材料测试与研究方法第四章核磁共振波谱技术方案.ppt

第四章 核磁共振波谱（Nuclear Magnetic Resonance Spetroscopy,NMR） 一、教学目的与要求 掌握核磁共振的概念及产生的条件；了解原子核的基本属性和磁性核在外磁场中的行为；理解驰豫的产生的原因及分类；理解化学位移的产生及意义；理解自旋-自旋耦合的产生和作用；了解核磁共振谱仪的分类；掌握核磁共振氢谱中影响化学位移的因素及影响规律；掌握耦合作用的一般规则；掌握核磁共振碳谱化学位移的影响因素及规律。 二、授课主要内容 第一节 核磁共振波谱的基本原理 第二节 核磁共振谱仪简介 第三节 核磁共振氢谱 第四节 核磁共振碳谱 三、学习重点及难点分析 重点：核磁共振的产生条件；化学位移和自旋-自旋耦合作用对核磁共振的影响规律；核磁共振氢谱和碳谱中影响化学位移的因素分析；耦合作用的规律。 难点：对核磁共振氢谱和碳谱的实际谱图进行分析。 核磁共振是指处于外磁场中的物质原子核系统受到相应频率（兆赫数量级的射频）的电磁波作用时，在其磁能级之间发生的共振跃迁现象。 第一节 核磁共振波谱的基本原理 一、核磁共振现象的产生 1、原子核的基本属性 1）原子核的质量和所带电荷 ——是原子核的最基本属性。 2）原子核的自旋和自旋角动量 ——量子力学中用自旋量子数I描述原子核的运动状态。 原子核自旋时产生的角动量P= 4）原子核的磁旋比 2）原子核的取向和能级分裂 磁核在外磁场中具有的能量： 3、核磁共振产生的条件 当外界电磁波提供的能量正好等于相邻能级间的能量差时，核就能吸收电磁波的能量从较低能级跃迁到较高能级，被吸收的电磁波的频率为： 4、驰豫（relaxation） 受激发射：在电磁波作用下，处于高能级的粒子回到低能级，发出频率为ν的电磁波，因此电磁波强度增强的现象。 Boltzmann分布表明，在平衡状态下，高低能级上的粒子数分布由下式决定： 自旋-晶格驰豫（spin-lattice relaxation） 自旋核与周围分子交换能量的过程，又称为纵向驰豫。 纵向驰豫的结果：高能级的核数目减少，就整个自旋体系来说，总能量下降。 纵向驰豫过程所经历的时间用T1表示，T1越小、纵向驰豫过程的效率越高，越有利于核磁共振信号的测定。 自旋-自旋驰豫（spin-spin relaxation） 核与核之间进行能量交换的过程，也称为横向驰豫。 横向弛豫的结果：交换能量的两个核的取向被掉换，各种能级的核数目不变，系统的总能量不变。 横向驰豫过程所需时间以T2表示，一般的气体及液体样品T2为1秒左右。 驰豫时间决定了核在高能级上的平均寿命T，由 于 ，所以T取决于T1及T2之较小者。 二、化学位移（chemical shift） 1、化学位移的产生 诱导磁场：核外电子云受B0的诱导产生的一个方向与B0相反，大小与B0成正比的磁场。 核外电子对原子核有屏蔽作用。原子核实际受到的磁场力为B0(1- )。 原子核在外磁场中的共振频率为： 2、化学位移的表示方法 处于不同化学环境的原子核，由于屏蔽作用不同而产生的共振条件差异很小，实际操作中采用一标准物质作为基准，测定样品和标准物质的共振频率之差。 磁场强度不同，同一化学环境的核共振频率不同。不同型号的仪器所得化学位移值不同。 对于固定磁场改变射频的扫频式仪器，化学位移常用位移常数表示， 位移常数 TMS用作标准物质的优点是： TMS化学性质不活泼，与样品之间不发生化学反应和分子间缔合； TMS是一个对称结构，四个甲基有相同的化学环境，在氢谱和碳谱中都只有一个吸收峰； Si的电负性（1.9）比C的电负性（2.5）小，TMS中的氢核和碳核处在高电子密度区，产生大的屏蔽效应，NMR信号所需的磁场强度大，与样品信号之间不会重叠干扰； TMS沸点很低（27℃），容易去除，有利于回收样品。 3、化学位移的测定（扫场方法） 三、自旋-自旋耦合（spin-spin coupling） 磁核之间的相互干扰称为自旋-自旋耦合，由自旋耦合产生的多重谱峰现象称为自旋裂分。耦合是裂分的原因，裂分是耦合的结果。 自旋耦合的简单原理 自旋核A邻近无其他自旋核存在，则谱图中存在一个吸收峰，峰的位置由 决定。 A核附近有另一自旋核X存在，且X的自旋量子数I=1/2，则A核的共振频率为： 原子核之间的自旋耦合作用是通过成键电子传递的。 耦合作用所产生的两条谱线间距离为J，称作为耦合常数。 表示耦合的磁核之间相互干扰程度的大小，以赫兹为单位。 耦合常数与外加磁场无关，与两个核在分子中相隔的化学键的数目和种类有关。通常在J的左上角标以两核