液體核磁共振波譜儀維護與管理

趙 璇， 李 孟， 王小蘭， 張志廣， 鄭曉珂， 馮衛(wèi)生

(1. 河南中醫(yī)藥大學 藥學院， 河南 鄭州 450046; 2. 河南中醫(yī)藥大學 呼吸疾病診療與新藥研發(fā)河南省協(xié)同創(chuàng)新中心, 河南 鄭州 45046)

液體核磁共振波譜儀維護與管理

趙 璇1,2， 李 孟1,2， 王小蘭1,2， 張志廣1,2， 鄭曉珂1,2， 馮衛(wèi)生1,2

(1. 河南中醫(yī)藥大學 藥學院， 河南 鄭州 450046; 2. 河南中醫(yī)藥大學 呼吸疾病診療與新藥研發(fā)河南省協(xié)同創(chuàng)新中心, 河南 鄭州 45046)

液體核磁共振波譜儀得到廣泛應用，在其使用方面需進一步加強規(guī)范管理和日常維護。總結了核磁共振實驗室維護和管理的原則以及近4年在操作、維護、管理上遇到的問題，提出了解決方法，并對儀器進行了更深一步的探索，以求發(fā)現(xiàn)新的核磁共振研究模式，使其在科研和教學中發(fā)揮更廣泛的作用。

核磁共振波譜儀； 規(guī)范管理； 日常維護

河南中醫(yī)藥大學是一所以中醫(yī)藥學科發(fā)展為特色，各學科協(xié)調發(fā)展的省屬綜合性本科高等院校。我校藥學院為發(fā)展中醫(yī)藥現(xiàn)代化，于2012年安裝完成并投入使用了一臺BRUKER AVANCE III 500MHz全數(shù)字化傅里葉超導液體核磁共振波譜儀，對教學、科研起到了促進作用。

該核磁共振波譜儀配備高性能主動屏蔽的超導核磁系統(tǒng)、射頻屏蔽機柜、5 mm BBO二合一正向觀察寬帶探頭以及5 mm Dual雙核探頭、NMR WINDOWS XP工作站等，另外還有能以正常和反向的方式進行測驗的接收通道、帶有自動調諧附件和Z梯度線圈、具有高精度的變溫實驗功能等，操作軟件采用Topspin3.0自助測試操作界面?，F(xiàn)已有效地操作運行4年多，每年運行機時數(shù)超過8 000 h。譜儀主要用于有機化學、無機化學、藥物化學、物理化學、材料化學等研究領域[1]，測定有機物、無機物、天然藥物等物質的基本化學結構、空間結構、化學反應動力學研究、混合物成分鑒定等。

我校核磁共振技術主要用于藥物化學、有機化學、生藥學等專業(yè)的本科生、研究生以及教師的教學、科研工作，利用十分廣泛。在4年多的時間里，對于核磁共振實驗室的管理、樣品測試、樣品處理等方面總結出了實驗室管理的有效經(jīng)驗，以及不斷探索新模式提高該儀器的使用價值。

1 建立及規(guī)范儀器管理制度

我校自設備安裝時就配備了專職人員跟隨核磁工程師進行學習，安裝完成后由專職人員主要負責核磁共振波譜儀的管理、操作以及維護。根據(jù)實驗室的有關要求，建立了專職負責人制度，并嚴格制定并規(guī)范了該儀器的管理和維護條例。如在測試樣品方面，送樣人和測試人均需要做好測試登記工作，將測試時間、樣品名稱、所用氘代試劑以及操作人員情況等要詳細登記在冊，方便隨時查閱。除此之外，還制定了合理的有償使用規(guī)定，核磁室收支單獨管理。

儀器的良好維護直接關系到其使用的有效率。核磁共振實驗室需要保持清潔的環(huán)境、室內溫度需要常年保持在20 ℃左右；室內濕度不能超過50%、主機濾網(wǎng)每2周需沖洗一次、儀器腔體需要維持低溫狀態(tài)才能保持磁場的穩(wěn)定，所以每周都要向腔內充加液態(tài)氮氣，每3個月要充加液態(tài)氦氣等。

嚴格的管理和維護制度在很大的程度上保障了該儀器的正常運行，以及為教學和科研提供良好的服務。

2 半開放式實驗室與學生自主操作

核磁共振實驗室雖由專人負責樣品測試，也逐漸開始培養(yǎng)學生自主測樣的能力，現(xiàn)已實現(xiàn)實驗室的半開放模式。對于相關專業(yè)的本科生，實驗室主要組織其參觀學習，結合課堂上的知識，了解核磁共振波譜儀的結構原理以及工作流程。相關專業(yè)的研究生和博士研究生除了掌握以上的知識外，還要求學習核磁操作和維護，做到自主測樣。如今在專職人員有課時安排或其他要務時，均由具備操作知識技能的學生進行測樣，除正常的工作時間外，部分學生也可以進行樣品測試。這樣既讓學生有更多學習核磁測試知識的機會，又提高了儀器的利用率。如今，很多院校都實現(xiàn)了核磁實驗室的全開放式測樣[2-5]，我校實驗室也結合自身樣品接收情況，不斷學習與完善。

3 實驗操作中常見問題及解決方法

自從儀器開始運行至今，遇到過很多問題，有些是由于操作不當，有些則是樣品問題。對于這些問題，應多與工程師進行溝通，加深對核磁機器本身的理解。一般的核磁共振實驗操作包括鎖場(lock)、調諧(atma)、勻場(topshim)、讀取設備參數(shù)(getprosol)、去除增益(rga)、測試(zg)以及圖譜處理。其中鎖場和勻場經(jīng)常出現(xiàn)報錯，測試結果也經(jīng)常由于處理不當而導致解譜困難，在此將部分常見問題及應對方法進行了總結。

3.1 鎖場報錯

當遇到無法鎖場的情況時，系統(tǒng)通常出現(xiàn)報錯，其多數(shù)是因為操作不當引起的。氘代試劑選擇錯誤、核磁管外壁有污漬、樣品管與轉子不符合量規(guī)等都會出現(xiàn)報錯欄彈出。

(1) 氘代試劑的選擇。應先檢查鎖場溶劑是否選擇正確，需選擇溶解樣品所用的氘代試劑來鎖場。若為混合溶劑，則選擇含量較多的溶劑進行鎖場。例如在進行重氫交換法確認活潑氫時，0.5 mL的氘代DMSO-d6中需加入0.05 mL的氘代水以去除1H-NMR圖譜中的活潑氫信號，此時就應利用含量較多的DMSO-d6進行鎖場。溶劑為DMSO-d6的樣品由于凝固點為18.4 ℃，容易凝固為固體。若核磁管中溶劑凝固，則無法鎖場。因此這類樣品放入機器之前需保證為液體狀態(tài)，測試時注意控溫，在溫度穩(wěn)定達到所定標準之后再放入核磁管。

(2) 檢查核磁管外壁是否有污漬。若有試劑殘留，不僅會鎖場困難，殘留的試劑還可能對核磁內腔及探頭造成腐蝕。通常測樣前先用干凈的棉布將核磁外壁擦拭干凈再放入機器。

(3) 轉子裝備問題。核磁管裝備轉子時，若沒有卡緊，轉子可能從核磁管滑落，也會造成無法鎖場的情況。所以核磁管與轉子要卡緊才能放入機器，若轉子過大或核磁管過細，可以用封口膜填充縫隙或直接更換核磁管。核磁管安裝轉子后，樣品高度要符合量規(guī)所標示的橫線，不能過高或過低。若高于橫線可能會使探頭無法檢測到樣品，若低于橫線則可能使核磁管撞擊探頭，導致核磁管破裂繼而對探頭造成污染。

(4) 其他問題。磁體中腔長期使用會進入灰塵等雜質，導致核磁管無法進入探頭勻場線圈位置，這時應找工程師清洗中腔。探頭中石英中管損壞或污染，此時應通知核磁工程師進行清理[3]。

檢查是否忘記停止上一個實驗。若上一個實驗沒有到所設置時間，一定要停止實驗后再放入新的樣品進行測試。

3.2 勻場報錯

鎖場結束后一般在操作機器勻場階段遇到報錯的情況較多。先檢查核磁管中溶劑量是否過少，需要添加至少0.5 mL的氘代試劑再進行測樣。

勻場報錯通?？筛鶕?jù)錯誤內容進行判斷。若由于磁場問題報錯，可輸入“rsh(read shim file)”指令讀取最近一次已存儲的勻場數(shù)據(jù)。如果系統(tǒng)提示勻場失敗，多數(shù)情況下是由于勻場時或場值偏離正常值較大而造成的。此時便可輸入“rsh”指令解決；若是機器連接出現(xiàn)問題，比如進行長時間測樣后，系統(tǒng)常會出現(xiàn)數(shù)字化接收單元DRU(digital receiver unit)模塊報錯，可輸入“cf”指令，將電腦與核磁主機的各個部件以及通道重新連接后方可解決。若操作之后還未解決問題，需重新啟動核磁主機。

3.3 控溫報錯

打開空壓機后，需等待一會兒，觀察核磁主機機柜的壓力表是否已經(jīng)達到0.5 MPa，達到標準后再在計算機上進行控溫操作。若壓力沒有達標就進行控溫，系統(tǒng)會持續(xù)報錯，需重新啟動機器方可解決。

3.4 圖譜不出峰

圖譜不出峰一般由于2方面原因，一是樣品原因：樣品量過小(圖1)或為無機物。從圖1中可以看出，由于樣品量過小，基線和溶劑峰對樣品影響變大，造成積分數(shù)值出現(xiàn)偏差，且遮擋部分樣品峰，解譜困難。故實驗室規(guī)定：在一般情況下，測試1H-NMR譜需至少2 mg/mL樣品且保證純度，測試13C-NMR至少8 mg/mL樣品且保證純度。二是操作原因：測試之前沒有讀取設備中參數(shù)值至目前的收信參數(shù)檔，解決方法只需在命令欄輸入“getprosol”指令將系統(tǒng)參數(shù)讀取至目前所測樣品的參欄內所，再進行測試即可。實驗人員只需要觀察溶劑峰是否出現(xiàn)，若溶劑峰出現(xiàn)，但沒有樣品峰，則為樣品原因，若2者都沒出現(xiàn)則為操作原因。

圖1 0.6 mg/mL樣品及其放大64倍后1H-NMR圖譜對比

3.5 峰型不裂分或裂分峰型差

峰型是解譜的重要依據(jù)，而實驗中常常出現(xiàn)不裂分或裂分峰型差的情況，此時先觀察溶劑峰的裂分情況：若溶劑峰裂分較好，樣品峰裂分差，數(shù)目形狀不符合n+1規(guī)則，可能是由于樣品濃度過大，解決方法只需將樣品用氘代試劑稀釋即可；若溶劑峰和樣品峰都不裂分或峰型較差，一是可能由于磁場不穩(wěn)定，這種情況需要多次輸入“topshim”指令對磁場Z軸進行自動勻場，也可在“topshim gui”指令欄中選擇對磁場各個方向進行勻場方可解決；二是由于樣品中含有磁性物質、金屬等雜質，解決方法是將樣品進行過濾或純化。如圖2所示，上方1H-NMR圖譜中的樣品殘留微量金屬催化劑，下方則為經(jīng)過硅膠柱純化處理后的該樣品1H-NMR圖譜，純化后峰型和裂分程度加強，更有助于圖譜解析。

圖2 樣品(金屬催化劑殘留)和純化后樣品的1H-NMR圖譜對比

4 探索新模式提高儀器使用價值

我校核磁共振波譜儀多數(shù)用于有機化合物和天然產(chǎn)物的結構測定，但其利用價值并不局限于此。比如用核磁共振波譜儀對藥物進行含量測定以及定量分析[6-7]、中藥以及中成藥的核磁共振指紋圖譜研究[8-9]、中藥的質量評價、代謝組學研究[10]以及有機化學中反應機理的研究也用到了核磁共振[11]等。這些方面的研究，我校的核磁共振波譜儀均有所涉及，但技術還不夠成熟，希望在以后的時間里利用核磁共振在科研方面進行更深一步的探索，以求發(fā)現(xiàn)新的核磁共振研究模式。

5 結語

核磁共振波譜儀是我校利用率極高的大型儀器之一，多年來協(xié)助完成了多項科研項目，發(fā)表多篇SCI以及國家核心期刊論文[12-13]，為提高科研和教學質量做出了貢獻。4年多的時間里，實驗室也在逐漸學習、完善，發(fā)現(xiàn)問題并積極解決問題。目前我國高校核磁共振波譜儀的數(shù)量逐年上升，核磁的應用也越來越廣泛，在此也希望與同行互相探討。作為管理人員，應以認真、細致地把工作落在實處，保證儀器安全、高效運行為前提，努力使儀器設備在科研中發(fā)揮更廣泛的作用。

References)

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[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.

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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

科學技術部國家重點基礎研究發(fā)展計劃 “973計劃” 項目 (2013CB531802)

趙璇(1988—)，女，河南鄭州，本科，實驗員，主要研究領域為中藥化學及核磁共振技術

E-mail：lilas616@hotmail.com

馮衛(wèi)生(1960—)，男，河南林州，博士，教授，主要研究領域為中草藥活性成分及新藥開發(fā).

E-mail：fwsh@hactcm.edu.cn

G644

A

1002-4956(2017)06-0271-04