核磁共振波譜儀的發展現狀本文主要介紹了核磁共振波譜儀的工作原理，基本結構，著重介紹了連續波核磁共振波譜儀和脈沖傅里葉核磁共振譜儀的結構和工作原理及其優缺點。文章最后介紹了幾種核磁波譜儀的實例，并對今后核磁波譜儀的發展趨勢進行了展望。關鍵詞：核磁共振波譜儀發展概述20世紀后半葉，NMR技術和儀器發展十分快速，從永磁到超導，從60MHz到800MHz的NMR譜儀磁體的磁場差不多每五年提高一點五倍，這是被NMR在有機結構分析和醫療診斷上特有功能所促進的。現在有機化學研究中NMR已經成為分析常規測試手段，同樣，在醫療上MRI（核磁共振成像儀器）亦成為某些疾病的診斷手段。1953年：美國Varian公司---第一臺NMR譜儀（30MHZ）1964年：美國Varian公司---第一臺超導NMR譜儀（200MHZ）1971年:日本JEOL公司---第一臺超導傅立葉變換NMR譜儀（計算機用于NMR譜儀，使NMR技術有了質的飛躍發展。核磁共振波譜儀的類型實現核磁共振可用兩種方法：固定磁場B0,改變射頻的頻率產生核磁共振，稱為掃頻法；固定射頻的頻率，改變磁場B0產生核磁共振，稱為掃場法。按工作方式，可將高分辨率核磁振儀分為兩種類型：連續波核磁共振譜儀和脈沖傅里葉核磁共振譜儀。（一）.連續波核磁共振譜儀圖1連續波核磁共振譜儀示意圖連續波(CW)是指射頻的頻率和外磁場的強度是連續變化的，即進行連續掃描，直至到被觀測的核依次被激發產生核磁共振。連續波核磁共振譜儀主要由下列主要部件組成：①磁鐵，②探頭，③射頻和音頻發射單元，④頻率和磁場掃描單元，⑤信號放大、接受和顯示單元。后三個部件裝在波譜儀內。通常是用電磁鐵和永久磁鐵產生均勻而穩定的磁場B0。在兩磁極之間安裝一個探頭，探頭中央插入試樣管。試樣管在壓縮空氣的推動下，勻速而平穩地回旋。射頻振蕩器線圈安裝在探頭中，產生一定頻率的射頻輻射以激發核。它所產生的射頻場須與磁場方向垂直。射頻接收線圈也安裝在探頭中，以來探測核磁共振時的吸收信號。另有一組掃描線圈安裝在磁鐵兩極上，以達到掃場操作的目的。通過掃描發生器線圈在B0方向疊加一個小的掃描磁場B'0，調節B'0的大小，以便使總的外磁場(B0+B'0)可在有限范圍內變化，當1H核產生的回旋頻率對于射頻頻率時，核吸收射頻能量產生核磁共振。從射頻接收器過來的核磁共振信號和掃場的磁場強度同時送到記錄儀，即可得到核磁共振波譜圖，縱坐標為信號強度，橫坐標為磁場強度B或化學位移。磁鐵磁鐵是核磁共振儀最基本的組成部件。它要求磁鐵能提供強而穩定、均勻的磁場。核磁共振儀使用的磁鐵有三種：永久磁鐵，電磁鐵和超導磁鐵。由永久磁鐵和電磁鐵獲得的磁場一般不能超過2.5T。而超導磁體可使磁場高達10T以上，并且磁場穩定、均勻。目前超導核磁共振儀一般在200~400MHz，最高可打600MHz。但超導核磁共振儀價格高昂，目前使用還不十分普遍。探頭探頭裝在磁極間隙內，用來檢測核磁共振信號，是儀器的心臟部分。探頭除包括試樣管外，還有發射線圈接受線圈以及豫放大器等元件。待測試樣放在試樣管內，再置于繞有接受線圈和發射線圈的套管內。磁場和頻率源通過探頭作用于試樣。為了使磁場的不均勻性產生的影響平均化，試樣探頭還裝有一個氣動渦輪機，以使試樣管能沿其縱軸以每分鐘幾百轉的速度旋轉。波譜儀射頻源和音頻調制高分辨波譜儀要求有穩定的射頻頻率和功能。為此，儀器通常采用恒溫下的石英晶體振蕩器得到基頻，再經過倍頻、調頻和功能放大得到所需要的射頻信號源。為了提高基線的穩定性和磁場鎖定能力，必須用音頻調制磁場。為此，從石英晶體振蕩器中的得到音頻調制信號，經功率放大后輸入到探頭調制線圈。掃描單元核磁共振儀的掃描方式方式有兩種：一種是保持頻率恒定，線形地改變磁場，稱為掃場；另一種是保持磁場恒定，線形地改變頻率，稱為掃頻。許多儀器同時具有這兩種掃描方式。掃描速度的大小會影響信號峰的顯示。速度太慢，不僅增加了實驗時間，而且信號容易飽和;相反，掃描速度太快，會造成峰形變寬，分辨率降低。接受單元從探頭預放大器得到的載有核磁共振信號的射頻輸出，經一系列檢波、放大后，顯示在示波器和記錄儀上，得到核磁共振譜。信號累加若將試樣重復掃描數次，并使各點信號在計算機中進行累加，則可提高連續波核磁共振儀的靈敏度。當掃描次數為N時，則信號強度正比于N,而噪音強度正比于，因此，信噪比擴大了倍。考慮儀器難以在過長的掃描時間內穩定，一般N=100左右為宜。CW-NMR儀的有很多優點，適用于大磁矩、自旋1=1/2和高天然豐度的核的波譜測定。這些核稱為靈敏核素，例如1H、19F和31P遺憾的是，13C和15N均不屬于此類核。二、脈沖傅里葉核磁共振譜儀（PFT-NMR）連續波核磁共振儀通過掃頻或掃場的方法，找到共振吸收，獲得NMR譜。這種工作方式效率低。為了解決這一問題，目前采用脈沖傅里葉變換核磁共振儀（圖2）。在PFT-NMR中，采用恒定磁場，用一定頻率寬度的射頻強脈沖輻照試樣，激發全部欲觀測的核，得到全部共振信號。當脈沖發射時，試樣中每種核都對脈沖中單個頻率產生吸收.接收器得到自由感應衰減信號（FID）,這種信號是復雜的干涉波，產生于核激發態的弛豫過程。FID信號是時間的函數，經濾波、轉換數字化后被計算機采集，再由計算機進行傅里葉變換轉變成頻率的函數，最后經過數/模轉換器變成模擬量，顯示到屏幕上或記錄在記錄紙上，得到通常的NMR譜圖。圖2脈沖傅里葉變換核磁共振儀連續波核磁共振譜儀采用的是單頻發射和就手方式，在某一時刻內，只能記錄譜圖中的很窄一部分信號，即單位時間內獲得的信息很少。在這種情況下，對那些核磁共振信號很弱的核，即使采用累加技術，也得不到良好的效果。為了提高單位時間的信息量，可采用多道發射機同時發射多種頻率，使處于不同化學環境的核同時頻率，再采用多道接受裝置同時得到所有的共振信息。例如，在100MHz共振儀中，質子共振信號化學位移范圍為10時，相當于1000Hz；若掃描速度為2Hz-1,則連續波核磁共振儀需500才能掃完全譜。而在具有1000個頻率間隔1Hz的發射機和接受機同時工作時，只要1即可掃完全譜。顯然，后者可大大提高分析速度和靈敏度。傅里葉變換NMR譜儀是以適當寬度的射頻脈沖作為“多道發射機”，使所選的核同時激發，得到核的多條譜線混合的自由感應衰減(freeinductiondecay,FID)信號的疊加信息，即時間域函數，然后以快速傅里葉變換作為“多道接受機”變換出各條譜線在頻率中的位置及其強度。這就是脈沖傅里葉核磁共振儀的基本原理。傅里葉變換核磁共振儀測定速度快，除可進行核的動態過程、瞬變過程、反應動力學等方面的研究外，還易于實現累加技術。因此，從共振信號強的到共振信號弱的核，均能測定。世界上主要的核磁共振譜儀生產商有德國的Bruker公司和美國的Varian公司，兩公司各有所長。核磁共振儀器實例介紹世界上主要的核磁共振譜儀生產商有德國的Bruker公司和美國的Varian公司，兩公司各有所長。圖3Acend核磁共振譜儀及得到的1HNMR譜圖采用先進的超導技術，最高頻率達700-850MHz，具有先進的磁場穩定功能。圖4Fourier300核磁共振譜儀具有結構緊湊、體積小、重量輕、分辨率優等特點。適合于化學教育與研究領域。圖5SmartProbe核磁共振譜儀具有靈活、通用、靈敏度高等優點。可進行寬頻掃描，不僅適用于氫譜，同時也適用于其他磁核分析如15N、19F等。圖6SampleMail核磁共振譜儀具有樣品裝取方便的優點，適用于1-10mm各種直徑的核磁樣品管，測試過程快捷、安全。圖7Avance1000核磁儀世界第一臺采用永久超導磁場技術的頻率高達1000MHz核磁共振譜儀，于2022年1月在法國里昂安裝成功。圖8Solid-StateDNP-NMRSpectrometer263GHzAVANCEIII世界第一臺商品級高分辨率固態核磁譜儀，尤其適合生物分子分析。圖9Sample某preTM核磁共振儀Sample某preTM是布魯克公司最新產品之一。可以采用各種長度的樣品管(100-190mm)，其最高頻率達800M。NMR在21世紀的發展動向為以下幾個方面1提高磁體的磁場強度預期21世紀將會出現大于1000MHz的NMR譜儀，這將使生物大分子的結構研究有重大突破。2.發展三維核磁共振技術(3D-NMR)隨著NMR譜在生物大分子結構分析中的應用，NMR技術所提