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核磁共振 编辑
核磁共振
核磁共振是非零自旋的原子核在外磁场作用下，吸收特定频率电磁波而发生能级跃迁的过程。非零自旋的原子核具有磁矩，在外磁场作用下其自旋能级发生塞曼分裂。核磁共振波谱学是光谱学的一个分支，其共振频率在射频波段。核磁共振的应用核磁共振成像（MRI）检查已经成为一种常见的影像检查方式，核磁共振成像作为一种新型的影像检查技术，不会对人体健康有影响，但六类人群不适宜进行核磁共振检查，即安装心脏起搏器的人、有或疑有眼球内金属异物的人、动脉瘤银夹结扎术的人、体内物存留或金属假体的人、有生命危险的危重病人、幽闭恐惧症患者等。
中文名：核磁共振
外文名：Nuclear magnetic resonance
适用领域：医学
所属学科：物理、化学
公布时间：1990年
据了解，由于金属会对外加磁场产生干扰，患者进行核磁共振检查前，必须把身体上的金属物全部拿掉。不能佩戴如手表、金属项链、假牙、金属纽扣、金属避孕环等磁性物品进行核磁共振检查。此外，戴心脏起搏器，体内有顺磁性金属植入物，如金属夹、支架、钢板和螺钉等，都不能进行磁共振成像检查。进行上腹部（如肝、胰、肾、肾上腺等）磁共振检查前必须空腹，但检查时可足量饮水，使胃与肝、脾的界限更清晰。
核磁共振对颅脑、脊髓等疾病是最有效的影像诊断方法，不仅可以早期发现肿瘤、脑梗塞、脑出血、脑脓肿、脑囊虫症及先天性脑血管畸形，还能确定脑积水的种类及原因等。而针对危害中国女性生命健康的第一大妇科疾患——乳腺癌，通过核磁共振精准筛查，可以帮助发现乳腺癌早期病灶；而针对“高血压、高血脂、高血糖”等三高人群，可以通过对头部及心脏等部位的核磁检查，在身体健康尚未发出红灯警讯前，早期发现心脏病、脑梗塞等高风险疾病隐患。此外，核磁共振还可进行腹部及盆腔的检查，如肝脏、胆囊、胰腺、子宫等均可进行检查，腹部大血管及四肢血管成像可以明确诊断真性、假性动脉瘤，夹层动脉瘤及四肢血管的各种病变。核磁共振对各类关节组织病变诊断非常精细，对骨髓、骨的无菌性坏死十分敏感。
图1 核磁共振仪示意图
核磁共振波谱仪的分辨率多用频率表示（也称“兆数”）其定义是在仪器磁场下激发氢原子所需的电磁波频率。如一台磁场强度为9.4T的超导核磁中，氢原子的激发频率为400MHz，则该仪器为“400兆”的仪器。频率高的仪器，分辨率好，灵敏度高，图谱简单易于分析。磁铁上备有扫描线圈，用它来保证磁铁产生的磁场均匀，并能在一个较窄的范围内连续精确变化。射频发射器用来产生固定频率的电磁辐射波检测器和放大器用来检测和放大共振信号。记录仪将共振信号绘制成共振图谱。
CW-NMR价格低廉，易操作，但是灵敏度差。因此需要样品量大，且只能测定如¹H/¹⁹F/³¹P之类天然丰度很高的原子核，对诸如¹³C之类低丰度的原子核则无法测定。
脉冲傅里叶核磁共振仪PFT-NMR
20世纪70年代中期出现了脉冲傅里叶核磁共振仪，它的出现使¹³C核磁共振的研究得以迅速开展。
脉冲变换傅里叶核磁共振仪（pulse Fourier transform-NMR）与连续波仪器不同，它增设了脉冲程序控制器和数据采集处理系统，利用一个强而短（1~50μs）的脉冲将所有待测核同时激发，在脉冲终止时及时打开接收系统，采集自由感应衰减信号（FID），待被激发的核通过弛豫过程返回平衡态时再进行下一个脉冲的激发。得到的FID信号是时域函数，是若干频率的信号的叠加，在计算机中经过傅里叶变换转变为频域函数才能被人们识别。PFT-NMR在测试时常进行多次采样，而后将所得的总FID信号进行傅里叶变换，以提高灵敏度和信噪比（进行n次累加，信噪比提高n^0.5倍）。
PFT-NMR灵敏度很高，可以用于低丰度核，测试时间短（扫一次一到几秒），还可以测定核的弛豫时间，使得利用核磁共振测定反应动态成为现实。
分类 | 质量数 | 原子序数 | 自旋量子数（I） | NMR信号 |
|---|---|---|---|---|
① | 偶数 | 偶数 | 0 | 无 |
② | 偶数 | 奇数 | 1,2,3,…（I为整数） | 有 |
③ | 奇数 | 奇数或偶数 | 0.5,1.5,2.5,…（I为半整数） | 有 |
I值为零的原子核可以看做是一种非自旋的球体，I为1/2的原子核可以看做是一种电荷分布均匀的自旋球体，¹H，¹³C，¹⁵N，¹⁹F，³¹P的I均为1/2，它们的原子核皆为电荷分布均匀的自旋球体。I大于1/2的原子核可以看做是一种电荷分布不均匀的自旋椭球体。
当自旋核（spin nuclear）处于强度为H₀的外磁场中时，除自旋外，还会绕H₀运动，这种运动情况与陀螺的运动情况十分相像，称为拉莫尔进动（larmor precess）。自旋核进动的角速度ω₀与外磁场强度H₀成正比，比例常数为磁旋比（magnetogyric ratio）γ，是各原子核的特征常数。
ω₀=2πν₀=γH₀，ν₀为进动频率。
图2 1H自旋核在外磁场中的两种取向示意图
原子核在无外磁场中的运动情况如图2，微观磁矩在外磁场中的取向是量子化的（方向量子化），自旋量子数为I的原子核在外磁场作用下只可能有2I+1个取向，每一个取向都可以用一个自旋磁量子数m来表示。
m=I,I-1,I-2,…,-I+1,-I。
原子核的每一种取向都代表了核在该磁场中的一种能量状态，I为1/2的核在外磁场作用下只有两种取向，对应m=1/2或-1/2，这两种状态之间的能量差为ΔE。
ΔE=γhH₀/2π=hν₀。
当外磁场中的自旋核接收到能量恰好等于不同取向能级差的电磁波时，处于低能态的自旋核吸收电磁波跃迁到高能态，由于射频电磁波的能量E=hν，所以跃迁发生条件即ν=ν₀=γH₀/2π，这种现象被称为核磁共振。
用核磁共振检测原子核种类有两种方法：一是固定磁场强度H₀，逐渐改变照射电磁波的频率ν进行扫描，当ν与H₀匹配时发生核磁共振；二是固定电磁波频率ν，然后从低场到高场逐渐改变H₀，当H₀与ν匹配时发生核磁共振。第二种方法被称为扫场法，—般的仪器都采用这种方法。
核磁共振的饱和与驰豫
如果高能态核无法返回到低能态，那么随着跃迁的不断进行，处于低能态的核将不断减少直到为零，与此同步NMR讯号也会逐渐减弱直到消失，上述现象被称为饱和。
事实上，核可以通过非辐射的方式从高能态转变为低能态，这种过程称为弛豫（relaxation）。弛豫的方式有两种，处于高能态的核通过交替磁场将能量转移给周围的分子，即体系往环境释放能量，本身返回低能态，这个过程称为自旋晶格弛豫。其速率用1/T₁表示，T₁称为自旋晶格弛豫时间。自旋晶格弛豫降低了磁性核的总体能量，又称为纵向弛豫。两个处在一定距离内，进动频率相同、进动取向不同的核互相作用，交换能量，改变进动方向的过程称为自旋-自旋弛豫。其速率用1/T₂表示，T₂称为自旋-自旋弛豫时间。自旋-自旋弛豫未降低磁性核的总体能量，又称为横向弛豫。
核磁共振的丰度与灵敏度
天然丰富的¹²C的I值为零，没有核磁共振信号。¹³C的I值为1/2，有核磁共振信号。通常 说的碳谱就是¹³C核磁共振谱。由于¹³C与¹H的自旋量子数相同，所以¹³C的核磁共振原理与¹H相同。但¹³C核的γ值仅约为¹H核的1/4，而检出灵敏度正比于γ³，因此即使是丰度100%的¹³C核，其检出灵敏度也仅为¹H核的1/64，再加上¹³C的丰度仅为1.1%，所以，其检出灵敏度仅约为¹H核的1/6000，检测¹³C比检测¹H在技术上有更多的困难。下表是几个自旋量子数为1/2的原子核的天然丰度和相对灵敏度。
元素核 | 天然丰度/% |
|---|---|
1H | 99.98 |
13C | 1.108 |
15N | 0.365 |
19F | 100 |
31P | 100 |
成因
原子核的周边电子在外磁场的作用下会发生循环运动，产生一个与外界磁场方向相反的感应磁场（楞次定律），所以原子核实际上感受到的有效磁场H等于外磁场H₀减去感应磁场Hᵢ。
H=H₀
甲烷氢的化学位移值为0.23，其它开链烷烃中，一级质子在高场δ≈0.91处出现，二级质子移向低场在δ≈1.33处出现，三级质子移向更低场在δ≈1.5处出现。例如：烷烃 | CH4 | CH3—CH3 | CH3—CH2—CH3 | 两张图谱分别是低分辨核磁共振仪和高分辨核磁共振仪所作的乙醛（CH3CHO）的PMR图谱。对比这两张图谱可以发现，用低分辨核磁共振仪作的图谱，乙醛只有两个单峰。在高分辨图谱中，得到的是二组峰，它们分别是二重峰、四重峰。 偶合裂分峰与化学位移峰不同，它会随照射频率的改变而伸缩，当两种峰不易区分时，可通过改变照射频率的方法来予以辨别。
分子中两原子的种类与所处化学环境均相同时，它们被称为化学等价（chemical equivalence），化学等价的氢必然具有相同的化学位移，例如CH₂Cl₂中的两个H是化学等价的，它们的化学位移也是相同的。反之，具有相同化学位移的氢未必化学等价。判别氢是否化学等价，在识谱中是十分重要的，通常判别的依据是：如果分子中的氢可以通过对称操作或快速机制互换，那么它们是化学等价的。
可通过旋转对称互换的质子叫等位质子（homotopic proton），等位质子在任何环境中都是化学等价的；可通过镜面对称互换的质子叫对映异位质子（enantiotopic proton）。一组化学位移等价（chemical shift equivalence）的原子核，若它们对组外任何原子核的偶合常数都相同，那么这组原子核就被称为磁等价（magnetic equivalence）或磁全同。显然，磁等价一定化学等价，而化学等价不一定磁等价。判断分子中的氢是否化学等价时，下面几种情况要予以注意： ①与不对称碳原子相连CH₂上的两个H是化学不等价的。不对称碳原子的这种影响可以延伸到更远的氢上。 ②在烯烃中，若双键上的一个碳连有两个相同的基团，另一个碳连有两个氢，则这两个氢是化学等价的，与带有某些双键性质的单键相连的两个氢，在单键旋转受阻的情况下，也能用同样的方法来判别它们的化学等价性。 ③在某些条件下非化学等价的氢，可能在另一些条件下化学等价。例如环己烷上的CH₂，当分子的构象固定时，两个氢是化学不等价的，当构象迅速转换时，两个氢是化学等价的。只有化学不等价的质子才能显示出自旋偶合。
在核磁共振谱中，共振峰下面积与产生峰的氢原子数成正比，因此峰面积之比即不同类型氢原子数之比，若知道整个分子中的氢原子数，即可从峰面积的比例关系推算出各组磁等价氢的具体数目。核磁共振仪用电子积分仪来测量峰的面积，在谱图上从低场到高场用连续阶梯积分曲线来表示。积分曲线的总高度与分子中的总氢原子数目成正比，各个峰的阶梯曲线高度与该峰面积成正比，即与产生该吸收峰的氢原子数成正比。各个峰面积的相对积分值也可以在谱图上直接用数字显示出来，如果将含一个氢的峰面积指定为1，则图谱上的数字与氢原子的数目相符。
核磁共振氢谱提供了积分曲线、化学位移、峰形及偶合常数等信息，图谱的剖析就是合理地分析这些信息，正确地推导出与图谱相对应化合物的结构。通常采用如下步骤。
①标识杂质峰。在¹H-NMR谱中，经常会出现与化合物无关的杂质峰，在剖析图谱前应先将它们标出。 最常见的杂质峰是溶剂峰，样品中未除尽的溶剂及测定用的氘代溶剂中夹杂的非氘代溶剂都会产生溶剂峰。为了便于识别它们，下表列出了最常用溶剂的化学位移。
在¹H-NMR测定时，旋转的样品管会产生不均匀的磁场，导致在主峰两侧产生对称的小峰，这一对小峰称为旋转边峰，旋转边峰与主峰的距离随样品管旋转速度的改变而改变，可在调节合适的仪器中消除。 ¹³C与¹H能发生偶合并产生裂分峰，这对裂分峰称为¹³C同位素边峰。由于¹³C的大然丰度仅为1.1%，所以¹³C同位素边峰只有在样品浓度很大或图谱放大时才会出现。 ②根据积分曲线计算出各组峰的相应氢原子数，若图谱中已直接标出氢原子数，则此步骤可省。 ③根据峰的化学位移确定它们的归属。 ④根据峰的形状和偶合常数确定基团之间的互相关系。 ⑤采用重水交换的方法识别活泼氢。由于-OH，-NH₂，-COOH上的电离活泼氢能与D₂O发生交换。而使活泼氢的信号消失，因此对比重水交换前后的图谱可以基本判别分子中是否含有活泼氢。 ⑥综合各种分析，推断分子结构并对结论进行核对。
一级图谱比较简单，可以直接根据上述几个方面来进行剖析，但剖析的顺序可以根据实际情况灵活掌握。高级图谱的谱线一般都很复杂，难以直接剖析，为了方便，最好在剖析前先采用合理的方法简化图谱，简化图谱常用的方法请参阅有关专著。
¹³C的核磁共振原理与¹H的核磁共振原理相同，因此¹³C与直接相连的氢核也会发生偶合作用。由于有机分子大都存在碳氢键，从而使裂分谱线彼此交叠，谱图变得复杂而难以辨认，只有通过去偶处理，才能使谱图变得清晰可辨。最常用的去偶法是氢（噪声）去偶法，该法采用双照射法，照射场的功率包括所有处于各种化学环境中氢的共振频率，因此能将¹³C与所有氢核的偶合作用消除，使只含C、H、O、N的普通有机化合物在¹³C-NMR图谱中，¹³C的信号都变成单峰，即所有不等性的¹³C核都有自己的独立信号。 图4为丙酮的¹³C谱。（a）为偶合谱，（b）为氢去偶谱。在偶合谱中，羰基碳（δ=206.7）与六个氢发生二键偶合，裂分成七重峰，α碳（δ=30.7）与三个氢发生一键偶合，裂分成四重峰。在氢去偶谱中，羰基碳和α碳的裂分峰均变成了单峰。丙酮有两个相同的α碳和一个羰基碳，α碳的峰强度较羰基碳的峰强度大。氢去偶碳谱就是通常说的碳谱，又称为宽带去偶碳谱，用¹³C{H}表示。其他去偶方式还有很多，有兴趣的读者请参阅有关专著。 1、本站所有文本、信息、视频文件等，仅代表本站观点或作者本人观点，请网友谨慎参考使用。 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
图4 丙酮的13C谱图
