Varian MercuryPlus400型核磁共振波谱仪1H／19F／13C／31P四核探头的调谐

张静文 陈会英 权春善 刘长建 孙天竹 姜 波 张树彪 胡文忠

（大连民族学院 生命科学学院，大连116605）

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］。使用高场超导核磁共振波谱仪分析样品时，要得到较好的信噪比且使某些高级实验得到所有有意义的结果，就必须将探头准确调谐到特定待测样品的观测频率上，这是为了获得高质量谱图的第一步。准确的调谐还可减少能量的反射，保护功放和探头，并获得最佳的灵敏度和最小的90度脉冲宽度。核磁探头的调谐电路通常由两个调节旋钮影响的电容构成，这两个调节旋钮分别为调谐（tune）旋钮和匹配（match）旋钮，其中一个是用于调节电路达到预想的共振频率（tune），另一个完成必要的网络阻抗匹配任务（match）。这两个电容之间相互影响，必须轮流调节。通常情况下，对于四核探头来讲，高频通道不需要重新调谐，而低频通道一般只需要略作调节即可。调谐好的四核探头无需干预便能实现不同核之间的切换，操作者只需要通过计算机输入观测核的频率，即可在不同检测核的频率之间自动切换。但作者在对仪器进行校正时发现，如果长时间不重新对四核探头检查调谐，可能会导致测定的90度脉冲异常增大，利用不准确的调谐和异常的90度脉冲进行实验，会导致实验结果不理想，并很可能对探头和功放造成损伤［2］。因为四核探头特殊的构造，一点轻微的调谐改动，就有可能使其同一通道两个核之间完全失去其微妙的平衡，导致实验无法进行，所以仪器厂家工程师一般不建议对四核探头进行调谐，因此到目前为止作者没有检索到相关方面的文献资料。本文就如何对Varian1H／19F／13C／31P四核探头在MercuryPlus 400型核磁共振波谱仪上进行准确调谐进行研究探索。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

1.1.1 材料

对仪器探头进行调谐时，可以采用任意样品，考虑到本实验室大多数样品为非极性样品，因此采用CDCl3为溶剂的有机化合物样品。对仪器探头实验参数进行校正时采用的标准样品为1%13CH3I，0.2%Cr（AcAc）in CDCl3，5mm核磁管密封，样品编号为00－968120－96。

1.1.2 仪器

本实验在Varian MercuryPlus 400型核磁共振波谱仪上进行，采用探头为Varian1H／19F／13C／31P四核探头。

Varian1H／13C／19F／31P四核自谐探头，具有高频、低频两个通道，两个通道各自分别与两个核同时调谐，其中高频通道同时对1H、19F两个高频核调谐，低频通道同时对13C、31P两个低频核调谐；同一通道两个核的调谐相互影响，不同通道之间则是独立调谐。

Varian1H／13C／19F／31P四核自谐探头的调谐通过探头底部的调谐钮进行（见图1），UP字样标记通道对应高频通道，DOWN字样标记通道对应低频通道，两个通道之间相互独立，互不影响。匹配（match）功能通过底部光滑的调节钮实现，滚花旋钮则控制调谐（tune）功能，有两个位置可以进行调谐操作：调谐钮完全下拉的DOWN位和调谐钮完全上拉的UP位。

图1 Varian 1 H／13C／19F／31P四核自谐探头调谐钮示意图

1.2 实验方法

1.2.1 探头调谐方法

在Varian Mercury plus 400型谱仪上，采用vnmr6.1C版本操作软件，有两种方案可以用于探头调谐，一种是常规的反射计方法，一种是较新的qtune探头调谐软件。当系统设定为调谐模式后，从探头反射的能量传到定向耦合器并被接收电路检测，通过反射计读出或通过qtune图形软件读出。良好的调谐要求在观测频率反射的能量最少。采用反射计方法时，在tune模式反射计读数最小即为调谐准确；采用qtune探头调谐软件方法时，利用软件将反射的能量对频率作图，在计算机屏幕上跟踪显示，给出匹配和共振频率的直观信息，获得波形曲线的共振最低点即为调谐准确。

本实验对Varian1H／19F／13C／31P四核探头在MercuryPlus 400型核磁共振波谱仪上的调谐采用反射计读数方法。

1.2.2 探头校正方法

本实验对Varian1H／19F／13C／31P四核探头在MercuryPlus 400型核磁共振波谱仪上的实验参数校正采用Glide法，1H核和13C核90度脉冲预设值均设为12。

2 结果与讨论

2.1 四核探头调谐原理

对于四核探头高频和低频两个不同通道来讲，各个通道的调谐钮处于DOWN位和UP位时功能不完全相同。

对高频（红色标记）通道来讲，当调谐（tune）旋钮处于DOWN位时，调节调谐旋钮时，两个高频核（1H／19F）的共振频率同时移动，顺时针方向调节调谐旋钮导致频率增加。在UP位时，调节调谐旋钮导致频率间隔改变，顺时针调节旋钮增加频率间隔，同时也改变共振频率。高频通道进行调谐操作时，调谐钮处于DOWN位和UP位时，两个高频核的共振频率特征如图2所示。

图2 1 H／19F高频通道调谐特征

对低频通道（绿色标记）来讲，当调谐钮处于DOWN位时，主要改变低频核中频率较低的13C核的共振频率，顺时针方向调节旋钮增加13C的共振频率，当调谐钮处于UP位时，主要改变低频核中频率较高的31P核的共振频率，顺时针方向调节旋钮增加31P核的共振频率。低频通道进行调谐操作时，调谐钮处于DOWN位和UP位时，两个低频核的共振频率特征如图3所示。

图3 13C／31P低频通道调谐特征

2.2 四核探头调谐步骤

Varian1H／13C／19F／31P四核探头高频和低频两个通道调谐的步骤不完全相同，对高频通道调谐的步骤如下。

首先确定连接探头1H／19F通道的连接线已经处于调谐通道，如果采用qtune模式，确定qtune采样通道连接线处于调谐模式，从H1核的调谐开始。

调入s2pul脉冲序列，键入tn＝’H1’subtune，

确定反射计的读数计处于tune位置，并将读数计放大级数调整到适当的位置使读数计读数处于合适的读数大小范围内。

键入tune off，

键入tn＝’F19’su btune，记下读数计的读数（1），键入tune off。

键入tn＝’H1’su btune，记下读数计的读数（2），使高频通道调谐旋钮（滚花旋钮）处于DOWN位，调节滚花旋钮使反射计读数最小。键入tuneoff。

键入tn＝’F19’su btune，检查读数计读数，如果读数明显小于读数1和2，则使滚花调谐旋钮交替处于UP和DOWN位，调节滚花旋钮使读数计读数降到最低。键入tuneoff。注意这一步骤不要调节光滑的匹配（match）旋钮。

检验以上调节是否使探头达到指标，即读数计放大级数处于6位时，读数小于10。只有确定以上调节不能达到指标时，方能进行接下来的调节步骤。

键入tn＝’F19’su btune，使高频通道滚花调谐旋钮处于DOWN位，调节滚花旋钮使读数计读数减小。接着调节光滑匹配旋钮使读数计读数减小。在DOWN位轮流调节调谐旋钮和匹配旋钮，使读数计读数最小，键入tune off。

键入tn＝’H1’su btune，使高频通道滚花调谐旋钮处于UP位，调节调谐旋钮使读数计读数减小。接着调节匹配旋钮使读数计读数减小。在UP位轮流调节调谐旋钮和匹配旋钮，使读数计读数最小，键入tune off。

重复所有以上调谐的步骤，直到符合仪器指标，即读数计放大级数处于6位时，读数小于10。也可以通过qtune软件进行调谐，可以更为直观地跟踪调节调谐旋钮和匹配旋钮对频率和反射能量的影响；采样qtune软件输入qtune（gain，power）命令时，对1H核进行调谐时，在该仪器上，设定gain＝15，power＝15；对19F调谐时，设定gain＝10，power＝10。

对低频通道调谐的步骤如下。

首先确定连接探头13C／31P通道的连接线已经处于调谐通道，并将1／4波长线换成31P的1／4波长线，如果采用qtune模式，确定qtune采样通道连接线处于调谐模式，确定反射计的读数计处于tune位置，从13C核的调谐开始。

调入s2pul脉冲序列，键入tn＝’13C’su btune，调整读数计放大级数到适当位置使读数计读数处于合适的读数大小范围内。使低频通道调谐（tune）钮处于DOWN位，调节调谐钮和匹配钮使读数计读数最小，键入tune off。

键入tn＝’31P’su btune，使低频通道调谐旋钮处于UP位，调节调谐旋钮使读数计读数减小。接着调节匹配旋钮使读数计读数减小，键入tune off。

重复以上步骤，反复调节13C和31P使读数计放大级数处于6位时，读数小于10。

再重新调节13C核，键入tn＝’13C’su btune，缓慢逆时针调节匹配旋钮使读数计读数约为30～40，键入tune off。

也可以通过qtune软件进行调谐，可以更为直观地跟踪调节调谐旋钮和匹配旋钮对频率和反射能量的影响；采样qtune软件输入qtune（gain，power）命令时，对1H核进行调谐时，在该仪器上，设定gain＝15，power＝15；对19F调谐时，设定gain＝10，power＝10。对13C调谐时，设定gain＝5，power＝5。对31P调谐时，设定gain＝2，power＝2。

调谐完成后，将1H／19F通道的连接线从调谐通道换回采样通道，并键入su命令将改动输入谱仪。

2.3 探头参数校正结果

为了获得最好的探头性能，调谐是否准确必须通过测定观测核的90度脉冲来检验。本实验中对四核探头进行实验参数校正采用标准样品1%13CH3I，0.2% Cr（AcAc）in CDCl3（编号为00－968120－96）。

表1给出了对探头检查调谐前后测得的探头实验参数90度脉冲pw90值和相应的反射功率tpwr值，实验中对探头进行校正时均采用同一标准样品，调谐前后对探头进行校正时1H核或13C核pw90预设值均相同。

表1 四核探头调谐前后探头实验参数校正结果

从表1给出的探头实验参数校正结果可以看出，发射功率相同时，调谐检查前（调谐不准确），对1H核来讲，90度脉冲为12s，对13C核来讲，90度脉冲为14.4s；调谐检查后（调谐准确），对1H核来讲，90度脉冲从12s降低到11.6s，对13C核来讲，90度脉冲从14.4s降低到11.3s。该实验结果说明，探头经 准确调谐后，无论 对1H核还是对13C核来讲，其90度脉冲值均降低，说明探头性能进一步优化，从90度脉冲值降低幅度来讲，探头经准确调谐后，13C核90度脉冲降低幅度更大，说明对探头低频通道的调谐更为有效，这一实验结果也进一步说明就四核自谐探头来讲，如果长时间不进行调谐检查，无论高频通道还是低频通道都会有偏差，但是高频通道偏差不大，而低频通道则会有较大的偏差。所以通常情况下，为了获得高质量谱图，对于四核探头来讲，高频通道不需要重新调谐或者微调即可，而低频通道一般需要检查调谐，尤其是当样品溶剂极性变化较大时，例如当样品从有机溶剂变为含盐水溶液时，通常情况下，应该对探头检查调谐，以免调谐不准确对探头和功放造成损伤。

3 结论

本文 对Varian1H／19F／13C／31P四核探头在MercuryPlus 400型核磁共振波谱仪上的调谐原理和程序及实验结果进行了阐述。通常情况下，对四核探头来讲，高频通道一般不重新调谐或者略作调节即可，而低频通道一般需要检查调谐。调谐好的四核探头无需干预便能实现不同核之间的切换，操作者只需要通过计算机输入观测核的频率，即可在不同检测核的频率之间自动切换。但是为了获得高质量的谱图或者做一些高级谱实验、长时间没有对四核探头进行调谐检查、或者当溶剂极性变化比较大等情况下，需要重新对四核探头检查调谐；检查调谐时，由于四核探头特殊的构造，一定要熟知调谐的原理和程序，以免发生调偏了核频率无法进行实验的情况；因为一点轻微的调谐改动，就有可能使同一通道两个核之间完全失去其微妙的平衡，导致实验无法进行。为了获得最好的探头性能，调谐是否准确必须通过测定观测核的90度脉冲来检验，不增加发射功率的情况下观测核的90度脉冲值降低说明调谐更准确。

［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］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.分析仪器，2014，（4）：99－103.