[科普中国]-核磁共振谱学

本书深入系统地论述了NMR谱学的几乎全部内容，作者主要参阅了近几年来国外这方面的诸多文献，对氢谱、碳谱、二维谱、蛋白质和核酸的NM日分析等问题作了深入的阐述。在1H NM日中，对氢谱涉及到的自旋-自旋耦合、核间奥氏效应(NOE效应)、分子立体结构和手性中心对相邻质子的作用等作了详细说明。对13C NM日谱的去耦技术和在非去耦条件下的13C-1H耦合、13C-13C耦合等问题作了概述。用一章的篇幅对2D NMR作了专门的论述。本书还对蛋白质、核酸生物大分子的核磁共振研究进展作了详细的介绍，并给出了大量参考文献。在书的最后附了大量谱图供大家参考，特别是对许多谱图作了表征。本书理论服务于实践，实用价值很大，是从事有机化学、药物化学、植物化学、生物化学、石油化学、化学工业、材料化学、生命科学等方面的科技人员和高等院校相关专业师生的一本很好的参考书和工具书，也可以作为NMR谱学的教科书使用。

章节内容全书共8章。第1章绪论是全书的一个引子。第2章介绍化学位移，是NMR的基础部分。第3章论述了自旋-自旋耦合，是1HNMR的核心内容。就核磁共振谱来说，1HNMR较为复杂，特别是1HNMR涉及的自旋-自旋耦合，能给出许多结构信息，这些信息可以从耦合常数J中得到。核间奥氏效应(NOE)是指两个质子在空间接近时，对一个质子做饱和照射，另一个质子的信号也会变化。NOESY谱是质子NOE信号二维谱，能揭示质子在空间接近时的关系，帮助把分子中的空间结构建立起来，是研究分子构型和构象的有效手段，在天然产物和复杂分子的结构确定中引起了广泛关注，本书在第4章对此作了概述。第5章对13CNMR谱的去耦技术和在非去耦条件下的13C-1H耦合、13C-13C耦合等问题作了说明，并给出了许多13CNMR谱的化学位移（δ）值，相信对解谱会有帮助。二维NMR(2DNMR)近年来进展很快，在解析复杂化合物的分子结构中，以其直观、明快、可靠等特点取得了很大成功，本书在第6章作了专门介绍。21世纪是生命科学蓬勃发展的世纪，有机化学也提出了生命有机化学和绿色化学的理念。蛋白质、核酸和其他生物大分子都是人们认识生命运动的基本物质，核磁共振为人们对这些生物活性分子的研究提供了有力的工具和手段，本书第7章对蛋白质和核酸的NMR分析作了简要的介绍。

目前，NMR已经在医学方面得到了重要应用，有兴趣的读者可以参阅这方面的专著。为了帮助读者更好地理解NMR谱，本书第8章列出了大量谱图供大家参考。这些谱图中一部分是作者及其领导的研究组成员做出的相关化合物的NMR谱图，另一部分选自Aldrich图集和相关文献。为了面向不同的读者，选图的范围尽可能广泛并注意难易结合。NMR谱学是一门科学，同时也是广大科研人员的工具。本书旨在从学术理论出发，着重NMR谱学的应用性。希望本书的出版能对我国的NMR研究和应用有所帮助。1

核磁共振技术核磁共振是指放置于均匀静磁场中的具有自旋角动量的原子核系统在一定频率的射频场作用下，吸收射频场的能量后在原子核的磁能级之间产生的共振跃迁现象2。核磁共振技术作为一门交叉学科，它的发展得益于现代电子技术、计算机技术、信号处理等技术的最新研究成果。

核磁共振技术的发展1946年，美国科学家最早发现了核磁共振现象，并从此开始了对核磁共振技术的研究。60多年来，科学家们对核磁共振技术的研究从未停止过，从而推动核磁共振技术不断高速向前发展。迄今为止，一共有多达12位科学家因为在核磁共振领域的突出贡献获得了诺贝尔奖。

在核磁共振现象被发现的初期，核磁共振技术主要应用于测定元素周期表中每一个元素的磁矩。当时核磁共振波谱仪的静磁场一般采用电磁铁实现，对应的工作频率较低，一般在几十MHz的频率范围内;谱仪的工作方式也都是连续波的方法。

随后，人们意识到原子核外部电子对原子核磁矩的影响，这直接导致了化学位移的发现。化学位移的发现使得当时的化学家和生物学家认识到核磁共振技术的巨大应用潜力，因此更多的人力和物力开始投入到核磁共振技术的研究中，出现了很多新技术，其中脉冲核磁共振技术的出现大大提高了核磁共振波谱仪的灵敏度，使得以往采用连续波核磁共振技术难以测量的13C和15N等原子核的测量变为现实。3

再后来，核磁共振的固有缺点即灵敏度低的问题越来越突出，而唯一可以解决这个问题的方法就是采用更高的磁场强度。由于电磁铁的磁场强度已经达到了极限，因此开始转向使用超导磁体。通过使用超导磁体使核磁共振波谱仪的工作频率不断提高，由最初的200MHz，提高到后来750MHz，乃至如今的1000MHz甚至更高。时至今日，在高端核磁共振波谱仪的应用中几乎全都采用超导磁体。超导磁体的使用不仅解决了核磁共振灵敏度低的问题，还大大改善了核磁共振波谱仪的分辨率，使得核磁共振技术可以用于研究更复杂的分子结构。

最后，核磁共振成像技术在医学领域的广泛应用被认为是开创了一次伟大的医学革命。同时，核磁共振技术也开始和越来越多的学科融合在一起，由此出现了核磁共振测井仪，核磁共振找水仪，核磁共振含油量测试仪等。

如今，核磁共振技术仍处于高速发展之中。展望其未来的发展趋势，以下几个方面值得重视:二维和多维核磁共振、非氢原子核的核磁共振现象、电子自旋共振成像和核磁共振技术与其他技术的结合应用等。

核磁共振技术的应用核磁共振技术的应用极为广泛，下面分别从能源，医疗，食品化工等方面阐述其巨大的现实意义。

1.能源方面

石油作为当今社会使用的主要能源，对国民经济的发展起着重要作用，同时石油也被各个国家看作是重要的战略储备物资。我国既是石油消耗大国也是石油进口大国，当前迫切需要提高我国石油的自给自足能力，因此利用核磁共振测井仪来提高我国的石油勘探水平具有重要的现实意义。4

水是生命资源，是人类赖以生存的条件。我国水资源总体含量高，但是人均占有量低，在西部地区几千万人饮水困难的问题还没有解决。核磁共振技术可以用于地下水勘探，而且不需要打钻孔就可以确定地下是不是有水，因此可以大大节约找水的成本。

2.医疗方面

核磁共振成像技术在医疗方面的应用被认为是开创了一次医学革命。通过对人体进行核磁共振成像，患者不再需要忍受开刀的痛苦就可以确定身体的病变组织，这为患者获得及时治疗提供了有力保障。此外核磁共振成像与以往医疗成像技术如X光成像等相比还有无辐射、无创伤等优点。根据统计，每年有接近一亿人次进行核磁共振成像检测，并且这一数字还在逐年升高当中。

3.食品化工方面

在食品方面，核磁共振技术可以用于种子含油量的检测，并且这种检测方法不会损伤种子本身，具有检测速度快、准确度高等优点;该技术还可以用于检测水果的成熟度，区分水果是否去核，检测食品中是否添加了违规的添加剂等。

在化工方面，核磁共振技术可以用于牙膏含氟量、衣服的化纤涂层含量、药物成分等的检测。

核磁共振波谱仪的类型依据射频场的施加方式不同，核磁共振波谱仪可以分为:连续波方法和脉冲傅里叶变换方法。

连续波方法中发射机的输出是射频正弦波信号，只有发射机产生的正弦波频率等于原子核的进动频率时，才会发生核磁共振现象。为了满足这个条件，实际操作中有两种方法，一是调场法;二是调频法。调场法就是固定发射机的射频正弦波频率，调节静磁场的磁场强度，让原子核的进动频率跟踪发射机输出的正弦波频率;调频法则是固定静磁场的磁场强度，调节发射机的输出频率，让发射机输出的正弦波频率跟踪原子核的进动频率l。在实验效果上，这两种方法是等效的。

脉冲傅里叶变换方法采用的激励信号是正弦波调制的矩形脉冲信号。根据傅里叶变换原理可知，矩形脉冲信号的频谱宽，可以使共振频率在正弦波频率附近的原子核都发生共振，因此脉冲法比连续波方法的效率高。脉冲傅里叶变换方法常常使用信号累加的方式来提高灵敏度，如今已经提出了各种各样的脉冲序列来进行实验。

依据静磁场的强度不同，核磁共振波谱仪可以分为:低场核磁共振波谱仪、中场核磁共振波谱仪、高场核磁共振波谱仪三类。

低场核磁共振波谱仪的静磁场一般采用永磁体、电磁铁甚至地磁场。常见的应用是核磁共振测井仪和核磁共振找水仪，这类仪器的特点是发射功率大，一般在几百瓦以上，而要接收的核磁共振信号十分微弱，且干扰严重。

中场核磁共振波谱仪的静磁场通常采用超导磁体、永磁体或电磁铁。相对于低场核磁共振波谱仪，要接收的核磁共振信号幅度较大，信噪比高，因此易于接收和处理。一般的中低端商业仪器都可以归结为中场核磁共振波谱仪。

高场核磁共振波谱仪的静磁体是采用超导磁体实现的，工作频率在GHz以上，设备的体积大，成本高，多用于科学研究中，如蛋白质、大分子结构分析等。

依据核磁共振信号的检测方式，核磁共振波谱仪还可以分为:单线圈法、双线圈法和准双线圈法。