JNM-ECZ400S/L1 核磁共振波譜儀的管理與維護(hù)

黃艷萍，田 文

（四川大學(xué) 化學(xué)工程學(xué)院工程實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心，成都 610064）

核磁共振波譜儀可用來鑒定有機(jī)化合物結(jié)構(gòu)、監(jiān)測反應(yīng)動(dòng)態(tài)、研究分子間相互作用方式[1-3]，是有機(jī)化學(xué)[4]、制藥工程[5]、醫(yī)學(xué)[6]、環(huán)境化學(xué)[7]等領(lǐng)域不可或缺的高端精密儀器，發(fā)揮著極其重要的作用。四川大學(xué)化學(xué)工程學(xué)院的制藥工程專業(yè)涵蓋藥物分析、天然藥物技術(shù)及工程、藥物及制藥中間體合成共工藝、新材料與新制劑研究與開發(fā)和生物制藥等方向，對(duì)核磁共振波譜儀的需求與日俱增[8-10]。2018 年前，學(xué)院的核磁測試依賴于學(xué)校分析測試中心、高分子學(xué)院和化學(xué)學(xué)院的核磁共振波譜儀，但由于這些單位測試量大，無法及時(shí)滿足測試需求，且學(xué)院部分課題組開始常駐江安校區(qū)，跨校區(qū)送樣使得測試極為不便。為了滿足學(xué)院的核磁測試需求，學(xué)院于2018 年利用“雙一流”經(jīng)費(fèi)購置了一臺(tái)400 MHz 核磁共振波譜儀（型號(hào)為JNM-ECZ400S/L1），該核磁共振波譜儀具有2 個(gè)射頻發(fā)射通道、氘核鎖場及氘核梯度自動(dòng)勻場附件和高精度變溫實(shí)驗(yàn)功能等，配制了一套64 位自動(dòng)進(jìn)樣器。2020 年7 月核磁安裝完畢，正式投入使用。核磁價(jià)格昂貴，維修維護(hù)成本高，然而日本電子生產(chǎn)的核磁在國內(nèi)的市場份額較少，目前還沒有太多可供參考的維護(hù)經(jīng)驗(yàn)。因此本文從日本電子核磁的實(shí)際使用情況，對(duì)其管理、維護(hù)以及日常故障解決方法進(jìn)行了總結(jié)，以期為同行提供可供借鑒的經(jīng)驗(yàn)。

1 核磁共振波譜儀的管理

1.1 核磁管的選擇和樣品要求

想要得到理想的核磁數(shù)據(jù)，核磁管的選擇和合適的樣品至關(guān)重要。盡可能選擇經(jīng)濟(jì)承受范圍以內(nèi)的最高質(zhì)量核磁樣品管。樣品管的直徑與核磁探頭的線圈直徑相匹配。在任何情況下，絕對(duì)不能使用比探頭線圈直徑大的樣品管。價(jià)格便宜的樣品管管壁厚度不一，這種不均勻性使得樣品在勻場過程中很難甚至不可能達(dá)到很好的狀態(tài)。同軸性、曲面、橫截面的不均勻性都限制了數(shù)據(jù)的質(zhì)量。

對(duì)液體核磁，樣品純度越高越好，至少大于95%，無鐵屑、灰塵、濾紙毛等雜質(zhì)，樣品的濃度則需要選擇一個(gè)合適的值。太稀會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)采集的時(shí)間延長，而樣品太濃則會(huì)因黏度過高導(dǎo)致信號(hào)峰增寬。在5 mm 直徑的核磁管里，體積為0.6～0.7 mL 的溶液最適宜。

1.2 安全管理

核磁室的安全隱患來源主要有磁場影響、液氮和液氦的揮發(fā)和低溫性、氘代試劑的揮發(fā)性和數(shù)據(jù)安全等[11-12]。針對(duì)這些特點(diǎn)，學(xué)院在房間貼有警告標(biāo)示，嚴(yán)禁體內(nèi)有鐵磁性物件（心臟起搏器或金屬關(guān)節(jié)等）、攜帶鐵磁性物品（手機(jī)、手表、鑰匙等）、攜帶各種磁卡（銀行卡、校園卡等）、攜帶各種鐵磁性工具（鐵錘、鉗子等）的人員靠近磁體。此外，房間內(nèi)安設(shè)有氧氣濃度監(jiān)測表，隨時(shí)查看氧氣濃度，避免產(chǎn)生窒息的風(fēng)險(xiǎn)。液氮和液氦的添加由供應(yīng)商的專業(yè)人員進(jìn)行添加，要求必須帶上防凍手套。由于房間內(nèi)無法安裝通風(fēng)櫥等設(shè)備，要求測試人員不得在房間內(nèi)進(jìn)行加樣操作，測試結(jié)束后立即將核磁管帶離實(shí)驗(yàn)室。為了保證操作電腦的安全，核磁室建立了操作電腦和數(shù)據(jù)電腦的部分文件共享，要求用戶僅能在數(shù)據(jù)電腦上進(jìn)行數(shù)據(jù)拷貝。

1.3 環(huán)境管理

核磁房間的陳列如圖1 所示。核磁房間常年保持在22 ℃，窗戶保持關(guān)閉，拉上窗簾，避免陽光直曬，新風(fēng)系統(tǒng)常年啟動(dòng)，房間內(nèi)配備2 臺(tái)除濕機(jī)。此外，核磁房間周圍不能有振動(dòng)、強(qiáng)磁場的干擾，否則必須對(duì)房間進(jìn)行防磁處理。核磁房間安裝了不間斷攝像，以便實(shí)現(xiàn)對(duì)核磁室的實(shí)時(shí)監(jiān)控和出現(xiàn)問題進(jìn)行及時(shí)溯源。

圖1 核磁房間陳列圖

1.4 測試和開放共享管理

對(duì)于核磁測試的樣品，要求選用適配探頭的5 mm 核磁管，不得選用有裂紋和變形的核磁管，嚴(yán)禁測試磁性樣品。針對(duì)學(xué)院的實(shí)際情況，采取每個(gè)課題組派遣1～2 名碩博士生進(jìn)行培訓(xùn)，經(jīng)過上機(jī)考核合格后方能上機(jī)測試的方式。核磁房間配有門禁和實(shí)時(shí)監(jiān)控。通過學(xué)院的共享設(shè)備預(yù)約平臺(tái)，用戶提前一天提出測試申請(qǐng)，通過導(dǎo)師審核、中心審核和設(shè)備管理員審核的流程，用戶即可同時(shí)獲取測試許可和測試時(shí)間段的門禁許可。

2 核磁共振波譜儀的維護(hù)

2.1 磁體維護(hù)

對(duì)于核磁共振波譜儀，最重要的部件就是超導(dǎo)磁體。超導(dǎo)線圈在磁體中是浸泡在-269 ℃的液氦中，液氦價(jià)格昂貴，為了減少液氦的消耗，因此在液氦外層灌注液氮。日本電子Delta 軟件每天會(huì)在固定時(shí)間記錄液氮和液氦的剩余量，可通過觀測剩余量來判斷是否需要添加液氮和液氦。目前，學(xué)院的JNM-ECZ400S/L1 型號(hào)400 MHz 核磁液氮一周的消耗量大約是35%左右，和供應(yīng)商簽訂購銷合同，每周定時(shí)補(bǔ)充液氮，每次加注量約為50～60 L 左右。液氦一個(gè)月的消耗量約為7%，6～7 個(gè)月左右補(bǔ)充一次液氦，按照120 L 的滿量計(jì)算，每次加注量約為60～70 L 左右。為了減少液氮和液氦的消耗，且溫度的變化還會(huì)對(duì)磁體的穩(wěn)定性產(chǎn)生影響，因此核磁房間常年需要保持在穩(wěn)定的適宜溫度下。配備一個(gè)空樣品，每次測試完成后提交空樣，不做任何測試，不僅可以及時(shí)把測試樣品替換出來，還可以減少灰塵進(jìn)入磁體，降低探頭的維護(hù)頻率。

2.2 機(jī)柜維護(hù)

機(jī)柜是電子設(shè)備，主要是需要溫濕度適宜、防塵、防潮和防斷電。目前核磁房間內(nèi)配制2 臺(tái)除濕機(jī)，保證濕度在30%～70%之間。每周定期用吸塵器除塵，保持房間的干凈。此外給機(jī)柜配制了一套UPS 不間斷電源，保證在停電狀態(tài)下可供儀器正常運(yùn)行1 h，為正常關(guān)機(jī)提供充足的時(shí)間。

2.3 定期勻場

核磁需要定期勻場，均勻穩(wěn)定的磁場才能保證足夠的分辨率。日本電子核磁勻場一般采用自動(dòng)梯度勻場。在測試賬戶下，選用標(biāo)準(zhǔn)樣品CHCl3/Acetone-d6，輸入樣品信息、溶劑等，將樣品load，打開interaction，在spin 的狀態(tài)下進(jìn)行自動(dòng)勻場。需要注意的是，system type 需要選擇為homospoil，nucleus 為2H。如果進(jìn)行過無氘代核磁實(shí)驗(yàn)，需要將參數(shù)復(fù)原，否則無法勻場。勻場范圍為30%～70%，勻場次數(shù)為4 次。自動(dòng)勻場后，觀察最后一次的勻場結(jié)果，縱軸強(qiáng)度在±0.1%，提交lineshape 實(shí)驗(yàn)，通過計(jì)算后，如果50%、0.55%和0.11%峰寬分別小于0.5、6、12 Hz，表示勻場很好。提交氫譜測試，如果磁場的X、Y軸場漂造成圖譜旋轉(zhuǎn)邊帶過大時(shí)，需要進(jìn)行手動(dòng)勻場。手動(dòng)勻場一般儀器安裝半年內(nèi)需要調(diào)整，磁體穩(wěn)定后基本不需要調(diào)整。手動(dòng)勻場仍采用CHCl3/Acetoned6標(biāo)準(zhǔn)樣品，樣品不旋轉(zhuǎn)，選擇勻場組到X，XZ，Y，YZ，用5X 倍率進(jìn)行調(diào)整，使得鎖場值達(dá)到最大。選擇勻場組X-Y-X-XZ-Y-YZ-X-Y和勻場組Y，采用同樣的方法，使得鎖場值達(dá)到最大。進(jìn)行自動(dòng)梯度勻場后，最后測氫譜看是否正常。

3 常見故障及處理方法

3.1 勻場失敗

勻場失敗是核磁測試中最常出現(xiàn)的問題。JNM-ECZ400S/L1 核磁中常見的報(bào)錯(cuò)信息一般為“ Gradient shim FATAL: shim z6,-34.94121[Hz]exceeds the lower limit,-20[Hz]!”。其中，z軸和數(shù)值不定。造成勻場失敗的原因是多方面的，首先需要排除磁體本身和軟件設(shè)置的問題。確認(rèn)勻場參數(shù)設(shè)置中的system type、nucleus 和solvent 等參數(shù)，看是否設(shè)置正確。用標(biāo)樣勻場后仍勻不過則需要先勻z1～z4，再勻z5 和z6，最后再進(jìn)行全部勻場，或者調(diào)取之前保存得較好的system shim。標(biāo)樣勻場效果好則說明磁體本身沒有問題。如果不是磁體本身和軟件的原因，則一般是樣品的原因。樣品的濃度過高或者過低、樣品的液面高度是否合適、樣品是否是澄清透明的溶液（有無凝固、沉淀物或者懸浮物等）或含有金屬或磁性雜質(zhì)等情況都會(huì)造成勻場失敗，需要測試人員進(jìn)行判斷后進(jìn)行處理。

3.2 鎖場失敗

鎖場失敗時(shí)，報(bào)錯(cuò)信息為“Falied to reach Lock State “AUTOLOCK”和“Experiment Interruption Requested by Spectrometer”。出現(xiàn)報(bào)錯(cuò)后，首先確認(rèn)樣品的氘代溶劑是否選擇正確。在interaction 中調(diào)入system shim，進(jìn)行自動(dòng)鎖場。如果仍無法自動(dòng)鎖場，則放入CHCl3/Acetone-d6標(biāo)準(zhǔn)樣品，load system shim 后進(jìn)行自動(dòng)鎖場。鎖場成功后，再重新放入待測樣品進(jìn)行勻場鎖場。值得注意的是，如果是樣品中含有磁性物質(zhì)等原因造成的無法鎖場，則不能繼續(xù)測試。此外，如果使用CDCl3溶劑，溶劑量少時(shí)也會(huì)出現(xiàn)無法鎖場的現(xiàn)象，加入溶劑或者更換溶劑可以解決鎖場問題；如使用的混合溶劑，含氘量少時(shí)也會(huì)出現(xiàn)無法鎖場，則可以通過選擇更換含氘量多的溶劑作為鎖場溶劑。

3.3 任務(wù)無法進(jìn)行

由于學(xué)院核磁所處的江安校區(qū)偶有電流不穩(wěn)的情況，在遇到突然斷電的情況時(shí)，重新開機(jī)后出現(xiàn)過“Task not completed”和“Failed to set Sample Changer Slot to *”的錯(cuò)誤報(bào)警。此時(shí)，不能進(jìn)行樣品的eject 或者load 操作，且自動(dòng)進(jìn)樣器上顯示屏顯示異常，為“0”。經(jīng)過檢查空壓機(jī)和機(jī)柜上的氣壓，確認(rèn)氣壓正常。隨后發(fā)現(xiàn)樣品卡在了機(jī)械臂中，機(jī)械臂左邊有一撥片，如圖2 所示，掰動(dòng)后即可手動(dòng)釋放樣品，需提前用手接住樣品，樣品取出后即恢復(fù)正常。若是樣品沒有卡在機(jī)械臂里，則需要拆下探頭，取出核磁管。

圖2 自動(dòng)進(jìn)樣器的機(jī)械臂

3.4 其他故障

當(dāng)軟件無法操作或者譜儀無法連接時(shí)，則需要檢查連接譜儀和操作電腦的網(wǎng)線是否斷開，打開Remote Maintenance Tool（Instrument），查看儀器狀態(tài)，如發(fā)現(xiàn)“Control service is running”，測試賬戶的狀態(tài)或重啟譜儀等操作。當(dāng)樣品不能load時(shí)，首先檢查氣壓是否正常，確認(rèn)點(diǎn)load 后樣品從磁體上方進(jìn)入磁體后是否聽到樣品到底時(shí)一聲“噠”的聲音，如果不能聽到聲音，需要把譜儀里氣壓調(diào)到0.08 MPa 再load 樣品，如果不行則需聯(lián)系日本電子工程師。如果能聽到聲音，確認(rèn)前置放大器上load 的黃燈是否亮起，如果不停和eject綠燈相互交替閃爍，則需要聯(lián)系日本電子工程師。

4 核磁管理效果與效益

學(xué)院的核磁共振波譜儀在投入使用一年多時(shí)間以來，已累計(jì)向17 個(gè)課題組提供測試服務(wù)?？茖W(xué)的管理確保了核磁的正常運(yùn)行，核磁的年度機(jī)時(shí)約為1 000 h，測試樣品數(shù)5 000 多個(gè)，支持開設(shè)了6 個(gè)本科專業(yè)實(shí)驗(yàn)，支撐發(fā)表了多篇SCI 論文，在6 個(gè)省/市/公司資助的科研項(xiàng)目中起到了不可或缺的作用。

5 結(jié)束語

目前，學(xué)院的核磁共振波譜儀的使用率并未達(dá)到飽和，與其他院校仍有一些差距。這是由多方面的原因造成的：最主要的原因是學(xué)院核磁地處的江安校區(qū)位置較為偏遠(yuǎn)，在地理位置更為方便的望江校區(qū)有多臺(tái)核磁可供選擇，很多用戶不愿前來測試；另一方面，江安校區(qū)的核磁用戶不多，沒有足夠的測試需求。在《國務(wù)院關(guān)于國家重大科研基礎(chǔ)設(shè)施和大型科研儀器向社會(huì)開放的意見》要求下，學(xué)院今后將加大面向社會(huì)開放的力度，提高儀器使用率，產(chǎn)生更多的社會(huì)效益。此外，日后通過借鑒南開大學(xué)[11]、中國海洋大學(xué)[13]、蘭州大學(xué)[14]等的管理模式，進(jìn)一步將核磁的管理科學(xué)化、便捷化。核磁的購置成本高，容易出現(xiàn)故障且維修費(fèi)用高昂，需要認(rèn)真負(fù)責(zé)細(xì)心的管理。核磁管理員應(yīng)不斷學(xué)習(xí)、總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，提高自身技能知識(shí)水平，提高核磁共振譜儀為教學(xué)、科研、社會(huì)服務(wù)的壽命。