核磁共振是一種物理現(xiàn)象，作為一種分析手段廣泛應(yīng)用于物理、化學(xué)生物等領(lǐng)域，到1973年才將它用于醫(yī)學(xué)臨床檢測(cè)。為了避免與核醫(yī)學(xué)中放射成像混淆，把它稱(chēng)為核磁共振成像術(shù)(MRI)。

       核磁共振原理是給核磁共振這個(gè)物理現(xiàn)象分析結(jié)構(gòu)手段做一個(gè)科學(xué)解釋。核磁共振原理主要是由原子核的自旋運(yùn)動(dòng)引起的。不同的原子核，自旋運(yùn)動(dòng)的情況不同，它們可以用核的自旋量子數(shù)I來(lái)表示。自旋量子數(shù)與原子的質(zhì)量數(shù)和原子序數(shù)之間存在一定的關(guān)系，大致分為三種情況。

原子核是帶正電荷的粒子，不能自旋的核沒(méi)有磁矩，能自旋的核有循環(huán)的電流，會(huì)產(chǎn)生磁場(chǎng)，形成磁矩(μ)。

μ=γP

公式中，P是角動(dòng)量，γ是磁旋比，它是自旋核的磁矩和角動(dòng)量之間的比值，當(dāng)自旋核處于磁場(chǎng)強(qiáng)度為B0的外磁場(chǎng)中時(shí)，除自旋外，還會(huì)繞B0運(yùn)動(dòng)，這種運(yùn)動(dòng)情況與陀螺的運(yùn)動(dòng)情況十分相象，稱(chēng)為拉莫爾進(jìn)動(dòng)，見(jiàn)圖8-1。自旋核進(jìn)動(dòng)的角速度ω0與外磁場(chǎng)強(qiáng)度B0成正比，比例常數(shù)即為磁旋比γ。式中v0是進(jìn)動(dòng)頻率。

ω0=2πv0=γB0

微觀磁矩在外磁場(chǎng)中的取向是量子化的，自旋量子數(shù)為I的原子核在外磁場(chǎng)作用下只可能有2I+1個(gè)取向，每一個(gè)取向都可以用一個(gè)自旋磁量子數(shù)m來(lái)表示，m與I之間的關(guān)系是：

m=I，I-1，I-2…-I

原子核的每一種取向都代表了核在該磁場(chǎng)中的一種能量狀態(tài)，其能量可以從下式求出：

正向排列的核能量較低，逆向排列的核能量較高。它們之間的能量差為△E。一個(gè)核要從低能態(tài)躍遷到高能態(tài)，必須吸收△E的能量。讓處于外磁場(chǎng)中的自旋核接受一定頻率的電磁波輻射，當(dāng)輻射的能量恰好等于自旋核兩種不同取向的能量差時(shí)，處于低能態(tài)的自旋核吸收電磁輻射能躍遷到高能態(tài)。這種現(xiàn)象稱(chēng)為核磁共振，簡(jiǎn)稱(chēng)NMR。

該研究得最多的是1H的核磁共振，13C的核磁共振近年也有較大的發(fā)展。1H的核磁共振稱(chēng)為質(zhì)磁共振（Proton Magnetic Resonance），簡(jiǎn)稱(chēng)PMR，也表示為1H-NMR。13C核磁共振（Carbon-13 Nuclear Magnetic Resonance）簡(jiǎn)稱(chēng)CMR，也表示為13C-NMR。

1H的核磁共振

1H的自旋量子數(shù)是I=1/2，所以自旋磁量子數(shù)m=±1/2，即氫原子核在外磁場(chǎng)中應(yīng)有兩種取向。見(jiàn)圖8-2。1H的兩種取向代表了兩種不同的能級(jí)，

因此1H發(fā)生核磁共振的條件是必須使電磁波的輻射頻率等于1H的進(jìn)動(dòng)頻率，即符合下式。

核吸收的輻射能大？

式（8-6）說(shuō)明，要使v射=v0，可以采用兩種方法。一種是固定磁場(chǎng)強(qiáng)度H0，逐漸改變電磁波的輻射頻率v射，進(jìn)行掃描，當(dāng)v射與H0匹配時(shí)，發(fā)生核磁共振。另一種方法是固定輻射波的輻射頻率v射，然后從低場(chǎng)到高場(chǎng)，逐漸改變磁場(chǎng)強(qiáng)度H0，當(dāng)H0與v射匹配時(shí)，也會(huì)發(fā)生核磁共振。這種方法稱(chēng)為掃場(chǎng)。一般儀器都采用掃場(chǎng)的方法。

在外磁場(chǎng)的作用下，1H傾向于與外磁場(chǎng)取順向的排列，所以處于低能態(tài)的核數(shù)目比處于高能態(tài)的核數(shù)目多，但由于兩個(gè)能級(jí)之間能差很小，前者比后者只占微弱的優(yōu)勢(shì)。1H-NMR的訊號(hào)正是依靠這些微弱過(guò)剩的低能態(tài)核吸收射頻電磁波的輻射能躍遷到高能級(jí)而產(chǎn)生的。如高能態(tài)核無(wú)法返回到低能態(tài)，那么隨著躍遷的不斷進(jìn)行，這種微弱的優(yōu)勢(shì)將進(jìn)一步減弱直至消失，此時(shí)處于低能態(tài)的1H核數(shù)目與處于高能態(tài)1H核數(shù)目相等，與此同步，PMR的訊號(hào)也會(huì)逐漸減弱直至最后消失。上述這種現(xiàn)象稱(chēng)為飽和。

1H核可以通過(guò)非輻射的方式從高能態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榈湍軕B(tài)，這種過(guò)程稱(chēng)為弛豫，因此，在正常測(cè)試情況下不會(huì)出現(xiàn)飽和現(xiàn)象。弛豫的方式有兩種，處于高能態(tài)的核通過(guò)交替磁場(chǎng)將能量轉(zhuǎn)移給周?chē)姆肿?，即體系往環(huán)境釋放能量，本身返回低能態(tài)，這個(gè)過(guò)程稱(chēng)為自旋晶格弛豫。其速率用1/T1表示，T1稱(chēng)為自旋晶格弛豫時(shí)間。自旋晶格弛豫降低了磁性核的總體能量，又稱(chēng)為縱向弛豫。兩個(gè)處在一定距離內(nèi)，進(jìn)動(dòng)頻率相同、進(jìn)動(dòng)取向不同的核互相作用，交換能量，改變進(jìn)動(dòng)方向的過(guò)程稱(chēng)為自旋-自旋弛豫。其速率用1/T2表示，T2稱(chēng)為自旋-自旋弛豫時(shí)間。自旋-自旋弛豫未降低磁性核的總體能量，又稱(chēng)為橫向弛豫。

13C的核磁共振

天然豐度的12C的I為零，沒(méi)有核磁共振信號(hào)。13C的I為1/2，有核磁共振信號(hào)。通常說(shuō)的碳譜就是13C核磁共振譜。由于13C與1H的自旋量子數(shù)相同，所以13C的核磁共振原理與1H相同。

將數(shù)目相等的碳原子和氫原子放在外磁場(chǎng)強(qiáng)度、溫度都相同的同一核磁共振儀中測(cè)定，碳的核磁共振信號(hào)只有氫的1/6000，這說(shuō)明不同原子核在同一磁場(chǎng)中被檢出的靈敏度差別很大。13C的天然豐度只有12C的1.108%。由于被檢靈敏度小，豐度又低，因此檢測(cè)13C比檢測(cè)1H在技術(shù)上有更多的困難。