對於物質結構的分析，我們有很多種探測手段，但不管哪一種其本質都是物質內在的某種屬性與外源粒子能夠發生可探測的相互作用。
核磁共振利用的就是核磁矩與外磁場的相互作用，當與核自旋相關的核磁矩置於外部磁場中時，不同的自旋態被賦予不同的磁勢能。在產生少量自旋極化的靜磁場存在下，適當頻率的射頻訊號可以引起自旋態之間的躍遷。這種“自旋翻轉”將一些自旋置於更高的能量狀態。如果隨後關閉射頻訊號，則自旋弛豫回到較低狀態會在與自旋翻轉相關的共振頻率下產生可測量的 RF 訊號。這個過程稱為核磁共振 (NMR)。
磁場中質子自旋的進動是質子核磁共振中使用的相互作用。作為一種實用技術，將含有質子（氫核）的樣品置於強磁場中以產生質子的部分極化。還對樣品施加了強射頻場，以將一些核自旋激發到更高的能量狀態。當這個強射頻訊號被關閉時，自旋往往會返回到它們的較低狀態，在與該場相關的拉莫爾頻率下產生少量輻射。輻射的發射與質子從激發態的“自旋弛豫”有關。它在檢測器線圈中感應出射頻訊號，該訊號被放大以顯示 NMR 訊號。
要了解我們周圍各種複雜物質的物理結構，首先需要了解它們的分子結構。核磁共振波譜，是一種幫助研究人員分析分子結構，透過觀察樣品的核自旋相互作用來研究其生物學、化學或物理性質的分析技術。1946 年，兩位物理學家 Felix Bloch 和 Edward Mills Purcell 首次展示了核磁共振光譜技術，並因此於 1952 年共同獲得諾貝爾物理學獎。第一臺商用核磁共振光譜儀於 1950 年製造，直到現在，核磁共振光譜儀被化學家用作必不可少的工具。與現代光譜儀相比，基於永磁體的早期光譜儀體積大、價格昂貴。其他一些方法，如 X 射線衍射和電子顯微鏡也可用於研究分子結構，但 NMR 光譜優於這些方法，因為 NMR 光譜是一種非破壞性方法，它也需要較少的樣品製備。在本文中，我們將瞭解核磁共振波譜的各個方面。
核磁共振基礎
核磁共振技術涉及原子核對（4-900MHz）的電磁輻射的吸收。它被認為是檢測化合物中質子（氫）數量的最有效方法之一。核磁共振波譜的理論是基於自旋量子數。自旋量子數 (I) 說明電子的本徵角動量，它與原子的質量數（質子和中子的數量）和原子序數（質子數）有關。觀察到具有奇數原子序數或奇數質量數的元素顯示核自旋。例如，H原子具有奇數原子質量和奇數原子序數，經計算，其自旋等於1/2，並顯示核磁共振譜，
NMR 活性元素和 NMR 非活性元素的示例
當向樣品施加磁場時，可能的取向總數可以透過公式 2s+1 計算，其中“s”是自旋量子數。
例如，H 原子有兩種可能的取向，即+1/2 和-1/2。
每種元素都有一個帶電的原子核，當中子和質子的自旋在原子核中沒有配對時，原子核的淨自旋將沿自旋軸產生磁偶極子。這個偶極子的淨大小稱為核磁矩。分子的內部結構由磁偶極子的對稱性和分佈決定。核磁共振波譜背後的原理是基於可以產生磁場的原子核的自旋。當沒有外加磁場時，原子核的自旋是隨機排列的；然而，當外部磁場(B0)施加到樣品上時，原子核中存在的自旋與施加的磁場方向一致或相反。外部磁場的作用導致激發態和基態之間產生能量差（ΔE）。能量的傳遞發生在與射頻等效的波長上。當自旋迴到初始基態時，它會發射吸收的射頻，這個發射的射頻給出了相應原子核的 NMR 訊號。發射的射頻與外加磁場的大小成正比。這個發射的射頻給出了相應核的核磁共振訊號。發射的射頻與外加磁場的大小成正比。這個發射的射頻給出了相應核的核磁共振訊號。
在數學上，
v = (γB0) / 2π
其中 v 是發射的射頻，B0 是外加磁場，γ 是磁旋比。
磁旋比是核磁矩與角矩的比值。
核磁共振波譜儀的組成部分
1. 磁鐵
磁鐵是核磁共振波譜的重要組成部分。核磁共振波譜儀的效率很大程度上取決於外加磁場的大小、強度和均勻性。下面給出了光譜儀中使用的主要磁鐵型別，
1. 超導磁鐵
超導磁鐵由超導線製成的線圈構成；這些磁鐵需要在操作過程中冷卻。超導材料可以產生強磁場，因為在它們的超導狀態下，圍繞它們的導線幾乎是零電阻，因此超導磁體比普通磁體的導電性強得多。超導磁體的主要缺點是以熱量的形式損失能量。
2. 永久磁鐵
這些磁鐵總是擁有周圍的磁場，因為它們是由原子永久排列的材料製成的，以提供恆定的磁場。這些磁鐵不如超導磁鐵強大，但它們在 NMR 光譜中更受歡迎，特別是在臺式光譜儀中。
3. 電阻磁鐵
電阻磁體提供的直流磁場比其他兩種型別的磁體大得多。這些磁鐵通常是銅片，裡面有許多冷卻孔。
電阻磁鐵
2. 樣品架
核磁共振波譜中使用的樣品架應該對射頻透明、化學惰性和耐用。它一般是玻璃或耐熱玻璃管，長約 6-7 英寸，直徑約 1/8 英寸。
3.射頻線圈
射頻線圈用於將磁場傳輸到所需區域；當電流流過它們時，它們會感應出磁場。他們還檢測由此產生的 NMR 訊號。一般在傳送端和接收端使用相同的線圈，但最好在兩端使用不同的線圈。
射頻線圈
4. 掃描發生器
掃描發生器是一種電子裝置，它產生具有恆定幅度和線性變化頻率的波形。掃描發生器在 NMR 光譜中的主要作用是它允許等量級的磁場透過樣品。
掃頻發生器
5. 射頻發射器
發射器提供所需功率、頻率和形狀的射頻脈衝。它由以下元件組成。
- 頻率發生器：負責產生頻率。
- 波形發生器：它根據要求對脈衝進行整形。
- 門：它在所需的時間開啟和關閉脈衝傳輸。
- 功率放大：根據傅立葉變換核磁共振將射頻功率提升至所需值。
6. 射頻接收器
射頻接收器的重要功能是將模擬核磁共振訊號轉換為數字資訊。具有有效解析度和轉換頻寬的合適射頻接收器在NMR光譜中是優選的。
7. 放大器
放大器的目的是放大獲得的核磁共振訊號，它透過使用上通和下通濾波器調整頻率來提高核磁共振訊號的可見度。
8. 記錄儀/示波器
它是一種記錄和分析從射頻接收器接收到的資料並將其顯示在螢幕上的計算機。
核磁共振光譜溶劑
在核磁共振波譜中製備準確的樣品是至關重要的一步。核磁共振波譜中使用的三種主要樣品型別是液體樣品、固體樣品和氣體樣品。透過將大約 0.5 ml 液體放入 NMR 樣品管中來分析液體樣品。固體樣品與適合分析的溶劑混合，通常2-3mg樣品與0.5ml溶劑混合。氣體樣品透過在合適溶劑的幫助下濃縮來進行分析。在 NMR 光譜中製備的樣品經過過濾以去除鐵顆粒（如果有的話），並且還進行脫氣以去除氧，因為鐵和氧都是順磁性的，這可能會導致 NMR 譜的譜線變寬。
如果樣品為液體形式，NMR 光譜會提供更好的訊號；因此，所有樣品通常都被轉換成液體形式以獲得更好的核磁共振譜。應仔細選擇溶劑型別，並應遵循以下要求。
- 溶劑對樣品架和樣品都應該是化學惰性的。
- 它應該沒有吸收光譜或具有最小吸收光譜，以便可以清楚地獲得僅樣品的 NMR 訊號。
- 蒸餾時應從溶劑中回收原始樣品，以防樣品需要進一步測試。
- NMR 光譜中通常使用的溶劑型別是 CS2（二硫化碳）、CCl4（四氯化碳）、CDCl3（氘氯仿）、D2O（氧化氘）和(六氘代苯)
大多數溶劑（如碳氫化合物）由具有 NMR 活性的質子組成。因此，為了減少溶劑氫原子的 NMR 訊號，使用氘代溶劑。在氘代溶劑中，99% 及以上的質子被 氘取代。
核磁共振光譜的工作
將樣品置於磁場中，利用無線電波將其激發成核磁共振。這導致生成 NMR 訊號。該 NMR 訊號是在射頻接收器的幫助下檢測到的。原子周圍的分子間磁場會改變共振頻率，從而提供分子的結構細節。由於每個分子都有不同的化學環境，並且共振頻率略有不同，這導致每個分子的核磁共振譜獨特。
核磁共振譜
它是以 TMS（四甲基矽烷）為參考相對於磁場的 NMR 訊號強度圖。NMR 光譜提供了不同官能團的獨特且解析良好的光譜。
1H-NMR 譜的解釋
- NMR 譜中的訊號數量代表樣品中存在不同種類的質子。
- 核磁共振訊號的位置代表質子的化學位移和磁環境。
- NMR 訊號的分裂（自旋-自旋耦合）代表附近原子核（質子）的數量。
- NMR 訊號的強度與樣品中的質子數成正比。
化學位移
化學位移是觀察到的質子或氫的共振頻率與四甲基矽烷 (TMS) 的氫之間的差異。在 NMR 光譜中，TMS（在 δ = 0 ppm）被視為參考化合物。
在數學上，化學位移表示為，
化學位移= [（訊號頻率 - 參考頻率）/ 光譜儀頻率] × {10}^{6}
正如我們上面討論的那樣，將外部磁場施加到樣品上，然後測量核實現共振的頻率。核磁共振是原子核吸收一定量的能量，並以電磁輻射的形式重新發射的現象。吸收的能量是如果一定的共振頻率，它是基於外加磁場的強度，以及原子不同同位素的磁性。圍繞原子核執行的電子充當小磁偶極子，這可能與外部磁場相反。
質子遮蔽
如果原子核周圍的電子密度高，則電子對外部磁場的抵抗力也大，因此質子的遮蔽越大，因為質子受到的外部磁場越小。因此，需要較低的頻率來實現共振，並且 NMR 訊號在頻譜中處於高場（朝向右側）。
質子的去遮蔽
如果原子核周圍的電子密度低，對外部磁場的反作用就會變小。由於質子正在經歷高磁場，因此需要高頻來實現共振，並且觀察到化學位移中的下場位移（向左）。
核磁共振光譜中的化學位移
影響化學位移的因素
1. 負電基團
當溴、碘和氯等帶負電的基團連線到碳氫鍵系統時，它們會將電子密度拉向自身，從而降低質子周圍的電子密度，並觀察到去遮蔽，從而導致化學位移的增加。
2. π-系統的磁各向異性
各向異性意味著不均勻，磁各向異性意味著不均勻的磁場。當磁場作用於烯烴、炔烴、羰基、芳烴等π電子體系時，π體系會產生自身的磁場，從而產生磁各向異性，即對質子進行遮蔽和去遮蔽。苯是表現出這種效果的最簡單的有機化合物。
3. 氫鍵
由於參與氫鍵的質子，化學位移的值也會發生變化。氫鍵越多意味著質子的去遮蔽越多，因此化學位移值移到更高。
自旋-自旋耦合
自旋-自旋耦合是指附近原子核的自旋之間的相互作用，這可能導致核磁共振譜的分裂。這種現象也稱為自旋-自旋分裂。NMR 訊號的分裂與相鄰原子核中等效氫原子的數量有關。
在化學等價質子中沒有觀察到自旋-自旋耦合，只在非等價質子中發現。考慮下圖所示的示例，
在這裡，He 與質子 H 耦合，因為它們是不等價的；然而，Ha 和 Hb 不耦合，因為它們是等價的。
通常，相鄰碳原子上存在的質子會發生耦合，而相距四個或更多鍵的質子則不會發生耦合。
核磁共振光譜的優勢
- 它是一種非破壞性方法，被檢樣品經過蒸餾或其他工藝後可恢復原狀，可用於進一步檢測。
- 常用的分子結構分析技術通常適用於固相或液相樣品；然而，核磁共振技術不僅可以用於固相或氣相樣品，也可以用於氣相。
- 核磁共振譜揭示了有關分子結構的大量細節，例如化學位移、自旋-自旋分裂、相對峰大小、連線的官能團型別以及有關分子化學環境的其他詳細資訊。
- NMR 光譜可用於分析簡單和複雜的分子，因為在 NMR 光譜的情況下，分子的大小不是問題。
- NMR 光譜還提供有關樣品物理特性的資訊，例如相變、擴散、構象交換和溶解度。
- 由於核磁共振光譜過程的便利性，傳統的分子分析方法，如色譜法或顏色試劑測試，已被核磁共振光譜法所取代。
核磁共振光譜的應用
- NRM 光譜最基本的應用是分子結構分析。
- 核磁共振光譜用於檢查給定樣品中雜質的存在。
- 由於核磁共振光譜可以提供化學過程的實時資料分析，因此研究人員使用它來檢查藻類和植物的光合作用過程，以瞭解特定作物在不同氣候條件下的存活率。
- 它用於製藥行業的藥物分析和質量控制。
- 它用於核酸、細胞和生物流體的分析。
- 核磁共振光譜在電池的開發中也有應用。NMR臺式光譜儀用於獲取電池儲存能量潛力的分子細節。
- 它不僅用於確定分子的結構，還用於將獲得的未知化合物的 NMR 光譜與光譜庫進行比較。
- 核磁共振光譜被認為是分析有機化合物結構的最佳方法之一。它在食品行業中用於確定氨基酸譜、脂質成分、蛋白質結構和有機酸。
核磁共振波譜的缺點
- 與其他常規方法相比，NMR 光譜需要相對大量的樣品來提供 NMR 訊號。
- 固體的 NMR 光譜需要一些特殊的裝置來提供解析度良好的 NMR 光譜。
- 核磁共振波譜還給出了核樣品中存在的大量不需要的雜質的核磁共振譜。
