核磁共振波譜法

具有核磁性質的原子核(或稱磁性核或自旋核)，在高強磁場的作用下，吸收射頻輻射，引起核自旋能級的躍遷所產生的波譜，叫核磁共振波譜。

產生核磁共振波譜的必要條件有三條：

1·原子核必須具有核磁性質，即必須是磁性核 (或稱自旋核)，有些原子核不具有核磁性質，它就不能產生核磁共振波譜。這說明核磁共振的限制性；

2·需要有外加磁場，磁性核在外磁場作用下發生核自旋能級的分裂，產生不同能量的核自旋能級，才能吸收能量發生能級的躍遷。

3·只有那些能量與核自旋能級能量差相同的電磁輻射才能被共振吸收，這就是核磁共振波譜的選擇性。由於核磁能級的能量差很小，所以共振吸收的電磁輻射波長較長，處於射頻輻射光區。

核磁共振波譜分析法(NMR)是分析分子內各官能團如何連接的確切結構的強有力的工具。磁場中所處的不同能量狀態（磁能級）。原子核由質子、中子組成，它們也具有自旋現象。描述核自旋運動特性的是核自旋量子數I。不同的核在一個外加的高場強的靜磁場（現代NMR儀器由充電的螺旋超導體產生）中將分裂成2I+1個核自旋能級（核磁能級），其能量間隔為ΔE。對於指定的核素再施加一頻率為ν的屬於射頻區的無線電短波，其輻射能量hν恰好與該核的磁能級間隔ΔE相等時，核體系將吸收輻射而產生能級躍遷，這就是核磁共振現象。

NMR譜儀就像高級的外差式收音機一樣可接收到被測核的共振頻率與其相應強度的信號，並繪製成以共振峰頻率位置為橫坐標，以峰的相對強度為縱坐標的NMR圖譜。

核磁共振頻譜（英：Nuclear magnetic resonance spectroscopy，簡稱NMR spectroscopy），又稱核磁共振波譜，是將核磁共振現象應用於測定分子結構的一種譜學技術。目前，核磁共振波譜的研究主要集中在H（氫譜）和C（碳譜）兩類原子核的波譜。

人們可以從核磁共振波譜上獲取很多信息，正如同紅外光譜一樣，核磁共振波譜也可以提供分子中化學官能團的數目和種類，但除此之外，它還可以提供許多紅外光譜無法提供的信息。核磁共振波譜對自然科學研究有著深遠的影響，人們不僅可以藉助它來研究反應機理，還可以用來研究蛋白質和核酸的結構與功能。供研究的核磁樣品可為液體或固體。

磁性原子核，比如H和C在恆定磁場中，只和特定頻率的射頻場作用。共振頻率，原子核吸收的能量以及信號強度與磁場強度成正比。比方說，在場強為21特斯拉的磁場中，質子的共振頻率為900MHz。儘管其他磁性核在此場強下擁有不同的共振頻率，但人們通常把21特斯拉和900MHz頻率進行直接對應。

化學位移

在一個分子中，各個質子的化學環境有所不同，或多或少地受到周邊原子或原子團的屏蔽效應的影響，因此它們的共振頻率也不同，從而導致在核磁共振波譜上，各個質子的吸收峰出現在不同的位置上。但這種差異並不大，難以精確測量其絕對值，因此人們將化學位移設成一個無量綱的相對值，即：某一物質吸收峰的頻

率與標準質子吸收峰頻率之間的差異稱為該物質的化學位移，常用符號 "δ" 表示，單位為 ppm。而在實際應用中，四甲基硅烷常被作為參照物

透過不同質子的化學位移，人們可以得出這些質子所處的化學環境，從而得出該分子的結構信息，這種過程稱之為“解譜”。比如對於乙醇分子，具有三種不同化學環境的質子，即：甲基、亞甲基和羥基。在其H譜圖上，可以看到3個特有的峰信號各自處於特定的化學位移，其中位於1 ppm的峰信號對應甲基，位於4 ppm的信號對應亞甲基，位於2~3 ppm之間的信號對應羥基，其具體化學位移值和採用的NMR溶劑有關。另外，從峰信號的強度可以得出相對應的質子數量，比如乙醇分子中的甲基擁有3個質子，亞甲基擁有2個質子，在譜圖上，對應的甲基和亞甲基峰強度比為3：2。

現代的分析軟體可以協助人們通過分析峰信號，從而得出究竟有幾個質子形成了此信號。這種方法稱作“積分”，即通過計算面積（不單單是高度，還有峰寬度）來得出相關質子數目。但必須指出的是，這種計算方法僅適用於最簡單的一維譜，對於更複雜的譜圖，比如C譜，其積分還與原子核的弛豫速率和偶極耦合常數相關，而這些常常被人誤解。因此，用積分法來解析複雜核磁譜圖是相當困難的。

耦合

在一維譜圖上，除峰信號數量，峰信號強度之外，還有一個有助於解析分子結構的信息，即磁性原子核之間的J-耦合。這種耦合來源於臨近磁性原子核的不同自旋狀態數的相互作用，這種相互作用會改變原子核自旋在外磁場中進動的能級分佈狀況，造成能級的裂分，進而造成NMR譜圖中的信號峰形狀發生劈裂，信號峰的劈裂狀態可以得出分子內各原子和官能團之間的連接方式，以及臨近的磁性核數目。

兩個相鄰的氫核之間的耦合遵循一定的規則，n個氫核將把相鄰磁性核信號峰劈裂成n+1個多重峰，並且這n+1個多重峰之間的強度關係依照楊輝三角形規則。例如，乙醇分子中的甲基峰與相鄰的亞甲基耦合，呈三重峰狀，三重峰之間的強度比為1：2：1。不過如果一個氫核同時與兩個不同性質的氫核進行耦合，則不會得到三重峰，而是得到雙雙重峰（dd）。要注意的是，如果兩個磁性核之間相隔3個化學鍵以上，耦合就變得十分微弱，以至於不會出現峰的劈裂，但在芳烴和脂環類化合物中三鍵距離以上的長程耦合通常可以得到較複雜的劈裂峰。

19F與31P通常由於其擁有更大的自旋量子數而顯得不同，其餘類似，比如氫核與氘核（2D）之間的耦合將把信號峰劈裂為1：1：1。

二級耦合

上文提到的內容是在耦合常數和化學位移間隔相比很小的情況下描述的，如果耦合常數較高，或化學位移間隔小，那麼多重峰的情況將變得複雜，特別是兩個以上的磁性核進行耦合時，這可以通過增強多重峰當中的特定幾個峰，並以犧牲其他峰的代價進行解決，不過在高場譜（比如高頻譜）當中，這種現象並不明顯，因此提高核磁儀器的頻率可以避免此問題。

磁不等價

在芳烴化合物和非彈性分子（比如烯烴）中，常會遇到由於各質子的磁不等價性而帶來譜圖複雜性增加，這需要計算化模型來輔助分析。

主條目：關聯性磁振頻譜 相關譜（Correlation Spectroscopy）是二維核磁波譜的一種，常常簡寫為COSY。其它二維譜還包括J頻譜（J-spectroscopy），交換頻譜（EXSY，Exchange spectroscopy），核歐佛豪瑟效應頻譜（NOESY，Nuclear Overhauser effect spectroscopy），全相關譜（TOCSY，total correlation spectroscopy），近程碳氫相關（HSQC，Heteronuclear single quantum coherence），遠程碳氫相關（HMBC，Heteronuclear multiple bond coherence）等。二維譜在解析分子結構方面可比一維譜提供更多的信息，特別是用一維譜解析複雜分子結構遇到困難的時候，二維譜可以提供幫助。歷史上首次二維譜實驗方法由比利時布魯塞爾自由大學（Université Libre de Bruxelles）教授讓·吉納（Jean Jeener）於1971年提出，之後其實驗操作由沃爾特·歐（Walter P. Aue），恩里克·巴爾托爾蒂（Enrico Bartholdi）和理查德·恩斯特（Richard R. Ernst）完成，並於1976年發表。

液體核磁樣品如果放在某些特定的物理環境下，是無法進行研究的，而其它原子級別的光譜技術對此也無能為力。但在固體中，像晶體，微晶粉末，膠質這樣的，偶極耦合和化學位移的磁各向異性將在核自旋系統佔據主導，在這種情況下如果使用傳統的液態核磁技術，譜圖上的峰將大大增寬，不利於研究。

目前已經有一系列的高解析度固體核磁技術被研發出來。高分辨固體核磁技術包含兩個重要概念，即通過高速旋轉來限制分子自取向和消除磁各向異性，對於後者，最常用的旋轉方式是魔角旋轉（Magic angle spinning），即旋轉軸和主磁場的夾角為54.7°。

固體核磁技術常被用於膜蛋白，蛋白纖維和聚合物的結構探究，以及無機化學中的化學分析。但同樣可被應用於研究於樹葉和燃油。

利用核磁譜研究蛋白質，已經成為結構生物學領域的一項重要技術手段。X射線單晶衍射和核磁都可獲得高解析度的蛋白質三維結構，不過核磁常局限於35kDa以下的小分子蛋白，儘管隨著技術的進步，稍大的蛋白質結構也可以被核磁解析出來。另外，獲得本質上非結構化（Intrinsically Unstructured）的蛋白質的高解析度信息，通常只有核磁能夠做到。

蛋白質分子量大，結構複雜，一維核磁譜常顯得重疊擁擠而無法進行解析，使用二維，三維甚至四維核磁譜，並採用13C和15N標記可以簡化解析過程。另外，NOESY是最重要的蛋白質結構解析方法之一，人們通過NOESY獲得蛋白質分子內官能團間距，之後通過電腦模擬得到分子的三維結構。