核磁共振与电子顺磁共振波谱法
核磁共振与电子顺磁共振波谱法
幻灯片1
期末复习
幻灯片2
第三章核磁共振与电子顺磁共振波谱法
核磁共振(Nuclear Magnetic Resonance, NMR)和电子顺磁共振(Electron Paramagnetic Resonance, EPR)与UV和IR相同，也属于吸收波谱。EPR又称为电子自旋共振谱(Electron Spin Resonance, ESR)。NMR和EPR是将样品置于强磁场中，然后用射频源来辐射样品。NMR是使具有磁矩的原子核发生磁能级的共振跃迁；而ESR是使未成对的电子产生自旋能级的共振跃迁。
幻灯片3
第三章核磁共振与电子顺磁共振波谱法
NMR E SR
研究对象具有磁矩的原子核具有未成对电子的物质
共振条件式
?磁子/J/T 称为核磁子，
1H的?＝5.05×10-27 称为玻尔磁子，
电子的?＝9.273×10-24
g因子
(又称朗德因子，无量纲) 氢核1H的g因子为
gN＝5.5855 自由电子的g因子为
ge＝2.0023
结构表征的主要参数耦合常数J，单位Hz；化学位移?，常用单位ppm 超精细分裂常数?，常用单位特斯拉
常用谱图核吸收谱的吸收曲线和积分曲线电子吸收谱的一级微分曲线
幻灯片4
3.1 核磁共振波谱
NMR是研究处于磁场中的原子核对射频辐射(Radio-frequency Radiation)的吸收，它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，有时亦可进行定量分析。
在强磁场中，原子核发生能级分裂(能级极小：在1.41T磁场中，磁能级差约为25?10-3J)，当吸收外来电磁辐射(109-1010nm, 4-900MHz)时，将发生核能级的跃迁——产生所谓NMR现象。
幻灯片5
3.1 核磁共振波谱
测定有机化合物的结构，1HNMR──氢原子的位置、环境以及官能团和C骨架上的H原子相对数目）
与UV和红外光谱法类似，NMR也属于吸收光谱，只是研究的对象是处于强磁场中的原子核对射频辐射的吸收。
幻灯片6
3.2 1H－核磁共振波谱
3.2.1 化学位移及自旋－自旋分裂
原子核处于外磁场中时，核外电子运动要产生感应磁场，就像形成了一个磁屏蔽，使外磁场对原子核的作用减弱了，即实际作用在原子核上的磁场为,
?称为屏蔽常数，它反映了核所处的化学环境。
在一定的辐射频率下，处于不同化学环境的有机化合物中的质子，产生核磁共振的磁场强度或共振吸收频率不同的现象，称为化学位移。
幻灯片7
3.2 1H－核磁共振波谱
3.2.1 化学位移及自旋－自旋分裂
幻灯片8
3.2 1H－核磁共振波谱
3.2.1 化学位移及自旋－自旋分裂
分子内部相邻碳原子上氢核自旋也会相互干扰，通过成键电子之间的传递，形成相邻质子之间的自旋－自旋耦合，而导致谱峰发生分裂，即自旋－自旋分裂。
幻灯片9
3.2 1H－核磁共振波谱
3.2.
1 化学位移及自旋－自旋分裂
分裂峰数是由邻碳原子上的氢原子数n决定的，为n＋1，其峰面积之比为二项展开式系数。
幻灯片10
3.2 1H－核磁共振波谱
3.2.1 化学位移及自旋－自旋分裂
分裂峰之间的距离称为耦合常数，一般用nJ 表示(n为两H 氢间的键数)，单位为Hz。J是核之间耦合强弱的标志，它说明了它们之间相互作用的能量，因此是化合物结构的属性，与外磁场强度的大小无关。
幻灯片11
3.2 1H－核磁共振波谱
3.2.2 谱图表示方法
横坐标表示的是化学位移和耦合常数，而纵坐标表示的是吸收峰的强度。
由于屏蔽效应而引起质子共振频率的变化量极小，很难分辨，因此，采用相对变化量来表示化学位移的大小。一般选用四甲基硅烷(TMS)为标准物，因为：
幻灯片12
3.2 1H－核磁共振波谱
3.2.2 谱图表示方法
a)?由于四个甲基中12 个H 核所处的化学环境完全相同，因此在核磁共振图上只出现一个尖锐的吸收峰；
b) 屏蔽常数? 较大，因而其吸收峰远离待研究的峰的高磁场(低频)区；
c)?TMS—化学惰性、溶于有机物、易被挥发除去；
此外，也可根据情况选择其它标准物。
含水介质：三甲基丙烷磺酸钠。
高温环境：六甲基二硅醚。
幻灯片13
3.2 1H－核磁共振波谱
3.2.2 谱图表示方法
把TMS峰在横坐标的位置定为横坐标的原点(一般在谱图右端)。其它各种吸收峰的化学位移用化学位移参数? 值表示，? 的定义：
? 是一个比值，用ppm计量，与磁场强度无关，各种不同仪器上测定的数值一样。也用? 作为化学位移的参数，?＝10－? 。
3.2 1H－核磁共振波谱
3.2.2 谱图表示方法
如果化学位移用表示，则化学位移与耦合常数的差别是：前者与外加磁场强度有关，场强越大，也越大；而后者与场强无关，只和化合物结构有关。
幻灯片15
3.2 1H－核磁共振波谱
3.2.2 谱图表示方法
1H-NMR谱图可提供的主要信息是：
化学位移值；
确认氢原子所处的化学环境，即属于何种基团。
(2) 耦合常数；
推断相邻氢原子的关系与结构。
(3) 吸收峰面积
确定分子中各类氢原子的数量比。
幻灯片16
3.1化学位移的产生
屏蔽作用与化学位移
根据楞次定律，在外磁场作用下，运动着
的电子会产生环电流，并感应产生一个与外磁
场方向相反的的感应磁场，起到屏蔽作用，使
氢核实际受到的外磁场作用减小：
H=H0 - ? H0=（1- ? ）H0
?：屏蔽常数。
?0=2μβH /h= 2μβ（1-?）H0/h
H0=?0h/2μβ（1-?）
当?0固定，氢核的电子密度越大↑→屏
蔽效应↑→? ↑→H0 ↑
幻灯片17
chemical shift
H0=?0h/2μβ（1-?）
由于屏蔽作用的存在，氢核产生共振需要更大的外磁场强度（相对于裸露的氢核），来抵消屏蔽影响。
在有机化合物中，各种氢核周围的电子云密度不同（结构中不同位置）共振频率有差异，即引起共振吸收峰的位移，这种现象称为化学位移。
幻灯片18
3.2化学位移的表示
化学位移的标度
化学位移是很小的数值，一般在10?10－6范围内。
化学位移与磁场强度有关，不同的H0有不同的? H0，因此为了提高化学位移数值的准确度和统一标定化学位移的数值，化学位移采用相对值。
?0——扫场时固定的射频频率
标准物质是TMS（四甲基硅烷）。
人们已积累了一系列基团的化学位移的数据．因此可以利用化学位移鉴定化合物中有哪几种含氢原子的基团，可用作基团归属的快速指南。
18
幻灯片19
(1)位移的标准
没有完全裸露的氢核，没有绝对的标准。
相对标准：四甲基硅烷Si(CH3)4 （TMS）（内标）
位移常数?TMS=0
(2) 为什么用TMS作为基准?
a. 12个氢处于完全相同的化学环境，只产生一个尖峰；
b.屏蔽强烈，? 最小。与有机化合物中的质子峰不重迭；
c.化学惰性；易溶于有机溶剂；沸点低，易回收。
? = [（?样品- ?TMS) / ?0 ] 106
幻灯片20
3.3 影响化学位移的因素
核外电子云密度的影响：即电负性的作用
环电子流运动（电子云密度）磁屏蔽作用
而与氢核相连的原子或基团的电负性强弱电子云密度大小电负性化学位移δ
δ（ppm）
1
2
3
4
5
10
9
8
7
6
11
12
例：
卤素原子电负性增大，氢的屏蔽效应减小
幻灯片21
影响化学位移的因素
（一）电负性--去屏蔽效应
临近原子的电负性↑→氢核的电子密度↓→屏蔽效应↓→共振需要的外磁场强度H0 ↓→? ↑
-CH3 ，高场，? =1.6~2.0
-CH2I，低场，? =3.0 ~ 3.5
-C-H ，高场? 小
-O-H ，低场，? 大
幻灯片22
3.推测C8H8纯液体
解：1）? =1-8/2+8=5
2）峰归属
3）可能的结构
幻灯片23
重点
一、谱图解析步骤
1.由分子式（来自质谱）求不饱合度,判断是否有双键
2.由化学位移，偶合常数和峰数目解析，确定质子种类
例如: δ1.3 -C-CH3
δ 2.1 CH3-CO- 表明结构上有羰基
δ 3.6 CH3-O- 表明结构上有醚键
δ7.3 芳环上氢,表明结构上有苯环
3.由积分曲线求1H核的相对比例,
峰面积与同类质子数成正比.
4.裂分峰，有相邻质子.并能判断旁边有几个氢
三重峰和四重峰表明有CH2CH3相互偶合
5.参考IR，UV，MS和其它数据推断解构
6.得出结论，验证解构
幻灯片24
二、裂分峰数与峰面积
number of pear splitting and pear areas
裂分峰数符合n+1规律，n为相邻碳原子上的质子数
裂分的峰面积比为(a+1)n的展开式中各项系数之比
峰面积与同类质子数成正比，仅能确定各类质子之间的相对比例。
24
幻灯片25
不饱和度?=1+n4+(n3-n1)/2
n4:四价原子数目,例如C
n3:三价原子数目,例如N
n1:一价原子数目,例如H
C8H14O4的不饱和度=1+8+(0-14)/2=2
?=1一个双键
?=2两个双键
?>4 表明有苯环
25
幻灯片26
屏蔽作用：当原子核处于外磁场中时，核外电子运动要产生感应磁场，核外电子对原子核的这种作用就是
分子式为C7H7NO的不饱和度（）。
5 B、4 C、3 D、2
在1H NMR测定中不能使用带氢的溶剂，如果必须使用时要用氘代试剂。
幻灯片27
化合物CH3COCH2COOCH2CH3的1H-NMR谱的特点是( )
A.4个单峰；
B.3个单峰，1个三重峰；
C.2个单峰；
D.2个单峰，1个三重峰和1个四重峰
核磁共振波谱的作用与特点
核磁共振波谱的作用与特点 核磁共振波谱（Nuclear Magnetic Resonance Spectroscopy，简称NMR）是基于核自旋的一种分析技术，它通过对核磁偶极矩与外磁场 的相互作用进行分析，获得物质的分子结构及其组成、构象、动力学 等相关信息。下面将从作用和特点两个方面来具体介绍核磁共振波谱。 一、作用 1. 提供化合物的结构信息 核磁共振波谱是通过对磁场下化合物中核自旋与磁场的相互作用进行 分析，得出各个核自旋所处的化学环境及数量等信息，从而提供化合 物的结构信息。这些信息包括化合物的分子量、化学式、官能团、键长、键角、扭曲角等，不仅可以确定化合物的分子结构，而且可以提 供化合物的局部构象信息。 2. 了解化合物的电子状态 核磁共振波谱可以通过核自旋共振现象直接观察化合物的原子核磁矩 的磁量子数。从而可以了解化合物电子结构的信息，进而去探讨物质 的电子可能的交换和自由基反应等反应机制。 3. 追踪分子动力学
核磁共振波谱可以通过利用自旋弛豫实现分析分子动力学。分子的自旋弛豫常数与其所处的化学环境有关，可以针对特定化学环境获得化合物的动力学与动力学参数的相关信息。从而为研究化合物的开环反应、光学反应、物理性质提供了有力的手段。 二、特点 1.非破坏性分析 核磁共振波谱是一种非破坏性分析技术，在一定条件下，对生物、医学、食品等领域的样品不会产生破坏性损坏。这保持了原样品的完整性，同时提高了实验结果的准确性，为对生物和药物等的分析研究提供了方便。 2.分析灵敏度高 核磁共振波谱是一种极具灵敏度的分析方法，可以对样品进行非常高的灵敏性分析。与传统分析化学技术相比，它可以通过调整实验参数减少样品的浓度，仍然保持较好的分析结果。 3. 数据采集时间较短 随着技术的不断进步，现代核磁共振仪器的数据采集速度已经快得惊人，数十万个数据点可以在数分钟内完成采集，大大缩短了数据采集
考研分析化学核磁共振波谱法
第十六章核磁共振波谱法 第一节概述 核磁共振：在强磁场的诱导下，一些原子核能产生核自旋能级分裂，当用一定频率的无线电波照射分子时，便能引起原子核自旋能级的跃迁，这种原子核自磁场中吸收一定频率的无线电波，而发生自旋能级跃迁的现象称为~ 核磁共振波谱：以核磁共振信号强度对照射频率（或磁场强度）作图，所得图谱称为~ 核磁共振波谱法：利用核磁共振波谱进行结构测定、定性及定量分析的方法称为~，或称核磁共振光谱法 一、核磁共振波谱与紫外-可见光谱及红外光谱的区别： 1 照射频率不同而引起的跃迁类型不同 紫外-可见吸收光谱是分子吸收200~700nm的电磁波，引起价电子（包括分子的振动-转动）能级的跃迁所致 红外光谱是分子吸收2.5~50μm电磁波，因此分子的振动-转动能级跃迁所致 核磁共振谱是在外磁场下吸收60cm~300m的电磁波，引起原子核自旋能级跃迁所致 2 测定方法不同 紫外及红外等一般吸收光谱是测定不同波长的透光率获得吸收光谱 它适用于透过光强度变化较大的能级跃迁 核磁共振信号很弱，无法通过测定透光率来获得核磁共振光谱，需要共振吸收法来测定核磁共振信号 共振吸收法：是利用原子核在磁场中，能级跃迁时核磁矩方向改变而产生感应电流，来测定核磁共振信号 核磁共振光谱仪中的照射线圈、接收线圈与磁场方向三者互相垂直、互不干扰 扫场法：固定照射频率，改变磁场强度获得核磁共振谱的方法称为~ 扫频法：固定磁场强度，改变照射频率而获得核磁共振谱的方法称为~ 连续波核磁共振：在高磁场中，用高频率对样品进行连续照射，这种方式称为~ 二、核磁共振波谱法的应用 核磁共振波谱的应用可概括为：测定结构、物理化学研究、生活活性测定、药理研究、物质的定性与定量等方面 1 在有机物结构研究方面 可测定化学结构及立体结构（构型、构象） 研究互变异构现象
第十二章 核磁共振波谱分析
4.3实验部分 实验4-1 有机化合物的氢核磁共振谱 一、实验目的 1. 学习核磁共振波谱的基本原理及基本操作方法。 2. 学习1H核磁共振谱的解析方法。 3. 了解电负性元素对邻近氢质子化学位移的影响。 二、基本原理 一张NMR波谱图，通常会提供化学位移值、耦合常数和裂分峰形以及各峰面积的积分线的信息，据此，我们可以推测有机化合物的结构。 化学位移值主要用于推测基团类型及所处化学环境。化学位移值与核外电子云密度有关，凡影响电子云密度的因素都将影响磁核的化学位移，其中包括邻近基团的电负性、非球形对称电子云产生的磁各向异性效应、氢键以及溶剂效应等，这种影响有一定规律可循，测试条件一定时，化学位移值确定并重复出现，前人也已总结出了多种经验公式，用于不同基团化学位移值的预测。 耦合常数和裂分峰形主要用于确定基团之间的连接方式。对于1H NMR，邻碳上的氢耦合，即相隔三个化学键的耦合最为重要，自旋裂分符合向心规则和n+1规则。裂分峰的裂距表示磁核之间相互作用的程度，称作耦合常数J，单位为赫兹，是一个重要的结构参数，可从谱图中直接测量，但应注意从谱图上测得的裂距是以化学位移值表示的数据，将其乘以标准物质的共振，即仪器的频率，才能得到以赫兹为单位的耦合常数。 积分曲线的高度代表相应峰的面积，反映了各种共振信号的相对强度，因此与相应基团中磁核数目成正比。通过对1H-NMR积分高度的计算，可以推测化合物中各种基团所含的氢原子数和总的氢原子数。 核磁共振谱图的解析就是综合利用上述三种信息推测有机物的结构。 用1H-NMR波谱图上的化学位移值(δ或τ)，可以区别烃类不同化学环境中的氢质子，如芳香环上的氢质子、与不饱和碳原子直接相连的氢质子、与芳香环直接相连-CH2或-CH3上氢质子、与不饱和碳原子相连的-CH2或-CH3上的氢质子、正构烷烃，支链烃和环烷烃上的氢质子。 化学位移的产生是由于电子云的屏蔽作用，因此，凡能影响电子云密度的因素，均会影响化学位移值。如氢质子与电负性元素相邻接时，由于电负性元素对电子的诱导效应，使质子外电子云密度不同程度的减小，导致其化学位移值向低磁场强度方向移动，随着电负性元素的电负性增加，向低磁场强度方向移动的距离就越大。 核磁共振波谱测定时，通常使用氘代溶剂将试样溶解后测试。常用的氘代试剂有氘代氯仿(CDCl3)、氘代丙酮(CD3COCD3)、重水(即氘代水，D2O)等。 三、仪器及设备 1．核磁共振波谱仪 2．样品管（φ5mm） 3．滴管、不锈钢样品勺等
核磁共振波谱法课后学习材料
核磁共振波谱法 讲授内容 第一节.概述 第二节.基本原理 第三节.化学位移 第四节.自旋偶合和自旋系统 第五节.核磁共振仪和实验方法 第六节.氢谱的解析方法 第七节.碳谱简介 第一节.概述 第二节.基本原理 填空题 1.原子核是否有自旋现象是由其自旋量子数Ⅰ决定的，Ⅰ为的核才有自旋，为磁 场性核。 2.进行核磁共振实验时，样品要置于磁场中，是因为。 3.对质子（=2.675×108 T-1·s-1）来说，仪器的磁场强度如为1.4092T，则激发用的射 频频率为。 选择题 1.下列原子核没有自旋角动量的是哪一种？
A．14N B．28Si C．31P D．33S E.1H 2.下述核中自旋量子数I=1/2的核是 A.16O B.19F C.2H D.14N E.12C 3.1H核在外磁场中自旋取向数为 A.0 B.1 C.2 D.3 E.4 4.若外加磁场的磁场强度H逐渐增大时，则使质子从低能级E跃迁至高能级E所需的能 量： A.不发生变化 B.逐渐变小 C.逐渐变大 D.不变或逐渐变小 E.不变或逐渐变大 简答题 1.试述产生核磁共振的条件是什么？ 2.一个自旋量子数为1/2的核在磁场中有多少种能态？各种能态的磁量子数取值为多 少？ 3.哪些类型的核具有核磁共振现象？目前的商品核磁共振仪主要测定是哪些类型核的核 磁共振？ 4.为什么强射频波照射样品会使NMR信号消失？而UV与IR吸收光谱法则不消失。计算题 1.试计算在1.9406T的磁场中，1H、13C的共振频率。 2.试计算在25o C时，处在2.4T磁场中13C高能态核与低能态核数目的比例。
第三节.化学位移 填空题 1.有A，B，C三种质子，它们的共振磁场大小顺序为B A＞B B＞B C，则其化学位移δ的大 小顺序为。 2.有A，B，C三种质子，它们的屏蔽常数大小顺序为σA＞σB＞σC，试推测其共振磁场B 的大小顺序为。 3.在化合物CH3X中，随着卤原子X的电负性增加，质子共振信号将向磁场强度 方向位移。 选择题 1.不影响化学位移值的因素是： A.核磁共振仪的磁场强度 B.核外电子云密度 C.磁的各向异性效应 D.所采用的内标试剂 E.使用的溶剂 2.在下列化合物中，质子化学位移（ppm）最大者为： A.CH3Br B.CH4 C.CH3OH D.CH3I E.CH3F 3.CH3X中随X电负性增大，H核信号： A.向高场位移，共振频率增加 B.向高场位移，共振频率降低 C.向低场位移，共振频率增加 D.向低场位移，共振频率降低
核磁共振与电子顺磁共振波谱法
核磁共振与电子顺磁共振波谱法 幻灯片1 期末复习 幻灯片2 第三章核磁共振与电子顺磁共振波谱法 核磁共振(Nuclear Magnetic Resonance, NMR)和电子顺磁共振(Electron Paramagnetic Resonance, EPR)与UV和IR相同，也属于吸收波谱。EPR又称为电子自旋共振谱(Electron Spin Resonance, ESR)。NMR和EPR是将样品置于强磁场中，然后用射频源来辐射样品。NMR是使具有磁矩的原子核发生磁能级的共振跃迁；而ESR是使未成对的电子产生自旋能级的共振跃迁。 幻灯片3 第三章核磁共振与电子顺磁共振波谱法 NMR E SR 研究对象具有磁矩的原子核具有未成对电子的物质 共振条件式 ?磁子/J/T 称为核磁子， 1H的?＝5.05×10-27 称为玻尔磁子， 电子的?＝9.273×10-24 g因子 (又称朗德因子，无量纲) 氢核1H的g因子为 gN＝5.5855 自由电子的g因子为 ge＝2.0023 结构表征的主要参数耦合常数J，单位Hz；化学位移?，常用单位ppm 超精细分裂常数?，常用单位特斯拉 常用谱图核吸收谱的吸收曲线和积分曲线电子吸收谱的一级微分曲线 幻灯片4 3.1 核磁共振波谱 NMR是研究处于磁场中的原子核对射频辐射(Radio-frequency Radiation)的吸收，它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，有时亦可进行定量分析。 在强磁场中，原子核发生能级分裂(能级极小：在1.41T磁场中，磁能级差约为25?10-3J)，当吸收外来电磁辐射(109-1010nm, 4-900MHz)时，将发生核能级的跃迁——产生所谓NMR现象。 幻灯片5 3.1 核磁共振波谱
顺磁共振与核磁共振
顺磁共振与核磁共振实验报告 【摘要】 核磁共振是指受电磁波作用的原子核系统在外磁场中能级之间发生共振跃迁的现象。电子顺磁共振跃迁只能发生在原子的固有磁矩不为零的顺磁材料中，因此被称为电子顺磁共振。铁磁共振具有磁共振的一般特性，而且效应显著，它和核磁共振，顺磁共振一样也是研究物质宏观性能和微观结构的有效手段。它能测量微波铁氧体的许多重要参数，对于微波铁氧体器件的制造、设计，生产有重要作用。铁磁物质在一定的外加恒定磁场和一定频率的微波磁场中当满足共振条件时产生强烈吸收共振的现象。本实验目的是学习用传输式谐振腔法研究铁磁共振现象并测量铁磁物质的共振线宽和g因子。 【关键词】 核磁共振顺磁共振电子自旋自旋g因子 【引言】 核磁共振是指受电磁波作用的原子核系统在外磁场中能级之间发生共振跃迁的现象。早期的核磁共振电磁波主要采用连续波，灵敏度较低，1966年发展起来的脉冲傅里叶变换核磁共振技术，将信号采集由频域变为时域，从而大大提高了检测灵敏度，由此脉冲核磁共振得到迅速发展，成为物理、化学、生物、医学等领域中分析、鉴定和微观结构研究不可缺少的工具。 顺磁共振（EPR）又称为电子自旋共振（ESR），EPR现象首先是由苏联物理学家 E．K．扎沃伊斯基于1944年从MnCl2、CuCl2等顺磁性盐类发现的。物理学家最初用这种技术研究某些复杂原子的电子结构、晶体结构、偶极矩及分子结构等问题。以后化学家根据EPR测量结果，阐明了复杂的有机化合物中的化学键和电子密度分布以及与反应机理有关的许多问题。60年代以来，由于仪器不断改进和技术不断创新，EPR技术至今已在物理学、半导体、有机化学、络合物化学、辐射化学、化工、海洋化学、催化剂、生物学、生物化学、医学、环境科学、地质探矿等许多领域内得到广泛的应用。 【正文】 核磁共振，是指具有磁矩的原子核在恒定磁场中由电磁波引起的共振跃迁现象。它是测定原子的核磁矩和研究核结构的直接而又准确的方法，也是精确测量磁场和稳定磁场的重要方法之一。 电子顺磁共振共振跃迁只能发生在原子的固有磁矩不为零的顺磁材料中，因此被称为电子顺磁共振；因为分子和固体中的磁矩主要是自旋磁矩的贡献所以又被称为电子自旋共振。简称“EPR”或“ESR”。由于电子的磁矩比核磁矩大得多，在同样的磁场下，电子顺磁共振的灵敏度也比核磁共振高得多。在微波和射频范围内都能观察到电子顺磁现象，本实验使用微波进行电子顺磁共振实验。 一、发展过程 核磁共振的物理基础是原子核的自旋。泡利在1924年提出核自旋的假设，1930年在实验上得到证实。1932年人们发现中子，从此对原子核自旋有了新的认识：原子核的自旋是质子和中子自旋之和，只有质子数和中子数两者或者其中之一为奇数时，原子核具有自旋角动量和磁矩。这类原子核称为磁性核，只有磁性核才能产生核磁共振。磁性核是核磁共振技术的研究对象。1945年12月，美国哈佛大学帕塞尔等人，报道了他们在石蜡样品中观察到质子的核磁共振吸收信号；1946年1月，美国斯坦福大学布洛赫等人，也报道了他们在水样品中观察到质子的核感应信号。两个研究小组用了稍微不同的方法，几乎同时在凝聚物质中发现了核磁共振。因此，1945年发现核磁共振现象的美国科学家珀塞耳（Purcell）和布
核磁共振波谱分析
核磁共振波谱分析 1946年美国科学家布洛赫(Bloch)和珀塞尔（Purcell）两位物理学家分别发现在射频*（无线电波*～100MHZ,106～109μm）的电磁波能与暴露在强磁场中的磁性原子核相互作用,引起磁性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,他们把这种原子对射频辐射的吸收称为核磁共振(NMR)。NMR和红外光谱，可见—紫外光谱相同之处是微观粒子吸收电磁波后在不同能级上跃迁。引起核磁共振的电磁波能量很低,不会引起振动或转动能级跃迁,更不会引起电子能级跃迁。.根据核磁共振图谱上吸收峰位置、强度和精细结构可以研究分子的结构。化学家们发现分子的环境会影响磁场中核的吸收，而且此效应与分子结构密切相关。1950年应用于化学领域，发现CH3CH2OH中三个基团H吸收不同。从此核磁共振光谱作为一种对物质结构（特别是有机物结构）分析的确良非常有效的手段得到了迅速发展。1966年出现了高分辨核共振仪，七十年代发明了脉冲傅立叶变换核磁共振仪，以及后来的二维核磁共振光谱（2D-NMR），从测量1H 到13C、31P、15N，从常温的1～到超导的5T以上，新技术和这些性能优异的新仪器都核磁共振应用范围大大扩展，从有机物结构分析到化学反应动力学，高分子化学到医学、药学、生物学等都有重要的应用价值。 §4-1核磁共振原理 一、原子核自旋现象 我们知道原子核是由带正电荷的原子和中子组成，它有自旋现象原子核大都围绕着某个轴作旋转运动，各种不同的原子核，自旋情况不同。原子核的自旋情况在量子力学上用自旋量子数I表示，有三种情况： ①I=0,这种原子核没有自旋现象,不产生共振吸收(质量数为偶数(M),电子数,原子数为偶数(z)为12G,16O,32S)
核磁共振波谱法NuclearMagneticResonanceSpectroscopy
第四章 核磁共振波谱法 (Nuclear Magnetic Resonance Spectroscopy, NMR) §4.1 简介 1924年，泡利（Pauli)预见原子核具有自旋和核磁距； 1946年，斯坦福大学布洛赫（Bloch ）和 哈佛大学珀塞尔（Purcell ）分别同时独立地观察到核磁共振现象； 1952年，分享1952年诺贝尔物理奖； 1953年，第一台商品化核磁共振波谱仪问世； 1965年，恩斯特（Ernst)发展出傅里叶变换核磁共振和二维核磁共振； 1991年，被授予诺贝尔化学奖； 2002年，NMR 领域再一次获诺贝尔化学奖； 核磁共振已成为最重要的仪器分析手段之一 核磁共振成像技术（Nuclear Magnetic Resonance Imaging ，简称NMRI ），是获取样品平面（断面）上的分布信息，称作核磁共振计算机断层成象，也就是切片扫描方式。核磁共振手段可测定生物组织中含水量分布的图像，这实际上就是质子密度分布的图像。现已对生物组织的病变和其含水量分布的关系作过广泛的研究。病变会使组织中的含水量发生变化，所以，通过水含量分布的情况就可以把病变部位找出来。 §4.２ 核磁共振基本原理 一、 原子核的自旋 若原子核存在自旋，产生核磁矩： 自旋角动量： )1(2+= I I h π ρ I ：自旋量子数； h ：普朗克常数； γ: 磁旋比 自旋量子数（I ）不为零的核都具有磁矩，原子的自旋情况可以用（I ）表征： 质量数 原子序数 自旋量子数I 偶数 偶数 0 偶数 奇数 1，2，3…. 奇数 奇数或偶数 1/2；3/2；5/2…. （1） I =0 的原子核 O(16)；C （12）；S （22）等 ，无自旋，没有磁矩，不产生共振吸收； （2） I =1，2，3 ……. 的原子核：2H ，14N ，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； （3）Ｉ＝1/2，3/2，5/2….的原子核: 1H ，13C ，19F ，31P ，原子核的电荷均匀分布， γρ μ=
核磁共振波谱分析法的小论文
核磁共振波谱分析法 摘要：将自旋核放入磁场后，用适宜频率的电磁波照射，它们吸收能量，发生原子核能级的跃迁，同时产生核磁共振信号，得到核磁共振谱。这种方法称为核磁共振波谱法。按工作方式，可将高分辨率核磁振仪分为两种类型：连续波核磁共振谱仪和脉冲傅里叶核磁共振谱仪。在有机化合物中，经常研究的是1H核和13C核的共振吸收谱。核磁共振谱能提供的参数主要有化学位移，质子的裂分峰数、偶合常数以及各组峰的积分高度等。这些参数与有机化合物的结构有着密切的关系。因此，核磁共振谱是鉴定有机、金属有机以及生物分子结构和构象等的重要工具之一。此外，核磁共振扑还可应用于定量分析，相对分析质量的测定及应用于化学动力学的研究等。核磁共振波谱法是结构分析的重要根据之一，在化学、生物、医学、临床等研究工作中得到了广泛的应用。分析测定时，样品不会受到破坏，属于无破坏分析方法。 关键词：进动跃迁核磁共振波谱仪试样制备应用 引言：在人类生活和生产中，材料是必需的物质基础。新材料的使用对人类历史的发展起了重要的作用。20世纪70年代，人们曾把材料、信息、能源归纳为现代文明的三大支柱，可以想象材料在我们日常生活中的重要性。材料的性能是材料内部因素在一定外界因素作用下的综合反映，而且物质的组成和结构取决与材料的制备和使用条件。我们可以运用研究方法，了解研究材料结构、性能的重要性。研究方法可以分为化学成分分析、结构测定、图像分析、表面分析等内容，自1945年底美籍科学家Bloch和Purcell首次观测到宏观物质核磁共振信号以来，已经过了六十多年，在这60多年内，由于其在结构分析方面的特殊优势，NMR理论和谱仪技术得到了迅速的发展和推广。到目前为止，NMR技术已经在物理、化学、材料、生物和医学等多个学科得到了很广泛的应用。分析测定时，样品不会受到破坏，属于无破坏分析方法。 正文： 基本原理 磁共振现象来源于原子核的自旋角动量在外加磁场作用下的进动。根据量子力学原理，原子核与电子一样，也具有自旋角动量，其自旋角动量的具体数值由原子核的自旋量子数决定，实验结果显示，不同类型的原子核自旋量子数也不同：
核磁共振波谱法
第11章 核磁共振波谱法 将自旋核放入磁场后，用适宜频率的电磁波照射，它们吸收能量，发生原子核能级的跃迁，同时产生核磁共振信号，得到核磁共振谱。这种方法称为核磁共振波谱法（nuclear magnetic resonance spectroscopy,NMR ）。在有机化合物中，经常研究的是1H 核和13C 核的共振吸收谱。本章将主要介绍1H 核磁共振谱。 核磁共振波谱法是结构分析的重要根据之一，在化学、生物、医学、临床等研究工作中得到了广泛的应用。分析测定时，样品不会受到破坏，属于无破坏分析方法。 §11-1 基本原理 一、核的自旋运动 有自旋现象的原子核，应具有自旋角动量（P ）。由于原子核是带正电粒子，故在自旋时产生磁矩μ。磁矩的方向可用右手定则确定。磁矩μ和角动量P 都是矢量，方向相互平行，且磁矩随角动量的增加成正比地增加： P ⋅=γμ （11-1） 式中γ为磁旋比。不同的核具有不同的磁旋比。 核的自旋角动量是量子化的，可用自旋量子数I 表示。P 的数值与I 的关系如下： ()π 21h I I P ⋅+= （11-2） I 可以为0，21，1，2 11，……等值。很明显，当I=0时，P=0，即原子核没有自旋现象。只有当I>0时，原子核才有自旋角动量和自旋现象。 实验证明，自旋量子数I 与原子的质量数（A ）及原子序数（Z ）有关，如表11-1所示。从表中可以看出，质量数和原子序数均为偶数的核，自旋量子数I=0，
即没有自旋现象。当自旋量子数2 1=I 时，核电荷呈球形分布于核表面，它们的核磁共振现象较为简单，是目前研究的主要对象。属于这一类的主要原子核有H 1 1、C 136、N 157 、F 199、P 3115。其中研究最多、应用最广的是H 1和C 13核磁共振谱。 表11-1 自旋量子数与原子的质量数及原子序数的关系 二、自旋核在磁场中的行为 若将自旋核放入场强为B 0的磁场中，由于磁矩与磁场相互作用，核磁矩相对外加磁场 有不同的取向。按照量子力学原理，它们在外磁场方向的投影是量子化的，可用磁量子数m 描述之。m 可取下列数值： I I I I m ---=,,2,1, 自旋量子为I 的核在外磁场中可有（2I+1）个取向，每种取向各对应有一定的能量。对于具有自旋量子数I 和磁量子数m 的核，量子能级的能量可用下式确定： 0B I m E βμ-= （11-3）
电子顺磁共振
电子顺磁共振 1. 介绍 电子顺磁共振（electron paramagnetic resonance，EPR）是一种用于研究带有 未配对电子或自旋的物质的技术。顺磁共振是核磁共振的变种，通过测量物质中电子的磁共振信号来获取有关其结构、动力学和化学环境的信息。 2. 原理 顺磁共振利用物质中未配对电子的磁性质来研究物质的性质。未配对电子具有 自旋，自旋在外加磁场下会产生能级分裂。当受到合适频率的电磁波激发时，未配对电子的自旋能级间会发生跃迁，此时可以观察到共振吸收信号。根据共振吸收信号的特征，可以了解未配对电子所处的环境和物质的特性。 3. 仪器和实验步骤 3.1 仪器 顺磁共振实验中常用的仪器主要包括： - 顺磁共振仪：用于产生稳定的磁场和 提供合适频率的激发波。 - 微波源：用于产生合适频率的微波辐射。 - 探头：用于 将激发波和样品接触并检测共振吸收信号。 3.2 实验步骤 1.准备样品：将待测试的物质制备成粉末状或溶液状态，保持样品的纯 净性和均匀性。 2.放置样品：将样品放置在顺磁共振仪的样品探头中，确保样品与激发 波的接触良好。 3.设置实验参数：根据样品的特性和预先的知识，设置合适的实验参数， 包括磁场强度、扫描范围和微波频率等。 4.开始扫描：控制仪器开始扫描，记录共振吸收信号的强度和频率。 5.数据分析：根据记录的数据，通过对比已知样品的共振谱，进行谱线 分析和归属。 4. 应用领域 电子顺磁共振技术在多个领域有着重要的应用： - 材料科学：用于研究材料的 磁性和电子结构。 - 生物化学：用于研究生物大分子的结构和动力学。 - 化学分析：用于分析化学物质中的未配对电子结构和化学环境。 - 医学诊断：用于检测人体组 织和体液中的自由基和活性物质。
核磁共振波谱分析步骤
土壤的HF预处理及固态13C核磁共振波谱分析 本研究只对3个固定样地的A层土壤进行固态13C核磁共振波谱分析。土壤样品在进行固态13C核磁共振波谱分析前先进HF预处理。HF预处理的目的是为了去除土壤中的Fe3+和Mn2+离子，从而提高仪器分析的信噪比，提高分析的效率。HF预处理的方法主要参考Mathers等（2003）的方法进行。 具体方法如下：称5 g风干壤于100 mL塑料离心管中，加50 mL HF溶液(10% v/v)，盖上盖子，震荡1h；离心10 min（3000 r·min-1），去除上清液，残余物继续用HF溶液处理。共重复8次，但振荡时间不一样（4 × 1 h, 3 ×12 h, 1 × 24 h）。土壤样品经HF溶液处理完后，用双蒸水洗残余物4次，主要是为了去除土壤样品中残留的HF。方法如下：加50ml双蒸水，震荡10min，离心10min （3000 r·min-1）；去掉上清液，重复4次。将经过HF处理的残余物，在40 ℃的烘箱中烘干，磨细过60目筛，放在卡口袋中，留待NMR上机测定用。 将上述经HF预处理过的土壤样品进行固态魔角旋转-核磁共振测定（AVANCE Ⅱ 300MH）。实验采用7 mm CPMAS探头，观测频率为100.5MHz，MAS旋转频率为5000 Hz，接触时间为2s，循环延迟时间为2.5s。化学位移的外标物为六甲基苯(hexameth-ylbenzene，HMB，甲基17.33 mg·kg-1)。综合已有的13C NMR的研究结果，土壤有机碳的主要13C信号的化学位移所对应的碳结构如下：烷基碳区（0-50mg·kg-1）、烷氧碳区（50-110mg·kg-1）、芳香碳区（110-160mg·kg-1）和羰基碳区（160-220mg·kg-1）。然后对谱峰曲线进行区域积分，获得各种碳化学组分的相对含量。另外，计算了两个表征有机碳稳定性的指标：①A/O-A： C 0-50mg·kg-1/C 50-110mg·kg-1 （烷基碳/烷氧碳）（Baldock and Preston,1995）；②芳香 度（aromaticity）: C 110-160mg·kg-1/C 160-220mg·kg-1 [烷基碳/（烷基碳+烷氧碳+芳香碳）]。 各碳化学组分的绝对含量用土壤总有机碳含量和根据区域积分得到的各碳化学组分相对含量值的乘积来表示（Dai K,et.al 2001） 所需仪器及材料： 所需药品： 时间： 样品数量：
,顺磁共振光谱
顺磁共振光谱是一种谱学技术，用于观察顺磁性物质的磁共振行为。它基于电子自旋的性质，通过测量样品中的核磁共振信号来获得有关样品分子结构和动力学的信息。以下是对顺磁共振光谱的详细分析： 1. 原理：顺磁共振光谱使用强磁场作用于顺磁性物质，使样品中的电子自旋和核自旋在特定频率下发生共振。通过对共振信号的测量和分析，可以了解样品中的分子结构、磁性质和相互作用等信息。 2. 仪器和实验条件：顺磁共振光谱需要使用高磁场强度的磁体，通常为超导磁体。实验室中还需要有一套微波和射频系统，用于产生激励脉冲和检测共振信号。此外，还需要一台计算机来控制实验和处理数据。 3. 样品制备：样品通常是含有顺磁性金属离子 如铁、铜、锰等）或具有未成对电子的有机物。样品制备时需要纯化和溶解，并尽量避免氧气和水分的存在，以减少样品和仪器之间的氧化和水解反应。 4. 光谱参数：顺磁共振光谱的主要参数包括化学位移、弛豫时间、相对强度和峰宽等。化学位移是共振峰在频率轴上的位置，可以提供关于样品中原子环境的信息。弛豫时间是共振信号衰减至初始强度的时间，反映了样品中自旋自相互作用的强度和自由旋转的快慢程度。相对强度表示共振峰的相对大小，可以与样品中不同类型的核自旋数量相关联。峰宽反映了样品中的相干时间和自旋扩散等因素。 5. 数据分析：顺磁共振光谱的数据通常以谱图的形式呈现，横轴表示频率，纵轴表示强度。通过比较实验数据和已知标准物质的光谱，可以确定样品中的分子结构，甚至推断分子间的相互作用。此外，还可以通过测量不同条件下的共振峰参数的变化，了解样品的动力学行为和磁场响应。 总的来说，顺磁共振光谱是一种有力的工具，用于分析顺磁性物质的结构和性质。它在化学、生物、材料科学等领域都有广泛的应用，为研究人员提供了重要的信息和洞察力。
常见仪器分析方法的缩写、谱图和功能说明
常见仪器分析方法的缩写、谱图和功能说明
常见仪器分析方法的缩写、谱图和功能说明 分析方法缩写分析原理谱图的表示方法提供的信息 紫外吸收光谱UV 吸收紫外光能量，引起分子中电子 能级的跃迁相对吸收光能量随吸 收光波长的变化 吸收峰的位置、强度和形状，提供 分子中不同电子结构的信息 荧光光谱法FS 被电磁辐射激发后，从最低单线激 发态回到单线基态，发射荧光发射的荧光能量随光 波长的变化 荧光效率和寿命，提供分子中不同 电子结构的信息 红外吸收光谱法IR 吸收红外光能量，引起具有偶极矩 变化的分子的振动、转动能级跃迁 相对透射光能量随透 射光频率变化 峰的位置、强度和形状，提供功能 团或化学键的特征振动频率 拉曼光谱法Ram 吸收光能后，引起具有极化率变化 的分子振动，产生拉曼散射散射光能量随拉曼位 移的变化 峰的位置、强度和形状，提供功能 团或化学键的特征振动频率 核磁共振波谱法NMR 在外磁场中，具有核磁矩的原子核， 吸收射频能量，产生核自旋能级的 跃迁 吸收光能量随化学位 移的变化 峰的化学位移、强度、裂分数和偶 合常数，提供核的数目、所处化学 环境和几何构型的信息 电子顺磁共振波谱法ESR 在外磁场中，分子中未成对电子吸 收射频能量，产生电子自旋能级跃 迁 吸收光能量或微分能 量随磁场强度变化 谱线位置、强度、裂分数目和超精 细分裂常数，提供未成对电子密 度、分子键特性及几何构型信息 质谱分析法MS 分子在真空中被电子轰击，形成离 子，通过电磁场按不同m/e分离以棒图形式表示离子 的相对峰度随m/e的 变化 分子离子及碎片离子的质量数及 其相对峰度，提供分子量，元素组 成及结构的信息 气相色谱法GC 样品中各组分在流动相和固定相之 间，由于分配系数不同而分离柱后流出物浓度随保 留值的变化 峰的保留值与组分热力学参数有 关，是定性依据；峰面积与组分含 量有关 反气相色谱法IGC 探针分子保留值的变化取决于它和 作为固定相的聚合物样品之间的相 互作用力探针分子比保留体积 的对数值随柱温倒数 的变化曲线 探针分子保留值与温度的关系提 供聚合物的热力学参数 裂解气相色谱法PGC 高分子材料在一定条件下瞬间裂 解，可获得具有一定特征的碎片 柱后流出物浓度随保 留值的变化 谱图的指纹性或特征碎片峰，表征 聚合物的化学结构和几何构型
波普分析笔记第三章核磁共振波谱法
波普分析笔记第三章核磁共振波谱法 第三章核磁共振波谱法 分类： 1H-NMR 提供化合物中H 的位置、化学环境及相对数目13C-NMR 提供化合物骨架C 原子信息产生： NMR 原子核核能级跃迁产生的 UV 分子中外层价电子跃迁 I R 分子的振动—转动能级跃迁 NMR 产生的3个条件： 1、原子必须是自旋的 2、必须有外加磁场 3、h υ0=ΔE （即：电磁波提供的能量正好等于相邻级间能量差）第一节 NMR 基本原理一、原子核的自旋 1、核的自旋运动：大多数原子核都有围绕某个轴作自身旋转运动的现象。 2、描述：用自旋角动量P )1(2+= I I h π ρ h — planck 常数h=6.624×10-34J ·S I —自旋量子数，I=0、1/2、1…… （1） I=0的原子核：Z （质子数）是偶数，N （中子数） 是偶数，A=Z+N=偶数，P=0即没有自旋现象。如12C6 , 16O8 ,32S16 ……核 3、自旋量子数的判断 （3）I=半整数（1/2、3/2…）的原子核：Z 奇数（或偶） N 偶数（或奇） A=奇数，P ≠0有核自旋现象，如1H1、13C6、15N7、19F9…核（2）I=整数（1、2…）的原子核：Z 奇数、N 奇数、 A 偶数，P ≠0原子核有自旋现象，如：2H1、14N7……核， I 与 A （原子质量数）、Z （原子序数）有关，如下： NMR 主要研究对象 二、原子核的磁矩 自旋的置于
强磁场电磁波照核能级分裂h υ0=Δ 核能级跃迁 吸收光谱 NMR 单位：μ0核磁子μ0=5.049×10-27J·T-1 核磁距 γ—磁旋比 三、原子核的自旋取向与能量 1、有自旋现象的原子核产生的磁距与外加磁场相互作用， 2、自旋取向数不是任意的，自旋取向数=2I+1 3、各取向可由一个磁量子数m表示，每个自旋取向代表 原子核某个特定的能量状态m= I ，I－1，I－2…… －（I－2），－（I－1），－I 4、E= －μH0 1H1 m1=＋1/2 E1=－μHH0 hν0=2μHH0 m2=－1/2 E2=＋ 四、拉摩尔进动和NMR方程 自旋核以自旋轴绕一定角度围绕外磁场进行回旋，此现象称～ν=γH0/2πν—进动频率 “共振方程”或“共振条件”： 电磁波频率与质子进动频率相同 五、NMR实现方法 hν0=2μH0 ν0（照射的电磁波频率） H0（磁场强度） 1、固定ν0,改变H0，扫场 2、固定H0,改变ν0，扫频