Varian 400MHz超導核磁共振波譜儀的維護與使用

張丹瑩 陳會英 劉長建 孫天竹 姜 波 韓 穎 張樹彪 范圣第

（大連民族學院生命科學學院，大連116605）

1 前言

隨著脈沖傅里葉技術的應用和核磁共振波譜儀頻率的不斷提高，核磁共振（NMR）技術正在成為化學、物理、生物、醫學、材料等領域必不可少的、強有力的工具，并被逐漸普及。尤其是在有機化合物和生物大分子的結構鑒定方面，核磁共振技術具有特殊的地位。核磁共振領域最近兩次獲得的諾貝爾獎，即2002年的蛋白質NMR波譜學和2003年的NMR在醫學領域的應用，就是對NMR領域重要性的有力證明［1］。為了更好的發揮核磁共振波譜儀在各項科研工作中的作用，除了對NMR領域相關技術及知識有一定程度的理解外，還必需對譜儀各部件的性能、用途、種類等有相當完整和清晰的理解和掌握，在此基礎上，細心調節，設定實驗方案和參數，進行實驗。本文就作者5年來在管理和使用Varian 400MHz超導核磁共振波譜儀過程中的實際經驗，詳細介紹了儀器系統各個組成部件在維護和使用過程中的注意事項，與廣大同行進行探討。

2 波譜儀系統的組成

Varian 400MHz型超導核磁共振波譜儀是美國瓦里安公司（現并購到美國安捷倫公司）制造的脈沖梯度場傅里葉變換超導核磁共振波譜儀。整個系統主要由超導磁體、探頭、NMR控制柜、磁體接口箱、計算機工作站、氣路系統、不間斷供電系統（UPS）幾大部分組成，其中探頭、NMR控制柜、磁體杜瓦和計算機工作站是譜儀系統的主要核心部件，空氣壓縮機、氣體冷凍干燥機和UPS不間斷供電系統、空調等是不可缺少的輔助設備［1，2］。儀器系統組成部件如圖1所示。

圖1 NMR譜儀主要組成部分

3 波譜儀系統各個組成部件的維護

3.1 磁體杜瓦的維護

該波譜儀系統配備的磁體為牛津AS400／54型超導磁體，結構示意圖如圖2所示。磁體的磁場由安裝在磁體杜瓦液氦腔內的超導線圈產生，超導線圈在液氦溫度下（絕對溫度4K，－269℃）電阻為零，當外加電源為其輸入電流后電流永不消失，不再需要外加電源即可產生9.39特斯拉的靜態強磁場，為原子核發生共振提供最基本的條件之一。

圖2 磁體杜瓦結構示意圖

對于磁體維護來講，最重要的是液氦及液氮制冷劑的添加和液氦液氮液位與揮發量的監測。磁體杜瓦的超導線圈必須保證始終浸泡在液氦中，否則當溫度一旦升高會使超導線圈失去超導性質，產生電阻并發熱，從而導致液氦液氮瞬間大量蒸發，磁體失超。磁體失超可能會對磁體造成永久傷害，即使不造成永久傷害，重新升場也會耗費大量時間和金錢，因此任何情況下都要盡力避免此類意外的發生。儀器維護人員必須嚴格定期對液氦杜瓦里液氦液面進行監測、定期及時對液氦進行補充。磁體廠家規定液氦腔液面安全警戒線為11cm（對應液氦液位指示器讀數為10%），通常應在高于規定的安全警戒液面添加液氦，以免磁體失超。液氦的添加一般3～8個月進行一次，各個型號磁體添加的周期各異，與液氦腔容量大小有關。在液氦腔的外部緊鄰的是液氮腔，利用液氮的低溫（絕對溫度77 K，－195.8℃）對液氦進行預冷，有效防止液氦腔的液氦揮發過快。液氮腔和液氦腔之間通過真空腔進行熱隔離。液氮腔內液面的安全警戒線為8 cm，液氮的添加應定期進行，一般7～10天一次。為了防止意外情況發生，必須對液氮液位進行定期檢查。需要注意的是，添加液氦和液氮時液氦及液氮杜瓦壓力均不得超過2psig，以免對磁體造成損傷［3］；在每次添加液氮或者液氦后，必須檢查杜瓦氣體排出管路是否暢通［2］，以排除出口結冰堵塞的可能。除了液氦、液氮的及時添加外，還應每天對液氦、液氮的揮發量進行監測。揮發量是衡量杜瓦真空度和杜瓦出口是否堵塞的重要指標。磁體杜瓦指標規定液氮腔液氮揮發量不能超過200cc／h，液氦腔液氦揮發量不得超過12cc／h。如果揮發量變大并且磁體表面或者腔體出口有結霜現象，說明磁體杜瓦真空泄漏，應及時聯系廠家處理。另一方面，液氮、液氦的揮發量不能為零。如果液氦或者液氮揮發量降為零，要立即排除其杜瓦出口結冰堵塞的可能，以免杜瓦內部壓力過大導致磁體爆炸失超。一個特殊的情況是，在添加液氦的過程中，液氮腔溫度會急劇下降，液氮揮發量會降為零或者負值，當液氦添加結束后會恢復正常。需要注意的是，除了添加液氦時，其它任何情況下都不能將液氦腔管口暴露在空氣中超過30秒，以免結冰堵塞。

磁體維護另一個需要高度重視的安全問題是磁體的強磁場和工作時的射頻場［4］。磁體周圍存在一個不可見的永久磁場，鐵磁性物體離磁體太近時，磁體的吸引力會在很短的距離內由很難覺察增大到無法控制的程度，使物體以很大的速度飛向磁體，造成磁體損傷和失超，并有可能傷害它們之間的人員，因此絕對不允許在5高斯磁場范圍內放置或者移動任何鐵磁性物體。在磁體上工作使用的任何梯子和補充液氦、液氮的杜瓦都必須由非磁性材料制成。不能把小的金屬物品放在磁體附近的地面上，如果它們被吸進磁體的腔管內會導致嚴重的傷害，特別是當磁體沒有安裝探頭時。另一方面，在磁場作用下，磁卡、磁盤、相機、機械手表等物品會遭到不可逆破壞，人體內的金屬醫療器械會發生故障，儀器工作時的射頻場也會對人體內的金屬醫療器械產生影響。因此無論從儀器安全角度還是從個人人身安全角度考慮，都應該禁止非工作人員攜帶任何鐵磁性物品進入實驗室，禁止任何使用心臟起搏器、金屬關節、金屬避孕環等金屬醫療器械的人員進入磁體5高斯磁場范圍內。另一個需要注意的是，磁場不會被墻壁、地板或者天花板阻擋，會延伸到相鄰的房間。牛津AS400／／54型超導磁體的磁場分布示意圖如圖3所示。

一旦發生磁體失超，所有人員應立即撤離現場，以免磁體失超時釋放的大量惰性氣體使人員缺氧窒息導致傷亡。

3.2 NMR控制柜的維護與使用

3 OXFORD AS400／／54型超導磁體磁場分布示意圖

本儀器系統配備的NMR控制柜型號為MERCURY plus 400。控制柜容納了譜儀大部分的電子硬件，包括射頻發生系統、射頻接收系統、勻場鎖場系統、脈沖梯度場系統、控溫單元和各種功放等。NMR控制柜是整個譜儀系統的指揮中心，負責各通道射頻的發射和信號的接受處理，控制和協調譜儀系統各部件有條不紊地工作。

NMR控制柜的維護保養，首先要保證儀器有一個良好的工作環境。工作環境要求無塵、恒溫、防潮、防震、防腐蝕等［5］。灰塵會造成電路板等接觸不良或絕緣性能變差從而引起各種故障。溫度和濕度非常重要，電子元器件特別是集成電路都要求在合適的溫度和濕度范圍內工作，溫度過高不利于電子元件散熱，溫度過低會導致電子元件不正常工作，潮濕的環境易使儀器的絕緣性能變差，產生不安全的因素，并極易造成器件的生銹以致損壞，發生各種故障。因為磁體及探頭均安裝有多組線圈，因此對核磁共振波譜儀來講，防震尤為重要，這是保證儀器性能穩定、獲得高質量譜圖的關鍵因素之一，通常磁體的磁腿上均安裝有防震氣墊，當震動過大時，應啟動防震氣墊，此外，還應防止化學藥品揮發或接觸到儀器，造成儀器表面和線路板腐蝕。

在開機狀態下，應定期檢查控制柜背面各個風扇是否正常工作，如果發現有不正常工作的風扇，應及時更換，以免散熱不良引起故障。應定期對控制柜進行除塵，定期拆下控制柜面板上的防塵板進行清理。一年進行一到兩次的徹底除塵工作，即停機、拆開控制柜，清理掉控制柜內部包括電源、電路板等各個部件的灰塵，以免因灰塵引發各種電路或信號故障，有效節省維修成本和維修時間，這項工作應由專業的工程師完成。為延長NMR控制柜的使用壽命，不允許對其頻繁進行開關機，以免各個部件在重新給電過程中出現故障，通常情況下，NMR譜儀一年允許開關機兩次左右，開關機過程中一定要采用正確的開關機程序。

3.3 探頭的維護與使用

探頭是整個儀器系統的核心部件。本儀器系統配備有5mm 400MHZ1H／19F／13C／31P四核探頭和5mm ID－400反相探頭。探頭安裝于磁體中心的室溫腔，探頭的中心為樣品管支架，樣品管一般位于探頭線圈的中心位置。探頭線圈通常包括發射線圈、接收線圈、鎖場發射和接收線圈等，樣品在探頭中的升降通過控制升降氣流大小實現。旋轉樣品可以使磁場更加均勻，在固定樣品管的渦輪轉子的切向加一氣流，可以使渦輪轉子轉動從而使樣品管旋轉。測試液體樣品時，轉速通常為20周／秒。另有一套氣體管路系統，用于變溫實驗時溫度的控制。

在實驗過程中，首先應注意使用合格的核磁管，以免發生核磁管斷裂、污染或損壞探頭。核磁管不能過短，否則無法使樣品位于探頭接收線圈中心。樣品管中的樣品也不能低于3.5cm，否則不利于勻場。在樣品升降時，一定要首先確保空壓機處于工作狀態，管路中有足夠壓力的氣流，并且轉子處于關閉狀態，以免造成核磁管碎裂。應定期檢查轉子上的O圈，發現老化時及時更換。進行變溫實驗時，首先檢查是否接上符合實驗標準的氣體，通常變溫實驗要求使用高純氮，當溫度控制在0～100℃溫度區間時，可以使用干燥的空氣，但任何情況下只能使用一種氣體，當空氣和氮氣混合使用時，會在強的核磁共振峰附近產生高而窄的干擾峰。切忌在溫度超過100℃以上時使用空氣，以免造成探頭線圈氧化，切忌在0℃以下使用空氣，以免造成氣路結冰。當溫度低于－40℃時，除了變溫實驗氣路外，在樣品的升降、去耦等氣路中均應使用高純氮，以免氣路和探頭結冰。變溫實驗過程中，控制變溫步長不要過大，一般10℃左右為宜，以防止升溫速度過快對探頭造成損傷。實驗前首先應針對樣品對探頭進行調諧，避免向未連接導線或者調諧不好的探頭中傳輸射頻能量，對探頭造成損傷。1H／19F13C／31P四核探頭雖然具有自動切換頻率和自動調諧的功能，但要獲得高質量的譜圖最好手動調諧，尤其是進行二維實驗時。因四核探頭兩個通道各自分別同時對兩個核進行調諧，而且一個通道的兩個核之間相互影響，四核探頭調諧時一定要預先掌握相關原理和技巧，如果不預先熟知相關原理，很容易導致調偏而找不到信號，使實驗無法進行。實驗過程中要避免使用長而強的射頻脈沖，以免對探頭造成損傷。涉及去耦的實驗應注意采用的去耦模式和儀器允許的最大去耦功率，去耦功率不能超過儀器最大允許值，以免對儀器造成損傷。探頭參數需要定期更新，一般兩個月左右更新一次旋轉勻場分量、氘梯度勻場場圖、90度脈沖、pp值等參數。尤其是在進行DEPT或二維實驗時，一定要對pw、pp等參數進行校正，否則很難獲得高質量的譜圖。定期對探頭進行清洗，每年至少進行一次，探頭清洗應由資深工程師完成。

3.4 氣路系統的維護

氣路系統主要包括空氣壓縮機和氣體冷凍干燥機兩部分。儀器系統使用的空氣壓縮機型號為上海巨霸UF－2090，冷凍干燥機型號為南京賽格NS－0.5。氣路系統主要用于樣品管的升降和磁體防震氣墊的啟動，也可用于0～100℃的變溫實驗。空氣壓縮機應做到每天泄水一次，以防止水對儲氣罐的腐蝕。定期對進氣濾清器進行清洗，一般一個月一次。注意檢查履帶是否老化，如果老化要及時更換。冷凍干燥機用于對空壓機產生的壓縮空氣進行過濾除去其中的水分和灰塵，使用過程中應注意冷媒壓力表示數是否在正常值范圍，如果工作時冷媒壓力表示數為0，則說明制冷劑泄漏，需要立即查找漏點進行維修。應注意排水閥是否正常排水。另外，應定期對冷凍干燥機冷凝器散熱面和排水閥進行清理，一般每月應進行一次。

3.5 計算機工作站的維護與使用

計算機工作站是進行數據轉換、儲存、處理及對NMR控制柜實現遠程控制的操作臺。該波譜儀系統的計算機工作站使用solaris操作系統（vnmr 6.1C版本），可以有效防止病毒的感染。管理人員應掌握Solaris操作系統和vnmr 6.1C版本軟件的安裝步驟，當工作站系統出現故障時，應對操作系統和操作軟件進行重裝。計算機工作站一般不需要關機，工作站工作時要保證良好的工作環境，散熱要良好，否則容易造成硬盤損壞。應定期對NMR原始數據進行清理，以釋放出足夠的硬盤空間，保證計算機工作站運行速度。

3.6 UPS電源維護

該波譜儀系統采用的不間斷供電電源（UPS）為山特C3KS長效機型，負荷標準為3kVA。可以實現市電模式和電池模式0ms的切換，保證意外斷電時處于工作狀態的波譜儀不受影響。UPS工作環境溫度應在0～40℃之間，應保證周圍通風良好，遠離水、可燃氣體和腐蝕劑等。UPS電池使用壽命一般為3到5年，發現電池狀況不佳時，聯系廠家提早更換。

4 結束語

NMR波譜儀作為一種非常重要的昂貴的大型科研設備，在許多研究領域及許多交叉學科領域具有非常重要的地位，發揮著不可或缺的作用。NMR原理和儀器設備涉及量子力學、電學、磁學、低溫物理、化學等相關領域的知識，作為管理使用人員應該掌握相關原理和儀器系統所有零部件及輔助設備的保養維護知識。在維護和使用過程中，做到精心、細心、科學、周到，為其正常、高效運轉提供保障，使其在各項科研工作中發揮越來越多的作用。

［1］Stefan B，Siegmar B，陶家洵，李勇，楊海軍 .核磁共振實驗200例 .北京：化學工業出版社，2008：1－5.

［2］呂梅香，汪朝陽，蔣臘生 .實驗室科學，2009，4（2）：161－163.

［3］黃茂開 .分析儀器，1984，（1）：84－46.

［4］劉正琦 .中國實用醫藥，2007，35（2）：155.

［5］龐田富，伍志勇 .Intelligence，2010，4（1）：44