核磁共振技术及其应用 刘飞
一、定义
核磁共振技术是指原子核的磁矩在恒定磁场和高频磁场同时作用下，当满足一定条件时发生的共振吸收现象，是一种利用原子核在磁场中的能量变化来获得信息的技术。

核磁共振是磁矩不为零的原子核，在外磁场作用下自旋能级发生塞曼分裂（半数以上的原子核具有自旋，旋转时产生一些小磁场。

当加一外加磁场时，这些原子核的能级发生分裂，这一物理现象称为塞曼分裂），共振吸收某一定频率的射频辐射的物理过程。

（百度百科）
二、原理
如同电子具有自旋角动量和自旋磁矩一样，原子核也有自旋角动量和自旋磁矩。

核的自旋角动量I S ，即是原子核内所有核子（质子和中子）的自旋角动量和轨道角动量的矢量和，大小为 )1(S +=I I I ,（I 为核自旋量子数）。

I S 在外磁场B 方向的投影为 I m S =z （假设磁场沿z 方向），I m 为核自旋磁量子数，I 一定时，I m 共有12+I 个不同的取值，即原来的能级分裂成了12+I 个能级。

自旋不为零的原子核具有磁矩μ，它与自旋角动量的关系为
I p
gS m e 2=μ 其中p m 为质子质量，g 为核的朗德因子，取决于核的内部结构与特性。

核磁矩μ在外磁场B 方向的投影为
I N I p
z p z m g gm m e gS m e μμ=== 22 式中N μ是一个常数，成为核磁子，有
12710057866.52e --⋅⨯==T J m p
N μ 磁矩与磁场的相互作用能为
B m g B B E I N μμμ-=-=⋅-=z
以氢核为例，氢核的自旋磁量子数21m ±=I ,它在外磁场中的能量如右
图。

由B m g B B E I N μμμ-=-=⋅-=z ，得氢核
相邻两个能级的能量差为
B g E E E N μ=-=∆12
⇒当氢核在外磁场中时，
要从能级1E 跃迁至2E ,必须吸收频率0ν的电磁波，
h
B g E N μν=∆=h 0 即，只有当入射电磁波的频率0νν=时，才能被氢核吸收。

三、应用
核磁共振适合于液体、固体。

如今的高分辨技术，还将核磁用于了半固体及微量样品的研究。

核磁谱图已经从过去的一维谱图（1D ）发展到如今的二维(2D)、三维(3D)甚至四维（4D ）谱图，陈旧的实验方法被放弃，新的实验方法迅速发展，它们将分子结构和分子间的关系表现得更加清晰。

(一)固体核磁共振的应用
固体核磁共振常用于不溶性的高分子材料、膜蛋白、刚性金属及非金
属材料。

（二）液体核磁共振的应用
液体核磁共振应用范围（目前是主要的）：有机化合物，天然产物，生物大分子。

溶液高分辨核磁共振在化学中主要应用：
1）基本化学结构的确定、立体构型和构象的确定；
2）化学反应机理研究、化学反应速度测定；
3）化学、物理变化过程的跟踪；
4)化学平衡的研究及平衡常数的测定；
5）溶液中分子的相互作用及分子运动的研究（氢键相互作用、分子链的缠结、胶束的结构等）；
6）混合物的快速成分分析（LC-NMR, DOSY)。

液体核磁共振在生物大分子在溶液中的主要应用主要有一下几个方面：
1）测定生物大分子在溶液中的三维结构：是目前为止唯一能够准确测定生物大分子在溶液中的三维结构的方法；
2）蛋白质与核酸的相互作用：分子生物学、分子遗传学、基因调控、药物设计等领域中都要涉及的重大问题；
3）蛋白质卷曲和折叠研究：研究卷曲和折叠的动力学过程；
4）药物设计：研究激素-受体复合物；酶与底物的复合物；功能蛋白与靶分子复合物，特别是关于结合点的结构信息。

（三）核磁共振成像（NMR成像技术）在临床医学上的应用
核磁共振CT广泛用于医疗诊断。

就人体而言，体内大部分（75%）物
质都是水，含有大量氢核（一个水分子含有两个氢核），且不同组织中水含量不同。

用核磁共振CT手段可测定生物组织中含水量分布的图像，实际上就是质子密度分布的图像。

当体内遭受某种疾病时，其
含水量分布会发生变化，利用
氢核核磁共振，将病态图像和
正常的图像比较，即可做出诊
断，而且对人体无辐射危害。

四、结语
目前，在世界上的许多大学、研究机构和企业集团，都可以听到核磁共振这个名词。

而亲它在化工、石油、橡胶、建材、食品、冶金、地质、国防、环保、纺织及其他工业部门用途日益广泛。

作为一名在校大学生，我们应该时刻保持对新知识的敏感与渴望，时刻注意用知识武装自己，走在时代前沿，将来好有一番作为。