簡述核磁分析原理

2021.7.14

　　核磁分析是指核磁共振波譜法（Nuclear Magnetic Resonance Spectroscopy, NMR ）NMR是研究原子核對射頻輻射(Radio-frequency Radiation)的吸收，它是對各種有機(jī)和無機(jī)物的成分、結(jié)構(gòu)進(jìn)行定性分析的最強(qiáng)有力的工具之一，有時亦可進(jìn)行定量分析。

　　核磁共振技術(shù)可以提供分子的化學(xué)結(jié)構(gòu)和分子動力學(xué)的信息，已成為分子結(jié)構(gòu)解析以及物質(zhì)理化性質(zhì)表征的常規(guī)技術(shù)手段，在物理、化學(xué)、生物、醫(yī)藥、食品等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用,，在化學(xué)中更是常規(guī)分析不可少的手段。

　　原理：

　　根據(jù)量子力學(xué)原理，與電子一樣，原子核也具有自旋角動量，其自旋角動量的具體數(shù)值由原子核的自旋量子數(shù)I決定，原子核的自旋量子數(shù)I由如下法則確定：

　　1）中子數(shù)和質(zhì)子數(shù)均為偶數(shù)的原子核，自旋量子數(shù)為0；

　　2）中子數(shù)加質(zhì)子數(shù)為奇數(shù)的原子核，自旋量子數(shù)為半整數(shù)（如，1/2, 3/2, 5/2)；

　　核磁共振譜核磁共振譜

　　3）中子數(shù)為奇數(shù)，質(zhì)子數(shù)為奇數(shù)的原子核，自旋量子數(shù)為整數(shù)（如，1, 2, 3）。

　　迄今為止，只有自旋量子數(shù)等于1/2的原子核，其核磁共振信號才能夠被人們利用，經(jīng)常為人們所利用的原子核有： 1H、11B、13C、17O、19F、31P。

　　由于原子核攜帶電荷，當(dāng)原子核自旋時，會產(chǎn)生一個磁矩。這一磁矩的方向與原子核的自旋方向相同，大小與原子核的自旋角動量成正比。將原子核置于外加磁場中，若原子核磁矩與外加磁場方向不同，則原子核磁矩會繞外磁場方向旋轉(zhuǎn)，這一現(xiàn)象類似陀螺在旋轉(zhuǎn)過程中轉(zhuǎn)動軸的擺動，稱為進(jìn)動。進(jìn)動具有能量也具有一定的頻率。進(jìn)動頻率又稱Larmor頻率：

　　υ=γB/2π

　　γ為磁旋比，B是外加磁場的強(qiáng)度。磁旋比γ是一個基本的核常數(shù)?？梢?，原子核進(jìn)動的頻率由外加磁場的強(qiáng)度和原子核本身的性質(zhì)決定，也就是說，對于某一特定原子，在已知強(qiáng)度的的外加磁場中，其原子核自旋進(jìn)動的頻率是固定不變的。

　　原子核發(fā)生進(jìn)動的能量與磁場、原子核磁矩、以及磁矩與磁場的夾角相關(guān)，根據(jù)量子力學(xué)原理，自旋量子數(shù)為I的核在外加磁場中有2I+1個不同的取向，原子核磁矩的方向只能在這些磁量子數(shù)之間跳躍，而不能平滑的變化，這樣就形成了一系列的能級。這些能級的能量為：

　　E= -γhmB/2π

　　式中，h是Planck常數(shù)（普朗克常數(shù)）（6.626x10-34）；m是磁量子數(shù)，取值范圍從-I到+I，即m= -I，-I+1， … I-1，I。

　　當(dāng)原子核在外加磁場中接受其他來源的能量輸入后，就會發(fā)生能級躍遷，也就是原子核磁矩與外加磁場的夾角會發(fā)生變化。根據(jù)選擇定則，能級的躍遷只能發(fā)生在Δm=±1之間，即在相鄰的兩個能級間躍遷。這種能級躍遷是獲取核磁共振信號的基礎(chǔ)。根據(jù)量子力學(xué)，躍遷所需要的能量變化：

　　ΔE=γhB/2π

　　為了讓原子核自旋的進(jìn)動發(fā)生能級躍遷，需要為原子核提供躍遷所需要的能量，這一能量通常是通過外加射頻場來提供的。當(dāng)外加射頻場的頻率與原子核自旋進(jìn)動的頻率相同的時候，即入射光子的頻率與Larmor頻率γ相符時，射頻場的能量才能夠有效地被原子核吸收，為能級躍遷提供助力。因此某種特定的原子核，在給定的外加磁場中，只吸收某一特定頻率射頻場提供的能量，這樣就形成了一個核磁共振信號。

　　核磁共振譜

　　有兩大類：高分辨核磁共振譜儀和寬譜線核磁共振譜儀。高分辨核磁共振譜儀只能測液體樣品，譜線寬度可小于1赫，主要用于有機(jī)分析。寬譜線核磁共振譜儀可直接測量固體樣品，譜線寬度達(dá)10赫,在物理學(xué)領(lǐng)域用得較多。高分辨核磁共振譜儀使用普遍，通常所說的核磁共振譜儀即指高分辨譜儀。

　　按譜儀的工作方式可分連續(xù)波核磁共振譜儀（普通譜儀）和傅里葉變換核磁共振譜儀。連續(xù)波核磁共振譜儀是改變磁場或頻率記譜，按這種方式測譜，對同位素豐度低的核，如C等，必須多次累加才能獲得可觀察的信號，很費時間。

　　傅里葉變換核磁共振譜儀，用一定寬度的強(qiáng)而短的射頻脈沖輻射樣品，樣品中所有被觀察的核同時被激發(fā)，并產(chǎn)生一響應(yīng)函數(shù)，它經(jīng)計算機(jī)進(jìn)行傅里葉變換，仍得到普通的核磁共振譜。傅里葉變換儀每發(fā)射脈沖一次即相當(dāng)于連續(xù)波的一次測量，因而測量時間大大縮短。

核磁分析

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