JNM-ECZ400S/L1 核磁共振波谱仪的管理与维护

黄艳萍，田 文

（四川大学 化学工程学院工程实验教学中心，成都 610064）

核磁共振波谱仪可用来鉴定有机化合物结构、监测反应动态、研究分子间相互作用方式[1-3]，是有机化学[4]、制药工程[5]、医学[6]、环境化学[7]等领域不可或缺的高端精密仪器，发挥着极其重要的作用。四川大学化学工程学院的制药工程专业涵盖药物分析、天然药物技术及工程、药物及制药中间体合成共工艺、新材料与新制剂研究与开发和生物制药等方向，对核磁共振波谱仪的需求与日俱增[8-10]。2018 年前，学院的核磁测试依赖于学校分析测试中心、高分子学院和化学学院的核磁共振波谱仪，但由于这些单位测试量大，无法及时满足测试需求，且学院部分课题组开始常驻江安校区，跨校区送样使得测试极为不便。为了满足学院的核磁测试需求，学院于2018 年利用“双一流”经费购置了一台400 MHz 核磁共振波谱仪（型号为JNM-ECZ400S/L1），该核磁共振波谱仪具有2 个射频发射通道、氘核锁场及氘核梯度自动匀场附件和高精度变温实验功能等，配制了一套64 位自动进样器。2020 年7 月核磁安装完毕，正式投入使用。核磁价格昂贵，维修维护成本高，然而日本电子生产的核磁在国内的市场份额较少，目前还没有太多可供参考的维护经验。因此本文从日本电子核磁的实际使用情况，对其管理、维护以及日常故障解决方法进行了总结，以期为同行提供可供借鉴的经验。

1 核磁共振波谱仪的管理

1.1 核磁管的选择和样品要求

想要得到理想的核磁数据，核磁管的选择和合适的样品至关重要。尽可能选择经济承受范围以内的最高质量核磁样品管。样品管的直径与核磁探头的线圈直径相匹配。在任何情况下，绝对不能使用比探头线圈直径大的样品管。价格便宜的样品管管壁厚度不一，这种不均匀性使得样品在匀场过程中很难甚至不可能达到很好的状态。同轴性、曲面、横截面的不均匀性都限制了数据的质量。

对液体核磁，样品纯度越高越好，至少大于95%，无铁屑、灰尘、滤纸毛等杂质，样品的浓度则需要选择一个合适的值。太稀会导致数据采集的时间延长，而样品太浓则会因黏度过高导致信号峰增宽。在5 mm 直径的核磁管里，体积为0.6～0.7 mL 的溶液最适宜。

1.2 安全管理

核磁室的安全隐患来源主要有磁场影响、液氮和液氦的挥发和低温性、氘代试剂的挥发性和数据安全等[11-12]。针对这些特点，学院在房间贴有警告标示，严禁体内有铁磁性物件（心脏起搏器或金属关节等）、携带铁磁性物品（手机、手表、钥匙等）、携带各种磁卡（银行卡、校园卡等）、携带各种铁磁性工具（铁锤、钳子等）的人员靠近磁体。此外，房间内安设有氧气浓度监测表，随时查看氧气浓度，避免产生窒息的风险。液氮和液氦的添加由供应商的专业人员进行添加，要求必须带上防冻手套。由于房间内无法安装通风橱等设备，要求测试人员不得在房间内进行加样操作，测试结束后立即将核磁管带离实验室。为了保证操作电脑的安全，核磁室建立了操作电脑和数据电脑的部分文件共享，要求用户仅能在数据电脑上进行数据拷贝。

1.3 环境管理

核磁房间的陈列如图1 所示。核磁房间常年保持在22 ℃，窗户保持关闭，拉上窗帘，避免阳光直晒，新风系统常年启动，房间内配备2 台除湿机。此外，核磁房间周围不能有振动、强磁场的干扰，否则必须对房间进行防磁处理。核磁房间安装了不间断摄像，以便实现对核磁室的实时监控和出现问题进行及时溯源。

图1 核磁房间陈列图

1.4 测试和开放共享管理

对于核磁测试的样品，要求选用适配探头的5 mm 核磁管，不得选用有裂纹和变形的核磁管，严禁测试磁性样品。针对学院的实际情况，采取每个课题组派遣1～2 名硕博士生进行培训，经过上机考核合格后方能上机测试的方式。核磁房间配有门禁和实时监控。通过学院的共享设备预约平台，用户提前一天提出测试申请，通过导师审核、中心审核和设备管理员审核的流程，用户即可同时获取测试许可和测试时间段的门禁许可。

2 核磁共振波谱仪的维护

2.1 磁体维护

对于核磁共振波谱仪，最重要的部件就是超导磁体。超导线圈在磁体中是浸泡在-269 ℃的液氦中，液氦价格昂贵，为了减少液氦的消耗，因此在液氦外层灌注液氮。日本电子Delta 软件每天会在固定时间记录液氮和液氦的剩余量，可通过观测剩余量来判断是否需要添加液氮和液氦。目前，学院的JNM-ECZ400S/L1 型号400 MHz 核磁液氮一周的消耗量大约是35%左右，和供应商签订购销合同，每周定时补充液氮，每次加注量约为50～60 L 左右。液氦一个月的消耗量约为7%，6～7 个月左右补充一次液氦，按照120 L 的满量计算，每次加注量约为60～70 L 左右。为了减少液氮和液氦的消耗，且温度的变化还会对磁体的稳定性产生影响，因此核磁房间常年需要保持在稳定的适宜温度下。配备一个空样品，每次测试完成后提交空样，不做任何测试，不仅可以及时把测试样品替换出来，还可以减少灰尘进入磁体，降低探头的维护频率。

2.2 机柜维护

机柜是电子设备，主要是需要温湿度适宜、防尘、防潮和防断电。目前核磁房间内配制2 台除湿机，保证湿度在30%～70%之间。每周定期用吸尘器除尘，保持房间的干净。此外给机柜配制了一套UPS 不间断电源，保证在停电状态下可供仪器正常运行1 h，为正常关机提供充足的时间。

2.3 定期匀场

核磁需要定期匀场，均匀稳定的磁场才能保证足够的分辨率。日本电子核磁匀场一般采用自动梯度匀场。在测试账户下，选用标准样品CHCl3/Acetone-d6，输入样品信息、溶剂等，将样品load，打开interaction，在spin 的状态下进行自动匀场。需要注意的是，system type 需要选择为homospoil，nucleus 为2H。如果进行过无氘代核磁实验，需要将参数复原，否则无法匀场。匀场范围为30%～70%，匀场次数为4 次。自动匀场后，观察最后一次的匀场结果，纵轴强度在±0.1%，提交lineshape 实验，通过计算后，如果50%、0.55%和0.11%峰宽分别小于0.5、6、12 Hz，表示匀场很好。提交氢谱测试，如果磁场的X、Y轴场漂造成图谱旋转边带过大时，需要进行手动匀场。手动匀场一般仪器安装半年内需要调整，磁体稳定后基本不需要调整。手动匀场仍采用CHCl3/Acetoned6标准样品，样品不旋转，选择匀场组到X，XZ，Y，YZ，用5X 倍率进行调整，使得锁场值达到最大。选择匀场组X-Y-X-XZ-Y-YZ-X-Y和匀场组Y，采用同样的方法，使得锁场值达到最大。进行自动梯度匀场后，最后测氢谱看是否正常。

3 常见故障及处理方法

3.1 匀场失败

匀场失败是核磁测试中最常出现的问题。JNM-ECZ400S/L1 核磁中常见的报错信息一般为“ Gradient shim FATAL: shim z6,-34.94121[Hz]exceeds the lower limit,-20[Hz]!”。其中，z轴和数值不定。造成匀场失败的原因是多方面的，首先需要排除磁体本身和软件设置的问题。确认匀场参数设置中的system type、nucleus 和solvent 等参数，看是否设置正确。用标样匀场后仍匀不过则需要先匀z1～z4，再匀z5 和z6，最后再进行全部匀场，或者调取之前保存得较好的system shim。标样匀场效果好则说明磁体本身没有问题。如果不是磁体本身和软件的原因，则一般是样品的原因。样品的浓度过高或者过低、样品的液面高度是否合适、样品是否是澄清透明的溶液（有无凝固、沉淀物或者悬浮物等）或含有金属或磁性杂质等情况都会造成匀场失败，需要测试人员进行判断后进行处理。

3.2 锁场失败

锁场失败时，报错信息为“Falied to reach Lock State “AUTOLOCK”和“Experiment Interruption Requested by Spectrometer”。出现报错后，首先确认样品的氘代溶剂是否选择正确。在interaction 中调入system shim，进行自动锁场。如果仍无法自动锁场，则放入CHCl3/Acetone-d6标准样品，load system shim 后进行自动锁场。锁场成功后，再重新放入待测样品进行匀场锁场。值得注意的是，如果是样品中含有磁性物质等原因造成的无法锁场，则不能继续测试。此外，如果使用CDCl3溶剂，溶剂量少时也会出现无法锁场的现象，加入溶剂或者更换溶剂可以解决锁场问题；如使用的混合溶剂，含氘量少时也会出现无法锁场，则可以通过选择更换含氘量多的溶剂作为锁场溶剂。

3.3 任务无法进行

由于学院核磁所处的江安校区偶有电流不稳的情况，在遇到突然断电的情况时，重新开机后出现过“Task not completed”和“Failed to set Sample Changer Slot to *”的错误报警。此时，不能进行样品的eject 或者load 操作，且自动进样器上显示屏显示异常，为“0”。经过检查空压机和机柜上的气压，确认气压正常。随后发现样品卡在了机械臂中，机械臂左边有一拨片，如图2 所示，掰动后即可手动释放样品，需提前用手接住样品，样品取出后即恢复正常。若是样品没有卡在机械臂里，则需要拆下探头，取出核磁管。

图2 自动进样器的机械臂

3.4 其他故障

当软件无法操作或者谱仪无法连接时，则需要检查连接谱仪和操作电脑的网线是否断开，打开Remote Maintenance Tool（Instrument），查看仪器状态，如发现“Control service is running”，测试账户的状态或重启谱仪等操作。当样品不能load时，首先检查气压是否正常，确认点load 后样品从磁体上方进入磁体后是否听到样品到底时一声“哒”的声音，如果不能听到声音，需要把谱仪里气压调到0.08 MPa 再load 样品，如果不行则需联系日本电子工程师。如果能听到声音，确认前置放大器上load 的黄灯是否亮起，如果不停和eject绿灯相互交替闪烁，则需要联系日本电子工程师。

4 核磁管理效果与效益

学院的核磁共振波谱仪在投入使用一年多时间以来，已累计向17 个课题组提供测试服务。科学的管理确保了核磁的正常运行，核磁的年度机时约为1 000 h，测试样品数5 000 多个，支持开设了6 个本科专业实验，支撑发表了多篇SCI 论文，在6 个省/市/公司资助的科研项目中起到了不可或缺的作用。

5 结束语

目前，学院的核磁共振波谱仪的使用率并未达到饱和，与其他院校仍有一些差距。这是由多方面的原因造成的：最主要的原因是学院核磁地处的江安校区位置较为偏远，在地理位置更为方便的望江校区有多台核磁可供选择，很多用户不愿前来测试；另一方面，江安校区的核磁用户不多，没有足够的测试需求。在《国务院关于国家重大科研基础设施和大型科研仪器向社会开放的意见》要求下，学院今后将加大面向社会开放的力度，提高仪器使用率，产生更多的社会效益。此外，日后通过借鉴南开大学[11]、中国海洋大学[13]、兰州大学[14]等的管理模式，进一步将核磁的管理科学化、便捷化。核磁的购置成本高，容易出现故障且维修费用高昂，需要认真负责细心的管理。核磁管理员应不断学习、总结经验，提高自身技能知识水平，提高核磁共振谱仪为教学、科研、社会服务的寿命。