6.2　儀器結構與原理

核磁共振波譜儀（NMR）也稱核磁共振譜儀。分為連續波核磁共振波譜儀和超導脈沖傅里葉變換核磁共振波譜儀。連續波核磁共振譜儀中一般用永久磁鐵或電磁鐵，在固定射頻下進行磁場掃描或固定磁場下進行頻率掃描，使不同的核依次滿足共振條件而得出共振譜線。由于連續波核磁共振波譜儀測試樣品時間長，靈敏度又低，所以無法完成碳譜和多維譜的測試工作，現已基本被超導脈沖傅里葉變換核磁共振譜儀取代，這里只介紹超導脈沖傅里葉變換核磁共振波譜儀的主要結構和工作原理。

超導脈沖傅里葉交換核磁共振波譜儀主要由五個部分組成：射頻振蕩器、磁場系統、探頭、信號接收檢測系統以及信號處理與控制系統，如圖6-5所示。

脈沖傅里葉變換核磁共振儀（Pulse Fouriertransform-NMR，PFT-NMR）是在外磁場保持不變的情況下，使用一個強而短的射頻脈沖（一般頻率為300～900MHz）照射樣品，這個射頻脈沖中包括所有不同化學環境的同類核的共振頻率。在這樣的射頻脈沖照射下所有這類核同時被激發，從低能級躍遷到高能級，然后通過弛豫逐步恢復Boltzmann平衡。在這個過程中，射頻接收線圈中可以接收到一個隨時間衰減的信號，稱為自由感應衰減信號（Free Induction Decay，FID）。FID信號中雖然包含所有激發核的信息，但是這種隨時間改變而變化的信號（稱作時間域信號）很難識別，所以要將FID信號通過傅里葉變換轉化為我們熟悉的以頻率為橫坐標的譜圖，即頻率域譜圖。PFT-NMR工作原理示意圖如圖6-6所示。

6.2.1　探頭

探頭是整個儀器的心臟，固定在磁極間隙中，為圓柱形。探頭的中心放置裝有樣品的樣品管，測試時樣品管高速旋轉，可以進一步改善磁場的均勻性。探頭中還備有向樣品管發射射頻場的發射線圈和用于接收共振信號的接收線圈。對于不同種類的核，所施加的射頻波可通過波段選擇及調諧來實現。

6.2.2　磁場系統

磁場系統用來提供一個強的、穩定的、均勻的靜磁場，以便觀測化學位移微小差異的共振信號。現在的核磁共振譜儀都是采用超導磁體，譜儀中采用超導體繞成螺旋形線圈。為了獲得穩定的磁場（靜磁場）強度，對于超導磁體，必須用足夠的液氮、液氦維持其正常工作。

6.2.3　射頻振蕩器

射頻振蕩器是將一個穩定的、已知頻率的石英晶體振蕩器（即主鐘）產生的電磁波，經頻率綜合器精確地合成出待觀測核、被輻照核和鎖定核的三個通道所需要的頻率射頻源。射頻源所發生的射頻場經過受到脈沖程序控制的發射門，產生相應的射頻脈沖，再經過功率放大器發射很強功率的多種射頻脈沖，最終輸送到探頭部件中纏繞在樣品管套上的發射線圈上。發射線圈、接收線圈以及磁場方向三者互相垂直。

6.2.4　信號接收檢測系統

當射頻發射門打開時，接收機是關閉的。當射頻脈沖施加在樣品上后，射頻發射門是關閉的，NMR的FID（自由感應衰減）信號通過開啟的接收機門，才由信號接收檢測系統接收下來。信號經前置放大器、混頻器、單相相敏檢波器或數字正交檢波系統、低頻放大器、濾波器得到FID信號的模擬信號，模擬信號經模數轉換器轉換成數字信號，最后由計算機進行快速采樣，將FID數字信號存儲下來。

6.2.5　信號處理與控制系統

信號處理與控制系統負責對接收的FID信號進行累加、傅里葉變換等處理，轉換成正常的NMR譜，計算機軟件對NMR譜處理獲取峰面積、峰位等信息，并將處理的信號顯示在計算機屏幕上。