核磁共振氢谱

基础

自旋量子数

       自旋为S的粒子，取向的范围为[-S,S],但是需要间隔1。比如质子的自旋为1/2,则有-1/2 ，1/2两个取向。取值的个数等于在外加磁场的情况下能够分裂的能级的个数。但是质量数和原子序数都为0的原子($C^{12},O^{16}$)自旋量为0,无法核磁共振。

核磁共振

       原子核中存在自旋，当原子核的自旋量子数为i时，取向有2i+1种(一种自旋向上，一种自旋向下，其中一种与磁场对齐，另一种与磁场相反)。当对一堆质子给与磁场时，其整体表现为M(统计意义上)，但是在微观上有两个方向：

       同时出现了能级差 塞曼效应。对于自旋为 1/2 的原子核，在给定磁场强度下，两个自旋态之间的能量差与它们的磁矩成正比。然而，即使所有质子都具有相同的磁矩，它们也不会以相同的频率值发出共振信号。这种差异源于感兴趣的核的不同电子环境。在施加外部磁场时，这些电子响应磁场而移动，并产生与强得多的施加场相反的局部磁场。因此，该局部场“屏蔽”了质子所施加的磁场，因此必须增加磁场以实现共振（射频能量的吸收）。

       当给予的能量（交变的射频信号）等于两个状态的能级差$\Delta E$时，就会发生跃迁(核磁共振)。

$$\Delta E=\frac{\gamma \ast h\ast B_0}{2\ast \pi },(\gamma 磁旋比,h普朗克常数，B_0外加磁场强度)=\bar{h}\ast {\omega }_0(其中larmor频率{\omega }_0=\gamma \ast B_0)$$

相聚合

       在没有射频脉冲之前，整体的水品方向磁场表现为0.在施加脉冲之后，进动变得统一，水平方向也有了分量。通过增大脉冲可以使得仅有水平方向有分量。当脉冲消失后，水平方向的时域信号如下图所示：

化学位移(chemical shift)

氢谱图

反例

原因（类似苯环形成环路了，变成电感了）

n+1定律（spin-spin coupling，峰的个数取决于旁边的H个数）

一个质子发生的信号会被分裂成两个（n个质子发生的信号会被分裂成n+1个）

例零

• 在相同环境下的质子不会互相影响
  

例一

例二

邻碳耦合

同碳耦合

同样地，

同碳耦合的例子

同碳耦合的例子

杨辉三角（n+1个值是如何表现的）

积分

参考与更多

• https://en.wikipedia.org/wiki/Nuclear_magnetic_resonance_spectroscopy
• https://www.bilibili.com/video/BV1UZ4y197aF/?
• [双语字幕]核磁共振氢谱图谱分析-NMR Spectroscopy
• 核磁共振为何知道
• pdf 磁共振成像技术指南 杨正汉
• 妈咪说MommyTalk 核磁共振是什么？什么是自旋？核磁共振的基本原理
• pdfhttps://zh.wikipedia.org/wiki/%E6%A0%B8%E7%A3%81%E5%85%B1%E6%8C%AF%E6%B3%A2%E8%B0%B1%E6%B3%95
• https://www.zhihu.com/question/39043750
• 应用
• 做核磁共振时不能携带金属，甚至有纹身的人员都不建议做（某些纹身中含有金属成分）。

这种增量非常小，通常以百万分之一 (ppm) 为单位。例如，醛的质子峰移动了大约。吸电子基团，羰基通过降低局部电子密度使质子去屏蔽。因此，2.3487 T 和 2.3488 T 之间的差异约为 42 ppm。然而，频率刻度通常用于指定 NMR 信号，即使光谱仪可以通过扫描磁场来操作，因此对于 100 MHz 参考频率 (rf)，42 ppm 是 4200 Hz。

然而，鉴于不同 NMR 信号的位置取决于外部磁场强度和参考频率，因此通常报告的信号是相对于参考信号的，通常是 TMS（四甲基硅烷）的参考信号。此外，由于 NMR 信号的分布取决于场，因此这些频率除以光谱仪频率。但是，由于我们将 Hz 除以 MHz，所得数字会太小，因此要乘以一百万。因此，该操作给出了一个定位器编号，称为“化学位移”，单位为百万分之一。[15]一般来说，质子的化学位移是高度可预测的，因为这些位移主要由更简单的屏蔽效应（电子密度）决定，但许多更重的原子核的化学位移受其他因素的影响更大，包括激发态（“顺磁”对屏蔽的贡献张量）

化学位移提供了有关分子结构的信息。将原始数据转换为该信息称为分配光谱。例如，对于乙醇 (CH 3 CH 2 OH) 的1 H-NMR 光谱，人们会期望三个特定化学位移中的每一个都有信号：一个用于 C H 3基团，一个用于 C H 2基团，一个用于OH组。一个典型的 CH 3基团有大约 1 ppm 的位移，连接到 OH 的 CH 2有大约 4 ppm 的位移，而 OH 有 2-6 ppm 的任何位移，具体取决于使用的溶剂和氢键的数量. 虽然 O 原子确实通过它们的相互 sigma 键从附着的 H 中吸取电子密度，但 O 上的电子孤对将 H 沐浴在它们的屏蔽效应中。[需要引用]

在顺磁核磁共振波谱中，测量是在顺磁样品上进行的。顺磁性引起非常不同的化学位移。在1 H NMR 光谱学中，化学位移范围可以跨越数千 ppm。[16]

由于室温下的分子运动，三个甲基质子在 NMR 实验期间平均化（通常需要几毫秒）。这些质子变得简并并在相同的化学位移处形成峰。

峰的形状和面积也是化学结构的指标。在上例（乙醇的质子谱）中，CH 3峰的面积是 OH 峰面积的三倍。类似地，CH 2峰面积将是 OH 峰面积的两倍，但仅为 CH 3峰面积的 2/3。

软件允许分析峰的信号强度，其在最佳松弛条件下与该类型的质子数相关。信号强度分析是通过积分完成的——计算曲线下面积的数学过程。分析人员必须对峰进行积分而不是测量它的高度，因为峰也有宽度——因此它的大小取决于它的面积而不是它的高度。然而，应该提到的是，在最简单的一维 NMR 实验中，质子或任何其他观察到的核的数量仅与 NMR 信号的强度或积分成正比。例如，在更精细的实验中，通常用于获得碳 13 的实验NMR 光谱，信号的积分取决于原子核的弛豫率及其标量和偶极耦合常数。通常这些因素鲜为人知 - 因此，在更复杂的 NMR 实验中很难解释 NMR 信号的积分。