研究生核磁共振實驗課的教學(xué)探討

沈方中 王春宇

摘要：在研究生的核磁共振實驗課中，從學(xué)生的角度出發(fā)，精心設(shè)計教學(xué)內(nèi)容，合理設(shè)置實驗參數(shù)，在保證安全的前提下，反復(fù)強(qiáng)調(diào)重點(diǎn)，詳解細(xì)節(jié)步驟，使得研究生更加合理有效地利用核磁共振譜儀為自己的課題提供有力的數(shù)據(jù)支持。

關(guān)鍵詞：研究生;核磁共振實驗

中圖分類號：G643 ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A ? ? 文章編號：1674-9324（2016）41-0223-02

核磁共振實驗課是化學(xué)、材料和生物等學(xué)科的一門重要的實驗課程，本科生的核磁共振實驗課以演示為主，操作為輔。但是到了研究生階段，學(xué)生都開始有自己的課題方向，都會帶著自己科研中遇到的問題來上課。此時開設(shè)的核磁共振實驗課能更有針對性的對學(xué)生的科研工作提供助力。把核磁共振譜儀對學(xué)生開放是國外科研機(jī)構(gòu)的普遍做法，操作核磁共振譜儀是在國外實驗室工作的學(xué)生的一項基本技能。而在我國，由于核磁共振譜儀比較昂貴，絕大多數(shù)院校和科研院所都是由專人管理核磁共振譜儀，學(xué)生的動手能力得不到鍛煉，樣品也不一定能及時的測試，這直接影響了學(xué)生實驗的進(jìn)展，尤其是做有機(jī)合成實驗的學(xué)生，極大地降低了科研效率。隨著我國經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，對科研的投入逐年提高，核磁共振譜儀逐漸增多，如何能讓學(xué)生安全、規(guī)范地進(jìn)行核磁共振譜儀的操作，是很多科研院所和高校思考的問題。這里我就結(jié)合自身的體會和經(jīng)驗，談?wù)勅绾螌W(xué)生進(jìn)行培訓(xùn)教學(xué)。

一、安全和注意事項

學(xué)生操作核磁共振譜儀，目的是及時得到實驗數(shù)據(jù)，所以第一目的是做出數(shù)據(jù)，而不是做好數(shù)據(jù)，這是最低要求。但是并不是所有人都是親自上機(jī)操作的，往往一個課題組的幾個學(xué)生承擔(dān)了全組的上機(jī)測試任務(wù)。這就會導(dǎo)致不是每個上機(jī)操作的學(xué)生都了解所做的樣品。所以，學(xué)生上機(jī)操作前的理論培訓(xùn)是極其必要的。

首先，要讓準(zhǔn)備上機(jī)操作的學(xué)生知道超導(dǎo)磁體的結(jié)構(gòu)，超導(dǎo)磁體最外層是真空層，中間是液氮層，里面是液氦層，超導(dǎo)線圈浸泡在液氦之中，因為溫度極低，所以線圈沒有電阻，才形成了超導(dǎo)磁體。要告知學(xué)生液氦是被外層的液氮和真空層保護(hù)的，所以儀器需要定期的添加液氮和液氦。在添加液氮液氦的過程中，重點(diǎn)提醒學(xué)生不要靠近，必須遠(yuǎn)離操作區(qū)域。皮膚直接接觸到液氮和液氦會導(dǎo)致凍傷。

其次，介紹正常操作中可能出現(xiàn)的異常情況，這些情況有的出現(xiàn)會對儀器造成或大或小的影響，有的會對后面學(xué)生的實驗造成影響。比如，核磁管的樣品中含有順磁性金屬離子或者自由基，就會對整個超導(dǎo)磁體的磁場產(chǎn)生干擾，濃度越大，干擾就越大，最少需要一個小時才可以恢復(fù)。這樣無疑就會對后面學(xué)生的測試過程和結(jié)果產(chǎn)生影響，對于不知道情況的學(xué)生來說，這種影響是非常大的，嚴(yán)重時就有可能導(dǎo)致科研方向的偏離。再比如，在沒有壓縮空氣支撐的情況下，把樣品管放入磁體樣品腔內(nèi)，這是十分危險的。一旦這種情況出現(xiàn)，直接打碎在里面的樣品很難清理，需要拆解探頭后再用溶劑浸泡沖洗等，請專門的技術(shù)人員清理的話，費(fèi)用是個可觀的數(shù)字。一定要強(qiáng)調(diào)這句話，讓參加培訓(xùn)的學(xué)生都能重視起來。再比如，擅自用個人U盤拷貝數(shù)據(jù)，一旦帶入病毒，導(dǎo)致主機(jī)崩潰，將對整個實驗室的科研進(jìn)度產(chǎn)生影響。還有一種情況就是在沒有結(jié)束實驗的情況下彈出樣品，將有可能導(dǎo)致主機(jī)故障，對于進(jìn)口儀器來說，如果國內(nèi)沒有配件，那么從國外購買配件將等待最1-2個月的時間。以上這些事例都需要反復(fù)強(qiáng)調(diào)，因為一旦出現(xiàn)事故，需要大筆的維修經(jīng)費(fèi)，這是學(xué)生自己承擔(dān)不起的。

二、核磁共振氫譜的操作步驟

這一部分是學(xué)生最關(guān)心的，因為學(xué)生平時用的最多的就是氫譜，怎么能又快又好地做出一個氫譜數(shù)據(jù)，是學(xué)生最感興趣的內(nèi)容。而做為教師，如何設(shè)置好學(xué)生可以用的參數(shù)，能夠讓學(xué)生看得懂，易操作，是我們應(yīng)該認(rèn)真思考的事情。有的教師在儀器操作軟件界面上自定義了很多個按鈕，這樣一是為了學(xué)生操作方便，二是為了自己操作方便，培訓(xùn)起來也更加容易。但是這樣的做法忽略了一個重要的問題，那就是學(xué)生不會一輩子在這里，如果這樣培訓(xùn)出來的學(xué)生畢業(yè)后，到了國外或者國內(nèi)的其他實驗室，同樣的核磁共振譜儀，但是沒有了這些自定義的按鈕，可能他就無法進(jìn)行操作了。這是一種投機(jī)取巧的方法，是完全不可取的。按照說明書，最基本的操作說明，可能操作起來麻煩一些，但是會了最基本的，以后到哪個實驗室都可以操作自如。而且操作步驟不能光講解，一定要讓學(xué)生自己動手嘗試，在操作過程中才能把講過的安全注意事項融會貫通，操作步驟要詳細(xì)，比如“點(diǎn)擊軟件窗口上方工具欄中小鍵盤圖標(biāo)，打開BSMS控制界面，然后再點(diǎn)擊LIFT按鈕，壓縮空氣會自動吹出，等到感覺氣流最大時，放入樣品，樣品已經(jīng)被氣體托住后再完全松手，然后再點(diǎn)擊LIFT按鈕，樣品會自動下滑到探頭位置?！边@樣的講解配合實際的操作，學(xué)生就能很好的掌握放入樣品的全過程。再比如“樣品名稱和實驗編號不能以0開頭;如果出現(xiàn)無法建立新文件的情況，一般是已經(jīng)打開了一個頁面，在下面點(diǎn)擊出來即可”，這樣容易忽視的細(xì)節(jié)，更是要和學(xué)生交代清楚。做為教師，在設(shè)計核磁共振實驗教學(xué)的時候，學(xué)生調(diào)用哪些參數(shù)能達(dá)到測試的目的，應(yīng)該非常詳細(xì)的斟酌考慮的。做核磁共振氫譜的標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)的設(shè)置必須能滿足所有學(xué)生的需要，保證學(xué)生需要做出的信號都出現(xiàn)在可監(jiān)測范圍內(nèi)，所以譜圖的寬度設(shè)置為20ppm，從-4ppm～16ppm這個范圍完全可以滿足一般樣品的需求，其他的步驟需要輸入一系列的指令去進(jìn)行，如果指令疊加過多，會造成機(jī)器死機(jī)，所以需要提醒學(xué)生耐心等待每一個指令執(zhí)行完畢后再輸入下一個指令。一些需要輸入的重要指令，提醒學(xué)生要記錄。比如讀取勻場參數(shù)的指令，操作手冊上是沒有這個步驟的，但是不同的學(xué)生的測試樣品是不一樣的，如果前一個學(xué)生的樣品有問題，導(dǎo)致磁場均勻度變壞，后面的學(xué)生需要用很長時間才能調(diào)整回來，或者是后面的學(xué)生以為自己的樣品有問題，產(chǎn)生錯誤的判斷。所以加入了一個讀取勻場參數(shù)的重要指令，不管前面的磁場均勻度有多大改變，后面的學(xué)生都調(diào)取教師之前存儲好的，最基礎(chǔ)的磁場值，在此基礎(chǔ)上去調(diào)節(jié)磁場的均勻度，這樣就可以避免上面的情況出現(xiàn)。有時在調(diào)節(jié)磁場均勻度的時候會出現(xiàn)報錯，這一點(diǎn)也要提醒學(xué)生注意，并且給學(xué)生講解其中的原因。尤其是用氯仿做為溶劑的時候，當(dāng)室溫和儀器樣品腔存在溫差的時候，樣品剛放入時會產(chǎn)生對流，在溫度穩(wěn)定之前很難把樣品周圍的磁場均勻度調(diào)節(jié)好?！皩嶒灲Y(jié)束后，點(diǎn)擊軟件窗口上方工具欄中小鍵盤圖標(biāo)，打開BSMS控制界面，點(diǎn)擊LOCK選項中的ON-OFF按鈕，關(guān)閉氘鎖。然后再點(diǎn)擊LIFT按鈕，樣品彈出，取出樣品，然后再次點(diǎn)擊LIFT按鈕，關(guān)閉氣流、蓋上防塵蓋。”

三、核磁共振碳譜的操作步驟

碳譜的操作大部分與氫譜的操作一樣，所以只需要和學(xué)生強(qiáng)調(diào)不同點(diǎn)，第一個不同點(diǎn)就是在調(diào)諧時，碳譜是去耦氫的，所以碳譜調(diào)諧過程中會先調(diào)諧碳再調(diào)諧氫，而氫譜只調(diào)諧氫就可以了。第二點(diǎn)不同是碳的信號很弱，是氫的八千分之一，所以碳譜需要很長的時間才能做出信號來。為了有效利用時間，在碳的標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)里，采樣次數(shù)設(shè)置了一個足夠長的時間，所以學(xué)生可以輸入TR指令來看碳譜的信號采集是否達(dá)到要求，如果達(dá)到要求了就輸入HALT指令停止，如果沒有達(dá)到要求，就需要繼續(xù)等待，隨時輸入TR去觀察，直到得到滿意的數(shù)據(jù)為止。如果樣品的濃度很稀，就建議學(xué)生做過夜的碳譜，第二天早上來收集數(shù)據(jù)，但是如果第二天早上有其他的學(xué)生來，那就要強(qiáng)調(diào)，如果早上來，不管儀器里的實驗是否在進(jìn)行，都需要輸入一個HALT指令，這樣才能保證過夜實驗的數(shù)據(jù)能完整的保存。

四、結(jié)束語

針對研究生的核磁共振實驗課是與科研一線緊密結(jié)合的，做為實驗課教師需要站在學(xué)生的角度思考問題，設(shè)計實驗。盡可能的在保證安全的前提下，讓學(xué)生快速有效的進(jìn)行核磁共振實驗測試。重點(diǎn)要反復(fù)強(qiáng)調(diào)，安全注意事項要重點(diǎn)說明，操作步驟要細(xì)致詳細(xì)的加以闡述?？傊龅揭匀藶楸荆Y(jié)合研究生的具體情況，有針對性的對核磁共振實驗課進(jìn)行設(shè)計，以達(dá)到研究生畢業(yè)時，可以多一項到其他單位馬上就能上手的技能，為學(xué)生的科研工作和畢業(yè)找工作助力。

參考文獻(xiàn)：

[1]毛希安，等.現(xiàn)代核磁共振實驗技術(shù)及應(yīng)用[M].北京：科學(xué)技術(shù)文獻(xiàn)出版社，2000.

[2]徐海，等.結(jié)合實例淺談化學(xué)實驗課筆試命題新思路[J].大學(xué)化學(xué)，2013，（28）.

[3]徐海，等.歸類比較教學(xué)法在元素性質(zhì)實驗課中的應(yīng)用[J].化學(xué)教育，2016，（37）.

Graduate Student of Nuclear Magnetic Resonance Experiment Teaching Research

SHEN Fang-zhong，WANG Chun-yu

（State Key Laboratory of Supramolecular Structure and Materials，Jilin University，Changchun，Jilin 130012，China）

Abstract：In the graduate student of nuclear magnetic resonance experiment，we are thinking from the position of students，designing the teaching content and setting up reasonable experimental parameters. On the premise of ensure safety，the graduate students to reasonable and effective use of nuclear magnetic resonance （NMR） spectrometer for scientific research because we repeatedly stressed the point and go over each step and explain their significance.

Key words：graduate student;nuclear magnetic resonance experiment