什么是核磁共振裝置？

核磁共振（英文：Nuclear Magnetic Resonance）是通過澄清原子的化學環境（其周圍存在哪些元素，其成鍵狀態是什么）來測量的裝置，是識別化合物結構的裝置。

將利用核磁共振裝置得到的結果繪制為橫軸為化學位移(標準物質與測定物質的NMR信號的頻率差)、縱軸為強度。

圖 1. NMR 測量結果示例

通過 測量過程中要評估的元素類型，可以收集每種元素的信息，甚至是具有復雜結構的化合物。此外，還可以分析多種樣品，包括液體、固體和凝膠狀物質。

用于結構分析的其他設備包括拉曼分光光度計和電子顯微鏡。，但核磁共振設備可以進行簡單且非破壞性的分析。此外，它被廣泛使用，因為它提供了整個化合物的結構信息，包括鄰近的原子種類，而不是部分信息。

核磁共振設備的應用

核磁共振設備不僅用于材料分析，還用于臨床領域。典型用途如下。

1. 材料分析

NMR非常擅長分析樹脂材料、生物材料、電池電解液等有機物質。它對于有機材料的結構分析和劣化材料的劣化原因分析很有用。

例如，用于澄清化學合成、提取、純化所獲得的物質的結構，以及確定目標物質是高分子成分還是低分子成分。還可以通過將物質與數據庫中的標準信號進行比較來測量物質的純度并識別和定量分析雜質。

2. 臨床

臨床實踐中的 MRI（磁共振成像）是一種與 NMR 原理相同的設備。通過對體內水分的空間分布進行分析和成像，MRI可以準確掌握體內組織的狀態。

MRI 看起來與 CT 掃描類似，但與 CT 掃描不同的是，它不使用 X 射線，因此不存在輻射暴露的風險。它還具有高分辨率，可以檢測 CT 掃描無法看到的變化。

核磁共振儀原理

1. 原子的核磁矩

圖 2. 核磁矩

原子核帶有正電荷并繞其軸旋轉。這種旋轉會產生磁場，因此每個原子都可以被視為一個微小的磁鐵。該磁場的大小用稱為核磁矩的矢量表示。

2.塞曼分裂和共振現象

圖 3. 塞曼分裂

通過對待測化合物施加強磁場，原子內的原子核被激發。在激發態下，它分裂成兩個能級。這種現象稱為塞曼分裂。

當我們施加等于兩個能級之間能量差的電磁波時，特定環境中的原子就會發生共振。這里的共振是指將低能級核磁矩激發到高能級。通過觀察哪個頻率的電磁輻射引起共振，就可以識別目標原子的環境。

在塞曼分裂中，可以觀察到構成每個能級的原子核數量存在差異的原子。另一方面，質量數和原子序數為偶數（自旋量子數為0）的原子，例如12C和16O，則無法分析，因為它們不具有核磁矩。

3. 化學位移

即使對于相同的原子核，共振頻率也會根據周圍環境而略有變化。該變化量稱為化學位移，相對于標準物質共振頻率的變化量以 ppm 單位表示。

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