干货|核磁共振的发展及原理

Allen 7年前 (2017-10-15) 14336浏览

一、发展简史

第一阶段：1945年到1951年，发明核磁共振法并奠定理论和实验基础的时期： Bloch（斯坦福大学，观察到水中质子的信号）和Purcell（哈佛大学，观察到石蜡中质子的信号）获得了Nobel奖金。

第二阶段：1951年到1960年为发展时期，其作用被化学家和生物学家所共认，解决了许多重要难题。1953年出现了第一台30MHz核磁共振谱仪；1958年及年代初又出现了60MHz,100MHz的仪器。50年代中期发展了1H-NMR，19F-NMR和31P-NMR。

第三阶段：60至70年代，NMR技术飞跃时期。脉冲Fourier变换技术，提高了灵敏度和分辨率，可常规测定13C核；双频和多频共振技术；

第四阶段：70年代后期理论和技术发展成熟。

1、200，300，500MHz和600MHz的超导NMR谱仪；

2、应用各种脉冲系列，在应用方面作了重要的开拓；

3、出现了2D-NMR；

4、多核研究，可应用到所有磁性核；

5、出现了“核磁共振成象技术”等新的分支学科。

二、主要用途：

1. 结构的测定和确证，有时还可测定构型、构象

2. 化合物纯度的检查，灵敏度较薄层、纸层析高

3. 混合物分析，如主要信号不重叠，无需分离即可测定混合物的比例。

4. 质子的交换，单键的旋转，环的转化等化学变化速度的推定

1. 原子核的自旋

在所有元素的同位素中，大约有一半的原子核具有自旋运动。这些自旋的原子核是核磁共振的研究对象。自旋量子数：描述原子核自旋运动的量子数，可以为整数、半整数或0。

在有机化合物组成元素中，C、H、O、N是最主要的元素。在其同位素中，12C、16O无磁性，因此不发生核磁共振。1H的天然丰度较大，磁性较强，易测定，故NMR研究以前主要是针对质子进行的。13C的丰度较小，只有12C的1.1％，且信号灵敏度只为质子得到1/64。故总灵敏度只有1H的1/6000，较难测定。但近30年来，核磁共振仪器很大改进，能在短时间内测定13C谱，且给出的信息较多，已成为NMR的主要手段。1H, 19F,31P天然丰度较大，磁性较强，且核电荷分布为球状，最易测定。

2. 核磁共振现象

①进动:具有一定磁矩的自旋核在外磁场H0作用下，此核将因外磁场形成角作进动运动：为进动运动角速度，它正比于H0（外磁场强度）。

②自旋核在外磁场中的取向：没有外磁场时，其自旋磁距取向是混乱的。磁性核处于外磁场H0中，有（2I＋1）个取向。磁性核在外磁场中的的自旋可以类比于陀螺在重力场中的进动（旋进、回旋）。

③ 核磁共振的条件

产生核磁共振必须具备磁性原子核、外磁场、射频磁场三个前提，且满足射频磁场的频率等于自旋核的进动频率，才发生共振，由低能态向高能态跃迁。

④ 核磁共振现象：

在外磁场H0垂直方向施加一旋转磁场H1于进动核，若H1的旋转频率同核的旋转进动频率值相等时，进动核可从H1吸收能量，由低能态向高能态跃迁—即为核磁共振。

3. 饱和及弛豫

低能态核比高能态核只多0.001％。因此低能态核总是比高能态核多一些，因为这样一点过剩，所以能观察到电磁波的吸收。如果核连续吸收电磁波，原过剩的低能态就逐渐减少，吸收信号的强度就会减弱，最终完全消失，这个现象就称饱和。出现饱和时，两种自旋状态的核数目完全相同。在外部磁场中，低能态的核一般比高能态的核多一些，吸收电磁波能量而迁移到高能态的核会经各种机制放出能量，而回到原低能态，这种过程称弛豫。

4. 屏蔽效应－化学位移

① 理想状况时的共振

对于孤立的、裸露的核，ΔE =(h/2π) γ·H；

在一定H0下，一种核只有唯一的ΔE

ΔE = E_外= hν

只有唯一频率ν的吸收

如H₀=2.3500T时，¹H的吸收频率为100 MHz，¹³C的吸收频率为25.2 MHz

② 真实的核：屏蔽现象

核外有电子（不是孤立、不是裸露）
化合物中：原子间结合（作用）不同，如化学键、氢键、静电作用、分子间力
设想：在H₀=2.3500 T，由于核外电子的屏蔽，在核的位置，真实的磁场比2.3500 T略小
共振频率，比100 MHz略高
高多少？对¹H是0～10,¹³C是0～250

氢原子核的外面有电子，它们对磁场的磁力线有排斥作用。对原子核来讲，周围的电子起了屏蔽（Shielding）效应。核周围的电子云密度越大，屏蔽效应就越大，要相应增加磁场强度才能使之发生共振。核周围的电子云密度是受所连基团的影响，故不同化学环境的核，它们所受的屏蔽作用各不相同，它们的核磁共振信号亦就出现在不同的地方。

③ 如果用60MHz或100MHz的仪器测定，一般有机化合物质子产生核磁共振的电磁波频率范围为1000Hz或1700Hz。在测定结构时，需要测定正确的共振频率，常常需要几个Hz的准确度，一般都以适当的化合物为标准来测定相对频率。标准化合物的共振频率与某一个质子共振频率之差叫做化学位移。

5. H核磁共振谱图的信息

信号的数目: 分子中有多少种不同类型的质子

信号的位置: 每种质子的电子环境，化学位移

信号的强度: 每种质子的比数或个数

裂分情况: 邻近有多少个不同的质子

常见类型的有机化合物的化学位移

6. 影响化学位移的因素