核磁共振原理及其应用

核磁共振原理及其应用1第1页，共52页，2023年，2月20日，星期五04

固体材料核磁共振01核磁共振的发展及基本原理02常用的一维核磁共振方法03

二维核磁方法法在有机结构分析中应用主要内容05

核磁共振在生物化学及生物物理中的应用06

核磁共振技术的最新进展第2页，共52页，2023年，2月20日，星期五3参考教材：《有机化合物结构鉴定与有机波谱学》宁永成，科学出版社《核磁共振谱学》王乃兴，化学工业出版社第3页，共52页，2023年，2月20日，星期五核磁共振仪MRI核磁共振谱(NMR)NuclearMagneticResonanceSpectroscopy第4页，共52页，2023年，2月20日，星期五1.1

NMR发展简史

1924年，PauliW.假设特定的原子核具有自旋和 磁矩，放入磁场中会产生能级分裂1943年，斯特恩由于在分子束方法和质子磁矩研究中做出的重大贡献,荣获了诺贝尔物理学奖。1952年,Standford大学的Bloch和Harvard大学的Purcell独立证实了Pauli假设。获NobelPrize1953年，第一台NMR仪器问世1971年，Jeener首次提出二维核磁共振

1975～1976年间R.Ernst从理论和实践两方面对2DNMR进行了深入的研究，获1991年NobelPrize2002年K.Wüthrich发明了利用核磁共振技术测定溶液中生物大分子三维结构的方法,获2002年NobelPrize2003年，美国科学家PaulLauterbur与英国科学家PeterMansfield他俩因在磁共振成像技术方面的突破性成就，获诺贝尔医学奖。

l944年,美国科学家Rabi发明了研究气态原子核磁性的共振方法，获诺贝尔物理学奖。第5页，共52页，2023年，2月20日，星期五历次与NMR相关的诺贝尔奖第6页，共52页，2023年，2月20日，星期五1.1学院历史7第7页，共52页，2023年，2月20日，星期五8第8页，共52页，2023年，2月20日，星期五9第9页，共52页，2023年，2月20日，星期五10第10页，共52页，2023年，2月20日，星期五2.1核磁共振基本原理NMR的研究对象磁性原子核与电磁波的相互作用属于吸收光谱（波谱）范畴。根据核磁共振波谱图上共振峰的位置、强度和精细结构可以研究分子结构。磁性核：109种元素所有的核均带电荷，有些核具有角动量，即其电荷可以绕自旋轴自转(似带电的陀螺)第11页，共52页，2023年，2月20日，星期五(a)MagneticfieldCirculatingcharge(b)(c)AschematicconnectionbetweennuclearspinandnuclearmagnetismAxisofspinMagnet第12页，共52页，2023年，2月20日，星期五13第13页，共52页，2023年，2月20日，星期五

(a)地球重力场中陀螺的进动(b)磁场中磁性核的进动核的进动角频率：

=2=

B0在B0中，自旋核绕其自旋轴旋转，而自旋轴既与B0保持一夹角θ又绕B0场进动，类似陀螺的进动，称为Larmor进动第14页，共52页，2023年，2月20日，星期五15第15页，共52页，2023年，2月20日，星期五第16页，共52页，2023年，2月20日，星期五17第17页，共52页，2023年，2月20日，星期五18第18页，共52页，2023年，2月20日，星期五19第19页，共52页，2023年，2月20日，星期五能级上原子核个数的分布

热平衡时各能级上核的数目服从Boltzmann分布N/N=exp(-E/kT)E=h=hB0/2N/N=exp(-hB0/2kT)N

：高能级的原子核数N

：低能级的原子核数k：Boltzmann常数，1.3810-23JK-1第20页，共52页，2023年，2月20日，星期五若1H

核，B0=4.39T,20C时，则：N/N=exp[-(2.681086.6310-344.39)/(21.3810-23293)]

=0.999967对于106个高能级的核，低能级核的数目：

N=106/0.999967=1,000,033第21页，共52页，2023年，2月20日，星期五22第22页，共52页，2023年，2月20日，星期五23第23页，共52页，2023年，2月20日，星期五24第24页，共52页，2023年，2月20日，星期五25第25页，共52页，2023年，2月20日，星期五26第26页，共52页，2023年，2月20日，星期五•

自旋-晶格驰豫(spin-latticerelaxation)：高能级核返回低能级时失去能量，该能量被周围分子吸收转变成热运动，称自旋-晶格驰豫。晶格既可以是结晶晶格，也可以是溶液中待测分子的溶剂分子群。自旋-晶格驰豫反映体系与环境的能量交换。自旋-晶格驰豫速度服从一级反应速率方程，自旋-晶格驰豫的时间用T1表示。•

自旋-自旋驰豫(spin-spinrelaxation)：样品分子核之间的相互作用。高能态的核把能量传给低能态而自己回到基态。这种弛豫不改变高、低能级上核的数目，但任一选定核在高能级上的停留时间(寿命)改变。自旋-自旋驰豫的时间用T2表示。驰豫的两种方式：第27页，共52页，2023年，2月20日，星期五28第28页，共52页，2023年，2月20日，星期五NMR信号的灵敏度N/N=exp(E/kT)=exp(hB0/2kT)由于

E/kT很小，

N/N

1+E/kT=1+hB0/2kTN

B0，即：低能级核的数目与磁场强度呈线性关系，NMR信号的强弱随磁场强度成比例增加53年第一台仪器：B0=0.7T，1H共振于30MHz93年前后，用于NMR的超导磁体场强达17.5T，1H共振于750MHz化学学院：300MHz；400MHz；第29页，共52页，2023年，2月20日，星期五30核磁共振仪第30页，共52页，2023年，2月20日，星期五问题目前核磁共振仪器主要用于研究氢谱。按照公式：

=B0/2所有化合物的氢谱都是一样的，怎么能用于研究物质分子的结构？第31页，共52页，2023年，2月20日，星期五32第32页，共52页，2023年，2月20日，星期五33第33页，共52页，2023年，2月20日，星期五34第34页，共52页，2023年，2月20日，星期五35第35页，共52页，2023年，2月20日，星期五36第36页，共52页，2023年，2月20日，星期五37第37页，共52页，2023年，2月20日，星期五38第38页，共52页，2023年，2月20日，星期五39第39页，共52页，2023年，2月20日，星期五40第40页，共52页，2023年，2月20日，星期五41第41页，共52页，2023年，2月20日，星期五42第42页，共52页，2023年，2月20日，星期五问题采用高分辨的核磁共振谱仪获得的光谱发生谱线分裂现象，为什么？第43页，共52页，2023年，2月20日，星期五44第44页，共52页，2023年，2月20日，星期五45第45页，共52页，2023年，2月20日，星期五46第46页，共52页，2023年，2月20日，星期五47第47页，共52页，2023年，2月20日，星期五48第48页，共52页，2023年，2月20日，星期五49第49页，共52页，2023年，2月20日，星期五相邻原子上的质子数以n表示，则简单氢谱NMR谱线的裂分数为n+1。谱线分裂数的n+1规则:(a+b)n展开式的各项系数n 二项式展开系数 峰型11121331146