核磁共振
赵鹏 MF1423041
一、核磁共振技术发展历史简介
核磁共振是一种物质与低频电磁波(通常为1000MHz的无线电波)相互作用的基本物理现象。1939年，拉比通过试验高温蒸发后的物质观测到了核磁共振现象，但是这种高温蒸发过程破坏了凝聚物质的宏观结构，因而在实际应用中受到了很大的限制。1945年底，美国哈佛大学珀赛尔在石蜡样品中观测到稳态的核磁共振信号。几乎在同一时间(1946年初)，斯坦福大学布洛赫在水中观测到了稳态的核磁共振现象。从此，核磁共振技术彻底实现了在不破坏物质结构的前提下迅速准确地了解物质内部结构的测量目标，为工农业生产、地质勘探、生物科技、医疗保健等领域的发展提供了有力的手段。核磁共振试验的成功，在近代物理学史上也占有极其重要的一席，它直接论证了核子自旋的存在，并且验证了量子力学的一些基本原理。核磁共振实验还为激光技术的产生和发展奠定了坚实的理论和实验基础，因为该实验首次实现了能级反转。经过过去半个多世纪的深入研究，核磁共振已经发展成为一门具有坚实理论基础的综合性学科，并且被广泛应用于工业、农业、化工、生物科技和医疗等诸多领域。一大批在核磁共振研究领域中做出杰出贡献的科学家相继获得了物理学界至高无上的荣誉——诺贝尔奖。通过一大批科学家的深入研究，核磁共振技术不断获得改进和创新，目前已经发展出一系列具有特殊用途的核磁共振信技术，比如核磁双共振、二维核磁共振、核磁共振成像技术、魔角旋转技术、极化转移技术等。这些技术的完善和成熟使得核磁共振技术在生产、生活、科研当中获得了广泛的应用。
二、核磁共振原理
由于原子核携带电荷，当原子核自旋时，会由自旋产生一个磁矩，这一磁矩的方向与原子核的自旋方向相同，大小与原子核的自旋角动量成正比。将原子核
置于外加磁场中，若原子核磁矩与外加磁场方向不同，则原子核磁矩会绕外磁场方向旋转，这一现象类似陀螺在旋转过程中转动轴的摆动，称为进动。进动具有能量也具有一定的频率。原子核进动的频率由外加磁场的强度和原子核本身的性质决定，也就是说，对于某一特定原子，在一定强度的外加磁场中，其原子核自旋进动的频率是固定不变的。原子核发生进动的能量与磁场、原子核磁矩、以及磁矩与磁场的夹角相关，根据量子力学原理，原子核磁矩与外加磁场之间的夹角并不是连续分布的，而是由原子核的磁量子数决定的，原子核磁矩的方向只能在这些磁量子数之间跳跃，而不能平滑的变化，这样就形成了一系列的能级。当原子核在外加磁场中接受其他来源的能量输入后，就会发生能级跃迁，也就是原子核磁矩与外加磁场的夹角会发生变化。这种能级跃迁是获取核磁共振信号的基础。为了让原子核自旋的进动发生能级跃迁，需要为原子核提供跃迁所需要的能量，这一能量通常是通过外加射频场来提供的。根据物理学原理当外加射频场的频率与原子核自旋进动的频率相同的时候，射频场的能量才能够有效地被原子核吸收，为能级跃迁提供助力。因此某种特定的原子核，在给定的外加磁场中，只吸收某一特定频率射频场提供的能量，这样就形成了一个核磁共振信号。
1924年泡利首先提出原子核具有磁矩，并认为核磁矩与其本身的自旋运动相联系，用此理论成功地解释了原子光谱的超精细结构。
核磁矩? 与核自旋角动量L之间的关系为：
??geL 2mp式中是质子质量，e为单位电荷，g称为朗德因子，对于不同的核它有不同的值，它反映核内部自旋和磁矩的实验关系。实验工作中，常用磁旋比? 这个物理量表示核磁矩与核自旋的关系，其定义为：
???L
?随核的结构不同而不同，对于氢核，即质子，核磁矩比电子的自旋磁矩小
得多，一般要小三个数量级。
在外磁场中，原子核的自旋角动量是空间量子化的以外磁场B的方向为Z轴的正向，则核自旋角动量的空间量子化表示为
LZ?Mh
式中M是核自旋量子数，对于具有自旋量子数为I的核，M的取值为
?I,?I?1,,I，共有2I+1个值。对于不同的核，I可能为整数或半整数或零。
核自旋空间的取向可表示为
??geehLZ?gM?gM?N 2mp2mp式中?N?5.0508?10?27JT?1，称为核磁子，常用作核磁矩的单位。 同时有?Z??LZ??Mh，因此g因子与磁旋比?的关系为
g??h ?Ng因子也是一种磁旋比。
三、核磁共振的应用
核磁共振技术能够在不破坏物质内部结构的前提下迅速、准确地分析物质结构，因而在科研和生产生活中得到了广泛的应用。在化学化工产业中主要应用于分子的结构测定、元素的定量分析、有机化合物的结构解析、有机化合物中异构体的区分和确定、大分子化学结构的分析等领域；在生物学及医疗保健中则广泛应用于诸如生物膜和脂质的多形性研究、脂质双分子层的脂质分子动态结构确定、生物膜蛋白质与脂质之间的互相作用研究、压力作用下血红蛋白质结构的变化研究、生命组织研究等领域；核磁共振在地质学中的应用则主要体现在油气田的勘探、地下水资源的找寻、原油的定性鉴定和结构分析等方面。 3.1 核磁共振在分子结构测定中的应用
核磁共振技术是测定分子结构的有效工具，现在已经测定了万余种有机化合物的核磁共振图。对分子结构的测定，包括对有机化合物绝对构型的测定和对复杂化合物结构的解析。应用核磁共振技术测定有机化合物的绝对构型，主要是测定R和(或) S手性试剂与底物反应的产物的1H或13C-NMR化学位移数据，得到△值与模型比较来推断底物手性中心的绝对构型。对复杂化合物结构解析是核磁共振技术最为主要的应用。利用这项技术可以获得化合物丰富的分子结构信息， 广泛应用于天然产物的结构解析。在分析天然产物中，核磁共振仪的检出限较其它波谱分析仪器高，这对于产率较低的天然产物化合物来说无疑是一种瓶颈制约因素。不过，近期在仪器的相关技术上有了一些技术革新，并正在走向成熟。
3.2在定量分析和分子量测定中的应用
核磁共振谱峰的面积(积分高度)正比于相应质子数，这不仅用于结构的分析中， 同样可用于定量分析。用NMR定量分析的最大优点就是不需要引进任何校正因子或绘制工作曲线，NMR可以用于多组分混合物分析、元素的分析、有机物中活泼氢及重氢试剂的分析。
3.3 核磁共振技术在有机合成反应中的应用
核磁共振技术在有机合成中，不仅可对反应物或产物进行结构解析和构型确定，在研究合成反应中的电荷分布及其定位效应、探讨反应机理等方面也有着广泛应用。核磁共振谱能够精细地表征出各个H核或C核的电荷分布状况，通过研究配合物中金属离子与配体的相互作用，从微观层次上阐明配合物的性质与结构的关系。对有机合成反应机理的研究主要是对其产物结构的研究和动力学数据的推测来实现的。另外，通过对有机反应过程中间产物及副产物的辨别鉴定， 可以研究有关有机反应历程及考察合成路线是否可行等问题。 3.4 核磁共振技术在高分子化的应用
核磁共振技术在高分子聚合物和合成橡胶中的应用包括共混及三元共聚物的定性、定量分析、异构体的鉴别，端基表征，官能团鉴别，均聚物立规性分析，序列分布等。液体高分辨核磁共振可以提供聚合物的信息有：(1)聚合物类型的鉴定，不同单体生成的聚合物，虽然同为大分子碳氢化合物，但其共振谱是不完全相同的；(2)有关聚合物链的异构化信息，聚合物链的构型对其物理、化学性质影响很大，辨明链的构型有着重要的意义；(3)其他重要信息，通过13C-NMR谱可以分别研究其不同单元组的序列分布、交替度和不同反应条件下聚合过程链活动度变化等聚合物微观结构信息。 3.5 核磁共振技术在其他领域研究中的应用
在日用化学和食品工业中，使用核磁测量物质的含水量和含油量以及其它性质。
在药学中可以用它分析各种中药和西药的结构。核磁共振技术在活性药物化合物的筛选方面有着巨大的潜力，尤其在基于靶分子的筛选能够节省大量的时间和费用及其发现活性化合物方面的有效性是其它方法所不可替代的。核磁共振技术在体内药物分析中也有较广泛的应用，具有简便性、无损伤性、连续性、高分
辨性等优点。