Varian 400MHz超导核磁共振波谱仪的维护与使用

张丹莹 陈会英 刘长建 孙天竹 姜 波 韩 颖 张树彪 范圣第

（大连民族学院生命科学学院，大连116605）

1 前言

随着脉冲傅里叶技术的应用和核磁共振波谱仪频率的不断提高，核磁共振（NMR）技术正在成为化学、物理、生物、医学、材料等领域必不可少的、强有力的工具，并被逐渐普及。尤其是在有机化合物和生物大分子的结构鉴定方面，核磁共振技术具有特殊的地位。核磁共振领域最近两次获得的诺贝尔奖，即2002年的蛋白质NMR波谱学和2003年的NMR在医学领域的应用，就是对NMR领域重要性的有力证明［1］。为了更好的发挥核磁共振波谱仪在各项科研工作中的作用，除了对NMR领域相关技术及知识有一定程度的理解外，还必需对谱仪各部件的性能、用途、种类等有相当完整和清晰的理解和掌握，在此基础上，细心调节，设定实验方案和参数，进行实验。本文就作者5年来在管理和使用Varian 400MHz超导核磁共振波谱仪过程中的实际经验，详细介绍了仪器系统各个组成部件在维护和使用过程中的注意事项，与广大同行进行探讨。

2 波谱仪系统的组成

Varian 400MHz型超导核磁共振波谱仪是美国瓦里安公司（现并购到美国安捷伦公司）制造的脉冲梯度场傅里叶变换超导核磁共振波谱仪。整个系统主要由超导磁体、探头、NMR控制柜、磁体接口箱、计算机工作站、气路系统、不间断供电系统（UPS）几大部分组成，其中探头、NMR控制柜、磁体杜瓦和计算机工作站是谱仪系统的主要核心部件，空气压缩机、气体冷冻干燥机和UPS不间断供电系统、空调等是不可缺少的辅助设备［1，2］。仪器系统组成部件如图1所示。

图1 NMR谱仪主要组成部分

3 波谱仪系统各个组成部件的维护

3.1 磁体杜瓦的维护

该波谱仪系统配备的磁体为牛津AS400／54型超导磁体，结构示意图如图2所示。磁体的磁场由安装在磁体杜瓦液氦腔内的超导线圈产生，超导线圈在液氦温度下（绝对温度4K，－269℃）电阻为零，当外加电源为其输入电流后电流永不消失，不再需要外加电源即可产生9.39特斯拉的静态强磁场，为原子核发生共振提供最基本的条件之一。

图2 磁体杜瓦结构示意图

对于磁体维护来讲，最重要的是液氦及液氮制冷剂的添加和液氦液氮液位与挥发量的监测。磁体杜瓦的超导线圈必须保证始终浸泡在液氦中，否则当温度一旦升高会使超导线圈失去超导性质，产生电阻并发热，从而导致液氦液氮瞬间大量蒸发，磁体失超。磁体失超可能会对磁体造成永久伤害，即使不造成永久伤害，重新升场也会耗费大量时间和金钱，因此任何情况下都要尽力避免此类意外的发生。仪器维护人员必须严格定期对液氦杜瓦里液氦液面进行监测、定期及时对液氦进行补充。磁体厂家规定液氦腔液面安全警戒线为11cm（对应液氦液位指示器读数为10%），通常应在高于规定的安全警戒液面添加液氦，以免磁体失超。液氦的添加一般3～8个月进行一次，各个型号磁体添加的周期各异，与液氦腔容量大小有关。在液氦腔的外部紧邻的是液氮腔，利用液氮的低温（绝对温度77 K，－195.8℃）对液氦进行预冷，有效防止液氦腔的液氦挥发过快。液氮腔和液氦腔之间通过真空腔进行热隔离。液氮腔内液面的安全警戒线为8 cm，液氮的添加应定期进行，一般7～10天一次。为了防止意外情况发生，必须对液氮液位进行定期检查。需要注意的是，添加液氦和液氮时液氦及液氮杜瓦压力均不得超过2psig，以免对磁体造成损伤［3］；在每次添加液氮或者液氦后，必须检查杜瓦气体排出管路是否畅通［2］，以排除出口结冰堵塞的可能。除了液氦、液氮的及时添加外，还应每天对液氦、液氮的挥发量进行监测。挥发量是衡量杜瓦真空度和杜瓦出口是否堵塞的重要指标。磁体杜瓦指标规定液氮腔液氮挥发量不能超过200cc／h，液氦腔液氦挥发量不得超过12cc／h。如果挥发量变大并且磁体表面或者腔体出口有结霜现象，说明磁体杜瓦真空泄漏，应及时联系厂家处理。另一方面，液氮、液氦的挥发量不能为零。如果液氦或者液氮挥发量降为零，要立即排除其杜瓦出口结冰堵塞的可能，以免杜瓦内部压力过大导致磁体爆炸失超。一个特殊的情况是，在添加液氦的过程中，液氮腔温度会急剧下降，液氮挥发量会降为零或者负值，当液氦添加结束后会恢复正常。需要注意的是，除了添加液氦时，其它任何情况下都不能将液氦腔管口暴露在空气中超过30秒，以免结冰堵塞。

磁体维护另一个需要高度重视的安全问题是磁体的强磁场和工作时的射频场［4］。磁体周围存在一个不可见的永久磁场，铁磁性物体离磁体太近时，磁体的吸引力会在很短的距离内由很难觉察增大到无法控制的程度，使物体以很大的速度飞向磁体，造成磁体损伤和失超，并有可能伤害它们之间的人员，因此绝对不允许在5高斯磁场范围内放置或者移动任何铁磁性物体。在磁体上工作使用的任何梯子和补充液氦、液氮的杜瓦都必须由非磁性材料制成。不能把小的金属物品放在磁体附近的地面上，如果它们被吸进磁体的腔管内会导致严重的伤害，特别是当磁体没有安装探头时。另一方面，在磁场作用下，磁卡、磁盘、相机、机械手表等物品会遭到不可逆破坏，人体内的金属医疗器械会发生故障，仪器工作时的射频场也会对人体内的金属医疗器械产生影响。因此无论从仪器安全角度还是从个人人身安全角度考虑，都应该禁止非工作人员携带任何铁磁性物品进入实验室，禁止任何使用心脏起搏器、金属关节、金属避孕环等金属医疗器械的人员进入磁体5高斯磁场范围内。另一个需要注意的是，磁场不会被墙壁、地板或者天花板阻挡，会延伸到相邻的房间。牛津AS400／／54型超导磁体的磁场分布示意图如图3所示。

一旦发生磁体失超，所有人员应立即撤离现场，以免磁体失超时释放的大量惰性气体使人员缺氧窒息导致伤亡。

3.2 NMR控制柜的维护与使用

3 OXFORD AS400／／54型超导磁体磁场分布示意图

本仪器系统配备的NMR控制柜型号为MERCURY plus 400。控制柜容纳了谱仪大部分的电子硬件，包括射频发生系统、射频接收系统、匀场锁场系统、脉冲梯度场系统、控温单元和各种功放等。NMR控制柜是整个谱仪系统的指挥中心，负责各通道射频的发射和信号的接受处理，控制和协调谱仪系统各部件有条不紊地工作。

NMR控制柜的维护保养，首先要保证仪器有一个良好的工作环境。工作环境要求无尘、恒温、防潮、防震、防腐蚀等［5］。灰尘会造成电路板等接触不良或绝缘性能变差从而引起各种故障。温度和湿度非常重要，电子元器件特别是集成电路都要求在合适的温度和湿度范围内工作，温度过高不利于电子元件散热，温度过低会导致电子元件不正常工作，潮湿的环境易使仪器的绝缘性能变差，产生不安全的因素，并极易造成器件的生锈以致损坏，发生各种故障。因为磁体及探头均安装有多组线圈，因此对核磁共振波谱仪来讲，防震尤为重要，这是保证仪器性能稳定、获得高质量谱图的关键因素之一，通常磁体的磁腿上均安装有防震气垫，当震动过大时，应启动防震气垫，此外，还应防止化学药品挥发或接触到仪器，造成仪器表面和线路板腐蚀。

在开机状态下，应定期检查控制柜背面各个风扇是否正常工作，如果发现有不正常工作的风扇，应及时更换，以免散热不良引起故障。应定期对控制柜进行除尘，定期拆下控制柜面板上的防尘板进行清理。一年进行一到两次的彻底除尘工作，即停机、拆开控制柜，清理掉控制柜内部包括电源、电路板等各个部件的灰尘，以免因灰尘引发各种电路或信号故障，有效节省维修成本和维修时间，这项工作应由专业的工程师完成。为延长NMR控制柜的使用寿命，不允许对其频繁进行开关机，以免各个部件在重新给电过程中出现故障，通常情况下，NMR谱仪一年允许开关机两次左右，开关机过程中一定要采用正确的开关机程序。

3.3 探头的维护与使用

探头是整个仪器系统的核心部件。本仪器系统配备有5mm 400MHZ1H／19F／13C／31P四核探头和5mm ID－400反相探头。探头安装于磁体中心的室温腔，探头的中心为样品管支架，样品管一般位于探头线圈的中心位置。探头线圈通常包括发射线圈、接收线圈、锁场发射和接收线圈等，样品在探头中的升降通过控制升降气流大小实现。旋转样品可以使磁场更加均匀，在固定样品管的涡轮转子的切向加一气流，可以使涡轮转子转动从而使样品管旋转。测试液体样品时，转速通常为20周／秒。另有一套气体管路系统，用于变温实验时温度的控制。

在实验过程中，首先应注意使用合格的核磁管，以免发生核磁管断裂、污染或损坏探头。核磁管不能过短，否则无法使样品位于探头接收线圈中心。样品管中的样品也不能低于3.5cm，否则不利于匀场。在样品升降时，一定要首先确保空压机处于工作状态，管路中有足够压力的气流，并且转子处于关闭状态，以免造成核磁管碎裂。应定期检查转子上的O圈，发现老化时及时更换。进行变温实验时，首先检查是否接上符合实验标准的气体，通常变温实验要求使用高纯氮，当温度控制在0～100℃温度区间时，可以使用干燥的空气，但任何情况下只能使用一种气体，当空气和氮气混合使用时，会在强的核磁共振峰附近产生高而窄的干扰峰。切忌在温度超过100℃以上时使用空气，以免造成探头线圈氧化，切忌在0℃以下使用空气，以免造成气路结冰。当温度低于－40℃时，除了变温实验气路外，在样品的升降、去耦等气路中均应使用高纯氮，以免气路和探头结冰。变温实验过程中，控制变温步长不要过大，一般10℃左右为宜，以防止升温速度过快对探头造成损伤。实验前首先应针对样品对探头进行调谐，避免向未连接导线或者调谐不好的探头中传输射频能量，对探头造成损伤。1H／19F13C／31P四核探头虽然具有自动切换频率和自动调谐的功能，但要获得高质量的谱图最好手动调谐，尤其是进行二维实验时。因四核探头两个通道各自分别同时对两个核进行调谐，而且一个通道的两个核之间相互影响，四核探头调谐时一定要预先掌握相关原理和技巧，如果不预先熟知相关原理，很容易导致调偏而找不到信号，使实验无法进行。实验过程中要避免使用长而强的射频脉冲，以免对探头造成损伤。涉及去耦的实验应注意采用的去耦模式和仪器允许的最大去耦功率，去耦功率不能超过仪器最大允许值，以免对仪器造成损伤。探头参数需要定期更新，一般两个月左右更新一次旋转匀场分量、氘梯度匀场场图、90度脉冲、pp值等参数。尤其是在进行DEPT或二维实验时，一定要对pw、pp等参数进行校正，否则很难获得高质量的谱图。定期对探头进行清洗，每年至少进行一次，探头清洗应由资深工程师完成。

3.4 气路系统的维护

气路系统主要包括空气压缩机和气体冷冻干燥机两部分。仪器系统使用的空气压缩机型号为上海巨霸UF－2090，冷冻干燥机型号为南京赛格NS－0.5。气路系统主要用于样品管的升降和磁体防震气垫的启动，也可用于0～100℃的变温实验。空气压缩机应做到每天泄水一次，以防止水对储气罐的腐蚀。定期对进气滤清器进行清洗，一般一个月一次。注意检查履带是否老化，如果老化要及时更换。冷冻干燥机用于对空压机产生的压缩空气进行过滤除去其中的水分和灰尘，使用过程中应注意冷媒压力表示数是否在正常值范围，如果工作时冷媒压力表示数为0，则说明制冷剂泄漏，需要立即查找漏点进行维修。应注意排水阀是否正常排水。另外，应定期对冷冻干燥机冷凝器散热面和排水阀进行清理，一般每月应进行一次。

3.5 计算机工作站的维护与使用

计算机工作站是进行数据转换、储存、处理及对NMR控制柜实现远程控制的操作台。该波谱仪系统的计算机工作站使用solaris操作系统（vnmr 6.1C版本），可以有效防止病毒的感染。管理人员应掌握Solaris操作系统和vnmr 6.1C版本软件的安装步骤，当工作站系统出现故障时，应对操作系统和操作软件进行重装。计算机工作站一般不需要关机，工作站工作时要保证良好的工作环境，散热要良好，否则容易造成硬盘损坏。应定期对NMR原始数据进行清理，以释放出足够的硬盘空间，保证计算机工作站运行速度。

3.6 UPS电源维护

该波谱仪系统采用的不间断供电电源（UPS）为山特C3KS长效机型，负荷标准为3kVA。可以实现市电模式和电池模式0ms的切换，保证意外断电时处于工作状态的波谱仪不受影响。UPS工作环境温度应在0～40℃之间，应保证周围通风良好，远离水、可燃气体和腐蚀剂等。UPS电池使用寿命一般为3到5年，发现电池状况不佳时，联系厂家提早更换。

4 结束语

NMR波谱仪作为一种非常重要的昂贵的大型科研设备，在许多研究领域及许多交叉学科领域具有非常重要的地位，发挥着不可或缺的作用。NMR原理和仪器设备涉及量子力学、电学、磁学、低温物理、化学等相关领域的知识，作为管理使用人员应该掌握相关原理和仪器系统所有零部件及辅助设备的保养维护知识。在维护和使用过程中，做到精心、细心、科学、周到，为其正常、高效运转提供保障，使其在各项科研工作中发挥越来越多的作用。

［1］Stefan B，Siegmar B，陶家洵，李勇，杨海军 .核磁共振实验200例 .北京：化学工业出版社，2008：1－5.

［2］吕梅香，汪朝阳，蒋腊生 .实验室科学，2009，4（2）：161－163.

［3］黄茂开 .分析仪器，1984，（1）：84－46.

［4］刘正琦 .中国实用医药，2007，35（2）：155.

［5］庞田富，伍志勇 .Intelligence，2010，4（1）：44