核磁共振原理及其应用

核磁共振原理及其应用 核磁共振原理及其应用 王 逗 有自旋 ， 所以应该具有磁矩。和原子磁矩相似 ， 原子 ,,,, 年以美国物理学家布洛赫 ( ,(,,,;,) 和普 舍尔(,(,(,,,;,,,)为首的两个小组几乎在同一时间 ， 核磁矩 μ， 和原子核角动量 ,， 有关系式 : 用不同的方法各自独立地发现了物质的核磁共振 μ， , μ, ,， !，(，，,) (,,,)现象 ， 后来两人合作制造了世界上第一台核 μ，,,,， μ, ,， 磁共振谱仪。,,,, 年他们二人因此获得了诺贝尔物 其 中 ， ,， 称 为 原 子 核 的 朗 德 因 子 ， μ,,, , ,( ,,,) , 理奖。所谓核磁共振是根据处在某个静磁场中的物 ,(,,,,×,,, ,, ,,,，称作核磁子。质子质量 ,, 比电子质 在它 质原子核系统受到相应频率的电磁波作用时，量 ,, 大 ,,,, 倍 ， 所以核磁子比玻尔磁子小 ,,,, 们的磁能级间产生共振跃迁的原理而采取的一种新 倍 ， 可见原子核的磁相互作用比电子的磁相互作用 技术。核磁共振技术自创始以来经过了 ,, 年代连续 弱得多。这个弱的相互作用正是原子光谱的超精细 波谱仪的大发展时代 ， 以及 ,, 年代的脉冲傅里叶变 结构的来源。 换核磁共振和核磁双共振时代 ， 近年来发展的多核 核磁共振 由于原子核具有磁矩 ， 当将被测样 ,,,， 多脉冲 ,,,， 二维 ,,, 和固体 ,,, 在理论 品放在外磁场 ,, 中 ， 则与磁场相互作用而获得附加 和实践上都取得了迅速发展。 的能量。 目前 ， 核磁共振已成为鉴定化合物结构和研究 ,, , μ ,,, , ,， μ ,， ,, ?， 化学动力学的极为重要的方法。因此 ， 在有机化学、 , ,， 有 ,，，, 取值 ， 即能级分裂成 ,，，, 个子能级 ， 根据 生物化学、药物化学和化学工业、石油工业、橡胶工 选择定则, ，,?,， 两相邻子能级间可以发生跃迁 ， 业、食品工业、医药工业等方面得到了广泛的应用。 跃迁能量 : 一、核磁共振基本原理 ,, μ, ,， ,, 原子核的角动量 通常称为核的自旋 ， 是原子 若其能级差, 与垂直于磁场方向上 ， 频率为 " 的 核的一个重要特性。由于原子核由质子和中子组成 ， 电磁波光子的能量相等 ， 则处在不同能级上的磁性 质子和中子是具有自旋为 ,,, 的粒子 ， 它们在核内 核发生受激跃迁 ， 由于处在低能级上的核略多于处 还有相对运动 ， 因而具有相应的轨道角动量。所有核 在高能级上的核 ， 故其净结果是低能级的核吸收了 子的轨道角动量和自旋角动量的矢量和就是原子核 电磁波的能量 ," 跃迁到高能级上 ， 这就是核磁共振 的自旋。原子核自旋角动量 ,，， 遵循量子力学的角动 吸收。 量规则 ， 它的大小为 : 该频率 ",μ, ,， ,,,, 称为共振频率 二、核磁共振技术的应用 ， 为整数或半整数 ,， ,!，(，，,) , 化学位移 在分子中 ， 磁核周围都有电子包围 ， ， 是核自旋量子数。原子核自旋在空间给定 , 方向 电子绕核运动形成电子云。在静磁场 ,, 作用时 ， 核 上的投影 ,，, 为 : ,，,,,， , ， ,，,，， ，, ,， … ， , ，，,， , ， 其中 ,， 叫磁量子数。实验发现 ， 所有基态的原子核 的自旋都满足下面的规律 : 偶 , 核的自旋为整数 ， 其中 ， 偶偶核 ( 质子数和中子数都是偶数 ) 的自旋都 为零 ; 奇 , 核的自旋都是半整数。核子是费米子 ， 因 此 ， 核子数 , 为偶数的原子核是玻色子 ， 遵循玻 色—爱因斯坦统计 ; 核子数 , 为奇数的原子核是费 米子 ， 遵守费米—狄拉克统计。 原子核磁矩 原子核是一个带电的系统 ， 而且 图 , 孤立氢原子 ,, 的核外电子的抗磁屏蔽 现代物理知识?,,? 疾病的临床诊断和病理研究有很大意义。 外电子云感应出电子环流 ， 因此产生一个与 ,, 大小 磁核共振技术不仅在物理、化学、科学等方 成正比 ， 方向相反的感应磁场 ,,， 如图 , 所示。这时 面有广泛应用， 在近代医学技术中也得到了重要应 磁核实际所受的磁场强度为 ,, ′ : 用。但它主要应用于鉴定化合物结构和研究化学动 ,, ′ ,, , ,, ,( ,, σ ,, , ) 力学等方面。以前 ， 高分辨核磁共振局限于测定液态 式中 σ称为屏蔽常数 ， 它是特定原子核所处化学环 境的反映。 样品 ， 这是因为固体试样中邻近磁性核之间的磁偶 极间相互作用可使固体的核磁共振谱线比液体样品 因 为 原 子 核 不 是 “裸 ”核 ， 分 子 中 的 核 是 由 电 子包围着的 ， 即处于一定的“分子环境”又称“化学 的谱线宽几个数量级， 致使化学位移、自旋耦合分裂 环境”中。同一种核 ， 处于相同的静磁场中 ， 由于自 的精细结构全淹没了。因此 ， 消除偶极加宽 ， 提高分 辨率是核磁共振技术发展的关键。 旋核所处的化学环境不同 ， 核所受实际磁场强度 目前 ， 已研制出固体高分辨核磁共振波谱仪 ， 并 核磁共振频率就不同。这种由于化学环境不 不同 ， 同引起的核磁共振频率发生偏移的现象称为化学 这使得核磁共振的应用又有了新的发展。 已商品化 ， ( 西安市西北大学物理系基地班 ,,,,,,) 位移 ( " ) 。这种化学位移成为不同化学集团的“指 ######################################## 纹”， 使有可能从核磁共振谱中得到有关分子结构 !!!!!!!!!!!!!" 储存化学和放射性 的信息。 !!!!" 物质的生态洁净容器 应用氢谱解析结构 核磁共振是有机化合物结 科苑快讯 , !!!!" !!!!!!!!!!!!!" 乌克兰第聂伯罗彼得罗夫 构鉴定的一个重要手段 ， 例如用 ,,,,,,, 的 ,, ,,, 谱 ， 可 推 断 其 结 构 式 ( 图 ,) 。δ,,(, 附 加 的 峰 为 斯克州科学家研制成生态上洁净的容器 ， 它可以 储存化学和放射性物质以及用过的核燃料 ， 目前 ,,,,,,, 基的甲基峰 ， 被邻接 , ,,,, 裂 分 为 三 重 正在尼科波尔铁合金厂对新型容器进行试验。这 峰。δ,(, 峰为与氧相连的亚甲基峰 ， 移向低场 ， 同时 , 种容器用冶金生产废料制成 ， 第聂伯罗彼得罗夫 被邻接的甲基裂分为四重峰。更低场的 δ,,(, 峰为 斯克州科学家在制作该容器时采用石熔化新工 单峰 ， 说明无氢核耦合 ， 再由峰面积比 ,: ,: , 和化学 艺。在冶炼矿石时形成的残渣通过高温处理获得 位移判断 ， 应是与 , 个氧相连的次甲基峰 ， 因此推断 生态上纯净类似玄武岩的材料 ， 它耐受化学物质 此化合物为 ( ,,,,,,,) ,,,。 和机械作用。负责这项计划的亚历山大?季莫费耶 夫指出 ， 产生研制新容器的想法旨在尽快结束化 学和放射性废料在乌克兰境内大范围流散 ， 大量 化学和放射性废料被堆放在企业仓库内。研制者 指出 ， 化学和放射性废料可以在这些容器内安全 储存至少 ,,, 年 ， 而现在有害物质被储存在钢筋混 凝土容器内 ， 储存年限不超过 ,, 年。 主要专家之一的阿列克谢?亚洛沃伊指出 ， 该容 器不仅能用来储存有害废料 ， 而且能安全运输危险 图 , ,,,,,,,, ,,, ,,, 谱 废料 ， 因此我们将对容器在非常严格的情形下进行 认真试验 ， 包括在事故情况下进行试验。 核 磁 共 振 计 算 机 断 层 照 相 设 备 ( , ,, , ,, ) 专家们声称 ， 利用废料制作容器在经济上是有 其基本原理 : 就是利用核磁共振技术测量人体组织 益处的 ， 而且新能帮助冶金工作者解决生态问 中的氢核密度 ， 由于正常组织和病变组织中氢核密 。例如可以使企业摆脱数以百万吨的废料 ， 因为大 度有明显差别 ， 于是就可诊断脏器病变情况。它比 , 量废料会占用不小的场地 ， 对周围环境产生负面影 射线断层照相有明显的优点 ， 对软组织也灵敏 ， 且由 , ,, ,, ,, ,, 响。只要订单一到 ， 他们就准备批量生产新型容器 ， 于它对 ,， ,， ,， , 和 , 等原子核以及由它们组 容器尺寸可由使用者自定。 成的分子、离子和化学基等化学物质灵敏 ， 所以能得 ( 周道其译自《乌克兰新闻时报》,,,,,,,,,,) 到说明功能和代谢过程等的生理生化信息。因此对 ,, 卷 , 期(总 ,,, 期) ?,,?