Phương pháp phổ cộng hưởng từ hạt nhân [19,20] dựa vào sự tương tác của nguyên tử, phân tử với từ trường, lấy sự dịch chuyển giữa các mức từ hạt nhân làm cơ sở tính toán.
Các hạt nhân nguyên tử tích điện dương, tự quay quanh nó sinh ra một dòng điện vòng, dòng điện này tạo ra từ trường có momen từ µ, bản thân hạt nhân quay cũng sinh ra một momen quay gọi là momen spin hạt nhân. Hạt nhân của mỗi đồng vị được đặc trưng bởi số lượng tử spin I. Các hạt nhân có I #0 (hạt nhân có số điện tử lẻ như 13C, 19F, 1H, 31P,... ) gọi là các hạt nhân từ. Khi đặt hạt nhân từ vào trong từ trường ngoài thì momen từ hạt nhân sẽ xoay theo hướng đường sức của từ trường ngoài. Trong từ trường ngoài, các hạt nhân nằm ở trạng thái cân bằng động. Nếu muốn phá vỡ trạng thái này cần cung cấp năng lượng từ ngoài vào. Các hạt nhân nằm ở mức năng lượng thấp sẽ hấp thụ năng lượng nhảy lên mức năng lượng cao, trong một thời gian ngắn thì số các hạt nhân có mức năng lượng cao lại bức xạ năng lượng nhảy xuống mức năng lượng thấp tạo ra một cân bằng động mới, khoảng thời gian này gọi là thời gian hồi phục spinspin, năng lượng cần thiết cung
cấp cho quá trình trên đúng bằng chênh lêch giữa hai mức năng lượng ∆E và gọi là năng lượng cộng hưởng từ nhân. Sự hồi phục spin-spin có thể thực hiện theo hai cơ chế là hồi phục mạng lưới (do các hạt nhân nằm ở mức năng lượng cao truyền sang các phân tử xung quanh để trở về trạng thái năng lượng thấp, đặc trưng bằng thời gian hồi phục dọc T1) và hồi phục spin-spin (do sự chuyển năng lượng từ hạt nhân này sang hạt nhân khác, năng lượng không mất đi nhưng trải rộng trong số hạt nhân, làm mất tín hiệu đi và mở rộng vân phổ, đặc trưng bằng thời gian hồi phụ ngang T2).
Phổ kế cộng hưởng từ hạt nhân biến đổi Fourier có từ trường B1 tác dụng không liên tục lên hạt nhân nguyên tử đặt trong từ trường ngoài Bo. Phổ kí nhận được dưới dạng đường cong của hàm số phụ thuộc thời gian f(t), trên phổ kí đo được T1 và T2.
Tần số νo = (1/2π)γBo (γ là hằng số từ hồi chuyển đặc trưng cho mỗi hạt nhân, Bo
là cường độ từ trường ngoài) là tần số cộng hưởng từ.
Các hợp chất hữu cơ đều chữa các nguyên tử C và H nên phổ cộng hưởng từ hạt nhân 13C và 1H có ý nghĩa quan trọng trong phân tích, xác định cấu trúc các hợp chất hưu cơ, thường dùng nhất là phổ 13C tương tác1H và phổ 13C xóa tương tác
1H. Ngoài ra còn có phương pháp cộng hưởng từ kép, cộng hưởng từ hạt nhân hai chiều,... rất hữu ích trong xác định cấu trúc phân tử các hợp chất hữu cơ.
Phổ 13C tương tác1H:
Khi ghi phổ tương tác 13C - 1H thu được các nhóm đỉnh khác nhau: C - 1vạch; CH - 2 vạch; CH2- 3 vạch; CH3 - 4 vạch
Hằng số tương tác J(13C -1H) phụ thuộc đặc trưng s của obitan lai hóa ở nguyên tử C) đặc trưng s càng lớn thì hằng số tương tác càng lớn: Lai hóa sp3 có JC-H = 125 Hz; sp2 – 160 Hz; sp - 250 Hz. Khi có nhóm thế âm điện gắn vào nguyên tử C thì J tăng: CH4(125Hz) – CH3Cl (151Hz) – CH2Cl2 (178Hz) – CHCl3 (209Hz). Tương tác C và H cách xa nhau hơn 1 liên kết, tương tác giữa 13C – 13C cạnh nhau rất nhỏ, không thấy trên phổ, ít có ý nghĩa trong chứng minh cấu tạo.