液固核磁實驗創建模式及管理差異性探討

余 磊, 舒 婕, 王 璐, 方 魏

(蘇州大學 分析測試中心，江蘇 蘇州 215123)

·儀器設備供應與管理·

液固核磁實驗創建模式及管理差異性探討

余 磊, 舒 婕, 王 璐, 方 魏

(蘇州大學 分析測試中心，江蘇 蘇州 215123)

液體核磁與固體核磁在儀器結構配件、樣品性質、實驗創建模式以及日常管理4個方面存在差別。科研人員需要深入了解二者差別，并且能夠根據每個樣品自身性質來選擇檢測要求及校準相應參數。二者在很多方面也有相同點，例如調諧目的、變溫實驗self-tune以及譜圖處理等。總體來說，固體核磁在檢測要求及參數校準方面要比液體核磁復雜，每個樣品都要根據自身性質來校準參數及選擇檢測要求。另外，液體樣品的各向異性相互作用可以被分子的布朗運動平均掉，但在固體樣品中，這些分子運動受限，速度很慢，因此，固體核磁實驗需要將樣品整體轉動來模擬液體樣品中的分子運動，以此來消除樣品的各向異性相互作用。科研人員必須了解液體和固體核磁的這些特性，才能在日常檢測及管理中更好地為教學及科研服務。

液體核磁； 固體核磁； 實驗創建模式； 參數校準； 分子運動

0 引 言

核磁共振(Nuclear Magnetic Resonance, NMR) 現象最早于1945年由Felix Bloch和Edward Mills Purcell觀測到。核磁共振是研究各種不同核周圍中短程相互作用, 因此，NMR檢測手段可用于液體樣品、非晶質樣品以及低結晶度固體樣品結構分析，同時，它與電子衍射、X射線衍射等研究長程相互作用形成互補[1]。目前，NMR已廣泛應用于化學、物理、材料和醫學等多個學科。

核磁中心有5臺核磁共振譜儀，其中4臺液體核磁共振譜儀和1臺寬腔固體核磁共振譜儀(Solid State NMR，簡稱SSNMR)。現結合布魯克公司的AVANCE Ⅲ HD 400液體核磁(以下簡稱液體核磁)以及AVANCE Ⅲ HD 400WB寬腔固體核磁(以下簡稱固體核磁)來探討液固核磁在實驗創建模式以及日常管理上的差異性，幫助從事核磁研究人員對核磁實驗及儀器有更全面的了解，以便更好地為科研服務。

1 儀器及附件

如圖1所示，液體核磁配備60位自動進樣器SampleXpress、低溫單元以及變溫轉子。其中，SampleXpress設計緊湊，極大提高了其與各類型磁體的適配度，觸摸屏使得操作更加方便，樣品架可輕松取下，放置樣品更加方便，同時也大大提高了儀器利用率，縮短了測試周期；低溫單元可以使高純氮氣冷卻至-80 ℃，同時為了滿足變溫實驗而配備了變溫轉子。

圖1 液體核磁及配件圖2 固體核磁及配件

如圖2所示，固體核磁配備了3.2、4、7 mm 3種核磁管，對應3種尺寸探頭，同時，為了測試變溫實驗而配備了相應材料的帽子，其中，vespel:高分子聚合物；kel-F:聚三氟氯化乙烯聚合體；zirconia:ZrO2陶瓷；macor:玻璃陶瓷；BN:氮化硼材料。核磁管對應的頻率、帽子材料及其適合溫度范圍見表1。

表1 核磁管外徑、頻率、帽子材料及帽子適用溫度范圍

1.1 探頭

液體核磁共振譜儀配備有2個探頭，可自動調諧。1個是BBO 5mm探頭(Broadband Observe)，設有1H、2H和BBF(Broadband Frequency,寬頻)3個通道，可以檢測頻率從1H到15N之間的核，基本能夠滿足日常所有測試需求；另一個是DUL 5mm探頭，只有1H、2H和13C 3個通道，無法檢測其他雜核，應用范圍窄，通常只作備用。

固體核磁共振譜儀配備有3個探頭，分別是3.2 mm、4 mm以及7 mm。3.2 mm是H/F-X探頭，1H和19F共用一個通道，MATCH共用而TUNE則是分開的，同時這個探頭還配備了1H/19F頻率過濾器，可以在檢測19F的同時對1H去偶；4 mm和7 mm都是H-X探頭。這3個探頭基本上能夠滿足科研需要。

液體核磁探頭所要求承載的功率要低于固體核磁，尤其是在進行高功率去偶或其他需要高功率的實驗，因此，固體核磁對于功放及探頭的要求較高。另外，核磁中心為液體和固體探頭都配備了低溫單元，變溫實驗可以做到-80-100 ℃左右。

1.2 核磁管

液體核磁配備5 mm核磁管，5 mm為普遍使用的規格，日常檢測時，液體核磁管轉速低，因此，通用材料的核磁管及帽子就可以滿足常溫還是變溫實驗要求；固體核磁管材料為二氧化鋯陶瓷(ZrO2)，硬度高，耐磨，耐壓，但是易碎，因此，日常裝樣時要避免與硬物碰撞，不能刮擦，不能使轉子受力不均，帽子雖然材料不一樣，但使用過程中都要避免硬物(如取帽器等)刮傷帽子表面，且要在溫度范圍內使用，以免高速旋轉時帽子脫落或永久變形，輕則樣品散落污染探頭，重則劇烈震動損壞定子，對探頭造成不可挽回的損害。

2 實驗創建模式

2.1 樣品性質

當科研人員最初得到核磁樣品時，應該先嘗試使用不同的氘代試劑溶解樣品，盡量選用溶解性較好的氘代試劑，但同時要避免氘代試劑譜峰與樣品峰重疊，否則，氫的積分、碳的數目以及二維譜中H-H相關和H-C相關的信息都會受到影響。另外，在培訓及測試時發現有些學生喜歡用混合氘代試劑，混合氘代試劑不僅給譜圖解析引入更多困難，而且在前期鎖場勻場過程中也費時費力，因此，建議在單一氘代試劑確實無法滿足檢測所需樣品濃度后方可使用混合氘代試劑，且混合氘代試劑不可超過2種。

但是，當樣品不溶于任何氘代試劑，或者溶解后所需的結構信息被破壞，此時液體核磁已經不能滿足測試需求了，而只能通過固體核磁進行檢測，液體核磁所需樣品量一般較少，而固體核磁所需樣品量大約在100 mg，且裝樣結果要求緊、實、滿。另外，固體核磁樣品必須沒有磁性，因為發現有些核磁管放到探頭里面，魔角旋轉時轉速不穩，而且樣品也吹不出來，最初以為是核磁管卡在探頭里面，把探頭拆下來發現核磁管不在探頭里面，在查看磁體中心上下通道發現，轉子被吸附在這個通道的內壁，原因是因為樣品有磁性，所以魔角旋轉時轉速不穩、核磁管被磁體吸住，所幸沒有造成磁體失超，否則后果不堪設想。液體樣品如果有磁性，鎖場勻場困難以及最終譜圖分辨率和靈敏度會很差，同時由于液體樣品量少且轉速很低，故不會對儀器造成損害，而固體核磁樣品量特別大、魔角頻率甚至能達到100 kHz，所以固體磁性樣品極有可能對儀器造成損害乃至失超。因此，要求科研人員在送樣單上注明樣品是否具有磁性，盡可能地保證儀器不受損害。

科研人員要根據樣品性質選擇合適的測試手段，最終目的都是在保證儀器不受損害前提下盡可能多的到樣品結構信息，為科研順利展開提供便利條件。

2.2 實驗創建模式

日常檢測最常用的檢測核有1H、13C、19F以及31P，另外還有一些不常見檢測核，如11B、15N、17O、23Na、27Al、77Se以及195Pt等。下面以1H和13C核來比較液固核磁在參數設置方面的差異性。

2.2.1 液體核磁實驗創建

液體核磁檢測時，將樣品放入自動進樣器的對應編號中，然后，在IconNMR界面對應編號輸入樣品信息，包括樣品名、溶劑、測試項目、采樣次數及譜寬。檢測1H時選擇1H標準實驗，標準實驗中主要參數的默認設置(脈寬P1、功率PLW1、弛豫恢復時間D1等)基本能夠滿足所有1H檢測要求，日常檢測中需要修改的是采樣次數NS、譜寬SWH以及激發中心O1P，這些參數只需要根據測試要求修改，無需用標樣重新校準；檢測13C時也只需選擇13C標準實驗，需要修改的是NS、SWH以及O1P，雖然檢測13C需要對1H去偶，但是默認去偶功率值已經能夠滿足液體狀態下去偶要求。

當測試人員發現樣品無法lock和shim，或者譜圖較之前相比分辨率或靈敏度有所降低，則可能是3D shim需要重新校準。因為在儀器安裝初期，磁場還不是很穩定會有較大的漂移，故需要經常3D shim。

2.2.2 固體核磁實驗創建

固體核磁與液體核磁不同，幾乎每個固體核磁樣品在測試之前都要用標樣來校準化學位移讀出SR值以及校準主要采樣參數。盡管樣品性質決定了固體核磁技術的分辨率和靈敏度比液體核磁低，但高功率去偶(high power decoupling，HPDEC)、交叉極化(cross polarization，CP)以及魔角旋轉(magic angle spinning，簡稱為MAS)3種窄化譜線和增強靈敏度技術已經使固體核磁技術有了長足的發展。

(1)1H實驗。選擇onepulse脈沖序列，同時將采樣核設置為1H，去偶核設置為“OFF”，然后用標樣Adamantane(金剛烷)來校準化學位移并讀出SR值，同時根據探頭和功放功率限值的60%作為采樣功率PLW1，選這樣一個比例作為功率目的是保護探頭和功放，再根據這個功率來校準脈寬P1。

(2)13C實驗。最常用的是高功率去偶(HPDEC)以及交叉極化(CP)2個實驗。

HPDEC實驗 用標樣金剛烷(Adamantane)來校準化學位移并讀出SR值，通過指令POPT、GS以及PULSE等來校準P1、PLW1、PLW12以及PCPD2，需要注意，由于去偶功率較高，故采樣時間AQ需要限制在一定范圍內，最長不超過50 ms，而當AQ為50 ms時，弛豫恢復時間D1必須設為1 s或更長，同時輸入去保護參數“-Dlacq”，因為高功率會產生高溫，如果采樣時間太長而弛豫恢復時間太短，有可能會燒毀探頭。如果確有需要采樣時間超過50 ms，則去偶功率和占空比(射頻開啟時間與關閉時間的比例)必須相應的降低。

(3) CP實驗。由于13C的自然豐度為1.1%，而1H的自然豐度為99.99%，故直接測定13C信號很弱，將1H的信號強度傳遞給13C，再采集碳譜，同時對1H去偶，這樣的技術就是交叉極化，即CP。因此，CP實驗中，連接1H較多的13C，在進行CP實驗時這個13C的信號相對較強，CP實驗有兩個作用，① 增加信噪比(S/N)，② 節省采樣時間，因此，CP實驗對功放和探頭的損害比HPDEC實驗小。如果碳周圍沒有氫，CP實驗可能沒有信號，此時，可用HPDEC來檢測。根據檢測檢驗，先利用之前優化參數采集一張碳譜，對比前后兩次譜圖信號強度與峰形是否接近，如果強度降低較多，則需重新優化CP條件。優化CP條件的標樣為丙氨酸(Alanine)，通過指令POPT、GS以及PULSE等來校準CP實驗的主要參數SPW0、PLW1、PCPD2、PLW12以及P15等。在校準過程中，設置去偶功率為探頭及功放功率限值的60%以下為安全值，目的是為了保護保護探頭和功放。通常情況下，CP技術與魔角旋轉技術結合在一起使用，即CPMAS。

(4) MAS實驗。液體樣品的各向異性相互作用可以被分子的快速布朗運動平均掉，但在固體樣品中，分子運動受限，速度慢，因此，實驗中需要將樣品整體轉動來模擬液體樣品中的分子運動，而SSNMR中起主導作用的各種相互作用絕大部分都和分子的取向有關，通過計算得知，當樣品繞著與外磁場方向夾角為54.7°的軸旋轉時，起主導作用的各種相互作用可以被平均掉，而這個角度54.7°就稱為魔角。魔角調節用標樣KBr，因為KBr具有能被MAS平均掉的相互作用、較窄的線性、比實際樣品靈敏度更高、信號強、在合適的頻率段等優點。魔角調節是依據主峰半峰寬和左右第五級旋轉邊帶半峰寬來確定的，當(主峰半峰寬-第5級邊帶半峰寬)/主峰半峰寬≤10%即可，據測試經驗，主峰的一級邊帶強度越高或者是FID圖中毛刺峰超過10 μs，說明魔角調節較好。

(5) 旋轉邊帶。固體核磁樣品在進行MAS實驗時經常會出現旋轉邊帶，通常是一個主峰對應一組旋轉邊帶，并且這些旋轉邊帶之間的位移差以及邊帶與主峰之間的位移差一定是MAS轉速的整數倍。基于旋轉邊帶這一特點，當實驗中出現主峰與旋轉邊帶無法區分時，可以通過改變轉速來確定主峰，因為主峰不會隨著轉速改變而改變出峰位置。由于樣品中往往不止一個主峰，為了防止一個主峰的邊帶與另一個主峰重疊，一定要選擇一個最合適的轉速，這個轉速既要保證采樣結果，又要確保所有的邊帶不要與任何一個樣品峰重疊。測試過程中發現，主峰的邊帶越多，主峰的強度就會變的越低，這是因為旋轉邊帶會平均掉一部分信號而導致各向同性化學位移峰(主峰)強度降低。

(6) 弛豫恢復時間實驗。液體核磁的弛豫恢復時間D1的默認值已經能夠滿足所有實驗要求，無需重新檢測。而固體核磁中，不同位置13C的弛豫恢復時間可能差別很大，因此，經常要通過CP MAS實驗測定每一個13C的T1，而D1值為最大T1值的5倍時最為合理，因為此時所有的13C都能在這個時間內弛豫恢復回來。對于經常研究的體系來說，弛豫時間的測定有助于在最佳的實驗條件下測樣，對于偶爾測定一、二次的樣品，可以根據經驗快速的優化弛豫恢復時間。

(7) 采樣時間。固體核磁實驗中，采樣時間長了會造成基線太粗，信噪比差(見圖3)；采樣時間短了會造成信號出峰不完全，產生截尾現象。如果采樣時間長，測試人員需要查看FID，在噪聲大約為信號長度兩倍的位置讀出TD值，然后輸入TDEFF指令，輸入此TD值，即可得到截取后的譜圖，若要還原到原始譜圖，將TDEFF設置為0即可。

圖3 固體核磁采樣時間與譜圖

(8) 鎖場勻場。固體核磁實驗不需要鎖場，并且在魔角高轉速條件下，勻場也變得并不重要，因為一般情況下，實際樣品的譜線遠寬于標準樣品的譜線，因此，實際樣品對勻場的要求遠低于標準樣品，這與液體NMR差別很大，然而當實際樣品的譜線小于或等于標準樣品的線寬時最好進行勻場，也可以直接用實際樣品做勻場，適合勻場的標樣有金剛烷(13C)、硅橡膠(1H、13C)以及水(1H)。

(9) 變溫實驗。液體與固體核磁變溫實驗都需要self-tune來選擇最優變溫條件，以便盡快達到所需溫度，節約實驗時間。另外，測試時發現，某些樣品在高溫時容易出現熔融現象，這時應該采用onepulse來檢測，因為用CPMAS測試熔融樣品，有可能造成不出峰，更嚴重的是液體樣品高速旋轉有可能溢出核磁管污染探頭，造成不可挽回的損失。

2.2.3 調諧

無論是液體核磁還是固體核磁，測樣時都需要調諧，調諧是調節探頭線圈的共振頻率到觀察核的共振頻率，以使功率最大程度的傳輸至NMR線圈，即達到最大的射頻場和最小的反射功率(反射功率會損壞電子器件，例如：探頭及功放)(見圖4)。

圖4 調諧曲線

2.2.4 小結

液體核磁與固體核磁在實驗設置方面有很多不同，主要體現在樣品性質(剛性或柔性、碳是否連接氫等)、測試要求(轉速、溫度等)及采樣參數校準(功率、脈寬等)3個方面，當然，二者在很多方面也有相同點，例如調諧目的、變溫實驗的self-tune以及譜圖處理等。總體來說，固體核磁在檢測要求及參數校準方面要比液體核磁復雜很多，這是因為對于固體核磁而言，每個樣品都要根據自身性質來校準參數及選擇檢測要求，且固體核磁檢測往往伴隨著高轉速，因此有旋轉邊帶的樣品需要選擇最優轉速。

3 日常管理

核磁中心對液體核磁及固體核磁采用集中管理模式，即送樣、簽機時、數據網盤傳輸、加注液氮液氦、供應載氣及培訓學生等方面都是統一安排，這是為了提高核磁儀器設備利用率，促進核磁儀器全校共享[2-8]。但液體固體核磁在簽機時、供應載氣及培訓學生方面存在差別。目前，液體核磁0.5 h為1個機時，常規氫譜1個機時可以檢測6～10只，而固體核磁由于裝樣時間長、參數優化復雜及測試時間差別很大等特點，固體核磁檢測根據學生樣品特點及測試要求，靈活簽約時間，短則0.5 h，長則一天甚至更長；固體需較大氣流量來托住及高速轉動核磁管，液體核磁載氣主要是進樣和出樣功能，因此固體核磁對于載氣純凈及干燥程度要比液體核磁更高一些，基于這個原因，核磁中心配備了一套集中供氣系統，包括空壓機組、冷凝機、冷干機、吸干機以及兩個400 L儲氣罐，同時，為了變溫實驗配備了集中供應高純氮設備；培訓學生方面，液體核磁有自動進樣器，主要培訓學生上樣、輸入樣品信息及處理譜圖方法，固體核磁則需要培訓學生裝樣、手動調諧、脈沖原理、脈沖選擇及參數校準等。另外，核磁中心根據樣品測試量、儀器使用率、以及是否參與重大課題的申請等三方面建立了一套績效考核方案[9-12]，目的是為了建立和完善核磁儀器設備管理體制，優化運行機制，更好地為科研及教學服務[13-16]。

4 結 語

核磁在科研方面發揮著非常重要的作用，作為核磁儀器管理者，應該深入研究儀器測試方法，最大限度地結合液體核磁和固體核磁在樣品測試方面的優勢。但是，二者在實驗創建模式及日常管理方面有著一定的差異，尤其是在實驗創建方面，這是由檢測樣品性質和儀器特點決定的，在日常檢測時，要能夠根據樣品特點及科研人員希望得到的結構信息來決定采取哪種測試方法來分析樣品，以便更好地為科研服務。

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Discussion on Differences of Experiment Creation Mode and Management of Liquid NMR and SSNMR

YU Lei, SHU Jie, WANG Lu, FANG Wei

(Testing and Analysis Center, Soochow University, Suzhou 215123, Jiangsu, China)

There are differences in four aspects of liquid NMR and SSNMR, such as instrument structure and accessories, nature of sample, experiment creation mode and daily management. Researchers are able to select testing requirements and calibrate corresponding parameters according to properties of each sample if they understand these differences. There are also many similarities in both NMRs, for example, tuning purpose, self-tune of variable temperature experiments, spectra processing and so on. Generally, testing requirements and parameters calibration of SSNMR are much more complex than liquid NMR. Each sample of SSNMR has to choose testing requirements and calibrate corresponding parameters according to its properties. Besides, anisotropic interaction of liquid samples can be averaged by the brown motion of molecule, but molecular motion is limited and motion speed is slow in solid samples. Therefore, solid-state samples need to rotate as a whole to simulate molecular motion of liquid samples in order to eliminate the anisotropy of solid-state samples. Researchers can serve teaching and scientific research much better in testing and daily management if they master characteristics of liquid NMR and SSNMR.

liquid nuclear magnetic resonance; solid state nuclear magnetic resonance; experiment creation mode; parameter calibration; molecular motion

2016-11-10

國家自然科學基金面上項目(21571136)

余 磊(1982-)，男，江蘇連云港人，碩士，實驗師，主要從事核磁共振譜儀實驗及維護管理研究。

Tel.:13771900501；E-mail: yulei198415@163.com

G 482.0

A

1006-7167(2017)08-0279-05