第1章 NMR基础.ppt

第一章 核磁共振波谱法(Nuclear Magnetic Resonance Spectroscopy, NMR ) 第一节 概论 核磁共振（简称为NMR）是指处于外磁场中的物质原子核系统受到相应频率（ 兆赫数量级的射频）的电磁波作用时，在其磁能级之间发生的共振跃迁现象。检测电磁波被吸收的情况就可以得到核磁共振波谱。 发展历史 1924年Pauli预言了NMR的基本理论：同时具有自旋和磁量子数的核在磁场中会发生分裂； 1946年，Harvard 大学的Purcell和Stanford大学的Bloch各自首次发现并证实NMR现象(分别观测到水、石蜡中质子的核磁共振信号)，并于1952年分享了Nobel奖； NMR发展最初阶段的应用局限于物理学领域，主要用于测定原子核的磁矩等物理常数。 1950 年前后,W .G. Proctor等发现,处在不同化学环境的同种原子核有不同的共振频率(即化学位移)。接着又发现因相邻自旋核而引起的多重谱线(即自旋—自旋耦合)，这一切开拓了NMR 在化学领域中的应用和发展。 1953年Varian开始商用仪器开发，并于同年试制出了第一台NMR仪。 1956年,Knight发现元素所处的化学环境对NMR信号有影响,而这一影响与分子结构有关。 20 世纪60 年代,计算机技术的发展使脉冲傅里叶变换核磁共振方法和谱仪得以实现和推广,引起了该领域的革命性进步.随着NMR 和计算机的理论与技术的发展,NMR 在广度和深度方面均出现了新的飞跃性进展,具体表现在以下几方面： 1. 仪器向更高的磁场发展，以获得更高的灵敏度和分辨率，现己有300、400、500、600MHz，甚至1000MHz的超导NMR 谱仪； 3. 提出并实现了二维核磁共振谱以及三维和多维核磁谱、多量子跃迁等NMR测定新技术，在归属复杂分子的谱线方面非常有用。瑞士核磁共振谱学家R.R.Ernst因在这方面所作出的贡献，而获得1991年诺贝尔化学奖； 4. 固体高分辨NMR 技术、HPLC-NMR 联用技术、碳氢以外核(异核)的研究等多种测定技术的实现大大扩展了NMR 的应用范围； 5. 核磁共振成象技术等新的分支学科出现，可无损测定和观察物体以及生物活体内非均匀体系的图象，在许多领域有广泛应用，也成为当今医学诊断的重要手段。 第二节 NMR基本原理 原子核的基本属性 原子核的质量和所带电荷:原子核由质子和中子组成，其中质子数目决定了原子核所带电荷数，质子与中子数之和是原子核的质量。原子核的质量和所带电荷是原子核最基本的属性。 原子核一般的表示方法是在元素符号的左上角标出原子核的质量数，左下角标出其所带电荷数(有时也标在元素符号右边，一般较少标出）。如： 由于同位素之间质子数相同而中子数不同，即它们所带电荷数相同而质量数不同，所以原子核的表示方法可简化为只在元素符号左上角标出质量数，如1H、2D（或2H）, 12C 、 13C等。 原子核的自旋和自旋量子数 *原子核有自旋运动, 在量子力学中用自旋量子数I 描述原子核的运动状态。 *自旋量子数I的值与核的质量数和所带电荷数有关,即与核中的质子数和中子数有关。 原子核的自旋和自旋角动量 * 与宏观物体旋转时产生角动量（或称为动力矩）一样,原子核在自旋时也产生角动量,角动量P的大小与自旋量子数 I 有以下关系： 自旋角动量 P= h/2π ? [ I(I+1) ]1/2 (1) * 自旋角动量P是一个矢量,不仅有大小而且有方向。它在直角坐标系z 轴上的分量Pz由下式决定： Pz= h/2π ? m (2) * m是原子核的磁量子数, m的数值取决于自旋量子数I,可取I、I-1、I-2… -I，共 2I+1 个不连续的值. 这说明P 是空间方向量子化的。 原子核的磁性和磁矩 带正电荷的原子核作自旋运动,就好比是一个通电的线圈,可产生磁场。因此自旋核相当于一个小的磁体，其磁性可用核磁矩?来描述。?也是一个矢量,其方向与P的方向重合,大小由下式决定： ? =gn?eh/2 mp [I(I+1)]1/2=gn ? n [ I(I+1) ]1/2 (3) gN称为g因子或朗德因子,是一个与核种类有关的因数,可由实验测得；e为核所带的电荷数；mp为核的质量；?n= eh/2mp称作核磁子,是一个物理常数，常作为核磁矩的单位。 原子核的磁性和磁矩 和自旋角动量一样,核磁矩也是空间方向量子化的,它在z轴上的分量也只能取一些不连续的值： ?z= gn ? ? N ? m (4) m 为磁量子数，可取