液固核磁实验创建模式及管理差异性探讨

余 磊, 舒 婕, 王 璐, 方 魏

(苏州大学 分析测试中心，江苏 苏州 215123)

·仪器设备供应与管理·

液固核磁实验创建模式及管理差异性探讨

余 磊, 舒 婕, 王 璐, 方 魏

(苏州大学 分析测试中心，江苏 苏州 215123)

液体核磁与固体核磁在仪器结构配件、样品性质、实验创建模式以及日常管理4个方面存在差别。科研人员需要深入了解二者差别，并且能够根据每个样品自身性质来选择检测要求及校准相应参数。二者在很多方面也有相同点，例如调谐目的、变温实验self-tune以及谱图处理等。总体来说，固体核磁在检测要求及参数校准方面要比液体核磁复杂，每个样品都要根据自身性质来校准参数及选择检测要求。另外，液体样品的各向异性相互作用可以被分子的布朗运动平均掉，但在固体样品中，这些分子运动受限，速度很慢，因此，固体核磁实验需要将样品整体转动来模拟液体样品中的分子运动，以此来消除样品的各向异性相互作用。科研人员必须了解液体和固体核磁的这些特性，才能在日常检测及管理中更好地为教学及科研服务。

液体核磁； 固体核磁； 实验创建模式； 参数校准； 分子运动

0 引 言

核磁共振(Nuclear Magnetic Resonance, NMR) 现象最早于1945年由Felix Bloch和Edward Mills Purcell观测到。核磁共振是研究各种不同核周围中短程相互作用, 因此，NMR检测手段可用于液体样品、非晶质样品以及低结晶度固体样品结构分析，同时，它与电子衍射、X射线衍射等研究长程相互作用形成互补[1]。目前，NMR已广泛应用于化学、物理、材料和医学等多个学科。

核磁中心有5台核磁共振谱仪，其中4台液体核磁共振谱仪和1台宽腔固体核磁共振谱仪(Solid State NMR，简称SSNMR)。现结合布鲁克公司的AVANCE Ⅲ HD 400液体核磁(以下简称液体核磁)以及AVANCE Ⅲ HD 400WB宽腔固体核磁(以下简称固体核磁)来探讨液固核磁在实验创建模式以及日常管理上的差异性，帮助从事核磁研究人员对核磁实验及仪器有更全面的了解，以便更好地为科研服务。

1 仪器及附件

如图1所示，液体核磁配备60位自动进样器SampleXpress、低温单元以及变温转子。其中，SampleXpress设计紧凑，极大提高了其与各类型磁体的适配度，触摸屏使得操作更加方便，样品架可轻松取下，放置样品更加方便，同时也大大提高了仪器利用率，缩短了测试周期；低温单元可以使高纯氮气冷却至-80 ℃，同时为了满足变温实验而配备了变温转子。

图1 液体核磁及配件图2 固体核磁及配件

如图2所示，固体核磁配备了3.2、4、7 mm 3种核磁管，对应3种尺寸探头，同时，为了测试变温实验而配备了相应材料的帽子，其中，vespel:高分子聚合物；kel-F:聚三氟氯化乙烯聚合体；zirconia:ZrO2陶瓷；macor:玻璃陶瓷；BN:氮化硼材料。核磁管对应的频率、帽子材料及其适合温度范围见表1。

表1 核磁管外径、频率、帽子材料及帽子适用温度范围

1.1 探头

液体核磁共振谱仪配备有2个探头，可自动调谐。1个是BBO 5mm探头(Broadband Observe)，设有1H、2H和BBF(Broadband Frequency,宽频)3个通道，可以检测频率从1H到15N之间的核，基本能够满足日常所有测试需求；另一个是DUL 5mm探头，只有1H、2H和13C 3个通道，无法检测其他杂核，应用范围窄，通常只作备用。

固体核磁共振谱仪配备有3个探头，分别是3.2 mm、4 mm以及7 mm。3.2 mm是H/F-X探头，1H和19F共用一个通道，MATCH共用而TUNE则是分开的，同时这个探头还配备了1H/19F频率过滤器，可以在检测19F的同时对1H去偶；4 mm和7 mm都是H-X探头。这3个探头基本上能够满足科研需要。

液体核磁探头所要求承载的功率要低于固体核磁，尤其是在进行高功率去偶或其他需要高功率的实验，因此，固体核磁对于功放及探头的要求较高。另外，核磁中心为液体和固体探头都配备了低温单元，变温实验可以做到-80-100 ℃左右。

1.2 核磁管

液体核磁配备5 mm核磁管，5 mm为普遍使用的规格，日常检测时，液体核磁管转速低，因此，通用材料的核磁管及帽子就可以满足常温还是变温实验要求；固体核磁管材料为二氧化锆陶瓷(ZrO2)，硬度高，耐磨，耐压，但是易碎，因此，日常装样时要避免与硬物碰撞，不能刮擦，不能使转子受力不均，帽子虽然材料不一样，但使用过程中都要避免硬物(如取帽器等)刮伤帽子表面，且要在温度范围内使用，以免高速旋转时帽子脱落或永久变形，轻则样品散落污染探头，重则剧烈震动损坏定子，对探头造成不可挽回的损害。

2 实验创建模式

2.1 样品性质

当科研人员最初得到核磁样品时，应该先尝试使用不同的氘代试剂溶解样品，尽量选用溶解性较好的氘代试剂，但同时要避免氘代试剂谱峰与样品峰重叠，否则，氢的积分、碳的数目以及二维谱中H-H相关和H-C相关的信息都会受到影响。另外，在培训及测试时发现有些学生喜欢用混合氘代试剂，混合氘代试剂不仅给谱图解析引入更多困难，而且在前期锁场匀场过程中也费时费力，因此，建议在单一氘代试剂确实无法满足检测所需样品浓度后方可使用混合氘代试剂，且混合氘代试剂不可超过2种。

但是，当样品不溶于任何氘代试剂，或者溶解后所需的结构信息被破坏，此时液体核磁已经不能满足测试需求了，而只能通过固体核磁进行检测，液体核磁所需样品量一般较少，而固体核磁所需样品量大约在100 mg，且装样结果要求紧、实、满。另外，固体核磁样品必须没有磁性，因为发现有些核磁管放到探头里面，魔角旋转时转速不稳，而且样品也吹不出来，最初以为是核磁管卡在探头里面，把探头拆下来发现核磁管不在探头里面，在查看磁体中心上下通道发现，转子被吸附在这个通道的内壁，原因是因为样品有磁性，所以魔角旋转时转速不稳、核磁管被磁体吸住，所幸没有造成磁体失超，否则后果不堪设想。液体样品如果有磁性，锁场匀场困难以及最终谱图分辨率和灵敏度会很差，同时由于液体样品量少且转速很低，故不会对仪器造成损害，而固体核磁样品量特别大、魔角频率甚至能达到100 kHz，所以固体磁性样品极有可能对仪器造成损害乃至失超。因此，要求科研人员在送样单上注明样品是否具有磁性，尽可能地保证仪器不受损害。

科研人员要根据样品性质选择合适的测试手段，最终目的都是在保证仪器不受损害前提下尽可能多的到样品结构信息，为科研顺利展开提供便利条件。

2.2 实验创建模式

日常检测最常用的检测核有1H、13C、19F以及31P，另外还有一些不常见检测核，如11B、15N、17O、23Na、27Al、77Se以及195Pt等。下面以1H和13C核来比较液固核磁在参数设置方面的差异性。

2.2.1 液体核磁实验创建

液体核磁检测时，将样品放入自动进样器的对应编号中，然后，在IconNMR界面对应编号输入样品信息，包括样品名、溶剂、测试项目、采样次数及谱宽。检测1H时选择1H标准实验，标准实验中主要参数的默认设置(脉宽P1、功率PLW1、弛豫恢复时间D1等)基本能够满足所有1H检测要求，日常检测中需要修改的是采样次数NS、谱宽SWH以及激发中心O1P，这些参数只需要根据测试要求修改，无需用标样重新校准；检测13C时也只需选择13C标准实验，需要修改的是NS、SWH以及O1P，虽然检测13C需要对1H去偶，但是默认去偶功率值已经能够满足液体状态下去偶要求。

当测试人员发现样品无法lock和shim，或者谱图较之前相比分辨率或灵敏度有所降低，则可能是3D shim需要重新校准。因为在仪器安装初期，磁场还不是很稳定会有较大的漂移，故需要经常3D shim。

2.2.2 固体核磁实验创建

固体核磁与液体核磁不同，几乎每个固体核磁样品在测试之前都要用标样来校准化学位移读出SR值以及校准主要采样参数。尽管样品性质决定了固体核磁技术的分辨率和灵敏度比液体核磁低，但高功率去偶(high power decoupling，HPDEC)、交叉极化(cross polarization，CP)以及魔角旋转(magic angle spinning，简称为MAS)3种窄化谱线和增强灵敏度技术已经使固体核磁技术有了长足的发展。

(1)1H实验。选择onepulse脉冲序列，同时将采样核设置为1H，去偶核设置为“OFF”，然后用标样Adamantane(金刚烷)来校准化学位移并读出SR值，同时根据探头和功放功率限值的60%作为采样功率PLW1，选这样一个比例作为功率目的是保护探头和功放，再根据这个功率来校准脉宽P1。

(2)13C实验。最常用的是高功率去偶(HPDEC)以及交叉极化(CP)2个实验。

HPDEC实验 用标样金刚烷(Adamantane)来校准化学位移并读出SR值，通过指令POPT、GS以及PULSE等来校准P1、PLW1、PLW12以及PCPD2，需要注意，由于去偶功率较高，故采样时间AQ需要限制在一定范围内，最长不超过50 ms，而当AQ为50 ms时，弛豫恢复时间D1必须设为1 s或更长，同时输入去保护参数“-Dlacq”，因为高功率会产生高温，如果采样时间太长而弛豫恢复时间太短，有可能会烧毁探头。如果确有需要采样时间超过50 ms，则去偶功率和占空比(射频开启时间与关闭时间的比例)必须相应的降低。

(3) CP实验。由于13C的自然丰度为1.1%，而1H的自然丰度为99.99%，故直接测定13C信号很弱，将1H的信号强度传递给13C，再采集碳谱，同时对1H去偶，这样的技术就是交叉极化，即CP。因此，CP实验中，连接1H较多的13C，在进行CP实验时这个13C的信号相对较强，CP实验有两个作用，① 增加信噪比(S/N)，② 节省采样时间，因此，CP实验对功放和探头的损害比HPDEC实验小。如果碳周围没有氢，CP实验可能没有信号，此时，可用HPDEC来检测。根据检测检验，先利用之前优化参数采集一张碳谱，对比前后两次谱图信号强度与峰形是否接近，如果强度降低较多，则需重新优化CP条件。优化CP条件的标样为丙氨酸(Alanine)，通过指令POPT、GS以及PULSE等来校准CP实验的主要参数SPW0、PLW1、PCPD2、PLW12以及P15等。在校准过程中，设置去偶功率为探头及功放功率限值的60%以下为安全值，目的是为了保护保护探头和功放。通常情况下，CP技术与魔角旋转技术结合在一起使用，即CPMAS。

(4) MAS实验。液体样品的各向异性相互作用可以被分子的快速布朗运动平均掉，但在固体样品中，分子运动受限，速度慢，因此，实验中需要将样品整体转动来模拟液体样品中的分子运动，而SSNMR中起主导作用的各种相互作用绝大部分都和分子的取向有关，通过计算得知，当样品绕着与外磁场方向夹角为54.7°的轴旋转时，起主导作用的各种相互作用可以被平均掉，而这个角度54.7°就称为魔角。魔角调节用标样KBr，因为KBr具有能被MAS平均掉的相互作用、较窄的线性、比实际样品灵敏度更高、信号强、在合适的频率段等优点。魔角调节是依据主峰半峰宽和左右第五级旋转边带半峰宽来确定的，当(主峰半峰宽-第5级边带半峰宽)/主峰半峰宽≤10%即可，据测试经验，主峰的一级边带强度越高或者是FID图中毛刺峰超过10 μs，说明魔角调节较好。

(5) 旋转边带。固体核磁样品在进行MAS实验时经常会出现旋转边带，通常是一个主峰对应一组旋转边带，并且这些旋转边带之间的位移差以及边带与主峰之间的位移差一定是MAS转速的整数倍。基于旋转边带这一特点，当实验中出现主峰与旋转边带无法区分时，可以通过改变转速来确定主峰，因为主峰不会随着转速改变而改变出峰位置。由于样品中往往不止一个主峰，为了防止一个主峰的边带与另一个主峰重叠，一定要选择一个最合适的转速，这个转速既要保证采样结果，又要确保所有的边带不要与任何一个样品峰重叠。测试过程中发现，主峰的边带越多，主峰的强度就会变的越低，这是因为旋转边带会平均掉一部分信号而导致各向同性化学位移峰(主峰)强度降低。

(6) 弛豫恢复时间实验。液体核磁的弛豫恢复时间D1的默认值已经能够满足所有实验要求，无需重新检测。而固体核磁中，不同位置13C的弛豫恢复时间可能差别很大，因此，经常要通过CP MAS实验测定每一个13C的T1，而D1值为最大T1值的5倍时最为合理，因为此时所有的13C都能在这个时间内弛豫恢复回来。对于经常研究的体系来说，弛豫时间的测定有助于在最佳的实验条件下测样，对于偶尔测定一、二次的样品，可以根据经验快速的优化弛豫恢复时间。

(7) 采样时间。固体核磁实验中，采样时间长了会造成基线太粗，信噪比差(见图3)；采样时间短了会造成信号出峰不完全，产生截尾现象。如果采样时间长，测试人员需要查看FID，在噪声大约为信号长度两倍的位置读出TD值，然后输入TDEFF指令，输入此TD值，即可得到截取后的谱图，若要还原到原始谱图，将TDEFF设置为0即可。

图3 固体核磁采样时间与谱图

(8) 锁场匀场。固体核磁实验不需要锁场，并且在魔角高转速条件下，匀场也变得并不重要，因为一般情况下，实际样品的谱线远宽于标准样品的谱线，因此，实际样品对匀场的要求远低于标准样品，这与液体NMR差别很大，然而当实际样品的谱线小于或等于标准样品的线宽时最好进行匀场，也可以直接用实际样品做匀场，适合匀场的标样有金刚烷(13C)、硅橡胶(1H、13C)以及水(1H)。

(9) 变温实验。液体与固体核磁变温实验都需要self-tune来选择最优变温条件，以便尽快达到所需温度，节约实验时间。另外，测试时发现，某些样品在高温时容易出现熔融现象，这时应该采用onepulse来检测，因为用CPMAS测试熔融样品，有可能造成不出峰，更严重的是液体样品高速旋转有可能溢出核磁管污染探头，造成不可挽回的损失。

2.2.3 调谐

无论是液体核磁还是固体核磁，测样时都需要调谐，调谐是调节探头线圈的共振频率到观察核的共振频率，以使功率最大程度的传输至NMR线圈，即达到最大的射频场和最小的反射功率(反射功率会损坏电子器件，例如：探头及功放)(见图4)。

图4 调谐曲线

2.2.4 小结

液体核磁与固体核磁在实验设置方面有很多不同，主要体现在样品性质(刚性或柔性、碳是否连接氢等)、测试要求(转速、温度等)及采样参数校准(功率、脉宽等)3个方面，当然，二者在很多方面也有相同点，例如调谐目的、变温实验的self-tune以及谱图处理等。总体来说，固体核磁在检测要求及参数校准方面要比液体核磁复杂很多，这是因为对于固体核磁而言，每个样品都要根据自身性质来校准参数及选择检测要求，且固体核磁检测往往伴随着高转速，因此有旋转边带的样品需要选择最优转速。

3 日常管理

核磁中心对液体核磁及固体核磁采用集中管理模式，即送样、签机时、数据网盘传输、加注液氮液氦、供应载气及培训学生等方面都是统一安排，这是为了提高核磁仪器设备利用率，促进核磁仪器全校共享[2-8]。但液体固体核磁在签机时、供应载气及培训学生方面存在差别。目前，液体核磁0.5 h为1个机时，常规氢谱1个机时可以检测6～10只，而固体核磁由于装样时间长、参数优化复杂及测试时间差别很大等特点，固体核磁检测根据学生样品特点及测试要求，灵活签约时间，短则0.5 h，长则一天甚至更长；固体需较大气流量来托住及高速转动核磁管，液体核磁载气主要是进样和出样功能，因此固体核磁对于载气纯净及干燥程度要比液体核磁更高一些，基于这个原因，核磁中心配备了一套集中供气系统，包括空压机组、冷凝机、冷干机、吸干机以及两个400 L储气罐，同时，为了变温实验配备了集中供应高纯氮设备；培训学生方面，液体核磁有自动进样器，主要培训学生上样、输入样品信息及处理谱图方法，固体核磁则需要培训学生装样、手动调谐、脉冲原理、脉冲选择及参数校准等。另外，核磁中心根据样品测试量、仪器使用率、以及是否参与重大课题的申请等三方面建立了一套绩效考核方案[9-12]，目的是为了建立和完善核磁仪器设备管理体制，优化运行机制，更好地为科研及教学服务[13-16]。

4 结 语

核磁在科研方面发挥着非常重要的作用，作为核磁仪器管理者，应该深入研究仪器测试方法，最大限度地结合液体核磁和固体核磁在样品测试方面的优势。但是，二者在实验创建模式及日常管理方面有着一定的差异，尤其是在实验创建方面，这是由检测样品性质和仪器特点决定的，在日常检测时，要能够根据样品特点及科研人员希望得到的结构信息来决定采取哪种测试方法来分析样品，以便更好地为科研服务。

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Discussion on Differences of Experiment Creation Mode and Management of Liquid NMR and SSNMR

YU Lei, SHU Jie, WANG Lu, FANG Wei

(Testing and Analysis Center, Soochow University, Suzhou 215123, Jiangsu, China)

There are differences in four aspects of liquid NMR and SSNMR, such as instrument structure and accessories, nature of sample, experiment creation mode and daily management. Researchers are able to select testing requirements and calibrate corresponding parameters according to properties of each sample if they understand these differences. There are also many similarities in both NMRs, for example, tuning purpose, self-tune of variable temperature experiments, spectra processing and so on. Generally, testing requirements and parameters calibration of SSNMR are much more complex than liquid NMR. Each sample of SSNMR has to choose testing requirements and calibrate corresponding parameters according to its properties. Besides, anisotropic interaction of liquid samples can be averaged by the brown motion of molecule, but molecular motion is limited and motion speed is slow in solid samples. Therefore, solid-state samples need to rotate as a whole to simulate molecular motion of liquid samples in order to eliminate the anisotropy of solid-state samples. Researchers can serve teaching and scientific research much better in testing and daily management if they master characteristics of liquid NMR and SSNMR.

liquid nuclear magnetic resonance; solid state nuclear magnetic resonance; experiment creation mode; parameter calibration; molecular motion

2016-11-10

国家自然科学基金面上项目(21571136)

余 磊(1982-)，男，江苏连云港人，硕士，实验师，主要从事核磁共振谱仪实验及维护管理研究。

Tel.:13771900501；E-mail: yulei198415@163.com

G 482.0

A

1006-7167(2017)08-0279-05