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核磁共振（HMR）测试样品全解析：从原理到数据处理

迅迪实验室

2025-11-12

导读：在现代材料科学、化学、生物医药以及能源研究等领域中，核磁共振（Nuclear Magnetic Resonan

在现代材料科学、化学、生物医药以及能源研究等领域中，

核磁共振（Nuclear Magnetic Resonance, NMR） 已成为结构分析和分子动力学研究的重要手段。无论是小分子有机物的结构确认、蛋白质折叠研究，还是固体材料中局域结构的探测，核磁共振都以其非破坏性、高分辨率、定量性强而受到广泛应用。

本文将从原理、样品制备、实验操作与数据解析等方面系统介绍液体与固体核磁共振的全过程。

一、核磁共振的基本原理

1. 核自旋与磁共振现象

核磁共振的核心在于——原子核的自旋特性。
具有自旋角动量的原子核（如 ¹H、¹³C、¹⁵N、²⁹Si、³¹P 等）在外加磁场中会产生磁矩。当这些核处于强磁场（通常为几特斯拉）时，会分裂为若干能级。

能级差可表示为：

ΔE = hν = γħB₀

其中：

γ 为核的旋磁比（gyromagnetic ratio）
B₀ 为外加静磁场强度
ν 为共振频率
h 为普朗克常数，ħ 为约化普朗克常数

当射频（RF）辐射的频率与核的共振频率相匹配时，核自旋吸收能量并发生“翻转”，这就是核磁共振现象。

2. 化学位移与自旋偶合

分子中原子核所处的电子环境不同，会导致局部磁场屏蔽效应不同，从而引起共振频率的细微变化。这种频率差异称为化学位移（δ），其定义为：

δ = (ν_sample − ν_reference) / ν_reference × 10⁶ （单位：ppm）

化学位移反映核所处的化学环境，是结构分析的基础。

此外，不同核之间存在自旋相互作用，会产生自旋-自旋偶合（J-coupling），在谱图中形成双峰、三峰等分裂结构，为判断分子连接关系提供重要信息。

二、液体核磁共振（Liquid NMR）

液体核磁是核磁共振中最常用的形式，适用于有机化合物、小分子药物、聚合物单体等可溶样品。

1. 样品准备

（1）样品浓度

¹H NMR：5–20 mg/mL
¹³C NMR：50–100 mg/mL
信号弱时可通过增加扫描次数（NS）提高信噪比。

H谱

（2）溶剂选择
核磁测试对氢信号非常敏感，因此一般使用去氢溶剂（deuterated solvent）。常见溶剂如下：

溶剂	特点	适用样品
CDCl₃	通用型，挥发适中	一般有机化合物
DMSO-d₆	极性强	含极性官能团样品
CD₃OD / D₂O	水溶性好	极性分子、生物样品
C₆D₆	芳香性强	芳香族化合物

（3）样品体积与管材

使用 5 mm 核磁管，溶液体积约 0.5 mL。
样品应完全溶解，避免沉淀或悬浮。
管口清洁，防止残留溶剂干扰。

（4）锁场与调谐
去氢溶剂提供锁场信号（Lock），用于稳定磁场；测试前需调谐射频线圈（Tune/Match），优化信号强度。

2. 常用实验类型

实验类型	提供信息	常用核
¹H NMR	氢原子化学环境	¹H
¹³C NMR	碳骨架结构	¹³C
DEPT	区分 CH、CH₂、CH₃	¹³C/¹H
COSY	氢-氢偶合关系	¹H
HSQC / HMQC	氢-碳一键相关	¹H/¹³C
HMBC	氢-碳长程相关	¹H/¹³C
NOESY / ROESY	空间相关信息	¹H

二维谱（2D NMR）在复杂结构解析中尤为重要，可揭示分子内原子间的关联。

3. 数据处理与谱图解析

液体核磁信号经过傅里叶变换（FT）后生成谱图。主要处理步骤包括：

相位校正（Phase Correction）：调整谱线形态，使峰对称；
基线校正（Baseline Correction）：消除背景漂移；
积分与标定：以溶剂残留峰为内标，如 CDCl₃ 的氢峰为 7.26 ppm；
信号归属（Assignment）：结合化学位移、偶合常数及二维谱进行结构分析。

C谱

三、固体核磁共振（Solid-State NMR）

对于难溶或不溶样品，如催化剂、陶瓷、聚合物、无机材料等，需采用固体核磁共振（Solid-State NMR）。

1. 原理简述

固体样品中分子运动受限，局域各向异性强，信号常因化学位移各向异性（CSA）、偶极耦合或四极相互作用而展宽。
为提高分辨率，固体核磁采用以下关键技术：

魔角旋转（MAS, Magic Angle Spinning）
让样品在倾斜角 θ = 54.74° 的方向高速旋转，此时满足条件
3cos²θ − 1 = 0，
从而平均各向异性相互作用，使谱线变窄。
交叉极化（CP, Cross Polarization）
通过氢核（¹H）向低灵敏核（如 ¹³C、²⁹Si、³¹P）传递能量，增强信号。

2. 样品制备

（1）样品状态

要求干燥、均匀粉末；
含水或溶剂残留会导致旋转不稳；
导电样品可掺入稀释剂（如硼酸）。

（2）转子与样品量
不同直径转子对应不同转速：

7 mm 转子：5–7 kHz，约 80 mg 样品；
4 mm 转子：12–15 kHz，约 40 mg；
1.3 mm 转子：可达 60 kHz，样品约 5 mg。

（3）填装方法
使用专用工具轻压装填，保证平衡和密实度，避免旋转抖动或破裂。

3. 常见实验类型

实验类型	说明	常用核
¹³C CP/MAS	有机固体中碳环境分析	¹³C
²⁹Si MAS	硅氧网络结构	²⁹Si
³¹P MAS	磷酸盐、催化剂	³¹P
²⁷Al MAS	铝配位结构	²⁷Al
¹H MAS	固体中氢的局域分布	¹H

4. 数据解析

固体核磁谱图中可获得以下信息：

化学位移分布：反映局域化学环境差异；
峰面积比例：表征不同结构单元的相对含量；
弛豫时间（T₁、T₂）：揭示分子运动信息；
二维谱（HETCOR、DQ-SQ）：提供空间或键连接信息。

例如：

²⁹Si MAS 谱中 Q⁴、Q³、Q² 峰区分硅氧网络聚合程度；
³¹P MAS 谱中不同化学位移反映磷配位环境；
¹³C CP/MAS 谱可用于聚合物结晶度分析。

四、数据处理与常用软件

TopSpin（Bruker）：主流控制与数据分析平台；
MestReNova：液体核磁常用可视化软件；
DMFIT、ssNake：固体核磁谱线拟合工具；
Origin / MATLAB：用于峰拟合与定量分析。

处理要点：

使用高斯-洛伦兹混合模型拟合峰形；
注意积分归一化；
多样品谱图叠加可直观展示结构变化。

五、液体与固体核磁的互补性

比较项目	液体 NMR	固体 NMR
样品状态	溶液	固体粉末或膜
谱线宽度	窄、分辨率高	宽、需 MAS 技术
信息类型	分子结构、偶合关系	局域结构、配位信息
应用领域	有机化学、生物样品	材料科学、催化、聚合物