JNM-ECZ400S/L1 核磁共振波譜儀的管理與維護

黃艷萍，田 文

（四川大學 化學工程學院工程實驗教學中心，成都 610064）

核磁共振波譜儀可用來鑒定有機化合物結構、監測反應動態、研究分子間相互作用方式[1-3]，是有機化學[4]、制藥工程[5]、醫學[6]、環境化學[7]等領域不可或缺的高端精密儀器，發揮著極其重要的作用。四川大學化學工程學院的制藥工程專業涵蓋藥物分析、天然藥物技術及工程、藥物及制藥中間體合成共工藝、新材料與新制劑研究與開發和生物制藥等方向，對核磁共振波譜儀的需求與日俱增[8-10]。2018 年前，學院的核磁測試依賴于學校分析測試中心、高分子學院和化學學院的核磁共振波譜儀，但由于這些單位測試量大，無法及時滿足測試需求，且學院部分課題組開始常駐江安校區，跨校區送樣使得測試極為不便。為了滿足學院的核磁測試需求，學院于2018 年利用“雙一流”經費購置了一臺400 MHz 核磁共振波譜儀（型號為JNM-ECZ400S/L1），該核磁共振波譜儀具有2 個射頻發射通道、氘核鎖場及氘核梯度自動勻場附件和高精度變溫實驗功能等，配制了一套64 位自動進樣器。2020 年7 月核磁安裝完畢，正式投入使用。核磁價格昂貴，維修維護成本高，然而日本電子生產的核磁在國內的市場份額較少，目前還沒有太多可供參考的維護經驗。因此本文從日本電子核磁的實際使用情況，對其管理、維護以及日常故障解決方法進行了總結，以期為同行提供可供借鑒的經驗。

1 核磁共振波譜儀的管理

1.1 核磁管的選擇和樣品要求

想要得到理想的核磁數據，核磁管的選擇和合適的樣品至關重要。盡可能選擇經濟承受范圍以內的最高質量核磁樣品管。樣品管的直徑與核磁探頭的線圈直徑相匹配。在任何情況下，絕對不能使用比探頭線圈直徑大的樣品管。價格便宜的樣品管管壁厚度不一，這種不均勻性使得樣品在勻場過程中很難甚至不可能達到很好的狀態。同軸性、曲面、橫截面的不均勻性都限制了數據的質量。

對液體核磁，樣品純度越高越好，至少大于95%，無鐵屑、灰塵、濾紙毛等雜質，樣品的濃度則需要選擇一個合適的值。太稀會導致數據采集的時間延長，而樣品太濃則會因黏度過高導致信號峰增寬。在5 mm 直徑的核磁管里，體積為0.6～0.7 mL 的溶液最適宜。

1.2 安全管理

核磁室的安全隱患來源主要有磁場影響、液氮和液氦的揮發和低溫性、氘代試劑的揮發性和數據安全等[11-12]。針對這些特點，學院在房間貼有警告標示，嚴禁體內有鐵磁性物件（心臟起搏器或金屬關節等）、攜帶鐵磁性物品（手機、手表、鑰匙等）、攜帶各種磁卡（銀行卡、校園卡等）、攜帶各種鐵磁性工具（鐵錘、鉗子等）的人員靠近磁體。此外，房間內安設有氧氣濃度監測表，隨時查看氧氣濃度，避免產生窒息的風險。液氮和液氦的添加由供應商的專業人員進行添加，要求必須帶上防凍手套。由于房間內無法安裝通風櫥等設備，要求測試人員不得在房間內進行加樣操作，測試結束后立即將核磁管帶離實驗室。為了保證操作電腦的安全，核磁室建立了操作電腦和數據電腦的部分文件共享，要求用戶僅能在數據電腦上進行數據拷貝。

1.3 環境管理

核磁房間的陳列如圖1 所示。核磁房間常年保持在22 ℃，窗戶保持關閉，拉上窗簾，避免陽光直曬，新風系統常年啟動，房間內配備2 臺除濕機。此外，核磁房間周圍不能有振動、強磁場的干擾，否則必須對房間進行防磁處理。核磁房間安裝了不間斷攝像，以便實現對核磁室的實時監控和出現問題進行及時溯源。

圖1 核磁房間陳列圖

1.4 測試和開放共享管理

對于核磁測試的樣品，要求選用適配探頭的5 mm 核磁管，不得選用有裂紋和變形的核磁管，嚴禁測試磁性樣品。針對學院的實際情況，采取每個課題組派遣1～2 名碩博士生進行培訓，經過上機考核合格后方能上機測試的方式。核磁房間配有門禁和實時監控。通過學院的共享設備預約平臺，用戶提前一天提出測試申請，通過導師審核、中心審核和設備管理員審核的流程，用戶即可同時獲取測試許可和測試時間段的門禁許可。

2 核磁共振波譜儀的維護

2.1 磁體維護

對于核磁共振波譜儀，最重要的部件就是超導磁體。超導線圈在磁體中是浸泡在-269 ℃的液氦中，液氦價格昂貴，為了減少液氦的消耗，因此在液氦外層灌注液氮。日本電子Delta 軟件每天會在固定時間記錄液氮和液氦的剩余量，可通過觀測剩余量來判斷是否需要添加液氮和液氦。目前，學院的JNM-ECZ400S/L1 型號400 MHz 核磁液氮一周的消耗量大約是35%左右，和供應商簽訂購銷合同，每周定時補充液氮，每次加注量約為50～60 L 左右。液氦一個月的消耗量約為7%，6～7 個月左右補充一次液氦，按照120 L 的滿量計算，每次加注量約為60～70 L 左右。為了減少液氮和液氦的消耗，且溫度的變化還會對磁體的穩定性產生影響，因此核磁房間常年需要保持在穩定的適宜溫度下。配備一個空樣品，每次測試完成后提交空樣，不做任何測試，不僅可以及時把測試樣品替換出來，還可以減少灰塵進入磁體，降低探頭的維護頻率。

2.2 機柜維護

機柜是電子設備，主要是需要溫濕度適宜、防塵、防潮和防斷電。目前核磁房間內配制2 臺除濕機，保證濕度在30%～70%之間。每周定期用吸塵器除塵，保持房間的干凈。此外給機柜配制了一套UPS 不間斷電源，保證在停電狀態下可供儀器正常運行1 h，為正常關機提供充足的時間。

2.3 定期勻場

核磁需要定期勻場，均勻穩定的磁場才能保證足夠的分辨率。日本電子核磁勻場一般采用自動梯度勻場。在測試賬戶下，選用標準樣品CHCl3/Acetone-d6，輸入樣品信息、溶劑等，將樣品load，打開interaction，在spin 的狀態下進行自動勻場。需要注意的是，system type 需要選擇為homospoil，nucleus 為2H。如果進行過無氘代核磁實驗，需要將參數復原，否則無法勻場。勻場范圍為30%～70%，勻場次數為4 次。自動勻場后，觀察最后一次的勻場結果，縱軸強度在±0.1%，提交lineshape 實驗，通過計算后，如果50%、0.55%和0.11%峰寬分別小于0.5、6、12 Hz，表示勻場很好。提交氫譜測試，如果磁場的X、Y軸場漂造成圖譜旋轉邊帶過大時，需要進行手動勻場。手動勻場一般儀器安裝半年內需要調整，磁體穩定后基本不需要調整。手動勻場仍采用CHCl3/Acetoned6標準樣品，樣品不旋轉，選擇勻場組到X，XZ，Y，YZ，用5X 倍率進行調整，使得鎖場值達到最大。選擇勻場組X-Y-X-XZ-Y-YZ-X-Y和勻場組Y，采用同樣的方法，使得鎖場值達到最大。進行自動梯度勻場后，最后測氫譜看是否正常。

3 常見故障及處理方法

3.1 勻場失敗

勻場失敗是核磁測試中最常出現的問題。JNM-ECZ400S/L1 核磁中常見的報錯信息一般為“ Gradient shim FATAL: shim z6,-34.94121[Hz]exceeds the lower limit,-20[Hz]!”。其中，z軸和數值不定。造成勻場失敗的原因是多方面的，首先需要排除磁體本身和軟件設置的問題。確認勻場參數設置中的system type、nucleus 和solvent 等參數，看是否設置正確。用標樣勻場后仍勻不過則需要先勻z1～z4，再勻z5 和z6，最后再進行全部勻場，或者調取之前保存得較好的system shim。標樣勻場效果好則說明磁體本身沒有問題。如果不是磁體本身和軟件的原因，則一般是樣品的原因。樣品的濃度過高或者過低、樣品的液面高度是否合適、樣品是否是澄清透明的溶液（有無凝固、沉淀物或者懸浮物等）或含有金屬或磁性雜質等情況都會造成勻場失敗，需要測試人員進行判斷后進行處理。

3.2 鎖場失敗

鎖場失敗時，報錯信息為“Falied to reach Lock State “AUTOLOCK”和“Experiment Interruption Requested by Spectrometer”。出現報錯后，首先確認樣品的氘代溶劑是否選擇正確。在interaction 中調入system shim，進行自動鎖場。如果仍無法自動鎖場，則放入CHCl3/Acetone-d6標準樣品，load system shim 后進行自動鎖場。鎖場成功后，再重新放入待測樣品進行勻場鎖場。值得注意的是，如果是樣品中含有磁性物質等原因造成的無法鎖場，則不能繼續測試。此外，如果使用CDCl3溶劑，溶劑量少時也會出現無法鎖場的現象，加入溶劑或者更換溶劑可以解決鎖場問題；如使用的混合溶劑，含氘量少時也會出現無法鎖場，則可以通過選擇更換含氘量多的溶劑作為鎖場溶劑。

3.3 任務無法進行

由于學院核磁所處的江安校區偶有電流不穩的情況，在遇到突然斷電的情況時，重新開機后出現過“Task not completed”和“Failed to set Sample Changer Slot to *”的錯誤報警。此時，不能進行樣品的eject 或者load 操作，且自動進樣器上顯示屏顯示異常，為“0”。經過檢查空壓機和機柜上的氣壓，確認氣壓正常。隨后發現樣品卡在了機械臂中，機械臂左邊有一撥片，如圖2 所示，掰動后即可手動釋放樣品，需提前用手接住樣品，樣品取出后即恢復正常。若是樣品沒有卡在機械臂里，則需要拆下探頭，取出核磁管。

圖2 自動進樣器的機械臂

3.4 其他故障

當軟件無法操作或者譜儀無法連接時，則需要檢查連接譜儀和操作電腦的網線是否斷開，打開Remote Maintenance Tool（Instrument），查看儀器狀態，如發現“Control service is running”，測試賬戶的狀態或重啟譜儀等操作。當樣品不能load時，首先檢查氣壓是否正常，確認點load 后樣品從磁體上方進入磁體后是否聽到樣品到底時一聲“噠”的聲音，如果不能聽到聲音，需要把譜儀里氣壓調到0.08 MPa 再load 樣品，如果不行則需聯系日本電子工程師。如果能聽到聲音，確認前置放大器上load 的黃燈是否亮起，如果不停和eject綠燈相互交替閃爍，則需要聯系日本電子工程師。

4 核磁管理效果與效益

學院的核磁共振波譜儀在投入使用一年多時間以來，已累計向17 個課題組提供測試服務?？茖W的管理確保了核磁的正常運行，核磁的年度機時約為1 000 h，測試樣品數5 000 多個，支持開設了6 個本科專業實驗，支撐發表了多篇SCI 論文，在6 個省/市/公司資助的科研項目中起到了不可或缺的作用。

5 結束語

目前，學院的核磁共振波譜儀的使用率并未達到飽和，與其他院校仍有一些差距。這是由多方面的原因造成的：最主要的原因是學院核磁地處的江安校區位置較為偏遠，在地理位置更為方便的望江校區有多臺核磁可供選擇，很多用戶不愿前來測試；另一方面，江安校區的核磁用戶不多，沒有足夠的測試需求。在《國務院關于國家重大科研基礎設施和大型科研儀器向社會開放的意見》要求下，學院今后將加大面向社會開放的力度，提高儀器使用率，產生更多的社會效益。此外，日后通過借鑒南開大學[11]、中國海洋大學[13]、蘭州大學[14]等的管理模式，進一步將核磁的管理科學化、便捷化。核磁的購置成本高，容易出現故障且維修費用高昂，需要認真負責細心的管理。核磁管理員應不斷學習、總結經驗，提高自身技能知識水平，提高核磁共振譜儀為教學、科研、社會服務的壽命。