前言

提及核磁共振（NMR），多数人首先联想到的是我们在医院中常见的磁共振成像（MRI）检查。由于科学知识的欠缺，其中许多人对MRI产生辐射、对健康有害的误解，从而产生了所谓的“谈核色变”现象。据说，冷战时期，美国的医学专家为了消除民众对核能的恐惧，将核磁共振成像更名为磁共振成像。

前面所述主要涉及大众对核磁共振的普遍认知，这些看法大多局限于医疗卫生领域。实际上，核磁共振涉及的领域极为广泛，不仅包括相关的实验技术，还涵盖了系统而完备的理论体系。自Rabi和Bloch等先驱物理学家揭示了NMR现象之后，经过全球众多科学家的不懈努力，核磁共振技术已经从最初的一种崭新实验手段，演变成为一门在物理、化学、材料科学、生物医学以及电子学等多个领域都具有深远影响的综合性交叉学科。短短几十年间，该领域便与诺贝尔奖结缘五次，其影响力在物理学、化学及生物医学领域均有显著体现。此外，根据相关统计数据，在每年全球发表的科技文献中，关于核磁共振的研究论文数量位居首位，占据绝对优势。

这些事实充分显示出核磁共振在学科领域中的旺盛生命力。与此同时，作为一项实验技术，它的应用领域极为广泛——从宏观物体到微观的原子分子状态，核磁共振都已成为我们观察和研究物质不可或缺的“观察工具”。而且，鉴于核磁共振在基础研究和应用研究之间建立了良好的互动机制，它的进步无疑对其他学科的发展起到了积极的示范效应。鉴于核磁共振技术内涵丰富，篇幅所限，此处仅挑选若干议题与大家交流一二mestrenova修改溶剂，后续将陆续深入探讨核磁共振的基本原理、软件操作技巧以及其在不同学科领域的应用等话题，敬请关注。

正如常言所说，"一千个读者心中便有一千个哈姆雷特"。因此，这个问题的解答必须考虑到科研和技术人员所属的学科范围、他们专注的研究领域以及他们所处的特定行业，进行细致的分析。对于从事核磁检测工作的专业人员而言，NMR 对于他们而言可能仅仅是一张图谱。通常情况下，他们只需掌握这台仪器的操作流程、基础维护方法、软件应用以及样品制备步骤即可。而对于要求更为严格的岗位，他们还需具备解读图谱的专业技能。有机化学家除了需掌握前述知识，还需精通有机化合物的纯化技术、有机反应原理以及核磁共振方法的应用，这些对于深入解析有机化合物的结构、洞察有机反应机制至关重要。唯有如此，我们才能认定这位有机化学家已真正精通了核磁共振技术。

当然，这些科研人员只是将NMR视为与红外、紫外类似的表征工具。对于NMR仪器工程师而言，NMR代表的是一种精密且价格不菲的大型设备。因此，他们必须深入了解仪器的运作原理以及电子器件的电子学知识，以确保仪器能够处于良好的工作状态，防止出现故障。工程师们技艺高超，能够依据客户的具体要求，量身打造核磁设备及其配件，如探头等。对于专注于NMR技术，并在催化、电池、医药、高分子、生物学等众多领域进行深入研究的专业人士而言，NMR技术是他们开展科研探索的关键工具。他们的职责在于持续创新核磁技术，或是运用现有技术深入探究物质，以期揭示新的科学现象。

这些科研工作者通常被称作核磁共振波谱专家。接下来我们所提及的NMR，主要是指核磁共振波谱学。简而言之，核磁共振波谱学涵盖了理论和方法学的研究与应用两大领域：理论方面主要涉及核磁共振检测技术、脉冲序列的研制以及NMR图谱的计算模拟和相应软件的开发，这些内容与核磁共振的原理——量子力学——密切相关。因此，精通量子力学和数学知识是至关重要的，此外，若能掌握一定的计算机语言技能则更为理想。后者通过运用现成的核磁脉冲序列及技术手段，对催化剂、高分子、生物大分子、储能材料、有机物以及药物分子等物质的内部结构、反应机制和动力学特性进行深入研究，并在这一过程中揭示新的实验现象。为了达到这一目的，研究者必须掌握相关脉冲序列和方法的原理，并具备相应领域的专业知识，这样才能更有效地运用核磁共振技术。

自然，某些研究需要创新实验设备（诸如原位与联用设备）以深入探究物质及其反应机制。此外，鉴于所采用的谱仪种类，每个研究领域又可以细分为固体核磁与液体核磁两大类别。

因此，若想深入精通NMR技术，务必掌握众多领域的知识，努力成为一位“通才”，方能自如地操控NMR，自如地操作。

目前，NMR设备具备检测各类物质状态的能力。其中，液体和固体是最常被检测的，而液晶、胶体乃至气体也均可直接进行检测。然而，这一检测的前提是所检测物质的元素原子核的核自旋量子数不为零——这一点在元素周期表中的多数元素中得以体现。因此，这便引出了NMR研究的核心——核自旋。这自然只是理论层面的考虑，然而，在实际操作中，我们还需关注这台仪器是否能够进行测试，以及能否成功获得一幅信噪比较高的NMR谱图。这涉及到被测元素原子核的拉摩频率是否落在了仪器的预定频率区间内，以及原子核的自然丰度和相对灵敏度是否足够高。这些关键信息，我们都可以通过查阅网上的NMR元素周期表来获取。此外，某些设备，例如液体核磁共振，在检测过程中，所测物质应尽量避免含有顺磁性成分。

核自旋与 NMR 元素周期表图片来源：必应

NMR技术首先属于无损检测领域，其应用范围广泛，检测对象多样。在原子层面，它能提供极其丰富的信息，并且分辨率相当高。这些特点使得NMR在红外、紫外、拉曼等众多光谱技术中独树一帜，难以与之相提并论。此外，从原子结构的有序性角度考量，XRD、中子衍射等衍射手段通常在长程有序的晶体材料中发挥显著效用；然而，面对玻璃、有机聚合物等结晶度较低但短程有序的非晶态材料，这些技术往往难以施展。相比之下，固体核磁技术在分析此类物质时，却能揭示出有价值的资讯。NMR技术不仅能够对物质进行同步的定性及定量分析，而且还能实现“动静结合”的观察方式。其中，“静”代表了对物质结构和组成的观测与确认，“动”则涉及获取物质及其反应的分子动力学数据。

尽管核磁共振技术具有众多优势，然而不得不承认，与其他分析手段相比，其灵敏度依旧相对较低，这构成了当前核磁共振技术发展面临的主要挑战之一。通常情况下，为了获取有效的信号，被测物质的质量需达到毫克级别。尽管近年来已涌现出多种技术和方法以提升其灵敏度，但这些方法各自都有其局限性，距离实际应用和推广仍有一段距离。

简而言之，NMR实验主要通过分析峰的位置、峰的形状、峰的强度以及弛豫时间等数据来获取基础信息。这些信息可以从我们之前所提及的“静态”和“动态”两个方面进行阐述。比如，从“静态”的角度来看，无论是液态还是固态的核磁共振mestrenova修改溶剂，峰的位置通常指的是化学位移，这是用来定性识别物质成分和类型的关键依据。在液体核磁共振中，通常我们观察到的是有机化合物中官能团的相关信息，而通过结合二维谱图，我们能够获取到有机物的整体结构及其空间构象。此外，对于液体核磁共振来说，峰形的分析应着重于峰的裂分次数和裂分间距，这些信息有助于我们确定J偶合常数的具体数值，并对物质的结构进行判断。同时，通过观察峰的裂分情况，我们还可以间接评估磁场的均匀性。

在固体核磁共振中，我们能够获取到更为详尽的数据，峰位和峰形的分析结果尤为丰富。不同学科和研究领域结合这些数据，能够揭示出多样化的信息。具体而言，在分析峰形时，我们不仅要关注峰的裂分情况，还要留意峰的线形和宽度等细节。通过分析这些呈峰状的数据，我们可以提取出一系列NMR相互作用参数，例如化学位移各向异性、偶极-偶极偶合常数以及四极偶合常数等，进而间接推断出化学键的长度、角度以及空间排列等物质结构的关键信息。当然，这些化学位移和峰形差异的根本原因，在于原子成键方式及化学环境的多样性（比如表面与体相、自由物质与吸附物质、不同晶型原子的空间排列各有不同），以及由此产生的原子核NMR相互作用哈密顿量的差异所致。

此外，为了验证谱图分析的合理性，必须借助多维度核磁共振实验、涉及多种核的相关核磁共振实验、核磁共振谱图的计算模拟以及其它相关表征技术，以实现进一步的验证。至于峰强度，无论是液态还是固态的核磁共振，都可用于定性分析某一组分的相对含量，或者通过加入一定量的标准样品等手段，进行定量分析，以确定某一组分或物质的含量。

在固体核磁共振（NMR）领域，存在几种关键的相互作用，它们的哈密顿量图示源自必应搜索，并经过适当调整。

从“动”的视角出发，核磁共振（NMR）是一项极为有用且关键的研究分子动力学的方法。它通过实施变温实验、二维交换实验以及交叉极化等手段，对谱图线形、峰宽、峰强以及核磁弛豫时间等参数进行探究。NMR技术能够研究从皮秒至几十秒这一范围内的分子运动，诸如分子的振动、转动、扩散以及化学交换等现象。这里有两个颇具代表性的案例，比如在液体核磁共振中，化学交换速率的快慢常常会导致谱线形状的变化；而在固体核磁共振中，通过分析不同温度条件下的氢谱线形变化，我们可以探究分子的运动状态。

通过深入研究这些分子的动态，我们不仅能够获取诸如活化能、反应速度以及扩散常数等关键物理量，还能够在宏观层面重新审视物质的特性以及诸多反应机理，诸如药物分子在晶型上的变化、聚合物从玻璃态到橡胶态的转变，以及气体和液体分子在多孔介质中的流动状况等。这些发现有助于我们更有效地设计和开发具有特殊性能的材料。

至于我们为何能够通过NMR图谱的变化来监测分子的运动轨迹，其核心在于分子的运动状态会改变原子核的核自旋哈密顿量，进而导致图谱在形状、峰宽和峰强等方面的变化。此外，这种影响的程度还与分子运动的时间尺度与NMR相互作用之间的相对比例有关。这就好比一部摄像机，它能以多快的速度捕捉到运动的细微之处，这取决于其拍摄速度与物体运动速度的相对快慢。另一方面，分子的运动同样会影响到我们对物质静态结构的观察，正如古人所言：“动中有静，静中有动”。

一些典型的物理运动时间尺度可参考文献：M.H.所著《Spin: The of 》，第二版，由John Wiley & Sons出版社于2008年出版。

化学物质间的相互作用对液体核磁共振（NMR）谱图产生了显著影响，同时，在固体NMR研究中，2H谱线在各个温度条件下的线性变化趋势也值得注意。图（a）展示了这些影响，资料来源于必应；图（b）则描绘了相关现象，由HeX, Lo A Y H, M等作者于2003年发表在《 of 》第42卷第2期，页码为335至347。

借助该公司（核磁仪器领域的领军企业）研发的软件（一款功能卓越的液体与固体NMR采样及数据处理分析工具），以及CMC系列软件（助力小分子物质结构解析），还有该公司开发的软件（有机化学研究者应熟悉，操作简便且实用的NMR数据处理分析软件），ACD/Labs旗下的软件（擅长解析有机分子结构），以及多种软件（能够展示并分析核酸、蛋白质及聚合物等物质的二维乃至更高维度的NMR谱图），以及处理和分析蛋白质NMR数据的常用软件，模拟大量液体和固体NMR实验的强大软件，实用的固体NMR实验模拟软件，Dmfit软件（一款擅长拟合液体和固体NMR一维及二维图谱的强大工具），Relax软件（一款协助分析蛋白质及其他大分子弛豫数据及动力学信息的软件）等，这些软件均能有效协助我们解决NMR数据处理难题。

一些常用的 NMR 数据处理软件图片来源：必应

NMR的基本原理

核磁共振（NMR）的原理可通过图1进行阐释。图中的每个短箭头代表一个微型磁铁。在未施加外部磁场时，这些磁铁倾向于以能量较低的无序状态排列。然而，一旦施加了具有特定方向的外部磁场B0，磁铁则会趋向于以能量较高的有序状态排列。

原子核在磁场中的表现相似，若施加的外加磁场B0所提供的能量恰好适宜，该能量便能够被原子核所吸收，促使原子核从低能级的运动状态转变为高能级的运动状态，从而引发“核磁共振”现象。一旦仪器检测到外加磁场B0被吸收，即可确认存在某种特定的原子核。那些具备核磁信号的原子核包括1H、13C、31P、15N以及19F等。

图1 原子核的自旋 波谱分析课程 潘丽 2016

若采用此法，NMR技术仅能识别出不同类型的原子核，这样的结果缺乏实质价值，因为类似元素分析等方法同样可以实现。NMR技术的真正核心原理则体现在以下公式中：

H有效=H0-H感应

探测器所测得的剩余磁场强度需扣除原子核外围电子云形成的感应磁场，由此 NMR 技术能够揭示处于不同化学状态下的原子。欲深入了解其原理，请参阅《研之成理》的相关文章。

实例分析

以5-甲基-2-异丙基苯酚为研究对象，对其1H、13C、DEPT以及二维NMR图谱进行详细分析。

A．氢谱1H-NMR

1H-NMR技术包含三个核心参数：化学位移、峰的相对高度以及裂分情况，这些参数有助于我们推断不同氢原子的分布和相互间的空间位置，以及判断是否存在活泼氢等关键信息。具体到特征质子的化学位移，可参考图2所示。

图2 特征质子的化学位移 波谱分析课程 2016

以5-甲基-2-异丙基苯酚的核磁共振氢谱（图2）为例，具体阐述图谱的解析步骤。

图3展示了1H-NMR的实例分析，内容涉及5-甲基-2-异丙基苯酚，这一分析选自邢其毅所著的《基础有机化学》第三版。

图中可见，图谱上呈现了七个峰，这些峰分别代表了化合物结构中七种独特的化学环境。这些峰首先被划分为三个不同的组别。

这三个峰位于化学位移6-8 ppm的范围内，位于低场区域，并且它们的积分比例均为1:1:1，因此可以推断它们分别对应于芳香环上的氢原子10、11和12。

这组数据中的三个峰位于化学位移1-4 ppm的范围内，位于高场区域，并且它们的积分比例相对较高，因此它们分别对应取代烷基上的氢原子，具体为9、13、14和15号氢原子。

第三组呈现的是化学位移在4至5 ppm范围内的一个单一峰值，通过排除法分析，我们能够判断这属于活泼氢7。

氢同位素11和12发生耦合并裂解，与此同时，它们还与氢9进行远距离裂解，导致出现多个峰值，据此我们可以断定中间的峰值对应的是氢11。

氢同位素10与9之间发生远距离分裂，而氢同位素12与11之间则出现耦合分裂，这导致氢10和氢12均呈现出双重峰形态；同时，氢10与氢9的远距离分裂程度较轻，即它们双重峰的化学位移差异较小（6.56286-6.56079=0.00207 ppm），据此我们可以精确地确定氢10的位置。

确定了氢元素在编号10/11的位置，那么氢元素在编号12的位置也随之得以明确。

最后根据排除法对应活泼氢 7.

小结：熟练掌握化学位移、峰强度和裂分情况来推理化合物结构。

B. 碳谱 13C-NMR

13C-NMR谱图一般采用全去偶技术（即消除核间相互偶合的作用），重点观察化学位移。下表列出了常见的碳原子化学位移。以5-甲基-2-异丙基苯酚的13C-NMR谱图（图4）为例，我们可以解析碳谱。

表1 常见碳原子化学位移 有机化学课程

图4展示的是13C-NMR实例分析，该分析针对的是5-甲基-2-异丙基苯酚这一化合物，内容摘自邢其毅所著的《基础有机化学》第三版教材。

图示中可见，除去溶剂峰（位于76 ppm处的三重峰），谱图上的峰群可划分为两大类，一类是处于低场的苯环碳原子1至6（化学位移在110至160 ppm之间），另一类是处于高场的饱和碳原子8、9、13和14（化学位移在20至30 ppm之间）。此外，碳原子的化学位移与其相连氢原子的化学位移之间表现出高度的一致性。

C. DEPT谱--对13C-NMR 的补充

无畸变增强极化转移技术，即DEPT，显著提升了13C的检测灵敏度，通过利用异核偶合对13C信号进行调制的手段，准确识别碳原子的种类。根据参数θ的不同，DEPT技术可分为三种类型：

当θ等于135度（C谱中），会导致CH和CH3呈现向上的共振吸收峰，而CH2则呈现向下的共振吸收峰，同时季碳的信号将不复存在。

当θ等于90度（即B谱情况）时，CH信号将呈现为向上，而其他信号则将不复存在。

当θ等于45度角时（对应A谱），CH3、CH2和CH的信号均呈现上升趋势，而季碳的信号则完全消失。

以5-甲基-2-异丙基苯酚的 DEPT 谱图（图5）为例。

图5展示了DEPT（135°）的实例分析，其中包含5-甲基-2-异丙基苯酚（标记为a），以及DEPT（90°）的对应图示（标记为b），这一分析内容出自邢其毅所著的《基础有机化学》第三版。

根据前文所述，观察图5（a）可以发现，该图中的六个峰分别代表一级或三级碳原子。进一步查看图5（b），可识别出其中的四个峰均属于三级碳原子。综合图5（a）和图5（b）的信息，我们可以确定化学位移值在126、121、116和26 ppm的峰分别对应四个三级碳原子，而化学位移值在22和20 ppm的峰则分别对应两个一级碳原子。

总结来看，通过进行 DEPT-A/B/C 谱的相加或相减操作，我们可以获得仅包含一级、二级或三级碳原子的谱图。

D. 二维 NMR 谱（H-H 相关或 C-H 相关）

二维核磁共振谱图将化学位移、耦合常数等核磁共振关键参数在二维空间中进行分布展示，有效缓解了谱线之间的拥挤和相互重叠，从而为揭示自旋核之间的相互作用提供了新的视角和信息。

图6展示了H-H偶合关系（部分a），以及C-H偶合关系（部分b），内容摘自邢其毅所著的《基础有机化学》第三版教材。

如图6（a）所示，图中纵轴与横轴均呈现一维氢谱特征，而研究的焦点集中在非对角线区域的峰，例如峰a。从该峰出发，绘制两条垂直线，它们分别与纵轴和横轴相交于两点，这两点分别代表一维氢谱中的氢15和氢13/14，从而揭示了这两组氢原子之间存在偶合现象。

同样地，在图6（b）中，我们能够观察到氢15与异丙基上的三级碳原子之间存在着一种偶联现象。

总结

核磁共振谱图种类丰富多样，通过分析原子核所处的不同化学环境，能够揭示出丰富的结构细节。本文以实例为依据，对几种谱图类型及其解析技巧进行了简要阐述。然而，这些内容只是冰山一角，其中深奥之处仍需细细琢磨。为此，建议读者参阅《有机波谱学谱图解析》一书。

参考资料

《基础有机化学》邢其毅 第三版

《有机波谱学谱图解析》宁永成 第二版

波谱分析课程 2016

如有侵权请联系删除！