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NMR波譜儀(NMR)是一種基于原子核磁性的分析技術(shù)，通過探測(cè)原子核在強(qiáng)磁場(chǎng)中對(duì)射頻輻射的吸收與發(fā)射，獲取分子結(jié)構(gòu)、動(dòng)力學(xué)及相互作用等信息。其核心原理是核磁共振現(xiàn)象，即原子核在磁場(chǎng)中產(chǎn)生能級(jí)分裂，當(dāng)受到特定頻率的射頻脈沖激發(fā)時(shí)，核自旋發(fā)生能級(jí)躍遷，并在弛豫過程中產(chǎn)生可檢測(cè)的信號(hào)。
原子核如氫核(1H)或碳核(13C)等具有自旋特性，在無(wú)外磁場(chǎng)時(shí)，其自旋方向隨機(jī)，磁矩矢量和為零。當(dāng)置于強(qiáng)磁場(chǎng)中，核自旋會(huì)沿磁場(chǎng)方向取向，形成能級(jí)分裂：自旋量子數(shù)為I的核分裂為2I+1個(gè)能級(jí)。例如，氫核(I=1/2)分裂為兩個(gè)能級(jí)，能量差與磁場(chǎng)強(qiáng)度成正比。此時(shí)施加與能級(jí)差匹配的射頻脈沖，核會(huì)吸收能量并發(fā)生能級(jí)躍遷，從低能態(tài)躍遷至高能態(tài)。脈沖結(jié)束后，核通過馳豫過程回到初始狀態(tài)，釋放出射頻信號(hào)，這一信號(hào)被接收器捕獲并轉(zhuǎn)化為頻域譜圖。
NMR波譜儀主要由四大部分組成：磁鐵系統(tǒng)、射頻系統(tǒng)、信號(hào)接收與處理系統(tǒng)以及樣品裝置。磁鐵系統(tǒng)提供強(qiáng)磁場(chǎng)(超導(dǎo)或永磁)，是實(shí)現(xiàn)核能級(jí)分裂的關(guān)鍵；射頻系統(tǒng)負(fù)責(zé)產(chǎn)生激發(fā)核自旋的脈沖，并通過頻率掃描覆蓋不同化學(xué)環(huán)境的核；信號(hào)接收器采集弛豫過程中產(chǎn)生的感應(yīng)電流，經(jīng)放大和傅里葉變換后得到頻譜；樣品裝置通常為旋轉(zhuǎn)探頭，確保樣品在強(qiáng)磁場(chǎng)中均勻受激，減少因分子取向?qū)е碌男盘?hào)偏差。
核磁共振波譜的核心信息來(lái)源于化學(xué)位移，即不同化學(xué)環(huán)境中原子核的共振頻率差異。例如，氫譜中甲基、亞甲基等基團(tuán)的質(zhì)子因電子云密度不同，共振頻率各異，形成特征峰。通過測(cè)量峰的位置(化學(xué)位移)、面積(質(zhì)子數(shù)量)及裂分模式(耦合常數(shù))，可推斷分子骨架、取代基位置及構(gòu)型。此外，二維核磁共振技術(shù)(如COSY、HSQC)通過多維頻譜揭示原子間的空間關(guān)聯(lián)，解決復(fù)雜分子(如蛋白質(zhì)、多糖)的結(jié)構(gòu)解析難題。
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