王 聰， 宋 妮， 任素梅，呂志華，張秀麗

( 中國海洋大學(xué) 醫(yī)藥學(xué)院，教育部國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 山東 青島 266003)

Agilent DD2-500 MHz型核磁共振波譜儀的維護(hù)與校準(zhǔn)

王 聰， 宋 妮， 任素梅，呂志華，張秀麗

( 中國海洋大學(xué) 醫(yī)藥學(xué)院，教育部國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 山東 青島 266003)

探討了Agilent DD2-500 MHz型核磁共振波譜儀維護(hù)與校準(zhǔn)的方法. 核磁共振波譜儀良好的工作狀態(tài)是測試出高質(zhì)量譜圖的前提條件，從探頭調(diào)諧、磁場均勻度維護(hù)、90°脈沖寬度校準(zhǔn)3個(gè)方面，詳細(xì)介紹了Agilent DD2-500 MHz型核磁共振波譜儀的維護(hù)與校準(zhǔn)的具體操作方法，使儀器參數(shù)指標(biāo)達(dá)到最佳靈敏度及分辨率，為教學(xué)和科研提供高質(zhì)量測試報(bào)告的同時(shí)有效的延長了儀器使用壽命.

核磁共振波譜儀；維護(hù)；校準(zhǔn)；調(diào)諧

核磁共振是研究物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)以及分子間相互作用的一種強(qiáng)有力的研究手段. 隨著核磁共振新技術(shù)不斷發(fā)展，儀器的不斷完善，核磁共振波譜儀已經(jīng)成為化學(xué)、物理、生物、醫(yī)學(xué)、材料等領(lǐng)域必不可少的分析工具，尤其是在鑒定有機(jī)化合物結(jié)構(gòu)及研究化學(xué)動(dòng)力學(xué)等方面[1-3]，發(fā)揮著不可替代的作用，是高?？茖W(xué)研究和高水平實(shí)驗(yàn)教學(xué)的必備條件[4-6].

核磁共振波譜儀屬大型精密貴重儀器，其良好的工作狀態(tài)是測試出高質(zhì)量譜圖的前提條件. 作為儀器管理者，不僅應(yīng)悉心維護(hù)儀器[7-13]，最大限度的減少儀器故障率，還需要定期對(duì)儀器進(jìn)行調(diào)節(jié)和校準(zhǔn)，使儀器處于最佳測試狀態(tài)，減少調(diào)諧不到位及 90°脈沖寬度不合適對(duì)儀器造成的損傷，更好地為教學(xué)科研的順利開展提供保障. 管好用好核磁共振波譜儀是一個(gè)理論、實(shí)踐、經(jīng)驗(yàn)等多層次多維度結(jié)合的過程，筆者在多年的核磁共振波譜儀使用和管理中，積累了豐富的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，與廣大同行進(jìn)行探討交流.

1 儀器與材料

1.1 儀器

核磁共振波譜儀型號(hào)Agilent DD2-500 MHz(美國安捷倫科技有限公司)，探頭為OneNMR Probe(5毫米寬帶二合一)，具有高頻、低頻兩個(gè)通道，其中高頻通道頻率范圍為1H-19F，低頻通道為31P-15N.

1.2 材料

標(biāo)準(zhǔn)樣品INDIRECT DETECTION TEST NO.1(ID#1)：含有1%碘甲烷、1%亞磷酸三甲酯及0.2%乙酰丙酮鉻的氘代氯仿溶液，樣品編號(hào)為968120-96，主要用于探頭調(diào)諧和90°脈沖寬度的校準(zhǔn).

標(biāo)準(zhǔn)樣品1H LINE SHAPE(lshp)：含有1%氯仿的氘代丙酮溶液，樣品編號(hào)為968120-89，用于磁場均勻性的調(diào)節(jié)與維護(hù).

2 核磁共振波譜儀的維護(hù)與校準(zhǔn)

2.1 探頭的調(diào)諧

使用核磁共振波譜儀分析樣品時(shí)，將探頭準(zhǔn)確調(diào)諧到特定待測樣品的觀測頻率上是獲得高質(zhì)量譜圖的第一步[14]. 不準(zhǔn)確的調(diào)諧會(huì)降低譜圖信噪比甚至無法獲得信號(hào)，當(dāng)偏差較大時(shí)，未被探頭吸收的射頻脈沖能量會(huì)反射回譜儀，對(duì)儀器的接收系統(tǒng)造成損害[8].

Agilent DD2-500 MHz核磁共振波譜儀若沒有配置自動(dòng)調(diào)諧裝置，需手動(dòng)調(diào)諧. 核磁探頭調(diào)諧電路通常由兩種調(diào)節(jié)螺桿影響的電容構(gòu)成，分別為調(diào)諧(tune)螺桿和匹配(match)螺桿. 前者用于調(diào)節(jié)電路達(dá)到預(yù)想共振頻率(tuning)，后者用于完成必要的阻抗匹配任務(wù)(matching). 當(dāng)試驗(yàn)需要高頻和低頻兩種通道時(shí)，需要對(duì)兩通道進(jìn)行調(diào)諧，二者交互影響，由于高頻通道更加靈敏，因此應(yīng)先調(diào)低頻通道再調(diào)節(jié)高頻通道.

以1H與13C調(diào)諧為例，首先調(diào)節(jié)低頻13C通道.

選擇合適的1/4波長線和濾波器，調(diào)節(jié)探頭下面綠色X-BAND螺桿至13C核，交替調(diào)節(jié)綠色X-TUNE1和X-TUNE2使X-CHANNEL窗口數(shù)字調(diào)至08，應(yīng)盡量保持X-TUNE1和X-TUNE2螺桿的調(diào)節(jié)幅度一致，有利于探頭壽命.

使用標(biāo)準(zhǔn)樣品ID#1，鎖場勻場后鍵入mtune命令，進(jìn)入調(diào)諧界面，如圖1所示. 選擇調(diào)諧通道(Tune RF Channel)為2，中心共振頻率(Center Frequency)為13C，點(diǎn)擊“Start Probe Tune”按鍵開始探頭調(diào)諧，點(diǎn)擊“AutoScale”按鍵自動(dòng)調(diào)整信號(hào)量程至合適水平，此時(shí)采樣窗口會(huì)呈現(xiàn)“V”字型曲線，點(diǎn)擊“Avertical scale”的“*2”或“/2”按鍵調(diào)整曲線縱向放大倍數(shù)，如圖2所示. 調(diào)節(jié)綠色X-MACH螺桿使曲線底部上下移動(dòng)，以最靠底部為佳. 調(diào)節(jié)綠色X-TUNE1和X-TUNE2螺桿使曲線左右移動(dòng)，以綠色中心線和曲線中間重疊為最佳. 注意兩個(gè)螺桿要反復(fù)交替調(diào)節(jié)，配合使用. 另外可以在對(duì)話框“Span”中輸入合適的數(shù)值改變譜寬，以先大后小為原則，便于精細(xì)調(diào)整. 調(diào)節(jié)完畢后點(diǎn)擊“Stop Probe Tune”按鍵，停止13C核頻率調(diào)諧.

其次進(jìn)行高頻1H頻道的調(diào)諧.

選擇調(diào)諧通道(Tune RF Channel)為1，輸入中心共振頻率(Center Frequency)為1H，點(diǎn)擊“Start Probe Tune”按鍵開始調(diào)諧. 調(diào)節(jié)探頭底部橙色H-TUNE、H-MATCH螺桿，同時(shí)觀察屏幕上曲線的移動(dòng)，使其最低點(diǎn)移至窗口底部的中間，調(diào)整好后點(diǎn)擊“Stop Probe Tune”按鍵，停止調(diào)諧. 最后點(diǎn)擊“Quit”按鍵退出調(diào)諧界面，完成探頭調(diào)諧.

圖1 探頭調(diào)諧操作界面Fig.1 Probe tuning operation interface

圖2 探頭調(diào)諧信號(hào)線Fig.2 Probe tuning signal line

2.2 磁場均勻性的維護(hù)

核磁共振波譜儀分辨率和線型的好壞主要取決于磁場均勻性. 磁場均勻性不好時(shí)，會(huì)影響信號(hào)裂分，降低譜圖質(zhì)量，因此定期的檢測與維護(hù)十分重要. 通常使用標(biāo)準(zhǔn)樣品lshp進(jìn)行氫譜線型測試，以氯仿譜線0.11%、0.55%、50%高度處線寬(line width)作為線型指標(biāo)，在樣品不旋轉(zhuǎn)條件下進(jìn)行測試，如圖3所示. 測試參數(shù)必需符合指標(biāo)：50% line width ≤ 0.8Hz，0.55% line width ≤ 7.0Hz，0.11% line width ≤ 14.0 Hz.

圖3 氫譜線型測試Fig.3 1H lineshape test

具體測試與維護(hù)方法如下.

調(diào)節(jié)磁場均勻性前需要停止旋轉(zhuǎn)，將樣品放入磁體后鎖場勻場，輸入采集次數(shù)nt=1，弛豫時(shí)間d1=30及采集時(shí)間at=12，采集氫譜，測試完成后輸入指令aph dc vsadj進(jìn)行相位調(diào)節(jié)、基線校正及譜圖高度調(diào)整，輸入指令res，系統(tǒng)將自動(dòng)計(jì)算當(dāng)前屏幕內(nèi)最高峰的50% 、0.55%及0.11% 處的line width數(shù)據(jù).

測試數(shù)據(jù)不符合參數(shù)指標(biāo)時(shí)，可通過調(diào)節(jié)勻場(Shim)電流強(qiáng)度來改善，如圖4所示，將圓形表盤鎖場(Lock)信號(hào)的強(qiáng)度作為手動(dòng)勻場效果的參考，一般越大越好. 首先調(diào)整XY軸向，用鼠標(biāo)左右鍵點(diǎn)擊X1、Y1，通過不斷改變電流強(qiáng)度來改變磁場均勻度. 如果鎖場強(qiáng)度(Lock)增加，說明均勻度有所改善，可以在同一方向繼續(xù)增加或減小到另一個(gè)新值. 如果均勻度變差則需反方向調(diào)節(jié)，反復(fù)操作直至Lock值達(dá)到最大. 同法根據(jù)需要再調(diào)整XY平面上的各組勻場值，通常只需要調(diào)整XZ、YZ，效果不好時(shí)可繼續(xù)調(diào)整XY、XZYZ，若超過3個(gè)月未調(diào)整也可以根據(jù)需要調(diào)整X3、Y3、XZ2、YZ2、ZXY、ZX2Y2. 低階對(duì)勻場影響更大更靈敏，易受高階影響，應(yīng)先勻低階再勻高階，勻過高階之后再回來勻相關(guān)的低階，比如調(diào)整過XZ或X3，要再調(diào)X. 調(diào)整過XZ2，就要再調(diào)XZ. 當(dāng)鎖場強(qiáng)度達(dá)最高值后再通過自動(dòng)梯度勻場調(diào)整Z軸向.

圖4 勻場操作界面Fig.4 Shimming operation interface

調(diào)整完畢后再次采集氫譜，查看50% 、0.55%及0.11%處的line width數(shù)據(jù)，若符合參數(shù)指標(biāo)則在“File”對(duì)話框中輸入文件名，點(diǎn)擊“Save Shim”按鍵儲(chǔ)存該勻場值，之后使用“Read shims”按鍵讀取勻場數(shù)值. 也可以輸入svs指令，根據(jù)提示輸入文件名存儲(chǔ)勻場數(shù)值. 另外在勻場過程中可利用“Save1”和“Save2”按鍵暫時(shí)儲(chǔ)存勻場數(shù)值，當(dāng)發(fā)現(xiàn)勻場失去方向使鎖場強(qiáng)度降低時(shí)，可通過“read1”和“read2”按鍵讀取暫時(shí)存儲(chǔ)的勻場數(shù)值.

2.3 90°脈沖寬度的校準(zhǔn)

探頭的90°脈沖寬度(pulse width，pw)簡稱脈寬，是指脈沖持續(xù)的時(shí)間，單位為μs，是核磁共振波譜儀的一項(xiàng)重要指標(biāo)，與射頻脈沖的功率、探頭的調(diào)諧狀況和樣品的性質(zhì)相關(guān). 90°脈沖寬度過寬，會(huì)造成激發(fā)頻帶變窄，激發(fā)強(qiáng)度不均勻，因此不能均勻激發(fā)所有的譜線，引起譜線幅度失真. 另外為了減小90°脈沖寬度而一味增加發(fā)射功率，有可能造成探頭產(chǎn)生電弧，進(jìn)而損壞探頭. 為得到準(zhǔn)確的高質(zhì)量譜圖，降低探頭損壞率，需掌握正確操作規(guī)程定期校準(zhǔn)90°脈沖寬度. 90°脈沖寬度的校準(zhǔn)是在一定發(fā)射功率下測定90°脈沖寬度對(duì)應(yīng)的時(shí)間，通常使用自動(dòng)校準(zhǔn)功能(auto calibrate)對(duì)該參數(shù)進(jìn)行校準(zhǔn)，當(dāng)自動(dòng)校準(zhǔn)出問題時(shí)可以用手動(dòng)校準(zhǔn)來檢查.

2.3.1 自動(dòng)校準(zhǔn)

90°脈沖寬度校準(zhǔn)使用標(biāo)準(zhǔn)樣品ID#1，控溫25 ℃，鎖場勻場，手動(dòng)對(duì)探頭進(jìn)行調(diào)諧使其處于最佳狀態(tài). 點(diǎn)擊菜單Tools/Standard Calibration Experiments/Calibrate Probe，進(jìn)入校準(zhǔn)界面，如圖5所示，首先選擇Calibrate H,C. Ind Det. Grad(CH3I)，其次勾選需要校準(zhǔn)的參數(shù)：H1 Observe，C13 Decouple，C13Observe，H1 Decouple，gradient G/cm/dac，C/H gradient ratio，最后點(diǎn)擊“Start Calibration”按鍵，開始自動(dòng)校準(zhǔn)探頭參數(shù)，該過程需30 min～1 h，當(dāng)界面顯示Done時(shí)說明校準(zhǔn)完成. 新校準(zhǔn)參數(shù)會(huì)立即寫入探頭中，舊參數(shù)會(huì)自動(dòng)備份至probe文件夾.

圖5 探頭參數(shù)校準(zhǔn)操作界面Fig.5 Probe parameter calibration operation interface

2.3.2 手動(dòng)校準(zhǔn)

通常使用儀器array功能手動(dòng)校準(zhǔn)90°脈沖寬度，通過逐點(diǎn)線性增加脈沖寬度，測定一系列不同脈沖寬度下對(duì)應(yīng)的圖譜，通過比對(duì)選出最優(yōu)值.

以測定1H的觀測90°脈沖寬度為例，具體操作為：使用標(biāo)準(zhǔn)樣品ID#1，先手動(dòng)對(duì)探頭進(jìn)行調(diào)諧，使探頭處于最佳狀態(tài)，再鎖場勻場，設(shè)置掃描次數(shù)nt=1，弛豫時(shí)間d1=1，采集時(shí)間at=2，之后設(shè)定發(fā)射功率tpwr=50，脈寬pw=7，采集譜圖. 此時(shí)能量非常小，從而確保目標(biāo)核可以接受一點(diǎn)點(diǎn)能量，但卻無法達(dá)到90°時(shí)的最高值，此時(shí)信號(hào)相位處于0到90°之間，一定是正的，以此來校準(zhǔn)相位. 然后選中2.2 ppm處三重峰的中間一個(gè)峰，用movetof指令將發(fā)射中心頻率移到該處，以確保共振信號(hào)最強(qiáng). 將該峰頻率定義為90°脈寬測定的發(fā)射頻率. 在指令欄中輸入array(’pw’,20,2,2)為參數(shù)pw建立一個(gè)等差數(shù)列，即從pw=2μs開始以2μs為間隔遞增，共測試20個(gè)pw值. 設(shè)置完array數(shù)列后輸入ga開始采集，每當(dāng)程序采集完一個(gè)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，就會(huì)顯示一組峰. 整個(gè)試驗(yàn)過程大約需1 min，采集完畢后輸入dssh dssl查看20個(gè)pw值下測試的試驗(yàn)結(jié)果，并告知哪組峰最高，其對(duì)應(yīng)的pw值是多少.

由上述步進(jìn)和初始值得到的是一個(gè)粗略的90°脈沖寬度，把變化范圍縮小至該脈沖寬度值附近，把步進(jìn)值改成0.2 μs，重新運(yùn)行array程序，可得到更準(zhǔn)確的90°脈沖寬度值. 如圖6所示，當(dāng)扳轉(zhuǎn)角等于90°和450°時(shí)信號(hào)最大，等于180°和360°時(shí)信號(hào)為零，信號(hào)最大值附近幅度變化速率小，不便于精確計(jì)算，而零附近幅度變化速率最大，易于精確計(jì)算出脈沖寬度，因此通常以360°脈沖寬度除以4定為90°脈沖寬度[15].

圖6 90°脈沖寬度校準(zhǔn)Fig.6 Calibration of 90° pulse width

90°脈沖寬度與發(fā)射功率緊密相關(guān)，優(yōu)化pw時(shí)如果array序列走完還沒出現(xiàn)360°信號(hào)時(shí)，需要適當(dāng)加大發(fā)射功率(transmitter powertpwr，tpwr)，可通過attval(pw，tpwr)指令來計(jì)算所有合理的發(fā)射功率和90°脈沖寬度組合，通過優(yōu)化得出最佳組合.

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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

大型儀器維護(hù)與維修(050～054)

2017-01-18;

2017-02-27.

中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)實(shí)驗(yàn)室研究基金(201651008)

王聰(1986-)，女，碩士，實(shí)驗(yàn)師，研究方向?yàn)楹舜殴舱癫ㄗV儀的管理與應(yīng)用，E-mail：wangcong0525@163.com

張秀麗，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