核磁共振（NMR）波谱仪安全性分析

摘要：

随着精益生产对流程行业物性分析要求的日益提高，核磁共振（NMR）波谱仪在物性分析中逐渐凸显出其快速性、全面性、准确性和便捷性的优势，日益引起企业的重视。但在此同时，一些人体健康安全方面的担忧，却成为了核磁共振波谱仪在企业推广应用的极大障碍。本文从核磁共振机理出发，结合对关键概念的解析，分析了核磁共振波谱仪的安全性。分析结果表明NMR波谱仪是十分安全的仪器，不会对人体健康产生影响。

关键词：

核磁共振，核，磁场，电磁波，电磁辐射

Abstract：

Nuclearmagnetic resonance (NMR) spectrometergraduallyhighlights its dvantages ofrapidity, comprehensiveness, accuracy and conveniencein physical analysis.However, some concerns about human healthand safety havebecome a greatobstacle to the application of NMR Spectrometerin enterprises.Based on themechanism of NMR and the analysis of several keyconcepts, thesecurity of NMRspectrometer is analyzed. The results show that NMR Spectrometeris a very safeinstrument and will not affect human health.

Keywords：

NMR,Nucleus, Magnetic Field,Electromagnetic Wave, lectromagnetic Radiation

核磁共振（NMR）波谱仪是分析分子内各官能团结构的强有力的工具，广泛用于化合物的结构测定、定量分析和动物学研究等方面。详细了解NMR的基本原理，以及NMR波谱仪的工作原理，对分析NMR波谱仪的安全性十分重要，本文将从分析NMR原理和NMR波谱仪的工作机理出发，来阐释NMR波谱仪的安全性。

1、NMR原理

1.1、原子核的自旋

NMR技术的基础是原子核的自旋现象。原子核除具有电荷和质量外，约有半数以上的元素的原子核还能自旋。由于原子核是带正电荷的粒子，它自旋就会产生自旋角动量P和磁矩 μ ， μ=yP其中y为磁旋比，即自旋核的磁矩和角动量之间的比值。

1.2、能级塞曼分裂

在没有外加磁场时，原子核的自旋方向由于热运动而处于杂乱无章的状态；而当处于一个均匀的固定磁场中时，不同的原子核产生能级塞曼分裂，即原子核的自旋方向分成几种不同的取向。

1.3、原子核自旋取向

自旋原子核在外加磁场中的自旋取向是量子化的，取向的数目n与自旋量子数 有关。自旋取向数目与自旋量子数的关系为。每一个自旋取向对应一个能级状态，用m来表示，m=I,I-1,I-2,……，-I。

1.4、能级跃迁

在外加磁场中，原子核的每一个自旋取向对应着一个能级，低能级的原子核自旋方向与磁场方向趋向一致，高能级的自旋方向与磁场方向趋向相反。低能级的原子核数目要高于高能级原子核数目。相邻能级间的能量差为△E，△E=yhB0/2π。当原子核吸收或放出能量△E时，可以在相邻能级间跃迁。

1.5、拉莫尔进动

当处于外磁场环境时，原子核除了自旋运动外，在核磁矩和外加磁场力的作用下，原子核还将围绕外磁场做回旋运动，称为拉莫尔进动。拉莫尔进动的频率为V0= yB0/2π。

1.6、核磁共振

在外磁场中，原子核跃迁的能量可以通过电磁辐射来供给。对于进行拉莫尔进动的原子核，只有当电磁辐射的频率 与自旋核的拉莫尔频率相等时，即V=V0=yB0/2π时，辐射的能量与原子核能级跃迁的能量相等，此时能量才能有效的从电磁辐射向原子核转移，使原子核由低能级跃迁到高能级。

上述磁矩不为零的原子核，在外磁场作用下自旋能级发生塞曼分裂，共振吸收某一特定频率的电磁辐射的物理过程，就称之为核磁共振。

2、NMR波谱仪

2.1、NMR波谱仪定性与定量分析原理

（1）原子类别定性分析

磁旋比是一个以不同原子核为特征的常数，即不同的原子核各有其固有的磁旋比，从式V0=yB0/2π可以看出，如果自旋核处于一个磁场强度不变的固定磁场中，设法测出其共振频率，就可以求出磁旋比，从而达到定性分析的目的。

（2）分子结构定性分析

对于相同的原子核，由于与其相连接的原子或原子团的不同，原子核所处的化学环境也不同（即核外电子的状态与电子云的密度是不同的），这些化学环境对外加磁场产生的屏蔽作用也不同。也就是说，不同化学结构的原子核实际所受的磁场强度是不同的，所以，它们将在稍微不同的频率处出现共振吸收。利用原子核共振频率的差异，可以进一步分析化合物的分子结构。

（3）定量分析

由NMR原理可知，当原子核吸收辐射能量产生核磁共振时，吸收能量的大小取决于核的多少，这一事实为NMR提供了定量分析根据。

2.2、NMR波谱仪分类

NMR波谱仪可以分为2类，一类为连续波核磁共振谱仪，一类为傅里叶变换核磁共振谱仪。

固定外磁场连续改变射频辐射频率（扫频），或固定外射频辐射频率连续改变磁场（扫场）记录核磁共振谱的方法，称为连续波方法，采用此方法的波谱仪称为连续波核磁共振谱仪。

脉冲傅里叶变换核磁共振（FT–NMR）是指用一定宽度的强而短的射频脉冲辐射样品，使样品中所有被观察的核同时被激发，产生一个时间域的响应函数，称为自由感应衰减（FID）信号。用计算机对它进行傅里叶变换，仍可得到普通的频率域核磁共振谱。据此原理制造的仪器叫作傅里叶变换核磁共振谱仪。

2.3、NMR波谱仪工作原理

（1）NMR波谱仪结构

扫场法NMR波谱仪主要组成部分及各部分功能如下：

A.永久磁铁:它的作用是提供一个稳定的高强度磁场，即B0。

B.扫场线圈：在一对磁极上绕制的一组磁场扫描线圈，用以产生一个附加的可变磁场，叠加在固定磁场上，使有效磁场强度可变，以实现磁场强度扫描。

C.射频振荡器：它提供一束固定频率的电磁辐射，用以照射样品。

D.吸收接收器和记录仪：检测器的接收线圈绕在试样管周围。当某种核的进动频率与射频频率匹配而吸收射频能量产生核磁共振时，便会产生一信号。记录仪自动描记图谱，即核磁共振波谱。

E.试样管：直径为数毫米的玻璃管，样品装在其中，固定在磁场中的某一确定位置。整个试样探头是迅速旋转的，以减少磁场不均匀的影响。

F.屏蔽壳体：用于给分析仪一个独立的环境，以隔绝外界磁场和电磁波对仪器的影响，保证仪器的稳定性和精确性。

扫频法NMR波谱仪和傅里叶变换NMR波谱仪的结构与扫场法NMR波谱仪的结构类似，但都没有扫场线圈。扫频法NMR波谱仪是在稳定的外磁场下，射频振荡器先后发射一定频率范围的电磁波。而傅里叶变换NMR波谱仪同时发射一定宽度的射频脉冲。

（2）NMR波谱仪工作流程

扫场法NMR波谱仪的永久磁铁提供一个固定的磁场，而扫场线圈则提供一个可变的磁场，两者叠加的结果使有效磁场在一定范围内变化，即B0在一定范围内可变。通过射频振荡器提供能量和频率稳定的射频源，它的电磁辐射照射在处于磁场中的样品上，并用射频接收器测量经样品吸收后的射频辐射能。

在样品无吸收时，则接收的能量为一定值；如果有吸收，就会给出一个能量吸收信号。但吸收的条件必须是射频的频率V=V0=yB0/2π。射频的频率是固定的，要使具有不同磁旋比的不同原子核，或是具有相同磁旋比但分子结构不同的原子核都能吸收辐射能，就只有改变B0，使不同的自旋核在相应的某一特定的B0时具有相同的并与射频频率相等的进动频率，即V=V0。这样，不同的自旋核都可以在各自的特征磁场强度下吸收射频辐射能而产生核磁共振。

因此，用改变磁场强度的方法进行扫描，接收器就可以给出一系列的以磁场强度为特征的吸收信号。以磁场强度为横坐标，以吸收能量为纵坐标绘出的曲线就是核磁共振波谱图。其中横坐标就是定性分析所依据的参数，纵坐标对应于不同B0的出峰面积就是定量分析参数。

扫频法NMR波谱仪和傅里叶变换NMR波谱仪的工作过程与扫场法NMR波谱仪类似，其定性和定量原理则是完全一致的。

3、NMR波谱仪安全性分析

从NMR原理可知，NMR波谱仪工作原理是基于不同自旋原子核在不同的磁场和电磁波频率配对情况下能量发生能级跃迁来进行定性分析，基于吸收能量的多少来进行定量分析。在这个描述中，分别涉及了“核”、“磁场”和“电磁波”3个与人类健康相关的敏感词汇，下面分别从这3个概念出发，来阐释NMR波谱仪的安全性。

3.1、关于核

核，也就是原子核，位于原子的核心部分，由质子和中子两种微粒构成，是所有物质的基础结构之一，“核”本身并不对人类健康构成威胁。

宇宙中的物质是时刻处于运动中的，核也是一样。在原子核的运动中会产生各种现象和效应，这些现象中有的会对人类健康带来不利影响，如核辐射，而有的现象则不会影响到人类健康，如自旋核的拉莫尔进动现象。

核磁共振现象也是原子核的一种现象。核磁共振的本质是自旋原子核在外磁场下吸收电磁波发生能量跃迁，或发生能量跃迁产生电磁波。由此可知，核磁共振现象中，首先存在静磁场，其次原子核与外界交互的是电磁波。所以，分析NMR波谱仪的安全性，也就是分析在其物理结构下“磁场”和“电磁波”的安全性。

3.2、关于磁场

（1）磁场与人体健康

磁性是物质的属性之一，地球本身就是一个天然的磁场。人体也具有一定的磁性，人脑、心脏、皮肤和其它器官的电流活动都产生磁场，甚至连头皮上的毛囊也产生有磁场。

磁场是生物体维持正常生命活动不可缺少的环境因素，对机体的生理机能有一定的作用和影响，这种作用叫生物的磁效应。这种磁效应是由于物体内部微观的电子运动和构成生物组织的物质磁性决定的。科学实验证实，磁场对生物的分子、细胞、神经、器官及机体的各个层次均显示不同的影响。

磁场分为静磁场、脉动磁场、脉冲磁场和交变磁场4种。静磁场是磁场强度和方向保持不变的磁场，如铁磁片和通以直流电的电磁铁所产生的磁场。脉动磁场是磁场强度有规律变化而磁场方向不发生变化的磁场，如同极旋转磁疗器、通过脉动直流电磁铁产生的磁场。脉冲磁场是用间歇振荡器产生间歇脉冲电流，将这种电流通入电磁铁的线圈即可产生各种形状的脉冲磁场。脉冲磁场的特点是间歇式出现磁场，磁场的变化频率、波形和峰值可根据需要进行调节。交变磁场是磁场强度和方向在规律变化的磁场，如工频磁疗机和异极旋转磁疗器产生的磁场。

目前的研究中关于静磁场未有对人体有害的报导，相反有些研究表明其对增进健康有益【1】。脉冲磁场和交变磁场则会对人体产生一定危害【2】。

（2）NMR波谱仪磁场安全性分析

首先，NMR波谱仪中磁铁产生的磁场为静磁场， 如前所述，静磁场本身没有证据证明会对人体健康产生危害。

其次，为了保证NMR分析仪的稳定性和准确性，需要分析仪内的磁场稳定。NMR波谱仪的屏蔽壳体的作用之一就是磁屏蔽，该结构可以有效防止外部环境的磁场对仪器磁场产生影响。屏蔽是双向的，结果是从屏蔽壳体内穿过壳体外的磁场也是微乎其微的。

3.3、关于电磁波

（1）电磁波与人体健康

电磁波是能量的一种，是很常见的辐射，凡是能够释放出能量的物体，都会释放出电磁波。电磁波对人体的影响主要由功率（与场强有关）和频率决定。如果按照频率从低到高（波长从长到短）按次序排列，电磁波可以分为：无线电波（长波、中波、短波、超短波）、微波、远红外线、红外线、可见光、紫外线、X射线、γ射线、宇宙射线。

各种电磁波对应波长和频率如下表所示：

以可见光为界，频率高于（波长小于）可见光的射线对人体主要产生化学效应，危害较大；频率低于可见光的电磁波对人体产生的主要是热效应，在不同条件下对人体产生或有益或不利的影响。

由于电磁波对人体健康的影响，我国有专门的国家标准规定了电磁环境中控制公众曝露的电场、磁场、电磁场（1Hz~300GHz）的场量限值：电磁环境控制限值（GB 8702—2014），如下表所示。

（2）NMR波谱仪电磁辐射安全性分析

NMR波谱仪的电磁波频率一般在60MHz～100MHz左右，从表可知，其电磁波类型在无线电波范围内。

无线电波常应用于通讯领域，因此日常环境中电磁环境比较复杂，NMR波谱仪需要精确测定不同类别原子核吸收或放出的电磁波能量，因此必须排除外界电磁波对仪器的影响，所以，NMR波谱仪的屏蔽壳体在磁屏蔽的同时还需承担电磁屏蔽的作用。

与磁屏蔽相同，屏蔽作用是双向的，所以从仪器内部穿透屏蔽壳体的电磁辐射量要远小于环境的电磁辐射量，不会对人体产生不利影响。

3.4 结论

通过以上分析，可以得出以下几点结论：

（1）NMR分析仪内部存在“静磁场”和“电磁波”；

（2）静磁场对人体健康没有不利影响；

（3）NMR分析仪的电磁波为低频电磁波，能够产生的为电磁辐射，与核辐射的电离辐射是不同的概念；

（4）NMR波谱仪对外的电磁辐射远小于环境电磁辐射量，不会对人体产生健康影响。

参考文献：

[1] 志贺健等，磁场对人体的影响[J]，日本医学介绍，1997，18（1）。

[2] 王沂，超强静磁场对果蝇寿命和繁殖力的影响[D]，上海大学，2008。

[3] 吴石增，电磁波与人体健康[M]，中国计量出版社，2011。

[4] GB 8702—2014，电磁环境控制限值[S]，中国环境科学出版社。

[5] 王金山，核磁共振波谱仪与实验技术[M]，机械工业出版社，1982。