核磁共振概論

核磁共振概論第1頁，課件共50頁，創(chuàng)作于2023年2月

E=E2

E1

核磁共振譜(NMR)1952年,Nobel物理獎F.BlochandE.M.Purcell1991年,Nobel化學獎R.R.Ernst磁誘導核自旋能級裂分第2頁，課件共50頁，創(chuàng)作于2023年2月

核磁共振基本原理

核磁共振儀

核磁共振近期進展第3頁，課件共50頁，創(chuàng)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頁，課件共50頁，創(chuàng)作于2023年2月核自旋

用自旋量子數(shù)I表示，I值與原子核的質(zhì)量A和核電荷數(shù)（質(zhì)子數(shù)或原子序數(shù)）Z有關。

第5頁，課件共50頁，創(chuàng)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頁，課件共50頁，創(chuàng)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頁，課件共50頁，創(chuàng)作于2023年2月核磁矩

I

0的原子核

具有自旋

產(chǎn)生磁矩（

），

與自旋角動量P有關。

I值不同，原子核表面電荷分布情況不同，可用電四極矩eQ來衡量,eQ是核表面電荷偏離球體的物理量度.P=

=

·P第8頁，課件共50頁，創(chuàng)作于2023年2月

—

磁旋比（magnetogyricratio）

旋磁比（gyromagneticratio）第9頁，課件共50頁，創(chuàng)作于2023年2月電偶極矩：電量相等而符號相反的兩個點電荷相距很小距離時,就構成電偶極矩。第10頁，課件共50頁，創(chuàng)作于2023年2月電四極矩：

兩個大小相等、方向相反的電偶極矩相距很近時,構成電四極矩。電四極矩公式：

Q=2/5z(b2-a2)第11頁，課件共50頁，創(chuàng)作于2023年2月

原子核的電四極矩

第12頁，課件共50頁，創(chuàng)作于2023年2月

I=0,eQ=0:

核電荷均勻分布于球體表面，球形非自轉(zhuǎn)體,

=0。

I=,eQ=0:

核電荷均勻分布于球體表面，球形自轉(zhuǎn)體,

0第13頁，課件共50頁，創(chuàng)作于2023年2月I=1/2

eQ=0I>1/2

eQ>0I<1/2

eQ<0第14頁，課件共50頁，創(chuàng)作于2023年2月

eQ>0

核電荷非均勻分布，長橢球自轉(zhuǎn)體，

0。如2H1,14N7

eQ<0

核電荷非均勻分布,扁橢球自轉(zhuǎn)體，

0。如37Cl17，7Li3

I>核電荷在原子核表面呈非均勻分布第15頁，課件共50頁，創(chuàng)作于2023年2月

電荷均勻分布于原子核表面（I=,eQ=0）的核，核磁共振的譜線窄，有利于核磁共振檢測。

電荷非均勻分布于原子核表面（I>,eQ

0）的核，都具有特有的弛豫機制（Relaxation）,導致核磁共振的譜線加寬，不利于核磁共振檢測。第16頁，課件共50頁，創(chuàng)作于2023年2月

核磁共振

磁矩

的取向

自旋核在B0場中的進動

核磁共振第17頁，課件共50頁，創(chuàng)作于2023年2月

核磁共振

磁矩

的取向

I0的自旋核，具有一定的角動量P,(P=),核自旋產(chǎn)生磁矩

(

=

·P)。自旋核的取向，即磁矩

的取向。無外磁場（B0）時，磁矩

的取向是任意的。

第18頁，課件共50頁，創(chuàng)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）種取向?？捎么帕孔訑?shù)m表示：m：I，I,-1，，-I,+1，-I

I=1/2的自旋核，共有2種取向

（+1/2，-1/2）

I=1的自旋核，共有3種取向（+1，0，-1）

第19頁，課件共50頁，創(chuàng)作于2023年2月在B0中原子核自旋角動量的空間量子化第20頁，課件共50頁，創(chuàng)作于2023年2月在B0中：

自旋角動量在Z軸（B0軸）上的投影：

PZ=m

磁矩

在Z軸（B0軸）上的投影：

Z=

·PZ=

·

m

磁矩與磁場相互作用能E=-

Z·B0=-

·

m·B0第21頁，課件共50頁，創(chuàng)作于2023年2月

量子力學選律可知，只有

m=1的躍遷，才是允許躍遷，所以相鄰兩能級之間的能量差：

E=E2

–E1

E=-

·

·

m·B0=

·

·B0

E∝B0

第22頁，課件共50頁，創(chuàng)作于2023年2月核能級被外磁場分裂第23頁，課件共50頁，創(chuàng)作于2023年2月

磁誘導產(chǎn)生自旋核的能級裂分

E=hh=

·

·B0

=·B0第24頁，課件共50頁，創(chuàng)作于2023年2月

自旋核在B0場中的進動

I

0的自旋核,繞自旋軸旋轉(zhuǎn)(自旋軸的方向與

一致)，自旋軸又與B0場保持一

角，繞B0場進動（Precess）,或稱Larmor進動。這是由于B0對

有一個扭力，

與B0平行，旋轉(zhuǎn)又產(chǎn)生離心力，平衡時保持

角不變。第25頁，課件共50頁，創(chuàng)作于2023年2月第26頁，課件共50頁，創(chuàng)作于2023年2月

（經(jīng)典力學分析，自旋核在B0中就象一個旋轉(zhuǎn)的陀螺在地心場中。）第27頁，課件共50頁，創(chuàng)作于2023年2月進動的頻率

=2

0=·B0

0=·B0

0∝B0第28頁，課件共50頁，創(chuàng)作于2023年2月

核磁共振

若在垂直于B0的方向加射頻場B1，其頻率為

1，在B1的作用下，會產(chǎn)生一個與自旋核旋進方向相同的回旋頻率

1

第29頁，課件共50頁，創(chuàng)作于2023年2月第30頁，課件共50頁，創(chuàng)作于2023年2月第31頁，課件共50頁，創(chuàng)作于2023年2月

當

1=

0時，核就會吸收能量，由低能態(tài)（+1/2）躍遷至高能態(tài)（-1/2），這種現(xiàn)象稱核磁共振。

第32頁，課件共50頁，創(chuàng)作于2023年2月共振吸收頻率

例如

對于1HB0=1.41TG

=60MHz,

B0=2.35TG

=100MHz

=

·B0同一種核，=常數(shù)，

∝B0

第33頁，課件共50頁，創(chuàng)作于2023年2月B0一定時，不同的核，g不同，

不同。

例如：B0=4.7TG時，下列核的共振頻率為：

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頁，課件共50頁，創(chuàng)作于2023年2月第35頁，課件共50頁，創(chuàng)作于2023年2月產(chǎn)生NMR條件

（1）I

0的自旋核（2）外磁場B0（3）與B0相互垂直的射頻場B1，且

1

=

0第36頁，課件共50頁，創(chuàng)作于2023年2月弛豫(Relaxation)高能態(tài)的核以非輻射的形式放出能量回到低能態(tài),重建Boltzmann分布。

飽和（saturation）兩種自旋狀態(tài)的核數(shù)目完全相同，出現(xiàn)飽和。測定光譜時，如果照射電磁波的能量過大或掃描時間過長，就會出現(xiàn)飽和現(xiàn)象。第37頁，課件共50頁，創(chuàng)作于2023年2月弛豫過程：

第38頁，課件共50頁，創(chuàng)作于2023年2月自旋-格子弛豫（spin-latticerelaxation）（縱向弛豫longitudinalrelaxation）

格子：含有旋進核的整個分子體系。也稱為“晶格”，意即“環(huán)境”并非指晶格點陣（因為樣品呈液態(tài)）。在液體中，組成晶格的原子和分子都在進行平移、轉(zhuǎn)動和振動。在這樣的原子和分子中存在磁性核，因此會產(chǎn)生脈動磁場。在這些脈動磁場中，可能有一些磁場，它的頻率與有些旋進核的頻率相同。換句話說，在高能態(tài)的核附近，有可能產(chǎn)生能使它遷移到低能態(tài)的磁場。這樣，高能態(tài)的核就被弛豫到低能態(tài)。這個時候放出的能量，作為平移、轉(zhuǎn)動和振動的熱能，傳遞到格子去。這種弛豫機制能保持過剩的低能態(tài)的核。

第39頁，課件共50頁，創(chuàng)作于2023年2月

自旋-格子弛豫過程的半衰期用T1表示（T1與樣品狀態(tài)及核的種類、溫度有關）

液體T1～1s

固體或粘度大的液體，T1

很大。

第40頁，課件共50頁，創(chuàng)作于2023年2月自旋-自旋弛豫（spin-spinrelaxation）（橫向弛豫：

transverserelaxation）在進行旋進運動而互相接近的兩個核之間，互相交換自旋而產(chǎn)生的。進行旋進的核，在與外部磁場垂直的平面上有旋轉(zhuǎn)的磁性矢量成分。高能態(tài)的核與低能態(tài)的核非常接近時，這個旋轉(zhuǎn)小磁場會使對方核的自旋遷移。這種自旋的交換，叫做自旋-自旋弛豫或橫向弛豫。這種弛豫不能保持過剩的低能態(tài)的核。第41頁，課件共50頁，創(chuàng)作于2023年2月

自旋-自旋弛豫過程的半衰期用T2表示。液體T2～1s

固體或粘度大的液體，T2很小，為

10-4～10-5s第42頁，課件共50頁，創(chuàng)作于2023年2月宏觀磁化矢量M被射頻脈沖傾倒后的弛豫過程第43頁，課件共50頁，創(chuàng)作于2023年2月

譜線寬度（

1/2）

T值越小，弛豫越有效。

T

值對半峰高寬度的影響，取決于二者中的較小者。

E·

t

h

1/2

1/T第44頁，課件共50頁，創(chuàng)作于2023年2月

核磁共振儀

磁體：永久磁體、電磁體、超導磁體

射頻場(RadioFrequencyTransmitter)

連續(xù)波NMR:ContinualWave-NMR(CW-NMR)(探頭probe,勻場系統(tǒng),掃描系統(tǒng)Field-Sweep)(Frequency-Sweep，記錄系統(tǒng))第45頁，課件共50頁，創(chuàng)作于2023年2月第46頁，課件共50頁，創(chuàng)作