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做核磁共振要注意什么？這7個問題，不妨事先了解一下

來源：科學10分鐘時間：2022-01-11 19:31:04 瀏覽：6577次

生活中我們接觸到的最多的是醫院里的核磁共振設備，當提及到我們的材料要做核磁共振的時候，相信很多同學都有些陌生。不必驚訝，醫院使用的是核磁共振成像（Nuclear Magnetic Resonance Imaging，簡稱NMRI），屬于核磁共振的一個分支，而我們常見的材料表征的核磁共振是指Nuclear magnetic resonance，簡稱NMR。核磁共振廣泛應用于物理學、化學、生物、藥學、材料學等學科，可對材料的成分、結構進行定性和定量分析。另外，核磁共振沒有放射性，所以對人體無害，是非常安全的。

1. 什么是核磁共振？

核磁共振簡言之就是利用磁場和電磁頻率來研究物質的分子。在高磁場中，樣品被插入磁體中心磁場最強、磁體最均勻的位置，放入核磁探頭上。核磁探頭由線圈組成，用來激發樣本，記錄射頻響應信號。原子核表現的像磁場中極小的磁體，它們像陀螺一樣圍繞主磁場旋轉，這種移動叫做進動。進動頻率與磁場呈正比，通過改變分子中電子密度，引入了額外的局部場差異，電子密度越高，屏蔽效果越好，從而降低局域場和自旋頻率。在核磁共振中，激發的核自旋頻率可以從它們在線圈引起的電流測量，測量得到的時域信號再進行傅里葉變換而得到化學位移。

2. 核磁是怎么工作的呢？

物質的原子核在磁體里會產生磁矩，在一個非常強的磁場中它們會逐漸自旋對齊，但當施加射頻脈沖的時候，自旋對齊的狀態將會被破壞，射頻脈沖施加結束后它們又會重新對齊，此時共振開始，共振的原始數據會呈現出衰減的波普形態，而進行傅里葉變換后就得到了物質的化學位移。

3. 元素周期表中所有元素都可以測出核磁共振譜嗎？

不是。被測的原子核的自旋量子數不為0，自旋量子數最好為1/2，且有較高的自然豐度。自然豐度低，靈敏度太低，峰信號較弱。自旋量子數大于1的原子核有電四極矩，峰型較為復雜。

表1 NMR常用同位素核有關物理參數

4. 為什么原子核在磁場中是極小的磁體可以轉動？

由于原子核是帶正電荷的，而帶電體的轉動必定會產生磁矩，因此每一自旋不為零的原子核本質上可以看成是一個微觀磁矩，這就是原子核磁性的起源。

5. 為什么會產生信號？

核磁共振信號的產生現在普遍認為是由于核磁吸收和核磁感應。能量吸收的觀點認為，在磁場中，自旋能級發生裂分，此時如果有電磁波施加在自旋系統上，當其頻率與該能級間隔相匹配，就會誘發磁共振吸收。而磁感應則是認為當磁場強度繞磁場旋進時，線圈中的磁通量發生周期性的變化，而線圈中則可以記錄到振蕩頻率的交變電流。

6. 常用的核磁實驗有哪些呢？

核磁中最常見的是單脈沖一維¹H譜實驗，一維¹³C譜實驗。當然還可以利用核磁去檢測物質的縱向弛豫時間（T₁）和橫向弛豫時間（T₂）。而對于較為復雜的高分子多糖、多肽、蛋白質和酶等，常借助二維實驗COSY、TOCSY、NOESY、HSQC、HMBC等譜圖反應復雜的結構關系。

表2 常見二維核磁的功能

7.為什么得到的一維核磁譜圖上會出現峰的分裂？

這是由于多重態造成的。因為核自旋就像磁體，它們也影響它們的鄰居，其中一種方法是通過化學鍵中的共用電子（J耦合），每個自旋可以有兩種狀態，平行或反平行于磁場，例如兩個亞甲基的自旋狀態不同可以組成三種能級不同的狀態，而在核磁圖譜中這樣的甲基信號將會一分為三體現出來，這就是多重態。類似的，三個甲基氫自旋將亞甲基裂分為四個峰，而我們可以通過觀測分裂的峰就識別分子結構。

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