核磁共振

核磁共振（NMR，NuclearMagneticResonance）是因為原子尺度的量仔磁物理性質。具有奇數質子抑是中子的核子，有內在的性質：核自旋，自旋角動量。核自旋產生磁矩。NMR 看原子的方法，是共樣品囥佇外口加強大的磁場下，現代的儀器通常採用低溫超導吸石。核自旋本身的磁場，佇外口加磁場下重新排列，大多數核自旋會佇低能態。阮加額外口加電磁場來干涉低能態的核自旋轉向高能態，閣轉來平衡的態度會釋放出射頻，這就是 NMR 訊號。利用按呢的過程，會當進行分子科學的研究，分子結構、動態等等。

歷史

二十世紀初，深入微觀世界

一九二四年，沃爾夫岡 ・ 包立（Wolfgang Ernst Pauli）提出「包立無相容原理」，即時無兩个電子通佇仝一个時間共享仝款的量子態。這對後來發現核磁共振現象，並完善核磁共振理論原理非常重要，包立嘛得著一九四五年的諾貝爾物理學獎。一九二五年，喬治 ・ 尤金 ・ 烏倫貝克（George Eugene Uhlenbeck）佮窒倒街 ・ 亞伯拉罕 ・ 古德斯米特（Samuel Abraham Goudsmit）受「包立無相容原理「啟發，提出原子自旋概念。紲落來伊，包立佇烏倫貝克佮古茲密特工作的基礎頂面，完善了原子自旋描述的「包立矩陣」。

二十世紀四空年代到六空年代，觀察著核磁共振現象

一九三九年，她西多 ・ 艾薩克 ・ 搝比（Isidor Isaac Rabi）通過試驗高溫蒸發了後的物質觀測著了核磁共振現象，但是這款高溫蒸發的過程破壞了凝聚物質的宏觀結構，因為佇實際應用中受著真大的限制。就算講按呢，比抑是因為這一發現得著一九四年的諾貝爾物理學獎。一九四五年底，美國哈佛大學的愛德華 ・ 米爾斯 ・ 琥珀賽而已（Edward Mills Purcell）佇石蠟樣品當中觀測著穩態的核磁共振信號。一九四六年初，史丹福大學的費利克斯 ・ 布洛赫（Felix Bloch）佇水中觀測著穩態的核磁共振現象，琥珀佮布洛赫因為這一發現而且分享一九五二年諾貝爾物理學獎。

到此，核磁共振技術實現佇無破壞物質結構的前提著真緊、準確實了解物質內部結構的測量目標。

二十世紀七空年代到今，核磁共振成像的廣泛應用

一九六九年，紐約州立大學南部醫學中心的雷曼 ・ 達馬迪安（Raymond Damadian）通過監測核磁共振的楝豫時間成功地共鳥鼠的癌細胞佮正常組織細胞區分開。欲達馬迪安新技術的啟發下，一九七一年紐約州立大學石溪分校的物理學家保羅 ・ 勞特布爾（Paul Lauterbur）利用核磁共振對兩个貯滿水的試管進行成做像，產生了人類歷史上頭一个張核磁共振圖像。一九七二年，英國諾丁漢大學教授那得 ・ 曼斯菲爾德（Peter Mansfield）發現，通過增加核磁共振的外部磁場梯度，會當觀察著化學物質的原子結構，並且創建三維圖像。一九七三年，勞特布佮應用伊的設備成功地畫出一个活體蚶仔的內部結構圖像。勞特佈爾佮曼斯菲爾德因為𪜶佇核磁咧共振成像技術方面的貢獻，得著二空空三年諾貝爾生理學抑醫學獎。

原理

核磁共振現象是原子核的自旋角動量佇咧外口加磁場作用下的進動。

根據量仔力學原理，原子核佮電子仝款有自旋角動量，其自旋角動量的具體數值由原子核的自旋量子數決定，實驗結果顯示，無仝類型的原子核自旋量仔數嘛無仝：

一 . 質子數和中子數攏是偶數的原子核，自旋量子數做零二 . 質量數為奇數的原子核，自旋量仔數是半整數三 . 質量數為偶數，質子數佮中子數做奇數的原子核，自旋量仔數為整數因為原子核紮電錢，帶有自旋角動量的原子核會同時具有一个磁矩，這个磁矩的方向佮原子核的自旋方向相𫝛，大細佮原子核的自旋角動量成正比。欲共原子核置佇外加磁場內底，若原子核磁矩佮外加磁場方向無仝，是原子核磁矩會踅外磁場方向旋轉，這一現象類似干樂佇咧踅過程中踅振動的擺振動，叫做進動。進動具有能量嘛有一定的頻率。

原子核進動的頻率是由外加磁場的強度佮原子核本身的性質決定，也就是講，對某一特定原子，佇一定強度的外加磁場內底，其原子核自旋進動的頻率是固定袂變的。

原子核發生進動的能量佮磁場、原子核磁矩、猶閣有磁矩佮磁場的夾角相關，根據量仔力學原理，原子核磁矩佮外加磁場之間的夾角並毋是連紲分布的，是由原子核的磁量子數決定的，原子核磁矩的方向只能佇遮的磁量子數之間跳跳，而袂使平滑的變化，按呢就形成一系列的能階。當原子核佇外口加磁場接受其他來源的能量輸入了後，就會發生能階躍遷徙，也就是原子核磁矩佮外加磁場的夾角會發生變化。這種能階躍遷是獲取核磁共振信號的基礎。

為著欲予原子核自旋的進動發生能階躍遷徙，需要為原子核提供躍遷所需要的能量，這一能量通常是通過外加射頻場來提供的。根據物理學原理當外加射頻場的頻率佮原子核自旋進動的頻率相仝的時陣，射頻場的能量才會當有效地予原子核吸收，為著欲設施提供助力。就按呢某一種特定的原子核，咧共定的外加磁場內底，干焦吸收某一特定頻率射頻場提供的能量，按呢就形成一个核磁共振信號。

應用

NMR 技術

NMR 技術就核磁共振譜技術，是將核磁共振現象應用佇咧分子結構測定的一項技術。對有機份子結構測定來講，核磁共振譜搬演非常重要的角色，核磁共振譜佮紫外光譜、紅外光譜佮質譜做伙予人有機化學家稱做「四大名譜」。 目前對核磁共振譜的研究主要集中佇一 H 佮十三 C 兩類原子核的圖譜。

對孤立原子核來講，仝一種原子核佇仝款強度的外磁場內底，只對某一特定頻率射頻場敏感。但是閣處份子結構當中的原子核，因為分子中電子雲分布等等因素的影響，實際感受著的外磁場強度往往會發生一定程度的變化，而且閣處份子結構內底無仝位置的原子核，感受著的外加磁場的強度嘛各無相𫝛，這種分子中電子雲對外加磁場強度的影響，會致使分子中無仝位置原子核對無仝頻率射頻場敏感，對而且致使核磁共振信號的差異，這款差異便是通過核磁共振解析分子結構的基礎。原子核附近化學鍵佮電子云的分布狀況叫做該原子核的化學環境，因為化學環境影響致使的核磁共振信號頻率位置的變化叫做愛原子核的化學位徙。

學校常數是化學位移以外核磁共振譜提供的另外一个重要資訊，所謂被合指的是臨近原子核自旋角動量的互相影響，這款原子核自旋角動量的交互作用會改變原子核自旋佇外磁場當中進動的能階分布狀況，造成能階的裂分，進一步造成 NMR 譜圖內底的信號峰形狀發生變化，通過解破遮的峰形的變化，會當推測出分子結構中各原子之間的連接關係。

最後咧，信號強度是核磁共振譜的第三个重要資訊，佇仝款化學環境的原子核佇核磁共振譜內底會顯示做仝一个信號峰，通過解析信號峰的強度會當知影講遮的原子核的數量，對分子結構解析提供重要資訊。表徵信號峰強度的是信號峰的曲線下跤積分，這个資訊對於一 H-NMR 譜尤為重要，對著上捷看著的攏去允十三 C-NMR 譜來講，因為峰強度佮原子核數量的對應關係並無顯明，因為峰強度並無蓋重要。

早期的核磁共振譜主要集中佇氫譜，這是因為會當產生核磁共振信號的一 H 原子佇自然界豐度真懸，由其產生的核磁共振信號真強，容易檢測。隨著傅立葉變換技術的發展，核磁共振儀會當佇足短的時間內同時發出無仝頻率的射頻場，按呢就會當重複掃描，對而且共微弱的核磁共振信號對背景噪音中區分出來，這會使人共收集十三 C 核磁共振信號。

最近幾年，人發展二維核磁共振譜的技術，這予人會當得著閣較濟關於分子結構的資訊，目前二維核磁共振譜已經會當解析分子量較細的卵白質分子的空間結構。

MRI 技術

磁共振成像（Magnetic resonance imaging，MRI）技術是核磁共振佇醫學領域的應用。人體內面有誠豐富的水，無仝的組織，水的含量嘛攏無相𫝛，若是會當探測著遮的水的分布資訊，就會當畫出一幅較完整的人體內部結構圖像，磁共振成像技術就是通過識別水分子中氫原子信號的分布來推測水分子佇咧人體內的分佈，進一步探測人體內面結構的技術。

佮用佇咧鑑定分子結構的核磁共振譜的技術無仝，磁共振成像技術改變的是外加磁場的強度，非射頻場的頻率。磁共振成像儀佇垂直於主磁場方向會提供兩个互相垂直的梯度磁場，按呢佇咧人體內磁場的分布就會綴著空間位置的變化咧變化，每一个位置攏會有一个強度無仝、方向無仝的磁場，按呢乎，佇咧人體無仝部位的氫原子就會對無仝的射頻場信號產生反應，通過記錄這反應，並且加以計算處理，會當得著水份子佇空間內底分布的資訊，對得著人體內部結構的圖像。

磁共振成像技術閣會當和 X 射線斷層成做技術（CT）結合做臨床診斷佮生理學、醫學研究提供重要資料。

磁共振成像技術是一種非介入探測技術，相對的是 X-射線透視技術佮放射造影技術，MRI 對人體無輻射影響，相對超聲探測技術，磁共振成像閣較清楚，會當顯示較濟細節，此外相對其他的成像技術，磁共振成像毋但會當顯示有形的實體病變，猶閣會當對腦、心、肝等功能性反應進行精確的判定。佇帕金森症、阿爾茨海默氏症、癌症等等疾病的診斷方面，MRI 技術攏發揮真重要的作用。

因為原理的無仝，CT 著軟組織像的對比度無懸，MRI 對軟組織像的對比度較大大懸 CT。這會使 MRI 特別適用佇腦組織的成像。由 MRI 得著的圖像，通過 DSI 技術，會當得著大腦神經網路的結構圖譜，最近幾年，發表了一系列論文。

MRS 技術

磁共振探測（magnetic resonance sounding , MRS）抑是磁共振測深是 MRI 技術佇地質勘探領域的延伸，通過對地層中水分布資訊的探測，會當確定某一个地層下敢有啥物地下水佇咧，地下水位的懸度、含水層的含水量和空縫率等等地層結構資訊。

目前磁共振探測的技術已經成做傳統的鑽探測技術的補充手段，並且應用佇趨坡等等的地質災害的預防工作中，毋過佮傳統做戮空的探測，磁共振探測設備買、運行佮維護費用非常的興，這嚴重地限制矣 MRS 技術在地質科學中的應用。

參見

• 磁共振
• 磁共振成像
• 波譜學
• 電子自旋共振動

外部連結

• Nuclear Magnetic Resonance Laboratory

參考書目

• Hornak , Joseph P . _ The Basics of NMR _
• 張建中，孫存普《磁共振教程》中國科學技術大學出版社一千九百九十六