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核磁共振在高分子材料表征中的应用

摘要本文概述了核磁共振技术产生的基本原理及其在高分子

聚合物组成、结构等方面的重要应用，并由此谈谈核磁共振技术近几

年的发展和应用前景。

关键字核磁共振高分子材料方法进展应用

前言材料表征技术是关于材料的化学组成、内部组织结构、

微观形貌、晶体缺陷与材料性能等的表征方法、测试技术及相关理论

基础的实验科学，是现代材料科学研究应用的重要手段和方法。现代

材料科学在很大程度上依赖于对材料成分、性能及显微组织之间关系

的见解，因此对材料成分、性能、材料组织从宏观到微观的不同层次

的表征技术占据十分重要的地位。

核磁共振波谱（NMR）是材料结构与性能的重要表征技术之一。

同其他形式的波谱法（如红外光谱法和紫外光谱法）那样，核磁共振

谱法涉及的也是对不同能态之间能量差的测定，实际上就是分子吸收

光谱。但它的不同之处是，核磁共振需要在外加磁场的存在下才能发

生，它与核而不是电子相关。红外光谱主要来源于分子振动能级间的

跃迁，紫外可见吸收光谱来源于分子的电子能级间的跃迁，在核磁共

振谱中射频辐射只有置于强磁场中的某些原子核才会发生能级分裂。

当吸收的辐射能量与核能级差相等时，就发生能级跃迁而产生共振信

号。核磁共振谱上的共振信号位置反映样品分子的局部化学结构（如

官能团、分子构象等），信号强度则往往与有关原子核在样品中存在

的量有关。目前，核磁共振不仅是进行分子结构分析的一种重要方法，

也是材料学等领域不可缺少的工具。

1、核磁共振概述

1.1核磁共振原理

核磁共振是指具有固定磁矩的原子核在恒定磁场与交变磁场的

作用下，自旋核吸收特定频率的电磁波，从较低能级跃迁到较高能级，

与交变磁场发生能量交换的现象。NMR信号时发射出的电磁射线的

物理现象，与核密度成一定比例。因此可以用NMR信号来反映样品

的化学结构、分子或原子的扩散系数、反应速率、化学变化以及其他

性质。

广泛存在于水、脂肪、天然与合成高分子中的具有自旋磁性的氢

原子就像一个个小磁针，在均匀磁场中平行排列，当采用特定序列方

法发射脉冲波，样品中的氢原子核被激发、跃迁。随着脉冲序列的消

失，被激发的氢核发生定向转动而恢复到原来的状态，即弛豫过程。

由于分子中氢原子与其他原子的结合方式不同，在弛豫过程中表现的

快慢程度也有一定差异。通常来讲，结合越紧密的氢原子弛豫过程越

慢，弛豫时间越短。反之，则较快，弛豫时间相对较长。

1.2核磁共振的条件

2∏v=γΒ

（1）、对于不同的原子核，由于磁旋比γ值不同，发生共振时条

件就不同。如果将Β固定，则射频频率ν值不同。

（2）对于同一原子核来说，γ一定，共振频率v随外磁场的变

化而变化。H在1.4092T的磁场中共振频率为69MHZ，在2.3500T

的磁场中的共振频率为100MHZ。

1.3核磁共振参数

1.3.1化学位移

在实际测定化合物时发现，分子中相同的原子核，由于所处的化

学环境不同，屏蔽常数不同，其共振频率因而也不相同，也就是说共

振频率发生了变化。产生这一现象的原因主要是由于原子核周围存在

电子云，在不同的化学环境中，核周围电子云密度是不同的。当原子

核处于外磁场中时，核外电子运动要产生感应磁场，核外电子对原子

核的这种作用就是屏蔽作用。一般地，把分子中同类磁核，因化学环

境不同而产生的共振频率的变化量，即在图谱上反映出谱峰位置的移

动，称为化学位移。化学位移是一个重要的物理常数，它是分析分子

中各类氢原子所处位置的重要依据。由于化合物分子中各种质子受到

不同程度的屏蔽效应，因而在NRM谱的不同位置上出现吸收峰，屏

蔽作用小，吸收峰出现在低场；屏蔽作用大，吸收峰出现在高场。

1.3.2耦合常数

由上述化学位移的叙述可知，样品中有几种化学环境的磁核，

NMR谱图上就应有几个吸收峰。但是，采用高分辨NMR谱仪进行

测定时，有些核的共振吸收峰会出现分裂，这种现象称为自旋-自旋

分裂。这是由于在分子内部相邻碳原子上氢核自旋也会相互干扰。通

过成键电子之间的传递，形成相邻质子间的自旋-自旋耦合