核磁共振技术
概 述
• 核磁共振的方法与技术作为分析物质的手段 ，由于其 可深入物质内部而不破坏样品 ，并具有迅速、准确、 分辨率高等优点而得以迅速发展和广泛应用 ，已经从 物理学渗透到化学、生物、地质、医疗以及材料等学
科 ，在科研和生产中发挥了巨大作用 。
• 核磁共振是1946年由美国斯坦福大学布洛赫(F.Block)和
布洛赫(Felix Bloch )
珀赛尔 (Edward Purcell)
1991年诺贝尔化学奖：恩斯特R.R.Ernst（1933－） 瑞士物理化学家
他的主要成就在于他在发展高分辨 核磁共振波谱学方面的杰出贡献。 这些贡献包括： 一.脉冲傅利叶变换核磁共振谱 二.二维核磁共振谱 三.核磁共振成像
2002诺贝尔化学奖:
瑞士科学家库尔特· . 维特里希“for his development of nuclear
magnetic resonance spectroscopy for determining the threedimensional structure of biological macromolecules in solution".
原子核的基本属性
• （１）、原子核所带电荷和质量：
•
原子核是有带正电荷的质子和中子组成。与 核外电子类似，原子核也有自旋现象。
如同电子具有自旋角动量和自旋磁矩一样， 核也具有自旋角动量和自旋磁矩。
• （２）、原子核的自旋与核磁矩： •
1. 原子核的磁性
众所周知，原子是由原子核及绕核旋转的电子组成的，原子核带正电 核，这些正电荷主要分布在原子核的表面上。由于原子核的自转，根 据电磁学原理，电子的运动产生磁场，于是原子核就有了磁性。原子 核磁性大小一般用磁矩μ表示 ：
核磁共振基本原理 • 核磁共振原理
• 核磁共振仪 • 实现核磁共振的两种方法
NMR基本原理
核磁共振（Nuclear Magnetic Resonance，简写为NMR）
是一种研究原子核在核外磁场中能级及其跃迁的波谱方法 ，（1）只有自旋不等于零的核才能与外磁场相互作用，具 有核磁共振的条件; （2）在强磁场的激励下，一些具有某 些磁性的原子核的能量可以裂分为2个或2个以上的能级; （3）如果此时外加一个能量，使其恰好等于裂分后相邻能 级之差，则该核就可能吸收能量（称为共振吸收）。从低 能态跃迁到高能态，所吸收能量的数量级相当于频率范围 在0.1到100MHz的电磁波（属于无线电波范围，简称射频 ）。因此核磁共振就是研究磁性原子核对3;1/2
△E=2μH0
当电磁波的能量符合下式时；
H0 由=Ih/2 得0=H0/2π
△E=h0=2μH0,
进动核便与辐射光子相互作用 （共振），体系吸收能量，核 由低能态跃迁至高能态发生核 磁共振。
必须注意：在无外加磁场时，核能级是简并的，各状态的能量相同。
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。60多年来，核磁共振已 形成为一门有完整理论的新学科。
Related Nobel Prize
1952年诺贝尔物理学奖：布洛赫(Felix Bloch ) & 珀赛尔 (Edward
Purcell)因发展了核磁精密测量的新方法及由此所作的发现——核磁共振。
化学位移
同一核由于化学环境不同，在核磁共振谱上共振吸收峰位置发生位 移的现象叫化学位移。因为化学位移 的差异很小，不能精细地测出绝对 值，所以常以相对位移表示。对于1H核，一般以四甲基硅（TMS）为标 准。它只有一个吸收峰，把它与样品放在一起作内标测出核磁共振谱， 以TMS吸收峰为零点，其他H核的吸收峰与零点之间的相对距离作为化学 位移。化学位移以下式计算
他获得2002年诺贝尔化学奖的另一半奖金。
If one knows all the measurements of a house one can draw a three-dimensional picture of that house. In the same way, by measuring a vast number of short distances in a protein, it is possible to create a threedimensional picture of that protein.
有两种取向：一种与外磁场平行，这时能量较低，
以磁量子数m＝1/2 表征；一种与外磁场反平行，
这时氢核的能量稍高，以m＝－ 1/2 表征.
当外加磁场时，I=1/2的原子核 能级发生裂分。其能量差与核 磁矩μ和外磁场强度H0有关。 两种自旋态的能量差△E随着 外磁场的强度增加而变大。
高能自旋 m=-1/2 零磁场
核自旋Ι与原子核质量数A及原子序数Z的关系如表所示。
A 奇数 偶数 偶数
Z 奇或偶数 偶数 奇数
Ι 半整数 零 整数
例
1H 13C 15N 12C 16O 12S 2H 14N 10B
核磁共振现象
如前所述，如果将某一磁性核置于外加磁场 H0中，则它对外加磁场可以有（2 Ι＋1）种取向。
以氢核为例，由于其自旋Ι ＝1/2 ，所以它只能
h . . 2
式中 h：普朗克常数；
γ：各种核的特征常数，称磁旋比，每种核都有固定值，它实质 上是原子核磁性大小的度量，其值越大表示原子核磁性越强，反之亦 然；
I：自旋量子数，简称自旋。
Ι表示了磁矩的空间量子化情况, 即可能的量子状态。例如质子的Ι ＝ 1/2 ，表示质子的磁矩在外加磁场中有两种可能的取向，相应于m ＝±1/2 ；14N的Ι＝1，则表示其磁矩在磁场中有三种可能的取向， 相应于m＝0,±1 。因此，磁量子数m可能的数值是Ι ,Ι－1,… ,－Ι＋1, －Ι共有（2 Ι＋1）个可能值。
2003年诺贝尔医学奖 :美国科学家保罗· 劳特布尔 (Paul Lauterbur) 和英国科学家彼得· 曼斯菲尔德(Peter Mansfield )
Peter
用核磁共振层析“拍摄”的脑截面图象
MRI is used for imaging of all organs in the body.