所谓核磁共振波谱-物理试验-西安交通大学.PPT

物理实验技术讲座 ----磁共振技术 核磁共振（NMR）一、核磁共振与诺贝尔奖二、核磁共振原理三、核磁共振波谱 四、核磁共振技术的应用五、问题与讨论 一、核磁共振与诺贝尔奖 历史上有16位科学家因为对核磁共振做出贡献而得到诺贝尔奖。 核磁共振的研究还在继续，包括在量子计算机领域的应用，相信还会有科学家得奖。 以下是主要的几次诺贝尔奖。 1952年诺贝尔物理学奖：布洛赫(Felix Bloch ) 珀赛尔 (Edward Purcell)因发展了核磁精密测量的新方法及由此所作的发现——核磁共振。 1946年美国斯坦福大学布洛赫(Felix Bloch ) 小组和哈佛大学珀赛尔 (Edward Purcell)小组分别用感应法和吸收法观察到宏观物体的核磁共振现象，即原子核的磁矩在磁场中对电磁波的吸收和发射，从此核磁共振成为人们研究物质微观结构的重要方法。 1991年诺贝尔化学奖：恩斯特R.R.Ernst（1933－） 瑞士物理化学家 他的主要成就在于他在发展高分辨核磁共振波谱学方面的杰出贡献。这些贡献： 脉冲傅利叶变换核磁共振谱 维核磁共振谱 核磁共振成像 2002诺贝尔化学奖: 瑞士科学家库尔特·. 维特里希 用核磁共振谱来决定生物大分子的三维结构。 2003年诺贝尔医学奖 :美国科学家保罗·劳特布尔 (Paul Lauterbur)和英国科学家彼得·曼斯菲尔德(Peter Mansfield )。 二、核磁共振原理 核磁共振主要是由原子核的自旋运动引起的。不同的原子核，自旋运动的情况不同，它们可以用核的自旋量子数I来表示。 自旋量子数与原子的质量数和原子序数之间存在一定的关系，大致分为三种情况，半数以上的原子核具有自旋，旋转时产生一小磁场。当加一外磁场，这些原子核的能级将分裂，即塞曼能级分裂。 讨论: 1. I=0 的原子核 ,如 O(16)；C（12）；S（22）等 ,无自旋，没有磁矩，不产生核磁共振吸收。 2. I=1 或 I 1的原子核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，核磁共振吸收复杂，研究应用较少； 3.Ｉ＝1/2的原子核 如 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，C，H也是有机化合物的主要组成元素,因此C，H的NMR谱研究得到广泛应用. 核磁矩 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。 能级分裂 当置于外加磁场B0中时，相对于外磁场，可以有（2I+1）种取向： 如氢核（I=1/2），两种取向（两个能级）： (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; 核磁共振的条件: 自旋磁旋与外磁场方向相同的核吸收能量后可以跃迁到较高能级，磁旋变为与外磁场方向相反． 电磁辐射可以有效地提供能量．因此可以在垂直外磁场方向再加一个射频场(高频电磁波),当其辐射能恰好等于跃迁所需要能量时，即E辐=hv=⊿E，就会发生这种自旋取向的变化，即核磁共振.此时: 由上式可求得不同磁场强度时发生共振所需的频率,反之亦然. 核磁共振的条件: (1) 核有自旋(磁性核) (2)外磁场,能级裂分; (3)辐射能量与外磁场有 核磁共振技术: 研究核磁共振有两种方法，一是连续波法或称稳态方法，是用连续的射频场作用到核系统上，观察到核对频率的响应信号。 另一种是脉冲方法，用射频脉冲作用在核系统上，观察到核对时间的响应信号。脉冲法有较高的灵敏度，测量速度快，但需要进行快速付里叶变换，技术要求较高。 连续波核磁共振操作技术: 1.固定磁场扫频； 2.固定辐射频率扫场. 扫场技术容易实现,一般连续波核磁共振技术都采用扫场技术. 扫描过程中信号的变化 饱和与弛豫: 饱和 在外磁场的作用下，氢核倾向于与外磁场取顺向的排列，所以处于低能态的核数目比处于高能态的核数目多，但由于两个能级之间能差很小，前者比后者只占微弱的优势,因此NMR信号十分微弱. 热平衡时,对于大量的原子核,处于不同能级的原子核的数量服从玻尔兹曼分布: 在室温300K, 处于能级为