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固体核磁共振简介
彭路明
南京大学化学化工学院介观化学教育部重点实验室
0. 从液体核磁共振到固体核磁共振
核磁共振现象源于核自旋和磁场的相互作用,1945 年由 Edward Mills Purcell
和 Felix Bloch 分别发现。核磁共振谱学从此日渐成为探索物质物理、化学、电
子等性质和分子结构的重要工具。在核磁共振中,有许多核自旋的相互作用,每
一种都可能包含着丰富的结构和动力学信息,加上能够定量分析、对样品无损伤
以及可针对特定的原子(核)等特点,使核磁共振成为一种十分理想的强大的分
析手段。
在核磁共振的这些相互作用中,有一些是各向同性的相互作用,另一些则是
各向异性的相互作用。它们的区别在,前者对核磁共振信号频率的影响与分子的
空间取向无关,而后者则有关,故后者可能因为被测分子空间取向的不同而造成
谱线的宽化,导致分辨率和灵敏度的降低。在液体中,由于分子的快速翻滚运动,
消除了各种可能使谱线宽化的各向异性的核磁共振相互作用。因此,液体核磁共
振谱图中的共振信号十分尖锐,有很高的分辨率,这是液体核磁共振成为测定溶
液中化合物结构的最强大的方法的原因之一。
但在固体中,由于上述分子运动的缺失导致核磁共振信号受到各向异性的相
互作用影响而被展宽,分辨率和灵敏度低。如果希望得到类似液体核磁共振所给
出的信息,必须通过高分辨率固体核磁共振技术才能实现。以下将分别简要介绍
固体核磁共振中的一些重要相互作用以及部分高分辨率固体核磁共振技术。
1. 固体核磁共振中的相互作用
核磁共振中核自旋的相互作用可以分为两大类:外部相互作用(external spin
interactions )和内部相互作用(internal spin interactions )。前者是核自旋和外部仪
器设备产生的磁场(如静磁场,射频场)的相互作用。后者则相反,是核自旋和
样品本身所产生的磁场和电场的相互作用,这些作用包括屏蔽作用(化学位移,
奈特位移,顺磁位移等),偶极作用(直接和间接),四极作用等等。这些相互作
用的哈密顿可以用下面的通式表达,
Ηλ Cλ I =⋅ Rλ ⋅ Aλ (1.1)
C 、R 和 A 分别是特定的相互作用λ 中的常数、表达此相互作用各向异性的二阶
λ λ λ
张量和与核自旋 I 相互作用的对象(例如自旋 I 、S 或者磁场等)。下面简要介绍
几种固体核磁共振中最常见也最重要的相互作用 1-9 。
1.1. 纵向静磁场:塞曼作用(Zeeman Interaction )
塞曼作用是核自旋和外加静磁场的相互作用,其哈密顿为,
Η =−γ hI ⋅ B (1.2)
rf 1
h 、γ 和 B0 分别是普朗克常数、自旋 I 的磁旋比(单位为:s-1T-1 )和静磁场。在
核磁共振中,B 通常设置在实验室坐标系的 z 方向,即 B = (0, 0, B ) 。因此(1.2)
0 0 0
式变成:
Η =−γ hB I (1.3)
Z 0 z
如果没有外加磁场,单个核自旋 I 的能量与磁量子数(magnetic quantum number )
m 无关(m = −I , (−I+1),…, (I− 1), I )。如果施加一个非零的外加磁场,则能依据
m 值,将这些简并的能级裂分为(2I+1)个非简并的能级。各能级的能量 Em 取决于
哈密顿算符的本征值。故:
Em -γ hmB0
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