NMR基礎原理介紹I

NMR基礎原理介紹I

整理: 錢培宜

核磁共振光譜學(Nuclear Magnetic Resonance Spectroscopy , NMR)，是基於在4-600MHz之無線電波區的電磁輻射吸收下所量測的。若與紫外光、可見光及紅外線吸收相比的話，NMR是涉及原子核吸收的過程。因為對某些原子核而言，具有自旋和磁矩的性質。因此，若暴露於強磁場中原子核會吸收電磁輻射，這是由磁場誘導而發生能階分裂的結果。科學家並發現，分子環境會影響在磁場中原子核的無線電波的吸收，利用這種特性來分析分子的結構。NMR是決定有機化合物結構的重要工具之一，可從很微量化合物中決定此分子結構。通常要明確鑑定某未知化合物，兩種以上的光譜分析是必須的。例: 結合IR、Mass 、NMR 光譜圖以鑑定某複雜分子。

二. NMR原理(以 proton NMR 為例 )

1) 凡具奇數原子數或質量的原子核皆會有核自旋(nuclear spin)，才會被NMR spectrometer 所觀察到。例:一質子(proton)，它的原子數等於1 ，其自旋量子數(spin quantum number ) I 不為零，其行為就如一微小磁鐵般，本身具有磁場(magnetic field) H。(如圖a)

▲圖a.一旋轉質子能自我產生一磁場,稱之為磁矩。相當於一條小磁鐵能自我建立一磁場。

2) 當小磁鐵(bar magnet)，置於一大磁場中(H0)，它本身的磁力線可能是順著大磁場的磁力線方向，也有可能是逆著磁力線方向。前者是處於能階較低(Lower energy state)的質子，其自旋磁力線的方向順著大磁場的磁力線方向，稱之為α- spin。反之，稱為β-spin。(如圖b、圖c)

▲圖 b An external magnetic field (H0) applies a force to a small bar magnet to align it with the external field .the arrangement of the bar magnet aligned with the field is lower in energy than the arrangement aligned against the field(當小磁鐵置於一大磁鐵下，造成小磁鐵會有兩種旋轉方向，一種使小磁鐵磁力線的方向與大磁鐵的磁力線方向一致，是處於低能階狀態，即順磁 ;而另一種小磁鐵磁力線的方向與大磁鐵磁力線方向相反，是處於高能階狀態，即逆磁。)

▲圖c

3)當在外加的大磁場下，樣品內的每個 spin 都有可能處於α- spin或-β-spin 。但以能量穩定來說，處於α- spin能階的質子數目會來的比β- spin多。(如圖d)

▲圖d

4)α- spin能階與β- spin能階間能量差異 ΔΕ＝γh H0／2π，而

ΔΕ＝h ν ……….共振所需吸收能量，綜合此兩式可得到一式

ν＝γH0／2π……..此為NMR 所必須偵測的頻率，單位: Hz，且適於沒有被電子雲所遮蔽的公式。(如圖e)

▲圖e :何謂共振: 當處於α- spin state 的質子,受到一適當的磁場與電磁波,吸收了足夠的能量,而從α- state 躍遷到β-state,稱之。

5)之前提及的是，未受電子雲遮蔽的質子(naked proton)在磁場下的共振，但在複雜的化合物中，真實的質子是處在電子雲的保護下，故如果要共振，需要吸收較高的能量。分子中，電子總是扮演著衛星的角色圍繞著原子核，若此分子外加一大磁場，這些外圍的電子雲相當是線圈，會自然產生出一磁場(induced magnetic field)來對抗大磁場，所以原子核真正所感受到的磁場則大幅降低，稱之為遮蔽效應(shielding effect)。

且公式應修正成ν＝γH0／2π ( 1－σ )

σ ＝ shielding constant

ΔΕ ＝ energy difference betweenα and β states

h ＝ Plack’ s constant ,6.62608×10-34 J-Sec

H0 ＝ strength of the external magnetic field ，

unit : gauss

γ ＝ gyomagnetic ratio  是一常數，但視所要探討的原子核而定。例 26753 (sec-gauss)-1 for a proton 

例：此化合物含有兩種類型的質子(proton)