核磁共振仪的原理、用法及应用

2023-06-20 理论教育版权反馈

【摘要】：图9-2为布鲁克公司生产的型号为AVANCE III HD 400的核磁共振波谱仪。图9-2核磁共振仪实物图图9-3连续波核磁共振仪的结构磁体可分为永磁体、电磁体和超导磁体。通过扫场线圈使施加于样品的磁场强度由低到高变化，进行扫场，以满足核磁共振的条件。

图9-2为布鲁克公司生产的型号为AVANCE III HD 400的核磁共振波谱仪。核磁共振仪按照射频频率可分为100 MHz、240 MHz、300 MHz、400 MHz、600 MHz等类型；按磁体类型可分为永磁体、电磁体、超导磁体等类型；按射频源又可分为连续波核磁共振仪（CW—NMR）和脉冲傅立叶变换核磁共振仪（PFT—NMR）。CW—NMR价格较低，性能稳定，操作简便，应用比较广泛。但它的灵敏度低，样品用量较大（10～50 mg），测试时间较长（作一张核磁共振氢谱约需4 min），只能测定天然丰度高的核，如1H、19 F、31 P等，而对于13C等天然丰度很低的核，则无能为力。

1.连续波核磁共振仪（CW—NMR）

CW—NMR为通用的常规仪器，其射频频率不高。这类仪器的结构如图9-3所示。

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图9-2　核磁共振仪实物图

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图9-3　连续波核磁共振仪的结构

（1）磁体可分为永磁体、电磁体和超导磁体。永磁体的稳定性好，体积小，使用方便，但仪器射频频率一般在100 MHz以下。电磁体可通过调节电流来改变磁场的强度，但操作时发热厉害，需用水冷装置，体积较大，耗电较多。频率数百兆赫兹的仪器通常采用低温超导磁体获得强度高而稳定的磁场。磁体的两磁极间可产生均匀而稳定的磁场B0，样品管在磁场中以40～60周／s的速度旋转，使样品感受到的磁场强度更加均匀，以防止因谱线变宽而降低仪器的分辨率。

（2）射频振荡器产生所需频率的射频，并通过射频振荡器线圈使射频作用于样品。射频振荡器线圈安装在与外磁场垂直的方向上，其输出功率可根据需要而选择。

（3）扫描发生器可在小范围内改变外磁场的强度。通过扫场线圈使施加于样品的磁场强度由低到高变化，进行扫场，以满足核磁共振的条件。扫场速度一般为3～10 mGs／min。

（4）射频接收器和记录系统。射频接收器线圈、射频振荡器线圈和扫场线圈三者相互垂直，并且水平地缠绕在样品管外面的探头上。探头位于两磁极之间，样品管可插入探头内。当样品中的磁性核发生核磁共振而吸收能量时，接收器线圈产生感应信号，输送给记录系统放大并记录下来，便得到核磁共振谱图。

连续波核磁共振仪还配有去偶仪、温度可变装置、信号累计平均仪（CAT）等扩展仪器功能的装置。

2.脉冲傅立叶变换核磁共振仪

随着计算机技术的发展，在20世纪70年代，出现了脉冲傅立叶变换核磁共振仪（pulse fourier transform-NMR），简称PFT—NMR。这种新型的仪器在CW—NMR的基础上增加了脉冲程序控制器和数据采集及处理系统。脉冲程序控制器用一个周期性的脉冲方波系列来调制射频连续波，从而输出强而短的射频脉冲序列，脉冲宽度在1～50μs范围内可调。当发射脉冲时，样品中的所有待测核被同时激发；当脉冲终止时，及时准确地启动接收系统，接收到激发核通过弛豫过程返回到低能态时所产生的自由感应衰减信号（FID），然后再发射下一个脉冲并同时准确关闭接收系统。这样就不会产生像CW—NMR中射频能量直接泄漏到接收器中的问题。

接收器接收到的自由感应衰减信号是随时间而衰减的时间域函数，不能直接利用，需要用计算机进行傅立叶变换，将其转换为频率域函数，才能得到人们能识别的核磁共振谱图。PFT—NMR可方便地对少量样品（≤1 mg）进行累加测定，若累加n次，则信噪比（S／N）可提高倍。对所得的总自由感应衰减信号进行傅立叶变换仅需数秒即可完成，故PFT—NMR的灵敏度很高，可以测定天然丰度极低的核（如13C）。PFT—NMR可以设计多种脉冲序列，完成多种CW—NMR无法完成的实验（如核磁共振二维谱、三维谱等），能记下瞬间信息，有利于反应动态研究，能测出弛豫时间等。总之，PFT—NMR的性能是CW—NMR无法比拟的，它有逐渐取代后者的趋势。

核磁共振仪的原理、用法及应用

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