中国科学技术大学：《仪器分析》课程教学资源（讲稿）第六章 核磁共振波谱法

第六章核磁共振波谱法 将自旋核放入磁场中,用适宜频率的电磁 波照射,它们会吸收能量,发生原子核能 级的跃迁,同时产生核磁共振信号,得到 核磁共振谱,这种方法称为核磁共振波谱 法。(NR, nuclear magnetic resonance spectroscopy

第六章 核磁共振波谱法 „ 将自旋核放入磁场中，用适宜频率的电磁 波照射，它们会吸收能量，发生原子核能 级的跃迁，同时产生核磁共振信号，得到 核磁共振谱，这种方法称为核磁共振波谱 法。（NMR， nuclear magnetic resonance spectroscopy）

6.1基本原理 6.1.1核的自旋 u=pP P=VI(+ h =0,无自旋 =12,主要原子核有1H,6C7N,。F,5P (核电荷呈球形分布于核表面,核磁共振现象较为简单)

6.1 基本原理 6.1.1 核的自旋 I=0 ，无自旋 I=1/2，主要原子核有 （核电荷呈球形分布于核表面，核磁共振现象较为简单） ( ) 2 π h P I I 1 μ γ P = + = ⋅ H, C, N, F, P31 15 19 9 15 7 13 6 1 1

6.1.2自旋核在磁场中的行为 2-h m=J,-l,-2,…,-(2+1 I(+1)

6.1.2 自旋核在磁场中的行为 I(I 1) m cos θ m I, I 1, I 2, , I (2I 1) 2 π h PZ m + = = − − ⋅⋅⋅ − + = 个

●●● ●●●● ●●●●● ●●●● ●●●00 ●0●0 Bo 外加磁场 ●●00 Bn 无磁场 E=uBB m 2 B E=2uBB 2k m=t 进动 磁矩μ E=-uBBo 轨道 自旋质子 Bo 磁场中质子的进动

●●● ●●●● Es、m ●●●●● ●●●● ●●●00 ●0●0 H在外磁场中只有m=+及m=-两种取向 B m=+时E uBB B m=-时E BB =+uBB AE=E -E =2uBB 一般地,AE=2(相邻两能级之差)

一般地 ， （相邻两能级之差 ） 时 时 两种取向 21 在外磁场中只有 及 I B E E E E B B 2 1 B 2 1 B I mμ E 2 1 m B 2 1 B 2 1 B I mμ E 2 1 m m 2 1 H m B I mμ E 2 1 2 1 2 1 2 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 2 μβ Δ Δ μβ μβ μβ β μβ μβ β β = = − = = + − = − = − = − = + = − = − = − = + = − = − − + − +

6.1.3核磁共振 讨论: hv=△E (1)同一核,μ一定,β、h为 Bo 4B 常数,v与B成正比 h :509×(2)不同核,同时放入B的磁场 μ:磁矩 中,μ大,v就大,反之亦 然 (3)不同核,固定v,μ大, B0小,反之亦然

6.1.3 核磁共振 磁矩 5 049 10 27 1 0 : : . J T Ih B h E μ β ν μβ ν − − × ⋅ = = Δ „ 讨论： （1）同一核，μ一定， β、h为 常数， ν与B 0成正比； （2）不同核，同时放入B 0的磁场 中， μ大， ν就大，反之亦 然； （3）不同核，固定ν， μ大， B 0小，反之亦然

6.1.4在NR中的弛豫过程 ■若处于高能级的核数目和低能级的核数目很 快趋于相等,则不再有净的吸收,NR信号将 完全消失,即“饱和”,所以需要有一个弛 豫过程:核将其获得的能量释放到周围环境 中去,使核从高能态降到低能态。 ■自旋-晶格弛豫、自旋-自旋弛豫

6.1.4 在NMR中的弛豫过程 „ 若处于高能级的核数目和低能级的核数目很 快趋于相等，则不再有净的吸收，NMR信号将 完全消失，即“饱和”，所以需要有一个弛 豫过程：核将其获得的能量释放到周围环境 中去，使核从高能态降到低能态。 „ 自旋-晶格弛豫、自旋-自旋弛豫

6.2核磁共振波谱仪 6.2.1连续波核磁共振仪 核磁共振波谱仪示意图 1.磁铁;2.射频振荡器;3.扫描发生器;4.检 测器;5.记录器;6.试样管理体制

6.2 核磁共振波谱仪 6.2.1 连续波核磁共振仪

1.磁铁:提供强、均匀、稳定的磁场 永久磁铁、电磁铁、超导磁铁 2.探头:检测MR信号 试样管、发射线圈、接受线圈、预放大单元 3.波谱仪: 射频源和音频调制 扫描单元:扫频、扫场 接收单元 信号累加

1. 磁铁：提供强、均匀、稳定的磁场 永久磁铁、电磁铁、超导磁铁 2. 探头：检测NMR信号 试样管、发射线圈、接受线圈、预放大单元 3. 波谱仪： 射频源和音频调制 扫描单元：扫频、扫场 接收单元 信号累加

6.2.2脉冲傅里叶核磁共振仪 ■多道发射多种频率 不同化学环境的核同时共振 ■多道接收

6.2.2 脉冲傅里叶核磁共振仪 „ 多道发射多种频率 „ 不同化学环境的核同时共振 „ 多道接收