什么是核磁共振裝置？

核磁共振（英文：Nuclear Magnetic Resonance）是通過(guò)澄清原子的化學(xué)環(huán)境（其周圍存在哪些元素，其成鍵狀態(tài)是什么）來(lái)測(cè)量的裝置，是識(shí)別化合物結(jié)構(gòu)的裝置。

將用核磁共振裝置得到的結(jié)果繪制為橫軸為化學(xué)位移(標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)與測(cè)定物質(zhì)的NMR信號(hào)的頻率差)、縱軸為強(qiáng)度。

 

圖 1. NMR 測(cè)量結(jié)果示例

通過(guò)指定測(cè)量過(guò)程中要評(píng)估的元素類型，可以收集每種元素的信息，甚至是具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)的化合物。此外，還可以分析多種樣品，包括液體、固體和凝膠狀物質(zhì)。

用于結(jié)構(gòu)分析的其他儀器包括拉曼分光光度計(jì)和電子顯微鏡，但核磁共振設(shè)備可以進(jìn)行簡(jiǎn)單且非破壞性的分析。此外，它被廣泛使用，因?yàn)樗峁┝苏麄€(gè)化合物的結(jié)構(gòu)信息，包括鄰近的原子種類，而不是部分信息。

核磁共振設(shè)備的應(yīng)用

核磁共振設(shè)備不僅用于材料分析，還用于臨床領(lǐng)域。典型用途如下。

1. 材料分析

NMR非常擅長(zhǎng)分析樹(shù)脂材料、生物材料、電池電解液等有機(jī)物質(zhì)。它對(duì)于有機(jī)材料的結(jié)構(gòu)分析和劣化材料的劣化原因分析很有用。

例如，用于澄清化學(xué)合成、提取、純化所獲得的物質(zhì)的結(jié)構(gòu)，以及確定目標(biāo)物質(zhì)是高分子成分還是低分子成分。還可以通過(guò)將物質(zhì)與數(shù)據(jù)庫(kù)中的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)進(jìn)行比較來(lái)測(cè)量物質(zhì)的純度并識(shí)別和定量分析雜質(zhì)。

2. 臨床

臨床實(shí)踐中的 MRI（磁共振成像）是一種與 NMR 原理相同的設(shè)備。通過(guò)對(duì)體內(nèi)水分的空間分布進(jìn)行分析和成像，MRI可以準(zhǔn)確掌握體內(nèi)組織的狀態(tài)。

MRI 看起來(lái)與 CT 掃描類似，但與 CT 掃描不同的是，它不使用 X 射線，因此不存在輻射暴露的風(fēng)險(xiǎn)。它還具有高分辨率，可以檢測(cè) CT 掃描無(wú)法看到的變化。

核磁共振儀原理

1. 原子的核磁矩

 

圖 2. 核磁矩

原子核帶有正電荷并繞其軸旋轉(zhuǎn)。這種旋轉(zhuǎn)會(huì)產(chǎn)生磁場(chǎng)，因此每個(gè)原子都可以被視為一個(gè)微小的磁鐵。該磁場(chǎng)的大小用稱為核磁矩的矢量表示。

2.塞曼分裂和共振現(xiàn)象

 

圖 3. 塞曼分裂

通過(guò)對(duì)待測(cè)化合物施加強(qiáng)磁場(chǎng)，原子內(nèi)的原子核被激發(fā)。在激發(fā)態(tài)下，它分裂成兩個(gè)能級(jí)。這種現(xiàn)象稱為塞曼分裂。

當(dāng)我們施加等于兩個(gè)能級(jí)之間能量差的電磁波時(shí)，特定環(huán)境中的原子就會(huì)發(fā)生共振。這里的共振是指將低能級(jí)核磁矩激發(fā)到高能級(jí)。通過(guò)觀察哪個(gè)頻率的電磁輻射引起共振，就可以識(shí)別目標(biāo)原子的環(huán)境。

在塞曼分裂中，可以觀察到構(gòu)成每個(gè)能級(jí)的原子核數(shù)量存在差異的原子。另一方面，質(zhì)量數(shù)和原子序數(shù)為偶數(shù)（自旋量子數(shù)為0）的原子，例如12C和16O，則無(wú)法分析，因?yàn)樗鼈儾痪哂泻舜啪亍?/span>

3. 化學(xué)位移

即使對(duì)于相同的原子核，共振頻率也會(huì)根據(jù)周圍環(huán)境而略有變化。該變化量稱為化學(xué)位移，相對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)共振頻率的變化量以 ppm 單位表示。