核磁共振波谱学

在 强度为 的外加 恒定磁场作用下，核一方面 自旋，另一方面绕磁场 进动， 进动频率 = ∣ ∣/2π。如果在与 垂直的方向上再加一个 频率为 的交变磁场 ，当 和 相等时即发生核磁共振。根据 量子力学原理， 核自旋为 的原子核具有自旋角动量 ，其绝对值为∣ ∣=[ ( +1)] ，相应的核磁矩为 = ，式中 为核的 旋磁比。在外加 恒定磁场作用下，核磁矩有2 +1个取向，称为 塞曼分裂，代表2 +1个 能级。当频率为 的 射频辐射能量 等于核自旋磁矩在恒磁场中相邻两个能级之差Δ 时，原子核吸收 辐射，从低能级 跃迁至高能级，这就是核磁共振现象。

固定外磁场连续改变射频辐射频率，或固定外射频辐射频率连续改变 磁场记录 核磁共振谱的方法，称为 连续波方法，所用 仪器叫作 连续波核磁共振谱仪。 脉冲 傅里叶变换核磁共振（FT–NMR）是指用一定宽度的强而短的 射频脉冲辐射样品，使样品中所有被观察的核同时被 激发，产生一个 时间域的响应函数，称为自由感应衰减（FID） 信号。用 计算机对它进行傅里叶变换，仍可得到普通的 频率域核磁共振谱。据此原理制造的仪器叫作傅里叶变换核磁共振谱仪。该谱仪适合于对 同位素丰度低的核（如 C核）进行累加实验，测量时间可大大缩短。傅里叶变换核磁共振谱仪使 多维核磁共振试验成为可能。 通常说的核磁共振谱仪是指高分辨谱仪，亦是使用最普遍的仪器。 20世纪70年代出现了 超导磁铁强磁场核磁共振谱仪，大大提高了 仪器灵敏度，在生物学领域得到了广泛的应用。 溶液中 分子有许多运动 自由度，因此观测的NMR谱通常是 分子运动平均了的高分辨的 各向同性高分辨谱。 液体高分辨 NMR是NMR 波谱学应用最早、范围最广泛的 技术。 固体中的分子缺乏运动自由度，相邻核间以及核与周围环境间的 相互作用就突现出来，使得强磁场下的NMR谱具有很强的 各向异性，导致观测 谱线的严重展宽。使用魔角旋转技术或多脉冲技术压制固体中核间的相互作用，可获得固体高分辨NMR谱。魔角旋转技术是使测量样品在与磁场方向成 魔角（54.7°）的 轴旋转，当旋转速率大于各种核相互作用时，所观测的谱就是分子的 各向同性高分辨谱。多脉冲技术是利用一系列的强的 射频脉冲产生核自选的运动，最终达到选择性抑制核自选相互作用的目的。

NMR波谱能在 原子、 分子水平上提供 分子结构和 动态信息。

①分子中原子核位置的判定和区分。分子中不等价原子的位置可由NMR谱的参数 化学位移、 自旋耦合常数以及谱的 相对强度来判定。 ②分子中不等价原子的 位置的相互关系。这包括 键长、 键角及 原子团簇的 信息。这些信息主要包括在自旋耦合常数、偶极耦合常数、弛豫速度等NMR 参数中。 ③ 动力学信息。NMR可研究分子及分子内从 纳秒到秒级的运动，如 分子内旋转、化学交换、 氢键、分子间的相互作用等。 核磁共振 波谱学已经成为最成功的分析技术，应用范围包括 化学的每一个分支学科。 二维和多维NMR波谱学的创立使NMR研究领域进一步扩展到 分子生物学，出现了新的学科分支——生物核磁共振波谱学。1991年 诺贝尔化学奖授予R. 恩斯特，表彰他在 核磁共振波谱学实现和发展 傅里叶变换、多维技术的贡献。2002年的诺贝尔化学奖授予K.维特里希，表彰他用多维NMR波谱学在测定 溶液中 蛋白质结构的三维构像方面的开创性贡献。