核磁共振波谱分析.ppt
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1、核磁共振波谱分析 Nuclear Magnetic Resonance Spectroscopy (NMR),简介 核磁共振的基本原理 弛豫现象 核磁共振定量分析 核磁共振波谱仪,一简介,12位诺贝尔奖获得者对核磁共振的贡献,核磁共振的应用 化学领域 高分子化学,金属陶瓷,火箭燃料,石油化学 药学领域 测定药物与活性之间的关系,确定药物结构 生命科学领域 生物代谢组学,确定蛋白质、核酸、糖类的三维结构 医学领域 肿瘤确诊,关节损伤,NMI技术 地质领域 地下水资源,滑坡稳定性监测,考古,堤坝无损探测, 水污染监测,二.核磁共振的基本原理,概念: 核:研究对象 核磁共振 磁:研究条件(诱导能级分
2、裂) 共振:研究手段(能级跃迁) 总结:核磁共振是磁矩不为零的原子核,在外磁场作用下自旋能级发生塞曼分裂,共振吸收某一特定频率的射频辐射的物理过程。,原子核的自旋 带正电(自旋) 自旋量子数(I) 原子核能产生核磁共振现象是因为具有核自旋 原子核的自旋运动与自旋量子数(I)有关,质子(带正电),中子(不带电),原子核,自旋量子数(I)与原子核的质量数A和核电荷数Z有关,自旋角动量:用自旋量子数(I)来描述,遵循量子化规律 I=0,1/2,1 当I=0时,=0,无自旋,不会产生NMR信号 只有当I0时,才能发生共振吸收,产生NMR信号 I=1/2的原子核呈球形分布,无电四极矩 I1/2的原子核呈
3、椭球形,有电四极矩,原子核的自旋情况:,a.无自旋,b.球形自旋,c.椭球形自旋,核磁矩:自旋的原子核周围存在磁场,会产生磁矩 I=0,1/2,1 :磁旋比 h:普拉克常量 磁矩是一个矢量,既有大小,方向沿自旋轴 磁矩是表征原子核磁性大小的物理量 原子核的磁矩是由构成原子核的质子和中子运动产生 的磁矩的总效应,自旋取向,无外磁场原子核的自旋,B0,外加磁场中原子核的自旋,自旋取向是任意的 能量态是简并的,自旋取向量子化,与外磁场平行或反平行,N平行N反平行,无外加磁场的自旋运动,原子核的自旋取向可用磁量子数m来表示: m=I,I-1,1-2,-I 注:2I+1种可能的取向,每种取向代表不同的能
4、量状态 自旋核在磁场中的取向:,B0,氢原子核1H的两种能量态,m=+1/2,能量较低,m=-1/2,能量较高,自旋核的能级分裂与布居数,磁场诱导下发生能级分裂,简并能态,塞曼分裂,外加磁场,B0,E-1/2) = g h Bo / 4p E= - B0 DE = g h Bo / 2p E(+1/2) = - g h Bo / 4p Boltzmman分布:质子群中处于高低能态的布居数的关系 如:当B0=1.4092T,T=300K时,1H核的布居数为 注:处于低能态的核数比高能态的多十万分之一,NMR 信号就是靠这极弱过量的低能态核产生的,宏观磁化矢量 核磁共振研究的是大量的自旋核的集合,
5、将所有单个自旋核的磁矩进行矢量求和,可以得到总体的磁化矢量,即宏观磁矢量M0 M0与布居数之差(Na-Nb)成正比,是所有核磁矩共同作用的结果 Mxy=0,Mz=M0 是量子化的,M0是连续的,核磁矩与宏观磁矢量,B0,M=i,自旋核的进动 处于外加磁场中的自旋核的磁矩受 拉莫尔公式: 进动频率:,沿B0排列的扭矩,自旋角动量,Larmor进动,两个作用力,氢原子核1H的两种进动,核磁共振(MR) 产生条件 射频:由通以交变电流的线圈发射射频脉冲(本质上是 一种短促的电磁波),通过放置在垂直于xoy平面 的线圈接收宏观横向磁化矢量,1.I0的原子核(有自旋),2.外加磁场B0(能级分裂),3.
6、与B0相互垂直的射频场( ),连续波法(CWNMR) 脉冲傅里叶变换法(FTNMR),扫场法,扫频法,连续施加,加一定时间宽度的射频脉冲,相当于多个单频连续波核磁 共振波谱仪同时进行激励,可在较大范围内检测NMR信号,主要用于医学方(NMI),信号幅值为连续波谱的2倍,MR方法,射频脉冲与磁化轨迹 射频脉冲:本质是一种短促的无线电波。接收线圈只能接宏观横向磁化矢量,外磁场中的自核系统只产生宏观纵向磁化矢量M0,因此需要射频脉冲的激励使纵向磁化矢量发生偏转(偏离Z轴)产生横向磁化矢量Mxy。 章动:处于外磁场中的自旋核系统产生的宏观磁化矢量在射频场B1的作用下既要沿B0进动,又要以B1为轴做圆周
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