電子順磁共振波譜儀的管理與維護

(南京大學(xué) 現(xiàn)代分析中心， 南京 210093)

電子順磁共振(Electron Paramagnetic Resonance, EPR)，又叫電子自旋共振(Electron Spin Resonance, ESR)是未成對電子在直流磁場中吸收電磁輻射，從低能級躍遷到高能級的現(xiàn)象。電子順磁共振波譜儀正是基于這一原理，是檢測順磁性物質(zhì)中所含未成對電子的有力工具，既能夠無損研究順磁性物質(zhì)的結(jié)構(gòu)和空間分布，又能夠在不影響反應(yīng)的前提下研究物理和化學(xué)反應(yīng)中的動力學(xué)和反應(yīng)機理[1-4]。目前，電子順磁共振波譜儀已廣泛應(yīng)用于物理學(xué)[5]、化學(xué)[6]、生物學(xué)[7]、醫(yī)學(xué)[8]、環(huán)境科學(xué)[9]和地質(zhì)科學(xué)[10]等眾多科學(xué)領(lǐng)域。

南京大學(xué)現(xiàn)代分析中心創(chuàng)建于1983年，是學(xué)校科研測試和交叉學(xué)科研究的共享平臺，是分析測試方法和技術(shù)的研究中心，同時面向全社會開放，積極為地方經(jīng)濟建設(shè)提供科技服務(wù)。本文以南京大學(xué)現(xiàn)代分析中心的電子順磁共振波譜儀(德國Bruker EMX-10/12)為例，探討了儀器長期使用過程中的規(guī)范管理、日常維護、常見問題及解決方法，有助于保證儀器的正常運轉(zhuǎn)，充分發(fā)揮其作用，更好地服務(wù)于教學(xué)科研，促進科技發(fā)展，同時為此類儀器的管理維護及常見問題分析處理提供借鑒與思路。

1 電子順磁共振波譜儀原理及結(jié)構(gòu)

1.1 電子順磁共振波譜儀原理

當(dāng)樣品中含有未成對電子時，電子自旋運動會產(chǎn)生自旋磁矩，在外磁場中呈現(xiàn)順磁性。將這種順磁性的樣品置于外磁場H中，由于電子是自旋的1/2粒子(Ms=±1/2)，所以有兩個可能的能量狀態(tài)：Eα=1/2gβH，Eβ=-1/2gβH。當(dāng)H=0時，Eα=Eβ=0，兩種自旋的電子具有相同的能量，當(dāng)H≠0時，能級分裂為二，能級差ΔE=Eα-Eβ=1/2gβH-(-1/2gβH)=gβH，這種現(xiàn)象即為塞曼效應(yīng)(Zeeman Effect)。其中g(shù)為一個無量綱數(shù)稱為g因子，β為玻爾磁子，H為外磁場強度。

如果在垂直于外磁場H的方向上施加頻率為ν的電磁波，當(dāng)滿足ΔE=hν=gβH時，低能級Eβ中的未成對電子吸收電磁波能量躍遷到高能級Eα中，就會發(fā)生順磁共振現(xiàn)象。其中h為普朗克常數(shù)，v為電磁波頻率。一般EPR信號十分微弱，受激躍遷產(chǎn)生的吸收信號經(jīng)數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)可得到其共振的一次微分譜線，即為EPR吸收譜線[2]。

順磁分子中除了未成對電子外還有許多具有自旋磁矩的磁性核，把未成對電子自旋磁矩與核自旋磁矩間的相互作用稱為超精細(xì)相互作用，表現(xiàn)為光譜進一步分裂產(chǎn)生許多分裂譜線。對超精細(xì)譜線數(shù)目、譜線間隔及其相對強度的分析，有助于確定自由基種類及周圍環(huán)境。

1.2 電子順磁共振波譜儀結(jié)構(gòu)

電子順磁共振波譜儀主要包括：微波橋、諧振腔、電磁鐵和數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)，見圖1。

微波橋包括微波發(fā)射源和信號處理的電子單元。由速調(diào)管或耿氏(Gunn)二極管震蕩器作為產(chǎn)生微波的微波源，同時還包括波導(dǎo)、環(huán)形器、微波衰減器和自動頻率控制器(AFC)等單元。德國Bruker EMX-10/12型波譜儀有兩個微波橋，X波段(9～10GHz)為常用波段，Q波段(34GHz)有較大的分辨率，更適合用于表征低介電損耗單晶的磁各向異性。

諧振腔置于電磁鐵的氣隙中，樣品置于諧振腔中心，故諧振腔又稱為樣品腔。諧振腔能使微波能量集中于腔內(nèi)的樣品處，使樣品在外磁場作用下共振吸收。

電磁鐵是電子順磁共振波譜儀的主體，測試中磁場的變化通過磁場控制器來調(diào)控。為了保證電磁鐵磁場源的均勻、穩(wěn)定，電磁鐵系統(tǒng)需配備穩(wěn)壓、穩(wěn)流裝置。

數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)主要包括調(diào)制、放大、相敏檢波等電子單元以及進行數(shù)據(jù)處理的計算機系統(tǒng)，主要功能是把弱的直流電子順磁共振吸收信號調(diào)制成高頻交流信號，信號經(jīng)過高頻放大，相敏檢波后得到原吸收線型的一次微分信號，即EPR波譜。

圖1 電子順磁共振波譜儀主要結(jié)構(gòu)

2 電子順磁共振波譜儀的管理

2.1 儀器制度化管理

專職人員負(fù)責(zé)制。高校分析中心的發(fā)展需不斷加強團隊建設(shè)和高水平技術(shù)人員的培養(yǎng)[11-12]。南京大學(xué)現(xiàn)代分析中心實行大型儀器專職人員負(fù)責(zé)制，不定期組織培訓(xùn)，提高儀器管理人員的技能和水平。管理人員對儀器的日常測試、定期校準(zhǔn)和維護保養(yǎng)等工作全面負(fù)責(zé)。

儀器使用規(guī)范制。南京大學(xué)現(xiàn)代分析中心制定了儀器日常使用規(guī)范，包括測試前需檢查儀器狀態(tài)，做好測試登記工作；測試時，需嚴(yán)格按照電子順磁共振波譜儀操作規(guī)程進行；測試結(jié)束后做好儀器設(shè)備運行日志的記錄，尤其是發(fā)現(xiàn)異常和故障，要隨時記錄。

儀器定期校準(zhǔn)制。南京大學(xué)現(xiàn)代分析中心1993年通過國家計量認(rèn)證，本儀器嚴(yán)格按照J(rèn)JG (教委) 005-1996《電子順磁共振譜儀檢定規(guī)程》和JY/T 005-1996《電子順磁共振譜方法通則》接受國家認(rèn)監(jiān)委定期復(fù)審，并定期進行內(nèi)部校準(zhǔn)。

2.2 儀器信息化及開放化管理

信息化管理是應(yīng)對錯綜復(fù)雜的儀器管理的有效手段[13]。為了實現(xiàn)大型儀器有效開放和資源共享，提高儀器使用率，更好地為教學(xué)、科研和社會服務(wù)，南京大學(xué)現(xiàn)代分析中心實行儀器信息化管理，成立了大型儀器網(wǎng)絡(luò)平臺。該平臺能夠提供中心所有儀器型號、儀器狀態(tài)、使用情況等信息，用戶均能借助該平臺申請樣品委托檢測、上機預(yù)約或培訓(xùn)預(yù)約等服務(wù)。

此外，南京大學(xué)現(xiàn)代分析中心在實行專職人員負(fù)責(zé)制的基礎(chǔ)上對學(xué)生開放，特別是鼓勵研究生進入實驗室參與測試。以電子順磁共振波譜儀為例，由于自由基具有反應(yīng)性強和壽命較短的特點，對于自由基捕獲類反應(yīng)的檢測，能夠滿足研究生現(xiàn)場開放化測試的需求。既能讓他們直觀了解電子順磁共振波譜儀的結(jié)構(gòu)原理以及工作流程，又能及時對測試條件和譜圖進行優(yōu)化和探討，寓科研于教學(xué)。

3 電子順磁共振波譜儀的維護

提高大型儀器的使用壽命，確保各項功能正常，需不斷積累儀器維修經(jīng)驗，總結(jié)合理的維護方法[14-15]。

3.1 工作環(huán)境

電子順磁共振波譜儀工作環(huán)境要求溫度在15～30℃，相對濕度<80%，所用電源電壓波動<10%，不能發(fā)生劇烈的溫度、濕度變化以及空氣流通，以保證譜圖基線的相對平穩(wěn)。因此，實驗室需安裝必要的空調(diào)和除濕裝置。

3.2 防塵防銹

實驗室灰塵、鐵銹等如果落入諧振腔會對諧振腔造成污染，影響樣品信號，故需做好實驗室的防塵防銹工作。通?？捎谜河袡C油的抹布(待機油滲入均勻后再使用)擦拭儀器外表面，不僅可以清除儀器表面灰塵，而且對防止儀器生銹也有很好的作用。此外，在每天測試任務(wù)結(jié)束后可用干凈的紙巾將樣品腔遮蓋，以避免雜質(zhì)落入樣品腔。

3.3 磁鐵及微波源系統(tǒng)維護

磁鐵和微波源是電子順磁共振波譜儀的主要部件，對磁鐵和微波源的日常維護關(guān)鍵要做好對冷卻系統(tǒng)的維護，主要有：(1)為避免熱交換器冷卻水結(jié)垢堵塞管路，可以使用高純?nèi)ルx子水防止冷卻水結(jié)垢堵塞冷卻管路；(2)定期巡視，檢查冷卻管路是否有漏液現(xiàn)象，檢查冷卻水量，及時補充冷卻水。

3.4 性能核查

定期檢查各部件功能，對儀器靈敏度、分辨率等定期進行內(nèi)部核查校準(zhǔn)，確保儀器各項功能正常。

3.5 其它日常維護

儀器的使用嚴(yán)格按照操作規(guī)程進行，并將儀器正常運轉(zhuǎn)時各部件運行圖片及信號指示燈情況拍照留存，測試過程對異常聲響、氣味保持警惕，發(fā)現(xiàn)異?，F(xiàn)象時可對照圖片逐一排查，對發(fā)現(xiàn)的異常和故障做好登記，并詳細(xì)記錄解決方法，為以后的維修提供參考依據(jù)。

4 電子順磁共振波譜儀常見問題及解決方法

一般的順磁共振實驗操作包括取放樣品、微波橋與諧振腔調(diào)諧、設(shè)置參數(shù)和獲得圖譜四個主要步驟。在此，將測試過程中的注意事項、常見問題及解決方法進行了總結(jié)，希望與同行互相探討。

4.1 取放樣品

樣品置于諧振腔時，為使樣品信號最大、儀器靈敏度最高，應(yīng)將樣品置于微波磁場最強而電場最弱的位置。樣品放在EPR樣品管中后，為保證諧振腔Q值一致，每次測量時需使樣品管在諧振腔內(nèi)的深度一致，并且保證樣品管豎直。此外，取放樣品時要注意保持樣品管內(nèi)外壁清潔，防止樣品之間交叉污染及樣品對諧振腔的污染。

4.2 儀器硬件故障

4.2.1微波橋控制器自動從操作狀態(tài)切換到備用狀態(tài)

出現(xiàn)此現(xiàn)象多是因為微波源或磁鐵溫度過高，沒得到有足夠的冷卻。如果微波源和磁鐵溫度過高，保護電路將關(guān)閉微波源，此時可以通過查看微波源及磁鐵部分是否發(fā)熱初步判斷冷卻系統(tǒng)是否故障。如果是冷卻系統(tǒng)故障，可以通過檢查熱交換器是否已開啟、冷卻管路閥門是否已打開、熱交換器中是否有足夠的冷卻水和熱交換器管路是否結(jié)垢堵塞等逐一排查。

4.2.2 諧振腔無法臨界耦合

當(dāng)諧振腔腔體與波導(dǎo)的阻抗適當(dāng)匹配時，最大功率被傳輸?shù)讲▽?dǎo)之間即臨界耦合。如果樣品介電損耗過大則會過多的吸收微波能量，無法嚴(yán)格地達(dá)到耦合狀態(tài)。可適當(dāng)減少樣品量，調(diào)整樣品位置直到耦合變得更好。另外，如果微波參考相位及虹膜運動極限設(shè)置不正確也將無法嚴(yán)格地達(dá)到耦合狀態(tài)，可將虹膜調(diào)至最高位置再慢慢往下調(diào)，直至諧振腔達(dá)到臨界耦合狀態(tài)。

4.2.3 磁鐵電源關(guān)閉

當(dāng)磁鐵電源上的Temp.或Ext.指示燈亮?xí)r，說明磁鐵冷卻能力不足，此時檢查冷卻系統(tǒng)熱交換器是否開啟并正常運行，檢查是否有足夠的冷卻水流過。另外，霍爾探針插入錯誤的磁極或者霍爾探頭從磁鐵的極片脫落均會導(dǎo)致磁場或電流達(dá)到最大值，此時磁鐵電源會因自動保護而關(guān)閉。

4.3 圖譜結(jié)果不理想

4.3.1 靈敏度低

造成靈敏度低的原因一般有：(1)參數(shù)設(shè)置不當(dāng)。微波功率、接受增益、調(diào)制幅度、時間常數(shù)、轉(zhuǎn)換時間、采集點數(shù)等參數(shù)設(shè)置不合理會導(dǎo)致靈敏度降低，可通過記錄不同參數(shù)的光譜來優(yōu)化樣品的參數(shù)。需要指出的是正常情況下信號強度與微波功率的平方根成正比，但當(dāng)微波功率設(shè)定得太高時會導(dǎo)致樣品信號飽和，此時隨微波功率增大會出現(xiàn)樣品信號減小的現(xiàn)象；(2)樣品與諧振腔不匹配或諧振腔校準(zhǔn)文件選擇不正確。此現(xiàn)象往往出現(xiàn)在更換諧振腔時，可重新選擇、校對諧振腔及匹配文件；(3)諧振腔Q值低，腔體未臨界耦合。當(dāng)使用有損耗的樣品(如水溶液或?qū)щ姌悠?時，往往會發(fā)生未臨界耦合現(xiàn)象，降低諧振腔Q值?？赏ㄟ^使用毛細(xì)管或扁平管減少樣品量的方式解決。值得注意的是在進行低溫實驗時，空氣中的水會在低溫杜瓦外壁凝結(jié)，如果低溫杜瓦上的橡皮圈松動，水會流入諧振腔，吸收腔內(nèi)微波能量使Q值降低。因此低溫實驗要特別檢查杜瓦橡皮圈是否正確安裝。

4.3.2 分辨率差

當(dāng)超精細(xì)耦合常數(shù)很小時，若線寬增寬往往出現(xiàn)分辨率差、無法顯示超精細(xì)分裂的現(xiàn)象。(1)調(diào)制幅度過大，特別是當(dāng)調(diào)制幅度接近線寬時會使共振線變寬，此時可降低調(diào)制幅度，以確保波譜獨立于調(diào)制幅度；(2)相對于掃描時間來說時間常數(shù)過大時，波譜會出現(xiàn)失真和變寬。為了避免這個問題，要確保掃描一次所需的時間至少是時間常數(shù)的10倍；(3)微波功率飽和會使共振線寬增寬，分辨率變差，此時可適當(dāng)降低微波功率；(4)對樣品進行必要處理也可減小線寬，如固體樣品可通過低溫降低自旋-軌道相互作用或加入逆磁性物質(zhì)降低自旋-自旋相互作用，而溶液樣品可通過加入逆磁性溶劑進行稀釋。

4.3.3 線形不對稱

EPR波譜一般是對稱的，出現(xiàn)以下情況時可能會出現(xiàn)線形不對稱的現(xiàn)象：(1)背景信號影響。如果諧振腔被具有順磁性質(zhì)的雜質(zhì)污染，背景信號會扭曲樣品的波譜。因此取放樣品時要注意保持樣品管內(nèi)外壁清潔，防止樣品之間交叉污染及樣品對諧振腔的污染；(2)樣品本身具有各向異性的g因子，得到的譜線一般是不對稱的；(3)高電導(dǎo)率或高介電損耗的樣品且樣品量較多時也會導(dǎo)致線形的不對稱。

4.3.4 信噪比差

如果樣品本身信號較弱時，信噪比較差，此時可采用多次掃描的方法提高信噪比。一般樣品信號強度與掃描次數(shù)成正比，而噪音由于隨機性只與掃描次數(shù)的平方根成正比，因此信噪比與掃描次數(shù)的平方根成正比。例如掃描N次時，信號增大為掃描1次的N倍，噪音增大為掃描1次的N1/2倍，信噪比增大為掃描1次的N1/2倍。

5 總結(jié)

電子順磁共振波譜儀近些年來在多學(xué)科領(lǐng)域中的使用越來越廣泛，做好電子順磁共振波譜儀的管理與維護工作顯得尤為重要。本文以南京大學(xué)現(xiàn)代分析中心的Bruker EMX-10/12型電子順磁共振波譜儀為例，介紹了該類儀器的原理、結(jié)構(gòu)、管理、維護和常見問題及解決辦法。作為儀器管理人員，應(yīng)努力學(xué)習(xí)和探索分析測試儀器的管理和維護方法，使其處于良好的運行狀態(tài)，保證儀器壽命及測試結(jié)果的準(zhǔn)確性，這樣才能夠更好地服務(wù)于教學(xué)科研，促進科技發(fā)展。