核磁共振波譜法簡介和其工作原理

核磁共振波譜法簡介和其工作原理

核磁共振（nuclear magnetic resonance ; NMR ）現(xiàn)象是1946 年由美國斯坦福大學(xué)的F . Bloch 等人和哈佛大學(xué)的E . M . Purcell等人各自獨(dú)立發(fā)現(xiàn)的，Bloch 和Purcell 因此獲得了1952 年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。40 多年來，核磁共振不僅形成為一門有完整理論的新興學(xué)科— 核磁共振波譜學(xué)，并且，各種新的實(shí)驗(yàn)技術(shù)不斷發(fā)展、儀器不斷完善，在化學(xué)、生物學(xué)、醫(yī)學(xué)、藥物學(xué)等許多領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。核磁共振波譜儀已成為研究分子結(jié)構(gòu)和分子運(yùn)動(dòng)等不可缺少的工具。1991 年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)被授予瑞士蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院的磁共振專家R . R . Ernst 教授，這不僅是對Ernst 教授為核磁共振的發(fā)展所作出的杰出貢獻(xiàn)的表彰，也是對核磁共振波譜學(xué)在化學(xué)領(lǐng)域所發(fā)揮的重要作用的肯定。
　　發(fā)現(xiàn)核磁共振現(xiàn)象的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)是創(chuàng)造性的，但當(dāng)時(shí)的實(shí)驗(yàn)裝置比較簡單，大約到50 年代末才發(fā)展成為可實(shí)用于化學(xué)研究領(lǐng)域的商品儀器。與當(dāng)時(shí)的科技條件相適應(yīng)，連續(xù)波核磁共振波譜儀成為60 年代化學(xué)實(shí)驗(yàn)室中的重要分析工具。60 年代末，由于快速傅里葉變換算法的出現(xiàn)及計(jì)算機(jī)的飛速發(fā)展，脈沖傅里葉變換核磁共振波譜儀應(yīng)運(yùn)而生。因其觀測靈敏度高、測量速度快、功能多、操作方便，一躍成為70 年代主要商品核磁共振波譜儀。此后，隨著超導(dǎo)磁體的引入，計(jì)算機(jī)及電子技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，許多新技術(shù)的開發(fā)（如多維核磁共振、固體高分辨核磁共振、磁共振成像等），核磁共振波譜儀變得更完善、更多樣化、也更復(fù)雜。與其它的譜分析方法（如質(zhì)譜、紅外光譜等）相比，核磁共振的靈敏度相對較低，但它所能提供的原子水平上的結(jié)構(gòu)信息是其它方法所無法比擬的。
　　核磁共振波譜學(xué)是一門邊緣學(xué)科，它從物理原理出發(fā)，以電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)作為手段，獲取化學(xué)、生物學(xué)等各學(xué)科所需的圖譜信息。本節(jié)在簡單介紹波譜儀所必需的一些物理概念后，重點(diǎn)介紹波譜儀本身的結(jié)構(gòu)及其性能，幫助操作和維修人員對核磁共振波譜儀有一個(gè)較為全面的了解，更好地發(fā)揮它的作用。

原理：原子核由質(zhì)子和中子組成，質(zhì)子帶正電荷，中子不帶電，因此原子核帶正電荷，電荷數(shù)等于質(zhì)子數(shù)。

　　大多數(shù)原子核都圍著某個(gè)自身軸作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，因此，其本身所帶正電荷就會形成環(huán)形電流，從而產(chǎn)生一種核磁矩。當(dāng)以電磁波照射置于磁場中的這種原子核，則會發(fā)生某種頻率能量的吸收。吸收后原子核能量發(fā)生變化，并發(fā)出核磁共振信號，這就是核磁共振現(xiàn)象。 

　　核電荷繞磁場自旋進(jìn)動(dòng)產(chǎn)生軸方向磁偶極子，這種角動(dòng)量是用自旋量子數(shù)I表示，當(dāng)I為奇數(shù)時(shí)，自旋存在；當(dāng)原子核里面中子數(shù)量為偶數(shù)，質(zhì)子數(shù)為奇數(shù)時(shí)，自旋也存在；原子核里面質(zhì)子與中子的數(shù)量同為偶數(shù)時(shí)不存在核自旋。
　　因此，在構(gòu)成有機(jī)物的三種重要元素¹H、¹²C和¹⁶O中，只有¹H才有可能發(fā)生核磁共振現(xiàn)象，研究中主要對¹H核進(jìn)行研究。其它種類的核磁共振譜還有¹³C、¹⁵N、¹⁹F、³¹P、¹¹⁹Sn等核磁共振譜圖。
　　在含有H元素的不同物質(zhì)中，由于物質(zhì)的結(jié)構(gòu)不同，所以H原子核所處的化學(xué)環(huán)境不同，而化學(xué)環(huán)境的不同就會導(dǎo)致核磁共振頻率發(fā)生變化。核磁共振就是通過測量這些變化來確定物質(zhì)的結(jié)構(gòu)的。