一维及二维核磁共振

一维及二维核磁共振 科學月刊全文資料庫 二次世界大战期间，由于部队间通讯的需求，无线电技术迅速发展，也因此提供科学家一种无线电波范围的电磁波能源。1951 年，科学家就利用这种电磁波发现了核磁共振（nuclear magnetic resonance 简称NMR）。经过将近四十年，不断的演进与改良，今天，核磁共振已经是化学、医学、材料等科学的重要研究工具。 做核磁共振实验的仪器，除了无线电波范围的电磁波源之外，还必须具备磁场。早期核磁共振仪，主要应用于物理性质的探讨及化合物的鉴定；仪器中使用电磁铁，磁场较低，以改变频率的扫描方式侦测讯号，获得核磁共振光谱，称为「连续波核磁共振」（continuous wave, CW-NMR）。与其它光谱方法比较，CW-NMR 灵敏度较低，虽然多次扫描，可以提高灵敏度，但时间上极不经济，只应用于少数的原子核，如氢、磷、氟。 新一代的仪器，整合超导材料、电子学、计算机的研究成果，使用超导体磁场及高能量的无线电电磁波，以脉冲的方式激发样品，可以迅速获得数字化的讯号，所以容易累积多次讯号，提高灵敏度。在计算机中，数字化的讯号，需经傅氏转换（Fourier transform）的数学处理，获得核磁共振光谱，因此又称为 FT-NMR。 如今，核磁共振除了上述功能之外，最近发展出显微照相（microimaging）及医用照相（MRI）技术，可以不经开刀对肿瘤准确定位，因此核磁共振也成了重要的医学诊断工具。 在不同的应用上，核磁共振都必须具备磁场及电磁波源的基本配备，但各仪器的细部构造却不相同，复杂的层次也大异其趣。活体核磁共振（in vivo）使用表面线圈，核磁共振影像必须具备磁场梯度；高分辨率核磁共振则要求非常均匀的磁场。本文仅介绍高分辨率核磁共振（high resolution NMR），在化学结构分析上的应用──一维及二维核磁共振（one andtwo dimensional NMR），以酒精作为样品，解说二维光谱。 核磁共振的基本原理 周期表上的元素，有部分原子核具有磁性，含一个质子的氢（1H）就是具磁性的原子核（见图一）。磁场中，带有磁矩的原子核，与磁场作用，造成磁矩与磁场之间，只能有某些特定的相对排列方向，而产生能阶差异；利用无线电波观察这种能阶差异，或观察原子核吸收、放射无线电波的现象，就是「核磁共振」。 氢原子核磁矩，有两种自旋（spin）状态：没有磁场时，磁矩排列混乱，无法分别这两种自旋状态，可说是在相同的能阶之下（见图二）。但在磁场下，就能产生能阶差异，磁矩顺着磁场...