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1、核 磁 共 振（NMR）简介及其应用,河南理工大学,主要内容,核磁共振简介核磁共振原理固体NMR的应用,核磁共振简介,（1）核磁共振现象的发现,Bloch 等于 1946 年发现：特定结构中的磁核会吸收一定波长或频率的电磁波而实现能级跃迁，开辟了核磁共振分析的历史，因而获1952年诺贝尔物理学奖。,Felix Bloch Edward Mills Purcell,01,（2）脉冲傅立叶变换核磁共振仪的发明,Ernst 1966年发明了脉冲傅里叶变换核磁共振技术，促进了13C、15N、29Si核磁及固体核磁技术的应用，因而获得了1991年诺贝尔化学奖。,Richard R. Ernst,Puls
2、eFT-NMR,02,（3）核磁共振成像技术（MRI）,图1 脑部的磁共振图像 图2 核磁共振成像仪,上世纪80年代，开发成功核磁共振成像技术，利用人体组织中的氢原子核的核磁共振现象进行成像。,03,（4）高分辨率固体核磁共振技术,图3 固体核磁共振 图4 交叉极化的脉冲系列,高分辨率固体核磁共振技术综合利用魔角旋转、交叉极化及偶极去偶等技术，有力地促进了固态材料结构的研究和应用。,04,英国科学家彼得曼斯菲尔德和美国科学家保罗劳特布尔因在核磁共振成像技术领域的突破性成就而一同分享2003年诺贝尔生理学或医学奖。 迄今，已经有六位科学家因在核磁共振研究领域的突出贡献而分别获得诺贝尔物理学、化学
3、、生理学或医学奖。,（5）因对核磁共振研究的杰出贡献而获诺贝尔奖的科学家,（6）核磁共振定义,核磁共振是指原子核在外加恒力磁场作用下产生能级分裂，从而对特定的电磁波发生共振吸收的现象。因而通过测定和分析受测物质对电磁波的吸收情况就可以判定它含有哪种原子，以及原子之间的距离多大，并据此分析出它的三维结构。,射频辐射原子核(强磁场下能级分裂)吸收能级跃迁NMR,与紫外、红外比较：共同点都是吸收光谱,（7）基本类型,原则上凡自旋量子数不为零的原子核均能测得 NMR信号，但目前为止仅限于1H、13C、19F、31P、15N 等原子核，其中氢谱和碳谱应用最为广泛。,06,（8）目前的应用领域,物质的分子
4、结构与构型研究； 医疗领域； 固体材料； 物质的物理性能研究；,05,核磁共振原理,1 原子核的自旋,自旋量子数不为零的核是核磁共振研究的对象，其中I= 1/2的原子核电荷均匀分布表面，其核磁共振谱线窄，最适宜于核磁共振检测分析。,07,2 原子核的磁矩和自旋角动量,为核磁矩，J.T-1； 为自旋角动量； 为磁旋比，核特征常数； 为自旋量子数； 为普朗克常数。,自旋量子数不为零的原子核由于自旋而具有磁矩。,09,3 原子核在静磁场中的进动及能量,自旋量子数不为零的原子核，在外加静磁场H0中，除了自旋外还将绕H0运动，类似于陀螺的运动，称这种运动为进动。,图5 原子核在静磁场中的运动（拉摩进动）
5、示意图,10,4 核磁共振的产生及条件,在静磁场中，通过一定频率的电磁波辐射样品，当辐射能量等于磁核能级差时磁核将吸收能量实现跃迁。,12,5 弛豫过程,1,2,低能级,高能级,2,1,低能级,高能级,根据玻尔兹曼定律，受激态磁核与低能级磁核保持一定比例的平衡。受激态高能级磁核，失去能量回到低能级磁核的非辐射过程，称为弛豫。,横向弛豫:受激态高能级磁核将能量传递给同种低能级磁核，自身回到低能级磁核的过程。1/T1,13,低能级,高能级,根据玻尔兹曼定律，受激态磁核与低能级磁核保持一定比例的平衡。受激态高能级磁核，失去能量回到低能级磁核的非辐射过程，称为弛豫。,纵向弛豫:受激态高能级磁核将能量传
6、递给周围的介质粒子，自身回复到低能磁核的过程。1/T2,14,5 弛豫过程,为能量测试误差； 为状态停留时间； 为频率测试误差； 为普朗克常数；,谱峰宽,谱峰窄,一般频率测试误差与弛豫效率成正比；由于液态样品的弛豫效率较固态低，因而谱线较之更窄。,15,5 弛豫过程,6 核磁共振基本参数,（1）化学位移,H0,感应磁场 H0,核外高度对称电子云,抗磁屏蔽效应：原子核外具有高度对称的电子云在外加磁场作用下，将产生相反方向的感应磁场。使磁核所受的实际磁场强度小于外加磁场强度H0。,16,H0,感应磁场 H0,核外非球形对称电子云,顺磁屏蔽效应：原子核外具有非球形对称的电子云在外加磁场作用下将产生同
7、方向的感应磁场，使磁核所受实际磁场强度高于外加磁场强度H0。,17,（1）化学位移,H0,各种感应磁场 H0,原子核处于特定分子环境中,远磁屏蔽效应：除了磁核自身的核外电子云外，远处各类原子或基团的成键电子云也将产生感应磁场，使磁核所受磁场强度高于或低于外加磁场H0。,18,（1）化学位移,为化学位移，ppm； 为样品磁核的共振频率； 为标准物磁核共振频率；,四甲基硅烷,化学位移：同一种原子核在不同化学环境中具有不同的核磁共振信号频率，通常以四甲基硅烷为基准进行衡量。,20,（1）化学位移,（2）自旋偶合和自旋分裂,自旋分裂现象,22,峰的裂分原因: 相邻两个氢核之间的自旋耦合;,自旋分裂的n
8、+1规律：n个相邻氢，出现n+1个分裂峰，各分裂峰面积比为（a+b)n展开系数比。,自旋分裂应用： 对于结构分析特别有用，鉴定分子的基团及其排列次序。,（2）自旋偶合和自旋分裂,（3）共振信号强度,化学位移/ppm,核磁共振曲线上各峰积分面积对应于磁核数量，通过积分面积之比可以确定化合物的结构组成等定量信息。,核磁共振谱图,积分曲线,24,7 核磁共振谱图的形式,横坐标：化学位移 （ppm）,纵坐标：吸收强度 （ppm）,化学位移,谱峰积分面积,氢核磁谱图（1H NMR）,26,谱图中化合物的结构信息,（1）峰的组数：标志分子中磁不等价质子的种类，多少种 H；,（2）峰的强度(面积)：每类质子
9、的数目(相对)，多少个 H；,（3）峰的位移( )：每类质子所处的化学环境，化合物中位置；,（4）峰的裂分数：相邻碳原子上 H 质子数；,（5）偶合常数(J)：确定化合物构型。,（1）由分子式求不饱和度（2）由积分曲线求各组1H核的相对数目（3）解析各基团（4） 由化学位移，耦合常数和峰数目用一级谱解析氢核的化学结构单元（5）推断结构并加以验证,谱图解析步骤,谱图解析步骤,9, 5.30, 3.38, 1.37,C7H16O3，推断其结构,6,1,谱图解析实例1,确定过程:,C7H16O3， =1+7+1/2(-16)=0,a. 3.38和 1.37 四重峰和三重峰 CH2CH3相互偶合峰,b
10、. 3.38含有OCH2 结构结构中有三个氧原子，可能具有(OCH2 )3,c. 5.3CH上氢吸收峰，低场与电负性基团相连,正确结构：, 5.30, 3.38, 1.37,5,2,2,3,化合物 C10H12O2,8 7 6 5 4 3 2 1 0,谱图解析实例2,正确结构：,u=1+10+1/2(-12)=5, 2.1单峰三个氢，CH3峰 结构中有氧原子，可能具有：, 7.3芳环上氢，单峰烷基单取代,3.0, 4.30,2.1, 3.0和 4.30三重峰和三重峰 OCH2CH2相互偶合峰,确定过程:,化合物 C10H12O2，推断结构,7.3, 5.21,1.2,2.3,5H,2H,2H,
11、3H,谱图解析实例3,化合物 C10H12O2，,u=1+10+1/2(-12)=5,1) 2.32和 1.2CH2CH3相互偶合峰2) 7.3芳环上氢，单峰烷基单取代3) 5.21CH2上氢，低场与电负性基团相连,哪个正确?,正确：B为什么?,确定过程:,液体NMR在无机材料中的应用,1、水泥助磨剂：官能团结构等2、混凝土外加剂,固体NMR的应用,固体NMR,在化学、物理、生物、材料、矿物等方面的研究中，常常遇到无法溶于液体和无法变成液体的固体样品，即使溶解在溶剂中，也会丧失固体各向异性的有关信息。近20年来，在 液体NMR 技术和 NMR成像 技术大力发展的同时，固体高分辨NMR 也得到了
12、迅速的发展。固体NMR的理论和技术方面所取得的成就，代表了NMR的发展水平。,固体NMR的特点,固体和液体在本质上的区别是固体分子的运动不自如，它只能限于不改变晶格位置的振动和局部范围的转动，而如液体那样的平动和翻滚运动都是不可能的，所以各种相互作用都不能被平均掉，反映在NMR谱上，就会出现许多复杂的效应，最重要的效应是线宽和线形。对固体谱的讨论涉及到各种相互作用，最重要的有化学屏蔽各向异性相互作用，偶极偶极相互作用，四极偶合相互作用。在固体NMR的基础理论中，利用坐标变换的基础，采用粉末线形，魔角旋转技术（Magic Angle Spinning），强功率去耦和交叉极化技术等实验技术进行处理
13、。,2022/11/19,纯固体样品中的结构表征,纯H3BO3样品三斜晶系,2022/11/19,纯固体样品中的结构表征,纯ZnO样品2种构型六方、立方,六方,立方,对硅酸盐材料中煤矸石的表征,徐州煤矸石的29SiNMR谱,徐州煤矸石的27Al NMR谱,对硅酸盐材料中煤矸石的表征,掺加 20%CaO活化后煤矸石的29Si-NMR,掺加30%CaO活化后煤矸石的29Si-NMR,对硅酸盐材料中煤矸石的表征,1150,1100,1050,1000,1150,1100,1050,1000,掺加 20%CaO活化后煤矸石的27Al-NMR,对硅酸盐材料中煤矸石的表征,掺加 30%CaO活化后煤矸石的
14、27Al-NMR,1150,1100,1050,1000,1150,1100,1050,1000,百年材龄混凝土中水泥结构的变化,样品取自日本东京都府内，于1896年建造的海水引入蓄水池基础。从它的NMR谱图中可以看出经过百年之后，水泥中的硅氧四面体以高聚态为主。,百年材龄混凝土中水泥的NMR谱图,核磁共振应用趋势,核磁共振适合于液体、固体。如今的高分辨技术，还将核磁用于了半固体及微量样品的研究。核磁谱图已经从过去的一维谱图（1D）发展到如今的二维（2D）、三维（3D）甚至四维（4D）谱图，陈旧的实验方法被放弃，新的实验方法迅速发展，它们将分子结构和分子间的关系表现得更加清晰。在世界的许多大学
15、、研究机构和企业集团，都可以听到核磁共振这个名词，包括我们在日常生活中熟悉的大集团。而且它在化工、石油、橡胶、建材、食品、冶金、地质、国防、环保、纺织及其它工业部门用途日益广泛。,一些实际的应用,分子结构的测定化学位移各向异性的研究金属离子同位素的应用动力学核磁研究质子密度成像T1T2成像化学位移成像其它核的成像指定部位的高分辨成像元素的定量分析有机化合物的结构解析表面化学有机化合物中异构体的区分和确定大分子化学结构的分析,生物膜和脂质的多形性研究脂质双分子层的脂质分子动态结构生物膜蛋白质脂质的互相作用压力作用下血红蛋白质结构的变化生物体中水的研究生命组织研究中的应用生物化学中的应用在表面活性剂方面的研究原油的定性鉴定和结构分析沥青化学结构分析涂料分析农药鉴定食品分析药品鉴定,THANK YOU!,
