干货 | 一文看懂核磁共振波谱仪
核磁共振波谱法（Nuclear Magnetic Resonance，简写为NMR）是材料表征中最有用的一种仪器测试方法，它与紫外吸收光谱、红外吸收光谱、质谱被人们称为“四谱”，广泛应用于物理学、化学、生物、药学、医学、农业、环境、矿业、材料学等学科，是对各种有机和无机物的成分、结构进行定性分析的最强有力的工具之一，亦可进行定量分析。目前核磁共振与红外、质谱仪等其他仪器配合，已鉴定了十几万种化合物。
NMR | 红外 | 紫外 | |
本质（相同） | 分子吸收光谱 | ||
波长范围 | 1-1000μm | 0.75-1000μm | 200-800nm |
信号来源 | 原子核能级间的跃迁 | 分子振动能级之间的跃迁 | 分子的电子能级的跃迁 |
600MHz 固体核磁共振谱仪 型号：Agilent VNMRS-600
图片来源：中科院物数所（http://whlsc.kjtj.cas.cn/）
原理
核磁共振谱来源于原子核能级间的跃迁。只有置于强磁场中的某些原子核才会发生能级分裂，当吸收的辐射能量与核能级差相等时，就发生能级跃迁而产生核磁共振信号。
用一定频率的电磁波对样品进行照射，可使特定化学结构环境中的原子核实现共振跃迁，在照射扫描中记录发生共振时的信号位置和强度，就得到核磁共振谱。核磁共振谱上的共振信号位置反映样品分子的局部结构（如官能团，分子构象等），信号强度则往往与有关原子核在样品中存在的量有关。
特点
核磁共振波普法具有精密、准确、深入物质内部而不破坏被测样品的特点。此外，核磁共振是目前唯一能够确定生物分子溶液三维结构的实验手段。
核磁共振谱图
核磁共振波谱仪按工作方式可分为两种：
（1）连续波核磁共振谱仪(CW-NMR)射频振荡器产生的射频波按频率大小有顺序地连续照射样品，可得到频率谱；
（2）脉冲傅立叶变换谱仪（PET-NMR）射频振荡器产生的射频波以窄脉冲方式照射样品，得到的时间谱经过傅立叶变换得出频率谱。
连续波核磁共振谱仪由磁场、探头、射频发射单元、射频、磁场扫描单元、[k1] [WU2] 射频检测单元、数据处理仪器控制六个部分组成。
磁铁用来产生磁场，主要有三种：
种类 | 永久磁铁 | 电磁铁 | 超导磁铁 |
频率 | 60MHz | 100MHz | 200MHz以上 |
频率大的仪器，分辨率好、灵敏度高、图谱简单易于分析。
连续波核磁共振谱仪结构图
连续波核磁共振谱仪原理图
图片来源：公开资料
脉冲傅立叶变换谱仪原理图
图片来源：公开资料
优缺点对比
连续波NMR仪 | PFT-NMR谱仪 |
单频发射，单频接收 | 强脉冲照射 自由感应衰减（FID）信号，计算机进行傅里叶变换NMR谱图 |
扫描时间长，单位时间内的信息量少，信号弱 | 光谱背景噪声小，测定速度高，可以较快地自动测定和分辨谱线及所对应的弛豫时间。 |
累加的次数有限，灵敏度仍不高 | 灵敏度及分辨率高，分析速度快 |
谱线宽, 分辨不佳, 得到的信息不多 | 固体高分辨 NMR,采用魔角旋转及其它技术 ,直接得出分辨良好的窄谱线。 |
用于动态过程、瞬时过程及反应动力学方面的研究；测量13C、14N等弱共振信号 |
测定对象元素
NMR波谱按照测定对象分类可分为：1H-NMR谱（测定对象为氢原子核）、13C-NMR谱及氟谱、磷谱、氮谱等。
根据谱图确定出化合物中不同元素的特征结构。有机化合物、高分子材料都主要由碳氢组成，所以在材料结构与性能研究中，以1H谱和13C谱应用最为广泛。
可测试的性能
除了运用在医学成像检查方面，在分析化学和有机分子的结构研究及材料表征中运用最多。
有机化合物结构鉴定
一般根据化学位移鉴定基团；由耦合分裂峰数、偶合常数确定基团联结关系；根据各H峰积分面积定出各基团质子比。核磁共振谱可用于化学动力学方面的研究，如分子内旋转，化学交换等，因为它们都影响核外化学环境的状况，从而谱图上都应有所反映。
高分子材料的NMR成像技术
核磁共振成像技术已成功地用来探测材料内部的缺陷或损伤，研究挤塑或发泡材料，粘合剂作用，孔状材料中孔径分布等。可以被用来改进加工条件，提高制品的质量。
多组分材料分析
材料的组分比较多时，每种组分的 NMR 参数独立存在，研究聚合物之间的相容性，两个聚合物之间的相同性良好时，共混物的驰豫时间应为相同的，但相容性比较差时，则不同，利用固体 NMR 技术测定聚合物共混物的驰豫时间，判定其相容性，了解材料的结构稳定性及性能优异性。
此外，在研究聚合物还用于研究聚合反应机理、高聚物序列结构、未知高分子的定性鉴别、机械及物理性能分析等等。
设备厂家
世界第一台核磁共振波谱仪诞生于1953年，由美国Varian公司商用仪器研发，并于同年做出了第一台高分辨NMR仪。至今经历了天然磁体、电磁体、超导磁体三个阶段。
Bruker AVANCE III 800 超导高分辨核磁共振谱仪
图片来源：中科院物数所（http://whlsc.kjtj.cas.cn/）
主要的核磁共振谱仪生产商有：
德国Bruker http://www.instrument.com.cn/netshow/SH103191/
美国Agilent www.agilent.com.cn/
日本电子株式会社 www.jeol.co.jp/cn/
中国上海纽迈电子科技有限公司http://www.niumag.com/
傅里叶变换核磁共振波谱仪
型号：JNM-AL series 制造：JOEL Ltd （日本电子株式会社）
图片来源：中国生物器材网http://www.bio-equip.com.
纽迈低场核磁共振成像分析仪NMI20
图片来源：仪器信息网http://www.instrument.com.cn/news
疑难解答
1.元素周期表中所有元素都可以测出核磁共振谱吗？
不是。首先，被测的原子核的自旋量子数要不为零；其次，自旋量子数最好为1/2（自旋量子数大于1的原子核有电四极矩，峰很复杂）；第三，被测的元素（或其同位素）的自然丰度比较高（自然丰度低，灵敏度太低，测不出信号）。
2.配制样品为什么要用氘代试剂？怎样选择氘代试剂？
因为测试时溶剂中的氢也会出峰，溶剂的量远远大于样品的量，溶剂峰会掩盖样品峰，所以用氘取代溶剂中的氢，氘的共振峰频率和氢差别很大，氢谱中不会出现氘的峰，减少了溶剂的干扰。在谱图中出现的溶剂峰是氘的取代不完全的残留氢的峰。另外，在测试时需要用氘峰进行锁场。由于氘代溶剂的品种不是很多，要根据样品的极性选择极性相似的溶剂，氘代溶剂的极性从小到大是这样排列的：苯、氯仿、乙腈、丙酮、二甲亚砜、吡啶、甲醇、水。还要注意溶剂峰的化学位移，最好不要遮挡样品峰。
3.解析合成化合物的谱、植物中提取化合物的谱和未知化合物的谱，思路有什么不同？
合成化合物的结果是已知的，只要用谱和结构对照就可以知道化合物和预定的结构是否一致。对于植物中提取化合物的谱，首先应看是哪一类化合物，然后用已知的文献数据对照，看是否为已知物，如果文献中没有这个数据则继续测DEPT谱和二维谱，推出结构。对于一个全未知的化合物，除测核磁共振外，还要结合质谱、红外、紫外和元素分析，一步步推测结构。
参考书籍
《核磁共振谱学》2006年化学工业出版社 作者：王乃兴
《核磁共振原理与实验方法 》 2008年武汉大学出版社作者： 高汉宾，张振芳
参考文献
彭永进，孙平川，李宝会．PVPh/PEO 共混物动力学演化过程的NMR 研究［J］．波谱学杂志，2016( 02) : 188 ～197．
纳米材料表征需求 | 高分子材料分析，胶水分析，功能薄膜分析检测等 |
光电膜材料的检测 | 需要热重分析，xps等分析 |
需要做涂料耐腐蚀测试 | 需要EIS SEM 测试 |
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天晟新材 | 帆泰检测 |
富士康华南检测 | 中国电器科学研究院 |
深圳航天科技创新研究院 | 苏州英纳特 |
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