[课件]核磁共振分析PPT

当I=0时,P=0,原子核没有自旋现象,只有I﹥0,原 子核才有自旋角动量和自旋现象
实践证明,核自旋与核的质量数,质子数和中子数有关
质量数为 原子序数 自旋量子数 无自旋 偶数 为偶数 为0 质量数为 原子序数 自旋量子数 有自旋 偶数 为奇数 为1,2,3
自旋量子数 原子序数 质量数为 为 有自旋 为奇或偶 1/2,3/2, 奇数 数 5/2
二、核自旋能级和核磁共振
(一)核自旋能级 把自旋核放在场强为B0的磁场中,由于磁矩 与磁场相 互作用,核磁矩相对外加磁场有不同的取向,共有2I+1 个,各取向可用磁量子数m表示 m=I, I-1, I-2, ……-I 每种取向各对应一定能量状态 I=1/2的氢核只有两种取向 I=1的核在B0中有三种取向
B0外加磁场
无磁场 m= -1/2 E2= B0 △E=2 B0 m= +1/2 E1= －B0
(二)核磁共振的产生
如果以一定频率的电磁波照射处于磁场B0中的核， 且射频频率恰好满足下列关系时： h =ΔE ΔE=2 B0 20 （核磁共振条件式） h 自旋核的跃迁能量


（1）对自旋量子数I=1/2的同一核来说,， 因磁矩为一定值，—为常数，所以发生共振 时，照射频率的大小取决于外磁场强度的大 小。外磁场强度增加时，为使核发生共振， 照射频率也相应增加；反之，则减小。 扫频法和扫场法(p224)


(2)对自旋量子数I=1/2的不同核来说，若同时放 入一固定磁场中，共振频率取决于核本身磁矩的大 小, 大的核，发生共振所需的照射频率也大；反之， 则小。 磁旋比γ 的影响（p225)
9.1 核磁共振基本原理
一、原子核的自旋运动及磁距
原子核具有质量并带正电 荷，自旋量子数I≠0的原子核有 自旋现象，在自旋时产生磁矩， 磁矩的方向可用右手定则确定， 核磁矩和核自旋角动量P都是矢 量，方向相互平行，且磁矩随角 动量的增加成正比地增加 =P —磁旋比，不同的核具有不同的磁旋比，
与紫外、红外比较

共同点都是吸收光谱 紫外-可见 红外 红外光 780nm~1 000m 核磁共振 无线电波 1~100m波长 最长，能量最小, 不能发生电子振 动转动能级跃迁
吸收 能量
紫外可见光 200~780 nm
跃迁 类型
电子能级跃 自旋原子核发生 振动能级跃迁 迁 能级跃迁


NMR是结构分析的重要工具之一，在化 学、生物、医学、临床等研究工作中得到 了广泛的应用。 分析测定时，样品不会受到破坏，属于无 破损分析方法
z
z
z
B0
m = +1/2
m =+1 m =
m = m = m = m = 1
m = 1/2
m = 1
m = 2 I=2
I = 1/2
I=1
I=1/2的氢核
与外磁场平行，能量较低，m=+1/2, E 1/2= －B0 与外磁场方向相反, 能量较高, m= -1/2, E -1/2=B0
12C
32 6, S 16O , 16 8
14N 7 1H , 1 13C 6 19F ,31P 9 15


I=1/2的原子核,核电荷球形均匀分布于核 表面,如: 1H1, 13C6 , 14N7, 19F9,31P15 它们核磁共振现象较简单;谱线窄,适宜检测, 目前研究和应用较多的是1H和13C核磁共振 谱
核磁共振分析
引言：
将磁性原子核放入强磁场后，用适宜频率的 电磁波照射，它们会吸收能量，发生原子核能级 跃迁，同时产生核磁共振信号，得到核磁共振

利用核磁共振光谱进行结构测定，定性与定量分析 的方法称为核磁共振波谱法。简称 NMR
在有机化合物中，经常研究的是1H和13C的共
振吸收谱，重点介绍H核共振的原理及应用

Pz为自旋角动量在Z轴上的分量
h P Z m 2


核磁矩在磁场方向上的分量

核磁矩与外磁场相互作用而产生的核磁场作用能E, 即 各能级的能量为 E=－ZB0 E 1/2= －B0 E-1/2= B0
h Z m 2


I=1/2的核自旋能级裂分与B0的关系 由式 E = －ZB0及图可知1H核在磁场 中,由低能级 E1向高能级E2跃迁,所需能量为 △E=E2－E1= B0 －(－B0) = 2 B0 △E与核磁矩及外磁场强度成正比, B0越大,能级分 裂越大, △E越大
三、核自旋能级分布和驰豫
(一)核自旋能级分布
1H核在磁场作用下,被分裂为m=+1/2和m=-
1/2两个能级,处在低能态核和处于高能态核的分布 服从波尔兹曼分布定律
N N
1 ( ) 2
e
E kT
e
h kT
e
h B 0 2 kT
1 ( ) 2

当B0 = 1.409 T,温度为300K时,高能态和低能态 的1H核数之比为

磁性核

h =ΔE
高能级 低能级
处于低能态的核将吸收射频能量而跃迁至高 能态，这种现象叫做核磁共振现象。
h m 2
I=1/2 的核发生核磁共振吸收射频 的频率，即共振频率。
0 2 B 1h 代入 0得 2 2 2 h
产生核磁共振光谱的条件
对某元素是定值。是磁性核的一个特征常数
核的自旋角动量是量子化的,与核的自旋量
子数 I 的关系如下:
h 13 p I ( I 1 ) I 可以为 0 ， ， 1 ， ， 2 等值 2 22

代入上式得:
h I( I 1 ) 2
（ = P）

34 8 1 6 . 63 10 J s 2 . 68 10 T1 s 1 . 409 T 23 1 2 3 . 14 1 . 38 10 J K 300 K
核磁共振的分类 1．固体核磁共振 用于不溶性的高分子材料，膜蛋白，金属 材料的研究; 2. 液体核磁共振 用于有机化合物，天然产物，生物大分子 的研究； 3. 核磁共振成像 临床诊断的成像仪，动植物实验、研究用 的成像仪
核磁共振波谱分析的特点 1． 样品无损； 2． 结构信息丰富； 3． 新的分析测试技术不断出现。