核磁共振概论

核磁共振概论第1页，课件共50页，创作于2023年2月

E=E2

E1

核磁共振谱(NMR)1952年,Nobel物理奖F.BlochandE.M.Purcell1991年,Nobel化学奖R.R.Ernst磁诱导核自旋能级裂分第2页，课件共50页，创作于2023年2月

核磁共振基本原理

核磁共振仪

核磁共振近期进展第3页，课件共50页，创作于2023年2月

核磁共振基本原理

核自旋,核磁矩

核磁共振

核弛豫第4页，课件共50页，创作于2023年2月核自旋

用自旋量子数I表示，I值与原子核的质量A和核电荷数（质子数或原子序数）Z有关。

第5页，课件共50页，创作于2023年2月

I=1/2:

1H1

13C6

15N7

19F9

31P15

57Fe26

77Se34195Pt78

199Hg80…I=3/2:

7Li3

9Be4

11B5

23Na11

33S16

39K1963Cu29

65Cu29

35Cl17

37Cl1779Br3581Br35...第6页，课件共50页，创作于2023年2月I=5/2:

17O8

25Mg12

27Al13

55Mn25

67Zn30…

I=1:

2H1

6Li3

14N7

I=2:

58Co27

I=3:

10B5

I=0:

12C6

16O8

32S16第7页，课件共50页，创作于2023年2月核磁矩

I

0的原子核

具有自旋

产生磁矩（

），

与自旋角动量P有关。

I值不同，原子核表面电荷分布情况不同，可用电四极矩eQ来衡量,eQ是核表面电荷偏离球体的物理量度.P=

=

·P第8页，课件共50页，创作于2023年2月

—

磁旋比（magnetogyricratio）

旋磁比（gyromagneticratio）第9页，课件共50页，创作于2023年2月电偶极矩：电量相等而符号相反的两个点电荷相距很小距离时,就构成电偶极矩。第10页，课件共50页，创作于2023年2月电四极矩：

两个大小相等、方向相反的电偶极矩相距很近时,构成电四极矩。电四极矩公式：

Q=2/5z(b2-a2)第11页，课件共50页，创作于2023年2月

原子核的电四极矩

第12页，课件共50页，创作于2023年2月

I=0,eQ=0:

核电荷均匀分布于球体表面，球形非自转体,

=0。

I=,eQ=0:

核电荷均匀分布于球体表面，球形自转体,

0第13页，课件共50页，创作于2023年2月I=1/2

eQ=0I>1/2

eQ>0I<1/2

eQ<0第14页，课件共50页，创作于2023年2月

eQ>0

核电荷非均匀分布，长椭球自转体，

0。如2H1,14N7

eQ<0

核电荷非均匀分布,扁椭球自转体，

0。如37Cl17，7Li3

I>核电荷在原子核表面呈非均匀分布第15页，课件共50页，创作于2023年2月

电荷均匀分布于原子核表面（I=,eQ=0）的核，核磁共振的谱线窄，有利于核磁共振检测。

电荷非均匀分布于原子核表面（I>,eQ

0）的核，都具有特有的弛豫机制（Relaxation）,导致核磁共振的谱线加宽，不利于核磁共振检测。第16页，课件共50页，创作于2023年2月

核磁共振

磁矩

的取向

自旋核在B0场中的进动

核磁共振第17页，课件共50页，创作于2023年2月

核磁共振

磁矩

的取向

I0的自旋核，具有一定的角动量P,(P=),核自旋产生磁矩

(

=

·P)。自旋核的取向，即磁矩

的取向。无外磁场（B0）时，磁矩

的取向是任意的。

第18页，课件共50页，创作于2023年2月在B0中

I

0的自旋核，磁矩

的取向不是任意的，而是量子化的，共有（2I+1）种取向。可用磁量子数m表示：m：I，I,-1，，-I,+1，-I

I=1/2的自旋核，共有2种取向

（+1/2，-1/2）

I=1的自旋核，共有3种取向（+1，0，-1）

第19页，课件共50页，创作于2023年2月在B0中原子核自旋角动量的空间量子化第20页，课件共50页，创作于2023年2月在B0中：

自旋角动量在Z轴（B0轴）上的投影：

PZ=m

磁矩

在Z轴（B0轴）上的投影：

Z=

·PZ=

·

m

磁矩与磁场相互作用能E=-

Z·B0=-

·

m·B0第21页，课件共50页，创作于2023年2月

量子力学选律可知，只有

m=1的跃迁，才是允许跃迁，所以相邻两能级之间的能量差：

E=E2

–E1

E=-

·

·

m·B0=

·

·B0

E∝B0

第22页，课件共50页，创作于2023年2月核能级被外磁场分裂第23页，课件共50页，创作于2023年2月

磁诱导产生自旋核的能级裂分

E=hh=

·

·B0

=·B0第24页，课件共50页，创作于2023年2月

自旋核在B0场中的进动

I

0的自旋核,绕自旋轴旋转(自旋轴的方向与

一致)，自旋轴又与B0场保持一

角，绕B0场进动（Precess）,或称Larmor进动。这是由于B0对

有一个扭力，

与B0平行，旋转又产生离心力，平衡时保持

角不变。第25页，课件共50页，创作于2023年2月第26页，课件共50页，创作于2023年2月

（经典力学分析，自旋核在B0中就象一个旋转的陀螺在地心场中。）第27页，课件共50页，创作于2023年2月进动的频率

=2

0=·B0

0=·B0

0∝B0第28页，课件共50页，创作于2023年2月

核磁共振

若在垂直于B0的方向加射频场B1，其频率为

1，在B1的作用下，会产生一个与自旋核旋进方向相同的回旋频率

1

第29页，课件共50页，创作于2023年2月第30页，课件共50页，创作于2023年2月第31页，课件共50页，创作于2023年2月

当

1=

0时，核就会吸收能量，由低能态（+1/2）跃迁至高能态（-1/2），这种现象称核磁共振。

第32页，课件共50页，创作于2023年2月共振吸收频率

例如

对于1HB0=1.41TG

=60MHz,

B0=2.35TG

=100MHz

=

·B0同一种核，=常数，

∝B0

第33页，课件共50页，创作于2023年2月B0一定时，不同的核，g不同，

不同。

例如：B0=4.7TG时，下列核的共振频率为：

1H

=26.752(107rad./s.T),200MHz13C

=6.728(107rad./s.T)50.3MHz19F

=

25.181(107rad./s.T)188.2MHz31P

=

10.841(107rad./s.T)81MHz(T=104高斯)第34页，课件共50页，创作于2023年2月第35页，课件共50页，创作于2023年2月产生NMR条件

（1）I

0的自旋核（2）外磁场B0（3）与B0相互垂直的射频场B1，且

1

=

0第36页，课件共50页，创作于2023年2月弛豫(Relaxation)高能态的核以非辐射的形式放出能量回到低能态,重建Boltzmann分布。

饱和（saturation）两种自旋状态的核数目完全相同，出现饱和。测定光谱时，如果照射电磁波的能量过大或扫描时间过长，就会出现饱和现象。第37页，课件共50页，创作于2023年2月弛豫过程：

第38页，课件共50页，创作于2023年2月自旋-格子弛豫（spin-latticerelaxation）（纵向弛豫longitudinalrelaxation）

格子：含有旋进核的整个分子体系。也称为“晶格”，意即“环境”并非指晶格点阵（因为样品呈液态）。在液体中，组成晶格的原子和分子都在进行平移、转动和振动。在这样的原子和分子中存在磁性核，因此会产生脉动磁场。在这些脉动磁场中，可能有一些磁场，它的频率与有些旋进核的频率相同。换句话说，在高能态的核附近，有可能产生能使它迁移到低能态的磁场。这样，高能态的核就被弛豫到低能态。这个时候放出的能量，作为平移、转动和振动的热能，传递到格子去。这种弛豫机制能保持过剩的低能态的核。

第39页，课件共50页，创作于2023年2月

自旋-格子弛豫过程的半衰期用T1表示（T1与样品状态及核的种类、温度有关）

液体T1～1s

固体或粘度大的液体，T1

很大。

第40页，课件共50页，创作于2023年2月自旋-自旋弛豫（spin-spinrelaxation）（横向弛豫：

transverserelaxation）在进行旋进运动而互相接近的两个核之间，互相交换自旋而产生的。进行旋进的核，在与外部磁场垂直的平面上有旋转的磁性矢量成分。高能态的核与低能态的核非常接近时，这个旋转小磁场会使对方核的自旋迁移。这种自旋的交换，叫做自旋-自旋弛豫或横向弛豫。这种弛豫不能保持过剩的低能态的核。第41页，课件共50页，创作于2023年2月

自旋-自旋弛豫过程的半衰期用T2表示。液体T2～1s

固体或粘度大的液体，T2很小，为

10-4～10-5s第42页，课件共50页，创作于2023年2月宏观磁化矢量M被射频脉冲倾倒后的弛豫过程第43页，课件共50页，创作于2023年2月

谱线宽度（

1/2）

T值越小，弛豫越有效。

T

值对半峰高宽度的影响，取决于二者中的较小者。

E·

t

h

1/2

1/T第44页，课件共50页，创作于2023年2月

核磁共振仪

磁体：永久磁体、电磁体、超导磁体

射频场(RadioFrequencyTransmitter)

连续波NMR:ContinualWave-NMR(CW-NMR)(探头probe,匀场系统,扫描系统Field-Sweep)(Frequency-Sweep，记录系统)第45页，课件共50页，创作于2023年2月第46页，课件共50页，创作