核磁共振原理

1．原子核的自旋

圖 核磁共振原理圖

核磁共振主要是由原子核的自旋運(yùn)動(dòng)引起的。不同的原子核，自旋運(yùn)動(dòng)的情況不同，它們可以用核的自旋量子數(shù)I來(lái)表示。自旋量子數(shù)與原子的質(zhì)量數(shù)和原子序數(shù)之間存在一定的關(guān)系，大致分為三種情況：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布均勻的自旋球體，1H，13C，15N，19F，31P的I均為1/2，它們的原子核皆為電荷分布均勻的自旋球體；I大于1/2的原子核可以看作是一種電荷分布不均勻的自旋橢圓體。

2．核磁共振現(xiàn)象

原子核是帶正電荷的粒子，不能自旋的核沒(méi)有磁矩，能自旋的核有循環(huán)的電流，會(huì)產(chǎn)生磁場(chǎng)，形成磁矩(μ)。 半數(shù)以上的原子核具有自旋，旋轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生一小磁場(chǎng)。當(dāng)加一外磁場(chǎng)，這些原子核的能級(jí)將分裂，即塞曼效應(yīng)。

在外磁場(chǎng)B₀中塞曼分裂圖：

圖 I=1/2的粒子磁矩在磁場(chǎng)中的取向及能級(jí)

微觀磁矩在外磁場(chǎng)中的取向是量子化的，自旋量子數(shù)為I的原子核在外磁場(chǎng)作用下只可能有2I+1個(gè)取向，每一個(gè)取向都可以用一個(gè)自旋磁量子數(shù)m來(lái)表示，m與I之間的關(guān)系是：

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(chǎng)中的一種能量狀態(tài)。

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(gè)核要從低能態(tài)躍遷到高能態(tài)，必須吸收△E的能量。讓處于外磁場(chǎng)中的自旋核接受一定頻率的電磁波輻射，當(dāng)輻射的能量恰好等于自旋核兩種不同取向的能量差時(shí)，處于低能態(tài)的自旋核吸收電磁輻射能躍遷到高能態(tài)。這種現(xiàn)象稱為核磁共振，簡(jiǎn)稱NMR。

目前研究得最多的是1H的核磁共振，13C的核磁共振近年也有較大的發(fā)展。1H的核磁共振稱為質(zhì)磁共振（Proton Magnetic Resonance），簡(jiǎn)稱PMR，也表示為1H-NMR。13C核磁共振（Carbon-13 Nuclear Magnetic Resonance）簡(jiǎn)稱CMR，也表示為13C-NMR。

3.1H的核磁共振 飽和與弛豫

1H的自旋量子數(shù)是I=1/2，所以自旋磁量子數(shù)m=±1/2，即氫原子核在外磁場(chǎng)中應(yīng)有兩種取向。1H的兩種取向代表了兩種不同的能級(jí)， 因此1H發(fā)生核磁共振的條件是必須使電磁波的輻射頻率等于1H的進(jìn)動(dòng)頻率。

要使v射=v0，可以采用兩種方法。一種是固定磁場(chǎng)強(qiáng)度H0，逐漸改變電磁波的輻射頻率v射，進(jìn)行掃描，當(dāng)v射與H0匹配時(shí)，發(fā)生核磁共振。另一種方法是固定輻射波的輻射頻率v射，然后從低場(chǎng)到高場(chǎng)，逐漸改變磁場(chǎng)強(qiáng)度H0，當(dāng)H0與v射匹配時(shí)，也會(huì)發(fā)生核磁共振。這種方法稱為掃場(chǎng)。一般儀器都采用掃場(chǎng)的方法。

在外磁場(chǎng)的作用下，1H傾向于與外磁場(chǎng)取順向的排列，所以處于低能態(tài)的核數(shù)目比處于高能態(tài)的核數(shù)目多，但由于兩個(gè)能級(jí)之間能差很小，前者比后者只占微弱的優(yōu)勢(shì)。1H-NMR的訊號(hào)正是依靠這些微弱過(guò)剩的低能態(tài)核吸收射頻電磁波的輻射能躍遷到高能級(jí)而產(chǎn)生的。如高能態(tài)核無(wú)法返回到低能態(tài)，那末隨著躍遷的不斷進(jìn)行，這種微弱的優(yōu)勢(shì)將進(jìn)一步減弱直至消失，此時(shí)處于低能態(tài)的1H核數(shù)目與處于高能態(tài)1H核數(shù)目相等，與此同步，PMR的訊號(hào)也會(huì)逐漸減弱直至最后消失。上述這種現(xiàn)象稱為飽和。

1H核可以通過(guò)非輻射的方式從高能態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榈湍軕B(tài)，這種過(guò)程稱為弛豫，因此，在正常測(cè)試情況下不會(huì)出現(xiàn)飽和現(xiàn)象。弛豫的方式有兩種，處于高能態(tài)的核通過(guò)交替磁場(chǎng)將能量轉(zhuǎn)移給周圍的分子，即體系往環(huán)境釋放能量，本身返回低能態(tài)，這個(gè)過(guò)程稱為自旋晶格弛豫。其速率用1/T2表示，T2稱為自旋晶格弛豫時(shí)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(gè)處在一定距離內(nèi)，進(jìn)動(dòng)頻率相同、進(jìn)動(dòng)取向不同的核互相作用，交換能量，改變進(jìn)動(dòng)方向的過(guò)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(shí)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。

4.13C的核磁共振 豐度和靈敏度

天然豐富的12C的I為零，沒(méi)有核磁共振信號(hào)。13C的I為1/2，有核磁共振信號(hào)。通常說(shuō)的碳譜就是13C核磁共振譜。由于13C與1H的自旋量子數(shù)相同，所以13C的核磁共振原理與1H相同。

將數(shù)目相等的碳原子和氫原子放在外磁場(chǎng)強(qiáng)度、溫度都相同的同一核磁共振儀中測(cè)定，碳的核磁共振信號(hào)只有氫的1/6000，這說(shuō)明不同原子核在同一磁場(chǎng)中被檢出的靈敏度差別很大。13C的天然豐度只有12C的1.108％。由于被檢靈敏度小，豐度又低，因此檢測(cè)13C比檢測(cè)1H在技術(shù)上有更多的困難。

5.核磁共振儀

目前使用的核磁共振儀有連續(xù)波（CN）及脈沖傅里葉（PFT）變換兩種形式。連續(xù)波核磁共振儀主要由磁鐵、射頻發(fā)射器、檢測(cè)器和放大器、記錄儀等組成（見圖8-5）。磁鐵用來(lái)產(chǎn)生磁場(chǎng)，主要有三種：永久磁鐵，磁場(chǎng)強(qiáng)度14000G，頻率60MHz；電磁鐵，磁場(chǎng)強(qiáng)度23500G，頻率100MHz；超導(dǎo)磁鐵，頻率可達(dá)200MHz以上，最高可達(dá)500～600MHz。頻率大的儀器，分辨率好、靈敏度高、圖譜簡(jiǎn)單易于分析。磁鐵上備有掃描線圈，用它來(lái)保證磁鐵產(chǎn)生的磁場(chǎng)均勻，并能在一個(gè)較窄的范圍內(nèi)連續(xù)精確變化。射頻發(fā)射器用來(lái)產(chǎn)生固定頻率的電磁輻射波。檢測(cè)器和放大器用來(lái)檢測(cè)和放大共振信號(hào)。記錄儀將共振信號(hào)繪制成共振圖譜。

70年代中期出現(xiàn)了脈沖傅里葉核磁共振儀，它的出現(xiàn)使13C核磁共振的研究得以迅速開展。

實(shí)現(xiàn)核磁共振，既可以保持磁場(chǎng)不變而調(diào)節(jié)入射電磁波的頻率，也可以使用固定頻率的電磁波照射，而調(diào)節(jié)樣品所受的外磁場(chǎng)。以下是調(diào)磁場(chǎng)核磁共振的裝置組成：

   (1) 永磁鐵，用來(lái)產(chǎn)生強(qiáng)大的外磁場(chǎng)，標(biāo)準(zhǔn)儀器產(chǎn)生的場(chǎng)強(qiáng)為1.4 T。

   (2) 掃描線圈，用于使外磁場(chǎng)作微小振蕩，從而使我們能在示波器上看到尖銳的共振峰。

   (3) 射頻振蕩器，它用于產(chǎn)生固定頻率的電磁輻射，通常頻率 ，這個(gè)輻射的磁場(chǎng)起 的作用。

   (4) 探測(cè)器，用于探測(cè)從振蕩器中吸收的能量。

調(diào)頻率核磁共振樣品(如水)裝在小瓶中置于磁體兩極之間，瓶外繞以線圈，由射頻振蕩器向它輸入射頻電流。這電流就向樣品發(fā)射同頻率的電磁波，其頻率大致與外磁場(chǎng)對(duì)應(yīng)的頻率相等。為了精確地測(cè)定共振頻率，就用一個(gè)調(diào)頻振蕩器使射頻電磁波的頻率在共振頻率附近連續(xù)變化。當(dāng)電磁波頻率正好等于共振頻率時(shí)，射頻振蕩器的輸出就出現(xiàn)一個(gè)吸收峰，它可以從示波器上看出，同時(shí)由頻率計(jì)數(shù)器讀出此共振頻率。