Agilent DD2-500 MHz型核磁共振波谱仪的维护与校准

王 聪， 宋 妮， 任素梅，吕志华，张秀丽

( 中国海洋大学 医药学院，教育部国家重点实验室， 山东 青岛 266003)

Agilent DD2-500 MHz型核磁共振波谱仪的维护与校准

王 聪， 宋 妮， 任素梅，吕志华，张秀丽

( 中国海洋大学 医药学院，教育部国家重点实验室， 山东 青岛 266003)

探讨了Agilent DD2-500 MHz型核磁共振波谱仪维护与校准的方法. 核磁共振波谱仪良好的工作状态是测试出高质量谱图的前提条件，从探头调谐、磁场均匀度维护、90°脉冲宽度校准3个方面，详细介绍了Agilent DD2-500 MHz型核磁共振波谱仪的维护与校准的具体操作方法，使仪器参数指标达到最佳灵敏度及分辨率，为教学和科研提供高质量测试报告的同时有效的延长了仪器使用寿命.

核磁共振波谱仪；维护；校准；调谐

核磁共振是研究物质微观结构以及分子间相互作用的一种强有力的研究手段. 随着核磁共振新技术不断发展，仪器的不断完善，核磁共振波谱仪已经成为化学、物理、生物、医学、材料等领域必不可少的分析工具，尤其是在鉴定有机化合物结构及研究化学动力学等方面[1-3]，发挥着不可替代的作用，是高校科学研究和高水平实验教学的必备条件[4-6].

核磁共振波谱仪属大型精密贵重仪器，其良好的工作状态是测试出高质量谱图的前提条件. 作为仪器管理者，不仅应悉心维护仪器[7-13]，最大限度的减少仪器故障率，还需要定期对仪器进行调节和校准，使仪器处于最佳测试状态，减少调谐不到位及 90°脉冲宽度不合适对仪器造成的损伤，更好地为教学科研的顺利开展提供保障. 管好用好核磁共振波谱仪是一个理论、实践、经验等多层次多维度结合的过程，笔者在多年的核磁共振波谱仪使用和管理中，积累了丰富的实践经验，与广大同行进行探讨交流.

1 仪器与材料

1.1 仪器

核磁共振波谱仪型号Agilent DD2-500 MHz(美国安捷伦科技有限公司)，探头为OneNMR Probe(5毫米宽带二合一)，具有高频、低频两个通道，其中高频通道频率范围为1H-19F，低频通道为31P-15N.

1.2 材料

标准样品INDIRECT DETECTION TEST NO.1(ID#1)：含有1%碘甲烷、1%亚磷酸三甲酯及0.2%乙酰丙酮铬的氘代氯仿溶液，样品编号为968120-96，主要用于探头调谐和90°脉冲宽度的校准.

标准样品1H LINE SHAPE(lshp)：含有1%氯仿的氘代丙酮溶液，样品编号为968120-89，用于磁场均匀性的调节与维护.

2 核磁共振波谱仪的维护与校准

2.1 探头的调谐

使用核磁共振波谱仪分析样品时，将探头准确调谐到特定待测样品的观测频率上是获得高质量谱图的第一步[14]. 不准确的调谐会降低谱图信噪比甚至无法获得信号，当偏差较大时，未被探头吸收的射频脉冲能量会反射回谱仪，对仪器的接收系统造成损害[8].

Agilent DD2-500 MHz核磁共振波谱仪若没有配置自动调谐装置，需手动调谐. 核磁探头调谐电路通常由两种调节螺杆影响的电容构成，分别为调谐(tune)螺杆和匹配(match)螺杆. 前者用于调节电路达到预想共振频率(tuning)，后者用于完成必要的阻抗匹配任务(matching). 当试验需要高频和低频两种通道时，需要对两通道进行调谐，二者交互影响，由于高频通道更加灵敏，因此应先调低频通道再调节高频通道.

以1H与13C调谐为例，首先调节低频13C通道.

选择合适的1/4波长线和滤波器，调节探头下面绿色X-BAND螺杆至13C核，交替调节绿色X-TUNE1和X-TUNE2使X-CHANNEL窗口数字调至08，应尽量保持X-TUNE1和X-TUNE2螺杆的调节幅度一致，有利于探头寿命.

使用标准样品ID#1，锁场匀场后键入mtune命令，进入调谐界面，如图1所示. 选择调谐通道(Tune RF Channel)为2，中心共振频率(Center Frequency)为13C，点击“Start Probe Tune”按键开始探头调谐，点击“AutoScale”按键自动调整信号量程至合适水平，此时采样窗口会呈现“V”字型曲线，点击“Avertical scale”的“*2”或“/2”按键调整曲线纵向放大倍数，如图2所示. 调节绿色X-MACH螺杆使曲线底部上下移动，以最靠底部为佳. 调节绿色X-TUNE1和X-TUNE2螺杆使曲线左右移动，以绿色中心线和曲线中间重叠为最佳. 注意两个螺杆要反复交替调节，配合使用. 另外可以在对话框“Span”中输入合适的数值改变谱宽，以先大后小为原则，便于精细调整. 调节完毕后点击“Stop Probe Tune”按键，停止13C核频率调谐.

其次进行高频1H频道的调谐.

选择调谐通道(Tune RF Channel)为1，输入中心共振频率(Center Frequency)为1H，点击“Start Probe Tune”按键开始调谐. 调节探头底部橙色H-TUNE、H-MATCH螺杆，同时观察屏幕上曲线的移动，使其最低点移至窗口底部的中间，调整好后点击“Stop Probe Tune”按键，停止调谐. 最后点击“Quit”按键退出调谐界面，完成探头调谐.

图1 探头调谐操作界面Fig.1 Probe tuning operation interface

图2 探头调谐信号线Fig.2 Probe tuning signal line

2.2 磁场均匀性的维护

核磁共振波谱仪分辨率和线型的好坏主要取决于磁场均匀性. 磁场均匀性不好时，会影响信号裂分，降低谱图质量，因此定期的检测与维护十分重要. 通常使用标准样品lshp进行氢谱线型测试，以氯仿谱线0.11%、0.55%、50%高度处线宽(line width)作为线型指标，在样品不旋转条件下进行测试，如图3所示. 测试参数必需符合指标：50% line width ≤ 0.8Hz，0.55% line width ≤ 7.0Hz，0.11% line width ≤ 14.0 Hz.

图3 氢谱线型测试Fig.3 1H lineshape test

具体测试与维护方法如下.

调节磁场均匀性前需要停止旋转，将样品放入磁体后锁场匀场，输入采集次数nt=1，弛豫时间d1=30及采集时间at=12，采集氢谱，测试完成后输入指令aph dc vsadj进行相位调节、基线校正及谱图高度调整，输入指令res，系统将自动计算当前屏幕内最高峰的50% 、0.55%及0.11% 处的line width数据.

测试数据不符合参数指标时，可通过调节匀场(Shim)电流强度来改善，如图4所示，将圆形表盘锁场(Lock)信号的强度作为手动匀场效果的参考，一般越大越好. 首先调整XY轴向，用鼠标左右键点击X1、Y1，通过不断改变电流强度来改变磁场均匀度. 如果锁场强度(Lock)增加，说明均匀度有所改善，可以在同一方向继续增加或减小到另一个新值. 如果均匀度变差则需反方向调节，反复操作直至Lock值达到最大. 同法根据需要再调整XY平面上的各组匀场值，通常只需要调整XZ、YZ，效果不好时可继续调整XY、XZYZ，若超过3个月未调整也可以根据需要调整X3、Y3、XZ2、YZ2、ZXY、ZX2Y2. 低阶对匀场影响更大更灵敏，易受高阶影响，应先匀低阶再匀高阶，匀过高阶之后再回来匀相关的低阶，比如调整过XZ或X3，要再调X. 调整过XZ2，就要再调XZ. 当锁场强度达最高值后再通过自动梯度匀场调整Z轴向.

图4 匀场操作界面Fig.4 Shimming operation interface

调整完毕后再次采集氢谱，查看50% 、0.55%及0.11%处的line width数据，若符合参数指标则在“File”对话框中输入文件名，点击“Save Shim”按键储存该匀场值，之后使用“Read shims”按键读取匀场数值. 也可以输入svs指令，根据提示输入文件名存储匀场数值. 另外在匀场过程中可利用“Save1”和“Save2”按键暂时储存匀场数值，当发现匀场失去方向使锁场强度降低时，可通过“read1”和“read2”按键读取暂时存储的匀场数值.

2.3 90°脉冲宽度的校准

探头的90°脉冲宽度(pulse width，pw)简称脉宽，是指脉冲持续的时间，单位为μs，是核磁共振波谱仪的一项重要指标，与射频脉冲的功率、探头的调谐状况和样品的性质相关. 90°脉冲宽度过宽，会造成激发频带变窄，激发强度不均匀，因此不能均匀激发所有的谱线，引起谱线幅度失真. 另外为了减小90°脉冲宽度而一味增加发射功率，有可能造成探头产生电弧，进而损坏探头. 为得到准确的高质量谱图，降低探头损坏率，需掌握正确操作规程定期校准90°脉冲宽度. 90°脉冲宽度的校准是在一定发射功率下测定90°脉冲宽度对应的时间，通常使用自动校准功能(auto calibrate)对该参数进行校准，当自动校准出问题时可以用手动校准来检查.

2.3.1 自动校准

90°脉冲宽度校准使用标准样品ID#1，控温25 ℃，锁场匀场，手动对探头进行调谐使其处于最佳状态. 点击菜单Tools/Standard Calibration Experiments/Calibrate Probe，进入校准界面，如图5所示，首先选择Calibrate H,C. Ind Det. Grad(CH3I)，其次勾选需要校准的参数：H1 Observe，C13 Decouple，C13Observe，H1 Decouple，gradient G/cm/dac，C/H gradient ratio，最后点击“Start Calibration”按键，开始自动校准探头参数，该过程需30 min～1 h，当界面显示Done时说明校准完成. 新校准参数会立即写入探头中，旧参数会自动备份至probe文件夹.

图5 探头参数校准操作界面Fig.5 Probe parameter calibration operation interface

2.3.2 手动校准

通常使用仪器array功能手动校准90°脉冲宽度，通过逐点线性增加脉冲宽度，测定一系列不同脉冲宽度下对应的图谱，通过比对选出最优值.

以测定1H的观测90°脉冲宽度为例，具体操作为：使用标准样品ID#1，先手动对探头进行调谐，使探头处于最佳状态，再锁场匀场，设置扫描次数nt=1，弛豫时间d1=1，采集时间at=2，之后设定发射功率tpwr=50，脉宽pw=7，采集谱图. 此时能量非常小，从而确保目标核可以接受一点点能量，但却无法达到90°时的最高值，此时信号相位处于0到90°之间，一定是正的，以此来校准相位. 然后选中2.2 ppm处三重峰的中间一个峰，用movetof指令将发射中心频率移到该处，以确保共振信号最强. 将该峰频率定义为90°脉宽测定的发射频率. 在指令栏中输入array(’pw’,20,2,2)为参数pw建立一个等差数列，即从pw=2μs开始以2μs为间隔递增，共测试20个pw值. 设置完array数列后输入ga开始采集，每当程序采集完一个试验数据，就会显示一组峰. 整个试验过程大约需1 min，采集完毕后输入dssh dssl查看20个pw值下测试的试验结果，并告知哪组峰最高，其对应的pw值是多少.

由上述步进和初始值得到的是一个粗略的90°脉冲宽度，把变化范围缩小至该脉冲宽度值附近，把步进值改成0.2 μs，重新运行array程序，可得到更准确的90°脉冲宽度值. 如图6所示，当扳转角等于90°和450°时信号最大，等于180°和360°时信号为零，信号最大值附近幅度变化速率小，不便于精确计算，而零附近幅度变化速率最大，易于精确计算出脉冲宽度，因此通常以360°脉冲宽度除以4定为90°脉冲宽度[15].

图6 90°脉冲宽度校准Fig.6 Calibration of 90° pulse width

90°脉冲宽度与发射功率紧密相关，优化pw时如果array序列走完还没出现360°信号时，需要适当加大发射功率(transmitter powertpwr，tpwr)，可通过attval(pw，tpwr)指令来计算所有合理的发射功率和90°脉冲宽度组合，通过优化得出最佳组合.

[1] 张嫚丽，史清文，顾玉诚. 核磁共振技术及其在天然产物结构鉴定中的应用[J]. 河北医科大学学报，2006，27(4)：314-317

[2] 宁永成. 有机化合物结构鉴定与有机波谱学[M] . 第二版，北京：科学出版社，2000.

[3] 邹亚娟，代博娜. 基于NMR技术的溶菌酶在琼脂糖凝胶中的动力学研究[J]. 分析测试技术与仪器，2016，22(2)：69-73.

[4] 李中峰，王英锋，李凯. 核磁共振技术教学和实践改革探索[J]. 首都师范大学学报(自然科学版)，2011，32(4)：38-39.

[5] 毛秋平，梁向晖，钟伟强. 核磁共振仪用于教学实验的探索[J]. 广州化工，2015，43(7)：154-156.

[6] 林沛和. H NMR 在本科基础有机化学实验教学中的应用[J]. 实验室研究与探索，2015，24(6)：76-89

[7] 廖晓燕，陈子林，邱国福，等. 充分发挥高校实验技术人员的仪器维修职能[J]. 实验室研究与探索，2015，34(12)，269-276

[8] 张丹莹，陈会英，刘长建，等.Varian 400MHz超导核磁共振波谱仪的维护与使用[J]. 分析仪器，2014，(4)：99-103.

[9] 吕梅香，汪朝阳，蒋腊生，等. 液体核磁共振仪的维护与管理[J]. 实验室科学，2009，4(2)：161-163.

[10] 余磊，王璐，舒婕. 核磁共振波谱仪维护及测试常见问题探讨[J]. 现代科学仪器，2014，5：161-164.

[11] 曹永正，刘洋，张海江. 浅谈高校大型仪器设备的维修与维护[J]. 实验室科学，2012，15 (4)：190-196.

[12] 刘英，于海. 再谈易被忽视的仪器日常维护问题[J]. 计量与测试技术，2015， 42(1)：16-18.

[13] 余磊，王璐. NMR波谱仪集中优化管理模式[J]. 分析测试技术与仪器，2014,20(1)：59-61.

[14] 张静文，陈会英，权春善，等. Varian MercuryPlus 400MHz型核磁共振波谱仪1H/19F/13C/31P四核探头的调谐[J]. 分析仪器，2015，(5)：68-72.

[15] 裘晓俊. 核磁共振波谱仪检测灵敏度及其优化技术[D]. 厦门：厦门大学，2008: 42-45.

Maintenance and Calibration of Agilent DD2-500 MHz Nuclear Magnetic Resonance Spectrometer

WANG Cong, SONG Ni, REN Su-mei, LV Zhi-hua, ZHANG Xiu-li

(KeyLaboratoryofMarineDrugs,MinistryofEducation,SchoolofMedicineandPharmacy,OceanUniversityofChina,Qingdao266003,ShandongChina)

A method for the maintenance and calibration of Agilent DD2-500 MHz nuclear magnetic resonance (NMR) spectrometer is discussed. A good working condition of nuclear magnetic resonance spectrometer is the precondition to obtain a high quality spectrum. In order to make the instrument with the optimal sensitivity and resolution, the actual operation methods for the maintenance and calibration were introduced from the aspects of probe tuning, uniformity of magnetic field maintenance and 90 degree pulse width calibration. The work provides the high quality test report for teaching and scientific research, and effectively prolongs the service life of the instrument.Key words:nuclearmagneticresonancespectrometer;maintenance;calibration;tuning

大型仪器维护与维修(050～054)

2017-01-18;

2017-02-27.

中央高校基本科研业务费实验室研究基金(201651008)

王聪(1986-)，女，硕士，实验师，研究方向为核磁共振波谱仪的管理与应用，E-mail：wangcong0525@163.com

张秀丽，E-mail：xiulizhang@ouc.edu.cn，Tel：0532-82031525.

O657.3

B

1006-3757(2017)01-0050-05

10.16495/j.1006-3757.2017.01.010