NMR也可以作定量分析，但误差较大，不能用于 痕量分析。
NMR在化学、生物学、医学和材料科学等领域的应 用日趋广泛 。
Bruker AVANCE 400 核磁共振谱仪
第一节 基本原理
一、原子核的自旋 原子核和电子一样，存在自旋，从而有自旋角动量（P）和 自旋磁场H0 如果放在外磁场中，其运动方式变成进动。
在量子力学中用自旋量子数I描述原子核的运动状态， 其值与核中的质子数和中子数有关。
质量数 原子序数
偶数
偶数
自旋量子数I 0
偶数
奇数
1，2，3….
奇数 奇数或偶数 1/2；3/2；5/2….
按自旋量子数的不同，可以将核分成如下几类：
1． I=0 的原子核： 12C6，16O8，32S16等，这一类原子核 的原子序数和质量数均为偶数，它们不自旋，没有磁矩，
第四章 核磁共振氢谱
核磁共振： Nuclear Magnetic Resonance Spectroscopy，简称NMR 。
按观察的核不同，有1H、13C 、31P、19F-NMR。
按独立频率变量个数可分为一维谱、二维谱、三维谱。
核磁共振(1H-NMR)在化学中的应用己有半个世纪了。 NMR的理论基础是量子光学和核磁感应理论。
50多年来，超过14位科学家因推动核磁技术的发展而获诺 贝尔奖，核磁共振已形成为一门有完整理论的新学科。
过去50年，波谱学已全然改变了化学家、生物学家和生物 医学家的日常工作，波谱技术成为探究大自然中分子内部秘 密的最可靠、最有效的手段。NMR是其中应用最广泛研究分 子性质的最通用的技术：从分子的三维结构到分子动力学、 化学平衡、化学反应性和超分子集体、有机化学的各个领域。
核磁共振分析能够提供三种结构信息：化学位移δ、偶合常数 J、各种核的信号强度比。
耦合常数
1.3
通过分析这些信息，可以了解特定原子(如1H 、 13C等)的化学 环境、原子个数、邻接基团的种类及分子的空间构型。
NMR己经成为现代结构分析中十分重要的手段。NMR 可以提供多种结构信息，不破坏样品，应用很广泛。
1970年代脉冲傅立叶变换引入NMR谱仪，使灵敏度小的 原子核能被测定；
1980年代二维NMR谱发展，对判断化合物的空间结构起重 大作用。
英国R.Ernst教授因对二维谱的贡献而获得1991年的Nobel奖。
瑞士科学家库尔特·维特里希因“发明了利用核磁共振技 术测定溶液中生物大分子三维结构的方法”而获得2002年 诺贝尔化学奖。
0 低 场 H0 高 场
若在B0的垂直方向用电磁波照射，当提供的能量 = E时，核 可以吸收能量从低能级跃迁到高能级，即低能量取向的氢核
翻转过来，给出吸收信号，这种现象叫核磁共振。
三、核磁共振条件
在外磁场中，原子核能级产生裂 分，由低能级向高能级跃迁，需 要吸收能量，能级量子化。
射频振荡线圈产生电磁波。
2
P h I( I + 1) 2
式中，h为普朗克常数，I可为整数或半整数，
对于同一种核，为常数。如1H：＝26.752 107 rad·T-1·S-1； 13C：＝6.728 107 rad·T-1·S-1；T=104高斯。核的旋磁比 越
大，核的磁性越强，在核磁共振中越容易被检测。
I=0，P=0，无自旋，不能产生自旋角动量，不会产生共振 信号。 只有当I ＞0时，才能发生共振吸收，产生共振信号。
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，有电四极矩存在，共振吸收复杂，研究应用较少。
原子核置于外加磁场中，核有不同的自旋取向。自旋量 子数为I的核，共有(2I+1)个自旋取向。
二、 核磁共振现象
自旋量子数 I=1/2的原子核 （氢核），可当作电荷均匀分布 的球体，绕自旋轴转动时，产生 磁场，类似一个小磁铁。
+
→
B0
进动轨道
P
自旋轴
在外磁场B0中的进动
陀螺的进动
自旋核绕其自旋轴（与磁矩方向一致）旋转，而自旋轴既与
B0场保持一夹角又绕B0场进动，称拉莫（Larmor进动），类 似于陀螺在重力场中的进动。
原子核自旋产生的磁矩 ，其大小与自旋角动量P，核的旋 磁比及自旋量子数I有关。
P h I( I + 1)
当置于外加磁场B0中时， 相对于外磁场，可以有 （2I+1）种取向：
氢核（I=1/2），两种 取向（代表两个能级状态）：
（1）与外磁场平行，能量 低，磁量子数m＝＋1/2;
（2）与外磁场相反，能量 高，磁量子数m＝－1/2;
两种取向不完全与外磁场平行，＝54°24’ 和 125 °36’
两种力的相互作用，产生进动（拉
不产生共振吸收，不是NMR研究的对象。
2．Ｉ＝1/2的原子核： 1H1，13C6，19F9，31P15
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，容易得到高分辨NMR谱，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。
3． I ≥1的原子核： I=1 ：2H，14N I=3/2： 11B，35Cl，79Br，81Br I=5/2：17O，127I
莫进动）进动频率0； 角速度0；
0 = 20 = B0
z, BO
m=+½ ()
磁旋比； B0外磁场强度；
两种进动取向不同的氢核之间的 能级差：
E= B0 （磁矩）
m=-½ ()
自旋为½ 的核在磁场中的两个进动锥体
E正比于B0
E
m=-½ ()
0Leabharlann EE2B1
B2
m=+½ () B0
电磁波辐射
信号
吸 收 能 量
发展历程
核磁共振是1946年由美国斯坦福大学布洛克(F.Block)和哈 佛大学珀赛尔(E.M.Purcell)各自独立发现的，两人因此获得 1952年诺贝尔物理学奖。 1951年 Arnold 发现乙醇的NMR信号，及与结构的关系。 1953年 Varian公司试制了第一台NMR仪器（ CW-30MHz ）。 1960年代用于有机化学领域。 1964年第一台超导NMR谱仪(Varian)，提高灵敏度和分辨率；
对于氢核，能级差： E= B0 （磁矩） 产生共振需吸收的能量：E= B0 = h0 由拉莫进动方程：0 = 20 = B0 ; 共振条件： 0 = B0 / (2 )
即当射频场的频率与核磁场中的拉摩尔进动频率匹配 时，这时发生共振，每次跃迁都伴随着自旋方向的变化。