核磁共振（NMR）

核磁共振波谱学的应用

核磁共振波谱学是一种非破坏性和非侵入性技术，用于确定分子结构和动态。核磁共振的应用多种多样，包括以下研究领域和行业：

• 在生物学中，核磁共振被用于研究蛋白质、脂类和核酸等大分子。¹³C、¹H、¹⁵N、³¹P、²³Na 和¹⁹F 是最常用的核磁共振方法。/F 是与生物相关性最强的 NMR 活性核，用于了解氨基酸、脂质和碳水化合物代谢的生化途径。
• 在化学领域，核磁共振被广泛用于定性和定量分析，以监测反应、确定结构和评估纯度。
• 在高分子科学中，分析单体比例、分子量、触变性、排序、链长和分支，并确定端基。
• 在制药业中，确定药品中有效成分、辅料和杂质的纯度和数量
• 在石油工业中，评估原油及其产品中的碳氢化合物。
• 在医学中，磁共振成像（MRI）是核磁共振的一种应用，用于软组织分析，以确定受损或患病的组织。

核磁共振波谱原理

核自旋与元素核的组成有关。含有偶数个质子和中子的原子核的核自旋为 0，不能进行核磁共振（例如，⁴He、¹²C、¹⁶O）。质子和/或中子数目为奇数的原子核会显示核自旋，并能产生核磁共振（例如，¹H、²H、¹⁴N、¹⁷O）。这些原子核的行为就像微小的旋转磁铁，可以与外部磁场相互作用。旋转的原子核也会产生自己的磁场，从而与其他具有自旋的原子核相互作用。

核磁共振仪器测量的是在强磁场影响下核自旋态的相互作用。磁场会使原子核像陀螺一样前冲（旋转）。当预处理核的频率与与其相互作用的低外部射频波频率相匹配时，预处理核会选择性地吸收射频波的能量。当这种吸收发生时，前处理核和射频波被称为 "共振"，因此也称为核磁共振。将原子核的频率调谐到无线电波的固定频率，或将无线电波的频率调谐到原子核的频率，都可以产生共振。

在核磁共振过程中，外加磁场会激发具有不同磁矩、跨越不同能级的原子核。在吸收了特征无线电频率后，激发态原子核通过向周围环境传递能量而返回到较低的能量状态。当能量转移到其他原子或溶剂时，弛豫过程称为 "自旋晶格弛豫"。如果能量转移到处于同一能级的相邻原子核上，这个过程被称为"自旋-自旋弛豫"。这两个弛豫过程的特征是时间常数：自旋-晶格弛豫时间（T₁）和自旋-自旋弛豫时间（T₂），它们是产生 NMR 光谱的原因。

核磁共振波谱的特征

核磁共振波谱是应用射频与吸收的关系图。原子核在图谱上吸收的位置称为化学位移。化学位移受原子核周围电子密度的影响。如果原子核周围电子密度较高，原子核就会受到外部磁场的屏蔽，从而使 NMR 光谱上的信号向上移。如果原子核被一个负电原子包围，它就会消除原子核周围的电子密度，从而产生 "去屏蔽 "效应。这会使 NMR 光谱上的信号 "下移"。邻近原子核的自旋也会影响核磁共振波谱上的信号，并可能导致核磁共振信号的分裂，即所谓的 "自旋-自旋耦合"。