波谱分析-研究生-核磁共振基本原理总结

核磁共振波谱分析引言1945年，美国哈佛大学和斯坦福大学的几位学者，各自独立观察到一般状态下物质的核磁共振现象，1952年由此获得诺贝尔物理奖。

1953年世界上第一台商品化NMR谱仪研制成功(30MHz)，1964年第一台超导磁体的NMR谱仪研制成(200MHz)，1976年Ernst等人确立了二维谱的理论基础，1991年Ernst教授因其在脉冲付立叶变换NMR和二维NMR方面的杰出贡献而获当年诺贝尔化学奖。

2000年在900MHz谱仪上获得NMR谱图。

30MHz= 0.7T (泰斯勒tesla) = 7000高斯(Gauss)200MHz= 4.7T = 47000高斯400MHz= 9.4T = 94000高斯10000高斯 = 1T2929核磁共振谱仪的主要组成部分 1. 提供外磁场B 0的磁铁 2. 产生射频场B 1的谱仪部分 3. 用于控制及数据处理的计算机 三者构成一个整体——核磁共振谱仪(1) 超导磁体—— 铌-钛合金绕成的螺管线圈，置于盛有液氦的超低温杜瓦瓶中，通过一定电流产生强磁场，在接近绝对零度的温度时，螺管线圈内阻几乎为零，成为超导体，消耗的功率也接近零，断绝电源后，超导电流仍保持循环流动，形成永久磁场。

(2) 波谱仪 N S FID D/A FT探头是NMR 谱仪的心脏，样品管放置其中，探头绕有线圈，射频源作用于样品线圈，把共振时样品线圈发生的变化转交给接收机。

(3) 数据处理系统FID －free inductione decay 自由感应衰减 FT －Tourier transferm 付立叶变换一、核磁共振基本原理核磁共振研究对象为具有磁矩的原子核。

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相关。

Ⅰ= 0的原子核没有自旋运动，Ⅰ≠ 0的原子核才有自旋运动。

在此主要讨论Ⅰ= 1/2的1H，13C，19F，31P……当原子核自旋量子数Ⅰ非零时，它具有自旋角动量P。

核磁共振波谱仪（Nuclear Magnetic Resonance Spectrometer，简称NMR）是一种用于研究核磁共振现象的仪器。

核磁共振波谱仪的工作原理涉及到核磁共振现象，这是一种基于原子核的磁性质的现象。

以下是核磁共振波谱仪的基本原理：
1. **磁共振现象：** 在外加磁场的作用下，原子核会表现出特定的磁性质。

当原子核受到外部磁场的作用时，其核自旋会在磁场方向上取向，分裂成不同能级。

这种取向的过程涉及到吸收或发射电磁辐射的能量，这就是核磁共振现象。

2. **射频脉冲：** 核磁共振波谱仪通过在样品中施加射频脉冲来激发样品中的原子核。

这个射频脉冲的频率通常与特定核的共振频率相匹配。

3. **共振频率测定：** 通过逐渐增加外部磁场的强度，使得样品中的原子核逐渐达到共振条件，从而测定原子核的共振频率。

4. **检测信号：** 在样品中的原子核共振时，它们会发出信号。

这个信号被检测器捕获，然后转化为核磁共振波谱。

5. **数据处理：** 捕获的信号经过处理，通过傅里叶变换等数学方法，将其转换为核磁共振谱图，其中包含了关于样品中不同原子核的信息。

核磁共振波谱仪广泛应用于化学、生物化学、医学等领域，用于分析化合物的结构、研究分子运动、探测生物体内的代谢过程等。

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*0.1〜1OOMHZ,10〜109卩m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CHCHOH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：①1=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)②1=1、2、3、…、n,有核自旋现象，但共振吸收复杂，不便于研究。

③匸n/2 (n=1、2、3、5、…)有自旋现象，n〉1时，情况复杂，n=1时，1=1/2，这类原子核可看作是电荷均匀分布的球体，这类原子核的磁共振容易测定，适用于核磁共振光谱分析，其中尤以1H最合适。

核磁共振波普NMR的原理、用途、分析问题核磁共振波谱法（Nuclear Magnetic Resonance，简写为NMR）与紫外吸收光谱、红外吸收光谱、质谱被人们称为“四谱”，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，亦可进行定量分析。

原理在强磁场中，某些元素的原子核和电子能量本身所具有的磁性，被分裂成两个或两个以上量子化的能级。

吸收适当频率的电磁辐射，可在所产生的磁诱导能级之间发生跃迁。

在磁场中，这种带核磁性的分子或原子核吸收从低能态向高能态跃迁的两个能级差的能量，会产生共振谱，可用于测定分子中某些原子的数目、类型和相对位置。

分类NMR波谱按照测定对象分类可分为：1H-NMR谱（测定对象为氢原子核）、13C-NMR谱及氟谱、磷谱、氮谱等。

有机化合物、高分子材料都主要由碳氢组成，所以在材料结构与性能研究中，以1H谱和13C谱应用最为广泛。

用途除了运用在医学成像检查方面，在分析化学和有机分子的结构研究及材料表征中运用最多。

1、有机化合物结构鉴定一般根据化学位移鉴定基团；由耦合分裂峰数、偶合常数确定基团联结关系；根据各H峰积分面积定出各基团质子比。

核磁共振谱可用于化学动力学方面的研究，如分子内旋转，化学交换等，因为它们都影响核外化学环境的状况，从而谱图上都应有所反映。

2、高分子材料的NMR成像技术核磁共振成像技术已成功地用来探测材料内部的缺陷或损伤，研究挤塑或发泡材料，粘合剂作用，孔状材料中孔径分布等。

可以被用来改进加工条件，提高制品的质量。

3、多组分材料分析材料的组分比较多时，每种组分的 NMR 参数独立存在，研究聚合物之间的相容性，两个聚合物之间的相同性良好时，共混物的驰豫时间应为相同的，但相容性比较差时，则不同，利用固体NMR 技术测定聚合物共混物的驰豫时间，判定其相容性，了解材料的结构稳定性及性能优异性。

此外，在研究聚合物还用于研究聚合反应机理、高聚物序列结构、未知高分子的定性鉴别、机械及物理性能分析等等。

核磁共振波谱法的原理你看啊，咱们都知道原子是由原子核和核外电子组成的。

在核磁共振波谱法里呢，这个原子核就像是一个个小小的磁体。

可不是所有的原子核都能参与这个核磁共振的游戏哦，只有那些具有自旋特性的原子核才行。

就好比是一群小朋友里，只有那些符合特定条件的小朋友才能参加某个特别的活动。

比如说氢原子核，它就经常在这个核磁共振的舞台上表演呢。

当我们把这些具有自旋特性的原子核放到一个很强的磁场里面的时候，就像把一群调皮的小磁体放到了一个超级大的磁铁旁边。

这时候，原子核的自旋方向就会发生变化，它们会顺着磁场方向或者逆着磁场方向排列。

这个过程就像是小磁针在大磁铁旁边找到了自己的位置一样有趣。

那怎么才能知道这些原子核在磁场里的情况呢？这就需要用到射频辐射啦。

射频辐射就像是一种特殊的魔法信号，当我们把这个射频辐射照到这些在磁场里的原子核上的时候，如果射频辐射的频率刚刚好，就像一把钥匙开一把锁一样，原子核就会吸收这个射频辐射的能量。

这时候原子核就会从低能态跃迁到高能态，就像小朋友从低的台阶跳到高的台阶上。

然后呢，当原子核吸收了能量之后，就会产生一个信号。

这个信号就是我们核磁共振波谱法要检测的东西啦。

这个信号就像是原子核在和我们打招呼，告诉我们它在磁场里的状态呢。

不同的原子核因为周围的化学环境不一样，就像每个小朋友生活的家庭环境不同一样，它们吸收射频辐射的频率也会有一点点的差别。

这个差别就会在波谱上显示出来。

比如说，氢原子核如果是在一个甲基（-CH₃）里面，和在一个羟基（-OH）里面，它们的化学环境就不一样。

在甲基里的氢原子核周围都是碳原子和氢原子，而在羟基里的氢原子核旁边有个氧原子。

这个氧原子就像一个特殊的邻居，会影响氢原子核的磁场环境，使得它吸收射频辐射的频率发生变化。

所以在核磁共振波谱上，甲基里的氢原子核和羟基里的氢原子核就会出现在不同的位置，就像两个有着不同特点的小朋友站在不同的地方一样。

通过分析这些在波谱上不同位置的信号，我们就能知道分子里有哪些原子核，它们在分子里的位置大概是怎么样的。