核磁共振概論

核磁共振概論第一頁(yè)，共五十頁(yè)，2022年，8月28日E=E2

E1

核磁共振譜(NMR)1952年,Nobel物理獎(jiǎng)1991年,Nobel化學(xué)獎(jiǎng)R.R.Ernst磁誘導(dǎo)核自旋能級(jí)裂分第二頁(yè)，共五十頁(yè)，2022年，8月28日

核磁共振基本原理

核磁共振儀

核磁共振近期進(jìn)展第三頁(yè)，共五十頁(yè)，2022年，8月28日

核磁共振基本原理

核自旋,核磁矩

核磁共振

核弛豫第四頁(yè)，共五十頁(yè)，2022年，8月28日核自旋

用自旋量子數(shù)I表示，I值與原子核的質(zhì)量A和核電荷數(shù)（質(zhì)子數(shù)或原子序數(shù)）Z有關(guān)。

第五頁(yè)，共五十頁(yè)，2022年，8月28日

I=1/2:

1H1

13C6

15N7

19F9

31P15

57Fe26

77Se34195Pt78

199Hg80…I=3/2:

7Li3

9Be4

11B5

23Na11

33S16

39K1963Cu29

65Cu29

35Cl17

37Cl1779Br3581Br35...第六頁(yè)，共五十頁(yè)，2022年，8月28日I=5/2:

17O8

25Mg12

27Al13

55Mn25

67Zn30…

I=1:

2H1

6Li3

14N7

I=2:

58Co27

I=3:

10B5

I=0:

12C6

16O8

32S16第七頁(yè)，共五十頁(yè)，2022年，8月28日核磁矩

I0的原子核具有自旋產(chǎn)生磁矩（），與自旋角動(dòng)量P有關(guān)。

I值不同，原子核表面電荷分布情況不同，可用電四極矩eQ來(lái)衡量,eQ是核表面電荷偏離球體的物理量度.P=

=

·P第八頁(yè)，共五十頁(yè)，2022年，8月28日—

磁旋比（magnetogyricratio）

旋磁比（gyromagneticratio）第九頁(yè)，共五十頁(yè)，2022年，8月28日電偶極矩：電量相等而符號(hào)相反的兩個(gè)點(diǎn)電荷相距很小距離時(shí),就構(gòu)成電偶極矩。第十頁(yè)，共五十頁(yè)，2022年，8月28日電四極矩：

兩個(gè)大小相等、方向相反的電偶極矩相距很近時(shí),構(gòu)成電四極矩。電四極矩公式：

Q=2/5z(b2-a2)第十一頁(yè)，共五十頁(yè)，2022年，8月28日

原子核的電四極矩

第十二頁(yè)，共五十頁(yè)，2022年，8月28日

I=0,eQ=0:

核電荷均勻分布于球體表面，球形非自轉(zhuǎn)體,

=0。

I=,eQ=0:

核電荷均勻分布于球體表面，球形自轉(zhuǎn)體,

0第十三頁(yè)，共五十頁(yè)，2022年，8月28日I=1/2

eQ=0I>1/2

eQ>0I<1/2

eQ<0第十四頁(yè)，共五十頁(yè)，2022年，8月28日

eQ>0

核電荷非均勻分布，長(zhǎng)橢球自轉(zhuǎn)體，

0。如2H1,14N7

eQ<0

核電荷非均勻分布,扁橢球自轉(zhuǎn)體，

0。如37Cl17，7Li3

I>核電荷在原子核表面呈非均勻分布第十五頁(yè)，共五十頁(yè)，2022年，8月28日

電荷均勻分布于原子核表面（I=,eQ=0）的核，核磁共振的譜線窄，有利于核磁共振檢測(cè)。

電荷非均勻分布于原子核表面（I>,eQ

0）的核，都具有特有的弛豫機(jī)制（Relaxation）,導(dǎo)致核磁共振的譜線加寬，不利于核磁共振檢測(cè)。第十六頁(yè)，共五十頁(yè)，2022年，8月28日

核磁共振

磁矩的取向

自旋核在B0場(chǎng)中的進(jìn)動(dòng)

核磁共振第十七頁(yè)，共五十頁(yè)，2022年，8月28日

核磁共振磁矩的取向

I0的自旋核，具有一定的角動(dòng)量P,(P=),核自旋產(chǎn)生磁矩

(=

·P)。自旋核的取向，即磁矩

的取向。無(wú)外磁場(chǎng)（B0）時(shí)，磁矩

的取向是任意的。

第十八頁(yè)，共五十頁(yè)，2022年，8月28日在B0中

I0的自旋核，磁矩的取向不是任意的，而是量子化的，共有（2I+1）種取向?？捎么帕孔訑?shù)m表示：m：I，I,-1，，-I,+1，-I

I=1/2的自旋核，共有2種取向

（+1/2，-1/2）

I=1的自旋核，共有3種取向（+1，0，-1）

第十九頁(yè)，共五十頁(yè)，2022年，8月28日在B0中原子核自旋角動(dòng)量的空間量子化第二十頁(yè)，共五十頁(yè)，2022年，8月28日在B0中：

自旋角動(dòng)量在Z軸（B0軸）上的投影：

PZ=m

磁矩在Z軸（B0軸）上的投影：

Z=

·PZ=

·

m

磁矩與磁場(chǎng)相互作用能E=-Z·B0=-

·

m·B0第二十一頁(yè)，共五十頁(yè)，2022年，8月28日

量子力學(xué)選律可知，只有m=1的躍遷，才是允許躍遷，所以相鄰兩能級(jí)之間的能量差：

E=E2

–E1E=-

·

·m·B0=

·

·B0

E∝B0

第二十二頁(yè)，共五十頁(yè)，2022年，8月28日核能級(jí)被外磁場(chǎng)分裂第二十三頁(yè)，共五十頁(yè)，2022年，8月28日

磁誘導(dǎo)產(chǎn)生自旋核的能級(jí)裂分

E=hh=

·

·B0

=·B0第二十四頁(yè)，共五十頁(yè)，2022年，8月28日

自旋核在B0場(chǎng)中的進(jìn)動(dòng)

I0的自旋核,繞自旋軸旋轉(zhuǎn)(自旋軸的方向與

一致)，自旋軸又與B0場(chǎng)保持一角，繞B0場(chǎng)進(jìn)動(dòng)（Precess）,或稱Larmor進(jìn)動(dòng)。這是由于B0對(duì)

有一個(gè)扭力，與B0平行，旋轉(zhuǎn)又產(chǎn)生離心力，平衡時(shí)保持角不變。第二十五頁(yè)，共五十頁(yè)，2022年，8月28日第二十六頁(yè)，共五十頁(yè)，2022年，8月28日

（經(jīng)典力學(xué)分析，自旋核在B0中就象一個(gè)旋轉(zhuǎn)的陀螺在地心場(chǎng)中。）第二十七頁(yè)，共五十頁(yè)，2022年，8月28日進(jìn)動(dòng)的頻率

=20=·B00=·B00∝B0第二十八頁(yè)，共五十頁(yè)，2022年，8月28日

核磁共振

若在垂直于B0的方向加射頻場(chǎng)B1，其頻率為1，在B1的作用下，會(huì)產(chǎn)生一個(gè)與自旋核旋進(jìn)方向相同的回旋頻率1

第二十九頁(yè)，共五十頁(yè)，2022年，8月28日第三十頁(yè)，共五十頁(yè)，2022年，8月28日第三十一頁(yè)，共五十頁(yè)，2022年，8月28日

當(dāng)1=0時(shí)，核就會(huì)吸收能量，由低能態(tài)（+1/2）躍遷至高能態(tài)（-1/2），這種現(xiàn)象稱核磁共振。

第三十二頁(yè)，共五十頁(yè)，2022年，8月28日共振吸收頻率

例如

對(duì)于1HB0=1.41TG

=60MHz,

B0=2.35TG

=100MHz

=

·B0同一種核，=常數(shù)，∝B0

第三十三頁(yè)，共五十頁(yè)，2022年，8月28日B0一定時(shí)，不同的核，g不同，不同。

例如：B0=4.7TG時(shí)，下列核的共振頻率為：

1H

=26.752(107rad./s.T),200MHz13C

=6.728(107rad./s.T)50.3MHz19F

=

25.181(107rad./s.T)188.2MHz31P

=

10.841(107rad./s.T)81MHz(T=104高斯)第三十四頁(yè)，共五十頁(yè)，2022年，8月28日第三十五頁(yè)，共五十頁(yè)，2022年，8月28日產(chǎn)生NMR條件

（1）I0的自旋核（2）外磁場(chǎng)B0（3）與B0相互垂直的射頻場(chǎng)B1，且1

=0第三十六頁(yè)，共五十頁(yè)，2022年，8月28日弛豫(Relaxation)高能態(tài)的核以非輻射的形式放出能量回到低能態(tài),重建Boltzmann分布。

飽和（saturation）兩種自旋狀態(tài)的核數(shù)目完全相同，出現(xiàn)飽和。測(cè)定光譜時(shí)，如果照射電磁波的能量過(guò)大或掃描時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，就會(huì)出現(xiàn)飽和現(xiàn)象。第三十七頁(yè)，共五十頁(yè)，2022年，8月28日弛豫過(guò)程：

第三十八頁(yè)，共五十頁(yè)，2022年，8月28日自旋-格子弛豫（spin-latticerelaxation）（縱向弛豫longitudinalrelaxation）

格子：含有旋進(jìn)核的整個(gè)分子體系。也稱為“晶格”，意即“環(huán)境”并非指晶格點(diǎn)陣（因?yàn)闃悠烦室簯B(tài)）。在液體中，組成晶格的原子和分子都在進(jìn)行平移、轉(zhuǎn)動(dòng)和振動(dòng)。在這樣的原子和分子中存在磁性核，因此會(huì)產(chǎn)生脈動(dòng)磁場(chǎng)。在這些脈動(dòng)磁場(chǎng)中，可能有一些磁場(chǎng)，它的頻率與有些旋進(jìn)核的頻率相同。換句話說(shuō)，在高能態(tài)的核附近，有可能產(chǎn)生能使它遷移到低能態(tài)的磁場(chǎng)。這樣，高能態(tài)的核就被弛豫到低能態(tài)。這個(gè)時(shí)候放出的能量，作為平移、轉(zhuǎn)動(dòng)和振動(dòng)的熱能，傳遞到格子去。這種弛豫機(jī)制能保持過(guò)剩的低能態(tài)的核。

第三十九頁(yè)，共五十頁(yè)，2022年，8月28日

自旋-格子弛豫過(guò)程的半衰期用T1表示（T1與樣品狀態(tài)及核的種類、溫度有關(guān)）

液體T1～1s

固體或粘度大的液體，T1

很大。

第四十頁(yè)，共五十頁(yè)，2022年，8月28日自旋-自旋弛豫（spin-spinrelaxation）（橫向弛豫：

transverserelaxation）在進(jìn)行旋進(jìn)運(yùn)動(dòng)而互相接近的兩個(gè)核之間，互相交換自旋而產(chǎn)生的。進(jìn)行旋進(jìn)的核，在與外部磁場(chǎng)垂直的平面上有旋轉(zhuǎn)的磁性矢量成分。高能態(tài)的核與低能態(tài)的核非常接近時(shí)，這個(gè)旋轉(zhuǎn)小磁場(chǎng)會(huì)使對(duì)方核的自旋遷移。這種自旋的交換，叫做自旋-自旋弛豫或橫向弛豫。這種弛豫不能保持過(guò)剩的低能態(tài)的核。第四十一頁(yè)，共五十頁(yè)，2022年，8月28日

自旋-自旋弛豫過(guò)程的半衰期用T2表示。液體T2～1s

固體或粘度大的液體，T2很小，為

10-4～10-5s第四十二頁(yè)，共五十頁(yè)，2022年，8月28日宏觀磁化矢量M被射頻脈沖傾倒后的弛豫過(guò)程第四十三頁(yè)，共五十頁(yè)，2022年，8月28日

譜線寬度（1/2）

T值越小，弛豫越有效。

T

值對(duì)半峰高寬度的影響，取決于二者中的較小者。

E·th

1/21/T第四十四頁(yè)，共五十頁(yè)，2022年，8月28日

核磁共振儀

磁體：永久磁體、電磁體、超導(dǎo)磁體

射頻場(chǎng)(RadioFrequencyTransmitter)

連續(xù)波NMR:ContinualWave-NMR(CW-NMR)(探頭probe,勻場(chǎng)系統(tǒng),掃描系統(tǒng)Field-Sweep)(Frequency-Sweep，記錄系統(tǒng))第四十五頁(yè)，共五十頁(yè)，2022年，8月28日第四十六頁(yè)，共五十頁(yè)，