一文读懂核磁共振（NMR）（一）

一朵奇葩阳

一、原理及产生
1.核磁共振
是指具有固定磁矩的原子核在恒定磁场与交变磁场的作用下，自旋核吸收特定频率的电磁波，从较低能级跃迁到较高能级，与交变磁场发生能量交换的现象。NMR信号时发射出的电磁射线的物理现象，与核密度成一定比例。因此可以用NMR信号来反映样品的化学结构、分子或原子的扩散系数、反应速率、化学变化以及其他性质。
原子核的自旋运动,不同的原子核，自旋运动的情况不同，它们可以用核的自旋量子数I来表示。自旋量子数与原子的质量数和原子序数之间存在一定的关系，大致分为三种情况。

分类	质量数	原子序数	自旋量子数I	NMR信号
I	偶数	偶数	0	无
II	偶数	奇数	1,2,3，…（I为整数）	有
III	奇数	奇数或偶数	0.5,1.5，2.5，…（I为半整数）	有

2.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。
a.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，自身回到低能级磁核的过程。1/T1

b.纵向弛豫:
受激态高能级磁核将能量传递给周围的介质粒子，自身回复到低能磁核的过程。1/T2

二、光谱类型

原则上凡自旋量子数不为零的原子核均能测得 NMR信号，但目前为止仅限于1H、13C、19F、31P、15N等原子核，其中氢谱和碳谱应用最为广泛。三、基本参数
1.化学位移在实际测定化合物时发现，分子中相同的原子核，由于所处的化学环境不同，屏蔽常数不同，其共振频率因而也不相同，也就是说共振频率发生了变化。产生这一现象的原因主要是由于原子核周围存在电子云，在不同的化学环境中，核周围电子云密度是不同的。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屏蔽作用。一般地，把分子中同类磁核，因化学环境不同而产生的共振频率的变化量，即在图谱上反映出谱峰位置的移动，称为化学位移。
化学位移:同一种原子核在不同化学环境中具有不同的核磁共振信号频率，通常以四甲基硅烷为基准进行衡量。

a.产生原理抗磁屏蔽效应:原子核外具有高度对称的电子云在外加磁场作用下，将产生相反方向的感应磁场。使磁核所受的实际磁场强度小于外加磁场强度H0。

顺磁屏蔽效应:原子核外具有非球形对称的电子云在外加磁场作用下将产生同方向的感应磁场，使磁核所受实际磁场强度高于外加磁场强度H0。

远磁屏蔽效应:除了磁核自身的核外电子云外，远处各类原子或基团的成键电子云也将产生感应磁场，使磁核所受磁场强度高于或低于外加磁场H0。

2.自旋耦合和自旋分裂由于相邻磁核在外加磁场作用下发生取向，高分辨下将导致谱峰分裂。峰的裂分原因:相邻两个氢核之间的自旋耦合。

3.共振信号强度核磁共振曲线上各峰积分面积对应于磁核数量，通过积分面积之比可以确定化合物的结构组成等定量信息。

4.核磁共振谱图的形式

谱图中化合物的信息(1)峰的组数:标志分子中磁不等价质子的种类，多少种H。(2)峰的强度(面积):每类质子的数目(相对)，多少个H。(3)峰的位移(δ):每类质子所处的化学环境，化合物中位置。(4)峰的裂分数:相邻碳原子上H质子数。(5)偶合常数(J）:确定化合物构型。
谱图解析(1)由分子式求不饱和度。(2)由积分曲线求各组1H核的相对数目。(3)解析各基团。(4)由化学位移，耦合常数和峰数目用一级谱解析氢核的化学结构单元。(5)推断结构并加以验证。
解析补充：单键对不饱和度不产生影响，因此烷烃的不饱和度是0(所有原子均已饱和)。1.一个双键(烯烃亚胺、羰基化合物等)贡献1个不饱和度。2.一个三键(炔烃、腈等)贡献2个不饱和度。3.一个环(如环烷烃)贡献1个不饱和度。4.环烯烃贡献2个不饱和度。5.一个苯环贡献4个不饱和度。6.一个碳氧双键贡献1个不饱和度。7.一个-NO2贡献1个不饱和度。
四、应用领域
1.分子结构的测定。2.生物膜和脂质的多形性研究。 3.化学位移各向异性的研究。4.脂质双分子层的脂质分子动态结构。 5.金属离子同位素的应用。6.生物膜蛋白质--脂质的互相作用。 7.动力学核磁研究。8.压力作用下血红蛋白质结构的变化。 9.质子密度成像。 10.生物体中水的研究。11.T1T2成像。 12.生命组织研究中的应用。 13.化学位移成像。 14.生物化学中的应用。 15.其它核的成像。 16.在表面活性剂方面的研究。 17.指定部位的高分辨成像。 18.原油的定性鉴定和结构分析。19.元素的定量分析。 20.沥青化学结构分析。 21.有机化合物的结构解析。22.涂料分析。 23.表面化学。 24.农药鉴定。25.有机化合物中异构体的区分和确定。26.食品分析。27.大分子化学结构的分析。 28.药品鉴定。

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