²³Na NMR（钠-23核磁共振）是一种强大且应用广泛的核磁共振技术，专门用于研究含钠体系。与常见的¹H NMR不同，²³Na NMR的核心价值不在于提供精细的化学结构，而在于揭示钠离子在复杂环境中的状态、动力学和空间分布。

²³Na是天然丰度为100%的四极核（自旋I=3/2），这意味着无需同位素富集即可轻松检测，且灵敏度较高（约为¹H的9%），上图即为我公司400MHz核磁所做的钠谱谱图。从谱图来看，虽然由于核四极矩的原因钠谱有一定的谱线增宽，但信号强度还是可观的。以1mol/L氯化钠水溶液来标定钠谱的0ppm的情况下，²³Na NMR谱谱宽集中在10至-60ppm的范围内。

大部分情况下，谱线增宽对于核磁识谱是减分项，但由于核磁样品中Na+出现的情况很少，每张谱图中观察到的Na信号不多，我们反而可以利用²³Na四极矩导致的谱线增宽对环境敏感这一特性，来观察样品中Na+的结合状态。例如，自由运动的Na⁺（如在水溶液中）谱线尖锐；一旦与生物大分子、膜表面或固态材料结合，运动受限，谱线会急剧展宽。这使得²³Na NMR成为区分“自由”与“束缚”钠离子的理想工具。

氧-17核磁共振（¹⁷O NMR）是研究含氧化合物结构和动力学的独特而有力的工具。虽然不如¹H或¹³C NMR常见，但它能提供其他核无法获得的直接信息。

有机化合物中，CHO是最重要的三种元素，理论上氧谱的重要性仅次于氢谱和碳谱，然而现实中氧谱却不常见，这是为什么呢？问题还是要从核磁共振实验的致命缺陷——灵敏度问题说起。氧元素氧元素有三种稳定同位素¹⁶O，¹⁷O和¹⁸O，但只有¹⁷O具有核自旋，可以进行NMR实验，而¹⁷O极低的丰度（0.038%）是导致自然丰度下¹⁷O NMR实验极其困难、灵敏度很低的根本原因。而让事情变得更加复杂的是，¹⁷O还是一种有很高核四极矩的核，这意味着原本很弱的信号还要进一步展宽变得更不明显。再加上¹⁷O本身共振频率并不高，Boltzmann 分布差，宏观磁化矢量弱。三者结合，就导致了¹⁷O 在核磁检测中是一种先天不足，后天失调的核。不过常言道大力出奇迹，通过增加样品浓度，增加扫描时间，甚至做¹⁷O的同位素富集，还是可以得到¹⁷O NMR的核磁谱图的。下图即为我公司400MHz核磁仪器所做的¹⁷O NMR。

这种级别的谱图，用来做定量分析显然不合适了，但好在¹⁷O NMR的谱宽极宽(-100-1100ppm)，部分减弱了核四极矩展宽带来的谱峰识别问题，让我们可以通过化学位移来识别不同化学环境的O原子。在以25°C下的去离子水的¹⁷O来标定0ppm的情况下，我们得出了以下这张不同结构下¹⁷O NMR的化学位移分布图。

大部分情况下，¹⁷O NMR的实验还是建议做¹⁷O 同位素富集。通过将¹⁷O 引入到目标位置，研究核心区域¹⁷O化学位移的变化——无论是水合、催化、成键还是反应——揭示反应机理或动态过程。

随着锂离子电池的飞速发展，LiNMR在近年来受到爆炸性关注。锂是电池中关键的电荷载体，其行为直接影响电池性能。通过液体LiNMR，可直接观测锂离子溶剂化结构、扩散动力学及界面副反应，为优化电解质和诊断电池失效提供关键微观依据。

自然界中Li主要以⁷Li和⁶Li两种形态存在。虽然⁶Li的核四极矩远小于⁷Li，谱线会更窄一些；但是⁶Li的共振频率远低于⁷Li，天然丰度⁶Li（7.59%）远小于⁷Li（92.41%），两者叠加起来，如果获得信噪比相当的谱图，观测⁶Li所需时间可能是⁷Li的数百倍甚至上千倍。因此液体核磁中我们一般选取⁷LiNMR作为实验，使用毛细管法将1M LiCl重水溶液的出峰标定为0 ppm。

上图为我公司仪器所做⁷LiNMR谱图。与¹¹BNMR和²⁷AlNMR相比，⁷LiNMR谱图基线平整，没有本底信号干扰，峰型宽度合适，是一种比较适合核磁检测的核。

值得注意的是，如果要对锂谱做定量分析，要留意Li在不同形态下T1弛豫时间的差别，个别情况下需要加入弛豫试剂来加速弛豫过程，并采用特殊的实验脉冲。

液体²⁷Al NMR是一种强大而直接的分析手段，用于在原子水平上揭示铝（Al）离子在溶液中的存在形态、配位结构、反应动力学与平衡。凭借其高分辨率与高灵敏度，它已成为环境化学、配位化学、材料科学和生物无机化学等领域不可或缺的工具。

就信号强度而言，²⁷Al核具有100%天然丰度（无需同位素富集）和较高的磁旋比，这意味着检测灵敏度非常高，远优于常见的¹³C NMR。但是由于²⁷Al是自旋量子数 I = 5/2 的四极核，四极相互作用会导致 NMR 信号峰严重展宽，甚至难以检测，对于电荷对称性低的分子，这一点尤其显著。

化学位移（δ，单位ppm）是²⁷Al NMR最核心的参数，直接反映铝原子的电子环境和配位结构。常用 Al(NO₃)₃ 的酸性水溶液（[Al(H₂O)₆]³⁺，δ = 0 ppm）作为化学位移参考。

上图是使用本公司NMR所做的²⁷Al NMR谱图，可以看到铝谱给出的信息类似于碳谱。但是需要注意的是，由于核磁管以及探头玻璃中不可避免地有Al本底信号(50-100ppm的一个宽包)，在谱图解析中需要注意区分，也可以通过空白实验以及后处理参数调整来进行扣除。

化学位移范围与配位数的经验关联：

• δ ≈ 0 – 20 ppm：六配位铝。主要是水合铝离子及其单核水解产物（如[Al(OH)(H₂O)₅]²⁺），以及许多八面体构型的络合物。
• δ ≈ 30 – 50 ppm：五配位铝。相对少见，存在于某些特殊配位环境或中间体中。
• δ ≈ 50 – 120 ppm：四配位铝。这是最具特征的范围。典型代表包括：
  • 著名的 Keggin型 Al₁₃ 聚阳离子（中心四面体铝，δ ≈ 62.5 ppm），是铝水解聚合的关键物种。
  • 四面体络阴离子，如 [AlCl₄]⁻ (δ ≈ 103 ppm)，在离子液体和电化学中至关重要。
  • 铝酸盐溶液中的 [Al(OH)₄]⁻。

液体²⁷Al NMR主要回答一个问题：“铝在溶液中以什么形式存在？”

1. 铝的水解化学与聚合过程：
   • 实时监测Al³⁺盐随pH升高，从单体([Al(H₂O)₆]³⁺)到低聚体，再到高阶聚合物（如Al₁₃, Al₃₀）的形态演变。这是水处理混凝剂（聚氯化铝PAC）、土壤化学和地球化学研究的核心手段。
2. 配位化学与络合平衡：
   • 研究铝与无机阴离子（F⁻, SO₄²⁻等）或有机配体（草酸、柠檬酸、氨基酸、儿茶酚等）的络合作用。
   • 区分快速/慢速配体交换动力学，测定络合物稳定常数，鉴定络合物结构。
3. 生物无机化学与毒性研究：
   • 直接表征铝在生理pH和模拟体液条件下与生物分子（ATP、多肽、神经递质）形成的络合物，为理解铝的神经毒性（如与阿尔茨海默病的潜在关联）提供分子层面的证据。
4. 功能材料与电化学：
   • 铝离子电池：表征离子液体/有机电解质中铝的活性物种（如[AlCl₄]⁻， [Al₂Cl₇]⁻），是理解电化学反应机理的关键。
   • 催化剂前驱体：研究烯烃聚合催化剂（如甲基铝氧烷MAO）在溶液中的铝物种结构。
   • 离子液体：定量分析AlCl₃基离子液体中不同氯铝酸根阴离子的分布。