核磁共振波谱仪的工作原理

对于物质结构的分析，我们有很多种探测手段，但不管哪一种其本质都是物质内在的某种属性与外源粒子能够发生可探测的相互作用。

核磁共振利用的就是核磁矩与外磁场的相互作用，当与核自旋相关的核磁矩置于外部磁场中时，不同的自旋态被赋予不同的磁势能。在产生少量自旋极化的静磁场存在下，适当频率的射频信号可以引起自旋态之间的跃迁。这种“自旋翻转”将一些自旋置于更高的能量状态。如果随后关闭射频信号，则自旋弛豫回到较低状态会在与自旋翻转相关的共振频率下产生可测量的 RF 信号。这个过程称为核磁共振 (NMR)。

磁场中质子自旋的进动是质子核磁共振中使用的相互作用。作为一种实用技术，将含有质子（氢核）的样品置于强磁场中以产生质子的部分极化。还对样品施加了强射频场，以将一些核自旋激发到更高的能量状态。当这个强射频信号被关闭时，自旋往往会返回到它们的较低状态，在与该场相关的拉莫尔频率下产生少量辐射。辐射的发射与质子从激发态的“自旋弛豫”有关。它在检测器线圈中感应出射频信号，该信号被放大以显示 NMR 信号。

要了解我们周围各种复杂物质的物理结构，首先需要了解它们的分子结构。核磁共振波谱，是一种帮助研究人员分析分子结构，通过观察样品的核自旋相互作用来研究其生物学、化学或物理性质的分析技术。1946 年，两位物理学家 Felix Bloch 和 Edward Mills Purcell 首次展示了核磁共振光谱技术，并因此于 1952 年共同获得诺贝尔物理学奖。第一台商用核磁共振光谱仪于 1950 年制造，直到现在，核磁共振光谱仪被化学家用作必不可少的工具。与现代光谱仪相比，基于永磁体的早期光谱仪体积大、价格昂贵。其他一些方法，如 X 射线衍射和电子显微镜也可用于研究分子结构，但 NMR 光谱优于这些方法，因为 NMR 光谱是一种非破坏性方法，它也需要较少的样品制备。在本文中，我们将了解核磁共振波谱的各个方面。

核磁共振基础

核磁共振技术涉及原子核对（4-900MHz）的电磁辐射的吸收。它被认为是检测化合物中质子（氢）数量的最有效方法之一。核磁共振波谱的理论是基于自旋量子数。自旋量子数 (I) 说明电子的本征角动量，它与原子的质量数（质子和中子的数量）和原子序数（质子数）有关。观察到具有奇数原子序数或奇数质量数的元素显示核自旋。例如，H原子具有奇数原子质量和奇数原子序数，经计算，其自旋等于1/2，并显示核磁共振谱，

NMR 活性元素和 NMR 非活性元素的示例当向样品施加磁场时，可能的取向总数可以通过公式 2s+1 计算，其中“s”是自旋量子数。例如，H 原子有两种可能的取向，即+1/2 和-1/2。

每种元素都有一个带电的原子核，当中子和质子的自旋在原子核中没有配对时，原子核的净自旋将沿自旋轴产生磁偶极子。这个偶极子的净大小称为核磁矩。分子的内部结构由磁偶极子的对称性和分布决定。核磁共振波谱背后的原理是基于可以产生磁场的原子核的自旋。当没有外加磁场时，原子核的自旋是随机排列的；然而，当外部磁场(B0)施加到样品上时，原子核中存在的自旋与施加的磁场方向一致或相反。外部磁场的作用导致激发态和基态之间产生能量差（ΔE）。能量的传递发生在与射频等效的波长上。当自旋回到初始基态时，它会发射吸收的射频，这个发射的射频给出了相应原子核的 NMR 信号。发射的射频与外加磁场的大小成正比。这个发射的射频给出了相应核的核磁共振信号。发射的射频与外加磁场的大小成正比。这个发射的射频给出了相应核的核磁共振信号。

在数学上，v = (γB0) / 2π其中 v 是发射的射频，B0 是外加磁场，γ 是磁旋比。磁旋比是核磁矩与角矩的比值。

2. 永久磁铁 这些磁铁总是拥有周围的磁场，因为它们是由原子永久排列的材料制成的，以提供恒定的磁场。这些磁铁不如超导磁铁强大，但它们在 NMR 光谱中更受欢迎，特别是在台式光谱仪中。

3. 电阻磁铁 电阻磁体提供的直流磁场比其他两种类型的磁体大得多。这些磁铁通常是铜片，里面有许多冷却孔。

电阻磁铁

2. 样品架 核磁共振波谱中使用的样品架应该对射频透明、化学惰性和耐用。它一般是玻璃或耐热玻璃管，长约 6-7 英寸，直径约 1/8 英寸。

3.射频线圈 射频线圈用于将磁场传输到所需区域；当电流流过它们时，它们会感应出磁场。他们还检测由此产生的 NMR 信号。一般在发送端和接收端使用相同的线圈，但最好在两端使用不同的线圈。

射频线圈

4. 扫描发生器 扫描发生器是一种电子设备，它产生具有恒定幅度和线性变化频率的波形。扫描发生器在 NMR 光谱中的主要作用是它允许等量级的磁场通过样品。

扫频发生器

5. 射频发射器 发射器提供所需功率、频率和形状的射频脉冲。它由以下组件组成。

6. 射频接收器 射频接收器的重要功能是将模拟核磁共振信号转换为数字信息。具有有效分辨率和转换带宽的合适射频接收器在NMR光谱中是优选的。7. 放大器 放大器的目的是放大获得的核磁共振信号，它通过使用上通和下通滤波器调整频率来提高核磁共振信号的可见度。8. 记录仪/示波器 它是一种记录和分析从射频接收器接收到的数据并将其显示在屏幕上的计算机。

核磁共振光谱溶剂在核磁共振波谱中制备准确的样品是至关重要的一步。核磁共振波谱中使用的三种主要样品类型是液体样品、固体样品和气体样品。通过将大约 0.5 ml 液体放入 NMR 样品管中来分析液体样品。固体样品与适合分析的溶剂混合，通常2-3mg样品与0.5ml溶剂混合。气体样品通过在合适溶剂的帮助下浓缩来进行分析。在 NMR 光谱中制备的样品经过过滤以去除铁颗粒（如果有的话），并且还进行脱气以去除氧，因为铁和氧都是顺磁性的，这可能会导致 NMR 谱的谱线变宽。如果样品为液体形式，NMR 光谱会提供更好的信号；因此，所有样品通常都被转换成液体形式以获得更好的核磁共振谱。应仔细选择溶剂类型，并应遵循以下要求。

大多数溶剂（如碳氢化合物）由具有 NMR 活性的质子组成。因此，为了减少溶剂氢原子的 NMR 信号，使用氘代溶剂。在氘代溶剂中，99% 及以上的质子被 氘取代。

核磁共振光谱的工作将样品置于磁场中，利用无线电波将其激发成核磁共振。这导致生成 NMR 信号。该 NMR 信号是在射频接收器的帮助下检测到的。原子周围的分子间磁场会改变共振频率，从而提供分子的结构细节。由于每个分子都有不同的化学环境，并且共振频率略有不同，这导致每个分子的核磁共振谱独特。

核磁共振谱它是以 TMS（四甲基硅烷）为参考相对于磁场的 NMR 信号强度图。NMR 光谱提供了不同官能团的独特且解析良好的光谱。

1H-NMR 谱的解释

化学位移

化学位移是观察到的质子或氢的共振频率与四甲基硅烷 (TMS) 的氢之间的差异。在 NMR 光谱中，TMS（在 δ = 0 ppm）被视为参考化合物。在数学上，化学位移表示为，化学位移= [（信号频率 - 参考频率）/ 光谱仪频率] × {10}^{6}正如我们上面讨论的那样，将外部磁场施加到样品上，然后测量核实现共振的频率。核磁共振是原子核吸收一定量的能量，并以电磁辐射的形式重新发射的现象。吸收的能量是如果一定的共振频率，它是基于外加磁场的强度，以及原子不同同位素的磁性。围绕原子核运行的电子充当小磁偶极子，这可能与外部磁场相反。

质子屏蔽如果原子核周围的电子密度高，则电子对外部磁场的抵抗力也大，因此质子的屏蔽越大，因为质子受到的外部磁场越小。因此，需要较低的频率来实现共振，并且 NMR 信号在频谱中处于高场（朝向右侧）。

质子的去屏蔽

如果原子核周围的电子密度低，对外部磁场的反作用就会变小。由于质子正在经历高磁场，因此需要高频来实现共振，并且观察到化学位移中的下场位移（向左）。

核磁共振光谱中的化学位移

影响化学位移的因素 1. 负电基团当溴、碘和氯等带负电的基团连接到碳氢键系统时，它们会将电子密度拉向自身，从而降低质子周围的电子密度，并观察到去屏蔽，从而导致化学位移的增加。2. π-系统的磁各向异性各向异性意味着不均匀，磁各向异性意味着不均匀的磁场。当磁场作用于烯烃、炔烃、羰基、芳烃等π电子体系时，π体系会产生自身的磁场，从而产生磁各向异性，即对质子进行屏蔽和去屏蔽。苯是表现出这种效果的最简单的有机化合物。3. 氢键由于参与氢键的质子，化学位移的值也会发生变化。氢键越多意味着质子的去屏蔽越多，因此化学位移值移到更高。自旋-自旋耦合自旋-自旋耦合是指附近原子核的自旋之间的相互作用，这可能导致核磁共振谱的分裂。这种现象也称为自旋-自旋分裂。NMR 信号的分裂与相邻原子核中等效氢原子的数量有关。在化学等价质子中没有观察到自旋-自旋耦合，只在非等价质子中发现。考虑下图所示的示例，

在这里，He 与质子 H 耦合，因为它们是不等价的；然而，Ha 和 Hb 不耦合，因为它们是等价的。通常，相邻碳原子上存在的质子会发生耦合，而相距四个或更多键的质子则不会发生耦合。

核磁共振光谱的优势

核磁共振光谱的应用

核磁共振波谱的缺点

RF充电不同于线圈接触无线充电，这家公司要将它商用了

基于谐振线圈的无线充电已经推广好几年了，这种需要线圈接触的无线充电，由于充电时充电板和被充电的产品的接触面不能分离，所以并不让很多人觉得方便实用。直接插上（连到插座或是移动电源）线充电，在智能手机快没电的时候，远比基于谐振线圈的接触式无线充电要实用得多。

很多人都在想不接触的方式会不会更好？那是当然的。现在的AirFuel将A4WP和PMA两大无线充电阵营合并后，还将RF无线充电收入阵营。RF充电是电磁感应式无线充电，可以实现距离较远的无线充电。在2014年，EETimes就报道过一家做RF无线充电的公司Energous。当年这家公司就希望长距离的无接触式充电功率最高做到10 W。这家公司的WattUp平台，在2.4GHz-2.5GHz，以及5.7GHz-5.8GHz频段，来利用无线电波充电。并且Energous希望能够一次最多充电24个设备。在RF充电推广了两年后，Dialog推出了支持WattUp平台（接收器和发射器）芯片已经开发并上市。

Energous作为WattUp技术的独家供应商，Dialog是目前为WattUp提供芯片和开发工具供应商。在上周Dialog深圳充电日活动上，Dialog宣布其DA4100、DA2200和DA2100作为“RF to DC”的转换IC、评估套件和充电APP已经上市。

图：Dialog公司发展和战略高级副总裁，兼新兴产品业务部总经理 Mark Tyndall在深圳媒体见面会上介绍RF无线充电技术

Dialog公司发展和战略高级副总裁，兼新兴产品业务部总经理Mark Tyndall向电子工程专辑记者表示：“基于RF（天线）的无线充电技术实现了真正的远距离空间自由度。它采用低PCB天线替代昂贵的线圈，可以实现更小更薄的外形，方案可集成到更小的产品中。最重要的是，它可以从距离接触变成远距离、并且是对用户安全的方式向多个设计进行充电。”据Mark Tyndall介绍，中场充电最远可达到0.9米，远场RF充电最远可达4.5米。

在业界最关心的远距离充电功率上，Mark Tyndall解释说，“如果是计算从发射器到接收器之间的效率，这个问题有比较多的变量。取决于发射多少功率，发射器和接收器之间距离是多长，接收端有多少个天线。所以这种变量一变的话，可能就是牵一发而变全身了。但如果只看RF输入到DC输出的效率，功率如果是24 dBm，也就是大概250毫瓦，效率大概54%。如果功率是27 dBm，500毫瓦，效率是48%。”

其实也好理解，打个比方就像太阳能充电，如果太阳能面板足够大，那电能转换的功率肯定要成比例增大。但是我们必须要考虑到产品的尺寸、成本和发射功率。高通推出的为电动汽车无线充电的距离约在20厘米。这种中场距离无线充电能够为电动汽车电池充电，也是跟发射功率和接收RF电波的面积有关。

因此，在谈中场距离或是远场距离的应用场景时，Mark认为短时间肯定不适合在智能手机上使用。智能手机的尺寸决定了接收的天线不能太大，同时智能手机需要更快速的充电。

图：现场展示的正在利用RF充电的遥控器

“RF充电我觉得更可能会在电视遥控器、游戏机手柄这样的产品上最先应用。因为这类产品的充电距离会在4.5米以内，并且它可以在用户使用或是没有使用时，自动充电。”这确实是一个很好的应用场景，以后游戏手柄不需要换电池，也不需要连接电线。据说游戏机巨头已经在设计这样的产品了。

图：Dialog工作人员在演示，离开充电线圈底座也可以充电的手环

此外，他也认为，随着物联网、可穿戴产品市场也是有机会应用RF无线充电。

Energous公司会将Dialog的芯片设计到到各种产品中。2017年CES上Energous已经公布了多个客户。中国公司如果对此基于RF充电的WattUp充电感兴趣，估计只能跟Energous去谈合作了。

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