定，而 且它又是组成有机化合物的主要元素之一， 因此对于氢核核磁共振谱的测定，在有机分 析中十分重要。一般有关讨论核磁共振的书， 主要讨论的是氢核的核磁共振。对于 13C 的 核磁共振的研究也有重大进展，并已成为有 机化合物结构分析的重要手段。
1956年Varian公司制造出第一台高分辨核磁共振商品 仪器。
物理学家
❖ 拉比 (I.I.Rabi)——美国物理学家， 原籍奥地 利，后移居美国。
❖ 最重要的贡献就是发展了测量原子核磁矩 的核感应方法。发现了核磁共振现象，
❖ 1959年获诺贝尔物理学奖。
目前常用的核磁共振谱仪分为连续波 及脉冲核磁共振谱仪两大类。后者亦称为 脉冲傅里叶变换核磁共振谱仪(Pulse and Fourier Transform Nuclear Magnetic Resonance，PFT-NMR)，是20世纪70年 代快速傅里叶变换方法和计算机技术发展 后开始产生的。
第四章
核磁共振波谱分析
Nuclear Magnetic Resonance Spectroscopy，
NMR
本次课应掌握的要点：
1、自旋量子数与原子的质量数及原子序 数的关系。 2、原子核在磁场中的行为：自旋、回 旋、 能级裂分。 3、两种核磁共振波谱仪的结构及工作原理。 4、什么是化学位移？如何表示？
§4－1 核磁共振原理
在磁场的激励下，一些具有磁性的原子 核存在着不同的能级，如果此时外加一个能 量，使其恰等于相邻 2 个能级之差，则该核 就可能吸收能量(称为共振吸收)，从低能态 跃迁至高能态，而所吸收能量的数量级相当 于射频率范围的电磁波。因此，所谓核磁共 振就是研究磁性原子核对射频能的吸收。
如果将氢核置于外加磁场 B0 中，则它对 于外加磁场可以有 (2I+l) 种取向。由于氢核 的 I＝1/2，因此它只能有两种取向: 一种与外 磁场平行，这时能量较低，以磁量子数 m＝ +1/2 表征;
一种与外磁场逆平行，这时氢核的能量 稍高，以 m＝－1/2 表征。
对于具有自旋量子数 I 和磁量子数m的核,
物理学家
❖ 珀赛尔(Purcell)——美国物理学家 生于伊 利诺州泰勒斯维尔。
❖ 1933年毕业于珀杜大学。 ❖ 1938年又获哈佛大学博士学位。 ❖ 二战期间 在马萨诸塞理工学院辐射实验
室从事雷达研制工作。
❖ 美国物理学会、美国哲学会会员。
❖ 通过应用与原子核磁场成直角的第二磁场， 精确的测量了不同物质中原子进动频率， 开辟了物理学的崭新领域--磁共振能谱学。
0
奇 数 奇或偶数
1
2
— 呈球形
无
12 16 32
C, O, S
有
1 13 19 15 31
H, C, F, N, P
奇 数 奇或偶数 3 , 5 ,... 22
扁平椭圆 形
有
偶数 奇 数
1，2，3
伸长椭圆 形
有
11 35 79 17
B, C1, Br, O,
27 Al
2 14 H, N
自旋量子数 I 等于零的原子核有16O， 12C，32S, 28Si 等。实验证明，这些原 子核没有自旋现象，因而没有磁矩， 不产生共振吸收谱，故不能用核磁共 振来研究。
❖ 1919年毕业于康奈尔大学， ❖ 1927年获哥伦比亚大学哲学博士学位。1929
年任哥伦比亚大学讲师，1937年后任教授。 ❖ 美国国家科学院、美国物理学会会员。1950
年被选为美国明了分子束磁
共振法，用以测定原子核的磁性，以研究分 子和原子的精细结构和超精细结构。 ❖ 于1944年获得诺贝尔物理学奖。
自旋量子数 I 等于 1 或大于 1 的原子核:
I = 3/2 的有 11B, 35C1，79Br, 81Br 等; I = 5/2
的有 17O，127I; I=l 的有 2H, 14N 等。这类原
子
核
核
电
荷
分
布
可
看1 2
作
是
一
个
椭
圆
体
，
电
荷分布不均匀。它们的共振吸收常会产生
复杂情况，目前在核磁共振的研究上应用
量子能级的能量可用下式确定：
❖ 1952年获诺贝尔物理学奖。
物理学家
❖ 布洛赫(Bloch)——美国物理学家，生于瑞 士苏黎世，1928年获莱比锡大学物理学博 士学位
❖ 1934年去美国任斯坦福大学教授。19421945年任哈佛大学教授，兼无线电研究所 研究员。
❖ 布洛赫在斯坦福大学期间，采用测量极化 中子束的方法，成功的测量了中子磁矩。
5、掌握影响化学位移的主要因素。
简述：
核磁共振是指具有磁矩的原子核在恒定磁场中由电磁 波引起的共振跃迁现象。核磁共振已经广泛地应用于有机 物质的研究，高分子化学以及医学，药学和生物学等领域。
1924年，泡利(Pauli)在解释原子光谱的超精细结构时， 提出了原子核具有磁矩的概念。
1938年，拉比(Rabi)等人在原子束实验中首次观察到 核磁共振(NMR)现象。
二. 自旋核在磁场中的行为 1.核自旋产生磁场
已如前述，自旋量子数 I 为 l/2 的原子 核(如氢核)，可当作为电荷均匀分布的球 体。当氢核围绕着它的自旋轴转动时就产 生磁场。由于氢核带正电荷，转动时产生 的磁场方向可由右手螺旋定则确定。由此 可将旋转的核看作是一个小的磁铁棒。
2. 核磁矩在外加磁场中的取向
一. 原子核的自旋
由于原子核是带电荷的粒子，若 有自旋现象，即产生磁矩。物理学的 研究证明，各种不同的原子核，自旋 的情况不同，原子核自旋的情况可用 自旋量子数 I 表征。
表4-1 自旋量子数与原子的质量数及原子序数关系
质量数 原子序数
A
Z
自旋量子 自旋核 NMR信
数 I 电荷分布
号
原子核
偶数 偶 数
还很少。
自旋量子数 I 等于 1/2 的原子核有 1H, 19F，31P, C13 等。这些核可当作一个电荷均匀 分布的球体，并像陀螺一样地自旋，故有磁 矩形成。这些核特别适用于核磁共振实验。 前面三种原子在自然界的丰度接近 100%，核 磁共振容易测定。
尤其是氢核(质子)，不但易于测定，而 且它又是组成有机化合物的主要元素之一， 因此对于氢核核磁共振谱的测定，在有机分 析中十分重要。一般有关讨论核磁共振的书， 主要讨论的是氢核的核磁共振。对于 13C 的 核磁共振的研究也有重大进展，并已成为有 机化合物结构分析的重要手段。