液体核磁共振波谱仪维护与管理

赵 璇， 李 孟， 王小兰， 张志广， 郑晓珂， 冯卫生

(1. 河南中医药大学 药学院， 河南 郑州 450046; 2. 河南中医药大学 呼吸疾病诊疗与新药研发河南省协同创新中心, 河南 郑州 45046)

液体核磁共振波谱仪维护与管理

赵 璇1,2， 李 孟1,2， 王小兰1,2， 张志广1,2， 郑晓珂1,2， 冯卫生1,2

(1. 河南中医药大学 药学院， 河南 郑州 450046; 2. 河南中医药大学 呼吸疾病诊疗与新药研发河南省协同创新中心, 河南 郑州 45046)

液体核磁共振波谱仪得到广泛应用，在其使用方面需进一步加强规范管理和日常维护。总结了核磁共振实验室维护和管理的原则以及近4年在操作、维护、管理上遇到的问题，提出了解决方法，并对仪器进行了更深一步的探索，以求发现新的核磁共振研究模式，使其在科研和教学中发挥更广泛的作用。

核磁共振波谱仪； 规范管理； 日常维护

河南中医药大学是一所以中医药学科发展为特色，各学科协调发展的省属综合性本科高等院校。我校药学院为发展中医药现代化，于2012年安装完成并投入使用了一台BRUKER AVANCE III 500MHz全数字化傅里叶超导液体核磁共振波谱仪，对教学、科研起到了促进作用。

该核磁共振波谱仪配备高性能主动屏蔽的超导核磁系统、射频屏蔽机柜、5 mm BBO二合一正向观察宽带探头以及5 mm Dual双核探头、NMR WINDOWS XP工作站等，另外还有能以正常和反向的方式进行测验的接收通道、带有自动调谐附件和Z梯度线圈、具有高精度的变温实验功能等，操作软件采用Topspin3.0自助测试操作界面。现已有效地操作运行4年多，每年运行机时数超过8 000 h。谱仪主要用于有机化学、无机化学、药物化学、物理化学、材料化学等研究领域[1]，测定有机物、无机物、天然药物等物质的基本化学结构、空间结构、化学反应动力学研究、混合物成分鉴定等。

我校核磁共振技术主要用于药物化学、有机化学、生药学等专业的本科生、研究生以及教师的教学、科研工作，利用十分广泛。在4年多的时间里，对于核磁共振实验室的管理、样品测试、样品处理等方面总结出了实验室管理的有效经验，以及不断探索新模式提高该仪器的使用价值。

1 建立及规范仪器管理制度

我校自设备安装时就配备了专职人员跟随核磁工程师进行学习，安装完成后由专职人员主要负责核磁共振波谱仪的管理、操作以及维护。根据实验室的有关要求，建立了专职负责人制度，并严格制定并规范了该仪器的管理和维护条例。如在测试样品方面，送样人和测试人均需要做好测试登记工作，将测试时间、样品名称、所用氘代试剂以及操作人员情况等要详细登记在册，方便随时查阅。除此之外，还制定了合理的有偿使用规定，核磁室收支单独管理。

仪器的良好维护直接关系到其使用的有效率。核磁共振实验室需要保持清洁的环境、室内温度需要常年保持在20 ℃左右；室内湿度不能超过50%、主机滤网每2周需冲洗一次、仪器腔体需要维持低温状态才能保持磁场的稳定，所以每周都要向腔内充加液态氮气，每3个月要充加液态氦气等。

严格的管理和维护制度在很大的程度上保障了该仪器的正常运行，以及为教学和科研提供良好的服务。

2 半开放式实验室与学生自主操作

核磁共振实验室虽由专人负责样品测试，也逐渐开始培养学生自主测样的能力，现已实现实验室的半开放模式。对于相关专业的本科生，实验室主要组织其参观学习，结合课堂上的知识，了解核磁共振波谱仪的结构原理以及工作流程。相关专业的研究生和博士研究生除了掌握以上的知识外，还要求学习核磁操作和维护，做到自主测样。如今在专职人员有课时安排或其他要务时，均由具备操作知识技能的学生进行测样，除正常的工作时间外，部分学生也可以进行样品测试。这样既让学生有更多学习核磁测试知识的机会，又提高了仪器的利用率。如今，很多院校都实现了核磁实验室的全开放式测样[2-5]，我校实验室也结合自身样品接收情况，不断学习与完善。

3 实验操作中常见问题及解决方法

自从仪器开始运行至今，遇到过很多问题，有些是由于操作不当，有些则是样品问题。对于这些问题，应多与工程师进行沟通，加深对核磁机器本身的理解。一般的核磁共振实验操作包括锁场(lock)、调谐(atma)、匀场(topshim)、读取设备参数(getprosol)、去除增益(rga)、测试(zg)以及图谱处理。其中锁场和匀场经常出现报错，测试结果也经常由于处理不当而导致解谱困难，在此将部分常见问题及应对方法进行了总结。

3.1 锁场报错

当遇到无法锁场的情况时，系统通常出现报错，其多数是因为操作不当引起的。氘代试剂选择错误、核磁管外壁有污渍、样品管与转子不符合量规等都会出现报错栏弹出。

(1) 氘代试剂的选择。应先检查锁场溶剂是否选择正确，需选择溶解样品所用的氘代试剂来锁场。若为混合溶剂，则选择含量较多的溶剂进行锁场。例如在进行重氢交换法确认活泼氢时，0.5 mL的氘代DMSO-d6中需加入0.05 mL的氘代水以去除1H-NMR图谱中的活泼氢信号，此时就应利用含量较多的DMSO-d6进行锁场。溶剂为DMSO-d6的样品由于凝固点为18.4 ℃，容易凝固为固体。若核磁管中溶剂凝固，则无法锁场。因此这类样品放入机器之前需保证为液体状态，测试时注意控温，在温度稳定达到所定标准之后再放入核磁管。

(2) 检查核磁管外壁是否有污渍。若有试剂残留，不仅会锁场困难，残留的试剂还可能对核磁内腔及探头造成腐蚀。通常测样前先用干净的棉布将核磁外壁擦拭干净再放入机器。

(3) 转子装备问题。核磁管装备转子时，若没有卡紧，转子可能从核磁管滑落，也会造成无法锁场的情况。所以核磁管与转子要卡紧才能放入机器，若转子过大或核磁管过细，可以用封口膜填充缝隙或直接更换核磁管。核磁管安装转子后，样品高度要符合量规所标示的横线，不能过高或过低。若高于横线可能会使探头无法检测到样品，若低于横线则可能使核磁管撞击探头，导致核磁管破裂继而对探头造成污染。

(4) 其他问题。磁体中腔长期使用会进入灰尘等杂质，导致核磁管无法进入探头匀场线圈位置，这时应找工程师清洗中腔。探头中石英中管损坏或污染，此时应通知核磁工程师进行清理[3]。

检查是否忘记停止上一个实验。若上一个实验没有到所设置时间，一定要停止实验后再放入新的样品进行测试。

3.2 匀场报错

锁场结束后一般在操作机器匀场阶段遇到报错的情况较多。先检查核磁管中溶剂量是否过少，需要添加至少0.5 mL的氘代试剂再进行测样。

匀场报错通常可根据错误内容进行判断。若由于磁场问题报错，可输入“rsh(read shim file)”指令读取最近一次已存储的匀场数据。如果系统提示匀场失败，多数情况下是由于匀场时或场值偏离正常值较大而造成的。此时便可输入“rsh”指令解决；若是机器连接出现问题，比如进行长时间测样后，系统常会出现数字化接收单元DRU(digital receiver unit)模块报错，可输入“cf”指令，将电脑与核磁主机的各个部件以及通道重新连接后方可解决。若操作之后还未解决问题，需重新启动核磁主机。

3.3 控温报错

打开空压机后，需等待一会儿，观察核磁主机机柜的压力表是否已经达到0.5 MPa，达到标准后再在计算机上进行控温操作。若压力没有达标就进行控温，系统会持续报错，需重新启动机器方可解决。

3.4 图谱不出峰

图谱不出峰一般由于2方面原因，一是样品原因：样品量过小(图1)或为无机物。从图1中可以看出，由于样品量过小，基线和溶剂峰对样品影响变大，造成积分数值出现偏差，且遮挡部分样品峰，解谱困难。故实验室规定：在一般情况下，测试1H-NMR谱需至少2 mg/mL样品且保证纯度，测试13C-NMR至少8 mg/mL样品且保证纯度。二是操作原因：测试之前没有读取设备中参数值至目前的收信参数档，解决方法只需在命令栏输入“getprosol”指令将系统参数读取至目前所测样品的参栏内所，再进行测试即可。实验人员只需要观察溶剂峰是否出现，若溶剂峰出现，但没有样品峰，则为样品原因，若2者都没出现则为操作原因。

图1 0.6 mg/mL样品及其放大64倍后1H-NMR图谱对比

3.5 峰型不裂分或裂分峰型差

峰型是解谱的重要依据，而实验中常常出现不裂分或裂分峰型差的情况，此时先观察溶剂峰的裂分情况：若溶剂峰裂分较好，样品峰裂分差，数目形状不符合n+1规则，可能是由于样品浓度过大，解决方法只需将样品用氘代试剂稀释即可；若溶剂峰和样品峰都不裂分或峰型较差，一是可能由于磁场不稳定，这种情况需要多次输入“topshim”指令对磁场Z轴进行自动匀场，也可在“topshim gui”指令栏中选择对磁场各个方向进行匀场方可解决；二是由于样品中含有磁性物质、金属等杂质，解决方法是将样品进行过滤或纯化。如图2所示，上方1H-NMR图谱中的样品残留微量金属催化剂，下方则为经过硅胶柱纯化处理后的该样品1H-NMR图谱，纯化后峰型和裂分程度加强，更有助于图谱解析。

图2 样品(金属催化剂残留)和纯化后样品的1H-NMR图谱对比

4 探索新模式提高仪器使用价值

我校核磁共振波谱仪多数用于有机化合物和天然产物的结构测定，但其利用价值并不局限于此。比如用核磁共振波谱仪对药物进行含量测定以及定量分析[6-7]、中药以及中成药的核磁共振指纹图谱研究[8-9]、中药的质量评价、代谢组学研究[10]以及有机化学中反应机理的研究也用到了核磁共振[11]等。这些方面的研究，我校的核磁共振波谱仪均有所涉及，但技术还不够成熟，希望在以后的时间里利用核磁共振在科研方面进行更深一步的探索，以求发现新的核磁共振研究模式。

5 结语

核磁共振波谱仪是我校利用率极高的大型仪器之一，多年来协助完成了多项科研项目，发表多篇SCI以及国家核心期刊论文[12-13]，为提高科研和教学质量做出了贡献。4年多的时间里，实验室也在逐渐学习、完善，发现问题并积极解决问题。目前我国高校核磁共振波谱仪的数量逐年上升，核磁的应用也越来越广泛，在此也希望与同行互相探讨。作为管理人员，应以认真、细致地把工作落在实处，保证仪器安全、高效运行为前提，努力使仪器设备在科研中发挥更广泛的作用。

References)

[1] 樊劲松. 浅谈核磁共振技术及其在化学领域的应用[J]. 广州化工, 1996(3):38-41.

[2] 郑阿群, 郗英欣, 张军杰,等. 构建核磁共振开放测试平台提高仪器利用率[J]. 实验技术与管理, 2013，30(9):221-224.

[3] 梁向晖, 钟伟强, 毛秋平. 液体核磁共振谱仪的开放管理[J]. 实验科学与技术, 2016，14(4):188-190.

[4] 王泽生, 陈子辉. 高校实验室开放管理机制的探索[J]. 实验室科学, 2007，10(6):119-121.

[5] 吕梅香, 杨定乔, 蒋腊生,等. 液体核磁共振仪的开放使用和管理[J]. 实验技术与管理, 2009, 26(5):76-78.

[6] 郭强胜, 刘明珂, 禹珊,等. 定量核磁共振法同时测定复合维生素B片中B1、B2、烟酰胺和泛酸钙[J]. 波谱学杂志,2016(3)：442-451.

[7] 李云燕, 陈黎, 蒋滨,等. 食用油的定量NMR分析[C].全国波谱学学术会议,2012.

[8] 刘静, Staerk D, 孙庆雷,等. 北沙参的碳-13核磁共振指纹图谱研究[J]. 山东科学, 2012, 25(2):26-29.

[9] 陈罡, 黄亮, 李文佳,等. 冬虫夏草核磁特征指纹图谱建立及鉴别研究[J]. 世界科学技术:中医药现代化, 2014(11):2371-2379.

[10] 罗尚华, 吴四维, 范刚,等. 基于～1H NMR对泽泻药材地缘区分和质量评价的代谢组学研究[J]. 第三军医大学学报, 2013, 35(10):996-1000.

[11] Yang X, Gao Y, Huang Z, et al. Fluorescent probe based on heteroatom containing styrylcyanine: pH-sensitive properties and bioimaging in vivo[J]. Materials Science & Engineering C, 2015, 52:97-102.

[12] Zhang Y L, Feng W S, Zheng X K, et al. Three new ursane-type triterpenes from the leaves of Rehmannia glutinosa[J]. Fitoterapia, 2013, 89(1):15-19.

[13] Li M, Wang X, Zheng X, et al. A New Ionone Glycoside and Three New Rhemaneolignans from the Roots of Rehmannia glutinosa.[J]. Molecules, 2015, 20(8):15192-201.

Maintenance and management of liquid NMR spectrometer

Zhao Xuan1,2, Li Meng1,2, Wang Xiaolan1,2, Zhang Zhiguang1,2, Zheng Xiaoke1,2, Feng Weisheng1,2

(1. College of Pharmacy, Henan University of Chinese Medicine, Zhengzhou 450046, China; 2. Collaborative Innovation Center for Respiratory Disease Diagnosis and Treatment and New Medicine Development of Henan Province, Henan University of Chinese Medicine, Zhengzhou 450046, China)

The liquid NMR(nuclear magnetic resonance)spectrometer is widely used, and in terms of its utilization, it is needed to further strengthen the standard management and the routine maintenance. This paper summarizes the principles of the maintenance and the management for the NMR laboratory and the problems encountered in its operation, maintenance and management in the past 4 years, and puts forward some solutions. The further exploration on such instrument is carried out in order to find a new research mode for NMR to play a more extensive role in research and teaching.

NMR(nuclear magnetic resonance)spectrometer; standard management; routine maintenance

10.16791/j.cnki.sjg.2017.06.068

2016-11-09

科学技术部国家重点基础研究发展计划 “973计划” 项目 (2013CB531802)

赵璇(1988—)，女，河南郑州，本科，实验员，主要研究领域为中药化学及核磁共振技术

E-mail：lilas616@hotmail.com

冯卫生(1960—)，男，河南林州，博士，教授，主要研究领域为中草药活性成分及新药开发.

E-mail：fwsh@hactcm.edu.cn

G644

A

1002-4956(2017)06-0271-04