核磁共振波谱法剖析

1 核磁共振波谱法 一、概述 早在1924年Pauli就预见某些原子核具有自旋和磁矩的性质，它们在磁场中可 以发生能级的分裂。1946年美国科学家布洛赫(Bloch，斯坦福大学)和珀塞尔（Purcell，哈佛大学）分别发现在射频区（频率0.1～100MHz,波长1～1000m）的电磁波能与暴露在强磁场中的磁性原子核(或称磁性核或自旋核)相互作用,引起磁性原子核在外磁场中发生核自旋能级的共振跃迁,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(nuclear magnetic resonance spectroscopy,NMR)，他们也因此分享了1952年的诺贝尔物理奖。所产生的波谱，叫核磁共振（波）谱。通过研究核磁共振波谱获得相关信息的方法，称为核磁共振波谱法。

NMR和红外光谱、紫外—可见光谱相同之处是微观粒子吸收电磁波后发生能级上的跃迁，但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。.

1949年，Kight第一次发现了化学环境对核磁共振信号的影响，并发现了信号与化合物结构有一定的关系。而1951年Arnold等人也发现了乙醇分子由三组峰组成，共振吸收频率随不同基团而异，揭开了核磁共振与化学结构的关系。 1953年出现了世界上第一台商品化的核磁共振波谱仪。1956年，曾在Block实验室工作的Varian制造出第一台高分辩率的仪器，从此，核磁共振波谱法成了化学家研究化合物的有力工具，并逐步扩大其应用领域。 七十年代以后，由于科学技术的发展，科学仪器的精密化、自动化，核磁共振波谱法得到迅速发展，在许多领域中已得到广泛应用，特别在有机化学、生物化学领域中的研究和应用发挥着巨大的作用。 八十年代以来，又不断出现新仪器，如高强磁场的超导核磁共振波谱仪，脉冲傅里叶变换核磁共振波谱仪，大大提高灵敏度和分辨率，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的采用，产生二维谱，对判断化合物的空间结构起重大作用。瑞士科学家恩斯特R.R.Ernst教授因对二维谱的贡献而获得1991年的Nobel化学奖（对核磁共振光谱高分辩方法发展作出重大贡献）。。瑞士科学家库尔特·维特里希因 2

“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”而获得2002年诺贝尔化学奖（一半奖金）。

产生核磁共振波谱的必要条件有三条： · 原子核必须具有核磁性质，即必须是磁性核 (或称自旋核)，有些原子核不具有核磁性质，它就不能产生核磁共振波谱。 · 需要有外加磁场，磁性核在外磁场作用下发生核自旋能级的分裂，产生不同能量的核自旋能级，才能吸收能级发生能级的跃迁。 · 只有那些能量与核自旋能级能量差相同的电磁辐射才能被共振吸收，即，

这就是核磁共振波谱的选择性。由于核磁能级的能量差很小，所以共振吸收的电磁辐射波长较长，处于射频辐射光区。

核磁共振波谱法的特点： · 核磁共振波谱法是结构分析最强有力的手段之一，因为它把有机化合物最常见的组成元素氢(氢谱)或碳(碳谱)等作为“生色团”来使用的，因此它可能确定几乎所有常见官能团的环境，有的是其它光谱或分析法所不能判断的环境，NMR法谱图的直观性强，特别是碳谱能直接反映出分子的骨架，谱图解释较为容易。 · 有多种原子核的共振波谱(除了常用的氢谱外，还有碳谱，氟谱，磷谱等)，因此，扩大了应用范围，各种谱之间还可以互相印证。 · 可以进行定量测定，因而也可以用于了解化学反应的进程，研究反应机理，还可以求得某些化学过程的动力和热力学的参数。 · 该法的缺点是：有的灵敏度比较低，但现代高级，精密的仪器可以使灵敏度极大的提高；实际上不能用于固体的测定，仪器比较昂贵，工作环境要求比较苛刻，因而影响了应用的普及性。

二、基本原理 （一）核的自旋运动 上面已述，1924年Pauli预言，某些原子核具有自旋和磁矩的性质，尔后被证实了，除了一些原子核中质子数和中子数均为偶数的核以外，其它核都具有自旋性质， 3

即核绕着某一个轴自身作旋转运动,称为核的自旋运动。 原子核是质子和中子的组合体。质子带有正电荷，核的自旋引起电荷运动，它等价于一个环形导体中的电流，因而会产生磁场，用右手定则可判断磁场的方向。

因此自旋核是一个磁偶极子，具有核磁矩。 原子核中的质子、中子等都有质量，质量的自旋就产生角动量矩，、的取向是平行的，之间的关系为:

式中为核的磁旋比，是原子核的一种属性，一定核就具有特定的值。 如:的/特·秒，的/特·秒，等等。 角动量矩可表示为:

式中h为普朗克常数，I为核的自旋量子数，可以取0，，1，„„ I＞0，P＞0，原子核有自旋角动量和自旋现象；I=0，P=0，原子核没有自旋现象。 量子力学理论及实验均证明，I的取值与原子的质量数及该元素在周期中的原子序数（也是核中的质子数）有关，某些元素I的取值如表12-1所示。

（二）自旋核在磁场中的行为 若将自旋核置于外磁场中，由于磁偶极子与外磁场的相互作用，核磁矩矢量方向(自旋轴方向)就会有一定的取向，核磁矩与外磁场方向有一定的夹角，亦就是，在外

磁场的作用下，具有磁矩的核子就具有一定的能量E，其能量与其取向角度有关。 根据经典的电磁理论，其能量为：

式中 ——称为核磁子，常数，焦耳/高斯； 4

——以核磁子为单位表示的核的磁矩，对于一定的核，数值一定 (如的为2.793核磁子单位，的为0.702磁磁子单位)； θ——与的夹角，θ＝0时，，同向，能量最低； ——外磁场强度，高斯 在经典力学中θ是连续的，因此能量E也是连续的。

而量子力学的原理证明，在外磁中，核磁矩的取向不是任意连续的，它只能有(2I＋1)种取向，即自旋核在外磁场中分裂为(2I＋1)个能级，这些能级称为塞曼能级，

如:，，则(2I＋1)＝2，表明在外磁场中分裂为2个能级。每个取向用磁量子数m表示，所以m有(2I＋1)个数值，m的取值为I，I－1，„„－I。所以的取

值为和。 能量E表示为:

一般来说，自旋量子数为I的核，其相邻两能级之差为 0HEI

归纳之：在外磁场Ho的作用下，具有的核磁子发生了能量的分裂，能级分裂的数目取决于核的自旋电子数I，为(2I+1)，每个能级用磁量子数m表示，m的取值

为I，I－1, „，－I。每个能级的能量为。对于，

。 （三）核磁共振 量子力学模型上面已述，根据量子力学原理，核自旋能级的跃迁是吸收射频辐射的能量引起的，所以，则 5

对于，吸收射频辐射的频率为02Hh。  从频率公式可以得到如下几点结论： ■ 产生核磁共振的条件：，有存在，辐射能量需等于核自旋能级差；

■ 不同的核、I不同，不同，发生共振所必需的不同，即共振条件不一样；

■ 相同的核比值一定，比值也一定，共振吸收频率随而改变。或反之。

所以获得核磁共振谱的方法有两种： ● 固定，进行频率扫描，得到在此下的共振吸收频率。这方法叫扫频；

● 固定，进行磁强扫描，得到在对此频率产生共振吸收所需要的。这方

法叫扫场。

（四）NMR中的驰豫过程 1、处于高、低能态的核数比例服从玻尔兹曼分布（低能态的核数稍多） 2、饱和：数目稍多的低能态的核跃迁至高能态后，核从低能态跃迁至高能态的 速率等于核从高能态跃迁至低能态的速率，NMR信号消失的现象。

3、驰豫过程:由激发态恢复到平衡态的过程，是NMR现象发生后得以保持的必要 条件

4、自旋晶格驰豫：核与环境进行能量交换。体系能量降低而逐渐趋于平衡。又 称纵向驰豫。速率1/T1，T1为自旋晶格驰豫时间。

5、自旋自旋驰豫：自旋体系内部、核与核之间能量平均及消散。又称横向驰豫。 体系的总能量不变，核在某一固定能态的寿命变短。速率1/T2，T2为自旋自旋时间。 6

6、驰豫时间与谱线宽度的关系 ：即谱线宽度与驰豫时间成反比。 二、核磁共振波谱仪和试样的制备 （一）分类 按磁场源分：永久磁铁、电磁铁、超导磁铁 按交变频率分：40 ，60 ，90 ，100 ， 200 ，500，600 MHz，频率越高，分辨率越高 按射频源和扫描方式不同分：连续波NMR谱仪（CW-NMR) 脉冲傅立叶变换NMR谱仪(FT-NMR)

（二）连续波核磁共振波谱仪 1、主要组成部件： 1）磁铁：提供强而均匀的磁场 2）射频振荡器：在垂直于主磁场方向提供一个射频波照射样品 3）扫描发生器：安装在磁极上的Helmholtz线圈，提供一个附加可变磁场，用于扫描测定 4）射频接受器：用于探测NMR信号，此线圈与射频振荡器、扫描发生器三者彼此互相垂直。 5）记录器 6）探头：包括样品管、发射线圈（扫描发生器）、接受线圈（射频接受器）、预放大器等 样品管：直径4mm, 长度15cm,质量均匀的玻璃管 磁场、频率源通过探头作用于试样。 装有一个气动涡轮机，使试样沿其纵轴以每分钟几百转的速度旋转，消除磁场的不均匀性产生的影响。 2、波谱仪 1）射频源和音频调制 要求有稳定的射频频率和功率——石英晶体振荡器