《生物仪器分析》课程教学课件（讲稿）第八章 核磁共振波谱法

第八章核磁共振波谱法 山东理子大深 SHANDONG UNIVERSITY OF TECHNOLOGY 核磁共振波谱法概述 2

第八章 核磁共振波谱法 核磁共振波谱法概述 2

第八章核磁共振波谱法 山东理子大军 SHANDONG UNIVERSITY OF TECHNOLOGY 定义： 在外磁场作用下，具有磁矩的原子核存在着不同的能级， 当用一定频率的射频照射时，可引起原子核自旋能级的跃迁， 即产生核磁共振。 以核磁共振信号强度对照射频率或磁场强度作图，即为核 磁共振波谱。 利用核磁共振波谱进行结构（包括构型和构象)测定、定性 和定量分析的方法，称为核磁共振波谱法（简称核磁共振， NMR> 核磁共振所吸收的电磁波是无线电波，核磁共振波谱是 吸收光谱的另一种形式

第八章 核磁共振波谱法 定义： 在外磁场作用下，具有磁矩的原子核存在着不同的能级， 当用一定频率的射频照射时，可引起原子核自旋能级的跃迁， 即产生核磁共振。 以核磁共振信号强度对照射频率或磁场强度作图，即为核 磁共振波谱。 利用核磁共振波谱进行结构（包括构型和构象）测定、定性 和定量分析的方法，称为核磁共振波谱法（简称核磁共振， NMR） 核磁共振所吸收的电磁波是无线电波，核磁共振波谱是 吸收光谱的另一种形式。 3

第八章核磁共振波谱法 山东理工大军 SHANDONG UNIVERSITY OF TECHNOLOGY 核磁共振波谱的基本原理 4

第八章 核磁共振波谱法 核磁共振波谱的基本原理 4

第八章核磁共振波谱法 归东理王大深 SHANDONG UNIVERSITY OF TECHNOLOGY 原子核的自旋 电子都有自旋现象，而原子核有的有自旋（1>0)，有的 是没有自旋运动的（=0)。 根据量子力学原理，具有自旋的原子核，有自旋角动量(P) P=[(+1)]2h/2πI为自旋量子数 核自旋特征用自旋量子数（)来描述。在原子核中每个 质子和中子都具有其自身的自旋，I是这些自旋的合量。所以！ 取决于原子核所含有的质子数和中子数

第八章 核磁共振波谱法 原子核的自旋 电子都有自旋现象，而原子核有的有自旋（I﹥0），有的 是没有自旋运动的（I=0）。 根据量子力学原理，具有自旋的原子核，有自旋角动量（P） ： P = [I(I+1)]1/2 h/2π I 为自旋量子数 核自旋特征用自旋量子数（I）来描述。在原子核中每个 质子和中子都具有其自身的自旋，I是这些自旋的合量。所以I 取决于原子核所含有的质子数和中子数。 5

第八章核磁共振波谱法 山东理子大深 SHANDONG UNIVERSITY OF TECHNOLOGY 当=0时，p=0,原子核没有磁矩，没有自旅现象；当I>0时， 呋0，原子核磁矩不为零，有自旋现象。 =1/2的原子核在自旋过程中核外电子云呈均匀的球型分布， 见图(b)核磁共振谱线较窄，最适宜核磁共振检测，是 NMR主要的研究对象（比如：H,13C6),C,H也是 有机化合物的主要组成元素。>1/2的原子核，自旋过程中 电荷在核表面非均匀分布 1=0 1=1/2 1=1,3/2,2,. (a) (b) (c) 6

第八章 核磁共振波谱法 当I=0时，p=0，原子核没有磁矩，没有自旋现象；当I＞0时， p≠ 0，原子核磁矩不为零，有自旋现象。 I=1/2的原子核在自旋过程中核外电子云呈均匀的球型分布， 见图（b）核磁共振谱线较窄，最适宜核磁共振检测，是 NMR主要的研究对象（比如： 1H1， 13C6）， C，H也是 有机化合物的主要组成元素。I＞1/2的原子核，自旋过程中 电荷在核表面非均匀分布 6

归东理2大深 第八章核磁共振波谱法 SHANDONG UNIVERSITY OF TECHNOLOGY 各种核的自旋量子数和核磁共振 质量数 原子序数 自旋量子数（) NMR信号 例如 偶数 偶数 0 无 I2C6160g32S16 奇数 奇或偶数 1/2 有 H1,13C6 19Fg,15N7,31P15 奇数 奇或偶数 3/2,5/2. 有 170g, 33S16 偶数 奇数 1,2,3 有 2H1,14N7 其中|=1/2的核是目前核磁共振研究与测定的主要对象

第八章 核磁共振波谱法 质量数 原子序数 自旋量子数（I） NMR信号 例如 偶数 偶数 0 无 12C6 16O8 32S16 奇数 奇或偶数 1/2 有 1H1， 13C6 19F9， 15N7， 31P15 奇数 奇或偶数 3/2,5/2 . 有 17O8， 33S16 偶数 奇数 1,2,3 有 2H1， 14N7 各种核的自旋量子数和核磁共振 其中I=1/2的核是目前 核磁共振研究与测定的主要对象。 7

第八章核磁共振波谱法 山东理子大军 SHANDONG UNIVERSITY OF TECHNOLOGY 原子核是带正电荷的粒子，其自旋运动将产生磁矩（） 角动量和核磁矩都是夫量，其方向是平行的。 u=yP y磁旋比，即核磁矩与自旋角动量的比值，不同的核具有不 同的磁旋比，它是磁核的一个特征（固定）值 8

第八章 核磁共振波谱法 原子核是带正电荷的粒子，其自旋运动将产生磁矩（μ） ， 角动量和核磁矩都是矢量，其方向是平行的。 μ =  P  磁旋比, 即核磁矩与自旋角动量的比值, 不同的核具有不 同的磁旋比, 它是磁核的一个特征(固定)值 8

第八章核磁共振波谱法 山东理子大军 SHANDONG UNIVERSITY OF TECHNOLOGY 当将自旋核置于外加磁场B。中时，由于磁矩与磁场相互作 用，磁矩相对于外加磁场有不同的取向。根据量子力学原理， 核磁矩在外加磁场方向上的分量是量子化的，可以用磁量子 数(m来表示，m可以取下列值： m=/,1,/-2,.-/ 共有(21+1)个取向，每种取向对应一定的能量。不同取向 的核具有不同的能级。 外加磁场B。 无磁场 以H核为例，因=1/2，故 E=+uBo m=- 2 在外加磁场中，自旋产生的核 磁矩有两种取向，即有两个且 △E=2μB0 自旋相反的取向，其中一个取 向磁矩与外加磁场民一致；另 m=十 一取向磁矩与外加磁场B相反。 E=-uBo

第八章 核磁共振波谱法 当将自旋核置于外加磁场B0中时，由于磁矩与磁场相互作 用, 磁矩相对于外加磁场有不同的取向。根据量子力学原理， 核磁矩在外加磁场方向上的分量是量子化的，可以用磁量子 数(m)来表示，m可以取下列值： m=I , I-1 ,I-2,.-I 以H核为例，因I=1/2，故 在外加磁场中，自旋产生的核 磁矩有两种取向，即有两个且 自旋相反的取向，其中一个取 向磁矩与外加磁场B0一致；另 一取向磁矩与外加磁场B0相反。 m共有(2I+1)个取向，每种取向对应一定的能量。不同取向 的核具有不同的能级。 9

第八章核磁共振波谱法 山东理子大军 SHANDONG UNIVERSITY OF TECHNOLOGY 能级分裂 显然，由于外磁场的作用，使H核的自旋能级分裂成 两个能级。当自旋取向与外加磁场一致时(m=+1/2),氢 核处于一种低能级状态（E1)；相反时(=一1/2)，氢核 处于一种高能级状态（E2)；两种取向间的能级差，可用 △E来表示： E=E2-E1=yhB/2元 上式表明：氢核由低能级E,向高能级E,跃迁时需要的能 量△E与外加磁场强度B及氢核磁旋比y（或核磁矩)成 正比。两者的能级差随着外磁场强度B的增大而增大， 这种现象称为能级分裂。 10

第八章 核磁共振波谱法 显然，由于外磁场的作用，使1H核的自旋能级分裂成 两个能级。当自旋取向与外加磁场一致时(m =＋1/2)，氢 核处于一种低能级状态（E1）；相反时(m=－1/2），氢核 处于一种高能级状态（E2）；两种取向间的能级差，可用 ΔE来表示： ΔE =E2-E1= γhB0 /2π 上式表明：氢核由低能级E1向高能级E2跃迁时需要的能 量ΔE与外加磁场强度B0及氢核磁旋比γ（或核磁矩μ）成 正比 。两者的能级差随着外磁场强度B0的增大而增大， 这种现象称为能级分裂。 能级分裂 10

第八章核磁共振波谱法 山东理子大军 SHANDONG UNIVERSITY OF TECHNOLOGY 原子核的共振吸收 如果用一定频率的电磁波照射于外磁场B的中的自旋 原子核，当电磁辐射的频率ν恰好满足下列关系时： △E=hv或v=YB/2π 处于低能态的原子核将吸收此频率的电磁波跃迁至高能态， 这种现象称为核磁共振。 核磁共振所吸收的电磁波的频率ν大小取决于外磁场的磁感应强 度B,B增加，v相应增大

第八章 核磁共振波谱法 如果用一定频率的电磁波照射于外磁场B0的中的自旋 原子核，当电磁辐射的频率ν恰好满足下列关系时： ΔE =h ν 或ν = γB0 /2π 处于低能态的原子核将吸收此频率的电磁波跃迁至高能态， 这种现象称为核磁共振。 核磁共振所吸收的电磁波的频率ν大小取决于外磁场的磁感应强 度B0，B0增加，ν相应增大 原子核的共振吸收 11