Varian MercuryPlus400型核磁共振波譜儀1H／19F／13C／31P四核探頭的調(diào)諧

張靜文 陳會英 權(quán)春善 劉長建 孫天竹 姜 波 張樹彪 胡文忠

（大連民族學院 生命科學學院，大連116605）

隨著脈沖傅里葉技術(shù)的應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、物理、生物、醫(yī)學、材料等領域必不可少的、強有力的工具，并被逐漸普及。尤其是在有機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。核磁共振領域最近兩次獲得的諾貝爾獎，即2002年的蛋白質(zhì)NMR波譜學和2003年的NMR在醫(yī)學領域的應用，就是對NMR領域重要性的有力證明［1］。使用高場超導核磁共振波譜儀分析樣品時，要得到較好的信噪比且使某些高級實驗得到所有有意義的結(jié)果，就必須將探頭準確調(diào)諧到特定待測樣品的觀測頻率上，這是為了獲得高質(zhì)量譜圖的第一步。準確的調(diào)諧還可減少能量的反射，保護功放和探頭，并獲得最佳的靈敏度和最小的90度脈沖寬度。核磁探頭的調(diào)諧電路通常由兩個調(diào)節(jié)旋鈕影響的電容構(gòu)成，這兩個調(diào)節(jié)旋鈕分別為調(diào)諧（tune）旋鈕和匹配（match）旋鈕，其中一個是用于調(diào)節(jié)電路達到預想的共振頻率（tune），另一個完成必要的網(wǎng)絡阻抗匹配任務（match）。這兩個電容之間相互影響，必須輪流調(diào)節(jié)。通常情況下，對于四核探頭來講，高頻通道不需要重新調(diào)諧，而低頻通道一般只需要略作調(diào)節(jié)即可。調(diào)諧好的四核探頭無需干預便能實現(xiàn)不同核之間的切換，操作者只需要通過計算機輸入觀測核的頻率，即可在不同檢測核的頻率之間自動切換。但作者在對儀器進行校正時發(fā)現(xiàn)，如果長時間不重新對四核探頭檢查調(diào)諧，可能會導致測定的90度脈沖異常增大，利用不準確的調(diào)諧和異常的90度脈沖進行實驗，會導致實驗結(jié)果不理想，并很可能對探頭和功放造成損傷［2］。因為四核探頭特殊的構(gòu)造，一點輕微的調(diào)諧改動，就有可能使其同一通道兩個核之間完全失去其微妙的平衡，導致實驗無法進行，所以儀器廠家工程師一般不建議對四核探頭進行調(diào)諧，因此到目前為止作者沒有檢索到相關方面的文獻資料。本文就如何對Varian1H／19F／13C／31P四核探頭在MercuryPlus 400型核磁共振波譜儀上進行準確調(diào)諧進行研究探索。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

1.1.1 材料

對儀器探頭進行調(diào)諧時，可以采用任意樣品，考慮到本實驗室大多數(shù)樣品為非極性樣品，因此采用CDCl3為溶劑的有機化合物樣品。對儀器探頭實驗參數(shù)進行校正時采用的標準樣品為1%13CH3I，0.2%Cr（AcAc）in CDCl3，5mm核磁管密封，樣品編號為00－968120－96。

1.1.2 儀器

本實驗在Varian MercuryPlus 400型核磁共振波譜儀上進行，采用探頭為Varian1H／19F／13C／31P四核探頭。

Varian1H／13C／19F／31P四核自諧探頭，具有高頻、低頻兩個通道，兩個通道各自分別與兩個核同時調(diào)諧，其中高頻通道同時對1H、19F兩個高頻核調(diào)諧，低頻通道同時對13C、31P兩個低頻核調(diào)諧；同一通道兩個核的調(diào)諧相互影響，不同通道之間則是獨立調(diào)諧。

Varian1H／13C／19F／31P四核自諧探頭的調(diào)諧通過探頭底部的調(diào)諧鈕進行（見圖1），UP字樣標記通道對應高頻通道，DOWN字樣標記通道對應低頻通道，兩個通道之間相互獨立，互不影響。匹配（match）功能通過底部光滑的調(diào)節(jié)鈕實現(xiàn)，滾花旋鈕則控制調(diào)諧（tune）功能，有兩個位置可以進行調(diào)諧操作：調(diào)諧鈕完全下拉的DOWN位和調(diào)諧鈕完全上拉的UP位。

圖1 Varian 1 H／13C／19F／31P四核自諧探頭調(diào)諧鈕示意圖

1.2 實驗方法

1.2.1 探頭調(diào)諧方法

在Varian Mercury plus 400型譜儀上，采用vnmr6.1C版本操作軟件，有兩種方案可以用于探頭調(diào)諧，一種是常規(guī)的反射計方法，一種是較新的qtune探頭調(diào)諧軟件。當系統(tǒng)設定為調(diào)諧模式后，從探頭反射的能量傳到定向耦合器并被接收電路檢測，通過反射計讀出或通過qtune圖形軟件讀出。良好的調(diào)諧要求在觀測頻率反射的能量最少。采用反射計方法時，在tune模式反射計讀數(shù)最小即為調(diào)諧準確；采用qtune探頭調(diào)諧軟件方法時，利用軟件將反射的能量對頻率作圖，在計算機屏幕上跟蹤顯示，給出匹配和共振頻率的直觀信息，獲得波形曲線的共振最低點即為調(diào)諧準確。

本實驗對Varian1H／19F／13C／31P四核探頭在MercuryPlus 400型核磁共振波譜儀上的調(diào)諧采用反射計讀數(shù)方法。

1.2.2 探頭校正方法

本實驗對Varian1H／19F／13C／31P四核探頭在MercuryPlus 400型核磁共振波譜儀上的實驗參數(shù)校正采用Glide法，1H核和13C核90度脈沖預設值均設為12。

2 結(jié)果與討論

2.1 四核探頭調(diào)諧原理

對于四核探頭高頻和低頻兩個不同通道來講，各個通道的調(diào)諧鈕處于DOWN位和UP位時功能不完全相同。

對高頻（紅色標記）通道來講，當調(diào)諧（tune）旋鈕處于DOWN位時，調(diào)節(jié)調(diào)諧旋鈕時，兩個高頻核（1H／19F）的共振頻率同時移動，順時針方向調(diào)節(jié)調(diào)諧旋鈕導致頻率增加。在UP位時，調(diào)節(jié)調(diào)諧旋鈕導致頻率間隔改變，順時針調(diào)節(jié)旋鈕增加頻率間隔，同時也改變共振頻率。高頻通道進行調(diào)諧操作時，調(diào)諧鈕處于DOWN位和UP位時，兩個高頻核的共振頻率特征如圖2所示。

圖2 1 H／19F高頻通道調(diào)諧特征

對低頻通道（綠色標記）來講，當調(diào)諧鈕處于DOWN位時，主要改變低頻核中頻率較低的13C核的共振頻率，順時針方向調(diào)節(jié)旋鈕增加13C的共振頻率，當調(diào)諧鈕處于UP位時，主要改變低頻核中頻率較高的31P核的共振頻率，順時針方向調(diào)節(jié)旋鈕增加31P核的共振頻率。低頻通道進行調(diào)諧操作時，調(diào)諧鈕處于DOWN位和UP位時，兩個低頻核的共振頻率特征如圖3所示。

圖3 13C／31P低頻通道調(diào)諧特征

2.2 四核探頭調(diào)諧步驟

Varian1H／13C／19F／31P四核探頭高頻和低頻兩個通道調(diào)諧的步驟不完全相同，對高頻通道調(diào)諧的步驟如下。

首先確定連接探頭1H／19F通道的連接線已經(jīng)處于調(diào)諧通道，如果采用qtune模式，確定qtune采樣通道連接線處于調(diào)諧模式，從H1核的調(diào)諧開始。

調(diào)入s2pul脈沖序列，鍵入tn＝’H1’subtune，

確定反射計的讀數(shù)計處于tune位置，并將讀數(shù)計放大級數(shù)調(diào)整到適當?shù)奈恢檬棺x數(shù)計讀數(shù)處于合適的讀數(shù)大小范圍內(nèi)。

鍵入tune off，

鍵入tn＝’F19’su btune，記下讀數(shù)計的讀數(shù)（1），鍵入tune off。

鍵入tn＝’H1’su btune，記下讀數(shù)計的讀數(shù)（2），使高頻通道調(diào)諧旋鈕（滾花旋鈕）處于DOWN位，調(diào)節(jié)滾花旋鈕使反射計讀數(shù)最小。鍵入tuneoff。

鍵入tn＝’F19’su btune，檢查讀數(shù)計讀數(shù)，如果讀數(shù)明顯小于讀數(shù)1和2，則使?jié)L花調(diào)諧旋鈕交替處于UP和DOWN位，調(diào)節(jié)滾花旋鈕使讀數(shù)計讀數(shù)降到最低。鍵入tuneoff。注意這一步驟不要調(diào)節(jié)光滑的匹配（match）旋鈕。

檢驗以上調(diào)節(jié)是否使探頭達到指標，即讀數(shù)計放大級數(shù)處于6位時，讀數(shù)小于10。只有確定以上調(diào)節(jié)不能達到指標時，方能進行接下來的調(diào)節(jié)步驟。

鍵入tn＝’F19’su btune，使高頻通道滾花調(diào)諧旋鈕處于DOWN位，調(diào)節(jié)滾花旋鈕使讀數(shù)計讀數(shù)減小。接著調(diào)節(jié)光滑匹配旋鈕使讀數(shù)計讀數(shù)減小。在DOWN位輪流調(diào)節(jié)調(diào)諧旋鈕和匹配旋鈕，使讀數(shù)計讀數(shù)最小，鍵入tune off。

鍵入tn＝’H1’su btune，使高頻通道滾花調(diào)諧旋鈕處于UP位，調(diào)節(jié)調(diào)諧旋鈕使讀數(shù)計讀數(shù)減小。接著調(diào)節(jié)匹配旋鈕使讀數(shù)計讀數(shù)減小。在UP位輪流調(diào)節(jié)調(diào)諧旋鈕和匹配旋鈕，使讀數(shù)計讀數(shù)最小，鍵入tune off。

重復所有以上調(diào)諧的步驟，直到符合儀器指標，即讀數(shù)計放大級數(shù)處于6位時，讀數(shù)小于10。也可以通過qtune軟件進行調(diào)諧，可以更為直觀地跟蹤調(diào)節(jié)調(diào)諧旋鈕和匹配旋鈕對頻率和反射能量的影響；采樣qtune軟件輸入qtune（gain，power）命令時，對1H核進行調(diào)諧時，在該儀器上，設定gain＝15，power＝15；對19F調(diào)諧時，設定gain＝10，power＝10。

對低頻通道調(diào)諧的步驟如下。

首先確定連接探頭13C／31P通道的連接線已經(jīng)處于調(diào)諧通道，并將1／4波長線換成31P的1／4波長線，如果采用qtune模式，確定qtune采樣通道連接線處于調(diào)諧模式，確定反射計的讀數(shù)計處于tune位置，從13C核的調(diào)諧開始。

調(diào)入s2pul脈沖序列，鍵入tn＝’13C’su btune，調(diào)整讀數(shù)計放大級數(shù)到適當位置使讀數(shù)計讀數(shù)處于合適的讀數(shù)大小范圍內(nèi)。使低頻通道調(diào)諧（tune）鈕處于DOWN位，調(diào)節(jié)調(diào)諧鈕和匹配鈕使讀數(shù)計讀數(shù)最小，鍵入tune off。

鍵入tn＝’31P’su btune，使低頻通道調(diào)諧旋鈕處于UP位，調(diào)節(jié)調(diào)諧旋鈕使讀數(shù)計讀數(shù)減小。接著調(diào)節(jié)匹配旋鈕使讀數(shù)計讀數(shù)減小，鍵入tune off。

重復以上步驟，反復調(diào)節(jié)13C和31P使讀數(shù)計放大級數(shù)處于6位時，讀數(shù)小于10。

再重新調(diào)節(jié)13C核，鍵入tn＝’13C’su btune，緩慢逆時針調(diào)節(jié)匹配旋鈕使讀數(shù)計讀數(shù)約為30～40，鍵入tune off。

也可以通過qtune軟件進行調(diào)諧，可以更為直觀地跟蹤調(diào)節(jié)調(diào)諧旋鈕和匹配旋鈕對頻率和反射能量的影響；采樣qtune軟件輸入qtune（gain，power）命令時，對1H核進行調(diào)諧時，在該儀器上，設定gain＝15，power＝15；對19F調(diào)諧時，設定gain＝10，power＝10。對13C調(diào)諧時，設定gain＝5，power＝5。對31P調(diào)諧時，設定gain＝2，power＝2。

調(diào)諧完成后，將1H／19F通道的連接線從調(diào)諧通道換回采樣通道，并鍵入su命令將改動輸入譜儀。

2.3 探頭參數(shù)校正結(jié)果

為了獲得最好的探頭性能，調(diào)諧是否準確必須通過測定觀測核的90度脈沖來檢驗。本實驗中對四核探頭進行實驗參數(shù)校正采用標準樣品1%13CH3I，0.2% Cr（AcAc）in CDCl3（編號為00－968120－96）。

表1給出了對探頭檢查調(diào)諧前后測得的探頭實驗參數(shù)90度脈沖pw90值和相應的反射功率tpwr值，實驗中對探頭進行校正時均采用同一標準樣品，調(diào)諧前后對探頭進行校正時1H核或13C核pw90預設值均相同。

表1 四核探頭調(diào)諧前后探頭實驗參數(shù)校正結(jié)果

從表1給出的探頭實驗參數(shù)校正結(jié)果可以看出，發(fā)射功率相同時，調(diào)諧檢查前（調(diào)諧不準確），對1H核來講，90度脈沖為12s，對13C核來講，90度脈沖為14.4s；調(diào)諧檢查后（調(diào)諧準確），對1H核來講，90度脈沖從12s降低到11.6s，對13C核來講，90度脈沖從14.4s降低到11.3s。該實驗結(jié)果說明，探頭經(jīng) 準確調(diào)諧后，無論 對1H核還是對13C核來講，其90度脈沖值均降低，說明探頭性能進一步優(yōu)化，從90度脈沖值降低幅度來講，探頭經(jīng)準確調(diào)諧后，13C核90度脈沖降低幅度更大，說明對探頭低頻通道的調(diào)諧更為有效，這一實驗結(jié)果也進一步說明就四核自諧探頭來講，如果長時間不進行調(diào)諧檢查，無論高頻通道還是低頻通道都會有偏差，但是高頻通道偏差不大，而低頻通道則會有較大的偏差。所以通常情況下，為了獲得高質(zhì)量譜圖，對于四核探頭來講，高頻通道不需要重新調(diào)諧或者微調(diào)即可，而低頻通道一般需要檢查調(diào)諧，尤其是當樣品溶劑極性變化較大時，例如當樣品從有機溶劑變?yōu)楹}水溶液時，通常情況下，應該對探頭檢查調(diào)諧，以免調(diào)諧不準確對探頭和功放造成損傷。

3 結(jié)論

本文 對Varian1H／19F／13C／31P四核探頭在MercuryPlus 400型核磁共振波譜儀上的調(diào)諧原理和程序及實驗結(jié)果進行了闡述。通常情況下，對四核探頭來講，高頻通道一般不重新調(diào)諧或者略作調(diào)節(jié)即可，而低頻通道一般需要檢查調(diào)諧。調(diào)諧好的四核探頭無需干預便能實現(xiàn)不同核之間的切換，操作者只需要通過計算機輸入觀測核的頻率，即可在不同檢測核的頻率之間自動切換。但是為了獲得高質(zhì)量的譜圖或者做一些高級譜實驗、長時間沒有對四核探頭進行調(diào)諧檢查、或者當溶劑極性變化比較大等情況下，需要重新對四核探頭檢查調(diào)諧；檢查調(diào)諧時，由于四核探頭特殊的構(gòu)造，一定要熟知調(diào)諧的原理和程序，以免發(fā)生調(diào)偏了核頻率無法進行實驗的情況；因為一點輕微的調(diào)諧改動，就有可能使同一通道兩個核之間完全失去其微妙的平衡，導致實驗無法進行。為了獲得最好的探頭性能，調(diào)諧是否準確必須通過測定觀測核的90度脈沖來檢驗，不增加發(fā)射功率的情況下觀測核的90度脈沖值降低說明調(diào)諧更準確。

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

［2］張丹瑩，陳會英，劉長建，等.Varian 400MHz超導核磁共振波譜儀的維護與使用.分析儀器，2014，（4）：99－103.