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实验室分析仪器--核磁共振谱仪定义、发展及基本原理

2022.2.02

核磁共振是指一个射频场引起有磁矩的原子核与外磁场相互作用而产生的磁能之间的跃迁。核磁共振波谱仪是基于核磁矩不等于零的原子核,在静磁场作用下,对稳定频率电磁波的吸收现象来研究物质结构的一种工具。分析工作者从共振峰的数和相对的强度、化学位移和弛豫时间等参数进行物质结构分析。

一、核磁共振的定义

核磁共振(nuclear magnetic resonance, NMR)是磁矩不为零的原子核,在外磁场作用自旋能级发生蔡曼分裂,共振吸收某一定频率的射频辐射的物理过程。并不是是所有原子核都能产生这种现象,原子核能产生核磁共振现象是因为具有核自旋。原子核自旋产生磁矩,当核磁矩处于静止外磁场中时产生进动核和能级分裂。在交变磁场作用下,自旋核会吸收特定频率的电磁波,从较低的能级跃迁到较高能级。这种过程就是核磁共振。

二、发展现状

二十世纪后半叶,NMR技术和仪器发展十分快速,从永磁到超导,从60MHz到800MHz的NMR谱仪磁体的磁场差不多每五年提高一点五倍,这是被NMR在有机结构分析和医疗诊断上特有功能所促进的。现在有机化学研究中NMR已经成为分析常规测试手段,同样,在医疗上MRI(核磁共振成像仪器)亦成为某些疾病的诊断手段。

1953年:美国Varian公司第一台NMR谱仪(30MHz)

1964年:美国Varian公司第一台超导NMR谱仪(200MHz)

1971年:日本JEOL公司第一台超导傅里叶变换NMR谱仪(计算机用于NMR谱仪,使NMR技术有了质的飞跃发展)。

三、基本原理

1) 原子核的基本属性

a.原子核的质量和所带电荷 ——是原子核的最基本属性。

b.原子核的自旋和自旋角动量 ——量子力学中用自旋量子数I描述原子核的运动状态。原子核的自旋运动具有一定的自旋角动量;其自旋角动量也是量子化的,它与自旋量子数 I 间的关系为:

各种核的自旋量子数

质量数A	原子序数Z	自旋量子数I	自旋核电荷分布	NMR讯号	原子核举例
偶数	偶数	0	—	无	12C6、16C8、32S16
奇数	奇或偶数	1/2	球形	有	1H1、13C6、19F9、15N7、31P15
奇数	奇或偶数	3/2、5/2等	扁平椭球形	有	17O8、33S16
偶数	奇数	1、2、3等	扁平椭球形	有	2H1、14N7