NMR jest techniką stosowaną do analizy struktury wielu cząsteczek chemicznych, przede wszystkim związków organicznych. Typowy związek może składać się z atomów węgla, wodoru i tlenu.

W najprostszej postaci eksperyment NMR składa się z trzech kroków:

W oparciu o emitowane częstotliwości można wyciągnąć wnioski o wiązaniu i rozmieszczeniu atomów w próbce. Znajdujące się w próbce jądra aktywne w spektrometrii NMR rezonują z różnymi częstotliwościami radiowymi zwanymi  częstotliwościami rezonansowymi. Są to częstotliwości emitowane przez jądra po ich wzbudzeniu przez wysyłany impuls o częstotliwości radiowej. Wartość częstotliwości rezonansowej zależy od dwóch czynników:

Każdy izotop składa się z określonej liczby protonów i neutronów znajdujących się w jego jądrze atomowym. Struktura jądra w znacznym stopniu określa wartość częstotliwości rezonansowej. Każdy izotop charakteryzuje się  podstawową częstotliwością rezonansową. Jądra ¹³C będą miały inną podstawową częstotliwość rezonansową w porównaniu do jąder ¹H itp. Należy pamiętać o dużej zmienności podstawowej częstotliwości rezonansowej dotyczącej różnych izotopów wymienionych w poniższej tabeli:

Na podstawową częstotliwość rezonansową nakłada się efekt lokalnego otoczenia atomowego, w którym znajduje się określony izotop. Dokładna wartość częstotliwości rezonansowej jądra ¹H w danym związku chemicznym zależy od atomów, z którymi jądro jest połączone wiązaniami i które je otaczają. Jądro jest otoczone elektronami, które mogą być postrzegane jako ruchome ładunki elektryczne z towarzyszącymi im polami magnetycznymi. Elektrony te stanowią źródło  ekranowania jądra magnetycznego. Zakres ekranowania zależy od dokładnego lokalnego środowiska atomowego. Wielkość typowych lokalnych zmian pola (które spowodują zmianę częstotliwości) zależy od izotopu i natężenia pola magnetycznego, w którym umieszczona jest próbka. Poniższa tabela pokazuje typową zmienność częstotliwości dwóch najczęściej stosowanych w spektroskopii NMR jąder ¹H i ¹³C. Oczywiste jest, że lokalne otoczenie atomowe ma stosunkowo niewielki wpływ na podstawową częstotliwość rezonansową.

Sygnały NMR są zazwyczaj wykreślane w postaci widm i analizowane w odniesieniu do dwóch wielkości tj. częstotliwości  i intensywności . Zgodnie z konwencją stosowaną w przypadku spektroskopii NMR częstotliwość wykreśla się na osi poziomej, przy czym wzrasta ona w lewo.

 

Jak wspomniano powyżej, częstotliwość dostarcza jakościowych informacji dotyczących lokalnego otoczenia atomowego. Zintegrowana  intensywność  sygnału jest miarą  siły sygnału i jest wyznaczana przez całkowanie pola powierzchni pod pikiem sygnału. Całka jest wprost proporcjonalna do liczby jąder, które składają się na sygnał o określonej częstotliwości (pod warunkiem, że wszystkie jądra zostały wzbudzone w takim samym stopniu), a zatem dostarcza informacji ilościowych dotyczących struktury chemicznej związku.

Aby wzbudzić dane jądro w eksperymencie NMR, częstotliwość impulsu wzbudzającego powinna ściśle odpowiadać częstotliwości rezonansowej jądra. Ta częstotliwość jest określana jako  częstotliwość nośna. Oznacza to, że jeśli eksperymenty są przeprowadzane przy pomocy magnesu 11,7 T, jądra ¹H wymagają częstotliwości nośnej wynoszącej w przybliżeniu 500 MHz, a jądra ¹³C wymagają częstotliwości nośnej bliskiej 126 MHz. Częstotliwość nośna jest określona przez parametr SFO1 . Jądro wzbudzane przez tę częstotliwość nośną jest określane jako  jądro obserwowane.

Należy zauważyć, że istnieją eksperymenty, w których pobudza się więcej niż jedno jądro, np. podczas przeniesienia polaryzacji lub odsprzęgania. W tych przypadkach istnieje więcej niż jedna częstotliwość nośna, ale nadal tylko jedna częstotliwość obserwacji.

Nie wszystkie  izotopy reagują na impulsy o częstotliwości radiowej, to znaczy nie wszystkie są  aktywne w NMR. W przyrodzie występują trzy izotopy wodoru: ¹H (wodór), ²H (deuter) i ³H (tryt, promieniotwórczy!). Abundancja naturalna (obfitość występowania) tych izotopów wynosi odpowiednio 99,98%, 0,015% i 0,005%. Wszystkie trzy izotopy są aktywne w NMR, chociaż jak pokazano w tabeli 3.1, wszystkie wykazują dużą zmienność częstotliwości rezonansowej. Aby przeprowadzić analizę próbki pod kątem wodoru, wzbudza się izotop ¹H, ponieważ występuje w największej ilości. Spośród izotopów węgla występujących w przyrodzie tylko jeden jest aktywny w NMR. Najczęściej występujący izotop ¹²C (98,89% abundancji naturalnej) jest nieaktywny. Dlatego analiza NMR związków organicznych pod kątem węgla opiera się na sygnałach emitowanych przez izotop ¹³C, którego abundancja naturalna wynosi tylko 1,11%. Oczywiście analiza NMR węgla jest trudniejsza niż, na przykład, ¹H (istnieją inne czynniki wpływające na czułość, które zostaną omówione w następnych częściach tego rozdziału).

Na podstawie tego krótkiego wprowadzenia do techniki NMR opisanego powyżej warto wykonać ćwiczenie i zastanowić się, w jaki sposób można wykorzystać tę metodę do analizy składu chloroformu (CHCl₃).