核磁共振原理

原子核是帶正電荷的粒子，不能自旋的核沒有磁矩，能自旋的核有循環的電流，會產生磁場，形成磁矩(μ)。

μ=γP

公式中，P是角動量，γ是磁旋比，它是自旋核的磁矩和角動量之間的比值，

當自旋核處於磁場強度為B0的外磁場中時，除自旋外，還會繞B0運動，這種運動情況與陀螺的運動情況十分相象，稱為拉莫爾進動。自旋核進動的角速度ω0與外磁場強度B0成正比，比例常數即為磁旋比γ。式中v0是進動頻率。

ω0=2πv0=γB0

微觀磁矩在外磁場中的取向是量子化的，自旋量子數為I的原子核在外磁場作用下只可能有2I+1個取向，每一個取向都可以用一個自旋磁量子數m來表示，m與I之間的關係是：

m=I，I-1，I-2…-I

原子核的每一種取向都代表了核在該磁場中的一種能量狀態，其能量可以從下式求出：

正向排列的核能量較低，逆向排列的核能量較高。它們之間的能量差為△E。一個核要從低能態躍遷到高能態，必須吸收△E的能量。讓處於外磁場中的自旋核接受一定頻率的電磁波輻射，當輻射的能量恰好等於自旋核兩種不同取向的能量差時，處於低能態的自旋核吸收電磁輻射能躍遷到高能態。這種現象稱為核磁共振，簡稱NMR。

該研究得最多的是1H的核磁共振，13C的核磁共振近年也有較大的發展。1H的核磁共振稱為質磁共振（Proton Magnetic Resonance），簡稱PMR，也表示為1H-NMR。13C核磁共振（Carbon-13 Nuclear Magnetic Resonance）簡稱CMR，也表示為13C-NMR。

1H的核磁共振

1H的自旋量子數是I=1/2，所以自旋磁量子數m=±1/2，即氫原子核在外磁場中應有兩種取向。1H的兩種取向代表了兩種不同的能級，

因此1H發生核磁共振的條件是必須使電磁波的輻射頻率等於1H的進動頻率。

核吸收的輻射能大？

要使v射=v0，可以採用兩種方法。一種是固定磁場強度H0，逐漸改變電磁波的輻射頻率v射，進行掃描，當v射與H0匹配時，發生核磁共振。另一種方法是固定輻射波的輻射頻率v射，然後從低場到高場，逐漸改變磁場強度H0，當H0與v射匹配時，也會發生核磁共振。這種方法稱為掃場。一般儀器都採用掃場的方法。

在外磁場的作用下，1H傾向於與外磁場取順向的排列，所以處於低能態的核數目比處於高能態的核數目多，但由於兩個能級之間能差很小，前者比後者只佔微弱的優勢。1H-NMR的訊號正是依靠這些微弱過剩的低能態核吸收射頻電磁波的輻射能躍遷到高能級而產生的。如高能態核無法返回到低能態，那麼隨著躍遷的不斷進行，這種微弱的優勢將進一步減弱直至消失，此時處於低能態的1H核數目與處於高能態1H核數目相等，與此同步，PMR的訊號也會逐漸減弱直至最後消失。上述這種現象稱為飽和。

1H核可以通過非輻射的方式從高能態轉變為低能態，這種過程稱為弛豫，因此，在正常測試情況下不會出現飽和現象。弛豫的方式有兩種，處於高能態的核通過交替磁場將能量轉移給周圍的分子，即體系往環境釋放能量，本身返回低能態，這個過程稱為自旋晶格弛豫。其速率用1/T1表示，T1稱為自旋晶格弛豫時間。自旋晶格弛豫降低了磁性核的總體能量，又稱為縱向弛豫。兩個處在一定距離內，進動頻率相同、進動取向不同的核互相作用，交換能量，改變進動方向的過程稱為自旋-自旋弛豫。其速率用1/T2表示，T2稱為自旋-自旋弛豫時間。自旋-自旋弛豫未降低磁性核的總體能量，又稱為橫向弛豫。

13C的核磁共振

天然丰度的12C的I為零，沒有核磁共振信號。13C的I為1/2，有核磁共振信號。通常說的碳譜就是13C核磁共振譜。由於13C與1H的自旋量子數相同，所以13C的核磁共振原理與1H相同。

將數目相等的碳原子和氫原子放在外磁場強度、溫度都相同的同一核磁共振儀中測定，碳的核磁共振信號只有氫的1/6000，這說明不同原子核在同一磁場中被檢出的靈敏度差別很大。13C的天然丰度只有12C的1.108%。由於被檢靈敏度小，丰度又低，因此檢測13C比檢測1H在技術上有更多的困難。

氫的核磁共振譜提供了三類極其有用的信息：化學位移（吸收位置）、偶合常數（峰的分裂）、積分曲線（吸收強度）。應用這些信息，可以推測質子在碳鏈上的位置。

普遍使用的核磁共振儀有連續波（CN）及脈衝傅里葉（PFT）變換兩種形式。連續波核磁共振儀主要由磁鐵、射頻發射器、檢測器和放大器、記錄儀等組成。磁鐵用來產生磁場，主要有三種：永久磁鐵，磁場強度14000G，頻率60MHz；電磁鐵，磁場強度23500G，頻率100MHz；超導磁鐵，頻率可達200MHz以上，最高可達500～600MHz。頻率大的儀器，解析度好、靈敏度高、圖譜簡單易於分析。磁鐵上備有掃描線圈，用它來保證磁鐵產生的磁場均勻，並能在一個較窄的範圍內連續精確變化。射頻發射器用來產生固定頻率的電磁輻射波。檢測器和放大器用來檢測和放大共振信號。記錄儀將共振信號繪製成共振圖譜。

70年代中期出現了脈衝傅里葉核磁共振儀，它的出現使13C核磁共振的研究得以迅速開展。

核磁共振用NMR(Nuclear Magnetic Resonance)為代號。

I為零的原子核可以看作是一種非自旋的球體，I為1/2的原子核可以看作是一種電荷分佈均勻的自旋球體，1H，13C，15N，19F，31P的I均為1/2，它們的原子核皆為電荷分佈均勻的自旋球體。I大於1/2的原子核可以看作是一種電荷分佈不均勻的自旋橢圓體。