核磁共振光谱仪的原理为何？

核磁共振光谱仪 (NMR, Nuclear Magnetic Resonance)，顾名思义，是一种观察分子结构中的原子核动态的一种技术，藉由分析原子核自旋 (spin) 特性，进而判断分子结构。自从 50年代，核磁共振技术问世以来，核磁共振光谱仪已经被广泛地应用在有机化合物分析研究上。

核磁共振光谱仪的原理，是利用原子核具有自旋角动量的特性，当原子核被施予外加磁场、而且方向与磁矩方向不同时，原子核原本的磁矩 (可以想像为陀螺的轴心)，会绕着磁场方向摆动旋转，就像陀螺在旋转过程中，会倾斜旋转摆动一样。这个现象，有一个专有名词，叫做进动 (precession)，而进动具有能量，也有一定的频率。而且在固定强度的外加磁场中，这个频率也会固定不变。

此外，由于原子核在进动的过程，其磁矩与外加磁场方向的夹角并不是连续的，而是由原子核的磁量子数决定，磁矩的方向，会在施予外加能量后，在这些磁量子数间，呈现跳跃式的变化，不是平滑地改变方向。这个外加能量，通常会施以外加的射频场来提供。而这个现象，被称为“共振”。而且，不是每一种原子核都会发生“共振”现象，那些质子数和中子数均为偶数的原子核，便不会发生共振，如，氧-16，氖-20。

因此，核磁共振光谱仪，便是利用以上的原理，为待测样品制造出一个恒定的外加磁场，并且施以一射频能量于其上，透过线圈侦测原子核自旋进动的频率 (测量磁场变化产生的电气信号，并透过傅立叶转换得到频谱)，便能进一步分析出分子中的原子核构成，进一步判读出分子结构。

外加磁场的大小，会影响到频谱中每一根频率信号的距离。磁场越大，距离越远，也越容易看清楚每一个频率的细节，也就是解析度更高。过去，一部 NMR 的体积庞大，需要占据很大的空间，而且还需要液态氮降温，维护成本所费不赀。

然而，随着半导体技术的精进，以及消费性电子产品的普遍，高信噪比的放大器，与高解析度的类比/数位 (A/D Converter)，相继问世。对于信号处理与信号解析的能力已经不可同日而语，因此也带动了桌上型 NMR 的发展，一些厂商发展出来的桌上型核磁共振光谱仪，已经足够日常的研究分析，或者生化、医药产品的生产品管检验上，同时价格也非常大众化，已经到了一般红外光谱仪、拉曼光谱仪的等级，甚至更低。

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