NMR基本原理課件

第四章核磁共振波譜（NuclearMagneticResonanceSpectroscopy，NMR）11952年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)：布洛赫(FelixBloch)&珀賽爾(EdwardPurcell)領(lǐng)導(dǎo)的兩個(gè)研究組首次獨(dú)立觀察到核磁共振信號(hào)，共同獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。布洛赫(FelixBloch)珀賽爾(EdwardPurcell)發(fā)展歷史2發(fā)展歷史1950年前后Proctor發(fā)現(xiàn)處在不同化學(xué)環(huán)境的同種原子核有不同的共振頻率，即化學(xué)位移；隨即又發(fā)現(xiàn)因相鄰自旋核而引起的多重譜線，即自旋－自旋耦合。就此開拓了核磁共振在化學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用。二十世紀(jì)六十年代出現(xiàn)脈沖傅里葉變換核磁共振方法和譜儀，引起了該領(lǐng)域革命性進(jìn)步。3發(fā)展現(xiàn)狀儀器向更高的磁場發(fā)展；各種新的脈沖系列的應(yīng)用和發(fā)展；提出并實(shí)現(xiàn)了二維核磁共振譜以及三維和多維核磁譜、多量子躍遷等NMR測定新技術(shù)，在歸屬復(fù)雜分子的譜線方面非常有用。41991年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)：恩斯特R.R.Ernst（1933－）瑞士物理化學(xué)家他的主要成就在于他在發(fā)展高分辨核磁共振波譜學(xué)方面的杰出貢獻(xiàn)。5發(fā)展現(xiàn)狀固體高分辨NMR技術(shù)、HPLC-NMR聯(lián)用技術(shù)及各種稀有核的測定技術(shù)的發(fā)展；核磁共振成像（MRI）技術(shù)等新的分支學(xué)科出現(xiàn)，可無損測定和觀察物體以及生物活體內(nèi)非均勻體系的圖象，在許多領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用，也成為當(dāng)今醫(yī)學(xué)診斷的重要手段。勞特布爾（美）和曼斯菲爾德（英）因此獲得2003年諾貝爾生理學(xué)和醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)。62003年諾貝爾生理學(xué)和醫(yī)學(xué)獎(jiǎng):美國科學(xué)家保羅·勞特布爾(PaulLauterbur)和英國科學(xué)家彼得·曼斯菲爾德(PeterMansfield)用核磁共振成像“拍攝”的腦截面圖象Peter72002諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng):

瑞士科學(xué)家?guī)鞝柼亍?維特里?！癴orhisdevelopmentofnuclearmagneticresonancespectroscopyfordeterminingthethree-dimensionalstructureofbiologicalmacromoleculesinsolution".8概述

核磁共振波譜是指位于外磁場中的原子核吸收電磁波后從一個(gè)自旋能級(jí)躍遷到另一個(gè)自旋能級(jí)而產(chǎn)生的吸收波譜。

檢測電磁波被吸收的情況就可得到核磁共振波譜。根據(jù)波譜圖上共振峰的位置、強(qiáng)度和精細(xì)結(jié)構(gòu)可以研究分子結(jié)構(gòu)。94.1基本原理4.2核磁共振氫譜（1HNMR）4.3核磁共振碳譜（13CNMR）4.4二維譜10§4.1基本原理（一）原子核的自旋角動(dòng)量和磁矩核的自旋

自旋量子數(shù)I:

描述核的自旋運(yùn)動(dòng),與核的質(zhì)量數(shù)和質(zhì)子數(shù)有關(guān)。4.1.1NMR現(xiàn)象的產(chǎn)生11一種核的自旋量子數(shù)I是固定的，如：1H核I=1/2；I=0的原子核，無自旋，無核磁共振現(xiàn)象；I≠0的核都有核磁共振現(xiàn)象。Ｉ＝1/2的原子核：1H，13C，19F，31P

原子核可看作核電荷均勻分布的球體，有自旋，是核磁共振研究的主要對(duì)象。I≠0的其它核核電荷分布可看作一個(gè)橢圓體，電荷分布不均勻，共振吸收復(fù)雜，研究應(yīng)用較少。討論：12

原子核的自旋角動(dòng)量——矢量：空間方向量子化

原子核的磁性和磁矩——矢量原子核的磁性用核磁矩μ來描述。γ:旋磁比13

原子核的旋磁比

是原子核的基本屬性之一，因原子核總類的不同而不同，γ越大，核磁共振中越容易檢測到。

1H

＝26.752×107T-1·S-113C

＝6.728×107T-1·S-1（T

特斯拉，磁場強(qiáng)度的單位，S

秒）；

愈大，核的磁性愈大，其核磁共振信號(hào)愈易檢測。14（二）磁性核在外磁場（H0）中的行為原子核在外磁場中的自旋取向

核在外磁場中定向排列，其取向是空間方向量子化的。相對(duì)于外磁場方向，可以有（2I+1）種取向。磁量子數(shù)m=I,I-1,…,-I,可取2I+1個(gè)不同數(shù)值。15核的進(jìn)動(dòng)16磁矩μ與H0之間的相互作用能為：

，

所以，原子核的不同取向就代表了不同的能級(jí)不同的取向（m不同），E不同原子核在外磁場中的能級(jí)裂分

17I=1/2的核，m=+1/2

，μ與H0一致，E<0，核處于低能級(jí)；(2)m=-1/2，μ與H0相反，E>0，核處于高能級(jí)；18能級(jí)差：19（三）核磁共振產(chǎn)生的條件

20總結(jié)：核磁共振條件：

(1)核有自旋(磁性核)，即I≠0；

(2)外磁場H0;(3)照射頻率與外磁場的關(guān)系滿足：21討論共振條件：(2)不同原子核,γ不同，相同磁場強(qiáng)度H0，共振頻率

不同。

如：H0=2.35T,1H100MHz,13C25MHz(1)對(duì)于同一種核，γ為定值，共振頻率

隨H0發(fā)生變化。

1H：H0=1.409T

時(shí)，共振頻率

=60MHz

；

H0=2.305T

時(shí)，共振頻率

=100MHz。(3)實(shí)現(xiàn)NMR有兩種方式：

A.固定H0

，逐漸改變照射體系的頻率——掃頻法

B.固定照射頻率

，逐漸改變磁場強(qiáng)度——掃場法22幾種常見核磁共振譜圖：核磁共振氫譜：1HNMR

核磁共振碳譜:13CNMR

核磁共振氟譜：19FNMR

核磁共振磷譜：31PNMR23（四）核磁共振儀樣品管

1HNMR工作原理

24用于有機(jī)物結(jié)構(gòu)分析的必須是高分辨率儀器核磁共振儀的分類：按外磁場強(qiáng)度不同而所需的照射頻率分為：60MHz、100MHz、200MHz、300MHz、400MHz、500MHz、600MHz、800MHz等型號(hào)，核磁共振儀的型號(hào)通常用H的共振頻率來表示;按磁場的來源：分為永久磁鐵、電磁鐵和超導(dǎo)磁體；根據(jù)射頻的照射方式：分為連續(xù)波核磁共振譜儀（CW－NMR）和脈沖傅里葉變換核磁共振譜儀（PFT－NMR）。25磁體：提供強(qiáng)的穩(wěn)定均勻的磁場射頻振蕩器：產(chǎn)生一個(gè)與外磁場強(qiáng)度相匹配的射頻頻率，提供能量使磁核從低能級(jí)到高能級(jí)。射頻接受器：用于接受攜帶樣品核磁共振信號(hào)的射頻輸出,并將接收到的信號(hào)傳送到放大器放大。探頭:有樣品管座、發(fā)射線圈、接受線圈、變溫元件等。掃描單元：安裝在磁極上的掃描線圈，提供一個(gè)附加可變磁場，用于掃描測定。連續(xù)波核磁共振譜儀26脈沖傅里葉變換核磁共振譜儀PFT-NMR

在外磁場保持不變的條件下，使用一個(gè)強(qiáng)而短的射頻脈沖照射樣品。這個(gè)射頻脈沖包括所有不同環(huán)境的同類磁核的共振頻率。各種核同時(shí)激發(fā)，發(fā)生共振，然后通過弛豫逐步恢復(fù)Boltzmann平衡。在這個(gè)過程中，射頻接受器接受信號(hào)，得到隨時(shí)間衰減的信號(hào)，稱自由感應(yīng)衰減信號(hào)（FID)，通過計(jì)算機(jī)進(jìn)行傅里葉變換轉(zhuǎn)化為通常的NMR譜圖。27FT-NMR譜儀特點(diǎn)：

掃描速度快，測定一張譜圖只需要幾秒-幾十秒的時(shí)間。不僅改善1H等天然豐度高的核種的譜圖質(zhì)量，而且使天然豐度小、絕對(duì)靈敏度低的同位素核的核磁共振測定得以實(shí)現(xiàn)。28核磁共振譜示意圖：H低場吸收能量強(qiáng)度高場信號(hào)磁場強(qiáng)度（頻率υ０）H029（五）弛豫

受激吸收和發(fā)射同時(shí)發(fā)生，且有相同的幾率。如果高低能級(jí)上的粒子數(shù)相同，便觀察不到凈吸收信號(hào)。這種現(xiàn)象稱作“飽和”。－Boltzmann分布表明，在通常情況下低能級(jí)上的粒子數(shù)比高能級(jí)上的粒子數(shù)多。平衡狀態(tài):30－為了能持續(xù)檢測到吸收信號(hào)，必須保持低能級(jí)上的粒子數(shù)始終多于高能級(jí)。－

高能級(jí)上的粒子回到低能級(jí)的途徑：自發(fā)輻射自發(fā)輻射的幾率與

E成正，在NMR中很小。弛豫粒子從激發(fā)態(tài)回到Boltzmann平衡的過程

在60MHz的NMR儀器(H0＝1.41T)中，31自旋-晶格弛豫（spin-latticerelaxation）

縱向弛豫

自旋核與周圍環(huán)境(固體的晶格，液體則是周圍的同類分子或溶劑分子)交換能量的過程；弛豫過程所需時(shí)間以T1表示；T1愈小、弛豫的效率(1/T1)愈高，愈有利于核磁共振信號(hào)測定。固體分子熱運(yùn)動(dòng)受限制，T1很大。液體及氣體樣品的T1僅幾秒鐘。因此測定核磁共振譜時(shí)一般多采用液體試樣。32自旋-自旋弛豫（spin-spinrelaxation）

橫向弛豫

核與核之間進(jìn)行能量交換的過程;

弛豫時(shí)兩個(gè)核的取向被掉換，各種能級(jí)的核數(shù)目不變，系統(tǒng)的總能量不變。弛豫過程所需時(shí)間以T2表示，氣體及液體樣品T2為1秒左右。固體及粘度大的液體試樣由于核與核之間比較靠近，有利于磁核間能量的轉(zhuǎn)移，T2僅10-4～

10-5秒。33核磁共振基本原理示意圖344.1.2化學(xué)位移

實(shí)際情況并非如此!!!

根據(jù)核磁共振基本原理，核磁共振只能區(qū)分不同元素的核。

如，H0＝1.4092T時(shí)，

1H的共振頻率為60MHz

13C

的共振頻率為15.1MHz35例如：乙醇的氫譜中有三個(gè)共振吸收峰。

有機(jī)分子中，與不同基團(tuán)相連的氫原子核，具有不同的共振信號(hào)。361.化學(xué)位移的產(chǎn)生核實(shí)際受到的磁場強(qiáng)度H0’

電子云對(duì)核的屏蔽作用

核外有電子云

裸露的核：H0’=H0－

H0=H0（1－

）

為使核發(fā)生共振，須提高外磁場強(qiáng)度以抵消感應(yīng)磁場由此產(chǎn)生了化學(xué)位移37化學(xué)位移

化學(xué)位移：由于化學(xué)環(huán)境的差異而引起的同類磁核在核磁共振中出現(xiàn)不同共振信號(hào)的現(xiàn)象。38

屏蔽常數(shù)

與原子核所處的化學(xué)環(huán)境有關(guān):

d

為抗磁屏蔽球形對(duì)稱的s電子云產(chǎn)生。與外磁場方向相反，削弱外磁場（屏蔽作用）。共振信號(hào)發(fā)生在高場。

p

為順磁屏蔽核外非球形對(duì)稱的電子云產(chǎn)生。與外磁場方向相同，增強(qiáng)外磁場（去屏蔽作用）。共振信號(hào)發(fā)生在低場。

a

為相鄰基團(tuán)的各向異性的影響。

s為溶劑、介質(zhì)等其他因素的影響。39402.化學(xué)位移的表示方法—屏蔽作用引起的共振頻率差別很小。

100MHz儀器中，不同化學(xué)環(huán)境的1H的共振頻率差別在0～1500Hz范圍內(nèi)，難以測量。

以一標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)作為基準(zhǔn)，測定樣品和標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的共振頻率之差?！舱耦l率與外磁場強(qiáng)度有關(guān),不同儀器測定結(jié)果難以比較。41化學(xué)位移的表示：4243以甲基為例：在60MHz儀器中：在100MHz儀器中：443.基準(zhǔn)物質(zhì)的選擇常用：四甲基硅烷(tetramethylsilane，簡稱TMS)優(yōu)點(diǎn)是：化學(xué)性質(zhì)不活潑，與樣品及溶劑等不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)和分子間締合。四個(gè)甲基有相同的化學(xué)環(huán)境，在氫譜和碳譜中都只有一個(gè)吸收峰。電負(fù)性：Si(1.9)<C(2.5)，氫和碳核受大的屏蔽效應(yīng)，產(chǎn)生的信號(hào)不會(huì)干擾樣品NMR信號(hào)。沸點(diǎn)很低（27℃）易去除，有利于回收樣品。45

在1H和13C譜中規(guī)定：TMS的化學(xué)位移值

=0，位于圖譜的右邊。其左邊

為正值，在它的右邊

為負(fù)值。

1H

=0～20

13C

=0～200

其它標(biāo)準(zhǔn)物：如2,2-二甲基-2-硅戊烷-5-磺酸鈉(又稱DSS)，叔丁醇，丙醇等。（增大）（減小）464.化學(xué)位移的測定

TMS作為內(nèi)標(biāo)物和樣品一起溶解于合適的溶劑中進(jìn)行測定

1H和13C測定一般使用氘代溶劑。

CD3SOCD32.49(5重峰);D2O4.6(s);CDCl37.24(s);CD3OD3.50(5重峰),4.78(1);CD3COCD32.04(5重峰)474.1.3自旋－自旋耦合自旋-自旋耦合：相鄰磁核之間的相互干撓現(xiàn)象；自旋裂分：由自旋-自旋耦合而引起的多重譜線現(xiàn)象48A核鄰近有一個(gè)X核(自旋量子數(shù)為1/2)A核，不考慮鄰近核時(shí)：X的取向＋1/2,(↑,α)X的取向