核磁共振与物质结构研究

　　磁共振是物质中的磁矩系统在互相垂直的恒定磁场(又称直流磁场)和高频或微波磁场的同时作用下，当恒定磁场的强度和高频或微磁场的频率满足一定的条件时，这一磁矩系统对高频或微波产生的强烈的电磁能量吸收现象，原子核磁矩系统产生的磁共振称为核磁共振，电子磁矩系统产生的磁共振称为电子自旋磁共振。根据这一电子系统产生的磁性，如顺磁性、铁磁性等，又分为顺磁共振、铁磁共振等。又一类磁共振是物质中的游动电子的电荷系统在互相垂直的恒定磁场和高频或微波电场的共同作用下，当恒定磁场的强度和高频或微波电场的频率满

图1　核磁共振谱仪

足一定的条件时，这一游动电子的电荷系统对高频和微波产生强烈的电磁能量吸收现象，称为回旋共振。因为这一现象同物质的抗磁性相关，故也称抗磁共振。运动的电荷还可能是物质中的离子所产生，称为离子回旋共振。

　　在这些磁共振中，目前应用最多的是核磁共振。这是因为在92种天然化学元素中，有80多种化学元素的原子核具有磁矩(简称核磁矩)，可以在一定条件下产生核磁共振，因此可以利用核磁共振方法来研究许多物质的核磁共振。又因为核磁共振的分辨率很高，又可以利用一些新技术(如电子计算机技术等)来提高灵敏度，故在物理学、化学、生物学、地质学、医学和工农业分析等中得到重要的应用。图1示出一台测量核

图2　酒精的氢原子核 的核磁共振谱

磁共振的核磁共振谱仪设备，图2示出利用核磁共振谱仪测得的乙醇(酒精)(C₂H₅OH)的氢(原子)核的核磁共振谱。从这核磁共振谱可以看出，共振谱中的3条谱线的强度比为3:2:1，这正好反映乙醇中3种原子团CH₃，CH₂和OH中的氢原子含量的浓度比例。核磁共振研究的化学元素多、分辩率高和灵敏度高的这些特点可以得到所研究物质的很多结构和特性等方面的信息。这在研究复杂的生物大分子甚至生物活体时更有其优点，是其他科学方法难以得到的。例如核糖核酸(RNA)、脱氧核糖核酸(DNA)和多种蛋白质的核磁共振研究便解决了许多结构上和其他方面的问题。