核磁共振MRI的原理及简介

1、核磁共振NMR是由磁性核受幅射而发生跃迁所形成的吸收光谱。研究最多、应用最广的是1H核的NMR1 1945年以F. Bloch和E.M.Pucell为首的两个研究小组几乎同时发现了核磁共振(nuclear magnetic resonance) 现象.他们二人因此而获得1952年诺贝尔物理奖.今天核磁共振已成为鉴定有机化合物及研究化学动力学等的极为重要的方法.核磁共振能提供四种结构信息:化学位移、偶合常数、核信号强度和驰豫时间。通过这些信息的分析，可以了解特定原子的化学环境、原子个数、邻近基团的种类及分子的空间构型。所以核磁共振在化学、生物学、医学和材料科学等领域的应用日趋广泛。2 特别是近2

2、0年来，随着超导磁体和脉冲傅立叶变换法的普及，NMR的新技术、新方法不断涌现，如二维核磁共振技术、差谱技术及固体核磁共振技术的发展，使核磁共振的分析方法和技术不断完善，应用范围日趋扩大，样品用量大大减小，灵敏度大大提高。NMR也可以作定量分析，但误差较大，不能应用于痕量分析。3虽然一小部分核磁共振仪器在工业上被用来做质量控制,但核磁共振仪器现大部分仍局限在实验室使用.应用范围:结构确定 Structure Determination化学鉴定 Chemical Identification聚合物特性测定 Polymer Characterization药品开发 Drug Development催

3、化研究 Catalysis用户:化学公司 Chemical Companies药剂化学 Pharmaceutical Companies石油化工 Petrochemical Industry高分子材料Polymer Industry大学 Universities医院 Hospitals4核磁共振研究的材料称为样品. 样品可以处于液态,固态. 众所周知,宏观物质是由大量的微观原子或由大量原子构成的分子组成, 原子又是由质子与中子构成的原子核及核外电子组成.核磁共振研究的对象是原子核.一滴水大约由1022分子组成.HCHHmmm (10-6m)nm (10-9m)A (10-10m)5一、核磁共振

4、的基本原理1 原子核的自旋与自旋量子数6氢原子核的自旋会沿着它的自转轴产生一个微小的磁场，它本身就好象一个小磁铁一样。它有磁矩，此磁矩在空间取向是任意的。7 核磁共振研究的对象：具有磁矩的原子核。原子核是带正电的粒子。其自旋运动将产生磁矩，但并非所有同位素的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。 原子核的自旋运动与自旋量子数I 有关。I=0的原子核没有自旋运动，I 不等于0的原子核有自旋运动。 原子核可按I 的数值分为以下三类。8（1） 质量数为奇数的核，如1H，13C，17O，19F，31P等，自旋量子数为“半整数”。（2） 质量数为偶数，而电荷数（原子序数）为奇数的核如2H

5、，14N自旋量子数为整数（1，2，3.）。（3） 质量数与电荷数都为偶数的核，如12C，16O等，自旋量子数为零。9原子核磁矩和自旋角动量P之比为一常数，称为磁旋比，用以表示各种核的特征常数。不同的原子核值不同。2. 原子核的磁矩103. 核磁共振的条件11拉摩尔进动与核磁共振12 (a) (b)D E=mHo-(-mHo)=2mHo m为核磁矩, 13两个能级的能量分别为：两式相减：又因为，所以，14即，也就是说，当外来射频辐射的频率满足上式时就会引起能级跃迁并产生吸收。15原子核间的相互作用分子中的原子并不是孤立存在,它不仅在相互间发生作用也同周围环境发生作用,从而导致相同的原子核却有不同

6、的核磁共振频率.Larmor 频率化学位移自旋-自旋偶合e.g. B0=11.7 T, w(1H)=500 MHzw(13C)=125 MHz化学位移 B0 kHz自旋-自旋偶合 Hz-kHz16（1） 对于不同的原子核，由于磁旋比值不同，发生共振时的条件就不同，如将H固定，则射频频率值不同。（2） 对于同一种原子核来说，值一定，共振频率值随外磁场而改变。 17 共振条件式：2mHo = hn ， n =2(m/h)Ho 在外磁场中的原子核对射频的吸收称为核磁共振。Oscillator coilEnergy absorbedEnergy lostmore stable state less s

7、table state 处于高能级的质子通过各种途径把能量传递给环境，称为“松弛”过程，在医疗上有重要用途。 在一定的的Ho下，要使氢核跃迁，必须使用相应值的射频。如Ho=14092Gs时，要使氢核跃迁，必须使用60MHz的无线电波。H118= 19 当氢核在一定磁场强度下吸收了频率匹配的能量而反转其磁矩的取向产生核磁共振现象时记录这种吸收信号，就得到质子磁共振谱(Proton Magnetic Resonance, PMR 或1HNMR)。 由共振条件式n =2(m/h) Ho看出，固定Ho，改变n ，或者固定n ，改变Ho，都可使H核发生共振吸收。目前所用的核磁共振仪都是采用后一种方式，称

8、为“扫场”。即通过连续改变外磁场强度进行扫描(无线电波频率固定)，当磁场强度与照射频率正好满足共振条件时，某些氢核吸收电磁波能量，低能量取向的氢核就翻转过来，给出吸收信号。201.横坐标为化学位移 d3. 1,3-二氯丙烷在 d2.25和 d3.70处有二组信号。告知化合物中有2种不同类型的氢。C1和C3共四个氢是同类氢，C2 上的2个氢是另一种同类氢。判断分子中的氢是否同类氢，可依次用其他原子或基团代替氢原子，看所得化合物是否为同一化合物, 属相同的为同类氢，反之, 为非同类氢。2. d=0的吸收信号是参考物 四甲基硅烷Si(CH3)4,TMS 的吸收峰。21 4. 积分曲线。这是核磁共振仪

9、自动测量吸收峰面积，并通过积分转化为高度。高度等同即为吸收峰面积等同，而面积正比于给出此峰信号的氢的个数。此高度并不告知每类氢的绝对个数，只告知各类氢的相对比例。 5.图中2组峰由于各自受邻近氢的干扰而裂分成多重峰，称为自旋-自旋偶合。223、积分曲线告知各类氢的相对数目比，利用分子式中总氢原子数，就可计算出各类氢的个数；4、峰的裂分数告知该氢邻近的结构情况。 由于有机物的主体是碳和氢， 1HNMR提供这四个方面的信息对推测结构极有价值。由此可知，1HNMR可提供下列方面的信息：1、有几组峰，告知该化合物中有几类氢；2、峰的化学位移值d告知该类氢在化合物中的成键情况；23二、化学位移1. 化学

10、位移的产生核磁共振条件：= H0/2屏蔽作用 H=Ho -屏蔽常数 H实=Ho-H Ho H共振条件：24在磁场中,由于原子核外电子的运动而产生一个小的磁场Be(local field).此小磁场与外加磁场(B0)方向相反.从而使原子核感受到一个比外加磁场小的磁场(B0+Blo).此一现象我们称做化学位移作用或屏敝作用.B0Be原子核实际感受到的磁场:B = (1-s) B0s化学位移常数25二、 化学位移 1、屏蔽效应（Shielding effect） H有效H0H感应H0H0H0（1）：屏蔽常数，电子的密度越大，屏蔽常数越大 核外电子对外加磁场的抵消作用称屏蔽效应 共振方程： H有效 核

11、外电子对外磁场的追加（补偿）作用称去屏蔽效应。去屏蔽效应使吸收峰位置向低场位移屏蔽效应使吸收峰位置向高场位移 （Ho H感应）226 1950年，W. G. Proctor 和当时旅美学者虞福春研究硝酸铵的14N NMR时，发现硝酸铵的共振谱线为两条。显然，这两条谱线对应硝酸铵中的铵离子和硝酸根离子，即核磁共振信号可反映同一种核的不同化学位移。 有机化合物中的质子与独立的质子不同，它的周围还有电子，在电子的影响下，有机化合物中质子的核磁共振信号的位置与独立的质子不同。 化学位移（chemical shift):原子核如质子由于化学环境所引起的核磁共振信号位置的变化。27质子在不同化学环境下的核

12、磁共振信号28在照射频率确定时，同种核因在分子中的化学环境不同而在不同共振磁场强度下显示吸收峰的现象称为化学位移。2、化学位移的表示方法化学位移的差别约为百万分之十，精确测量十分困难，现采用相对数值。以四甲基硅（TMS）为标准物质，规定：它的化学位移为零，然后，根据其它吸收峰与零点的相对距离来确定它们的化学位移值。29不同类型的氢产生共振吸收的Ho稍有不同。其原因之一是因为Ho在达到氢核之前要先遇到电子层。电子层在Ho作用下被诱导出一个环电子流，它产生一个次级磁场，其方向在核区是与Ho对抗的。s称为屏蔽常数次级磁场Hos环电子流Ho图 电子云的抗磁屏蔽效应H实=HoHos =Ho(1-s)30

13、 氢核真正感受到的实感磁场(H实)已不是原来的Ho，而是小了一些。这就是电子云产生的抗磁屏蔽效应。屏蔽常数s正比于核外电子密度。核外电子密度较大的同类氢， s值较大，在较高Ho发生共振吸收，反之，在较低Ho产生共振吸收。H实=HoHos =Ho(1-s)次级磁场Hos环电子流Ho图 电子云的抗磁屏蔽效应31化学位移 由于Ho数值很大，例如使用60MHz电磁场，Ho约为14000Gs，其绝对值不易正确测量。为此引入TMS作为参考物，把它的氢核产生共振吸收的Ho定为零点，测定其它类型氢所需Ho的相对位移值DHo。DHo=Ho样品HoTMS（1） 但是由于Ho数值又取决于使用的电磁波频率: Ho=(

14、h/2m)no，所以不同频率的仪器所测得的DHo就会不同，数据没有可比性。为了抵消这种因素的影响，将（1）式除以HoTMS。DHo Ho样品HoTMSHoTMSHoTMSd (化学位移) （2） (2)式即为化学位移的定义式。其物理意义为：单位磁场强度所引起的样品值和参考值的相对位移。是无度量单位的。只要仪器保持稳定，DHo数值可以正确测量.32因为Ho与电磁波频率成正比: no =(2m / h) Ho ，所以有 Dno no样品 noTMS no no d(3) Ho或no数值很大（百万级），而DHo或Dno 数值极小（0102Gs或Hz），所以d数值在10-6数量级，为了使用方便，将（3

15、）106:如果仪器使用的为60MHz，则根据（4）式，有 Dno = d60Hz d = (Dno/ no)106 (ppm) (4) 即1d相当于60Hz，此种仪器的分辨率较低。如果使用600MHz(超导磁场)，则： Dno = d600Hz，1d 相当于600Hz，仪器的分辨率提高了10倍。 高分辨的NMR仪能将在低兆赫仪器上重叠交错在一起的相近信号拉开。33各类氢的化学位移值质子类型 d(ppm) 质子类型 d(ppm)烷烃 RH 0.9 1.5 酚 ArOH 4 8 烯氢 C=CH 4.5 6 醛 RCHO 9 10炔氢 CCH 2 3 酸 RCOOH 10 13芳环氢 ArH 6 9

16、 * RCO-OCH3 ,R-O-CH3 3.5 4苄基型 ArC H3 2.2 3 R-COCH3 2 2 .5烯丙型 C=CCH3 1.7 R-CH2-X 2.5 4 醇,胺 R-OH,R-NH2 1 5 * (X=Cl、Br、I)*：苯分子中的氢d =7.3; *：随溶剂、浓度、温度而变化，与氢键形成有关。34d值由小到大的方向，磁场强度由高到低。磁场强度降低35 三组峰，积分高度比为8.8:2.9:3.8; 总积分高度= 8.8+2.9+3.8=15.5,分子中共16个H。则各组峰所含的氢原子数目及归属为： d 1.28(s): (8.8 15.5) 16H= 9.1H 9H -C(C

17、H3)3 d 2.28(s): (2.9 15.5) 16H= 3.0H 3H Ar-CH3 d 7.1(dd): (3.815.5) 16H= 3.9H 4H Ar-H 36丙醛的1HNMR37丙酮的1HNMR38乙酸的1HNMR39屏蔽作用的大小豫核外电子云密度有关。绕核电子云密度大，核所收的屏蔽作用愈大，核实际受到的磁场强度降低愈多，共振时外加磁场强度就必须增加的愈多。而电子云密度和氢核所处的化学环境有关，因此由屏蔽作用引起的共振时磁场强度的移动现象称为化学学位移。由于化学位移的大小与氢核所处的化学环境有密切的关系，因此就有可能根据化学位移的大小来了解氢核所处的化学环境，即了解有机化合物

18、的分子结构。402 化学位移的表示方法41一般都用适当的化合物作为标准物质，测定样品和标准物质的吸收频率之差，这个差值即化学位移。因此，化学位移是相对于某一标准物质而言的，对氢核的波谱一般常用四甲基硅（TMS）的质子共振吸收峰作为参考标准。TMS的结构式为：42用TMS作为标准物，有以下优点：（1） TMS分子中有12个相同化学环境的氢，核磁共振信号为但一尖峰，用少量的TMS即可测出核磁共振信号。（2） 因为Si的电负性（1.9）比C的电负性（2.5）小，TMS质子处在高电子密度区，产生较大的屏蔽效应。它产生NMR信号所需的磁场强度比一般有机物质子产生NMR信号所需磁场强度都大，与样品信号之间

19、不会互相重叠干扰。（3） TMS化学性质不活泼，与样品之间不发生化学反应和分子间缔合。（4） TMS易溶于有机溶剂，沸点低（27），回收样品容易。但TMS不溶于重水，用重水测谱时，要用其它标准物。例如可用水溶性更好的4，4-二甲基-4硅代戊磺酸钠（DSS）。43化学位移的表示方法：（1）用赫兹Hz表示化学位移 从共振方程式可以看出，共振频率与外磁场强度成正比，磁强度不同，同一种质子的共振频率就不同。若用磁场强度或频率表示化学位移，则使用不同照射频率的仪器所得的化学位移值不同。 例如：化合物CH3CCl2CH2Cl 1,2,2-三氯丙烷 在60MHz NMR仪器上测得的谱图如下：44(2) 用位

20、移常数值表示化学位移 化学位移通常用位移常数值表示。位移常数值的定义为：4560MHz仪器 100MHz仪器 46规定TMS的=0，一般有机化合物中的氢核的屏蔽作用均小于TMS中氢核的屏蔽作用，发生共振所需外磁场强度均比TMS中质子共振所需的外磁场强度小，故一般有机化合物中的氢核的峰出现在TMS的左边。 473、化学位移的测量化学位移是相对于某一标准物（一般常用四甲基硅为标准物）而测定的，相对值较易测量，精确度高。测定时一般都将四甲基硅放在样品溶液中作为内标。 48测定化学位移有两种实验方法：一是固定照射频率，不断改变磁场强度H0，从低场向高场变化，当和H0符合匹配条件时，就会产生吸收信号，在

21、谱图上出现由吸收峰，这种方式称为扫场。另一种是采用固定磁场强度H0，而改变照射频率的方法，称为扫频。一般仪器多采用扫场的方法。491.横坐标为化学位移 d3. 1,3-二氯丙烷在 d2.25和 d3.70处有二组信号。告知化合物中有2种不同类型的氢。C1和C3共四个氢是同类氢，C2 上的2个氢是另一种同类氢。判断分子中的氢是否同类氢，可依次用其他原子或基团代替氢原子，看所得化合物是否为同一化合物, 属相同的为同类氢，反之, 为非同类氢。2. d=0的吸收信号是参考物 四甲基硅烷Si(CH3)4,TMS 的吸收峰。50 4. 积分曲线。这是核磁共振仪自动测量吸收峰面积，并通过积分转化为高度。高度

22、等同即为吸收峰面积等同，而面积正比于给出此峰信号的氢的个数。此高度并不告知每类氢的绝对个数，只告知各类氢的相对比例。 5.图中2组峰由于各自受邻近氢的干扰而裂分成多重峰，称为自旋-自旋偶合。513、积分曲线告知各类氢的相对数目比，利用分子式中总氢原子数，就可计算出各类氢的个数；4、峰的裂分数告知该氢邻近的结构情况。 由于有机物的主体是碳和氢， 1HNMR提供这四个方面的信息对推测结构极有价值。由此可知，1HNMR可提供下列方面的信息：1、有几组峰，告知该化合物中有几类氢；2、峰的化学位移值d告知该类氢在化合物中的成键情况；524、影响化学位移的因素 核的化学位移与该核所处的化学环境所决定的屏蔽