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核磁(NMR)共振的原理及制样注意事项(一)

更新时间:2021-9-6 11:43:51 浏览量:

核磁共振或简称NMR是一种用来研究物质的分子结构及物理特性的光谱学方法。

核磁共振波谱法(Nuclear Magnetic Resonance,简写为NMR)与紫外吸收光谱、红外吸收光谱、质谱被人们称为“四谱”,是对各种有机和无机物的成分、结构进行定性分析的最强有力的工具之一,亦可进行定量分析。

 

核磁共振与紫外、红外吸收光谱一样都是微观粒子吸收电磁波后在不同能级上的跃迁。紫外和红外吸收光谱是分子分别吸收波长为200~400nm和2.5~25μm的辐射后,分别引起分子中电子的跃迁和原子振动能级的跃迁。而核磁共振波谱中是用波长很长(约106~109 μm,在射频区)、频率为兆赫数量级、能量很低的电磁波照射分子,这时不会引起分子的振动或转动能级的跃迁,更不会引起电子能级的跃迁。但这种电磁波能与处在强磁场中的磁性原子核相互作用,引起磁性的原子核在外磁场中发生磁能级的共振跃迁,从而产生吸收信号。这种原子核对射频电磁波辐射的吸收就称为核磁共振波谱。





原理


在强磁场中,某些元素的原子核和电子能量本身所具有的磁性,被分裂成两个或两个以上量子化的能级。吸收适当频率的电磁辐射,可在所产生的磁诱导能级之间发生跃迁。在磁场中,这种带核磁性的分子或原子核吸收从低能态向高能态跃迁的两个能级差的能量,会产生共振谱,可用于测定分子中某些原子的数目、类型和相对位置。

 

 

 

凡是质量数和原子序数之一是奇数的核,I 均不为零,亦即有自旋现象;
只有质量数和原子序数均为偶数的核的 I 才为零,亦即没有自旋现象,不会产生核磁共振吸收,这类核在核磁共振研究上是没有意义的。
吸收(或发射)光谱,检测分子中某种原子核对射频的吸收。
 只有自旋量子数(I)不为零的核才有NMR信号
I =1 或I >1的原子核,这类原子核的核电荷分布可看作一个椭圆体,电荷分布不均匀,共振吸收复杂,研究应用较少;
I =1/2的原子核,原子核可看作核电荷均匀分布的球体,并象陀螺一样自旋,有磁矩产生,是核磁共振研究的主要对象,C,H也是有机化合物的主要组成元素 (1H,13C,15N,19F,31P)

 

原子核的自旋态是量子化的:

     m = I, (I - 1), (I - 2), … , - (m 为磁量子数) 

对于 1H, 13C, 15N, 3P (生物相关的核):
            m = 1/2, -1/2
 这表明这些核只有两种状态(能级).
 原子核另一个重要的参数是磁矩(m):
   
 磁矩是一个矢量,它给出了“原子核磁体”的方向和大小(强度)

 不同的原子核具有不同的磁矩

核磁共振条件
(1) 核有自旋(磁性核)
(2) 外磁场,能级裂分;
(3) 进动频率与外磁场的比值



自由感应衰减(FID)
在实际的样品中可能存在数以百计的自旋系统,它们的共振频率各不相同。我们用射频脉冲同时激发所有的频率,接收线圈会同时检测到所有频率的信号。我们看到的结果是所有信号的叠加,这就是FID信号。

对FID信号进行FT处理就可以得到NMR谱图。