第1章NMR基础.

1第一章核磁共振波谱法(NuclearMagneticResonanceSpectroscopy,NMR)2第一节概论核磁共振（简称为NMR）是指处于外磁场中的物质原子核系统受到相应频率（兆赫数量级的射频）的电磁波作用时，在其磁能级之间发生的共振跃迁现象。检测电磁波被吸收的情况就可以得到核磁共振波谱。就本质而言，核磁共振波谱是物质与电磁波相互作用而产生的，属于吸收光谱（波谱）范畴。3发展历史1924年Pauli预言了NMR的基本理论：同时具有自旋和磁量子数的核在磁场中会发生分裂；1946年，Harvard大学的Purcell和Stanford大学的Bloch各自首次发现并证实NMR现象(分别观测到水、石蜡中质子的核磁共振信号)，并于1952年分享了Nobel奖；NMR发展最初阶段的应用局限于物理学领域，主要用于测定原子核的磁矩等物理常数。41950年前后,W.G.Proctor等发现,处在不同化学环境的同种原子核有不同的共振频率(即化学位移)。接着又发现因相邻自旋核而引起的多重谱线(即自旋—自旋耦合)，这一切开拓了NMR在化学领域中的应用和发展。1953年Varian开始商用仪器开发，并于同年试制出了第一台NMR仪。1956年,Knight发现元素所处的化学环境对NMR信号有影响,而这一影响与分子结构有关。520世纪60年代,计算机技术的发展使脉冲傅里叶变换核磁共振方法和谱仪得以实现和推广,引起了该领域的革命性进步.随着NMR和计算机的理论与技术的发展,NMR在广度和深度方面均出现了新的飞跃性进展,具体表现在以下几方面：1.仪器向更高的磁场发展，以获得更高的灵敏度和分辨率，现己有300、400、500、600MHz，甚至1000MHz的超导NMR谱仪；2.利用各种新的脉冲系列,发展了NMR的理论和技术,在应用方面作了重要的开拓；63.提出并实现了二维核磁共振谱以及三维和多维核磁谱、多量子跃迁等NMR测定新技术，在归属复杂分子的谱线方面非常有用。瑞士核磁共振谱学家R.R.Ernst因在这方面所作出的贡献，而获得1991年诺贝尔化学奖；4.固体高分辨NMR技术、HPLC-NMR联用技术、碳氢以外核(异核)的研究等多种测定技术的实现大大扩展了NMR的应用范围；5.核磁共振成象技术等新的分支学科出现，可无损测定和观察物体以及生物活体内非均匀体系的图象，在许多领域有广泛应用，也成为当今医学诊断的重要手段。7第二节NMR基本原理原子核的基本属性原子核的质量和所带电荷:原子核由质子和中子组成，其中质子数目决定了原子核所带电荷数，质子与中子数之和是原子核的质量。原子核的质量和所带电荷是原子核最基本的属性。原子核一般的表示方法是在元素符号的左上角标出原子核的质量数，左下角标出其所带电荷数(有时也标在元素符号右边，一般较少标出）。如：由于同位素之间质子数相同而中子数不同，即它们所带电荷数相同而质量数不同，所以原子核的表示方法可简化为只在元素符号左上角标出质量数，如1H、2D（或2H）,12C、13C等。8原子核的自旋和自旋量子数*原子核有自旋运动,在量子力学中用自旋量子数I描述原子核的运动状态。*自旋量子数I的值与核的质量数和所带电荷数有关,即与核中的质子数和中子数有关。9原子核的自旋和自旋角动量*与宏观物体旋转时产生角动量（或称为动力矩）一样,原子核在自旋时也产生角动量,角动量P的大小与自旋量子数I有以下关系：自旋角动量P=h/2π[I(I+1)]1/2(1)*自旋角动量P是一个矢量,不仅有大小而且有方向。它在直角坐标系z轴上的分量Pz由下式决定：Pz=h/2πm(2)*m是原子核的磁量子数,m的数值取决于自旋量子数I,可取I、I-1、I-2…-I，共2I+1个不连续的值.这说明P是空间方向量子化的。10原子核的磁性和磁矩带正电荷的原子核作自旋运动,就好比是一个通电的线圈,可产生磁场。因此自旋核相当于一个小的磁体，其磁性可用核磁矩来描述。也是一个矢量,其方向与P的方向重合,大小由下式决定：=gneh/2mp[I(I+1)]1/2=gnn[I(I+1)]1/2(3)gN称为g因子或朗德因子,是一个与核种类有关的因数,可由实验测得；e为核所带的电荷数；mp为核的质量；n=eh/2mp称作核磁子,是一个物理常数，常作为核磁矩的单位。11原子核的磁性和磁矩和自旋角动量一样,核磁矩也是空间方向量子化的,它在z轴上的分量也只能取一些不连续的值：z=gnNm(4)m为磁量子数，可取m=I、I-1、I–2,…-I.从式(1)和(3)可知：自旋量子数I=0的核,如12C、16O、32S等,自旋角动量P=0(没有自旋),磁矩=0(不产生磁矩),它们不会产生核磁共振现象。I≠0的核,既有自旋,也有核磁矩,就能产生核磁共振信号。12原子核的磁旋比根据式(1)和(3),原子核磁矩和自旋角动量P之比为一常数：γ=/P=gNe/2mP=gNN/h(5)γ称为磁旋比,由式（5）可知γ与核的质量、所带电荷以及朗德因子有关。γ是原子核的基本属性之一,它在核磁共振研究中特别有用.不同的原子核的γ值不同.例如,1H的γ=26.752*107T-1·s-1；13C的γ=6.728*107T-1·s-1。（T：特斯拉，磁场强度的单位；s：秒）核的磁旋比γ越大,核的磁性越强,在核磁共振中越容易被检测。13一些磁核的性质14磁性核在外磁场(B0)中的行为如果I≠0的磁性核处于外磁场B0中，B0作用于磁核将产生以下现象：原子核的进动当磁核处于一个均匀的外磁场B0中，核因受到B0产生的磁场力作用围绕着外磁场方向作旋转运动，同时仍然保持本身的自旋。这种运动方式称为进动或拉摩进动(Larmorprocess)，它与陀螺在地球引力作用下的运动方式相似。原子核的进动频率由下式决定：ω=γ*B0(6)ν=γ/2π*B0(7)15同一种核,为一常数,B0场强度增大,其共振频率也增大。对于1H，当B0＝1.4TG时，＝60MHz；当B0＝2.3TG时,＝100MHz(1TG=104高斯,1MHz＝106赫兹)磁旋比/场强/共振频率间的关系不同的自旋核,值不同,虽然B0相同，但其共振频率却不同,如B0=2.3TG时，1H（100MHz）19F（94MHz）,31P（40.5MHz）13C（25MHz）。16磁性核在外磁场(B0)中的行为原子核的取向和能级分裂处于外磁场中的磁核具有一定能量。设外磁场B0的方向与Z轴重合，核磁矩与B0间的夹角为θ，则磁核的能量为：E=-B0=-*B0*cosθ=-Z*B0=-gN*N*m*B0(8)核的取向在空间方向上是量子化的，取决于磁量子数的取值。I=1/2的核(1H,13C等),只有两种取向m=+1/2,-1/2；对于I=1的核，有三种取向，即m=1,0,-1。17磁性核在外磁场(B0)中的行为原子核的能级分裂取向为m=+1/2的核,磁矩方向与B0方向一致,根据式（8）和（5）,其能量为：E+1/2=-1/2gN*N*B0=-h/4π*γ*B0取向为m=-1/2的核,磁矩方向与B0相反,其能量为：E-1/2=1/2gN*N*B0=h/4π*γ*B0表明,磁核的两种不同取向代表了两个不同的能级m=+1/2时，核处于低能级；m=-1/2时，核处于高能级。它们之间的能级差为：ΔE=E-1/2-E+1/2=gN*N*B0=h/2π*γ*B0(9)18对氢核来说，I=1/2，m值只能有21/2+1=2个取向：+1/2和-1/2。表示H核在磁场中，自旋轴只有两种取向：与外加磁场方向相同，m=+1/2，磁能级较低；与外加磁场方向相反，m=-1/2，磁能级较高。19磁性核在外磁场(B0)中的行为E=-B0=-*B0*cosθ=-Z*B0=-gN*N*m*B0(8)ΔE=E-1/2-E+1/2=gN*N*B0=h/2π*γ*B0(9)当B0=0时,ΔE=0，即外磁场不存在时,能级是简并的,只有当磁核处于外磁场中,原来简并的能级才能分裂成(2I+1)个不同能级。外磁场越大，不同能级间的间隔越大。不同取向的磁核，它们的进动方向相反，m=+1/2的核进动方向为逆时针，m=-1/2的核进动方向为顺时针。20核磁共振产生的条件01自旋量子数为I的磁核在外磁场的作用下由原来简并的能级分裂为(2I+1)个能级,其能量大小可从式(8)得到.由于核磁能级跃迁的选律为Δm=±1(m是磁量子数）,所以相邻能级间的能量差为：ΔE=gN*N*B0=h/2π*γB0(10)当E外=ΔE时,核就能吸收电磁波的能量从较低能级跃迁到较高能级,这种跃迁称为核磁共振,被吸收的电磁波频率为：hν=ΔE=hγB0/2πν=ΔE/h=γB0/2π(11)若B0=2.3500T时，1H的吸收频率为：ν=26.753*107*2.35/2π=100MHz13C的吸收频率为：ν=6.728*107*2.35/2π=25.2MHz21核磁共振产生的条件02也可以用另一种方式来描述核磁共振产生的条件。带正电荷的、且具有自旋量子数的核会产生磁场，该自旋磁场与外加磁场相互作用，将会产生回旋，称为进动(Procession)。进动频率与自旋核角速度及外加磁场的关系可用Larmor方程表示：0000022BB或22此式与量子力学模型导出的式子完全相同。0称为进动频率。在磁场中的进动核有两个相反方向的取向，可通过吸收或发射能量而发生翻转，见下右图。23核磁共振产生的条件-03已经知道,磁核在外磁场中作拉摩进动,进动频率由下式决定：ν=γ/2π*B0如果外界电磁波的频率正好等于核进动频率,那么核就能吸收这一频率电磁波的能量,产生核磁共振。由上述讨论可知,外磁场的存在是核磁共振产生的必要条件,没有外磁场,磁核不会作拉摩进动,不会有不同的取向,简并的能级也不发生分裂,因此就不可能产生核磁共振现象。24核磁共振产生的条件-041.内因原子I0,有磁矩；满足选律Δm=±12.外因（必要条件）外磁场的存在3.充分条件满足ΔE=h/2π*γB0=hν002B25能级分布与弛豫过程(RelaxationProcess)所有的吸收光谱（波谱）具有共性，即外界电磁波的能量hν等于分子中某种能级的能量差ΔE时，分子吸收电磁波从较低能级跃迁到较高能级，相应频率的电磁波强度减弱。与此同时还存在另一个相反的过程，即在电磁波作用下，处于高能级的粒子回到低能级，发出频率为ν的电磁波，因此电磁波强度增强，这种现象称为受激发射。吸收和发射具有相同的几率。如果高低能级上的粒子数相等，电磁波的吸收和发射正好相互抵销，观察不到净吸收信号.事实上Boltzmann分布表明，在平衡状态下，高低能级上的粒子数分布由式(12）决定：26弛豫由此可见,低能级上的粒子数总是多于高能级上的粒子数,所以在波谱分析中总是能检测到净吸收信号.为了持续接收到吸收信号,必须保持低能级上粒子数始终多于高能级.这在红外和紫外吸收光谱中并不成问题,因为处于高能级上的粒子可以通过自发辐射回到低能态.自发辐射的几率与能级差ΔE成正比,在紫外和红外吸收光谱中,电子能级和振动能级的能级差很大,自发辐射的过程足以保证低能级上的粒子数始终占优势.在核磁共振波谱中,因外磁场作用造成能级分裂的能量差比电子能级和振动能级差小4--8个数量级,自发辐射几乎为零.因此,若要在一定的时间间隔内持续检测到核磁共振信号,必须有某种过程存在.它能使处于高能级的原子核回到低能级,以保持低能级上的粒子数始终多于高能级.这种从激发状态回复到Boltzmann平衡的过程就是弛豫（relaxation）过程。27驰豫的重要性弛豫过程对于核磁共振信号的观察非常重要,因为根据Boltzmann分布,在核磁共振条件下,处于低能级的原子核数只占极微的优势。以1H核为例作一计算.设外磁场强度B0为1.4092T(相当于60MHz)