核磁共振技术及其应用
蒋作宏
中国科学技术大学
? 核磁共振信号的检测和处理
? 核磁共振新技术及应用
概 述
? 核磁共振的方法与技术作为分析物质的手段,由于其可深
入物质内部而不破坏样品,并具有迅速、准确、分辨率高等优
点而得以迅速发展和广泛应用,已经从物理学渗透到化学、生
物、地质、医疗以及材料等学科,在科研和生产中发挥了巨大
作用 。
? 核磁共振是 1946年由美国斯坦福大学布洛赫 (F.Block)和哈佛大
学珀赛尔 (E.M.Purcell)各自独立发现的，两人因此获得 1952年
诺贝尔物理学奖。 50多年来，核磁共振已形成为一门有完整理
论的新学科。
12位因对核磁共振的杰出贡献而获得
诺贝尔奖科学家
? 1944年 I.Rabi
? 1952年 F.Block
? 1952年 E.M.Purcell
? 1955年 W.E.Lamb
? 1955年 P.Kusch
? 1964年 C.H.Townes
? 1966年 A.Kastler
? 1977年 J.H.Van Vleck
? 1981年 N.Bloembergen
? 1983年 H.Taube
? 1989年 N.F.Ramsey
? 1991年 R.R.Ernst
核磁共振基本原理
? 核磁共振原理
? 实现 核 磁共振的两种方法
? 检测共振信号的方法
? 傅里叶 (Fourier)变换
核磁共振原理
半数以上的原子核具有自旋，旋转时产生一小磁场。
当加一外磁场，这些原子核的能级将分裂，既 塞曼效应 。
在外磁场 B0中塞曼分裂图：
共振条件,? = ?0 = ??0
实现 核 磁共振的两种方法
a,扫场法, 改变 ?0
b．扫频法, 改变 ?
检测共振信号的方法
? 吸收法
? 感应法
? 平衡法
优点是比较简单，样品
不易饱和，缺点是振荡频率
的稳定性较差，噪音电平较
高。一般只用于宽谱的波谱
仪与测场仪
优点是工作稳定度
高，噪音低，但漏电流
相位不易调整。常用在
商业波谱仪
优点是频率稳定好，噪
音低，缺点是频率调谐范围
不够宽。常用于灵敏度和分
辨力高的波谱仪
傅里叶 (Fourier)变换
? 时域信号 F变换 频域信号 频域谱
S（ t1,t2,… ） S(?1,?2,… )
核磁共振新技术
? 核磁双共振
? 二维核磁共振
? NMR成像技术
? 魔角旋转技术
? 极化转移技术
核磁双共振
双核自旋系统 检测器
?2 扰动
?1脉冲
? 双共振是同时用两种频率的射频场作用在两种 核 组成的系统上，第一射频场
B1使 某种核共振,第二射频场 B2使另外一 种核共振，这样两个原子核同时发生共
振。
? 第二射频场为干扰场,通
常用一个强射频场干扰图谱中
某条谱线，另一个射频场观察
其他谱线的强度, 形状和精细
结构的变化，从而确定各条谱
线之间的关系，区分相互重叠
的谱线。
二维核磁共振 及多维核磁共振
二维核磁共振 使 NMR技术产生了一次革命性的变化，它将挤在一维谱中
的谱线在二维空间展开（二维谱）,从而较清晰地提供了更多的信息。
二维核磁共振的脉冲序列
预备期 发展期 混合期 探测期
S ( t 1,t 2 ) S ( t 1,? 2 ) S ( ? 1,? 2 )
F (t 2 )F (t 1 )
t 2t 1
??1
?2
二维谱示意图
2 D 在研究更大分子体系时，谱线也出现了严重的重叠，为
了解决这一问题，人们将 2 D 推广到 3 D 甚至多维。
NMR成像技术
? 投影重建成像方法
? Fourier成像方法
? 弛豫时间成像方法
? 逐点扫描方法
? 线扫描方法
? 切片扫描方法
? 高分率成像和快速成像法
Fourier成像方法
Fourier成像是应用十分广泛的一种方法，它与二维（多维） NMR相似。
核磁共振的脉冲序列
预备期 发展期 混合期 探测期
S ( t 1,t 2 ) S ( t 1,? 2 ) S ( ? 1,? 2 )
F (t 2 )F (t 1 )
t 2t 1
S ( ｘ,ｙ )
? ? ? ??= ? ? ? 0 +G XX)
? ?2 = ? ? ? 0+ G yy)
GXX Gyy
魔角旋转技术
在固体中自旋之间的耦合较强,共振谱较宽，掩盖了其他精细的谱
线结构，耦合能大小与核的相对位置在磁场中的取向有关，其因子是
(3cos2β -1)，如果有一种方法使 β =θ =54.440（魔角），则 3cosβ -1=0，
相互作用减小，达到了窄化谱线的目的。 魔角旋转技术就是 通过样品的旋
转来达到减小相互作用的，当样品高速旋转时 β 与 θ 的差别就会平均掉。
极化转移技术
灵敏核 非灵敏核 检测（非灵敏核）J脉冲序列 1
脉冲序列 2
极化转移 (PT)是一种非常实技术
，它用二种特殊的脉冲序列分别作
用于非灵敏核和灵敏核两种不同的
自旋体系上。通过两体系间极化强
度的转移，从而提高非灵敏核的观
测灵敏度，基本的技巧是从高灵敏
度的富核处, 借, 到了极化强度。
核磁共振应用
? 核磁共振适合于液体、固体。如今的高分辨技术，还将核磁用于了
半固体及微量样品的研究。核磁谱图已经从过去的一维谱图（ 1D）发展
到如今的二维（ 2D）、三维（ 3D）甚至四维（ 4D）谱图，陈旧的实验方
法被放弃，新的实验方法迅速发展，它们将分子结构和分子间的关系表
现得更加清晰。
? 在世界的许多大学、研究机构和企业集团，都可以听到核磁共振这
个名词，包括我们在日常生活中熟悉的大集团。而且它在化工、石油、
橡胶、建材、食品、冶金、地质、国防、环保、纺织及其它工业部门用
途日益广泛。
? 在中国，其应用主要在基础研究方面，企业和商业应用普及率不高，
主要原因是产品开发不够、使用成本较高。但在石油化工、医疗诊断方
法应用较多。
一些实际的应用
? 分子结构的测定
? 化学位移各向异性的研究
? 金属离子同位素的应用
? 动力学核磁研究
? 质子密度成像
? T1T2成像
? 化学位移成像
? 其它核的成像
? 指定部位的高分辨成像
? 元素的定量分析
? 有机化合物的结构解析
? 表面化学
? 有机化合物中异构体的区分和确定
? 大分子化学结构的分析
? 生物膜和脂质的多形性研究
? 脂质双分子层的脂质分子动态结构
? 生物膜蛋白质 —— 脂质的互相作用
? 压力作用下血红蛋白质结构的变化
? 生物体中水的研究
? 生命组织研究中的应用
? 生物化学中的应用
? 在表面活性剂方面的研究
? 原油的定性鉴定和结构分析
? 沥青化学结构分析
? 涂料分析
? 农药鉴定
? 食品分析
? 药品鉴定
THE END
THANKS
蒋作宏
中国科学技术大学
? 核磁共振信号的检测和处理
? 核磁共振新技术及应用
概 述
? 核磁共振的方法与技术作为分析物质的手段,由于其可深
入物质内部而不破坏样品,并具有迅速、准确、分辨率高等优
点而得以迅速发展和广泛应用,已经从物理学渗透到化学、生
物、地质、医疗以及材料等学科,在科研和生产中发挥了巨大
作用 。
? 核磁共振是 1946年由美国斯坦福大学布洛赫 (F.Block)和哈佛大
学珀赛尔 (E.M.Purcell)各自独立发现的，两人因此获得 1952年
诺贝尔物理学奖。 50多年来，核磁共振已形成为一门有完整理
论的新学科。
12位因对核磁共振的杰出贡献而获得
诺贝尔奖科学家
? 1944年 I.Rabi
? 1952年 F.Block
? 1952年 E.M.Purcell
? 1955年 W.E.Lamb
? 1955年 P.Kusch
? 1964年 C.H.Townes
? 1966年 A.Kastler
? 1977年 J.H.Van Vleck
? 1981年 N.Bloembergen
? 1983年 H.Taube
? 1989年 N.F.Ramsey
? 1991年 R.R.Ernst
核磁共振基本原理
? 核磁共振原理
? 实现 核 磁共振的两种方法
? 检测共振信号的方法
? 傅里叶 (Fourier)变换
核磁共振原理
半数以上的原子核具有自旋，旋转时产生一小磁场。
当加一外磁场，这些原子核的能级将分裂，既 塞曼效应 。
在外磁场 B0中塞曼分裂图：
共振条件,? = ?0 = ??0
实现 核 磁共振的两种方法
a,扫场法, 改变 ?0
b．扫频法, 改变 ?
检测共振信号的方法
? 吸收法
? 感应法
? 平衡法
优点是比较简单，样品
不易饱和，缺点是振荡频率
的稳定性较差，噪音电平较
高。一般只用于宽谱的波谱
仪与测场仪
优点是工作稳定度
高，噪音低，但漏电流
相位不易调整。常用在
商业波谱仪
优点是频率稳定好，噪
音低，缺点是频率调谐范围
不够宽。常用于灵敏度和分
辨力高的波谱仪
傅里叶 (Fourier)变换
? 时域信号 F变换 频域信号 频域谱
S（ t1,t2,… ） S(?1,?2,… )
核磁共振新技术
? 核磁双共振
? 二维核磁共振
? NMR成像技术
? 魔角旋转技术
? 极化转移技术
核磁双共振
双核自旋系统 检测器
?2 扰动
?1脉冲
? 双共振是同时用两种频率的射频场作用在两种 核 组成的系统上，第一射频场
B1使 某种核共振,第二射频场 B2使另外一 种核共振，这样两个原子核同时发生共
振。
? 第二射频场为干扰场,通
常用一个强射频场干扰图谱中
某条谱线，另一个射频场观察
其他谱线的强度, 形状和精细
结构的变化，从而确定各条谱
线之间的关系，区分相互重叠
的谱线。
二维核磁共振 及多维核磁共振
二维核磁共振 使 NMR技术产生了一次革命性的变化，它将挤在一维谱中
的谱线在二维空间展开（二维谱）,从而较清晰地提供了更多的信息。
二维核磁共振的脉冲序列
预备期 发展期 混合期 探测期
S ( t 1,t 2 ) S ( t 1,? 2 ) S ( ? 1,? 2 )
F (t 2 )F (t 1 )
t 2t 1
??1
?2
二维谱示意图
2 D 在研究更大分子体系时，谱线也出现了严重的重叠，为
了解决这一问题，人们将 2 D 推广到 3 D 甚至多维。
NMR成像技术
? 投影重建成像方法
? Fourier成像方法
? 弛豫时间成像方法
? 逐点扫描方法
? 线扫描方法
? 切片扫描方法
? 高分率成像和快速成像法
Fourier成像方法
Fourier成像是应用十分广泛的一种方法，它与二维（多维） NMR相似。
核磁共振的脉冲序列
预备期 发展期 混合期 探测期
S ( t 1,t 2 ) S ( t 1,? 2 ) S ( ? 1,? 2 )
F (t 2 )F (t 1 )
t 2t 1
S ( ｘ,ｙ )
? ? ? ??= ? ? ? 0 +G XX)
? ?2 = ? ? ? 0+ G yy)
GXX Gyy
魔角旋转技术
在固体中自旋之间的耦合较强,共振谱较宽，掩盖了其他精细的谱
线结构，耦合能大小与核的相对位置在磁场中的取向有关，其因子是
(3cos2β -1)，如果有一种方法使 β =θ =54.440（魔角），则 3cosβ -1=0，
相互作用减小，达到了窄化谱线的目的。 魔角旋转技术就是 通过样品的旋
转来达到减小相互作用的，当样品高速旋转时 β 与 θ 的差别就会平均掉。
极化转移技术
灵敏核 非灵敏核 检测（非灵敏核）J脉冲序列 1
脉冲序列 2
极化转移 (PT)是一种非常实技术
，它用二种特殊的脉冲序列分别作
用于非灵敏核和灵敏核两种不同的
自旋体系上。通过两体系间极化强
度的转移，从而提高非灵敏核的观
测灵敏度，基本的技巧是从高灵敏
度的富核处, 借, 到了极化强度。
核磁共振应用
? 核磁共振适合于液体、固体。如今的高分辨技术，还将核磁用于了
半固体及微量样品的研究。核磁谱图已经从过去的一维谱图（ 1D）发展
到如今的二维（ 2D）、三维（ 3D）甚至四维（ 4D）谱图，陈旧的实验方
法被放弃，新的实验方法迅速发展，它们将分子结构和分子间的关系表
现得更加清晰。
? 在世界的许多大学、研究机构和企业集团，都可以听到核磁共振这
个名词，包括我们在日常生活中熟悉的大集团。而且它在化工、石油、
橡胶、建材、食品、冶金、地质、国防、环保、纺织及其它工业部门用
途日益广泛。
? 在中国，其应用主要在基础研究方面，企业和商业应用普及率不高，
主要原因是产品开发不够、使用成本较高。但在石油化工、医疗诊断方
法应用较多。
一些实际的应用
? 分子结构的测定
? 化学位移各向异性的研究
? 金属离子同位素的应用
? 动力学核磁研究
? 质子密度成像
? T1T2成像
? 化学位移成像
? 其它核的成像
? 指定部位的高分辨成像
? 元素的定量分析
? 有机化合物的结构解析
? 表面化学
? 有机化合物中异构体的区分和确定
? 大分子化学结构的分析
? 生物膜和脂质的多形性研究
? 脂质双分子层的脂质分子动态结构
? 生物膜蛋白质 —— 脂质的互相作用
? 压力作用下血红蛋白质结构的变化
? 生物体中水的研究
? 生命组织研究中的应用
? 生物化学中的应用
? 在表面活性剂方面的研究
? 原油的定性鉴定和结构分析
? 沥青化学结构分析
? 涂料分析
? 农药鉴定
? 食品分析
? 药品鉴定
THE END
THANKS
