核磁共振波谱法

第11章 核磁共振波谱法

将自旋核放入磁场后，用适宜频率的电磁波照射，它们吸收能量，发生原子核能级的跃迁，同时产生核磁共振信号，得到核磁共振谱。这种方法称为核磁共振波谱法（nuclear magnetic resonance spectroscopy,NMR）。在有机化合物中，经常研究的是1H核和13C核的共振吸收谱。本章将主要介绍1H核磁共振谱。

核磁共振波谱法是结构分析的重要根据之一，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，属于无破坏分析方法。

§11-1 基本原理

一、核的自旋运动

有自旋现象的原子核，应具有自旋角动量（P）。由于原子核是带正电粒子，故在自旋时产生磁矩。磁矩的方向可用右手定则确定。磁矩和角动量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 （11-1）

式中为磁旋比。不同的核具有不同的磁旋比。

核的自旋角动量是量子化的，可用自旋量子数I表示。P的数值与I的关系如下：

21hIIP （11-2）

I可以为0，21，1，211，……等值。很明显，当I=0时，P=0，即原子核没有自旋现象。只有当I>0时，原子核才有自旋角动量和自旋现象。

实验证明，自旋量子数I与原子的质量数（A）及原子序数（Z）有关，如表11-1所示。从表中可以看出，质量数和原子序数均为偶数的核，自旋量子数I=0，即没有自旋现象。当自旋量子数21I时，核电荷呈球形分布于核表面，它们的核磁共振现象较为简单，是目前研究的主要对象。属于这一类的主要原子核有H11、C136、N157、F199、P3115。其中研究最多、应用最广的是H1和C13核磁共振谱。 表11-1 自旋量子数与原子的质量数及原子序数的关系

质量数A 原子序数Z 自旋量子数I 自旋核电荷

分布 NMR信号 原子核

偶数 偶 数 0 — 无 C126，O168，S3216，

奇数 奇或偶数 21 呈球形 有 H11，C136，F199，N157，P3115

奇数 奇或偶数 ,25,23 扁平椭圆形 有 O178，S3216，

偶数 奇 数 1，2，3 伸长椭圆形 有 H11，N147，

二、自旋核在磁场中的行为

若将自旋核放入场强为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。按照量子力学原理，它们在外磁场方向的投影是量子化的，可用磁量子数m描述之。m可取下列数值：

IIIIm,,2,1,

自旋量子为I的核在外磁场中可有（2I+1）个取向，每种取向各对应有一定的能量。对于具有自旋量子数I和磁量子数m的核，量子能级的能量可用下式确定：

0BImE （11-3）

式中B0是以T为单位的外加磁场强度，是一个常数，称为核磁子，等于5.049×10-27J•T-1;是以核磁子单位表示的核的磁矩，质子的磁矩为7927.2。

H1在外加磁场中只有21m及21m两种取向，这两种状态的能量分别为：

当21m 000212121BBBImE 当21m

000212121BBBImE

对于低能态（21m），核磁矩方向与外磁场同向；对于高能态（21m），核磁矩与外磁方向相反，其高低能态的能量差应由下式确定：

02/12/12BEEE （11-4）

一般来说，自旋量子数I的核，其相邻两能级之差为

IBE0 （11-5）

三、核磁共振

如果以射频照射处于外磁场B0中的核，且射频频率恰好满足下列关系时：

Eh 或 IhB0 （11-6）

处于低能态的核将吸收射频能量而跃迁至高能态。这种现象称为核磁共振现象。

由（11-6）式可知：

（1）对自旋量子数21I的同一核来说，因磁矩为一定值，和h又为常数，所以发生共振时，照射频率的大小取决于外磁场强度B0的大小。在外磁场强度增加时，为使核发生共振，照射频率也应相应增加；反之，则减小。例如，若将H1核放在磁场强度为1.4092T的磁场中，发生核磁共振时的照射频率必须为

MHzHz601060106.6214092.11005.579.263427共振

如果将H1放入场强为4.69T磁场中，则可知共振频率共振应为200MHz。

（2）对21I的不同核来说，若同时放入一固定磁场强度的磁场中，则共振频率共振取决于核本身的磁矩的大小。大的核，发生共振时所需的照射频率也大；反之，则小。例如，H1核、F19核和C13核的磁矩分别为2.79、2.63、0.70核磁子，在场强为1T的磁场中，其共振时的频率分别为42.6 MHz、40.1 MHz、10.7 MHz。

（3）同理，若固定照射频率，改变磁场强度，对不同的核来说，磁矩大的核，共振所需磁场强度将小于磁矩小的核。例如，FH，则FHBB。表12-2列出了常见核的某些物理数据。

表11-2 几种原子核的某些物理数据

核 自然界丰度

% 4.69T磁场中NMR频率（MHz） 磁矩

（核磁子） 自旋

（I） 相对灵敏度

H1 99.98 200.00 2.7927 1/2 1.000

C13 1.11 50.30 0.7021 1/2 0.016

F19 100 188.25 2.6273 1/2 0.83

P31 100 81.05 1.1305 1/2 0.066

四、在NMR中的弛豫过程

如前所述，H1核在磁场作用下，被分裂为21m和21m两个能级，处在较稳定

的21能级的核数比处在21能级的核数稍多一点。处于高、低能态核数的比例服从波尔兹曼分布：

kTEjeNN/0

（11-7）

式中jN和0N分别代表处于高能态和低能态的氢核数，E是两种能态的能级差，k是波尔兹曼常数，T是绝对温度。若将106个质子放入温度为25℃磁场强度为4.69T的磁场中，则处于低能态的核与处于高能态的核的比为

KJKTJTKjeNN2931038.169.41005.527920123127

999967.051027.30eNNj 则处于高、低能级的核分别为：

499992jN

5000080N

即处于低能级的核比处于高能级的核只多16个。

若以合适的射频照射处于磁场的核，核吸收外界能量后，由低能级跃迁到高能态，其净效应是吸收，产生共振信号。此时，H1核的波尔兹曼分布被破坏。当数目稍多的低能级核跃迁至高能态后，从21→21的速率等于从21→21的速率时，试样达到“饱和”，不能再进一步观察到共振信号。为此，被激发到高能态的核必须通过适当的途径将其获得的能量释放到周围环境中去，使核从高能态降回到原来的低能态，产生弛豫过程。就是说，弛豫过程是核磁共振现象发生后得以保持的必要条件。否则，信号一旦产生，将很快达到饱和而消失。由于核外被电子云包围，所以它不可能通过核间的碰撞释放能力，而只能以电磁波的形式将自身多余的能量向周围环境传递。在NMR中有两种重要的弛豫过程：即自旋-晶格弛豫和自旋-自旋弛豫。

自旋-晶格弛豫，又称纵向弛豫。自旋核都是处在所谓晶格包围之中。核外围的晶格是指同分子或其它分子中的磁性核（如带有未成对电子的原子、分子和铁磁性物质等）。晶格中的各种类型磁性质点对应于共振核作不规则的热运动，形成一频率范围和很大的杂乱的波动磁场，其中必然存在有与共振频率相同的频率成分，高能态的核可通过电磁波的形式将自身能量传递到周围的运动频率与之相等的磁性粒子（晶格），故称为自旋-晶格弛豫。

自旋-自旋弛豫，又称横向弛豫。它是指邻近的二个同类的磁等价核处在不同的能态时，它们之间可以通过电磁波进行能量交换，处于高能态的核将能量传递给低能态的核后弛豫带低能级，这时系统的总能量显然未发生改变，但此核处在某一固定能态的寿命却因此变短。

§11-2 核磁共振波谱仪和试样的制备

按工作方式，可将高分辨率核磁振仪分为两种类型：连续波核磁共振谱仪和脉冲傅里叶核磁共振谱仪。

一、连续波核磁共振谱仪 图12-2是连续波核磁共振谱仪的示意图。它主要由下列主要部件组成：①磁铁，②探头，③射频和音频发射单元，④频率和磁场扫描单元，⑤信号放大、接受和显示单元。后三个部件装在波谱仪内。

（一）磁铁

磁铁是核磁共振仪最基本的组成部件。它要求磁铁能提供强而稳定、均匀的磁场。核

磁共振仪使用的磁铁有三种：永久磁铁，电磁铁和超导磁铁。由永久磁铁和电磁铁获得的磁场一般不能超过2.5T。而超导磁体可使磁场高达10T以上，并且磁场稳定、均匀。目前超导核磁共振仪一般在200~400MHz，最高可打600MHz。但超导核磁共振仪价格高昂，目前使用还不十分普遍。

（二）探头

探头装在磁极间隙内，用来检测核磁共振信号，是仪器的心脏部分。探头除包括试样

管外，还有发射线圈接受线圈以及豫放大器等元件。待测试样放在试样管内，再臵于绕有接受线圈和发射线圈的套管内。磁场和频率源通过探头作用于试样。

为了使磁场的不均匀性产生的影响平均化，试样探头还装有一个气动涡轮机，以使试样管能沿其纵轴以每分钟几百转的速度旋转。

（三）波谱仪

（1）射频源和音频调制 高分辨波谱仪要求有稳定的射频频率和功能。为此，仪器通常采用恒温下的石英晶体振荡器得到基频，再经过倍频、调频和功能放大得到所需要的射频信号源。

为了提高基线的稳定性和磁场锁定能力，必须用音频调制磁场。为此，从石英晶体振荡器中的得到音频调制信号，经功率放大后输入到探头调制线圈。

（2）扫描单元 核磁共振仪的扫描方式方式有两种：一种是保持频率恒定，线形地改变磁场，称为扫场；另一种是保持磁场恒定，线形地改变频率，称为扫频。许多仪器同时具有这两种扫描方式。扫描速度的大小会影响信号峰的显示。速度太慢，不仅增加了实验时间，而且信号容易饱和；相反，扫描速度太快，会造成峰形变宽，分辨率降低。

（3）接受单元 从探头预放大器得到的载有核磁共振信号的射频输出，经一系列检波、放大后，显示在示波器和记录仪上，得到核磁共振谱。

（4）信号累加 若将试样重复扫描数次，并使各点信号在计算机中进行累加，则可提高连续波核磁共振仪的灵敏度。当扫描次数为N时，则信号强度正比于N，而噪音强度正比于N，因此，信噪比扩大了N倍。考虑仪器难以在过长的扫描时间内稳定，一般N=100左右为宜。