核磁共振仪的发明

核磁共振仪广泛应用于有机物质、化学反应动力学、高分子化学、医学、药学、生物学等领域的研究。在过去的20年里，由于这项技术的迅速发展，它已经成为化学领域中最重要的分析技术之一。早在1924年，奥地利物理学家泡利就提出一些原子核可能有自旋和磁矩。“自旋”一词来源于带电粒子的经典图像，例如质子和电子绕着自己的轴旋转。这种运动必然会产生角动量和磁偶极矩，因为旋转电荷相当于电流线圈，这是经典电磁理论已知的产生磁场的方法。当然，这种解释只是图像的比较，而实际情况要比这复杂得多。原子核的自旋可以用自旋量子数I来表示。自旋量子数是这样得到的，质量数的原子序数有如下关系:质量数原子序数自旋量子数(I)奇数或偶数1/2，3/2，5/2...偶数0偶数1，2，3...1 > 0的原子核在自旋时会产生磁场；I是原子核的1/2，它的电荷分布是球形的；对于I≥1的原子核，电荷分布不是球形的，因此存在一个磁极矩。I = 0的原子核被置于强磁场中。在强磁场的作用下，会发生能级分裂。如果使用频率与其能级相对应的电磁辐射，就会发生共振吸收。核磁共振的名字就来自于此。斯特恩和盖拉赫在1924年的原子束实验中观察到锂和银原子的磁偏转，并测量了不成对电子引起的原子磁矩。斯特恩等人在1933年测量了质子的磁矩。1939年，贝拉进行了第一次核磁共振实验。1946年，美国的Pusher和Bushehr同时提出了质子核磁共振实验报告。首先，他们使用核磁共振方法来研究固体物质、核特性、原子核与周围环境之间的能量交换等问题。为此，他们都获得了1952年诺贝尔物理学奖。核磁共振方法在20世纪50年代开始应用于化学领域。1950年，美国斯坦福大学的两位物理学家proctor和于将NH4NO3水溶液作为氮核的来源。当测量14N的磁矩时，他们发现两个具有完全不同性质的共振信号，从而发现同一原子核在不同化学环境下吸收能量的共振条件也不同，即核磁共振频率不同。这种现象被称为“化学位移”。这是由于原子核外电子形成的磁场和外部磁场之间的相互作用。化学位移是识别官能团的重要基础。因为化学位移的大小与键的性质和键元素的类型密切相关。此外，各组原子核之间的磁相互作用构成自旋-自旋耦合。这种效应经常使每组具有不同化学位移的原子核在共振吸收图上显示出多个峰而不是单个峰，这是由分子中相邻原子核的数目和对称距离等因素决定的，因此有助于提示整个分子。由于上述成就，已经开发了高分辨率核磁共振仪器。要测量的原子核主要是氢核，这是由于其强的核磁共振信号。随着仪器性能的提高，还可以测量13C、31P、15N等原子核，仪器所使用的磁场越来越强。信息技术磁场产生于20世纪50年代，2T磁场产生于60年代，5T磁化器是利用磁化现象产生的。20世纪70年代，8T磁场被创造出来。现在核磁共振仪已经应用于从小分子到蛋白质和核酸的各种化学系统。