核磁共振（NMR）概述及基本原理

随风西阳

1.1核磁共振基本原理

1.1.1原子核的磁矩

核磁共振的研究对象为具有磁矩的原子核，只有存在自旋运动的原子核才具有磁矩，而只有I≠0的原子核有自旋运动。
1.1.2核动量矩及磁矩的空间量子化

相邻能级之间发生跃迁所对应的能量差为△E=（γhB0）/2π。
1.1.3核磁共振的产生

具有磁矩的原子核在净磁场中存在不同的能级，运用特定频率的电磁波照射样品，满足频率v=（γB0）/2π或相应的圆频率w=γB0。
1.1.4连续波核磁共振谱仪

扫描方式可分为扫描电磁场频率v或静磁感强度B0，连续波谱仪已被脉冲-傅里叶变换核磁共振波谱仪取代。
1.2化学位移

1.2.1屏蔽常数

反映核外电子对核的屏蔽作用的大小，也是反映核所处的化学环境。
1.2.2化学位移

不同官能团的原子核谱峰位置相对于原点的距离反映了它们所处的化学环境，故称为化学位移。
1.3自旋-自旋耦合

1.3.1自旋自旋耦合引起峰的分裂

核磁共振最常研究的核，如1H、13C、19F、31P等，I都为1/2，自旋-自旋耦合产生的谱线裂分数为2nI+1=n+1，这称为n+1规律。
1.3.2能级图

• 无耦合时的一条谱线在有耦合时分裂为两条谱线，后者相对前者位置左右对称，距离为±1/2；
  
• 有耦合时引起的谱线裂分距，对两核来说都为J；
  
• 有耦合时形成的两条裂分谱线强度相等，两者之和等于原谱线强度。
  

1.3.3耦合常数

当自旋体系存在自旋-自旋耦合时，核磁共振谱线发生分裂。由分裂所产生的裂矩反映了相互偶合作用强弱，称为耦合常数。
1.4宏观磁化强度矢量

1.4.1宏观磁化强度矢量的概念

宏观磁化强度矢量，简称宏观磁化矢量或磁化矢量，为单位体积内N个原子核磁矩的矢量和M，M可分解为两个分量，沿B0方向分量M1，和垂直于B0方向分量M2.在只有B0存在时，M2=0。
1.4.2旋转坐标系

• 在发生共振现象时，磁化矢量仅被B1作用，M绕x'轴朝着y'方向转动，M离开B0方向，M能量增加，从B1吸收了能量；
  
• 从检测的角度来看，当M沿z'方向时，它在y'轴上无分量，无检出信号。当M转向y'轴时，在y'轴上产生分量，从实验室坐标轴系来看，此分量在不断旋转，它切割检出线圈，因而有信号产生。
  

1.5驰豫过程

1.5.1什么是驰豫过程

若要能在一定时间间隔内持续检测到核磁共振信号，必须有某种过程存在，它使高能级的原子核能够回到低能级，以保持低能级布局数始终略大于高能级布局数，这个过程就是驰豫过程。
1.5.2纵向弛豫和横向弛豫

• 纵向弛豫是M的纵向分量M1的弛豫，反映了体系和环境之间的能量交换，因此也称自旋-晶格弛豫；
  
• 横向弛豫是M的横向分量M2的弛豫，反映了核磁矩之间的相互作用，又称为自旋-自旋弛豫。
  

1.5.3核磁共振谱线宽度

谱线具有一定的宽度起因于测不准原理，△v=1/T2。
1.6脉冲-傅里叶变换核磁共振波谱仪

1.6.1连续波溥仪的缺点

在任一瞬间最多只有一种原子核处于共振状态，其他原子核都处于“等待"状态，造成时间的损耗。
1.6.2强而短的射频脉冲的采用

同时激发具有一定频谱宽度的所有原子核，必须用短而强的脉冲。
1.6.3时畴信号和频畴谱，二者之间的傅里叶变换

傅里叶变换就是把时畴图转换为频畴图，傅里叶变换核磁共振原理早就知晓，但是由于计算的工作量大，因而没有实现，只有计算机快速傅里叶变换实现后，傅里叶变换核磁共振波谱仪才问世。
1.6.4从傅里叶分解讨论脉冲-傅里叶变换核磁共振

当我们对样品施加一个用方波调制的频率为f0的连续、等幅的射频波时，在样品中实际上“感受”到很多的射频。
1.6.5傅里叶变换核磁共振波谱仪的优点

• 在脉冲作用下，该同位素所有的核同时共振；
  
• 脉冲作用时间短，为毫秒数量级。，在样品进行累加测量时，相对CW（连续波）仪器远为节约时间；
  
• 脉冲FT仪器采用分时装置，信号的接受在脉冲发射之后，因此不致有CW仪器中发射机能量直接泄漏到接收机的问题；
  
• 可以采用各种脉冲序列。
  

来源：https://zhuanlan.zhihu.com/p/549871198?utm_id=0
免责声明：如果侵犯了您的权益，请联系站长，我们会及时删除侵权内容，谢谢合作！