简述核磁共振波谱仪的主要部件
超导核磁共振波谱仪原理
超导核磁共振波谱仪原理超导核磁共振（NMR）波谱仪是一种利用核磁共振现象来研究物质结构和性质的仪器。
它通过测定样品中原子核在外加磁场作用下的共振吸收信号来研究样品的化学组成和分子结构。
超导NMR波谱仪是运用了超导技术的核磁共振仪器，其原理和构造与普通NMR波谱仪有许多相似之处，但是其灵敏度和分辨率都要高于普通NMR波谱仪。
超导NMR波谱仪的核磁共振现象的实现是基于量子力学中的磁共振原理。
在一个强磁场下，原子核会产生预cession，即核自旋矢量在磁场方向上回转，产生一个相对的旋转偏离。
放置在外磁场B0中的原子核的固有频率是由以下方程给出：ω = γB0，其中γ是所考察原子核的磁旋比。
如果加入一个由射频信号驱动的旋转磁场B1，则可以使固有频率与射频信号的频率相匹配，导致核磁共振现象的发生。
通过探测样品中吸收或发射的射频信号频率和强度，我们可以对样品的结构和物理属性进行分析。
与普通NMR波谱仪不同，超导NMR波谱仪采用的是超导线圈产生较强的外加磁场。
超导材料的低电阻性能和恒定的磁场稳定性可以保证产生的磁场保持较高强度而且稳定。
此外，超导电路可以耗费很小的电能损失，因此超导NMR波谱仪的能耗相比普通NMR波谱仪要更低。
由于超导NMR波谱仪的工作需要维持恒定高强度的磁场，因此这种仪器则需要很好的温度控制及高规格的冷却设备，使其能够运行在低温下（一般在4 K以下），以确保超导电路和超导磁体的性能稳定。
超导NMR波谱仪采用的探头和普通NMR波谱仪相似，主要包括磁体和无源电路、探头、采样系统和控制系统等。
磁体是超导NMR波谱仪的核心部件之一。
一般采用亚硅酸钡作为超导材料，超导线圈由锡包覆的铜导线构成。
超导磁体的设计需要很好的结构和材料性能，以保证超导磁体运行在较高的磁场和恒定低温下，保持磁场稳定性和线圈耐久性。
探头是超导NMR波谱仪的另一关键部件，也是核磁共振信号转换为检测信号的关键部件。
超导探头一般由放置于样品周围的线圈和直接压缩于样品上的射频线圈所组成。
核磁共振波谱分析
的电磁波辐射样品，当辐射
E
能量等于磁核能级差时磁核
将吸收能量实现跃迁。
E E
h
E
(h
2
)H0
(7)
H0 (8)
2
12
7.2.5 弛豫过程
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。
2
07
7.2.1 原子核的自旋
08
7.2.2 原子核的磁矩和自旋角动量
自旋量子数不为零的原子 核由于自旋而具有磁矩。
P (1)
P h I(I 1) (2)
2
为核磁矩，J.T-1；
P 为自旋角动量；
为磁旋比，核特征常数；
I 为自旋量子数；
h 为普朗克常数。
09
7.2.3 原子核在静磁场中的进动及能量
图10 SmartProbe核磁共振谱仪
38
7.3.3 仪器实例介绍
图11 Decaborane 11B NMR from SmartProbe
39
7.3.3 仪器实例介绍
图12 Decaborane 11B NMR with and without 1H decoupling:
recorded with NS=1 40
高能级
1
低能级
1
高能级 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
2
低能级 回到低能级磁核的
过程。1/T1
13
7.2.5 弛豫过程
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。
分析化学总结
1.相关峰：化合物分子吸收某一频率的红外线后，由基态（V＝0）跃迁到第一激发态（V＝1）时产生的吸收峰2.特征峰：能鉴定某官能团存在，又容易辨认的吸收峰3.特征区：化学键与振动频率的对应在4000～1250cm/（2.5～8.0um）区域能明确体现4.指纹区：红外光谱中1250～400cm/（8.0～25um）的低频区5.核磁共振NMR：原子核在磁场中吸收一定频率的无线电波．而发生自袋能级的跃迁现象6.弛豫：高能态的核经非辐射途经损失能量能回到低能态的过程7.化学位移:同种原子核因在分子中所处部位不同具有不同化学环境而使它们在核磁共振谱中的吸收峰位置有所差异．这个差异称化学位移.8.磁各向异性:化学键（尤其是π键）电子云环流所产生的磁场在化学键周围呈不对称性，有的地方与外加磁场方向一致．将增强外磁场的强度使该处质子共振移向低磁场处有的地方与外加磁场方向相反．将削弱外磁场强度，使质子共振移向高磁场处，这种化学键所产生的磁场使空间不同位置的质子受到不同屏蔽作用的现象称化学键的磁各向异性效应9.氮律：分子离子含奇数个离子．含CHO及不含或含偶数个N的化合物分子离子峰的质量数是偶数：含奇数个N分子离子峰的质量数是奇数这是因为在组成有机化合物的主要元素CHON与卤素中，只有N的化合价是奇数而质量数是偶数，这个规律叫做氮律10.比移值：比移值是指薄层色谱法中原点到斑点中心的距离与原点到溶剂前沿的距离的比值，又称Rf值，是色谱法中表示组分移动位置的一种方法的参数，定义为溶质迁移距离与流动相迁移距离之比．在一定的色谱条件下，特定化合物的Rf值是一个常数，因此有可能根据化合物的Rf值鉴定化合物。
是色谱法中表示组分移动位置的―种方法定义为：Rf＝组分移动的距离／溶剂前沿移动的距离11.相对比移值Rst：为样品点的Rf值与对照物质的Rf值之11.正相分配色谱：在液相色谱中，物质的分离主要和样品流动相以及固定相分子之间的相互作用有关这种相互作用可用分子的极性量度．为了获得较好的分离效果，常使固定相的极性和样品的极身相适应并使用不同的流动相加以调节，所以固定相和流动相的极性会对敌离结果造成很大影响通常把固定相极性大于流动相极性的这一类色谱称为正相色谱，反之12.化学键合相：用化学反应的方法将固定的官能团键合在载体表面形式的填料13.麦氏重排：当化合物昭南珠饱和的C＝x（X为O、N、S、C）基团而且与这个集团相连的键上有γ氢原子在裂解过程中γ氢原子可以通过六圆环中间体的过渡转移到×原子上同时β氢原子可以通过六即键发生断裂，脱掉一个中性分子14.分子筛效应:在这一色谱柱的淋洗过程中大分子的流程短，移动速度快先流出色谱柱，小分子的流程长，移动速度慢，后流出色谱柱，而中等分子居二者之间此现象叫分子筛效应，15.全同质子：是指这―类质子其化学环境相同，化学位化学位移相同．而且对另一类质子的彩作用也相同，（即磁等价）16.核等价：所谓全同质子是指这一类质子其化学环境相同．对另一类质子耦合作用也相同17.红外非活性振动:化合物分子的两个峰键的伸缩处于平衡状态时，偶极距的大小相等而方向相反．分子正负电荷重心重合．偶极矩的变化为零18.显现电位：有机化合物在电离形成分子离子时所需要的最小能量称为显现电位1.紫外可见分光光度计的部件：光源，单色器，吸收池，检测器，信号显示系统2.气相色谱仪的部件：气路系统，进样系统，分离系统，检测系统，温度控制及数据处理系统，计算机控制系统3.核磁共振波谱仪的部件：磁铁，射频震荡仪，射频接受器，读数系统，样品管4.高效液相色谱仪的部件：高压输液系统，进样系统，分离系统，检测系统，温控系统，记录或数据处理系统1.产生核磁的条件：（1）核具有自旋即为磁性核；（2）必须将磁核放在强磁场中才能使核的能级差是，出来（3）照射频率等于核的振动频率2.产生红外吸收的条件是什么？①红外光应具有刚好能满足跃迁时所需能量②分子在振动过程中要有强极矩的变化1.影响显色反应的因素：显色剂用量，溶液酸度，反应时间，温度，溶剂2.影响紫外吸收光谱的因素：位阻，跨环反应，溶剂效应体系PH值3.影响化学位移值的因素:电性效应，化学键的各向异性，范德华效应，氢键和质子交换等4.消除显色反应的干扰:控制酸度，选择适当的掩蔽剂，生成惰性配合物，选择适当的测量波长，选择适宜的空白溶剂，分离1.显色反应的要求：显色反应的灵敏度要高、被测物质和所生成的有色物质之间必须有确定的定量关系、反应产物必须要有足够的稳定性以保证测量结果有良好的重现性4如显色剂本身有颜色，反应产物的颜色必须和显色剂的颜色有明显的差别，显色反应有较好的选择性2.固定液的要求：蒸汽压低热稳定性和化学稳定性好，样品中各组分溶解度大、选择性高，能在载体表面形成均匀液膜以获得较高的柱效3.固定液载体的要求：具有足够大的比表面积，良好的孔穴结构，以使固定液均匀分布为薄膜，具有化学惰性，不与样品和固定液反正，不具有吸附性，但对固定液有较好的浸润性，具有一定的机械强度，形状规则，大小均匀4.热导池检测量基本结构和原理：结构是由池体和热敏元件组成的电桥线路热敏元件阻值的变化通常采用惠斯登电桥原理进行测量原理；热导池的原理是基于不同组分具有不同的热导系数，载气又具有他自己的热导系数，当通过热导池载气组成恒定不变时，则热导池中的热敏元件的阻值也恒定不变，无信号输出，通过热导池停载气切成发生变化．即有组分被洗脱出柱时，载气因热导系数发生变化，热敏元件用值也随之改变即有信号输出，由记录信号的大小可测知组分的含量5.高效液相色谱法的特点：特点是适用范围广，分离效率高，分析速度快，流动相克选择范围宽．灵敏度高，色谱柱可复使用，流出组分容易收集，安全．操作自动化得等特点6.为什么co2的基频峰数目少于基本振动次数？理论上，振动自由度f=4但CO2的两个键发生对称伸缩振动，偶极距变化为0，为红外非活性振动且CO2的面内弯曲振动及面外弯曲振动的形式不同，但振动频率相等，使它的基频峰在同一位出现1个吸收峰7.质谱中发生麦氏重排母离子和子离子之间电子的奇偶数是否发生变化为什么？不会发生变化．因为重排发生后，往往脱去一个中性分子碎片．所以含奇数电子的离子重排后，产生奇数电子的离子．而偶数电子的离子重排后一定产生偶数子的离子8.为什么CO2在1388cm-1在红外吸收光谱图上没有出现吸收o峰CO2分子两个发生对称伸缩振动时分子正负电荷重心重合分子偶极矩变化值为o 这种类动称非活性振动.9.从色谱流出曲线可得到的重要信息，①根据色谱峰的个数．可判断试择中所含维分的最少个数②根据色谱峰的保留值，可对组分进行定性分析，③根据色谱峰的面积或峰高可对组分进行定量分析④利用色谱峰的保留值及区域宽度，可评价柱效⑤根据色谱峰间的距离，可评价色谱条件的选择是否合理10.光度分析中为减少测量误差溶液透光率T的读数范围应该控制在20～65％之间若T超过上述范围应采取何种措施？若T＜20％应减少吸光度，可减少取样量降低有色溶液浓度或选择较薄的比色皿进行测量．T＞65％反之；11.单光束分光光度计与双分光光度计的区别双光度计一次测量即可得到样品溶液的吸光度，单光束适合于在给定波长内测定吸光度12.紫外可见光光度法定量分析中的标准曲线：首先配置一系列不同浓度的标准溶液，在相同条件下分别测定吸光度。
核磁共振波谱法
核磁共振波谱法核磁共振（NMR）波谱是一种基于特定原子核在外磁场中吸收了与其裂分能级间能量差相对应的射频场能量而产生共振现象的分析方法。
核磁共振波谱通过化学位移值、谱峰多重性、偶合常数值、谱峰相对强度和在各种二维谱及多维谱中呈现的相关峰，提供分子中原子的连接方式、空间的相对取向等定性的结构信息。
核磁共振定量分析以结构分析为基础，在进行定量分析之前，首先对化合物的分子结构进行鉴定，再利用分子特定基团的质子数与相应谱峰的峰面积之间的关系进行定量测定。
带正电荷的原子核在作自旋运动时，可产生磁场和角动量，其磁性用核磁矩µ表示，角动量P的大小与自旋量子数I有关（核的质量数为奇数，I为半整数；核的质量数为偶数，I为整数或0），其空间取向是量子化的；µ也是一个矢量，方向与P的方向重合，空间取向也是量子化的，取决于磁量子数m的取值（m=I, I-1,……-I，共有2I+1个数值）。
对于1H、13C 等I =1/2 的核，只有两种取向，对应于两个不同的能量状态，粒子通过吸收或发射相应的能量在两个能级间跃迁。
当自旋量子数I≠0的磁核处于一个均匀的外磁场H0中时，磁核因受到磁场的作用力而围绕着外磁场方向作旋转运动，同时仍然保持本身的自旋。
这种运动方式称为拉摩进动。
原子核的进动频率由下式决定：其中γ为旋磁比，是原子核的基本属性之一。
不同原子核的γ值不同，其值越大，核的磁性越强，在核磁共振中越容易被检测。
如果提供一个射频场，其ν满足：其中h为普朗克常数，则：即射频场的频率正好等于在磁场H0中的核进动频率，那么核就能吸收这一射频场的能量，导致在两个能级间跃迁，产生核磁共振现象。
核磁共振波谱是一专属性较好但灵敏度较低的分析技术。
低灵敏度的主要原因是基态和激发态的能量差非常小，通常每十万个粒子中两个能级间只差几个粒子（当外磁场强度约为2 T 时）。
核磁共振波谱仪常见的有两类核磁共振波谱仪：经典的连续波（CW）波谱仪和现代的脉冲傅里叶变换（PFT）波谱仪，目前使用的绝大多数为后者。
《仪器分析》第十七章_核磁共振波谱法
周围分子骨架（晶格）中的其他核，变成平动能
和转动能。可用驰豫时间T1表征，是处于高能级的 磁核寿命的量度。 横向驰豫：自旋-自旋驰豫，两相邻的核处于不 同能级，但进动频率相同，发生横向驰豫，各自
旋状态的总数不变，各能级上核数目的比例不变，
但确实使某些高能级的核的寿命缩短了，以驰豫 时间T2表示。
及氘代溶剂（CDCl3 、D2O等，贵，溶解能力
好）
4 有机化合物结构与质子核磁共振波谱
理论上： 当一个自旋量子数不为零的核臵于外磁场中， 它只有一个共振频率，图谱上只有一个吸收峰。
如：在1.4092T磁场存在下， 1H的共振频率为
60MHz
2.675 108 1.4092 0 60.0MHz 2 π 2 3.14
E cos B0 z B0 核进动的角频率0：
0 20 B0 B0 0 核进动的线频率0 2
核磁共振吸收
在给定的磁场强度下，质子的进动频率是一定
的。若此时以相同的频率的射频辐射照射质子，
即满足“共振条件”，该质子就会有效地吸收射 频的能量，使其磁矩在磁场中的取向逆转，实现 了从低能级向高能级的跃迁过程。此即核磁共振 吸收过程。
e. 高速气流使样品管围绕y轴以每秒钟30转的速率
急速旋转，消除磁场非均匀性，提高分辨率
3 样品处理
a) 非粘滞性液体，直接分析 b) 粘滞性液体，配成2-10%溶液 c) 固体样品直接分析，图谱常有许多互相叠合的
谱带组成，很宽，对结构分析意义不大
d) 1H NMR，样品溶液不含质子，常用CCl4、CS2
, -I
对1H和13C，I=1/2，其 m值只能是+1/2和-1/2，表
示它们在磁场中，自旋轴只能有两种取向：
14第十四章核磁共振波谱法详解
第十四章 核磁共振波谱法
仪器分析
第四节 核磁共振氢谱的解析
一、峰面积和氢核数目的关系
在 1H-NMR谱上，各吸收峰覆盖的面积与引起该吸收的氢 核数目成正比。峰面积常以积分曲线高度表示。
积分曲线总高度(用cm或小方格表示)和吸收峰的总面积相当，
即相当于氢核的总个数。
定量分析的方法。
第十四章 核磁共振波谱法
仪器分析
氢核磁共振谱(1H-NMR)
NMR
碳-13核磁共振谱(13C-NMR) 质子类型： CH 3 CH 2 质子化学环境 氢分布 核间关系
CH
1H-NMR
第十四章 核磁共振波谱法
仪器分析
分子中含有的碳原子数
13C-NMR
由哪些基团组成
区别伯、仲、叔、季碳原子
仪器分析
2．自旋－自旋弛豫
处于高能态的核自旋体系将能量传递给邻 近低能态同类磁性核的过程，称为自旋－ 自旋弛豫，又称为横向弛豫。
这种过程只是同类磁性核自旋状态能量交
换，不引起核磁总能量的改变。
第十四章 核磁共振波谱法
仪器分析
其半衰期用
T2 表示。固体试样中各核的相对 位置比较固定，利于自旋－自旋之间的能量 交换，T2 很小，一般为104-105s；气体和液 体试样的 T2 约为1s。
1H-NMR
与 13C-NMR互为补充，是有机化合
物结构测定最重要的两种核磁共振谱。
第十四章 核磁共振波谱法
仪器分析
第一节 核磁共振波谱法的基本原理
一、原子核的自旋
1．自旋分类 ⑴ 偶-偶核 质量数与电荷数（原子序数）皆为偶数的核。 I=0 在磁场中核磁矩等于零，不产生NMR信号。 12 16 如: C O
nmr 体系组成和机理
nmr 体系组成和机理
NMR（核磁共振）是一种强大的分析技术，用于确定分子结构和化学环境。
NMR体系由以下几个主要组成部分构成：
1. 核磁共振仪：核磁共振仪是进行核磁共振实验的设备。
它由磁体、射频发生器、探头等组件组成。
磁体产生一个稳定的强磁场，射频发生器提供射频脉冲，探头用于与样品中的核自旋相互作用。
2. 样品：样品是进行核磁共振实验的物质。
它可以是液体或固体，通常是有机化合物、生物分子或材料。
3. 溶剂：溶剂是将样品溶解在其中的液体。
选择适当的溶剂对于获得高质量的NMR谱图非常重要，因为溶剂本身会产生信号，影响到样品的观测。
4. 标准品：标准品是已知结构和化学位点的物质，用于校正和标定NMR仪器。
常见的标准品有TMS（四甲基硅烷）和DSS （二氢氧化钠）。
NMR的基本机理涉及到核自旋和外加磁场之间的相互作用。
在一个外加磁场中，核自旋会出现塞曼效应，即核自旋会分裂成不同能级。
当样品处于磁场中时，通过应用射频脉冲可以将核自旋从一个能级跃迁到另一个能级。
跃迁过程中产生的吸收或发射射频信号被接收和记录下来，形成NMR谱图。
NMR谱图提供了关于化学环境、化学键和分子结构的信息。
通过分析谱图，可以确定化合物的结构、官能团和化学位点的数
量以及它们的相对化学位移。
此外，NMR还可以用于研究动力学、反应速率和分子间相互作用等方面的问题。
核磁共振波谱法基本原理
核磁共振波谱法基本原理核磁共振波谱法（Nuclear Magnetic Resonance Spectroscopy）是一种利用核磁共振现象进行分析的方法。
核磁共振是基于原子核的特定性质，在外加磁场作用下，原子核能够吸收具有特定频率的电磁波并发生共振现象的现象。
该方法通过检测不同原子核的共振信号来获取样品的结构和组成信息。
核磁共振波谱法基于原子核中的自旋（Spin）性质。
自旋是描述原子核内部的一种性质，可以与外加磁场相互作用。
在没有外加磁场作用下，原子核的自旋朝向是随机的。
然而，当样品置于强磁场中时，原子核的自旋会排列在不同能级上。
这些能级之间存在能量差，当这些能级之间的能量差等于外加电磁波的能量时，原子核就会发生共振吸收。
核磁共振波谱仪的基本构造包括磁场系统、射频系统、探测系统和计算机系统。
磁场系统用来产生强磁场，常见强磁场有永磁磁体、超导磁体等。
射频系统则用来产生特定频率的电磁波，以激发样品中的原子核共振吸收。
探测系统用来接收样品发出的信号，并将其转化为电信号，进一步处理和分析。
计算机系统则用来进行数据处理和结果分析。
在进行核磁共振波谱实验时，首先将样品放置于磁场中，样品中的原子核会受到磁场的作用，并分裂为不同能级。
接下来，通过调节射频系统产生特定频率的电磁波，激发样品中的原子核发生共振吸收。
这时，探测系统会接收样品发出的共振信号，并将其转化为电信号。
最后，计算机系统会对接收到的信号进行数学处理，生成核磁共振波谱图。
核磁共振波谱图是核磁共振波谱法的主要结果，可以提供关于样品的结构和组成的信息。
波谱图中的共振信号对应于不同原子核的吸收峰，其化学位移（Chemical Shift）可以帮助确定样品中的不同官能团或基团。
同时，共振信号的相对积分面积可以提供定量分析所需的信息。
总体而言，核磁共振波谱法通过利用原子核在磁场中的共振吸收现象，能够提供丰富的结构和组成信息。
它在有机化学、无机化学、生物化学等领域有着广泛的应用，成为了一种重要的分析手段。
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核磁共振波谱分析仪的主要部件
核磁共振波谱分析仪由磁铁、扫描发生器、射频振荡器、吸收信号检测器和记录仪以及试样管5个主要部分构成。
1、磁铁:
提供一个稳定的高强度磁场(即H0)为磁铁的主要作用。
2、扫描发生器：
将一组磁场扫描线圈绕制于一对磁极上，用来使一个附加的可变磁场产生，在固定磁场上进行叠加，使有效磁场强度能够发生改变，从而使磁场强度扫描得以实现。
5、射频振荡器：
一束固定频率的电磁辐射通过射频振荡器提供来对样品进行照射。
4、吸收信号检测器和记录仪：
在试样管周围绕检测器的接收线圈。
当某种核的进动频率与射频频率匹配而吸收射频能量相匹配时，使核磁共振产生，便会使一信号产生。
记录仪对图谱自动进行描记，也就是核磁共振波谱。
5、试样管：
试样管指的是直径是几毫米的玻璃管，在当中装着样品，在磁场中的某一确定位置进行固定。
迅速旋转整个试样探头来使得磁场不均匀的影响减少。