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出版者:

作者:Bigler, Peter

出品人:

页数:271

译者:

出版时间:

价格:180

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isbn号码:9783527299904

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图书标签:

• 核磁共振
• NMR
• 光谱学
• 化学
• 分析化学
• 有机化学
• 物理化学
• 分子结构
• 仪器分析
• 化学研究

物质的微观结构探索：核磁共振波谱学原理与应用 引言：洞察物质的分子世界 物质的性质与行为，归根结底取决于其内部的微观结构和动态过程。从最基础的化学键合到复杂的大分子构象，再到材料的功能性，理解分子层面的细节是科学研究和技术创新的基石。在众多用于解析物质结构的工具中，核磁共振波谱学（Nuclear Magnetic Resonance Spectroscopy，简称NMR）无疑占据着核心地位。它不仅是一种强大的无损分析技术，更是一扇通往原子尺度信息世界的窗口。 本书旨在系统、深入地阐述核磁共振波谱学的基本物理原理、实验技术、数据解析方法及其在化学、生物学、材料科学等多个交叉领域的广泛应用。我们力求以严谨的物理图像为基础，辅以清晰的数学描述，构建一个全面且实用的知识体系，使读者能够真正掌握NMR的核心精髓，并能独立设计和解读复杂的NMR实验。 --- 第一部分：核磁共振的基本物理与数学基础 本部分聚焦于NMR现象的根源，为后续复杂的实验技术和数据处理奠定坚实的理论基础。 第一章：磁共振的量子力学起源 本章首先回顾原子核的基本性质，特别是核自旋（Spin）和磁矩。我们将详细探讨在静磁场（$B_0$）中，原子核的能级分裂——塞曼效应（Zeeman Effect）。通过引入拉莫尔频率（Larmor Frequency）的概念，我们阐明了共振发生的条件。随后，本章深入讨论了描述核自旋系统的量子力学框架，包括哈密顿量（Hamiltonian）的构建，特别是化学位移和偶合常数相关的相互作用项。对于非零自旋的核，如氘（$^2$H）和氮-15（$^{15}$N），我们还将探讨四极矩对谱线的影响。 第二章：弛豫过程与核磁共振动力学 NMR信号的产生与衰减，完全依赖于原子核在激发后的弛豫过程。本章详尽分析了两种主要的弛豫机制：自旋-晶格弛豫（$T_1$）和自旋-自旋弛豫（$T_2$）。我们运用布洛赫方程（Bloch Equations）来宏观描述核磁共振信号的演化，并探讨如何通过测量$T_1$和$T_2$时间常数来推断分子在溶液中的运动性、粘度以及局部环境的动态性质。同时，本章也将介绍超快弛豫现象在固态NMR中的重要性。 第三章：脉冲序列与傅里叶变换的魔力 现代NMR实验的核心在于利用射频（RF）脉冲与样品的相互作用，并辅以傅里叶变换（FT）将时域信号转化为频域谱图。本章将详细剖析脉冲实验的设计艺术。从最基础的自旋回波（Spin Echo）和梯度回波序列（Gradient Echo）出发，我们逐步深入到如何利用特定的脉冲组合（如 Hahn Echo, CPMG）来消除磁场不均匀性和测量精确的$T_2$值。傅里叶变换的数学原理及其在频谱解析中的关键作用，也将被清晰地阐述。 --- 第二部分：一维与多维谱学的解析技术 本部分将重点介绍如何从实验数据中提取定性和定量的结构信息，这是NMR分析师的核心技能。 第四章：一维谱图的精细解析 一维谱（如$^1$H NMR和$^{13}$C NMR）是结构确定的基石。本章将系统讲解谱图上的三大关键特征：化学位移（Chemical Shift）、积分面积（Integration）和自旋-自旋偶合（Spin-Spin Coupling）。我们着重分析影响化学位移的各种因素，包括诱导效应、磁各向异性效应以及氢键的影响。对于复杂的偶合模式（如AA'BB'系统），我们将运用耦合常数（$J$值）的规律和魏德曼-菲利普斯（Wemmer-Phillips）规则，解构高阶谱图，从而确定相邻原子核之间的空间连接性。 第五章：二维NMR的结构拓扑学 二维相关谱是现代结构解析的利器，它通过将不同的相互作用映射到两个频率维度上，极大地简化了复杂分子的解析难度。本章将全面介绍最常用和最重要的二维实验： 1. COSY (Correlation Spectroscopy)：揭示通过键连接的核之间的耦合关系，是建立分子骨架连接性的主要手段。 2. TOCSY (Total Correlation Spectroscopy)：追踪通过J耦合传递的信号，用于识别完整的自旋系统（如糖环或氨基酸侧链）。 3. HSQC (Heteronuclear Single Quantum Coherence)：直接关联直接键合的碳（或氮）核与其氢核，是分子指纹图谱的基础。 4. HMBC (Heteronuclear Multiple Bond Correlation)：探测跨越两到三个键的远程耦合，对于确定取代基位置和分子连接点至关重要。 本章的重点在于解读这些二维谱中的“点阵图”，并将其系统地整合起来，构建出完整的分子拓扑结构。 第六章：核过效应与距离信息的获取 除了连接性信息，NMR还能提供原子核之间的空间距离信息，这对于解析三维结构至关重要。本章详细介绍核Overhauser效应（NOE）及其在结构测定中的应用。我们将探讨NOESY（Nuclear Overhauser Effect Spectroscopy）实验的原理，以及如何通过计算NOE强度来估计质子间的空间距离。这一距离信息，尤其是用于解析生物大分子（如蛋白质和核酸）的三维结构，是至关重要的约束条件。 --- 第三部分：NMR的应用领域与前沿技术 本部分将展示NMR技术如何从基础研究走向工业应用，并介绍当前研究中的热点技术。 第七章：固态NMR：解析非晶态和有序材料 对于不溶于溶剂或具有高度有序结构的固体材料（如晶体、聚合物、膜蛋白），传统的溶液态NMR无法奏效。本章专注于固态NMR技术，特别是魔角旋转（MAS）技术，如何有效地消除各向异性带来的谱线展宽。我们将讨论固体中自旋-自旋相互作用（如偶极耦合）的处理，以及如何利用二维固态实验（如MQMAS, DARR）来获取晶格参数、晶体结构和材料微观孔隙结构信息。 第八章：生物大分子结构与动力学研究 核磁共振是解析蛋白质、核酸等生物大分子结构最强大的技术之一，尤其擅长于研究分子在溶液中的动态行为。本章将讨论高场NMR在解析高分子量生物分子时的挑战（如线宽增加），以及如何通过多核（$^{15}$N, $^{13}$C, $^{2}$H）标记策略来简化谱图。我们将重点阐述利用弛豫参数（如$R_1, R_2$, 和$^{15}$N NOE）来揭示蛋白质折叠、配体结合以及结构变化中的时间尺度动态信息。 第九章：代谢组学与化学计量学在NMR中的拓展 核磁共振在非目标性代谢物分析中展现出无与伦比的优势。本章介绍如何利用高通量NMR技术，结合化学计量学（Chemometrics）方法，对复杂的生物体液或环境样本进行快速的定性和定量分析。我们将详细讨论如何通过建立特征峰数据库、进行主成分分析（PCA）和偏最小二乘回归（PLS）来区分健康与疾病状态，或评估材料的老化程度，实现基于分子指纹的快速分类和识别。 --- 结论：面向未来的分子探针 核磁共振波谱学是一门不断发展的交叉学科。从基础物理到先进的脉冲技术，再到复杂生物系统的解析，本书提供了一个坚实的路线图，引导读者掌握从数据采集到信息提炼的全过程。掌握这些原理和方法，意味着掌握了一种强大的、能够直接探究物质微观结构和动态行为的“探针”。随着磁场强度的不断提高和脉冲序列设计的日益精巧，NMR必将在新药发现、功能材料设计和生命科学前沿研究中，继续发挥不可替代的核心作用。

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我刚拿到这本《Nmr Spectroscopy》，还没来得及细读，只是大致翻阅了一下目录和一些篇幅较大的章节。吸引我的首先是它在某些特定应用领域的深度探讨，例如“高分子材料的Nmr表征”、“药物化学中的Nmr应用”，甚至还有“生物大分子的结构解析”。这些内容让我看到了这本书的实用价值，似乎不仅仅是停留在理论层面，而是真正地触及到了Nmr技术在各个学科前沿的应用。我尤其关心它在解析复杂有机分子结构时，会有怎样的具体方法论和案例分析。对于我来说，能够通过Nmr技术准确地鉴定和表征合成的产物，是我研究中不可或缺的一环。我希望这本书能够提供一些“秘籍”，分享一些资深研究者在数据解读和谱图分析中的独到见解，比如如何有效地识别和区分同分异构体，如何利用二维Nmr技术来解析三维结构等等。如果书中能包含一些著名的、具有代表性的Nmr谱图及其详细解读，那将是我学习路上的“神助攻”，能够极大地提升我的理解和实践能力。我非常期待在后续的阅读中，能够找到这些宝贵的“干货”，将Nmr分析的水平提升到一个新的高度。

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从一个对Nmr光谱学仅仅是“耳熟”但“不甚了然”的读者的角度来看，这本书带给我的第一印象是它的“厚重感”。这种厚重感并非来自于纸张的物理重量，而是来自于它所呈现出的内容的严谨性和系统性。目录中那些诸如“化学位移的理论基础”、“耦合常数的起源与影响”、“核自旋弛豫的物理机制”等标题，无不透露出一种深入骨髓的学术探究精神。我深知Nmr技术绝非简单的“看谱识物”，其背后蕴含着精妙的物理原理和化学信息。我希望能在这本书中找到对这些原理清晰易懂的阐释，例如，为什么不同的原子核在磁场中会表现出不同的化学位移？耦合常数又如何反映了原子核之间的空间关系？这些问题的答案，我相信都能在这本书中找到。我特别期待书中能够包含一些经典的实验案例，通过这些案例来展示Nmr是如何一步步揭示分子结构的奥秘的。如果书中还能提供一些关于仪器选择、样品制备的建议，那将是锦上添花，让我能够更好地将理论知识转化为实践操作。总而言之，我希望这本书能为我打开Nmr世界的大门，让我不仅知其然，更能知其所以然。

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这本书的编排风格似乎与我以往接触过的Nmr教材有所不同，它给我的感觉更加“现代”和“前沿”。我注意到它在介绍一些基础概念的同时，也花了相当大的篇幅来探讨一些更高级的Nmr技术，比如“动态核极化（DNP）”、“固态Nmr”等，这些是我在本科阶段很少接触到的内容。这让我感到非常兴奋，因为这意味着这本书能够跟上Nmr技术发展的最新步伐，并为我提供一个更广阔的学习视野。我尤其对如何利用这些先进的Nmr技术来解决一些传统方法难以攻克的科学难题感兴趣。比如，DNP技术是如何极大地增强Nmr信号的？固态Nmr又如何应用于那些无法形成单晶或溶液状态的材料研究？如果书中能够提供一些具体的应用案例，展示这些技术是如何在科研中发挥关键作用的，那将对我极具启发性。我还希望这本书在介绍这些高级技术时，能够兼顾理论深度和实践指导，让我不仅仅是了解它们的存在，更能理解其工作原理，并为将来可能的研究方向提供思路。

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这本书的封面设计简洁而专业，深蓝色的背景搭配白色的书名和作者信息，给人一种沉静而严谨的感觉。虽然我还没有机会深入阅读，但仅仅从书的体量和章节划分来看，它似乎涵盖了核磁共振波谱学非常广泛的领域。我尤其对其中一些看起来非常“硬核”的章节标题感到好奇，例如“量子力学基础与Nmr现象”、“自旋动力学和弛豫过程”之类的。这些标题暗示了作者并没有回避理论的深度，而是力求从根本上解释Nmr现象的原理。我期待这本书能够以一种循序渐进的方式，将复杂的概念化繁为简，让初学者也能逐步理解。作为一名对Nmr技术有初步了解但希望系统学习的读者，我希望这本书能提供清晰的图示和实例，帮助我更好地可视化抽象的物理过程。如果它能在实验操作的细节、数据处理的技巧，以及常见问题的解决策略等方面给出详实的指导，那将是对我最大的帮助。毕竟，理论知识的掌握固然重要，但能否将其转化为实际的分析能力，才是衡量一本Nmr书籍是否优秀的关键。我脑海中已经勾勒出无数个通过学习这本书，将Nmr技术应用于我的研究的场景，希望这本书能成为我实现这些目标的坚实基石。

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这本《Nmr Spectroscopy》给我的第一感觉是它具有一种“实用主义”的倾向。虽然它看起来内容丰富，涵盖了Nmr的各个方面，但我更看重的是它能否切实地帮助我解决实际问题。我希望这本书能够提供详实的“操作手册”式的指导，例如，在进行红外光谱、质谱等辅助分析与Nmr数据结合时，有哪些需要注意的要点？如何有效地进行谱图的叠加和比对，以获得更全面的结构信息？对于一些常见的Nmr谱图“陷阱”，例如，谱图的基线不平、信号重叠严重、溶剂峰干扰等，书中是否会提供一些“避坑指南”和解决策略？我期待这本书能够像一位经验丰富的导师，在我的Nmr分析过程中，随时随地给我提供有价值的建议和指导。如果书中能包含大量的、真实的Nmr谱图示例，并对其进行细致的解读，同时指出可能出现的各种问题及其解决方法，那么这本书将对我而言具有无可估量的价值。我希望它不仅仅是一本知识的集合，更是一本能够真正赋能我的分析能力的“工具书”。

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