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學習重點 先判斷核自旋量子數 I 是否為 0：I＝0 的核種不具核磁共振活性；I≠0 才具備以 NMR 偵測的基本條件。 利用質量數 A、原子序 Z 與中子數 N 的奇偶性，判斷核自旋屬於零、半整數或整數。 外加磁場中的核自旋能階數為 2I＋1，只由自旋量子數決定；能階數與能階間距必須分開判斷。 熟記常見核種：¹H、¹³C、¹⁵N、¹⁹F、³¹P 有兩個能階；²H、¹⁴N 有三個能階；¹²C、¹⁶O、¹⁸O 不具 NMR 活性。 區分「具有 NMR 活性」與「容易測得訊號」：天然豐度、核種本身的靈敏度及訊號寬度，都會影響實際測定與常用程度。 核心觀念 一、核自旋量子數與 NMR 活性 核磁共振是具有磁矩的原子核，在外加磁場中形成不同能階，再吸收適當頻率的電磁波而發生躍遷的現象。判斷核種是否具有 NMR 活性，最基本的依據是核自旋量子數 I。 I＝0：原子核不具核自旋磁矩，在磁場中不產生能階分裂，NMR 儀測不到訊號，無法以 NMR 分析。 I≠0：具有核磁共振活性；I＝1/2、1、3/2 等都符合條件，並非只有 I＝1/2 才能分析。 因此，「能否產生訊號」與「訊號是否容易觀察」是兩個層次。活性核種可能因天然豐度低、靈敏度低或訊號較寬而難以測定，不能因此判為沒有 NMR 活性。 二、由質量數與原子序判斷自旋類型 質量數 A＝Z＋N，其中 Z 是原子序，也就是質子數；N 是中子數。判斷時應檢查質子與中子的奇偶性，不能只看質量數。 核種條件核自旋量子數 INMR 活性例子 Z、N 皆為偶數0無⁴He、¹²C、¹⁶O、¹⁸O A 為奇數，即 Z、N 一奇一偶半整數，如 1/2、3/2、5/2有¹H、¹³C、¹⁵N、¹⁷O、¹⁹F、³¹P Z、N 皆為奇數，A 為偶數正整數，如 1、2、3有²H、¹⁴N 奇偶性只能判斷自旋的類型，不能一律推得確切數值。例如 ¹³C 與 ¹⁷O 的質量數都是奇數，但前者 I＝1/2，後者 I＝5/2。常考核種的確切 I 值仍須記熟。 偶數質量數也不代表一定沒有活性：²H 的質子數與中子數皆為 1，¹⁴N 的質子數與中子數皆為 7，兩者都是 I＝1 的活性核種。 三、磁場中的能階數：2I＋1 核自旋在外加磁場中的允許磁量子數為 mI＝－I、－I＋1、……、＋I，共有 2I＋1 個，因此核自旋能階數由自旋量子數決定，與外加磁場強弱、原子核磁矩大小或儀器參數設定無關。 I2I＋1代表核種 01，無核自旋能階分裂⁴He、¹²C、¹⁶O、¹⁸O 1/22¹H、¹³C、¹⁵N、¹⁹F、³¹P 13²H、¹⁴N 5/26¹⁷O 題幹若以「順磁與逆磁兩個能階」描述兩種取向（與磁場同向的低能階、反向的高能階），作答關鍵就是找 I＝1/2 的核種。反過來，若問「不只有兩個能階」，就找 I≥1 的核種，如 ²H、¹⁴N。⁴He 的 I＝0，連兩個能階都沒有。 外加磁場強弱影響能階間距，不改變能階數。對同一核種而言，磁場越強，核自旋能階間距越大，共振頻率也越高；原子核磁矩（旋磁比）決定的是能階間距與共振頻率，也不改變能階數目。 此外，2I＋1 是核自旋能階數，不能直接當成光譜上的訊號峰數。實際峰數還涉及化學環境、等價性及自旋耦合等因素。 四、常見核種的辨認與碳譜特性 同一元素的不同同位素，NMR 活性可能完全不同。一般碳核磁共振譜觀察的是 ¹³C，並非 ¹²C。¹²C 的質子數與中子數皆為 6，I＝0；¹³C 的 I＝1/2，才有可供偵測的核磁共振訊號。 在同一台儀器、相同外加磁場下，不同核種的共振頻率由其旋磁比決定。¹³C 的共振頻率約為 ¹H 的四分之一（例如 400 MHz 氫譜儀器，碳核約 100 MHz），因此碳核共振頻率低於氫核，不能因碳的質量較大就判定頻率較高。 天然樣品中的 ¹³C 豐度約為 1.1%，遠低於 ¹H，且 ¹³C 本身的偵測靈敏度也較低。因此，一般而言，同一檢品的 ¹³C 譜比 ¹H 譜訊雜比較低、所需累積掃描次數較多、測定時間較長。這是通常情況，不能寫成不受濃度、測量條件影響的絕對定律。 五、常用核種與較不常用的 ¹⁷O NMR 最常測定的是 I＝1/2 的核種，因為訊號尖銳、易於解析：¹H、¹³C 最常用；¹⁹F、³¹P 天然豐度接近 100%，靈敏度佳，常用於含氟、含磷化合物；¹⁵N 雖天然豐度低，但 I＝1/2，仍是常見的測定核種。 ¹⁷O 的 I＝5/2，並非 I＝0，具有 NMR 活性；但其天然豐度極低（約 0.04%），且屬於四極核，常因四極弛豫而使訊號變寬，測定困難。因此在 ¹³C、¹⁵N、¹⁹F、¹⁷O 這組核種中，¹⁷O 是最不常用的。 I＞1/2 的核種具有核電四極矩，²H、¹⁴N、¹⁷O 都屬於此類。四極核仍可進行 NMR 分析，只是訊號表現與 I＝1/2 的核種不同。氧的同位素也須分開記憶：¹⁶O、¹⁸O 無活性；¹⁷O 有活性但少用。 常考陷阱 「碳譜訊號來自含量最多的 ¹²C」：錯。含量多不代表具有活性；¹²C 的 I＝0，碳譜觀察的是 ¹³C。 「碳核共振頻率比氫核高」：錯。同一台儀器中碳核約為氫核的四分之一。 「碳譜訊雜比較高、測試時間較短」：錯。¹³C 豐度低、靈敏度低，通常訊雜比較低、測試時間較長。 「只有 I＝1/2 才能測 NMR」：錯。只有 I＝0 無法分析；I＝1 或 3/2 都具有活性。 「質量數為偶數就沒有訊號」：錯。須區分質子、中子皆偶數與皆奇數；²H、¹⁴N 都是反例。 「質量數為奇數就一定只有兩個能階」：錯。奇數質量數只保證 I 為半整數；¹⁷O 有六個能階。 「能階數由外加磁場、磁矩或儀器參數決定」：錯。能階數只看 2I＋1；磁場強度與磁矩影響的是能階間距與共振頻率。 「²H 與 ¹H 都有兩個能階」：錯。¹H 的 I＝1/2，有兩個；²H 的 I＝1，有三個。 「¹⁷O 最不常用，所以沒有 NMR 訊號」：錯。不常用是因豐度低與四極核訊號寬，不能等同 I＝0。 「¹⁶O、¹⁸O 是氧的同位素，所以也能測」：錯。兩者質子、中子皆偶數，I＝0，無活性。 記憶口訣 「質中雙偶零，奇量半整型；質中雙奇整，能階兩 I 加一。」「質中」指質子數與中子數；先判自旋類型，再代入能階公式。 「氫一、碳十三，氟十九、磷三一，半自旋、兩能階；氘二、氮十四，一自旋、三能階。」 「碳十二不響，碳十三才響；氧十六、十八靜，氧十七能共振卻少用。」