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仪器分析核磁共振波谱法（NMR）,2208521314057 王琬,2208521314057 王琬,什么是核磁共振波谱法,核磁共振波谱法（英语：Nuclear Magnetic Resonance spectroscopy，简称 NMR spectroscopy 或NMR），又称核磁共振波谱，是将核磁共振现象应用于测定分子结构的一种谱学技术。目前，核磁共振波谱的研究主要集中在1H（氢谱）和13C（碳谱）两类原子核的波谱。,2208521314057 王琬,核磁共振波谱法（NMR）的发展历史,2208521314057 王琬,核磁共振（NMR）波谱的原理,原子核由质子和中子组成，质子带正电荷，中子不带电，因此原子核带正电荷，电荷数等于质子数,大多数原子核都围着某个自身轴作旋转运动，因此，其本身所带正电荷就会形成环形电流，从而产生一种核磁矩。当以电磁波照射置于磁场中的这种原子核，则会发生某种频率能量的吸收。吸收后原子核能量发生变化，并发出核磁共振信号，这就是核磁共振现象。,一、原子核的磁性质,2208521314057 王琬,1.原子核的自旋 原子核是具有一定质量和体积的带电粒子，大多数原子核都围绕着某个轴自身作旋转运动，这种自身旋转称为自旋运动。有机械的旋转就有角动量产生，核由自旋产生的角动量是一个矢量，其方向服从右手定则，与自旋轴重合。自旋角动量的绝对值为：,式中，P 为核自旋角动量的最大可观察值，I 为核自旋量子数，h 为普朗克常数。,2208521314057 王琬,核自旋量子数与原子量与原子序数有关，详见下表。,I = 0 的核没有自旋现象，不产生 NMR 信号；I1/2 的核，有电四极矩，不适于 NMR 研究； I = 1/2 的核，其电荷呈球形发布，是 NMR 中最主要的研究对象，尤以 1H1 和 13C6 核研究的最多。,核磁共振波谱法（NMR）,方法原理1核自旋磁能级原子核带正电荷，有一定质量，还具有自旋现象，因此具有磁矩。描述核自旋运动固有特性的是核的自旋量子数J，不同核素具有不同的I值。凡，0的核，在外加静磁场B。中，核磁矩受到力矩作用，像陀螺似的绕B。作旋进运动(拉伸进动)，原来简并的核自旋能级便分裂成(2J+1)个分立的能级，能级的高低由核白旋磁量子数M，(其取值为M，=I，卜一1，一工)决定。,梅奥国际：,2核磁共振条件被分析试样放在静磁场B。中，再施加一频率为v(通常在射频区)的电磁辐射B-，其能量矗v恰好与试样中欲分析的指定核素的相邻磁能级的能量间隔E相等时，核体系将会吸收电磁辐射产生能级跃迁，此即核磁共振现象。选律规定了只有相邻能级间的跃迁才是允许的，即M，一1。因此，每种核素的共振只有一个数值，其共振必须满足：式中，v是共振频率，MHz；叫是圆频率(叫一2v)，rads；E是能级差，J；M，是核的自旋磁量子数之差；B。是静磁感应强度，T；y是核的旋磁比，rad(Ts)；是普朗克常数，Js。凡，一O的核(如地c等)是不会有核磁共振信号的。,梅奥国际：,3 化学位移6实际上，某种核素的共振频率在不同化学基团中略不相同。因为核外化学环境不同，电子云分布不同，对核的屏蔽作用不同，核实际所感受到的外加的静磁感应强度不同，因此共振频率也就不同。一是屏蔽常数。a综合了核外电子的屏蔽、化合物分子内部各基团的屏蔽及近邻的分子所产生的屏蔽效应。尽管不同化学环境的一的差别甚微，但却构成核磁共振方法作为结构分析的最重要的信息和基础之一。同一化学环境的核在不同磁感应强度B。(不同仪器场强皆不相同)下共振频率是不同的。因此用频率(Hz)来表示这同一共振峰显然是极不方便的。为了统一起见，采用一个无量纲的相对差值，称为化学位移，用符号占来表示。由于化学位移值很小，因此将它扩大10倍。标是某公认的标准物中指定核的共振频率；vR是被测试样中该核的共振频率；v。是仪器公称频率。化学位移的基准是人为规定的，目前公认用四甲基硅烷(TMS)兼作为H，坞C，。Si核的基准。,梅奥国际：,4 自旋的耦合与耦合常数核自旋量子数I0的核在静磁场中有(2J+1)种自旋状态，它们的磁矩的方向与大小各不相同，所形成的附加磁场通过化学键中的成键电子而作用于其他核，这种作用是相互的，被称为自旋一自旋耦合。这些耦合作用导致核磁能级或谱线进一步分裂成精细结构。分析这种精细结构的形成可确定分子内各种基团之间的连接关系，进而获取分子总体的结构。因此自旋耦合是核磁共振波谱法中另一个极其重要的信息，并且是不能从质谱、红外光谱、紫外及可见光谱等方法中得到的特有的信息。以I=12的H核为例，核的自旋运动产生自旋磁场。在静磁场B。中，因H核有两种自旋取向a与舟，它们分布于能量相近的两个核磁能级上，并且每个能级上的粒子(核)数布居数几乎相等，其自旋磁场就相应地顺着B。和逆B。方向。这两种自旋磁场经价键电子传递，使近邻核的谱峰裂分为两支，其强度取决于处于两种取向的H核的数目之比，根据玻尔兹曼分布应几乎是1：1，其裂距称为耦合常数，记以J，单位为Hz。耦合常数J的大小取决于连接两耦合核的种类、核间距离、核间化学键的个数和类型，以及它们在分子结构中所处的位置，因此可从中获取结构信息。值得注意的是，它与外加静磁场强度B。无关，这点不同于化学位移。,梅奥国际：,5饱和与弛豫无外磁场作用时，核体系的各种自旋状态处于简并状态，各状态的布居数是相等的。当施加一外加静磁场B。后，一旦达到热平衡态，不同自旋状态的核子。H核为例，在T一300K，B。一1T时，每2()()万个核子中处于低能态的粒子只比高能态的多7个。核磁共振吸收恰恰是靠这极其微小差额的核吸收射频场B-的辐射能而被检测出来。因此，NMR方法的灵敏度是比较低的，检测时所需试样量常常要在毫克级以上。倘若体系吸收了足够强的射频场B。的辐射能，使相邻能级上的粒子数相等，这时体系不再呈现净吸收而不能测得核磁共振信号，此现象称为饱和。然而NMR信号之所以能维持是靠弛豫。弛豫是高能态的核以非辐射方式释放出能量，转变成低能态的核，最后恢复到原始热平衡态的过程。它分为纵向弛豫与横向弛豫两类。纵向弛豫是高能态核的能量以热的形式传递给周围环境，如固体品格、周围液体分子和溶剂分子等的过程，也称白旋一晶格弛豫，用该过程的半衰期Tt来表征。横向弛豫是体系自旋状态的交换过程，又称自旋一自旋弛豫，相应以T。来表征。饱和与弛豫是核磁共振中极重要的现象，是在脉冲傅里叶变换实验的参数设定时必须认真考虑的重要因素。,梅奥国际：,梅奥国际：,6 脉冲傅里叶变换NMR脉冲傅里叶变换NMR的特点是在固定静磁场B。下，对试样施加一系列射频脉冲，每次脉冲过后，立即由计算机采集共振信号，累加这些信号后，作傅里叶变换的数学处理，再行修正加工，即成为NMR谱图。a 脉冲的作用一个连续、等幅、频率为v。的射频波，一旦受到脉冲方波序列的调制后，分析其频谱成分，可发现它是以v。为中心的具有多种分立频率成分的混合射频波，其中心频率为v。，而各频率分量之间的距离等于脉冲周期的倒数。在中心频率v o左右相当宽的频谱区域内，各频谱分量之强度几乎不变，而又足以覆盖欲观测核的整个共振频率相当宽范围。这样的射频脉冲作用于试样，就相当于一个多波道而又几乎等幅度的射频发生器，使试样中具有各自共振频率的被测核一个不漏地同时发生共振激发。b 傅里叶变换的作用在脉冲激发方式下，由于各种频率的共振核同时被激发，脉冲过后受激发核按各自的弛豫过程，随时间以指数函数逐渐释放能量。接收的这种信号被称为自由感应衰减(free induction de(：ay)信号，简称为FID。它是具有各种共振频率相干的时间域的函数()。将时域的FID信号经过傅里叶变换(ForJriertrans()rmation，FT)，转变成为通常的频谱图，即所谓波谱。可见，傅里叶变换正好相当于一台多波道的接收机的作用，它巧妙地与脉冲方式相配合，才能获