Bruker 400 MHz核磁共振波譜儀的維護(hù)及常見故障探討

席艷杰，李程鵬，王 磊，陶進(jìn)轉(zhuǎn)，席艷麗

(嶺南師范學(xué)院 化學(xué)化工學(xué)院 清潔能源材料化學(xué)廣東普通高校重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 湛江 524048)

核磁共振 (nuclear magnetic resonance，NMR )是處于磁場中、具有自旋性質(zhì)的原子核受到射頻輻射的激發(fā)，于分裂的能級(jí)間產(chǎn)生躍遷，伴隨而產(chǎn)生的一種共振吸收現(xiàn)象.核磁共振波譜本質(zhì)上隸屬于吸收光譜的范疇，即原子核對(duì)射頻輻射的吸收.該現(xiàn)象于1946年由哈佛大學(xué)的珀塞爾(E M Purcell)和斯坦福大學(xué)的布洛赫(F Bloch)用試驗(yàn)進(jìn)行了證實(shí)[1]，并由此獲得了1952年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)[2].核磁共振波譜與紅外光譜、紫外光譜和質(zhì)譜并稱為“四大譜”[3].特別是在有機(jī)化合物的結(jié)構(gòu)鑒定與表征、動(dòng)態(tài)反應(yīng)的監(jiān)控[4]、化合物立體構(gòu)象的研究、反應(yīng)歷程及機(jī)理的探討[5]等方面發(fā)揮了重大作用.此外，核磁共振波譜不僅可作為定性依據(jù)，亦可進(jìn)行定量分析，且具有檢測速度快、檢測過程中樣品不被破壞的優(yōu)點(diǎn)，被測樣品的用量僅需幾至100 mg[5].自1952年Varian推出了世界上第一臺(tái)30 MHz NMR譜儀后，核磁共振波譜儀的發(fā)展突飛猛進(jìn)，超高場強(qiáng)的超導(dǎo)NMR譜儀相繼面世[6].2009年，Bruker推出了AVANCE 1000，世界上第一個(gè) 1 GHz NMR 系統(tǒng)在法國成功安裝使用.

我校于2015年購進(jìn)了Bruker AVANCE 400 MHz核磁共振波譜儀，面向校內(nèi)師生免費(fèi)開放.本文結(jié)合我們的使用情況，總結(jié)NMR波譜儀的日常維護(hù)以及在實(shí)際使用過程中遇到的故障及解決方法，與業(yè)內(nèi)人士交流.

1 核磁共振波譜儀的維護(hù)

NMR波譜儀主要由工作站(即Topspin 軟件)、超導(dǎo)磁體單元和機(jī)柜三大部分組成.

1.1 工作站的維護(hù)

由于處于網(wǎng)絡(luò)中的計(jì)算機(jī)容易受到病毒等因素的影響，從而造成軟件崩潰和數(shù)據(jù)丟失等問題，因而不建議將軟件安裝在聯(lián)網(wǎng)的計(jì)算機(jī)上.此外，應(yīng)定期對(duì)計(jì)算機(jī)進(jìn)行殺毒軟件升級(jí)、數(shù)據(jù)備份，避免數(shù)據(jù)丟失.如需進(jìn)行數(shù)據(jù)拷貝，建議使用專用的移動(dòng)硬盤，并在連接之前預(yù)先格式化，避免可能的病毒傳播.

1.2 超導(dǎo)磁體單元的維護(hù)

1.2.1 磁體的維護(hù)

對(duì)NMR譜儀來說，超導(dǎo)磁體單元的維護(hù)是極為重要的.由于超導(dǎo)是由線圈浸泡在低冷液氦(-269 ℃)中形成，因此維持超導(dǎo)的極低溫環(huán)境是最為重要的，需要定期觀察磁體中液氦和液氮剩余量，并及時(shí)進(jìn)行添加.對(duì)Ascend 400 MHz磁體來說，磁體的設(shè)計(jì)已經(jīng)極大程度地減少了制冷劑的揮發(fā)損失(液氦消耗量減少13%)，約5個(gè)月添加一次液氦即可.相較之下，液氮消耗量較高，約10天添加一次.儀器后臺(tái)程序會(huì)在每天固定時(shí)間對(duì)液氦、液氮剩余量進(jìn)行測量并記錄.因此，管理員需及時(shí)關(guān)注，并根據(jù)消耗量的異常判斷管路是否有堵塞，以便及時(shí)排查和處理.

由于磁體有很強(qiáng)的磁場(400 MHz，9.4 T)，對(duì)鐵磁性的物質(zhì)有強(qiáng)吸引力，該吸引力會(huì)在短距離內(nèi)增大至無法控制的程度[7]，而被突然吸到磁體中心，因此鐵磁性物品(如手機(jī)、機(jī)械手表、鑰匙等)、磁卡(如銀行卡、校園卡等)，以及使用心臟起搏器或金屬關(guān)節(jié)的人士禁止靠近磁體.

此外，由于樣品的測試是在室溫腔管中進(jìn)行的，周圍環(huán)境溫度的改變對(duì)磁體中心頻率的穩(wěn)定性，磁體的穩(wěn)定性均會(huì)產(chǎn)生影響[8]，因此需保持環(huán)境溫度的穩(wěn)定.

1.2.2 探頭的維護(hù)

探頭是核磁中較為關(guān)鍵，但同時(shí)也較為易損的部件.對(duì)探頭的使用及維護(hù)應(yīng)注意：(1) 選用潔凈無破損、劃痕的核磁管，以免核磁管在磁體內(nèi)發(fā)生斷裂，污染損壞探頭.(2)核磁管型號(hào)較多，選用時(shí)需注意與探頭匹配.不同場強(qiáng)磁體的探頭無法替換使用，探頭的頻率范圍和功能不同[9].我校使用5 mm 400 MHz PABBO寬帶探頭，其探頭內(nèi)部隔離樣品和線圈的石英管內(nèi)徑只有5.4 mm，若樣品管過粗或變形，容易卡在探頭里而無法取出，甚至擠碎石英管(3)核磁管一定要插入轉(zhuǎn)子中，并使用定深量筒控制好下端高度，避免核磁管過長進(jìn)入探頭時(shí)撞碎.此外，轉(zhuǎn)子底部的O型圈長時(shí)間使用會(huì)發(fā)生老化，需及時(shí)更換.(4)長期使用的核磁管應(yīng)定期更換，若使用時(shí)間過長，或在高溫下干燥，管體容易磨損或變形，勻場效果變差，同時(shí)進(jìn)入探頭中可能會(huì)卡住甚至斷裂.(5)手動(dòng)進(jìn)樣放入樣品前，需先確認(rèn)空壓機(jī)有無正常開啟，氣流是否正常，若需做變/高溫試驗(yàn)時(shí)需將壓縮空氣改為高純氮?dú)猓悦庠斐删€圈氧化.

1.3 機(jī)柜的維護(hù)

由于機(jī)柜中包含了NMR波譜儀相關(guān)的大部分電子硬件，特別是集成電路，這些均應(yīng)在合適的溫度和濕度范圍內(nèi)工作[10]，因此需保證其處于良好的工作環(huán)境中.良好的工作環(huán)境要求無塵、恒溫、防潮等[10].灰塵過多會(huì)造成電路板等接觸不良或短路.溫度過高不利于電子元器件的散熱，可能燒壞電路板，過低可能會(huì)導(dǎo)致電子元件工作不正常.濕度過高容易造成器件生銹，或電路板上灰塵結(jié)塊而短路，過低則容易產(chǎn)生靜電[7,11].我校NMR波譜儀溫度一般控制在23 ℃，濕度控制在30%～70%，保證了儀器在較好的狀態(tài)下持續(xù)運(yùn)行.此外，每三個(gè)月應(yīng)拆下機(jī)柜側(cè)面板上的防塵板，清理晾干后再裝回.定期檢查機(jī)柜中的風(fēng)扇是否正常工作，如發(fā)現(xiàn)有異常，應(yīng)及時(shí)維修或更換，以免散熱不良引起故障.

為防止突然斷電對(duì)儀器可能產(chǎn)生的影響，需配備UPS不間斷電源，在斷電幾小時(shí)內(nèi)保證儀器正常運(yùn)行，為正常關(guān)機(jī)提供充足的時(shí)間.此外，學(xué)校同時(shí)配備了兩臺(tái)空調(diào)、兩臺(tái)抽濕機(jī)、兩臺(tái)空氣壓縮機(jī)，既保證了儀器在良好的環(huán)境下運(yùn)行，又降低了輔助設(shè)備長時(shí)間運(yùn)行帶來的安全風(fēng)險(xiǎn)，延長附件的使用壽命[12].

1.4 90 °脈沖定期校準(zhǔn)

在日常維護(hù)中，還需定期校準(zhǔn)F1(觀察通道)的90 °脈沖，來確認(rèn)激發(fā)核磁共振現(xiàn)象的脈沖處于正常范圍.以氫譜為例，使用氘代氯仿CDCl3為溶劑，0.1%乙基苯為標(biāo)樣，新建一個(gè)氫譜，經(jīng)鎖場lock、自動(dòng)調(diào)諧atma、勻場topshim后，在命令行輸入pulsecal指令，會(huì)自動(dòng)優(yōu)化90 °脈沖P1值并自動(dòng)寫入該數(shù)值.命令行輸入edprosol指令，打開prosol表，找到氫核所屬行，將observe和decouple通道的脈沖寬度pulsewidth均改為上述值并保存.一般來說，優(yōu)化前后的90 °脈沖值不會(huì)差別很大，需通過偏差看此值是否合理，脈沖是否正常.

1.5 3D勻場與1D線型樣品校準(zhǔn)

定期使用標(biāo)準(zhǔn)樣品對(duì)磁體做3D勻場與1D線型樣品校準(zhǔn).3D勻場以 90% 水+10% 重水為標(biāo)樣，首先新建或打開一個(gè)氫譜試驗(yàn)，執(zhí)行完lock、atma指令后，命令行鍵入topshimgui指令，勾選3D選項(xiàng)進(jìn)行勻場，約20～30 min勻場結(jié)束后查看相應(yīng)的report.正常情況下，initial B0值應(yīng)比與final B0值略大.再以線型樣品1%氘代氯仿為標(biāo)樣，氘代丙酮做溶劑，選擇PROHUMP標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)，經(jīng)lock、atma后，鍵入命令topshimgui，選擇1Dlineshapehump，進(jìn)行1D勻場校準(zhǔn).勻場結(jié)束后輸入zg指令進(jìn)行采樣，經(jīng)efp、apk、absn命令處理后，鍵入命令humpcal，可得到探頭的頻率參數(shù)值，將該參數(shù)值與探頭出廠參數(shù)值進(jìn)行對(duì)比，在上浮30%的范圍內(nèi)均可.若超出該范圍，需按上述步驟重做3D勻場、1D勻場，若仍不達(dá)標(biāo)，可聯(lián)系Bruker工程師處理.

2 核磁共振波譜儀的常見故障及排查方法

2.1 鎖場失敗

常見鎖場失敗的原因：(1)未使用氘代試劑或未放置樣品.由于常規(guī)鎖場是通過觀察氘的放射信號(hào)頻率來調(diào)整磁場強(qiáng)度，因此在測試時(shí)必須要使用氘代試劑.(2)樣品管卡住，未能正常進(jìn)入磁體內(nèi)部.有些學(xué)生在測試前為了標(biāo)記樣品，會(huì)在核磁管外壁粘貼標(biāo)簽，但有時(shí)標(biāo)簽過長，超過室溫腔管直徑，導(dǎo)致核磁管卡在磁體上部，無法下沉至探頭中.(3)檢查核磁管外壁是否潔凈.若核磁管外部臟污，可能會(huì)污染探頭，或?qū)е骆i場失敗.(4)確認(rèn)樣品是否處于液體狀態(tài).由于大部分NMR波譜儀僅支持液體樣品的測試，若使用固體樣品直接測試，或樣品在磁場中凝固，會(huì)導(dǎo)致鎖場失敗.如氘代二甲基亞砜 (DMSO) 的凝固點(diǎn)為18.4 ℃，若在該溫度下測試，樣品會(huì)凝固，此時(shí)可考慮適當(dāng)升高探頭溫度再進(jìn)行測試.(5)氘代溶劑選擇錯(cuò)誤，該情況會(huì)使氘信號(hào)的頻率產(chǎn)生偏差而導(dǎo)致鎖場失敗.

2.2 勻場失敗

勻場的目的是為了保證磁場的均一性.造成勻場失敗的原因主要從以下幾方面考慮：(1)樣品是否處于液體狀態(tài)，若測試樣品因溫度過低而凝固，應(yīng)適當(dāng)升高探頭溫度.(2)溶液體積是否足夠或置于正確位置.對(duì)于5 mm探頭，定深量筒白色塑料基座的位置應(yīng)在中線(0 mm線)以下約18～20 mm.若樣品量足夠，可將核磁管底部推至基座位置，若樣品量較少，則應(yīng)使核磁管沿中線上下液體量均等.(3)樣品濃度是否過高或過低.兩者均可導(dǎo)致勻場失敗，可適當(dāng)稀釋或補(bǔ)加樣品.(4)磁體本身原因?qū)е聞驁鲋灯钶^大.如使用氘代氯仿CDCl3作為溶劑進(jìn)行topshim勻場時(shí)出現(xiàn)報(bào)錯(cuò) “too many points lost during fit”，或報(bào)錯(cuò)“l(fā)imits exceed”時(shí)，可輸入rsh指令讀取最近的一次勻場文件后重新勻場嘗試.(5)溶劑選擇是否正確.檢查勻場使用的氘代試劑是否和樣品實(shí)際使用的試劑一致，或是否使用的混合溶劑.若樣品使用了混合溶劑，可用相應(yīng)的混合溶劑進(jìn)行鎖場，或使用溶劑含量較多的一種作為溶劑進(jìn)行鎖場.

2.3 探頭溫度異常

若儀器開啟了探頭溫度控制功能，可能會(huì)出現(xiàn)探頭溫度異?，F(xiàn)象，軟件界面probe temperature顯示為 no probe，該情況通常是由軟件或硬件通訊異常導(dǎo)致.首先，可先通過重啟軟件或電腦進(jìn)行嘗試，排查是否軟件通訊異常.若仍無法解決，檢查是否硬件接觸不良.可將磁體底部探頭上的Thermo線和Heater線拔下，確認(rèn)接口處是否有灰塵、雜物阻礙,是否連接處變形或彈性不夠等，排查可能導(dǎo)致接觸不良的原因.均無誤后將兩根線重新插回，再確認(rèn)故障是否已解決.

2.4 核磁管無法彈出

若樣品測試完畢后無法正常彈出，可先檢查空壓機(jī)和機(jī)柜上氣壓是否正常.若氣壓正常，可適當(dāng)調(diào)大氣壓值嘗試.若仍無法彈出，檢查是否樣品管卡在探頭中，或轉(zhuǎn)子卡在勻場線圈中，可擰松探頭下部的固定螺絲，取下探頭檢查，排除故障后重新安裝.

2.5 勻場不好

若出現(xiàn)溶劑峰或樣品峰的峰形展寬，變形，峰裂分差或裂分不符合規(guī)則等，則應(yīng)考慮是否由于勻場不佳導(dǎo)致， 可嘗試以下操作：(1)重新進(jìn)行二次勻場.(2)使用 “rsh” 指令讀取最近的勻場文件嘗試.(3)長期使用的核磁管可能會(huì)發(fā)生變形，使勻場效果變差，可嘗試更換核磁管.(4)使用“topshimgui”指令進(jìn)行3D勻場.(5) 樣品中若含有金屬或磁性雜質(zhì)，亦可能會(huì)磁場的均勻性有影響，可考慮將樣品進(jìn)行過濾或純化[13].

2.6 序列運(yùn)行卡住

安裝了自動(dòng)進(jìn)樣器的波譜儀，序列在運(yùn)行過程中，有時(shí)會(huì)出現(xiàn)卡住，無法彈出和運(yùn)行后續(xù)樣品，進(jìn)樣器指示燈一直處于亮黃燈的狀況，此時(shí)需排查是軟件還是硬件卡住.若軟件卡住，關(guān)掉軟件重新打開軟件即可解決.若硬件卡住，可先嘗試按下進(jìn)樣器上的emergency紅色緊急按鈕，等待十幾秒后拉起該按鈕，觀察指示燈是否正常.若仍不正常，可重啟電腦、自動(dòng)進(jìn)樣器和機(jī)柜嘗試.若樣品仍無法彈出，可將進(jìn)樣模式由自動(dòng)切換成手動(dòng)進(jìn)樣，嘗試將樣品彈出：主界面命令欄中，手動(dòng)輸入ha命令，在彈出的界面中選擇lock/shim(open)-sample handling-sample transporter control-lift mode，在下拉菜單中進(jìn)行手/自動(dòng)進(jìn)樣模式的切換.切換完成后，用手預(yù)先將在磁體上端入口處的進(jìn)樣小車支架推走，再點(diǎn)擊圖標(biāo)彈出BSMS鍵盤，單擊lift按鈕，可手動(dòng)將樣品彈出.通過切換成手動(dòng)進(jìn)樣，可確定機(jī)柜、電路板等控制硬件是否正常.手動(dòng)按下進(jìn)樣器上綠色上下箭頭按鈕，使holder樣品卡槽支架歸回原位.后續(xù)可再按之前操作，將手動(dòng)進(jìn)樣重新切換成自動(dòng)進(jìn)樣模式，即可恢復(fù)正常.

3 結(jié)語

目前，我校的核磁共振波譜儀在教學(xué)、科研等方面均已發(fā)揮出很大作用，協(xié)助科研人員在有機(jī)化學(xué)、高分子材料、藥物化學(xué)等領(lǐng)域發(fā)表SCI論文數(shù)篇.由于之前未配備自動(dòng)進(jìn)樣器，僅能在工作時(shí)間內(nèi)進(jìn)行測試，夜間、周末及節(jié)假日均處于閑置狀態(tài)，因而設(shè)備的利用率不高.現(xiàn)階段安裝了自動(dòng)進(jìn)樣器，日后可通過借鑒北京大學(xué)[14]、西安交通大學(xué)[15]、華南理工大學(xué)[16]等高校成熟的NMR譜儀科學(xué)管理模式，進(jìn)一步優(yōu)化管理與資源配置，使測試更加高校便捷，更大程度地提高大型儀器的利用率.