[科普中國]-液核磁技術(shù)

原子核的磁性

核磁共振是當(dāng)原子核被磁場磁化時對射頻的響應(yīng)。原子核一般都有凈磁矩和角動量（或自旋），當(dāng)外部磁場出現(xiàn)時，原子核就會圍繞外磁場的方向運(yùn)動，和陀螺圍繞地球的重力場運(yùn)動是一樣。如果這些發(fā)生自旋的原子核有磁性，且和與外部磁場發(fā)生相互作用時，就會產(chǎn)生出可測量的信號。若原子核中的中子數(shù)和質(zhì)子數(shù)有一者或兩者都為奇數(shù)，那么產(chǎn)生核磁共振信號的條件就具備了，如氫核1H，碳13C，氮14N 等。自然界中氫核1H 的含量豐富，具有較高的檢測靈敏度，磁矩比較大并且容易產(chǎn)生較強(qiáng)的信號。所以絕大多數(shù)的核磁共振技術(shù)都是以氫原子核的響應(yīng)為基礎(chǔ)，我們討論的質(zhì)子就是氫核。氫原子核有一個質(zhì)子，是一個很小的具有角動量或自旋的帶正電荷的粒子。自旋質(zhì)子相當(dāng)于一個電流環(huán)，產(chǎn)生一個磁場。兩極（南極和北極）對準(zhǔn)自旋軸的方向。因此氫核可以認(rèn)為是一個磁針，其磁軸與核的自旋軸一致。當(dāng)存在許多氫原子且無外部磁場時，氫核的自旋軸是隨機(jī)取向的脈沖翻轉(zhuǎn)和自由感應(yīng)衰減。磁化矢量從縱向翻轉(zhuǎn)到橫向平面，通過一個與靜磁場 B0垂直的交變磁場 B1來完成。B1的頻率必須的等于質(zhì)子的拉莫爾頻率。從量子力學(xué)的角度看，如果質(zhì)子處于低能態(tài)，它就會吸收由 B1提供的能量躍遷到高能態(tài)。B1還能使質(zhì)子之間同向進(jìn)動。由 B1引起的能級的變化和同向進(jìn)動就稱為核磁共振（NMR）。

基本原理核磁共振的研究對象是具有磁矩的原子核。原子核是帶正電的粒子，其自旋運(yùn)動會產(chǎn)生磁矩。原子核的自旋運(yùn)動與自旋量子數(shù)I有關(guān)。 I=0的原子核沒有自旋運(yùn)動，不會產(chǎn)生磁矩，而 I≠0的原子核有自旋運(yùn)動，會產(chǎn)生磁矩1。

脈沖傅立葉變換脈沖傅立葉變換(Pulse Fourier Transformation－PFT)法是把射頻場以強(qiáng)而短的射頻脈沖(X軸上)加到樣品上來觀察NMR現(xiàn)象。這一射頻同時激發(fā)樣品所有碳核，使核的宏觀磁化矢量M偏離靜磁場 ，在接收機(jī)(Y軸上)線圈內(nèi)感應(yīng)出一個射頻電壓信號，這一信號稱為自由感應(yīng)衰減信號(FID)，它是時間域函數(shù)，經(jīng)傅立葉變換(FT)成頻率域譜圖2。