核磁共振波譜學

在強度為B的外加恆定磁場作用下，核一方面自旋，另一方面繞磁場進動，進動頻率ν=γ|B|/2π。如果在與B垂直的方向上再加一個頻率為ν的交變磁場H，當ν和ν相等時即發生核磁共振。根據量子力學原理，核自旋為I的原子核具有自旋角動量p，其絕對值為|p|=[I(I+1)]h，相應的核磁矩為μ=γp，式中γ為核的旋磁比。在外加恆定磁場作用下，核磁矩有2I+1個取向，稱為塞曼分裂，代表2I+1個能級。當頻率為ν的射頻輻射能量hν等於核自旋磁矩在恆磁場中相鄰兩個能級之差ΔE時，原子核吸收輻射，從低能級躍遷至高能級，這就是核磁共振現象。

固定外磁場連續改變射頻輻射頻率，或固定外射頻輻射頻率連續改變磁場記錄核磁共振譜的方法，稱為連續波方法，所用儀器叫作連續波核磁共振譜儀。

脈衝傅里葉變換核磁共振（FT–NMR）是指用一定寬度的強而短的射頻脈衝輻射樣品，使樣品中所有被觀察的核同時被激發，產生一個時間域的響應函數，稱為自由感應衰減（FID）信號。用計算機對它進行傅里葉變換，仍可得到普通的頻率域核磁共振譜。據此原理製造的儀器叫作傅里葉變換核磁共振譜儀。該譜儀適合於對同位素丰度低的核（如C核）進行累加實驗，測量時間可大大縮短。傅里葉變換核磁共振譜儀使多維核磁共振試驗成為可能。

通常說的核磁共振譜儀是指高分辨譜儀，亦是使用最普遍的儀器。20世紀70年代出現了超導磁鐵強磁場核磁共振譜儀，大大提高了儀器靈敏度，在生物學領域得到了廣泛的應用。

溶液中分子有許多運動自由度，因此觀測的NMR譜通常是分子運動平均了的高分辨的各向同性高分辨譜。液體高分辨NMR是NMR波譜學應用最早、範圍最廣泛的技術。固體中的分子缺乏運動自由度，相鄰核間以及核與周圍環境間的相互作用就突現出來，使得強磁場下的NMR譜具有很強的各向異性，導致觀測譜線的嚴重展寬。使用魔角旋轉技術或多脈衝技術壓制固體中核間的相互作用，可獲得固體高分辨NMR譜。魔角旋轉技術是使測量樣品在與磁場方向成魔角（54.7°）的軸旋轉，當旋轉速率大於各種核相互作用時，所觀測的譜就是分子的各向同性高分辨譜。多脈衝技術是利用一系列的強的射頻脈衝產生核自選的運動，最終達到選擇性抑制核自選相互作用的目的。

NMR波譜能在原子、分子水平上提供分子結構和動態信息。

①分子中原子核位置的判定和區分。分子中不等價原子的位置可由NMR譜的參數化學位移、自旋耦合常數以及譜的相對強度來判定。

②分子中不等價原子的位置的相互關係。這包括鍵長、鍵角及原子團簇的信息。這些信息主要包括在自旋耦合常數、偶極耦合常數、弛豫速度等NMR參數中。

③動力學信息。NMR可研究分子及分子內從納秒到秒級的運動，如分子內旋轉、化學交換、氫鍵、分子間的相互作用等。

核磁共振波譜學已經成為最成功的分析技術，應用範圍包括化學的每一個分支學科。二維和多維NMR波譜學的創立使NMR研究領域進一步擴展到分子生物學，出現了新的學科分支——生物核磁共振波譜學。1991年諾貝爾化學獎授予R.恩斯特，表彰他在核磁共振波譜學實現和發展傅里葉變換、多維技術的貢獻。2002年的諾貝爾化學獎授予K.維特里希，表彰他用多維NMR波譜學在測定溶液中蛋白質結構的三維構像方面的開創性貢獻。