- 技術原理 -
08.May.2023
質譜儀-Mass 核磁共振儀NMR原理與應用
NMR是Nuclear Magnetic Resonance的縮寫，核磁共振設備通過將原子核置於磁場中，觀察核自旋的共振現象，在原子水平上分析物質的分子結構。
核磁共振裝置（圖一）可檢測藥物、農藥等化學物質、生藥等天然產物、乙烯基、聚乙烯等高分子材料、核酸等生物材料中的碳、氧、氫和蛋白質。、氮和磷對有機化合物的分析最有效。特別是，它在分析這些有機化合物中起著核心作用，因為它可以知道分子的平面化學結構和三維結構，也就是原子的連接。
核磁共振裝置（圖一）可檢測藥物、農藥等化學物質、生藥等天然產物、乙烯基、聚乙烯等高分子材料、核酸等生物材料中的碳、氧、氫和蛋白質。、氮和磷對有機化合物的分析最有效。特別是，它在分析這些有機化合物中起著核心作用，因為它可以知道分子的平面化學結構和三維結構，也就是原子的連接。
物質是分子的集合，分子是由原子鏈組成的（圖二），每個原子又由原子核和電子組成（圖三）。核磁共振設備利用這些原子核的特性，通過在強磁場中從外部施加無線電波（60 MHz 至 1 GHz）引起共振現象，分析各種有機化合物。
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| ▲圖二 物質、分子和原子 | ▲圖三 原子結構 |
核磁共振設備
▲圖二 NMR裝置的組成
核磁共振（NMR）原理
一些原子，例如氫原子核，具有小磁鐵的特性。這樣的磁鐵像陀螺一樣旋轉。當置於磁場中時，它的行為就像一個旋轉的陀螺（圖四），這稱為核自旋。這種擺動運動（稱為進動）的旋轉週期是固定的，當從外部施加與該週期相同頻率的無線電波時，就會發生共振。由於共振而發生能量吸收，因此可以通過測量該吸收量來確定是否發生共振。在 11.74 T（特斯拉）的磁場強度下，氫原子核的頻率共振大約在500 MHz。共振頻率根據原子核的種類而不同，如表一所示以各種核種的頻率共振。
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| ▲圖四 核自旋 | ▲表一 11.74 T的共振頻率（特斯拉） |
從核磁共振光譜可以看出什麼
如圖六所示，即使是同一個氫核，也會出現不同的NMR信號。圖六是乙醇訊號。這稱為核磁共振譜。無線電波雖然不是光，但仍然是電磁波，所以和光一樣被稱為光譜，從右邊開始分為 CH3（甲基）、CH2（亞甲基）和 OH（羥基）。
NMR 光譜被分成幾組官能團，稱為化學位移。這種化學位移與指紋相同，因為如果物質不同，信號會出現在不同的位置。
NMR 光譜被分成幾組官能團，稱為化學位移。這種化學位移與指紋相同，因為如果物質不同，信號會出現在不同的位置。
- 化學位移（訊號位置）：有關原子核化學結構（官能基等）的訊息
- 自旋-自旋耦合（訊號分裂）：關於相鄰核之間關係的訊息
- 訊號強度（訊號面積）：關於核數比例的訊息
- 弛豫時間：核動態訊息
▲圖六 乙醇(CH3CH2OH)的氫核NMR譜
核磁共振的應用領域
- 分子結構分析及未知化學物質鑑定-有機化學、無機化學、生物化學、醫藥、新材料、石油化學等廣泛領域
- 定量分析-高分子化學、合成化學品的質量控制、食品化學等
- 混合物分析-代謝組學、生物化學、食品化學等
- 動力學(化學動力學、相互作用、結合位點識別)-核動態訊息
- 弛豫時間(分子遷移率、核間距)-有機化學、高分子化學
- 擴散係數(分子量、多聚體的鑑定、分子和離子的遷移、受限空間的評估)-有機化學、高分子化學、新材料、電池等
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