第八章-核磁共振波谱法优秀PPT.ppt
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1、核磁共振波谱法核磁共振波谱法 NMR概述概述 基本原理基本原理 谱图解析与应用谱图解析与应用 NMR仪器仪器1核磁共振波谱法核磁共振波谱法(NMR)Nuclear Magnetic Resonance Spectroscopy 当用频率为兆赫数量级的能量很低的电磁波照射分子时,能使磁性原子核在外磁场中发生磁能级的共振跃迁,从而产生吸取信号,这种原子核对射频辐射的吸取成为核磁共振光谱。NMR探讨的探讨对象磁性核与外加磁场H0的相互作用磁性核:磁性核:109种元素全部的核均带电荷,有些核具有磁种元素全部的核均带电荷,有些核具有磁角动量,即其电荷可以绕自旋轴自转角动量,即其电荷可以绕自旋轴自转(似带
2、电的陀螺似带电的陀螺)核磁共振分析能够供应三种结构信息:化学位移、偶合常核磁共振分析能够供应三种结构信息:化学位移、偶合常数、和各种核的信号强度比。通过分析这些信息,可以了数、和各种核的信号强度比。通过分析这些信息,可以了解特定原子的个数、化学环境、邻接基团的种类,分子骨解特定原子的个数、化学环境、邻接基团的种类,分子骨架、分子的空间构型等。架、分子的空间构型等。总结:待测物置于强磁场中,探讨其具有磁性的原子核对总结:待测物置于强磁场中,探讨其具有磁性的原子核对射频辐射的吸取。射频辐射的吸取。2 核磁共振成像(核磁共振成像(核磁共振成像(核磁共振成像(Nuclear Magnetic Reso
3、nance Imaging)Nuclear Magnetic Resonance Imaging)Nuclear Magnetic Resonance Imaging)Nuclear Magnetic Resonance Imaging),是利用核,是利用核,是利用核,是利用核磁共振(磁共振(磁共振(磁共振(nuclear magnetic resonnancenuclear magnetic resonnancenuclear magnetic resonnancenuclear magnetic resonnance,简称,简称,简称,简称NMRNMRNMRNMR)原理,依据所释放的)原理
4、,依据所释放的)原理,依据所释放的)原理,依据所释放的能量在物质内部不同结构环境中不同的衰减,通过外加梯度磁场检测所放能量在物质内部不同结构环境中不同的衰减,通过外加梯度磁场检测所放能量在物质内部不同结构环境中不同的衰减,通过外加梯度磁场检测所放能量在物质内部不同结构环境中不同的衰减,通过外加梯度磁场检测所放射出的电磁波,即可得知构成这一物体原子核的位置和种类,据此可以绘射出的电磁波,即可得知构成这一物体原子核的位置和种类,据此可以绘射出的电磁波,即可得知构成这一物体原子核的位置和种类,据此可以绘射出的电磁波,即可得知构成这一物体原子核的位置和种类,据此可以绘制成物体内部的结构图像。制成物体内
5、部的结构图像。制成物体内部的结构图像。制成物体内部的结构图像。将这种技术用于人体内部结构的成像,就产生出一种革命性的医学诊将这种技术用于人体内部结构的成像,就产生出一种革命性的医学诊将这种技术用于人体内部结构的成像,就产生出一种革命性的医学诊将这种技术用于人体内部结构的成像,就产生出一种革命性的医学诊断工具。极大地推动了医学、神经生理学和认知神经科学的快速发展。断工具。极大地推动了医学、神经生理学和认知神经科学的快速发展。断工具。极大地推动了医学、神经生理学和认知神经科学的快速发展。断工具。极大地推动了医学、神经生理学和认知神经科学的快速发展。NMR 概述概述3 核磁共振成像的核磁共振成像的核
6、磁共振成像的核磁共振成像的“核核核核”指的是指的是指的是指的是氢原子核,因为人体的约氢原子核,因为人体的约氢原子核,因为人体的约氢原子核,因为人体的约70%70%70%70%是由是由是由是由水组成的,水组成的,水组成的,水组成的,NMRINMRINMRINMRI即依靠水中氢原即依靠水中氢原即依靠水中氢原即依靠水中氢原子。当把物体放置在磁场中,用子。当把物体放置在磁场中,用子。当把物体放置在磁场中,用子。当把物体放置在磁场中,用适当的电磁波照射它,使之共振,适当的电磁波照射它,使之共振,适当的电磁波照射它,使之共振,适当的电磁波照射它,使之共振,然后分析它释放的电磁波,就可然后分析它释放的电磁波
7、,就可然后分析它释放的电磁波,就可然后分析它释放的电磁波,就可以得知构成这一物体的原子核的以得知构成这一物体的原子核的以得知构成这一物体的原子核的以得知构成这一物体的原子核的位置和种类,据此可以绘制成物位置和种类,据此可以绘制成物位置和种类,据此可以绘制成物位置和种类,据此可以绘制成物体内部的精确立体图像。通过一体内部的精确立体图像。通过一体内部的精确立体图像。通过一体内部的精确立体图像。通过一个磁共振成像扫描人类大脑获得个磁共振成像扫描人类大脑获得个磁共振成像扫描人类大脑获得个磁共振成像扫描人类大脑获得的一个连续切片的动画,由头顶的一个连续切片的动画,由头顶的一个连续切片的动画,由头顶的一个
8、连续切片的动画,由头顶起先,始终到基部。起先,始终到基部。起先,始终到基部。起先,始终到基部。人脑纵切面的核磁共振成像人脑纵切面的核磁共振成像人脑纵切面的核磁共振成像人脑纵切面的核磁共振成像 NMR 概述概述4历史历史 1946 1946年年年年-Bloch(Stanford U.)&-Bloch(Stanford U.)&Purcell(Harvard U.)Purcell(Harvard U.)视察到核磁共振现象视察到核磁共振现象视察到核磁共振现象视察到核磁共振现象 1948 1948年年年年-建立核磁弛豫理论建立核磁弛豫理论建立核磁弛豫理论建立核磁弛豫理论 1950 1950年年年年-发
9、觉化学位移和偶合现发觉化学位移和偶合现发觉化学位移和偶合现发觉化学位移和偶合现象象象象NMR 概述概述5 195 1952 2年年年年-Nobel Price(Nobel Price(物理)物理)物理)物理)1951 1951年年年年-Arnold -Arnold 发觉乙醇的核磁发觉乙醇的核磁发觉乙醇的核磁发觉乙醇的核磁 共振信号共振信号共振信号共振信号3 3组峰组峰组峰组峰历史历史NMR 概述概述6 1956 1956年年年年-Varian-Varian公司第一台高辨公司第一台高辨公司第一台高辨公司第一台高辨别别别别 核磁共振波谱仪核磁共振波谱仪核磁共振波谱仪核磁共振波谱仪 1965 196
10、5年年年年-傅立叶变换谱学诞生傅立叶变换谱学诞生傅立叶变换谱学诞生傅立叶变换谱学诞生 1970 1970s -s -固体核磁、二维核磁、固体固体核磁、二维核磁、固体固体核磁、二维核磁、固体固体核磁、二维核磁、固体魔角旋转技术(材料学)、核磁成像等魔角旋转技术(材料学)、核磁成像等魔角旋转技术(材料学)、核磁成像等魔角旋转技术(材料学)、核磁成像等NMR 概述概述7历史历史 1991 1991年年年年 -Nobel Price -Nobel Price(R.R.ErnstR.R.Ernst)高辨别核磁共振分光法,成为有机物鉴定高辨别核磁共振分光法,成为有机物鉴定高辨别核磁共振分光法,成为有机物鉴
11、定高辨别核磁共振分光法,成为有机物鉴定和结构测定的重要手段。和结构测定的重要手段。和结构测定的重要手段。和结构测定的重要手段。NMR 概述概述89NMR 概述概述10 2002 2002 年的诺贝尔化学奖之一半授予了年的诺贝尔化学奖之一半授予了Kurt Kurt WthrichWthrich 博士博士,以表彰他在应用核磁共振技以表彰他在应用核磁共振技术获得生物大分子三维结构方面所做出的卓术获得生物大分子三维结构方面所做出的卓越贡献。越贡献。:/mol.biol.ethz.ch/wuthrich/people/kw/cv2en.htmlNMR 概述概述11The Nobel Prize in C
12、hemistry 2002for the development of methods for identification and structure analyses of biological macromolecules for their development of soft desorption ionisation methods for mass spectrometric analyses of biological macromolecules 12诺贝尔获奖者的贡献诺贝尔获奖者的贡献诺贝尔获奖者的贡献诺贝尔获奖者的贡献 2003 2003 2003 2003年年年年10
13、101010月月月月6 6 6 6日,瑞典卡罗林斯卡医学院日,瑞典卡罗林斯卡医学院日,瑞典卡罗林斯卡医学院日,瑞典卡罗林斯卡医学院宣布,宣布,宣布,宣布,2003200320032003年诺贝尔生理学或医学奖授予美国年诺贝尔生理学或医学奖授予美国年诺贝尔生理学或医学奖授予美国年诺贝尔生理学或医学奖授予美国化学家化学家化学家化学家-zh-tw:-zh-tw:-zh-tw:-zh-tw:保罗保罗保罗保罗劳特伯劳特伯劳特伯劳特伯;zh-cn:;zh-cn:;zh-cn:;zh-cn:保罗保罗保罗保罗劳劳劳劳特布尔特布尔特布尔特布尔-(Paul C.LauterburPaul C.LauterburP
14、aul C.LauterburPaul C.Lauterbur)和英国物理学)和英国物理学)和英国物理学)和英国物理学家彼得家彼得家彼得家彼得曼斯菲尔德(曼斯菲尔德(曼斯菲尔德(曼斯菲尔德(Peter MansfieldPeter MansfieldPeter MansfieldPeter Mansfield),以),以),以),以表彰他们在医学诊断和探讨领域内所运用的核表彰他们在医学诊断和探讨领域内所运用的核表彰他们在医学诊断和探讨领域内所运用的核表彰他们在医学诊断和探讨领域内所运用的核磁共振成像技术领域的突破性成就。磁共振成像技术领域的突破性成就。磁共振成像技术领域的突破性成就。磁共振成像
15、技术领域的突破性成就。NMR 概述概述13l 自旋核在磁场中的行为自旋核在磁场中的行为l 化学位移及影响因素化学位移及影响因素l 自旋偶合及自旋裂分自旋偶合及自旋裂分NMR 原理原理14 核的自旋核的自旋 核磁共振核磁共振 弛弛豫过程豫过程原理原理自旋核在磁场中的行为自旋核在磁场中的行为15原子核的磁性质原子核的磁性质原子核是带电的粒子,大多数原子核原子核是带电的粒子,大多数原子核都围绕某个轴自都围绕某个轴自身做旋转运动称自旋运动。有机械旋身做旋转运动称自旋运动。有机械旋转,就有角动量转,就有角动量产生。方向听从右手螺旋定则产生。方向听从右手螺旋定则,与自旋与自旋轴重合轴重合.原子的自旋状况可
16、以用自旋量子数(原子的自旋状况可以用自旋量子数(I)表征)表征,自旋自旋量子数(量子数(I)不为零的核都具有磁矩)不为零的核都具有磁矩16 原子核的自旋原子核的自旋 (表表9-1)自旋角动量:自旋角动量:I:自旋量子数自旋量子数h:普朗克常数普朗克常数质量数质量数 原子序数原子序数 自旋量子数自旋量子数I偶数偶数 偶数偶数 0偶数偶数 奇数奇数 1,2,3.奇数奇数 奇数或偶数奇数或偶数 1/2;3/2;5/2.171 I=0 的原子核的原子核 O(16);C(12););S(22)等)等 无自旋,没有磁矩,不产生共振吸取。无自旋,没有磁矩,不产生共振吸取。2 I=1 或或 I 的原子核的原子
17、核 I=1 :2H,14N I=3/2:11B,35Cl,79Br,81Br I=5/2:17O,127I这类原子核的核电荷分布可看作一个椭圆体,电这类原子核的核电荷分布可看作一个椭圆体,电荷分布不匀整,共振吸取困难,探讨应用较少。荷分布不匀整,共振吸取困难,探讨应用较少。核的自旋核的自旋18核的自旋核的自旋3I1/2的原子核:的原子核:1H,13C,19F,31P 原子核可看作核电荷匀整分布的球体,并原子核可看作核电荷匀整分布的球体,并象陀螺一样自旋,有磁矩产生,是核磁共振象陀螺一样自旋,有磁矩产生,是核磁共振探讨的主要对象。探讨的主要对象。19原子核的磁矩原子核的磁矩=P=P 磁旋比:核磁
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