核磁共振(NMR)

核磁共振波谱法是一种测定样本分子结构和化学成分的分析技术，主要分析自旋原子核和强磁场之间的相互作用。其工作原理是外加静磁场引起分子中的特定原子核选择性吸收射频，通过所吸收的能量诱导核自旋的跃迁并呈现在共振谱上。

核磁共振波谱法的应用

核磁共振波谱法是一种测定分子结构和动力学的无损非侵入性技术。其应用十分广泛，涵盖以下研究领域和行业：

• 在生物学中，可用于研究大分子，例如蛋白质、脂质和核酸。¹³C, ¹H, ¹⁵N, ³¹P, ²³Na, 和 ¹⁹F是生物学与核磁共振波谱法最相关的活性原子核，可用于研究氨基酸、脂质和糖类代谢相关的生化通路。
• 在化学中，它广泛应用于定性定量分析，可监测反应、识别结构和测定纯度。
• 在聚合物科学研究中，用于分析单体比率、分子量、立构规整性、序列分布、链长和分支及测定端基。
• 在制药行业中，可测定原料药、辅料和药品杂质的纯度和质量。
• 在石油工业中，可分析原油及其产品的碳氢成分。
• 在医学中，磁共振成像(MRI)应用核磁共振技术进行软组织分析，鉴定受伤或染病组织。

核磁共振波谱法原理

原子核自旋与元素的核组成息息相关。原子核的质子和中子数目都是偶数，则其自旋为零，因而不能进行核磁共振（如⁴He,¹²C,¹⁶O）。如果有一个是奇数则呈自旋状态，则可进行核磁共振（如¹H, ²H, ¹⁴N, ¹⁷）。这些原子核就像微小的自旋磁铁一样可与外加磁场相互作用，还会与其他自旋原子核相互作用形成自身磁场。

核磁共振仪记录在强磁场中原子核自旋状态时的相互作用。磁场让原子核像陀螺一样旋进（自旋）。当旋进核频率与外加射频的低频率一致时，旋进核会选择性吸收射频波能量。能量被吸收即表示旋进核和射频波发生了“共振”，核磁共振的名称由此而来。相对无线电波的固定频率调节核频率或相对核固定频率调节无线电波的频率都可以产生共振。

核磁共振时，外加磁场激发不同磁矩的原子核在不同能级间跃迁。激发态原子核吸收特征射频后回到低能态，并将能量传递给周围环境。原子核将能量传递给其他原子或溶剂的过程称为“自旋－晶格弛豫”。将能量传递给同一能量水平的相邻原子核的过程被称为“自旋-自旋弛豫”。这两种弛豫过程用时间常数自旋－晶格弛豫(T₁)和自旋-自旋弛豫(T₂)来表征，该常数用于解读共振波谱的结果。

核磁共振波谱特征

核磁共振波谱是外加射频能量被吸收的谱图。谱图上原子核吸收能量的位置称为化学位移。化学位移受核周围电子密度的影响。如果核周围电子密度高，屏蔽了外加磁场，信号在核磁共振波谱上会向高场位移。原子核被电负性原子围绕时，核周围电子密度降低会产生“去屏蔽”效应。此时信号在核磁共振波谱上向低场位移。相邻原子核的自旋也会影响共振谱上的信号，还可能导致共振信号分裂，这种现象称为“自旋-自旋耦合”。