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核磁共振波谱法NuclearMagneticResonanceSpectroscopy
第四章 核磁共振波谱法
(Nuclear Magnetic Resonance Spectroscopy, NMR)
§4.1 简介
1924年,泡利(Pauli)预见原子核具有自旋和核磁距;
1946年,斯坦福大学布洛赫(Bloch)和 哈佛大学珀塞尔(Purcell)分别同时独立地观察到核磁共振现象;
1952年,分享1952年诺贝尔物理奖;
1953年,第一台商品化核磁共振波谱仪问世;
1965年,恩斯特(Ernst)发展出傅里叶变换核磁共振和二维核磁共振;
1991年,被授予诺贝尔化学奖;
2002年,NMR领域再一次获诺贝尔化学奖;
核磁共振已成为最重要的仪器分析手段之一
核磁共振成像技术(Nuclear Magnetic Resonance Imaging,简称NMRI),是获取样品平面(断面)上的分布信息,称作核磁共振计算机断层成象,也就是切片扫描方式。核磁共振手段可测定生物组织中含水量分布的图像,这实际上就是质子密度分布的图像。现已对生物组织的病变和其含水量分布的关系作过广泛的研究。病变会使组织中的含水量发生变化,所以,通过水含量分布的情况就可以把病变部位找出来。
§4.2 核磁共振基本原理
一、 原子核的自旋
若原子核存在自旋,产生核磁矩:
自旋角动量:
I:自旋量子数;
h:普朗克常数;
γ: 磁旋比
自旋量子数(I)不为零的核都具有磁矩,原子的自旋情况可以用(I)表征:
质量数 原子序数 自旋量子数I
偶数 偶数 0
偶数 奇数 1,2,3….
奇数 奇数或偶数 1/2;3/2;5/2….
(1) I=0 的原子核 O(16);C(12);S(22)等 ,无自旋,没有磁矩,不产生共振吸收;
(2) I=1,2,3 ……. 的原子核:2H,14N,这类原子核的核电荷分布可看作一个椭圆体,电荷分布不均匀,共振吸收复杂,研究应用较少;
(3)I=1/2,3/2,5/2….的原子核: 1H,13C,19F,31P,原子核的电荷均匀分布,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,C,H也是有机化合物的主要组成元素。
二、 核磁共振现象
自旋量子数 I=1/2的原子核(氢核),可当作电荷均匀分布的球体,绕自旋轴转动时,产生磁场,类似一个小磁铁。
当置于外加磁场H0中时,相对于外磁场,可以有(2I+1)种取向:
(1)与外磁场平行,能量低,磁量子数m=+1/2;
(2)与外磁场相反,能量高,磁量子数m=-1/2;
两种取向不完全与外磁场平行,(=54°24’ 和 125 °36’。
两磁场相互作用, 产生进动(拉莫进动)进动频率( 0; 角速度(0;
(0 = 2( (0 = ( H0
( 磁旋比; H0外磁场强度;
两种进动取向不同的氢核之间的能级差:(E= (H0 ((磁矩)。
三、核磁共振条件
在外磁场中,原子核能级产生裂分,由低能级向高能级跃迁,需要吸收能量。
对于氢核,能级差:
(E= (H0 ((磁矩)
产生共振需吸收的能量:(E= (H0 = h (0
由拉莫进动方程:(0 = 2( (0 = (H0 ;
共振条件:
(1) 核有自旋(磁性核);
(2)外磁场,能级裂分;
(3)照射频率与外磁场的比值为
(1)对于同一种核 ,磁旋比( 为定值, H0改变,共振频率(0发生变化。
(2)不同原子核,磁旋比( 不同,产生共振的条件不同,需要的磁场强度H0和射频频率(0不同。
(3)固定H0 ,改变((扫频) ,不同原子核在不同频率处发生共振;也可固定( ,改变H0 (扫场)。扫场方式应用较多。
氢核(1H): 1.409 T 共振频率 60 MHz
2.305 T 共振频率 100 MHz
四、弛豫(relaxation)
Boltzmann分布:
Ni 与Nj分别是处于低能态与高能态的粒子数,
室温下比值为1.0000099,即每一百万个氢核中低能级的比高能级的多10个左右。
原子核由激发态回复到Boltzmann平衡的过程称为驰豫。
1、 自旋-晶格驰豫
自旋核与周围的粒子(固体的晶格,液体中的分子或溶剂分子)交换能量,也称纵向驰豫,用T1表示液体及气体的T1很小,只有几秒钟,固体的较大
2、 自旋-自旋驰豫
自旋核与自旋核交换能量,称横向驰豫,用T2表示。液体及气体的T2约为 1秒钟,固体及粘度大的液体由于核与核的距离小, T2很小,约为10-4秒。
§4.3 化学位移(chemical shift)
一、化学位移的产生
在外磁场作用下,运动着的电子产生一个与外磁场方向相反的感应磁场,抵消了部分外磁场的作
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