核磁共振仪

核磁共振仪广泛用于有机物质的研究、化学反应动力学、高分子化学以及医学、药学和生物学等领域。20年来,由于这一技术的飞速发展,它已经成为化学领域最重要的分析技术之一。

早在1924年,奥地利物理学家泡里就提出了某些核可能有自旋和磁矩。"自旋"一词起源于带电粒子,如质子、电子绕自身轴线旋转的经典图像。这种运动必然产牛角动量和磁偶极矩,因为旋转的电荷相当于一个电流线圈,由经典电磁理论可知它们要产生磁场。当然这样的解释,只是比较形象的比拟,实际情况要比这复杂得多。

原子核自旋的情况可用自旋量子数I表示。自旋量子数、质量数和原子序数之间有以下关系:

质量数 原子序数 自旋量子数(I)

奇数或偶数 1/2,3/2,5/2……

偶 数 0

奇 数 1,2,3……

I>0的原子核在自旋时会产生磁场;I为1/2的核,其电荷分布是球状;而I≥1的核,其电荷分布不是球状,因此有磁极矩。

I为0的原子核,没有磁性,因此不是核磁共振的研究对象。

如果将I不为0的原子核置于强大的磁场中,在强磁场的作用下,就会发生能级分裂。如果用一个与其能级相适应的频率的电磁辐射照射时,就会发生共振吸收,核磁共振的名称就是来源于此。

斯特恩和盖拉赫1924年在原子束实验中观察到了锂原子和银原子的磁偏转,并测量了未成对电子引起的原子磁矩。

1933年斯特恩等人测量了质子的磁矩。1939年比拉第一次进行了核磁共振的实验。1946年美国的普西尔和布洛赫同时提出质子核磁共振的实验报告。他们首先用核磁共振的方法研究了固体物质、原子核的性质、原子核之间及核周围环境能量交换等问题。为此他们两位获得了1952年诺贝尔物理奖。50年代核磁共振方法开始应用于化学领域,1950年斯坦福大学的两位物理学家普罗克特和虞以NH4N03水溶液作为氮原子核源,在测定14N的磁矩时,发现两个性质截然不同的共振信号,从而发现了同一种原子核可随其化学环境的不同吸收能量的共振条件也不同,即核磁共振吸收频率不同。这种现象称为"化学位移"。这是由于原子核外电子形成的磁场与外加磁场相互作用的结果。化学位移是鉴别官能团的重要依据。因为化学位移的大小与键的性质和键合的元素种类等有密切的关系。此外,各组原子核之间的磁相互作用构成自旋——自旋耦合。这种作用常常使得化学位移不同的各组原子核在共振吸收图上显示的不是单峰而是多重峰,这种情况是由分子中邻近原子核的数目,距离及对称性等因素决定的,因此它有助于揭示整个分了的结构。

由于上述成果高分辨核磁共振仪得以问世。开始测量的核主要是氢核,这是由于它的核磁共振信号较强。随着仪器性能的提高,13C,31P,15N等的核也能测量,仪器使用的磁场也越来越强。50年代制造出lT(特拉斯)磁场,60年代制造出2T的磁场,并利用超导现象制造出5T的超导磁体。70年代造出8T磁场。现在核磁共振仪已经被应用到从小分子到蛋白质和核酸的各种各样化学系统中。

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