核磁共振技術在有機分子結構測定中扮演了非常重要的角色，NMR與紫外-可見光譜（UV-Vis）、紅外光譜（IR）以及質譜（MS）共同構成現代分析技術的基石，被譽為有機結構解析的"四大名譜"。相較于其他譜學方法，NMR在提供分子空間構型、動態信息及定量氫分布等方面具有獨特優勢。
然而對于許多學生而言，對NMR的原理、用途以及解析等內容還不是很能理解。本文將系統解析NMR的基本原理、發展歷程以及譜圖解讀方法，開啟今天的學習吧！
核磁共振譜圖
發展歷史
咱先來說說NMR的歷史發展：
核磁共振（NMR）技術的演進始于20世紀初期的基礎物理研究。1924年，奧地利理論物理學家沃爾夫岡·泡利首次提出原子核自旋理論模型，指出特定原子核具備自旋量子數與磁矩特性，其在外磁場中能級分裂的預測為后續研究奠定理論根基。
1946年迎來關鍵性突破，瑞士物理學家菲利克斯·布洛赫與美國物理學家愛德華·珀塞爾分別通過獨立實驗，在石蠟和水樣本中首次觀測到質子核磁共振現象。這項突破性發現使珀塞爾和布洛赫共同斬獲1952年諾貝爾物理學獎，此后六十余年間，另有六位學者因推動NMR技術發展榮膺諾獎殊榮。
20世紀50年代標志著NMR技術正式步入分析科學領域，科學家首次成功獲取氣態氫的核磁共振譜線數據，開啟了物質微觀結構研究的新紀元。至70年代，該技術實現革命性跨越——磁共振成像（MRI）技術問世，這項創新不僅拓展了NMR的應用邊界，更重塑了現代醫學診斷范式。
原理
（1）原子核的自旋與磁矩
自旋性質：某些原子核（如1H、13C、1?F等）具有自旋角動量，類似于微觀的“旋轉”。自旋量子數（I）不為零的核才能產生核磁共振。
磁矩產生：自旋的核帶有電荷，因此會產生磁矩（μ），類似一個小磁針。
（2）外加磁場中的能級分裂（塞曼效應）
當核被置于強靜磁場（0B0）中時，其磁矩會與磁場相互作用，導致能級分裂。
對于自旋量子數 =1/2I=1/2 的核（如1H），原本簡并的能級會分裂為兩個能級：低能級、高能級。
（3）共振吸收（射頻脈沖激發）
施加一個與能級差（ΔΔE）匹配的射頻場（射頻頻率 ν）：
其中，γ 為核的磁旋比（gyromagnetic ratio），是核的特性常數。
當射頻頻率滿足 拉莫爾方程（=0/2ν=γB0/2π）時，核會吸收能量，從低能級躍遷至高能級，稱為 共振。
（4）弛豫與信號檢測
弛豫過程：射頻脈沖停止后，核通過釋放能量回到平衡態，分為兩種過程：
a.縱向弛豫（T?）：恢復磁化矢量的縱向分量（能量釋放到周圍環境）。
b.橫向弛豫（T?）：衰減磁化矢量的橫向分量（核自旋間的相互作用）。
自由感應衰減（FID）：弛豫過程中產生的時域信號被檢測線圈接收，形成隨時間衰減的FID信號。
（5）傅里葉變換與譜圖生成
通過傅里葉變換將時域信號（FID）轉換為頻域譜圖，得到不同核的共振頻率（化學位移），反映其化學環境差異。
（6）化學位移與結構信息
化學位移（δ）：由于核周圍電子云產生的屏蔽效應，不同化學環境的核實際感受到的磁場（Beff）不同，導致共振頻率偏移。
耦合常數（J）：相鄰核自旋間的相互作用導致譜線分裂，提供分子內相互作用的幾何信息。
NMR按被測定對象分為：氫譜1HNMR、碳譜13CNMR、19F、31P及15N等；有機化合物、高分子材料都主要由碳氫組成，所以在材料結構與性能研究中，以1H譜和13C譜應用最為廣泛。
NMR按測定樣品的狀態分為：液體NMR（最常用）、固體NMR（在高分子結構研究中起重要作用）。
用途
除了運用在醫學成像檢查方面，在分析化學和有機分子的結構研究及材料表征中運用最多。
1. 有機化合物結構鑒定
有機化合物結構解析主要依據核磁共振（NMR）譜學參數進行綜合研判。通過化學位移值可辨識特征官能團；依據耦合裂分模式和耦合常數能夠推斷相鄰原子團的連接方式；結合質子信號積分強度則可確定各基團所含質子的比例關系。值得注意的是，NMR技術在化學動力學研究領域具有獨特優勢。諸如分子內旋轉受阻、化學交換反應等動態過程會引起核外電子環境發生特征性變化，這些微觀動力學現象會通過譜線線型變化（如峰寬展縮）、信號分裂模式改變或化學位移漂移等特征在NMR譜圖中呈現顯著響應。
圖源：摩熵化學（MolAid）
譜圖中化合物的信息
（1）峰的組數：反映分子中磁不等效氫核的種類數目，對應等價質子群的種類數；
（2）峰的強度(面積)：表征各類質子的相對數量比例，通過積分曲線高度比實現定量解析；
（3）化學位移值（δ）：揭示氫核所處電子云密度的特征參數，與電負性取代基、共軛效應等直接相關；
（4）化學環境標識：通過位移值歸屬可明確質子所處的特定化學微環境及其空間定位；
（5）裂分模式：根據(n+1)規律判定相鄰等價氫的數目（n為鄰近等價質子數），解析結構片段連接方式；
（6)偶合常數（J值）：反映自旋-自旋耦合作用的強度參數，其數值特征可指認取代基的電子效應、空間排布及分子立體構象。
2. 高分子材料的NMR成像技術
核磁共振（NMR）成像技術在高分子材料領域通過非侵入式三維成像，能夠精準檢測材料內部缺陷（如微裂紋、空洞），實時監測擠塑成型或發泡過程中分子鏈的動態行為，優化加工條件；同時可解析粘合劑固化界面作用機制及多孔材料的孔徑分布與流體滲透特性，為提升制品性能提供分子層面的結構依據。其結合弛豫時間分析與擴散加權成像，進一步揭示了材料宏觀性能與分子運動（如結晶動力學、相分離行為）的定量關聯，推動材料設計與工藝創新。
3. 多組分材料分析
核磁共振（NMR）技術在多組分材料分析中通過組分特征信號的獨立解析能力，實現復雜體系的精準表征。當聚合物共混物相容性良好時，其分子運動協同性表現為均一的弛豫時間分布，而相容性差則因相分離現象呈現多組分弛豫特征，固體NMR通過弛豫時間分布譜與交叉極化實驗可定量評估界面相互作用強度及相區尺寸，為材料結構穩定性與性能優化提供分子動力學依據。尤其值得注意的是，固體魔角旋轉（MAS）與多脈沖去耦技術可突破傳統表征局限，在解析多相體系時展現高分辨優勢。此外，在研究聚合物還用于研究聚合反應機理、高聚物序列結構、未知高分子的定性鑒別、機械及物理性能分析等等。
樣品分析
1.樣品量不同場強需要的樣品量不同
2.氘代試劑的選擇
不同的NMR實驗需要選擇合適的氘代溶劑，主要依據：
溶解性：樣品必須能充分溶解于溶劑中。
化學惰性：避免與樣品發生副反應。
沸點：影響樣品的穩定性和實驗溫度選擇。
NMR信號特征：某些氘代溶劑仍含有微量1H，會產生背景峰。
價格及可用性：某些氘代溶劑較昂貴，需考慮成本。
3.是否必須加TMS
測試樣品加TMS（四甲基硅烷）是作為定化學位移的標尺，也可以不加TMS而用溶劑峰作標尺。
譜圖分析與預測
1. 解析核磁共振氫譜
首先確定孤立甲基的類型，通過甲基峰面積的積分高度計算氫原子分布。這一步驟可明確化合物中甲基的數量及所處化學環境。
其次重點解析低場區域的共振吸收峰（如醛基氫δ~9-10、羰基α氫δ~2-3等）。這些特征峰因化學位移范圍明確，可通過位移值快速識別對應的官能團類型。
最后處理高級偶合體系。通過分析偶合常數（如J值）、峰分裂模式（如雙峰、三重峰）及峰型特征（如AB系統），推測分子中取代基的相對位置、結構異構現象（如順反異構）以及立體化學信息（如鄰位交叉效應）。
2. 解析核磁共振碳譜
首先對比全去偶碳譜線數與分子式碳原子總數。若譜線數等于碳數，說明分子無對稱性；若譜線數較少，則表明存在化學環境相同的等價碳，反映分子對稱性特征。
隨后通過偏共振譜分析各碳信號的分裂情況，確定與其直接相連的氫原子數目（如CH?呈四重峰、CH?呈三重峰）。這一步驟可明確碳的級數信息。
最終結合碳化學位移數據庫（如羰基碳δ~200-220、芳香碳δ~120-140），歸屬各碳信號對應的結構單元，尤其關注雜原子鄰位碳的顯著位移現象。
3. 結合應用碳譜和氫譜
氫譜對無氫官能團（如羰基、氰基）檢測存在盲區，而碳譜可精準識別這些基團。例如，在甾體化合物解析中，氫譜常因多個亞甲基化學環境相似產生信號重疊，碳譜卻能清晰區分每個碳原子。
碳譜的定量性缺陷（峰高與碳數無正比關系）可通過氫譜的積分定量特性彌補。例如，在確定取代基數目時，可交叉驗證氫譜積分面積與碳譜信號數量。
特別對于復雜分子，建議采用"氫譜定位官能團周邊環境，碳譜構建整體骨架"的聯合解析法，通過二維譜（如HSQC、HMBC）建立碳氫關聯網絡，實現結構精準解析。
常見類型的有機化合物的化學位移
4. 譜圖預測
化學譜圖預測在化學分析和生物科學領域中扮演著至關重要的角色。它不僅能夠幫助科學家們理解和解釋復雜的分子結構，還能在藥物設計、疾病標志物的發現以及生物醫學研究中發揮重要作用。以核磁共振（NMR）譜圖預測為例，其通過模擬化學位移與偶合關系，可精準區分結構異構體（如立體異構、位置異構），顯著降低傳統實驗驗證的成本與周期。摩熵化學MolAid平臺創新性地實現了譜圖反向檢索功能，支持用戶輸入化學位移值反向匹配候選化合物，快速鎖定核心結構框架；同時整合權威文獻中的實測核磁數據庫，通過比對實驗值與預測數據的雙重驗證機制，大幅提升結構確證的可靠性，尤其在天然產物全合成與代謝產物鑒定中展現出高效應用價值。
圖源：摩熵化學（MolAid）
5. 如何計算偶合常數？
偶合常數計算需明確其物理定義：自旋偶合導致峰分裂后，相鄰兩裂分峰之間的頻率差（單位Hz）即為偶合常數（J值）。
常見誤區糾正：J值≠兩組氫的化學位移差值（如—OCH?CH?中兩組氫δ差＞2ppm時，實際計算應取同一組峰內相鄰峰的Δδ（ppm）×儀器頻率（如400MHz），而非兩組峰間差值。例如Δδ=0.5ppm時，J=0.5×400=200Hz）。
結構關聯應用：鄰位氫（如雙鍵順式J=6-10Hz，反式J=12-16Hz）通過Karplus公式可計算二面角；遠程偶合（如烯丙基J=1-3Hz）反映空間鄰近性。
