连续波核磁共振波谱仪结构

按照仪器的工作方式，可将高分辩率的核磁共振波谱仪分为两种类型：连续波核磁共振波谱仪及脉冲傅里叶变换核磁共振波谱仪。下面介绍连续波核磁共振波谱仪的结构。

图1 核磁共振光谱仪示意图

可见它由下列6个部件组成：磁铁，探头（样品管）、扫描发生器、射频发生器、信号检测器及记录处理系统

（1）磁铁

磁铁是NMR仪中最重要的部分之一，NMR的灵敏度和分辨率主要决定于磁铁的质量和强度。在NMR中通常用对应的质子共振频率来描述不同场强。NMR常用的磁铁有三种：永久磁铁、电磁铁和超导磁铁。永久磁铁一般可提供0.7046T或1.4092T的磁场，对应质子共振频率为30 MHz和60 MHz。超导磁铁可以提供更高的磁场，可达100 KGs以上，最高可达到800 MHz的共振频率。而电磁铁可提供对应60 MHz、90 MHz、100 MHz的共振频率。

由于电磁铁的热效应和磁场强度的限制，目前应用不多，商品NMR仪中使用永久磁铁的低档仪器，供教学及日常分析使用。而高场强的NMR仪，由于设备本身及运行费较高，主要用于研究工作。

在NMR中要求测量的化学位移，其精度一般要达到10-8数量级。这就要求磁场的稳定性至少要达到10-9数量级，为了有效地消除温度等环境影响，在NMR仪中都采用了频率锁定系统，即对一个参比核连续地以对应于磁场的共振极大的频率进行照射和监控，通过反馈线路保证H/υ不变而控制住磁场。常采用的有外锁定系统（以样品池外某一种核作参比）和内锁定系统（以样品池内某一种核作参比）来进行场频连锁，分别可以将磁场漂移控制在10-9及10-10数量级。

为了使样品处在一个均匀的磁场中，在磁场的不同平面还会加入一些匀场线圈以消除磁场的不均匀性，同时利用一个气动涡轮转子使样品在磁场内以几十赫的速率旋转，使磁场的不均匀性平均化，以此来提高灵敏度和分辨率。

（2）探头

样品探头是一种用来使样品管保持在磁场中某一固定位置的器件，探头中不仅包含样品管，而且包括扫描线圈和接收线圈，以保证测量条件的一致性。为了避免扫描线圈与接收线圈相互干扰，两线圈垂直放置并采取措施防止磁场的干扰。样品管底部装有电热丝和热敏电阻检测元件，探头外装有恒温水套。

（3）扫描线圈

在连续波NMR中，扫描方式最先采用扫场方式，通过在扫描线圈内加上一定电流，产生10-5T磁场变化来进行核磁共振扫描。相对于NMR的均匀磁场来说，这样变化不会影响其均匀性。 相对扫场方式来说，扫频方式工作起来比较复杂，但目前大多数装置都配用有扫频工作方式。

（4） 射频源

NMR仪通常采用恒温下石英晶体振荡器产生基频，经过倍频、调谐及功率放大后馈入与磁场成900角的线圈中。为了获得高分辩率，频率的波动必须小于10-8，输出功率小于1W，且在扫描时间内波动小于1%。

（5）信号检测及记录处理系统

共振核产生的射频信号通过探头上的接收线圈加以检测，产生的电信号通常要大于105倍后才能记录，NMR记录仪的横轴驱动与扫描同步，纵轴为共振信号。现代NMR仪常都配有一套积分装置，可以在NMR波谱上以阶梯的形式显示出积分数据。由于积分信号不像峰高那样易受多种条件影响，可以通过它来估计各类核的相对数目及含量，有助于定量分析。 随着计算机技术的发展，一些连续波NMR仪配有多次重复扫描并将信号进行累加的功能，从而有效地提高仪器的灵敏度。但由于一般仪器的稳定性影响，一般累加次数在100次左右为宜。