核磁共振波谱法的简介

内容摘要：实际上，某种核素的共振频率在不同化学基团中略不相同。因为核外化学环境不同，电子云分布不同，对核的屏蔽作用不同，核实际所感受到的外加的静磁感应强度不同，因此共振频率也就不同。一是屏蔽常数。a综合了核外电子的屏蔽、化合物分子内部各基团的屏蔽及近邻的分子所产生的屏蔽效应。尽管不同化学环境的一的差别甚微，但却构成核磁共振方法作为结构分析的最重要的信息和基础之一。同一化学环境的核在不同磁感应强度。

核磁共振(mlclear magne!．ic resc)nance，NMR)波谱法开始于1938年Rabi创造的分子束核磁共振法，尔后Purcell和Bloch各自独立地创立了设备简单而又非常实用的方法，近年来，Ernsl．发展了多维核磁共振理论与技术，wuthrich发展了生物大分子三维结构分析法，Lauterbur和Mansfild建立起核磁成像法。他们因而分别荣获1944年度、1952年度、1991年度、2()()2年度、20()3年度诺贝尔奖。化合物中某种原子核在静磁场的作用下其白旋状态分裂，当另外施加能量恰好等于这个分裂能的电磁波时即发生核磁共振。通常可获得频谱图。NMR波谱法用图谱中谱峰的位置(化学位移)来表征分子中的官能团；用峰形、峰间距(耦合常数)可表征基团间相互的连接关系、立体构型与空间分布等静态构造；从峰面积或峰强度来获取核的相对数量以及用峰宽(弛豫)信息可表征基团在分子中的运动情况等，从而获取化合物分子比较完整的大量结构的信息。它也用于跟踪化学反应、化学交换、分子内部运动等动态过程，进而了解化学键、热力学参数和反应动力学机理方面的信息。它是一种无需破坏试样的分析方法。现代NMR谱仪不仅采用较高磁场强度，而且发展了多维、多量子跃迁技术，已广泛地应用于有机物的结构鉴定，也可用于产品质量的科学判定，更重要的是它已成为探索研究十分复杂生物大分子的结构象毕王单行为的最得力的手段。

方法原理

1核自旋磁能级

原子核带正电荷，有一定质量，还具有自旋现象，因此具有磁矩。描述核自旋运动固有特性的是核的自旋量子数J，不同核素具有不同的I值。凡，≠0的核，在外加静磁场B。中，核磁矩受到力矩作用，像陀螺似的绕B。作旋进运动(拉伸进动)，原来简并的核自旋能级便分裂成(2J+1)个分立的能级，能级的高低由核白旋磁量子数M，(其取值为M，===I，卜一1．…，一工)决定。

2核磁共振条件

被分析试样放在静磁场B。中，再施加一频率为v(通常在射频区)的电磁辐射B-，其能量矗v恰好与试样中欲分析的指定核素的相邻磁能级的能量间隔△E相等时，核体系将会吸收电磁辐射产生能级跃迁，此即核磁共振现象。选律规定了只有相邻能级间的跃迁才是允许的，即△M，一±1。因此，每种核素的共振只有一个数值，其共振必须满足：式中，v是共振频率，MHz；叫是圆频率(叫一2Ⅱv)，rad／s；△E是能级差，J；△M，是核的自旋磁量子数之差；B。是静磁感应强度，T；y是核的旋磁比，rad／(T·s)；是普朗克常数，J·s。凡，一O的核(如地c等)是不会有核磁共振信号的。

3 化学位移6

实际上，某种核素的共振频率在不同化学基团中略不相同。因为核外化学环境不同，电子云分布不同，对核的屏蔽作用不同，核实际所感受到的外加的静磁感应强度不同，因此共振频率也就不同。一是屏蔽常数。a综合了核外电子的屏蔽、化合物分子内部各基团的屏蔽及近邻的分子所产生的屏蔽效应。尽管不同化学环境的一的差别甚微，但却构成核磁共振方法作为结构分析的最重要的信息和基础之一。同一化学环境的核在不同磁感应强度B。(不同仪器场强皆不相同)下共振频率是不同的。因此用频率(Hz)来表示这同一共振峰显然是极不方便的。为了统一起见，采用一个无量纲的相对差值，称为化学位移，用符号占来表示。由于化学位移值很小，因此将它扩大10倍。标是某公认的标准物中指定核的共振频率；vR是被测试样中该核的共振频率；v。是仪器公称频率。化学位移的基准是人为规定的，目前公认用四甲基硅烷(TMS)兼作为’H，坞C，。。Si核的基准。

4 自旋的耦合与耦合常数

核自旋量子数I≠0的核在静磁场中有(2J+1)种自旋状态，它们的磁矩的方向与大小各不相同，所形成的附加磁场通过化学键中的成键电子而作用于其他核，这种作用是相互的，被称为自旋一自旋耦合。这些耦合作用导致核磁能级或谱线进一步分裂成精细结构。分析这种精细结构的形成可确定分子内各种基团之间的连接关系，进而获取分子总体的结构。因此自旋耦合是核磁共振波谱法中另一个极其重要的信息，并且是不能从质谱、红外光谱、紫外及可见光谱等方法中得到的特有的信息。

以I===1／2的’H核为例，核的自旋运动产生自旋磁场。在静磁场B。中，因H核有两种自旋取向a与舟，它们分布于能量相近的两个核磁能级上，并且每个能级上的粒子(核)数——布居数几乎相等，其自旋磁场就相应地顺着B。和逆B。方向。这两种自旋磁场经价键电子传递，使近邻核的谱峰裂分为两支，其强度取决于处于两种取向的’H核的数目之比，根据玻尔兹曼分布应几乎是1：1，其裂距称为耦合常数，记以J，单位为Hz。耦合常数J的大小取决于连接两耦合核的种类、核间距离、核间化学键的个数和类型，以及它们在分子结构中所处的位置，因此可从中获取结构信息。值得注意的是，它与外加静磁场强度B。无关，这点不同于化学位移。

5饱和与弛豫

无外磁场作用时，核体系的各种自旋状态处于简并状态，各状态的布居数是相等的。当施加一外加静磁场B。后，一旦达到热平衡态，不同自旋状态的核子。H核为例，在T一300K，B。一1T时，每2()()万个核子中处于低能态的粒子只比高能态的多7个。核磁共振吸收恰恰是靠这极其微小差额的核吸收射频场B-的辐射能而被检测出来。因此，NMR方法的灵敏度是比较低的，检测时所需试样量常常要在毫克级以上。倘若体系吸收了足够强的射频场B。的辐射能，使相邻能级上的粒子数相等，这时体系不再呈现净吸收而不能测得核磁共振信号，此现象称为饱和。然而NMR信号之所以能维持是靠弛豫。

弛豫是高能态的核以非辐射方式释放出能量，转变成低能态的核，最后恢复到原始热平衡态的过程。它分为纵向弛豫与横向弛豫两类。纵向弛豫是高能态核的能量以热的形式传递给周围环境，如固体品格、周围液体分子和溶剂分子等的过程，也称白旋一晶格弛豫，用该过程的半衰期Tt来表征。横向弛豫是体系自旋状态的交换过程，又称自旋一自旋弛豫，相应以T。来表征。饱和与弛豫是核磁共振中极重要的现象，是在脉冲傅里叶变换实验的参数设定时必须认真考虑的重要因素。

6 脉冲傅里叶变换NMR

脉冲傅里叶变换NMR的特点是在固定静磁场B。下，对试样施加一系列射频脉冲，每次脉冲过后，立即由计算机采集共振信号，累加这些信号后，作傅里叶变换的数学处理，再行修正加工，即成为NMR谱图。

a 脉冲的作用

一个连续、等幅、频率为v。的射频波，一旦受到脉冲方波序列的调制后，分析其频谱成分，可发现它是以v。为中心的具有多种分立频率成分的混合射频波，其中心频率为v。，而各频率分量之间的距离等于脉冲周期的倒数。在中心频率v o左右相当宽的频谱区域内，各频谱分量之强度几乎不变，而又足以覆盖欲观测核的整个共振频率相当宽范围。这样的射频脉冲作用于试样，就相当于一个多波道而又几乎等幅度的射频发生器，使试样中具有各自共振频率的被测核一个不漏地同时发生共振激发。

b 傅里叶变换的作用

在脉冲激发方式下，由于各种频率的共振核同时被激发，脉冲过后受激发核按各自的弛豫过程，随时间以指数函数逐渐释放能量。接收的这种信号被称为自由感应衰减(free induction de(：ay)信号，简称为FID。它是具有各种共振频率相干的时间域的函数(￡)。将时域的FID信号经过傅里叶变换(ForJriertrans{()rmation，FT)，转变成为通常的频谱图，即所谓波谱。可见，傅里叶变换正好相当于一台多波道的接收机的作用，它巧妙地与脉冲方式相配合，才能获得谱图.具体的方法是用计算机按时间顺序迅速采集来自接收器中的FID强度，得到了成千上万个分立的数字信号，存储在其内存中。对这些有限的数据，用快速离散傅里叶变换计算方法，由计算机在约数秒内就可将之转化成NMR图谱。