核磁共振光譜儀的原理為何？ | 合法醫療器材資訊網

發佈：2017-02-10, 週五

核磁共振光譜儀 (NMR, Nuclear Magnetic Resonance)，顧名思義，是一種觀察分子結構中的原子核動態的一種技術，藉由分析原子核自旋 (spin) 特性，進而判斷分子結構。自從 50年代，核磁共振技術問世以來，核磁共振光譜儀已經被廣泛地應用在有機化合物分析研究上。

核磁共振光譜儀的原理，是利用原子核具有自旋角動量的特性，當原子核被施予外加磁場、而且方向與磁矩方向不同時，原子核原本的磁矩 (可以想像為陀螺的軸心)，會繞著磁場方向擺動旋轉，就像陀螺在旋轉過程中，會傾斜旋轉擺動一樣。這個現象，有一個專有名詞，叫做進動 (precession)，而進動具有能量，也有一定的頻率。而且在固定強度的外加磁場中，這個頻率也會固定不變。

「進動 precession」的運動狀況 (圖片來自維基百科)

此外，由於原子核在進動的過程，其磁矩與外加磁場方向的夾角並不是連續的，而是由原子核的磁量子數決定，磁矩的方向，會在施予外加能量後，在這些磁量子數間，呈現跳躍式的變化，不是平滑地改變方向。這個外加能量，通常會施以外加的射頻場來提供。而這個現象，被稱為「共振」。而且，不是每一種原子核都會發生「共振」現象，那些質子數和中子數均為偶數的原子核，便不會發生共振，如，氧-16，氖-20。

因此，核磁共振光譜儀，便是利用以上的原理，為待測樣品製造出一個恆定的外加磁場，並且施以一射頻能量於其上，透過線圈偵測原子核自旋進動的頻率 (測量磁場變化產生的電氣信號，並透過傅立葉轉換得到頻譜)，便能進一步分析出分子中的原子核構成，進一步判讀出分子結構。

外加磁場的大小，會影響到頻譜中每一根頻率信號的距離。磁場越大，距離越遠，也越容易看清楚每一個頻率的細節，也就是解析度更高。過去，一部 NMR 的體積龐大，需要佔據很大的空間，而且還需要液態氮降溫，維護成本所費不貲。

然而，隨著半導體技術的精進，以及...