Bruker 400 MHz核磁共振波谱仪的维护及常见故障探讨

席艳杰，李程鹏，王 磊，陶进转，席艳丽

(岭南师范学院 化学化工学院 清洁能源材料化学广东普通高校重点实验室，广东 湛江 524048)

核磁共振 (nuclear magnetic resonance，NMR )是处于磁场中、具有自旋性质的原子核受到射频辐射的激发，于分裂的能级间产生跃迁，伴随而产生的一种共振吸收现象.核磁共振波谱本质上隶属于吸收光谱的范畴，即原子核对射频辐射的吸收.该现象于1946年由哈佛大学的珀塞尔(E M Purcell)和斯坦福大学的布洛赫(F Bloch)用试验进行了证实[1]，并由此获得了1952年的诺贝尔物理学奖[2].核磁共振波谱与红外光谱、紫外光谱和质谱并称为“四大谱”[3].特别是在有机化合物的结构鉴定与表征、动态反应的监控[4]、化合物立体构象的研究、反应历程及机理的探讨[5]等方面发挥了重大作用.此外，核磁共振波谱不仅可作为定性依据，亦可进行定量分析，且具有检测速度快、检测过程中样品不被破坏的优点，被测样品的用量仅需几至100 mg[5].自1952年Varian推出了世界上第一台30 MHz NMR谱仪后，核磁共振波谱仪的发展突飞猛进，超高场强的超导NMR谱仪相继面世[6].2009年，Bruker推出了AVANCE 1000，世界上第一个 1 GHz NMR 系统在法国成功安装使用.

我校于2015年购进了Bruker AVANCE 400 MHz核磁共振波谱仪，面向校内师生免费开放.本文结合我们的使用情况，总结NMR波谱仪的日常维护以及在实际使用过程中遇到的故障及解决方法，与业内人士交流.

1 核磁共振波谱仪的维护

NMR波谱仪主要由工作站(即Topspin 软件)、超导磁体单元和机柜三大部分组成.

1.1 工作站的维护

由于处于网络中的计算机容易受到病毒等因素的影响，从而造成软件崩溃和数据丢失等问题，因而不建议将软件安装在联网的计算机上.此外，应定期对计算机进行杀毒软件升级、数据备份，避免数据丢失.如需进行数据拷贝，建议使用专用的移动硬盘，并在连接之前预先格式化，避免可能的病毒传播.

1.2 超导磁体单元的维护

1.2.1 磁体的维护

对NMR谱仪来说，超导磁体单元的维护是极为重要的.由于超导是由线圈浸泡在低冷液氦(-269 ℃)中形成，因此维持超导的极低温环境是最为重要的，需要定期观察磁体中液氦和液氮剩余量，并及时进行添加.对Ascend 400 MHz磁体来说，磁体的设计已经极大程度地减少了制冷剂的挥发损失(液氦消耗量减少13%)，约5个月添加一次液氦即可.相较之下，液氮消耗量较高，约10天添加一次.仪器后台程序会在每天固定时间对液氦、液氮剩余量进行测量并记录.因此，管理员需及时关注，并根据消耗量的异常判断管路是否有堵塞，以便及时排查和处理.

由于磁体有很强的磁场(400 MHz，9.4 T)，对铁磁性的物质有强吸引力，该吸引力会在短距离内增大至无法控制的程度[7]，而被突然吸到磁体中心，因此铁磁性物品(如手机、机械手表、钥匙等)、磁卡(如银行卡、校园卡等)，以及使用心脏起搏器或金属关节的人士禁止靠近磁体.

此外，由于样品的测试是在室温腔管中进行的，周围环境温度的改变对磁体中心频率的稳定性，磁体的稳定性均会产生影响[8]，因此需保持环境温度的稳定.

1.2.2 探头的维护

探头是核磁中较为关键，但同时也较为易损的部件.对探头的使用及维护应注意：(1) 选用洁净无破损、划痕的核磁管，以免核磁管在磁体内发生断裂，污染损坏探头.(2)核磁管型号较多，选用时需注意与探头匹配.不同场强磁体的探头无法替换使用，探头的频率范围和功能不同[9].我校使用5 mm 400 MHz PABBO宽带探头，其探头内部隔离样品和线圈的石英管内径只有5.4 mm，若样品管过粗或变形，容易卡在探头里而无法取出，甚至挤碎石英管(3)核磁管一定要插入转子中，并使用定深量筒控制好下端高度，避免核磁管过长进入探头时撞碎.此外，转子底部的O型圈长时间使用会发生老化，需及时更换.(4)长期使用的核磁管应定期更换，若使用时间过长，或在高温下干燥，管体容易磨损或变形，匀场效果变差，同时进入探头中可能会卡住甚至断裂.(5)手动进样放入样品前，需先确认空压机有无正常开启，气流是否正常，若需做变/高温试验时需将压缩空气改为高纯氮气，以免造成线圈氧化.

1.3 机柜的维护

由于机柜中包含了NMR波谱仪相关的大部分电子硬件，特别是集成电路，这些均应在合适的温度和湿度范围内工作[10]，因此需保证其处于良好的工作环境中.良好的工作环境要求无尘、恒温、防潮等[10].灰尘过多会造成电路板等接触不良或短路.温度过高不利于电子元器件的散热，可能烧坏电路板，过低可能会导致电子元件工作不正常.湿度过高容易造成器件生锈，或电路板上灰尘结块而短路，过低则容易产生静电[7,11].我校NMR波谱仪温度一般控制在23 ℃，湿度控制在30%～70%，保证了仪器在较好的状态下持续运行.此外，每三个月应拆下机柜侧面板上的防尘板，清理晾干后再装回.定期检查机柜中的风扇是否正常工作，如发现有异常，应及时维修或更换，以免散热不良引起故障.

为防止突然断电对仪器可能产生的影响，需配备UPS不间断电源，在断电几小时内保证仪器正常运行，为正常关机提供充足的时间.此外，学校同时配备了两台空调、两台抽湿机、两台空气压缩机，既保证了仪器在良好的环境下运行，又降低了辅助设备长时间运行带来的安全风险，延长附件的使用寿命[12].

1.4 90 °脉冲定期校准

在日常维护中，还需定期校准F1(观察通道)的90 °脉冲，来确认激发核磁共振现象的脉冲处于正常范围.以氢谱为例，使用氘代氯仿CDCl3为溶剂，0.1%乙基苯为标样，新建一个氢谱，经锁场lock、自动调谐atma、匀场topshim后，在命令行输入pulsecal指令，会自动优化90 °脉冲P1值并自动写入该数值.命令行输入edprosol指令，打开prosol表，找到氢核所属行，将observe和decouple通道的脉冲宽度pulsewidth均改为上述值并保存.一般来说，优化前后的90 °脉冲值不会差别很大，需通过偏差看此值是否合理，脉冲是否正常.

1.5 3D匀场与1D线型样品校准

定期使用标准样品对磁体做3D匀场与1D线型样品校准.3D匀场以 90% 水+10% 重水为标样，首先新建或打开一个氢谱试验，执行完lock、atma指令后，命令行键入topshimgui指令，勾选3D选项进行匀场，约20～30 min匀场结束后查看相应的report.正常情况下，initial B0值应比与final B0值略大.再以线型样品1%氘代氯仿为标样，氘代丙酮做溶剂，选择PROHUMP标准实验，经lock、atma后，键入命令topshimgui，选择1Dlineshapehump，进行1D匀场校准.匀场结束后输入zg指令进行采样，经efp、apk、absn命令处理后，键入命令humpcal，可得到探头的频率参数值，将该参数值与探头出厂参数值进行对比，在上浮30%的范围内均可.若超出该范围，需按上述步骤重做3D匀场、1D匀场，若仍不达标，可联系Bruker工程师处理.

2 核磁共振波谱仪的常见故障及排查方法

2.1 锁场失败

常见锁场失败的原因：(1)未使用氘代试剂或未放置样品.由于常规锁场是通过观察氘的放射信号频率来调整磁场强度，因此在测试时必须要使用氘代试剂.(2)样品管卡住，未能正常进入磁体内部.有些学生在测试前为了标记样品，会在核磁管外壁粘贴标签，但有时标签过长，超过室温腔管直径，导致核磁管卡在磁体上部，无法下沉至探头中.(3)检查核磁管外壁是否洁净.若核磁管外部脏污，可能会污染探头，或导致锁场失败.(4)确认样品是否处于液体状态.由于大部分NMR波谱仪仅支持液体样品的测试，若使用固体样品直接测试，或样品在磁场中凝固，会导致锁场失败.如氘代二甲基亚砜 (DMSO) 的凝固点为18.4 ℃，若在该温度下测试，样品会凝固，此时可考虑适当升高探头温度再进行测试.(5)氘代溶剂选择错误，该情况会使氘信号的频率产生偏差而导致锁场失败.

2.2 匀场失败

匀场的目的是为了保证磁场的均一性.造成匀场失败的原因主要从以下几方面考虑：(1)样品是否处于液体状态，若测试样品因温度过低而凝固，应适当升高探头温度.(2)溶液体积是否足够或置于正确位置.对于5 mm探头，定深量筒白色塑料基座的位置应在中线(0 mm线)以下约18～20 mm.若样品量足够，可将核磁管底部推至基座位置，若样品量较少，则应使核磁管沿中线上下液体量均等.(3)样品浓度是否过高或过低.两者均可导致匀场失败，可适当稀释或补加样品.(4)磁体本身原因导致匀场值偏差较大.如使用氘代氯仿CDCl3作为溶剂进行topshim匀场时出现报错 “too many points lost during fit”，或报错“limits exceed”时，可输入rsh指令读取最近的一次匀场文件后重新匀场尝试.(5)溶剂选择是否正确.检查匀场使用的氘代试剂是否和样品实际使用的试剂一致，或是否使用的混合溶剂.若样品使用了混合溶剂，可用相应的混合溶剂进行锁场，或使用溶剂含量较多的一种作为溶剂进行锁场.

2.3 探头温度异常

若仪器开启了探头温度控制功能，可能会出现探头温度异常现象，软件界面probe temperature显示为 no probe，该情况通常是由软件或硬件通讯异常导致.首先，可先通过重启软件或电脑进行尝试，排查是否软件通讯异常.若仍无法解决，检查是否硬件接触不良.可将磁体底部探头上的Thermo线和Heater线拔下，确认接口处是否有灰尘、杂物阻碍,是否连接处变形或弹性不够等，排查可能导致接触不良的原因.均无误后将两根线重新插回，再确认故障是否已解决.

2.4 核磁管无法弹出

若样品测试完毕后无法正常弹出，可先检查空压机和机柜上气压是否正常.若气压正常，可适当调大气压值尝试.若仍无法弹出，检查是否样品管卡在探头中，或转子卡在匀场线圈中，可拧松探头下部的固定螺丝，取下探头检查，排除故障后重新安装.

2.5 匀场不好

若出现溶剂峰或样品峰的峰形展宽，变形，峰裂分差或裂分不符合规则等，则应考虑是否由于匀场不佳导致， 可尝试以下操作：(1)重新进行二次匀场.(2)使用 “rsh” 指令读取最近的匀场文件尝试.(3)长期使用的核磁管可能会发生变形，使匀场效果变差，可尝试更换核磁管.(4)使用“topshimgui”指令进行3D匀场.(5) 样品中若含有金属或磁性杂质，亦可能会磁场的均匀性有影响，可考虑将样品进行过滤或纯化[13].

2.6 序列运行卡住

安装了自动进样器的波谱仪，序列在运行过程中，有时会出现卡住，无法弹出和运行后续样品，进样器指示灯一直处于亮黄灯的状况，此时需排查是软件还是硬件卡住.若软件卡住，关掉软件重新打开软件即可解决.若硬件卡住，可先尝试按下进样器上的emergency红色紧急按钮，等待十几秒后拉起该按钮，观察指示灯是否正常.若仍不正常，可重启电脑、自动进样器和机柜尝试.若样品仍无法弹出，可将进样模式由自动切换成手动进样，尝试将样品弹出：主界面命令栏中，手动输入ha命令，在弹出的界面中选择lock/shim(open)-sample handling-sample transporter control-lift mode，在下拉菜单中进行手/自动进样模式的切换.切换完成后，用手预先将在磁体上端入口处的进样小车支架推走，再点击图标弹出BSMS键盘，单击lift按钮，可手动将样品弹出.通过切换成手动进样，可确定机柜、电路板等控制硬件是否正常.手动按下进样器上绿色上下箭头按钮，使holder样品卡槽支架归回原位.后续可再按之前操作，将手动进样重新切换成自动进样模式，即可恢复正常.

3 结语

目前，我校的核磁共振波谱仪在教学、科研等方面均已发挥出很大作用，协助科研人员在有机化学、高分子材料、药物化学等领域发表SCI论文数篇.由于之前未配备自动进样器，仅能在工作时间内进行测试，夜间、周末及节假日均处于闲置状态，因而设备的利用率不高.现阶段安装了自动进样器，日后可通过借鉴北京大学[14]、西安交通大学[15]、华南理工大学[16]等高校成熟的NMR谱仪科学管理模式，进一步优化管理与资源配置，使测试更加高校便捷，更大程度地提高大型仪器的利用率.