现代仪器分析-核磁共振波谱法

核磁共振波谱法核磁共振（NMR）波谱是一种基于特定原子核在外磁场中吸收了与其裂分能级间能量差相对应的射频场能量而产生共振现象的分析方法。

核磁共振波谱通过化学位移值、谱峰多重性、偶合常数值、谱峰相对强度和在各种二维谱及多维谱中呈现的相关峰，提供分子中原子的连接方式、空间的相对取向等定性的结构信息。

核磁共振定量分析以结构分析为基础，在进行定量分析之前，首先对化合物的分子结构进行鉴定，再利用分子特定基团的质子数与相应谱峰的峰面积之间的关系进行定量测定。

带正电荷的原子核在作自旋运动时，可产生磁场和角动量，其磁性用核磁矩µ表示，角动量P的大小与自旋量子数I有关（核的质量数为奇数，I为半整数；核的质量数为偶数，I为整数或0），其空间取向是量子化的；µ也是一个矢量，方向与P的方向重合，空间取向也是量子化的，取决于磁量子数m的取值（m=I, I-1,……-I，共有2I+1个数值）。

对于1H、13C 等I =1/2 的核，只有两种取向，对应于两个不同的能量状态，粒子通过吸收或发射相应的能量在两个能级间跃迁。

当自旋量子数I≠0的磁核处于一个均匀的外磁场H0中时，磁核因受到磁场的作用力而围绕着外磁场方向作旋转运动，同时仍然保持本身的自旋。

这种运动方式称为拉摩进动。

原子核的进动频率由下式决定：其中γ为旋磁比，是原子核的基本属性之一。

不同原子核的γ值不同，其值越大，核的磁性越强，在核磁共振中越容易被检测。

如果提供一个射频场，其ν满足：其中h为普朗克常数，则：即射频场的频率正好等于在磁场H0中的核进动频率，那么核就能吸收这一射频场的能量，导致在两个能级间跃迁，产生核磁共振现象。

核磁共振波谱是一专属性较好但灵敏度较低的分析技术。

低灵敏度的主要原因是基态和激发态的能量差非常小，通常每十万个粒子中两个能级间只差几个粒子（当外磁场强度约为2 T 时）。

核磁共振波谱仪常见的有两类核磁共振波谱仪：经典的连续波（CW）波谱仪和现代的脉冲傅里叶变换（PFT）波谱仪，目前使用的绝大多数为后者。

一． 概 述核磁共振波谱法（Nuclear Magnetic Resonance Spectroscopy, NMR ）NMR 是研究原子核对射频辐射(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。

核磁共振是指原子核在静磁场作用下，对固定频率电磁波进行吸收而在分裂后的能级之间产生共振跃迁的物理现象。

NMR 是由磁性核受幅射发生跃迁所形成的吸收光谱。

研究最多、应用最广的是1H 核的NMR ，可用PMR 或1H NMR 表示。

核磁共振是1946年由美国斯坦福大学布洛赫和哈佛大学珀塞尔各自独立发现，两人因此获得1952年的诺贝尔物理学奖。

1951年 Arnold 发现乙醇的NMR 信号，及与结构的关系。

1953年 Varian 公司试制了第一台NMR 仪器。

近二十多年发展：高强超导磁场的NMR 仪器，大大提高灵敏度和分辨率；脉冲傅立叶变换NMR 谱仪，使灵敏度小的原子核能被测定；计算机技术的应用和多脉冲激发方法采用，产生二维谱，对判断化合物的空间结构起重大作用。

二．基本原理1.原子核的自旋： 原子核是具有一定质量的带正电的粒子——具有自旋现象,自旋时产生核磁矩。

若原子核存在自旋，产生核磁矩：自旋角动量： 核 磁 矩： I ：自旋量子数；h ：普朗克常数；核磁子β=eh/2M c ； 自旋量子数（I ）不为零的核都具有磁矩，原子的自旋情况可以用（I ）表征： 质量数原子序数 自旋量子数I 偶数偶数 0 偶数奇数 1,2,3.... 奇数 奇数或偶数 1/2;3/2;5/2....讨论：1. I=0的原子核O(16)；C （12）；S （22）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 ，14NI=3/2：11B ，35Cl ，79Br ，81BrI=5/2：17O ，127I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；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。

核磁共振波谱法基本原理核磁共振波谱法（Nuclear Magnetic Resonance Spectroscopy）是一种利用核磁共振现象进行分析的方法。

核磁共振是基于原子核的特定性质，在外加磁场作用下，原子核能够吸收具有特定频率的电磁波并发生共振现象的现象。

该方法通过检测不同原子核的共振信号来获取样品的结构和组成信息。

核磁共振波谱法基于原子核中的自旋（Spin）性质。

自旋是描述原子核内部的一种性质，可以与外加磁场相互作用。

在没有外加磁场作用下，原子核的自旋朝向是随机的。

然而，当样品置于强磁场中时，原子核的自旋会排列在不同能级上。

这些能级之间存在能量差，当这些能级之间的能量差等于外加电磁波的能量时，原子核就会发生共振吸收。

核磁共振波谱仪的基本构造包括磁场系统、射频系统、探测系统和计算机系统。

磁场系统用来产生强磁场，常见强磁场有永磁磁体、超导磁体等。

射频系统则用来产生特定频率的电磁波，以激发样品中的原子核共振吸收。

探测系统用来接收样品发出的信号，并将其转化为电信号，进一步处理和分析。

计算机系统则用来进行数据处理和结果分析。

在进行核磁共振波谱实验时，首先将样品放置于磁场中，样品中的原子核会受到磁场的作用，并分裂为不同能级。

接下来，通过调节射频系统产生特定频率的电磁波，激发样品中的原子核发生共振吸收。

这时，探测系统会接收样品发出的共振信号，并将其转化为电信号。

最后，计算机系统会对接收到的信号进行数学处理，生成核磁共振波谱图。

核磁共振波谱图是核磁共振波谱法的主要结果，可以提供关于样品的结构和组成的信息。

波谱图中的共振信号对应于不同原子核的吸收峰，其化学位移（Chemical Shift）可以帮助确定样品中的不同官能团或基团。

同时，共振信号的相对积分面积可以提供定量分析所需的信息。

总体而言，核磁共振波谱法通过利用原子核在磁场中的共振吸收现象，能够提供丰富的结构和组成信息。

它在有机化学、无机化学、生物化学等领域有着广泛的应用，成为了一种重要的分析手段。