張丹瑩 陳會英 劉長建 孫天竹 姜 波 韓 穎 張樹彪 范圣第

（大連民族學(xué)院生命科學(xué)學(xué)院，大連116605）

1 前言

隨著脈沖傅里葉技術(shù)的應(yīng)用和核磁共振波譜儀頻率的不斷提高，核磁共振（NMR）技術(shù)正在成為化學(xué)、物理、生物、醫(yī)學(xué)、材料等領(lǐng)域必不可少的、強(qiáng)有力的工具，并被逐漸普及。尤其是在有機(jī)化合物和生物大分子的結(jié)構(gòu)鑒定方面，核磁共振技術(shù)具有特殊的地位。核磁共振領(lǐng)域最近兩次獲得的諾貝爾獎，即2002年的蛋白質(zhì)NMR波譜學(xué)和2003年的NMR在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用，就是對NMR領(lǐng)域重要性的有力證明［1］。為了更好的發(fā)揮核磁共振波譜儀在各項(xiàng)科研工作中的作用，除了對NMR領(lǐng)域相關(guān)技術(shù)及知識有一定程度的理解外，還必需對譜儀各部件的性能、用途、種類等有相當(dāng)完整和清晰的理解和掌握，在此基礎(chǔ)上，細(xì)心調(diào)節(jié)，設(shè)定實(shí)驗(yàn)方案和參數(shù)，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。本文就作者5年來在管理和使用Varian 400MHz超導(dǎo)核磁共振波譜儀過程中的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，詳細(xì)介紹了儀器系統(tǒng)各個組成部件在維護(hù)和使用過程中的注意事項(xiàng)，與廣大同行進(jìn)行探討。

2 波譜儀系統(tǒng)的組成

Varian 400MHz型超導(dǎo)核磁共振波譜儀是美國瓦里安公司（現(xiàn)并購到美國安捷倫公司）制造的脈沖梯度場傅里葉變換超導(dǎo)核磁共振波譜儀。整個系統(tǒng)主要由超導(dǎo)磁體、探頭、NMR控制柜、磁體接口箱、計算機(jī)工作站、氣路系統(tǒng)、不間斷供電系統(tǒng)（UPS）幾大部分組成，其中探頭、NMR控制柜、磁體杜瓦和計算機(jī)工作站是譜儀系統(tǒng)的主要核心部件，空氣壓縮機(jī)、氣體冷凍干燥機(jī)和UPS不間斷供電系統(tǒng)、空調(diào)等是不可缺少的輔助設(shè)備［1，2］。儀器系統(tǒng)組成部件如圖1所示。

圖1 NMR譜儀主要組成部分

3 波譜儀系統(tǒng)各個組成部件的維護(hù)

3.1 磁體杜瓦的維護(hù)

該波譜儀系統(tǒng)配備的磁體為牛津AS400／54型超導(dǎo)磁體，結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。磁體的磁場由安裝在磁體杜瓦液氦腔內(nèi)的超導(dǎo)線圈產(chǎn)生，超導(dǎo)線圈在液氦溫度下（絕對溫度4K，－269℃）電阻為零，當(dāng)外加電源為其輸入電流后電流永不消失，不再需要外加電源即可產(chǎn)生9.39特斯拉的靜態(tài)強(qiáng)磁場，為原子核發(fā)生共振提供最基本的條件之一。

圖2 磁體杜瓦結(jié)構(gòu)示意圖

對于磁體維護(hù)來講，最重要的是液氦及液氮制冷劑的添加和液氦液氮液位與揮發(fā)量的監(jiān)測。磁體杜瓦的超導(dǎo)線圈必須保證始終浸泡在液氦中，否則當(dāng)溫度一旦升高會使超導(dǎo)線圈失去超導(dǎo)性質(zhì)，產(chǎn)生電阻并發(fā)熱，從而導(dǎo)致液氦液氮瞬間大量蒸發(fā)，磁體失超。磁體失超可能會對磁體造成永久傷害，即使不造成永久傷害，重新升場也會耗費(fèi)大量時間和金錢，因此任何情況下都要盡力避免此類意外的發(fā)生。儀器維護(hù)人員必須嚴(yán)格定期對液氦杜瓦里液氦液面進(jìn)行監(jiān)測、定期及時對液氦進(jìn)行補(bǔ)充。磁體廠家規(guī)定液氦腔液面安全警戒線為11cm（對應(yīng)液氦液位指示器讀數(shù)為10%），通常應(yīng)在高于規(guī)定的安全警戒液面添加液氦，以免磁體失超。液氦的添加一般3～8個月進(jìn)行一次，各個型號磁體添加的周期各異，與液氦腔容量大小有關(guān)。在液氦腔的外部緊鄰的是液氮腔，利用液氮的低溫（絕對溫度77 K，－195.8℃）對液氦進(jìn)行預(yù)冷，有效防止液氦腔的液氦揮發(fā)過快。液氮腔和液氦腔之間通過真空腔進(jìn)行熱隔離。液氮腔內(nèi)液面的安全警戒線為8 cm，液氮的添加應(yīng)定期進(jìn)行，一般7～10天一次。為了防止意外情況發(fā)生，必須對液氮液位進(jìn)行定期檢查。需要注意的是，添加液氦和液氮時液氦及液氮杜瓦壓力均不得超過2psig，以免對磁體造成損傷［3］；在每次添加液氮或者液氦后，必須檢查杜瓦氣體排出管路是否暢通［2］，以排除出口結(jié)冰堵塞的可能。除了液氦、液氮的及時添加外，還應(yīng)每天對液氦、液氮的揮發(fā)量進(jìn)行監(jiān)測。揮發(fā)量是衡量杜瓦真空度和杜瓦出口是否堵塞的重要指標(biāo)。磁體杜瓦指標(biāo)規(guī)定液氮腔液氮揮發(fā)量不能超過200cc／h，液氦腔液氦揮發(fā)量不得超過12cc／h。如果揮發(fā)量變大并且磁體表面或者腔體出口有結(jié)霜現(xiàn)象，說明磁體杜瓦真空泄漏，應(yīng)及時聯(lián)系廠家處理。另一方面，液氮、液氦的揮發(fā)量不能為零。如果液氦或者液氮揮發(fā)量降為零，要立即排除其杜瓦出口結(jié)冰堵塞的可能，以免杜瓦內(nèi)部壓力過大導(dǎo)致磁體爆炸失超。一個特殊的情況是，在添加液氦的過程中，液氮腔溫度會急劇下降，液氮揮發(fā)量會降為零或者負(fù)值，當(dāng)液氦添加結(jié)束后會恢復(fù)正常。需要注意的是，除了添加液氦時，其它任何情況下都不能將液氦腔管口暴露在空氣中超過30秒，以免結(jié)冰堵塞。

磁體維護(hù)另一個需要高度重視的安全問題是磁體的強(qiáng)磁場和工作時的射頻場［4］。磁體周圍存在一個不可見的永久磁場，鐵磁性物體離磁體太近時，磁體的吸引力會在很短的距離內(nèi)由很難覺察增大到無法控制的程度，使物體以很大的速度飛向磁體，造成磁體損傷和失超，并有可能傷害它們之間的人員，因此絕對不允許在5高斯磁場范圍內(nèi)放置或者移動任何鐵磁性物體。在磁體上工作使用的任何梯子和補(bǔ)充液氦、液氮的杜瓦都必須由非磁性材料制成。不能把小的金屬物品放在磁體附近的地面上，如果它們被吸進(jìn)磁體的腔管內(nèi)會導(dǎo)致嚴(yán)重的傷害，特別是當(dāng)磁體沒有安裝探頭時。另一方面，在磁場作用下，磁卡、磁盤、相機(jī)、機(jī)械手表等物品會遭到不可逆破壞，人體內(nèi)的金屬醫(yī)療器械會發(fā)生故障，儀器工作時的射頻場也會對人體內(nèi)的金屬醫(yī)療器械產(chǎn)生影響。因此無論從儀器安全角度還是從個人人身安全角度考慮，都應(yīng)該禁止非工作人員攜帶任何鐵磁性物品進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室，禁止任何使用心臟起搏器、金屬關(guān)節(jié)、金屬避孕環(huán)等金屬醫(yī)療器械的人員進(jìn)入磁體5高斯磁場范圍內(nèi)。另一個需要注意的是，磁場不會被墻壁、地板或者天花板阻擋，會延伸到相鄰的房間。牛津AS400／／54型超導(dǎo)磁體的磁場分布示意圖如圖3所示。

一旦發(fā)生磁體失超，所有人員應(yīng)立即撤離現(xiàn)場，以免磁體失超時釋放的大量惰性氣體使人員缺氧窒息導(dǎo)致傷亡。

3.2 NMR控制柜的維護(hù)與使用

3 OXFORD AS400／／54型超導(dǎo)磁體磁場分布示意圖

本儀器系統(tǒng)配備的NMR控制柜型號為MERCURY plus 400?？刂乒袢菁{了譜儀大部分的電子硬件，包括射頻發(fā)生系統(tǒng)、射頻接收系統(tǒng)、勻場鎖場系統(tǒng)、脈沖梯度場系統(tǒng)、控溫單元和各種功放等。NMR控制柜是整個譜儀系統(tǒng)的指揮中心，負(fù)責(zé)各通道射頻的發(fā)射和信號的接受處理，控制和協(xié)調(diào)譜儀系統(tǒng)各部件有條不紊地工作。

NMR控制柜的維護(hù)保養(yǎng)，首先要保證儀器有一個良好的工作環(huán)境。工作環(huán)境要求無塵、恒溫、防潮、防震、防腐蝕等［5］?；覊m會造成電路板等接觸不良或絕緣性能變差從而引起各種故障。溫度和濕度非常重要，電子元器件特別是集成電路都要求在合適的溫度和濕度范圍內(nèi)工作，溫度過高不利于電子元件散熱，溫度過低會導(dǎo)致電子元件不正常工作，潮濕的環(huán)境易使儀器的絕緣性能變差，產(chǎn)生不安全的因素，并極易造成器件的生銹以致?lián)p壞，發(fā)生各種故障。因?yàn)榇朋w及探頭均安裝有多組線圈，因此對核磁共振波譜儀來講，防震尤為重要，這是保證儀器性能穩(wěn)定、獲得高質(zhì)量譜圖的關(guān)鍵因素之一，通常磁體的磁腿上均安裝有防震氣墊，當(dāng)震動過大時，應(yīng)啟動防震氣墊，此外，還應(yīng)防止化學(xué)藥品揮發(fā)或接觸到儀器，造成儀器表面和線路板腐蝕。

在開機(jī)狀態(tài)下，應(yīng)定期檢查控制柜背面各個風(fēng)扇是否正常工作，如果發(fā)現(xiàn)有不正常工作的風(fēng)扇，應(yīng)及時更換，以免散熱不良引起故障。應(yīng)定期對控制柜進(jìn)行除塵，定期拆下控制柜面板上的防塵板進(jìn)行清理。一年進(jìn)行一到兩次的徹底除塵工作，即停機(jī)、拆開控制柜，清理掉控制柜內(nèi)部包括電源、電路板等各個部件的灰塵，以免因灰塵引發(fā)各種電路或信號故障，有效節(jié)省維修成本和維修時間，這項(xiàng)工作應(yīng)由專業(yè)的工程師完成。為延長NMR控制柜的使用壽命，不允許對其頻繁進(jìn)行開關(guān)機(jī)，以免各個部件在重新給電過程中出現(xiàn)故障，通常情況下，NMR譜儀一年允許開關(guān)機(jī)兩次左右，開關(guān)機(jī)過程中一定要采用正確的開關(guān)機(jī)程序。

3.3 探頭的維護(hù)與使用

探頭是整個儀器系統(tǒng)的核心部件。本儀器系統(tǒng)配備有5mm 400MHZ1H／19F／13C／31P四核探頭和5mm ID－400反相探頭。探頭安裝于磁體中心的室溫腔，探頭的中心為樣品管支架，樣品管一般位于探頭線圈的中心位置。探頭線圈通常包括發(fā)射線圈、接收線圈、鎖場發(fā)射和接收線圈等，樣品在探頭中的升降通過控制升降氣流大小實(shí)現(xiàn)。旋轉(zhuǎn)樣品可以使磁場更加均勻，在固定樣品管的渦輪轉(zhuǎn)子的切向加一氣流，可以使渦輪轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動從而使樣品管旋轉(zhuǎn)。測試液體樣品時，轉(zhuǎn)速通常為20周／秒。另有一套氣體管路系統(tǒng)，用于變溫實(shí)驗(yàn)時溫度的控制。

在實(shí)驗(yàn)過程中，首先應(yīng)注意使用合格的核磁管，以免發(fā)生核磁管斷裂、污染或損壞探頭。核磁管不能過短，否則無法使樣品位于探頭接收線圈中心。樣品管中的樣品也不能低于3.5cm，否則不利于勻場。在樣品升降時，一定要首先確?？諌簷C(jī)處于工作狀態(tài)，管路中有足夠壓力的氣流，并且轉(zhuǎn)子處于關(guān)閉狀態(tài)，以免造成核磁管碎裂。應(yīng)定期檢查轉(zhuǎn)子上的O圈，發(fā)現(xiàn)老化時及時更換。進(jìn)行變溫實(shí)驗(yàn)時，首先檢查是否接上符合實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)的氣體，通常變溫實(shí)驗(yàn)要求使用高純氮，當(dāng)溫度控制在0～100℃溫度區(qū)間時，可以使用干燥的空氣，但任何情況下只能使用一種氣體，當(dāng)空氣和氮?dú)饣旌鲜褂脮r，會在強(qiáng)的核磁共振峰附近產(chǎn)生高而窄的干擾峰。切忌在溫度超過100℃以上時使用空氣，以免造成探頭線圈氧化，切忌在0℃以下使用空氣，以免造成氣路結(jié)冰。當(dāng)溫度低于－40℃時，除了變溫實(shí)驗(yàn)氣路外，在樣品的升降、去耦等氣路中均應(yīng)使用高純氮，以免氣路和探頭結(jié)冰。變溫實(shí)驗(yàn)過程中，控制變溫步長不要過大，一般10℃左右為宜，以防止升溫速度過快對探頭造成損傷。實(shí)驗(yàn)前首先應(yīng)針對樣品對探頭進(jìn)行調(diào)諧，避免向未連接導(dǎo)線或者調(diào)諧不好的探頭中傳輸射頻能量，對探頭造成損傷。1H／19F13C／31P四核探頭雖然具有自動切換頻率和自動調(diào)諧的功能，但要獲得高質(zhì)量的譜圖最好手動調(diào)諧，尤其是進(jìn)行二維實(shí)驗(yàn)時。因四核探頭兩個通道各自分別同時對兩個核進(jìn)行調(diào)諧，而且一個通道的兩個核之間相互影響，四核探頭調(diào)諧時一定要預(yù)先掌握相關(guān)原理和技巧，如果不預(yù)先熟知相關(guān)原理，很容易導(dǎo)致調(diào)偏而找不到信號，使實(shí)驗(yàn)無法進(jìn)行。實(shí)驗(yàn)過程中要避免使用長而強(qiáng)的射頻脈沖，以免對探頭造成損傷。涉及去耦的實(shí)驗(yàn)應(yīng)注意采用的去耦模式和儀器允許的最大去耦功率，去耦功率不能超過儀器最大允許值，以免對儀器造成損傷。探頭參數(shù)需要定期更新，一般兩個月左右更新一次旋轉(zhuǎn)勻場分量、氘梯度勻場場圖、90度脈沖、pp值等參數(shù)。尤其是在進(jìn)行DEPT或二維實(shí)驗(yàn)時，一定要對pw、pp等參數(shù)進(jìn)行校正，否則很難獲得高質(zhì)量的譜圖。定期對探頭進(jìn)行清洗，每年至少進(jìn)行一次，探頭清洗應(yīng)由資深工程師完成。

3.4 氣路系統(tǒng)的維護(hù)

氣路系統(tǒng)主要包括空氣壓縮機(jī)和氣體冷凍干燥機(jī)兩部分。儀器系統(tǒng)使用的空氣壓縮機(jī)型號為上海巨霸UF－2090，冷凍干燥機(jī)型號為南京賽格NS－0.5。氣路系統(tǒng)主要用于樣品管的升降和磁體防震氣墊的啟動，也可用于0～100℃的變溫實(shí)驗(yàn)?？諝鈮嚎s機(jī)應(yīng)做到每天泄水一次，以防止水對儲氣罐的腐蝕。定期對進(jìn)氣濾清器進(jìn)行清洗，一般一個月一次。注意檢查履帶是否老化，如果老化要及時更換。冷凍干燥機(jī)用于對空壓機(jī)產(chǎn)生的壓縮空氣進(jìn)行過濾除去其中的水分和灰塵，使用過程中應(yīng)注意冷媒壓力表示數(shù)是否在正常值范圍，如果工作時冷媒壓力表示數(shù)為0，則說明制冷劑泄漏，需要立即查找漏點(diǎn)進(jìn)行維修。應(yīng)注意排水閥是否正常排水。另外，應(yīng)定期對冷凍干燥機(jī)冷凝器散熱面和排水閥進(jìn)行清理，一般每月應(yīng)進(jìn)行一次。

3.5 計算機(jī)工作站的維護(hù)與使用

計算機(jī)工作站是進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、儲存、處理及對NMR控制柜實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制的操作臺。該波譜儀系統(tǒng)的計算機(jī)工作站使用solaris操作系統(tǒng)（vnmr 6.1C版本），可以有效防止病毒的感染。管理人員應(yīng)掌握Solaris操作系統(tǒng)和vnmr 6.1C版本軟件的安裝步驟，當(dāng)工作站系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，應(yīng)對操作系統(tǒng)和操作軟件進(jìn)行重裝。計算機(jī)工作站一般不需要關(guān)機(jī)，工作站工作時要保證良好的工作環(huán)境，散熱要良好，否則容易造成硬盤損壞。應(yīng)定期對NMR原始數(shù)據(jù)進(jìn)行清理，以釋放出足夠的硬盤空間，保證計算機(jī)工作站運(yùn)行速度。

3.6 UPS電源維護(hù)

該波譜儀系統(tǒng)采用的不間斷供電電源（UPS）為山特C3KS長效機(jī)型，負(fù)荷標(biāo)準(zhǔn)為3kVA?？梢詫?shí)現(xiàn)市電模式和電池模式0ms的切換，保證意外斷電時處于工作狀態(tài)的波譜儀不受影響。UPS工作環(huán)境溫度應(yīng)在0～40℃之間，應(yīng)保證周圍通風(fēng)良好，遠(yuǎn)離水、可燃?xì)怏w和腐蝕劑等。UPS電池使用壽命一般為3到5年，發(fā)現(xiàn)電池狀況不佳時，聯(lián)系廠家提早更換。

4 結(jié)束語

NMR波譜儀作為一種非常重要的昂貴的大型科研設(shè)備，在許多研究領(lǐng)域及許多交叉學(xué)科領(lǐng)域具有非常重要的地位，發(fā)揮著不可或缺的作用。NMR原理和儀器設(shè)備涉及量子力學(xué)、電學(xué)、磁學(xué)、低溫物理、化學(xué)等相關(guān)領(lǐng)域的知識，作為管理使用人員應(yīng)該掌握相關(guān)原理和儀器系統(tǒng)所有零部件及輔助設(shè)備的保養(yǎng)維護(hù)知識。在維護(hù)和使用過程中，做到精心、細(xì)心、科學(xué)、周到，為其正常、高效運(yùn)轉(zhuǎn)提供保障，使其在各項(xiàng)科研工作中發(fā)揮越來越多的作用。

［1］Stefan B，Siegmar B，陶家洵，李勇，楊海軍 .核磁共振實(shí)驗(yàn)200例 .北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2008：1－5.

［2］呂梅香，汪朝陽，蔣臘生 .實(shí)驗(yàn)室科學(xué)，2009，4（2）：161－163.

［3］黃茂開 .分析儀器，1984，（1）：84－46.

［4］劉正琦 .中國實(shí)用醫(yī)藥，2007，35（2）：155.

［5］龐田富，伍志勇 .Intelligence，2010，4（1）：44