什么是核磁共振装置？

什么是核磁共振装置？

核磁共振（英文：Nuclear Magnetic Resonance）是通过澄清原子的化学环境（其周围存在哪些元素，其成键状态是什么）来测量的装置，是识别化合物结构的装置。

将用核磁共振装置得到的结果绘制为横轴为化学位移(标准物质与测定物质的NMR信号的频率差)、纵轴为强度。

 

图 1. NMR 测量结果示例

通过指定测量过程中要评估的元素类型，可以收集每种元素的信息，甚至是具有复杂结构的化合物。此外，还可以分析多种样品，包括液体、固体和凝胶状物质。

用于结构分析的其他仪器包括拉曼分光光度计和电子显微镜，但核磁共振设备可以进行简单且非破坏性的分析。此外，它被广泛使用，因为它提供了整个化合物的结构信息，包括邻近的原子种类，而不是部分信息。

核磁共振设备的应用

核磁共振设备不仅用于材料分析，还用于临床领域。典型用途如下。

1. 材料分析

NMR非常擅长分析树脂材料、生物材料、电池电解液等有机物质。它对于有机材料的结构分析和劣化材料的劣化原因分析很有用。

例如，用于澄清化学合成、提取、纯化所获得的物质的结构，以及确定目标物质是高分子成分还是低分子成分。还可以通过将物质与数据库中的标准信号进行比较来测量物质的纯度并识别和定量分析杂质。

2. 临床

临床实践中的 MRI（磁共振成像）是一种与 NMR 原理相同的设备。通过对体内水分的空间分布进行分析和成像，MRI可以准确掌握体内组织的状态。

MRI 看起来与 CT 扫描类似，但与 CT 扫描不同的是，它不使用 X 射线，因此不存在辐射暴露的风险。它还具有高分辨率，可以检测 CT 扫描无法看到的变化。

核磁共振仪原理

1. 原子的核磁矩

 

图 2. 核磁矩

原子核带有正电荷并绕其轴旋转。这种旋转会产生磁场，因此每个原子都可以被视为一个微小的磁铁。该磁场的大小用称为核磁矩的矢量表示。

2.塞曼分裂和共振现象

 

图 3. 塞曼分裂

通过对待测化合物施加强磁场，原子内的原子核被激发。在激发态下，它分裂成两个能级。这种现象称为塞曼分裂。

当我们施加等于两个能级之间能量差的电磁波时，特定环境中的原子就会发生共振。这里的共振是指将低能级核磁矩激发到高能级。通过观察哪个频率的电磁辐射引起共振，就可以识别目标原子的环境。

在塞曼分裂中，可以观察到构成每个能级的原子核数量存在差异的原子。另一方面，质量数和原子序数为偶数（自旋量子数为0）的原子，例如12C和16O，则无法分析，因为它们不具有核磁矩。

3. 化学位移

即使对于相同的原子核，共振频率也会根据周围环境而略有变化。该变化量称为化学位移，相对于标准物质共振频率的变化量以 ppm 单位表示。