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核磁共振波谱法简介和其工作原理

2020.3.07

核磁共振(nuclear magnetic resonance ; NMR )现象是1946 年由美国斯坦福大学的F . Bloch 等人和哈佛大学的E . M . Purcell等人各自独立发现的,Bloch 和Purcell 因此获得了1952 年诺贝尔物理学奖。40 多年来,核磁共振不仅形成为一门有完整理论的新兴学科— 核磁共振波谱学,并且,各种新的实验技术不断发展、仪器不断完善,在化学、生物学、医学、药物学等许多领域得到了广泛的应用。核磁共振波谱仪已成为研究分子结构和分子运动等不可缺少的工具。1991 年诺贝尔化学奖被授予瑞士苏黎世联邦理工学院的磁共振专家R . R . Ernst 教授,这不仅是对Ernst 教授为核磁共振的发展所作出的杰出贡献的表彰,也是对核磁共振波谱学在化学领域所发挥的重要作用的肯定。
  发现核磁共振现象的实验设计是创造性的,频谱分析仪| 电池测试仪| 相序表| 万用表| 功率计| 示波器| 电阻测试仪| 电阻计| 电表|但当时的实验装置比较简单,大约到50 年代末才发展成为可实用于化学研究领域的商品仪器。与当时的科技条件相适应,连续波核磁共振波谱仪成为60 年代化学实验室中的重要分析工具。60 年代末,由于快速傅里叶变换算法的出现及计算机的飞速发展,脉冲傅里叶变换核磁共振波谱仪应运而生。因其观测灵敏度高、测量速度快、功能多、操作方便,一跃成为70 年代主要商品核磁共振波谱仪。此后,随着超导磁体的引入,计算机及电子技术的进一步发展,许多新技术的开发(如多维核磁共振、固体高分辨核磁共振、磁共振成像等),核磁共振波谱仪变得更完善、更多样化、也更复杂。与其它的谱分析方法(如质谱、红外光谱等)相比,核磁共振的灵敏度相对较低,但它所能提供的原子水平上的结构信息是其它方法所无法比拟的。
  核磁共振波谱学是一门边缘学科,它从物理原理出发,以电子技术和计算机作为手段,获取化学、生物学等各学科所需的图谱信息。本节在简单介绍波谱仪所必需的一些物理概念后,重点介绍波谱仪本身的结构及其性能,帮助操作和维修人员对核磁共振波谱仪有一个较为全面的了解,更好地发挥它的作用。

原理:原子核由质子和中子组成,质子带正电荷,中子不带电,因此原子核带正电荷,电荷数等于质子数。

核磁共振波谱法简介和其工作原理


  大多数原子核都围着某个自身轴作旋转运动,因此,其本身所带正电荷就会形成环形电流,从而产生一种核磁矩。当以电磁波照射置于磁场中的这种原子核,则会发生某种频率能量的吸收。吸收后原子核能量发生变化,并发出核磁共振信号,这就是核磁共振现象。 

核磁共振波谱法简介和其工作原理


  核电荷绕磁场自旋进动产生轴方向磁偶极子,这种角动量是用自旋量子数I表示,当I为奇数时,自旋存在;当原子核里面中子数量为偶数,质子数为奇数时,自旋也存在;原子核里面质子与中子的数量同为偶数时不存在核自旋。
  因此,在构成有机物的三种重要元素1H、12C和16O中,只有1H才有可能发生核磁共振现象,研究中主要对1H核进行研究。其它种类的核磁共振谱还有13C、15N、19F、31P、119Sn等核磁共振谱图。
  在含有H元素的不同物质中,由于物质的结构不同,所以H原子核所处的化学环境不同,而化学环境的不同就会导致核磁共振频率发生变化。核磁共振就是通过测量这些变化来确定物质的结构的。


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