核磁共振波譜儀

　　

利用不同元素原子核性質的差異分析物質的磁學式 分析儀器。這種儀器廣泛用於化合物的結構測定，定量分析和動物學研究等方面。它與紫外、紅外、質譜和元素分析等技術配合，是研究測定有機和無機化合物的重要工具。原子核除具有電荷和品質外，約有半數以上的元素的原子核還能自旋。由於原子子核是帶正電荷的粒子，它自旋就會產生一個小磁場。具有自旋的原子核處於一個均勻的固定磁場中，它們就會發生相互作用，結果會使原子核的自旋軸沿磁場中的環形軌道運動(圖中a)，這種運動稱為進動。自旋核的進動頻率 ω ₀與外加磁場強度 H ₀成正比，即 ω ₀= γH ₀，式中 γ為旋磁比，是一個以不同原子核為特征的常數，即不同的原子核各有其固有的旋磁比 γ，這就是利用核磁共振波譜儀進行定性分析的依據。從上式可以看出，如果自旋核處於一個磁場強度 H ₀的固定磁場中，設法測出其進動頻率 ω ₀，就可以求出旋磁比 γ，從而達到定性分析的目的。同時，還可以保持 ω ₀不變，測量 H ₀，求出 γ，實現定性分析。核磁共振波譜儀就是在這一基礎上，利用核磁共振的原理進行測量的。

　　如果有一束頻率為ω的電磁輻射照射自旋核，當ω＝ω₀時，則自旋核將吸收其輻射能而產生共振，即所謂核磁共振。吸收能量的大小取決於核的多少。這一事實，除為測量γ提供途徑外，也為定量分析提供瞭根據。具體的實現方法是：在固定磁場H₀上附加一個可變的磁場。兩者疊加的結果使有效磁場在一定范圍內變化，即H₀在一定范圍內可變。另置一能量和頻率穩定的射頻源，它的電磁輻射照射在處於磁場中的樣品上，並用射頻接收器測量經樣品吸收後的射頻輻射能。在樣品無吸收時，則接收的能量為一定值；如果有吸收，就會給出一個能量吸收信號。但吸收的條件必須是射頻的頻率ω＝ω₀。射頻的頻率是固定的，要使具有不同γ值的不同原子核都能吸收輻射能，就隻有改變H₀，使不同的自旋核在相應的某一特定的H₀時具有相同的並與射頻頻率相等的進動頻率，即ω＝ω₀。這樣，不同的自旋核都可以在某一特征的磁場強度下吸收射頻輻射能而產生核磁共振。因此，用改變磁場強度的方法進行掃描，接收器就可以給出一系列的以磁場強度(實際上是以旋磁比)為特征的吸收信號。以磁場強度為橫坐標，以吸收能量為縱坐標繪出的曲線就是核磁共振波譜圖（圖中b）。其中橫坐標就是定性分析所依據的參數，縱坐標對應於不同H₀的出峰面積就是定量分析參數。

　　圖中c是核磁共振波譜儀的原理圖。它主要由5個部分組成。①磁鐵：它的作用是提供一個穩定的高強度磁場，即H₀。②掃描發生器：在一對磁極上繞制的一組磁場掃描線圈，用以產生一個附加的可變磁場，疊加在固定磁場上，使有效磁場強度可變，以實現磁場強度掃描。③射頻振蕩器：它提供一束固定頻率的電磁輻射，用以照射樣品。④吸收信號檢測器和記錄儀：檢測器的接收線圈繞在試樣管周圍。當某種核的進動頻率與射頻頻率匹配而吸收射頻能量產生核磁共振時，便會產生一信號。記錄儀自動描記圖譜，即核磁共振波譜。⑤試樣管：直徑為數毫米的玻璃管，樣品裝在其中，固定在磁場中的某一確定位置。整個試樣探頭是迅速旋轉的，以減少磁場不均勻的影響。