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核磁共振-氢谱讲解
核磁共振波谱法(NMR)
Nuclear Magnetic Resonance Spectroscopy
(1)核磁共振现象的发现
Bloch 等于 1945 年发现:特定结构中的磁核会吸收一定波长或频率的电磁波而实现能级跃迁,从而开辟了核磁共振分析的历史,并因此获得1952年的诺贝尔物理学奖。
Felix Bloch Edward Mills Purcell
(布洛赫,瑞士) (美国)
01
一些原子核(如1H, 13C, 19F等)在强磁场中会产生能量分裂,形成能级。当用一定频率的电磁波对样品进行辐照时,特定结构环境中的原子核会吸收相应频率的电磁波而实现共振跃迁。
频率
NMR的研究对象?
磁性核与电磁波之间的相互作用。
(2)脉冲傅立叶变换核磁共振仪的发明
Ernst 1966年发明了脉冲傅里叶变换核磁共振技术,促进了13C、15N、29Si核磁及固体核磁技术的应用,因而获得了1991年诺贝尔化学奖。
Richard R. Ernst
(恩斯特,瑞士)
PulseFT-NMR
02
(3)核磁共振成像技术(MRI)
脑部的磁共振图像 核磁共振成像仪
上世纪80年代,开发成功了核磁共振成像技术,利用人体组织中的氢原子核的核磁共振现象进行成像。
03
(4)目前的应用领域
随着以上各类技术的发展,核磁共振分析技术已获得显著进展,其应用领域已从溶液体系扩展到固体材料:
物质的分子结构与构型研究;
生理生化及医学领域的研究;
医疗领域;
固体材料如玻璃、高分子材料等的开发;
物质的物理性能研究;
05
(5)分析类型
原则上凡自旋量子数不为零的原子核均能测得 NMR信号,但目前为止仅限于1H、13C、19F、31P、15N 等原子核,其中氢谱和碳谱应用最为广泛。
06
1. 原子核的自旋
并非所有原子核都有自旋运动。
只有存在自旋运动的原子核才有磁矩,才是核磁共振研究的
对象。具有自旋运动的原子核都具有一定的自旋量子数 I ,
I=1/2 n(n=0,1,2,3…)。
原子序数
(核电荷数)
质量数
自旋量子数
自旋现象
实例
偶数
偶数
0
无
126C、168O、3216S
奇、偶数
奇数
半整数
有
11H、136C、199F、3115P
奇数
偶数
整数
有
21D、105B
自旋量子数不为零的核是核磁共振研究的对象,其中I= 1/2的原子核可看作核电荷均匀分布的球体,并象陀螺一样自旋,有磁矩产生,是核磁共振研究的主要对象,其核磁共振谱线窄,最适宜于核磁共振检测分析。
07
当自旋核置于外磁场H0中时,相对于外磁场,其自旋取向是量子化的,可用磁量子数m来表示,m=I,I-1,I-2,…,-I,共有(2I+1)种。
2. 自旋核在磁场中的取向和能级
氢核在外加磁场中的行为
(1)无外加磁场时,样品中的氢核任意取向。
(2)放入磁场中,核的磁角动量取向统一,与磁场方向平行或反平行。
顺磁场排列,能量低,磁量子数m=+1/2;
反磁场排列,能量高,磁量子数m=-1/2。
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3. 核的回旋和核磁共振
当一个原子核的核磁矩处于磁场H0中,有核自身的旋转,而外磁场又力求它取向于磁场方向,在这两种力的作用下,核会在自旋的同时绕外磁场的方向回旋,类似于旋转的陀螺,这种运动称为Larmor进动。 1H核的两种取向(±1/2)不完全与外磁场平行。
原子核在静磁场中的运动(Larmor进动)
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氢核(I=1/2),两种取向,
即:两个能级,能量差为:
在静磁场中,原子核发生能级分裂,能量是量子化的,相邻能级差与静磁场强度成正比。
4. 核磁共振的产生及条件
(3)辐射能量等于磁核能级差
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核磁共振方程:
5. 弛豫过程
一组1H核在磁场作用下一分为二,若由低能态吸收能量跃迁至高能态与高能态释放能量回到低能态
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