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做核磁共振要注意什么？這7個(gè)問題，不妨事先了解一下

來源：科學(xué)10分鐘時(shí)間：2022-01-11 19:31:04 瀏覽：5190次

生活中我們接觸到的最多的是醫(yī)院里的核磁共振設(shè)備，當(dāng)提及到我們的材料要做核磁共振的時(shí)候，相信很多同學(xué)都有些陌生。不必驚訝，醫(yī)院使用的是核磁共振成像（Nuclear Magnetic Resonance Imaging，簡(jiǎn)稱NMRI），屬于核磁共振的一個(gè)分支，而我們常見的材料表征的核磁共振是指Nuclear magnetic resonance，簡(jiǎn)稱NMR。核磁共振廣泛應(yīng)用于物理學(xué)、化學(xué)、生物、藥學(xué)、材料學(xué)等學(xué)科，可對(duì)材料的成分、結(jié)構(gòu)進(jìn)行定性和定量分析。另外，核磁共振沒有放射性，所以對(duì)人體無害，是非常安全的。

1. 什么是核磁共振？

核磁共振簡(jiǎn)言之就是利用磁場(chǎng)和電磁頻率來研究物質(zhì)的分子。在高磁場(chǎng)中，樣品被插入磁體中心磁場(chǎng)最強(qiáng)、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(fā)樣本，記錄射頻響應(yīng)信號(hào)。原子核表現(xiàn)的像磁場(chǎng)中極小的磁體，它們像陀螺一樣圍繞主磁場(chǎng)旋轉(zhuǎn)，這種移動(dòng)叫做進(jìn)動(dòng)。進(jìn)動(dòng)頻率與磁場(chǎng)呈正比，通過改變分子中電子密度，引入了額外的局部場(chǎng)差異，電子密度越高，屏蔽效果越好，從而降低局域場(chǎng)和自旋頻率。在核磁共振中，激發(fā)的核自旋頻率可以從它們?cè)诰€圈引起的電流測(cè)量，測(cè)量得到的時(shí)域信號(hào)再進(jìn)行傅里葉變換而得到化學(xué)位移。

2. 核磁是怎么工作的呢？

物質(zhì)的原子核在磁體里會(huì)產(chǎn)生磁矩，在一個(gè)非常強(qiáng)的磁場(chǎng)中它們會(huì)逐漸自旋對(duì)齊，但當(dāng)施加射頻脈沖的時(shí)候，自旋對(duì)齊的狀態(tài)將會(huì)被破壞，射頻脈沖施加結(jié)束后它們又會(huì)重新對(duì)齊，此時(shí)共振開始，共振的原始數(shù)據(jù)會(huì)呈現(xiàn)出衰減的波普形態(tài)，而進(jìn)行傅里葉變換后就得到了物質(zhì)的化學(xué)位移。

3. 元素周期表中所有元素都可以測(cè)出核磁共振譜嗎？

不是。被測(cè)的原子核的自旋量子數(shù)不為0，自旋量子數(shù)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(hào)較弱。自旋量子數(shù)大于1的原子核有電四極矩，峰型較為復(fù)雜。

表1 NMR常用同位素核有關(guān)物理參數(shù)

4. 為什么原子核在磁場(chǎng)中是極小的磁體可以轉(zhuǎn)動(dòng)？

由于原子核是帶正電荷的，而帶電體的轉(zhuǎn)動(dòng)必定會(huì)產(chǎn)生磁矩，因此每一自旋不為零的原子核本質(zhì)上可以看成是一個(gè)微觀磁矩，這就是原子核磁性的起源。

5. 為什么會(huì)產(chǎn)生信號(hào)？

核磁共振信號(hào)的產(chǎn)生現(xiàn)在普遍認(rèn)為是由于核磁吸收和核磁感應(yīng)。能量吸收的觀點(diǎn)認(rèn)為，在磁場(chǎng)中，自旋能級(jí)發(fā)生裂分，此時(shí)如果有電磁波施加在自旋系統(tǒng)上，當(dāng)其頻率與該能級(jí)間隔相匹配，就會(huì)誘發(fā)磁共振吸收。而磁感應(yīng)則是認(rèn)為當(dāng)磁場(chǎng)強(qiáng)度繞磁場(chǎng)旋進(jìn)時(shí)，線圈中的磁通量發(fā)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(shí)驗(yàn)有哪些呢？

核磁中最常見的是單脈沖一維¹H譜實(shí)驗(yàn)，一維¹³C譜實(shí)驗(yàn)。當(dāng)然還可以利用核磁去檢測(cè)物質(zhì)的縱向弛豫時(shí)間（T₁）和橫向弛豫時(shí)間（T₂）。而對(duì)于較為復(fù)雜的高分子多糖、多肽、蛋白質(zhì)和酶等，常借助二維實(shí)驗(yàn)COSY、TOCSY、NOESY、HSQC、HMBC等譜圖反應(yīng)復(fù)雜的結(jié)構(gòu)關(guān)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(huì)出現(xiàn)峰的分裂？

這是由于多重態(tài)造成的。因?yàn)楹俗孕拖翊朋w，它們也影響它們的鄰居，其中一種方法是通過化學(xué)鍵中的共用電子（J耦合），每個(gè)自旋可以有兩種狀態(tài)，平行或反平行于磁場(chǎng)，例如兩個(gè)亞甲基的自旋狀態(tài)不同可以組成三種能級(jí)不同的狀態(tài)，而在核磁圖譜中這樣的甲基信號(hào)將會(huì)一分為三體現(xiàn)出來，這就是多重態(tài)。類似的，三個(gè)甲基氫自旋將亞甲基裂分為四個(gè)峰，而我們可以通過觀測(cè)分裂的峰就識(shí)別分子結(jié)構(gòu)。

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