6.2　仪器结构与原理

核磁共振波谱仪（NMR）也称核磁共振谱仪。分为连续波核磁共振波谱仪和超导脉冲傅里叶变换核磁共振波谱仪。连续波核磁共振谱仪中一般用永久磁铁或电磁铁，在固定射频下进行磁场扫描或固定磁场下进行频率扫描，使不同的核依次满足共振条件而得出共振谱线。由于连续波核磁共振波谱仪测试样品时间长，灵敏度又低，所以无法完成碳谱和多维谱的测试工作，现已基本被超导脉冲傅里叶变换核磁共振谱仪取代，这里只介绍超导脉冲傅里叶变换核磁共振波谱仪的主要结构和工作原理。

超导脉冲傅里叶交换核磁共振波谱仪主要由五个部分组成：射频振荡器、磁场系统、探头、信号接收检测系统以及信号处理与控制系统，如图6-5所示。

图6-5　PFT-NMR谱仪工作原理框图

脉冲傅里叶变换核磁共振仪（Pulse Fouriertransform-NMR，PFT-NMR）是在外磁场保持不变的情况下，使用一个强而短的射频脉冲（一般频率为300～900MHz）照射样品，这个射频脉冲中包括所有不同化学环境的同类核的共振频率。在这样的射频脉冲照射下所有这类核同时被激发，从低能级跃迁到高能级，然后通过弛豫逐步恢复Boltzmann平衡。在这个过程中，射频接收线圈中可以接收到一个随时间衰减的信号，称为自由感应衰减信号（Free Induction Decay，FID）。FID信号中虽然包含所有激发核的信息，但是这种随时间改变而变化的信号（称作时间域信号）很难识别，所以要将FID信号通过傅里叶变换转化为我们熟悉的以频率为横坐标的谱图，即频率域谱图。PFT-NMR工作原理示意图如图6-6所示。

图6-6　PFT-NMR工作原理示意图

6.2.1　探头

探头是整个仪器的心脏，固定在磁极间隙中，为圆柱形。探头的中心放置装有样品的样品管，测试时样品管高速旋转，可以进一步改善磁场的均匀性。探头中还备有向样品管发射射频场的发射线圈和用于接收共振信号的接收线圈。对于不同种类的核，所施加的射频波可通过波段选择及调谐来实现。

6.2.2　磁场系统

磁场系统用来提供一个强的、稳定的、均匀的静磁场，以便观测化学位移微小差异的共振信号。现在的核磁共振谱仪都是采用超导磁体，谱仪中采用超导体绕成螺旋形线圈。为了获得稳定的磁场（静磁场）强度，对于超导磁体，必须用足够的液氮、液氦维持其正常工作。

6.2.3　射频振荡器

射频振荡器是将一个稳定的、已知频率的石英晶体振荡器（即主钟）产生的电磁波，经频率综合器精确地合成出待观测核、被辐照核和锁定核的三个通道所需要的频率射频源。射频源所发生的射频场经过受到脉冲程序控制的发射门，产生相应的射频脉冲，再经过功率放大器发射很强功率的多种射频脉冲，最终输送到探头部件中缠绕在样品管套上的发射线圈上。发射线圈、接收线圈以及磁场方向三者互相垂直。

6.2.4　信号接收检测系统

当射频发射门打开时，接收机是关闭的。当射频脉冲施加在样品上后，射频发射门是关闭的，NMR的FID（自由感应衰减）信号通过开启的接收机门，才由信号接收检测系统接收下来。信号经前置放大器、混频器、单相相敏检波器或数字正交检波系统、低频放大器、滤波器得到FID信号的模拟信号，模拟信号经模数转换器转换成数字信号，最后由计算机进行快速采样，将FID数字信号存储下来。

6.2.5　信号处理与控制系统

信号处理与控制系统负责对接收的FID信号进行累加、傅里叶变换等处理，转换成正常的NMR谱，计算机软件对NMR谱处理获取峰面积、峰位等信息，并将处理的信号显示在计算机屏幕上。