液體核磁波譜儀培訓(xùn)方案及共享開放探索

高瑞華，屈澤華，潘曉霞，胡曉月

（復(fù)旦大學(xué)聚合物分子工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，高分子科學(xué)系，上海 200438）

0 引言

液體核磁波譜儀在不損害待測(cè)樣品的情況下，可以準(zhǔn)確、深入測(cè)定樣品的氫譜、碳譜和雜核譜等，從而獲取各種分子水平的結(jié)構(gòu)信息，適于化學(xué)、生物、醫(yī)藥、石油化工等領(lǐng)域的物質(zhì)鑒定，化學(xué)反應(yīng)機(jī)理測(cè)定，動(dòng)力學(xué)研究等，已經(jīng)成為分子科學(xué)、材料科學(xué)和生命科學(xué)等領(lǐng)域研究物質(zhì)結(jié)構(gòu)最有效的工具之一［1-2］。本文從多方面總結(jié)了在管理、培訓(xùn)學(xué)生、維護(hù)儀器等方面的經(jīng)驗(yàn)，以期對(duì)液體核磁開放的實(shí)驗(yàn)室管理者提供借鑒和指導(dǎo)。

1 共享儀器平臺(tái)介紹

共享儀器平臺(tái)（簡(jiǎn)稱為儀器平臺(tái)）依托于復(fù)旦大學(xué)高分子科學(xué)系暨聚合物分子工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，建于1998 年。聚合物分子工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室以“通用高分子與聚合物表征能力建設(shè)”為主要導(dǎo)向，解決對(duì)材料的分子結(jié)構(gòu)及凝聚態(tài)性能理性設(shè)計(jì)和控制的主要科學(xué)問題，發(fā)展高分子材料的非平衡態(tài)結(jié)構(gòu)形成理論。其中通用高分子與聚合物的測(cè)試表征中成分鑒定和分子檢測(cè)設(shè)備共計(jì)14 臺(tái)（組）。儀器設(shè)備包含液體核磁波譜儀、高溫凝膠色譜儀、激光顯微拉曼光譜儀-原子力顯微鏡聯(lián)用系統(tǒng)、穩(wěn)態(tài)／瞬態(tài)熒光光譜儀、紫外可見分光光度計(jì)、紅外光譜儀等。其中液體核磁是解析材料的分子結(jié)構(gòu)重要設(shè)備，2019 年的機(jī)時(shí)為3 800 h，培訓(xùn)近70 人次。為高分子系師生解決材料的成分鑒定和分子檢測(cè)提供重大支撐。

平臺(tái)所有設(shè)備均采用“持證上崗、共享開放”的運(yùn)行機(jī)制，即高分子師生取得操作證后，即可自行網(wǎng)上預(yù)約上機(jī)測(cè)試［3-5］。儀器平臺(tái)開放的基礎(chǔ)是健全的規(guī)章制度［6-8］。在20 年的工作中，平臺(tái)技術(shù)人員不斷積累了豐富的管理經(jīng)驗(yàn)，陸續(xù)制定了系列規(guī)章制度，在2018 年重新修訂了儀器預(yù)約、使用、故障處理等管理?xiàng)l例，從而有利于大型精密儀器的有序共享開放。

2 液體核磁波譜儀介紹及運(yùn)行情況

儀器平臺(tái)的液體核磁波譜儀購于Bruker 公司，型號(hào)AVANCEIIIHD，400 MHz。于2014 年3 月投入使用。儀器可以測(cè)試液體樣品氫譜、碳譜、氟譜等雜核譜（共振頻率在15N-31P 原子核）及二維氫氫和碳?xì)湎嚓P(guān)譜，以獲取分子水平的結(jié)構(gòu)信息。

自2014 年3 月投入使用以來，核磁波譜儀一直運(yùn)行良好，沒有出現(xiàn)過大型事故，儀器使用機(jī)時(shí)見圖1，從圖1 可見，液體核磁的使用機(jī)時(shí)逐年增加，2019 年機(jī)時(shí)率高達(dá)213%（年滿機(jī)時(shí)按1 800 h）。正是由于高質(zhì)量的培訓(xùn)工作和科學(xué)的管理模式，核磁的機(jī)時(shí)才呈現(xiàn)逐年增加的趨勢(shì)。液體核磁為解析材料的分子結(jié)構(gòu)提供重要數(shù)據(jù)，為高分子系師生進(jìn)行材料的成分鑒定和分子檢測(cè)提供了重大支撐。

圖1 液體核磁年使用機(jī)時(shí)

3 核磁波譜儀的維護(hù)及保養(yǎng)

儀器平臺(tái)核磁液體核磁波譜儀是由Bruker 公司生產(chǎn)，儀器自開放運(yùn)行以來一直運(yùn)行良好，沒有出現(xiàn)過大型事故，故障率也非常低。

磁體是核磁的核心部件［9-10］，是測(cè)試時(shí)直接接觸的部分；雖然磁體是超屏蔽的設(shè)計(jì)，但為了保證該儀器的正常運(yùn)行以及使用者的健康安全，測(cè)試人員禁止攜帶任何含鐵磁性（手機(jī)、手表、鑰匙）和磁卡類的物品，核磁室進(jìn)門處，設(shè)置專門放置私人物品處，減少事故發(fā)生。另外磁體上也粘貼相關(guān)警示標(biāo)志，提醒測(cè)試人員注意。維護(hù)儀器時(shí)要重點(diǎn)檢查磁體上端藍(lán)色標(biāo)識(shí)的液氮和液氦進(jìn)出口處是否有液滴、結(jié)冰現(xiàn)象。每周周四固定為磁體添加液氮，每半年加一次液氦。避免因液氦液面下降過多，導(dǎo)致超導(dǎo)線圈暴露于空氣中，引起核磁“失超”的重大事故。特別是寒暑假，安排固定人員，固定時(shí)間添加液氮。

機(jī)柜也要定期清理灰塵，檢查風(fēng)扇等是否正常工作，檢查連接線等是否松動(dòng)?？諌簷C(jī)為核磁進(jìn)樣、退樣的提供足夠的氣流，發(fā)揮著重要作用?？諌簷C(jī)的保養(yǎng)很有必要，每周定時(shí)進(jìn)行排水，每月進(jìn)行線路檢查，每半年請(qǐng)空壓機(jī)工程師來做電機(jī)維護(hù)保養(yǎng)，更換分子篩，保證空壓機(jī)的正常運(yùn)行。

4 液體核磁波譜儀的培訓(xùn)方案

4.1 合理高效的培訓(xùn)過程

核磁波譜儀在材料的分子結(jié)構(gòu)解析具有很大優(yōu)勢(shì)，參加液體培訓(xùn)報(bào)名人員比較多，核磁每年的培訓(xùn)人員超60 人次，如何保證高效率和高質(zhì)量的培訓(xùn)是儀器開放前提和關(guān)鍵點(diǎn)［11］。目前，該儀器的培訓(xùn)流程共分4 個(gè)階段。

第1 階段，培訓(xùn)前篩選。主要考查學(xué)員對(duì)于液體核磁的熟悉程度，以篩選有一定基礎(chǔ)知識(shí)的學(xué)員，并了解其測(cè)試內(nèi)容及測(cè)試需求量等。

第2 階段，理論講解和上機(jī)操作培訓(xùn)。培訓(xùn)以PPT的形式介紹核磁原理、磁體構(gòu)造、制樣方法、實(shí)驗(yàn)參數(shù)的選擇等理論知識(shí)；①分批次演示儀器上機(jī)操作步驟，以及上機(jī)操作注意事項(xiàng)；②學(xué)生可以自帶樣品進(jìn)行分組討論學(xué)習(xí)，一般3 人／組，整理完善操作筆記，為上機(jī)操作打好基礎(chǔ)；單獨(dú)上機(jī)操作，一般每人1 h，獨(dú)立測(cè)試，發(fā)現(xiàn)問題第一時(shí)間與培訓(xùn)老師溝通；③培訓(xùn)后考核，包括理論知識(shí)考核和上機(jī)操作考核（測(cè)試H譜）兩部分。

第3 階段，培訓(xùn)實(shí)習(xí)要求。學(xué)員自制樣品，根據(jù)需要進(jìn)行相關(guān)測(cè)試，一般實(shí)習(xí)期內(nèi)應(yīng)滿足不少于3 次、總機(jī)時(shí)不少于3h的要求。

第4 階段，發(fā)放操作證，開通門禁。在各個(gè)步驟都滿足要求、經(jīng)培訓(xùn)老師認(rèn)定合格的學(xué)員取得操作證，可以獨(dú)立上機(jī)使用儀器。

4.2 全面詳實(shí)的培訓(xùn)內(nèi)容

基礎(chǔ)培訓(xùn)內(nèi)容包括5 個(gè)部分：

第1 部分培訓(xùn)內(nèi)容。是實(shí)驗(yàn)室安全，進(jìn)入儀器室要穿實(shí)驗(yàn)服，穿鞋套。儀器開放過程中，培訓(xùn)學(xué)員眾多，鞋底塵土中若夾雜一些鐵屑容易被帶入核磁室，滑落在地上，很容易被磁體底部吸入，難以從磁體上取下而損壞磁體。儀器室配備一次性鞋套，進(jìn)入儀器室必須穿鞋套，既能避免對(duì)磁體造成損害，又能保持儀器室干凈清潔。另外女生不允許穿裙子，男生不允許穿短褲，必須穿長(zhǎng)褲，必須穿包住腳面的鞋子等。因?yàn)楹舜攀以诘叵率?，考慮到一旦液氮液氦大規(guī)模揮發(fā)，會(huì)導(dǎo)致室內(nèi)氧氣含量降低，儀器室配備了氧氣報(bào)警器，一旦氧氣報(bào)警器報(bào)警，必須立刻從安全通道離開實(shí)驗(yàn)室。

第2 部分培訓(xùn)內(nèi)容。進(jìn)入儀器室后，嚴(yán)禁攜帶含鐵磁性物質(zhì)靠近磁體，并在離磁體1.5 m 的距離粘貼警戒線，提醒學(xué)生測(cè)試時(shí)，不要攜帶磁性物質(zhì)。儀器室專門設(shè)有存放包、卡的桌子，用于存儲(chǔ)個(gè)人物品。

第3 部分介紹樣品制備要求。氘代試劑的選擇，以能夠溶解樣品又不與樣品發(fā)生化學(xué)作用為準(zhǔn)，樣品量的要求，如果是測(cè)試氫譜，在0.5 mL 氘代試劑中加入3 mg左右的樣品，如果是測(cè)試碳譜，樣品量要加倍，根據(jù)信號(hào)強(qiáng)弱，改變加入樣品量。核磁管的要求，選擇干凈整潔，無彎曲、破裂的核磁管進(jìn)行測(cè)試。

第4 部分是培訓(xùn)操作核磁儀器相關(guān)知識(shí)。包括量規(guī)的使用、操作規(guī)程、維護(hù)事項(xiàng)等。量規(guī)在使用過程中要輕拿輕放，調(diào)節(jié)高度的白色轉(zhuǎn)鈕如果松了，要擰緊。轉(zhuǎn)子使用過程中避免與有機(jī)溶劑接觸，以免黑白相間的標(biāo)示模糊，導(dǎo)致樣品進(jìn)入磁體后無法識(shí)別。

第5 部分是演示測(cè)試過程。如測(cè)試氫譜及碳譜，需要調(diào)取脈沖序列及標(biāo)準(zhǔn)文件等。其中操作中最為重要的一點(diǎn)是放樣品之前，必須確保有氣流吹出才可放樣，以免核磁管碎在磁體中。培訓(xùn)過程中觀察學(xué)生的操作，及時(shí)發(fā)現(xiàn)學(xué)生在測(cè)試方面的存在的問題，及時(shí)讓學(xué)生改正。在學(xué)生掌握基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，若學(xué)生對(duì)水峰壓制實(shí)驗(yàn)、雜核實(shí)驗(yàn)、二維核磁實(shí)驗(yàn)等有需求，可以選擇進(jìn)行核磁的高級(jí)培訓(xùn)。

高級(jí)培訓(xùn)內(nèi)容。包括水峰壓制實(shí)驗(yàn)，雜核實(shí)驗(yàn)，二維氫氫相關(guān)實(shí)驗(yàn)，二維氫碳相關(guān)實(shí)驗(yàn)等。培訓(xùn)前，管理員可開設(shè)儀器功能公開講座，或者聯(lián)系本校核磁專家或儀器公司應(yīng)用工程師開展核磁專題公開講座等，介紹實(shí)驗(yàn)基本參數(shù)以及相關(guān)原理，使學(xué)生對(duì)儀器測(cè)試功能的原理有深入了解。學(xué)生通過了解儀器功能、選擇實(shí)驗(yàn)方法、實(shí)驗(yàn)類型和條件，獲得所需要的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。管理員根據(jù)報(bào)名人數(shù)可以采用集中演示或分批次演示的方法，介紹實(shí)驗(yàn)操作和參數(shù)要點(diǎn)，隨后分批次練習(xí)，學(xué)生掌握測(cè)試方法后，即可擁有核磁操作相關(guān)實(shí)驗(yàn)的權(quán)限。

5 儀器的預(yù)約管理

液體核磁自投入使用至今使用需求量非常大。一直在滿負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)，在這樣高強(qiáng)度需求量的情況下，簡(jiǎn)單快捷的信息化管理是儀器開放共享的前提［12］。2015年儀器平臺(tái)建立了共享網(wǎng)站，解決了儀器網(wǎng)上預(yù)約、后臺(tái)數(shù)據(jù)管理及統(tǒng)計(jì)等問題。擁有操作證的師生可以自行通過網(wǎng)站預(yù)約所需的上機(jī)時(shí)間，從根本上解決了以前存在的電話預(yù)約或現(xiàn)場(chǎng)預(yù)約的困難。另外開通了手機(jī)端預(yù)約功能，可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)預(yù)約。預(yù)約系統(tǒng)對(duì)課題組的預(yù)約時(shí)間及頻次有詳盡的規(guī)定：即每周四8：15 開放下一周的預(yù)約時(shí)間，在預(yù)約上機(jī)前24 h 可自行取消預(yù)約。如果不能取消預(yù)約，也可在核磁管理微信群中進(jìn)行轉(zhuǎn)讓，保證了儀器的高效使用。網(wǎng)上預(yù)約管理系統(tǒng)不僅方便師生根據(jù)自己的工作時(shí)間進(jìn)行儀器預(yù)約使用，提高了工作效率，而且有利于管理員掌握儀器預(yù)約情況，根據(jù)預(yù)約情況開展儀器培訓(xùn)和儀器的維護(hù)保養(yǎng)。

網(wǎng)站預(yù)約成功以后，學(xué)生可以根據(jù)預(yù)約時(shí)間進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試結(jié)束以后，必須在“大型精密儀器設(shè)備使用記錄本”上如實(shí)登記測(cè)試機(jī)時(shí)和氘代試劑等消耗品費(fèi)用。另外，測(cè)試過程中如果發(fā)生儀器損壞等現(xiàn)象，需把實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象記錄在“大型精密儀器設(shè)備使用記錄本”上，并填寫“復(fù)旦大學(xué)高分子科學(xué)系共享儀器設(shè)備故障／事故報(bào)告表”，并立即上報(bào)儀器管理員。

6 結(jié)語

核磁分析技術(shù)具有精密、準(zhǔn)確、深入物質(zhì)內(nèi)部而不破壞被測(cè)樣品的特點(diǎn)，因此核磁共振波譜儀是平臺(tái)使用機(jī)時(shí)極高的大型儀器之一。認(rèn)真細(xì)致維護(hù)和故障及時(shí)處理等極大提高了儀器的使用效率。同時(shí)，高效的培訓(xùn)過程及精準(zhǔn)的培訓(xùn)內(nèi)容保障了核磁波譜儀在儀器共享平臺(tái)的高效運(yùn)轉(zhuǎn)。在培訓(xùn)過程中，需要與學(xué)生不斷進(jìn)行交流和溝通，及時(shí)更新和不斷豐富培訓(xùn)內(nèi)容，不斷提高自身實(shí)驗(yàn)技術(shù)水平，為高分子科學(xué)系及聚合物分子工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培養(yǎng)創(chuàng)新人才作出積極貢獻(xiàn)［13-15］。