Nuclear Magnetic Resonance Spectroscopy ( NMR )

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1、11NuclearMagneticResonanceSpectroscopy(NMR)核磁共振光譜儀之源起核磁共振（nuclearmagneticresonance），核是指原子核，磁是指磁場，主要是指有磁矩的原子核在靜磁場中，受電磁波的影響而產生的共振躍遷現象。1945年12月，美國哈佛大學E.M.Purcell等人，首先觀察到石蠟樣品中質子（即氫原子核）的核磁共振吸收信號；1946年1月，美國史丹福大學F.Bloch研究小組在水樣品中也觀察到質子的核磁共振信號。Bloch和Purcell兩人由於這項成就，獲得了1952年諾貝爾物理獎。（12）核磁共振被

2、證實之後，無數科學家加入研究的行列，使得此項技術迅速成為在物理、化學、生物、地質、醫學等領域研究之利器，尤其是應用在醫學診斷上的核磁共振顯像（magneticresonanceimaging，MRI），也就是俗稱的核磁共振斷層掃描，更是自X光發現以來，醫學診斷技術的重大進展。（1）基本原理1924年物理學家鮑利（WolfgangPauli）提出：物質中的原子核，在某些狀況下，會以角動量運動，即自旋的方式，而變得有磁性（1）。核磁共振光譜法是在探討物質與電磁波的作用時所分支出的一門學問。將分子置入強大的外磁場中，核磁距與外加磁場相互作用，就會吸收（absor

3、ption）無線電波，這現象於1945年被F.Block與E.Purcell發現，並於1952年共同獲得諾貝爾獎（14）。這種電磁波被吸收的現象主要來自於原子核能階的躍升，如Fig.1所示，即從低能階自旋翻轉（spin-flips）至較高能態，但處於高能階時較不穩定，會以光或能量的釋放回復至原來的狀態（即relaxation）（3）。由於核磁共振的性質會隨核子種類、外加電場大小，或外圍電子雲及磁力線的總和而變化，因此針對同一種原子而言，其所吸收的無線電波頻率，便會隨原子本身在分子中所處環境的不同1111而變化，測量這種變化可加以推斷該原子於分子中所處的位置

4、，及相鄰同種類原子間的距離，進而了解整個分子的結構。核磁共振波譜儀就是利用這種原理而設計，它具有一偵測器可測得電磁波的吸收，所造成的線路阻抗改變引發的電子訊號，經由分析器將訊號的強度對頻率作圖，而得到核磁共振波譜圖。（4）Fig.1能量的吸收－當加入適當頻率的電磁波時（即電磁波之頻率等於兩能階之差異），會發生能量吸收（absorption）的現象：電磁輻射射入低能階（E1）的原子或分子時，原子或分子會吸收能量而躍升至高能階（E2）（摘自WilliamH.Brown，IntroductiontoOrganicChemistry）首先，簡述一下電磁輻射＊a之原

5、理。電磁輻射原理中最重要的兩個因素為wavelength＊b（波長）和frequency＊c（頻率），通常分別用λ和υ，其單位為meter（公尺）和hertz（Hz，赫茲）＊d，下列有一公式說明它們之間的關係：λυ＝CC：光速，3.00×108m/s此外探討一莫耳光子（photon）的能量時也和波長及頻率有關，公式如下：E＝hυ＝h‧C/λ其中E為能量，單位是kcal/mol；h為Planck’s常數，為9.54×10-14kcal‧s‧mol-1，根據上列公式而求出連續光譜之頻率、波長及能量，如Fig.2。（5）1111Fig.2連續光譜之頻率、波長及能

6、量（摘自WilliamH.Brown，IntroductiontoOrganicChemistry）Fig.3波長之共同單位（摘自WilliamH.Brown，IntroductiontoOrganicChemistry）再者，說明核在磁場的旋轉方向及其能量之關係：核的自旋位向在外磁場的影響下可使自己的小磁場和外磁場同向（平行）或反向（反平行）排列。這兩種位向具有不同之能量：平行的位向較低，如Fig.4所示。（5）Fig.4核在磁場的旋轉方向及其能量之關係－平行於磁場之位向，其能階較低1111（摘自WilliamH.Brown，Introductionto

7、OrganicChemistry）磁共振原理其經典抽象描述是﹕原子﹑電子及核都具有角動量﹐其磁矩與相應的角動量之比稱為磁旋比γ。磁矩M在磁場B中受到轉矩msin(為M與B間夾角)的作用。此轉矩使磁矩繞磁場作加速運動﹐加速度的角頻率=γ﹐稱為拉莫爾頻率。由於阻尼作用﹐這一加速運動會很快衰減掉﹐即m達到與平行﹐加速就停止。但是﹐若在磁場的垂直方向再加一高頻磁場()(角頻率為)﹐則()作用產生的轉矩使m離開﹐與阻尼的作用相反。如果高頻磁場的角頻率與磁矩加速度的拉莫爾(角)頻率相等=﹐則()的作用最強﹐磁矩m的加速度夾角(m與角的夾角)也最大。這一現象即為磁共振。

8、1111儀器基本架構（本圖摘自WilliamH.Brown，Int