1、前言:,波譜包括: 核磁共振 (NMR), 順磁共振 (ESR), 磁共振成像 (MRI), 核電四級矩共振 (NQR), 光磁共振 (LMR) 等幾種. 其中核磁共振 NMR 是化學(xué)研究上鑒定化合物結(jié)構(gòu)的利器, 在波譜儀器中最主要與常見, 將繼續(xù)是本次評議的重點. 順磁共振 ESR 檢測自由基單電子信息，涉及比較不穩(wěn)定與少見的化合物, 上次有詳細(xì)的評議; 其它比較少見的波譜儀器以后有機會再進行評議介紹. 本次對于核磁共振 NMR 的評議介紹有以下三個主題: 如何選購合適的核磁共振譜儀; 譜儀探頭的評議介紹; 譜儀廠商提供的培訓(xùn)情況,儀器供應(yīng)廠家,核磁共振譜儀價格比較昂貴 (近百萬到上千萬元人

2、民幣, 200-1000 兆赫茲赫茲超導(dǎo)譜儀), 使用的單位少 (幾百臺), 生產(chǎn)的廠家數(shù)目少 (三家左右). 目前生產(chǎn)檢測化合物結(jié)構(gòu)用的核磁共振譜儀的廠家有: 美國 Varian 公司 (2009 年下半年為安捷倫公司收購, 本評議仍以 Varian 公司稱呼): 在 1953 年推出首臺譜儀. 瑞士 Bruker 公司. 日本電子 Jeol 其他: 2002 年前曾短暫出現(xiàn)的美國超導(dǎo)王公司, 以及目前中科院武漢數(shù)學(xué)與物理所正主持研發(fā)生產(chǎn) 500 兆赫茲核磁共振譜儀,國內(nèi)市場狀況,在中國內(nèi)地, 目前核磁共振譜儀將近1000 臺, 近年來每年以近 七、八十 臺的速度增加中. 以上幾家公司在中國

3、的市場占有率: Varian 公司約占 2/5, Bruker 公司約占 3/5, 日本電子 Jeol 的譜儀數(shù)量不到 20臺, 中國國產(chǎn)譜儀正開展中. 中國自產(chǎn)的 NMR 譜儀進展是國人非常關(guān)注的事情. 幾年前國家列入重點開發(fā)計劃, 由武漢數(shù)物所領(lǐng)軍, 結(jié)合華東師范大學(xué), 廈門大學(xué)等幾個著名核磁共振單位與課題組, 集體研發(fā)組裝了兩臺 500 兆赫茲超導(dǎo)譜儀, 終于在 2009 年底組裝完成, 目前正進行硬件與軟件的最終測試. 我們展望下一次能進行國產(chǎn) NMR 譜儀的評議介紹, 并期望國產(chǎn)核磁共振譜儀能早日進入國內(nèi)外市場,評議 主題 (1). 如何選購合適的核磁共振譜儀,波譜評議的專家組成員,

4、 多經(jīng)常參與單位內(nèi)外的核磁共振譜儀采購評鑒或認(rèn)證工作. 在評議會議上, 都很感慨購買單位普遍存在不知道如何正確采購 NMR 譜儀, 有許多選錯譜儀型號或部件, 或由于經(jīng)費充裕而欲購不必要的部件等, 覺得有必要借此次核磁共振譜儀的評議機會向大家闡明注意要點.,儀器選購,采購核磁共振譜儀, 有以下要點需要進行評估與考慮: 譜儀場強的選擇 液氦腔體與樣品管腔體的大小 譜儀的操作系統(tǒng)比較 是否需要固體核磁 探頭選擇 有哪些型號選擇， 需要采購到哪個層級 采購探頭的數(shù)量 是否購買低溫探頭或微量探頭 其它零配件的采購考慮,儀器選購,譜儀的硬件組成: 主要構(gòu)成體為超導(dǎo)磁體, 機柜 (console), 探頭

5、, 控制和數(shù)據(jù)處理用電腦等。最貴重的是前面三項， 占譜儀費用的 80% 以上. 至于打印機, 空氣壓縮機, 自動進樣器, 自動供電系統(tǒng) UPS 等則屬于附屬零部件. 應(yīng)該評估自己單位的需要, 尤其是樣品的特殊性情況. 不同類型的單位對核磁共振的需求有明顯的差異, 進行咨詢時應(yīng)該注意高等院校, 科研院所, 藥物開發(fā)公司等不同單位需求的不同.,1. 譜儀場強的選擇:,自 1964 年迄今活躍在市場的超導(dǎo)磁體有 200, - 1000 兆赫茲赫茲等幾種. 1000 兆赫茲譜儀是 Bruker 公司在 2010 年最新研發(fā)推出的產(chǎn)品. 除了特殊單位與特殊需要, 估計國內(nèi)單位在短期未來內(nèi)不會涉及 950

6、 兆赫茲以上譜儀的采購. 800 兆赫茲譜儀, 中國內(nèi)地目前有 4 臺 (北京核磁中心, 武漢物理所, 安徽合肥某公司, 廈門大學(xué)), 都是 Bruker 公司生產(chǎn); 臺灣地區(qū)則有三臺, 為 Varian 公司生產(chǎn). 價格昂貴 (千萬人民幣), 不容易獲得國家主管部門許可. 700 兆赫茲介于800 兆赫茲與 600 兆赫茲之間, 屬于比較尷尬的立場, 從性價比考慮不是很值得.國內(nèi)有一些單位因 800 兆赫茲譜儀采購的困難, 改買了 700 兆赫茲譜儀. 600 兆赫茲譜儀是這三十年來一直流行的高檔次譜儀, 國內(nèi)外使用的單位很多, 性價比一直獲得大家的認(rèn)可. 600 兆譜儀對于大分子研究, 可

7、以做出相當(dāng)完整的工作. 如果加添低溫探頭, 檢測的靈敏度與分辨率可以達(dá)到將近 800 兆核磁譜儀的效果. 如果經(jīng)費許可, 可以考慮同時采購 600 與 400 兆赫茲兩臺譜儀, 在國內(nèi)外的采購上, 此組合采購是個知名的 package, 有特殊優(yōu)惠, 許多單位都如此采購. 可以主動咨詢廠商銷售人員.,譜儀場強選擇,500 兆赫茲譜儀可以開始對于大分子進行檢測, 但是效果與范圍有限, 不如 600 兆赫茲完整. 有些學(xué)校因經(jīng)費限制無法采購 600 兆赫茲譜儀, 但是也想初步涉獵一些大分子的研究工作, 這種情況才考慮 500 兆赫茲譜儀. 400 兆赫茲譜儀也是非常流行高檔的譜儀. 對于分子量小于

8、 1000 的化合物分子, 400 兆赫茲核磁共振譜儀可以做到非常好的效果. 其實從 2006 年起, 市場上已經(jīng)不流行 300 兆赫茲或以下的譜儀, 采購最低為 400 兆赫茲譜儀.,300 兆赫茲譜儀目前只有 Bruker 公司有提供, Varian 公司自 2006 年起以及不生產(chǎn)與銷售. 也因此導(dǎo)致 Bruker 公司的 300 兆赫茲譜儀售價比 10 年前不降反升, 目標(biāo)都推向 400 兆赫茲譜儀. 另外需要說明的是, 早期生產(chǎn)的300 兆赫茲譜儀的磁體沒有屏蔽場, 磁體占據(jù)使用空間大 (1.75 米半徑, 不能有電腦或鐵制品靠近). 400 兆赫茲譜儀 (含) 以上則都是超屏蔽磁體

9、, 磁場范圍就在磁體本身, 不會占用其他儀器的布置空間. 200 兆赫茲譜儀是最小的超導(dǎo)磁體, 用在小分子的檢測效果其實也很不錯. 譜圖都能為國內(nèi)外期刊接受. 不過, 目前市場已經(jīng)不供應(yīng) 200 兆赫茲譜儀.,2 磁體的腔體:,腔體有兩種, 裝液氦液氮的腔體, 以及進樣的樣品腔. 液氦腔體有兩種選擇. 一般建議選擇大腔體, 即液氦容量比較大的 (每次可添加 100 升左右液氦), 比較不會因液氦量不足導(dǎo)致磁體失超, 也可以省卻經(jīng)常添加液氦次數(shù)的困擾. 對于樣品腔, 絕大多數(shù)都是配合 5 mm 核磁樣品管的標(biāo)準(zhǔn)腔體, 即使 54 mm 常規(guī)樣品腔. 若需要經(jīng)常檢測雜核使用低頻探頭, 或需要考慮購

10、買配合 10 mm 核磁樣品管的樣品腔. 若以小型動物 (老鼠) 為檢測對象, 另有特殊型號樣品腔.,3 譜儀的操作系統(tǒng):,Varian 公司的譜儀使用 Unix 或 Linux 操作系統(tǒng); Bruker 公司以及日本電子 Jeol 則使用 Window 操作系統(tǒng). 對于一般檢測人員, 操作系統(tǒng)的影響不大; 但若對于譜儀管理人員, 操作系統(tǒng)的影響比較明顯, 因為涉及各種管理指令. Window 操作系統(tǒng)是大家非常熟悉的, 而 Varian 的 Unix / Linux 操作系統(tǒng)指令則十分復(fù)雜 (不過使用久習(xí)慣后也可以接受). 目前的 Unix 與 Linux 系統(tǒng)的一些操作, 也部分采取了類似

11、 window 的界面處理方式. Unix / Linux 在開放譜儀的管理方面非常有優(yōu)勢, 可以建立許多個人賬戶, 特別方便開放學(xué)生上機的賬號管理, 因為譜儀可以自動記錄每個使用者上機以及離開的時間 (由 last 指令調(diào)出). 在上網(wǎng)連接方面, Unix / Linux 系統(tǒng)比較安全, 不易遭受病毒入侵, 可以方便的開放給使用者經(jīng) ftp 下載核磁譜圖文件. 需要說明的是, window 系統(tǒng)雖然無法直接掌控用戶進出狀態(tài)以及開放譜圖下載, 但若經(jīng)由加裝一臺前置電腦, 仍可以完成上述類似工作.,4 是否需要購買固體核磁?,液體核磁是最普遍的核磁共振譜儀. 需要注意的是: 固體樣品只要能溶于某

12、溶劑, 就可以利用液體核磁進行檢測. 固體核磁主要用來檢測完全不溶于液體的樣品 (例如大分子聚合物, 或無機礦物), 或有特殊考慮的固體樣品檢測 (想了解分子間相互作用情況). 如果化合物能微溶于某液體, 則建議仍然以檢測液體核磁為主. 由樣品情況可以知道, 固體核磁的應(yīng)用率不是很高. 目前北京地區(qū)有核磁共振譜儀近百臺, 絕大多數(shù)都是液體核磁. 有固體核磁譜儀的單位只有北京化工大學(xué), 石油科學(xué)化工研究院, 中科院化學(xué)所等單位.除了有某課題組大力開展大分子工作并且有大量的樣品, 才考慮固體核磁的采購, 否則建議送樣檢測. 有些單位考慮購買液體固體聯(lián)用譜儀 (一機兩用型), 其實不是很符合實際.

13、液體與固體之間的換用費時費勁, 也容易造成譜儀損害. 許多單位都有這些體驗, 最后譜儀都終止在單一系統(tǒng)的使用.,5 在探頭采購方面的考慮:,探頭是核磁共振譜儀最重要的部件，探頭的性能是影響核磁共振譜儀檢測的最關(guān)鍵因素. 當(dāng)前市場上常見的探頭類型有雙核探頭, 四核探頭, 寬帶探頭, 低頻探頭, 低溫探頭, 微量探頭, 固體探頭, 成像探頭等許多種. 詳細(xì)探頭的指標(biāo)以及功能介紹, 將在下節(jié) 探頭 中介紹說明. 一臺核磁共振波譜儀可以配備多個探頭，按照不同的測試目的, 進行探頭更換. 如果經(jīng)費充裕的話, 建議至少采購兩個探頭, 而且是比較實用的兩個. 因為一旦工作探頭出現(xiàn)故障送修, 往返國外檢修可能

14、耗時數(shù)周, 如有備用探頭不至于耽誤工作. 基本上, 探頭都能夠檢測氫譜與碳譜. 最基本的便是雙核探頭.,采購哪種探頭需要評估單位的樣品情況以及一些課題組的可能研發(fā)方向. 如果單位的樣品有許多含 F 或 P 的化合物, 可以考慮購買可同時檢測 H/C/F/P 四種核素的四核探頭. 對于開放學(xué)生自行上機檢測的單位, 這種探頭尤其實用方便, 可以省卻管理人員經(jīng)常調(diào)諧的工作. 如果需要經(jīng)常檢測一些特殊雜核例如 B, N, O, D 等核素, 應(yīng)該考慮寬帶探頭, 并且最好能有自動調(diào)諧的功能. 如果還有進一步雜核檢測需要, 則可以選擇加添低頻探頭或超低頻探頭.,同時采購正相與反相探頭的省思: 理論上, 能

15、同時擁有正相與反相探頭, 遇到進行正相或反相實驗時分別更換使用, 則時刻都有最合適的探頭進行檢測. 不過實際調(diào)查了解, 絕大多數(shù)單位雖然采購了正相與反相兩種探頭, 但真正會因應(yīng)實驗更換探頭的單位非常少. 因為更換探頭不但費事, 也冒著故障的風(fēng)險. 因此某一探頭安裝上后, 幾乎所有正相反相實驗都用它, 導(dǎo)致某種實驗的效果特別差. 另外一個探頭相當(dāng)于是備用探頭, 直到第一個探頭故障送修才換上. 因此, 采購時應(yīng)該了解這種心理與實際操作現(xiàn)象. 目前 Varian 與 Bruker 公司都分別開發(fā)有一種單一探頭同時兼有正相與反相實驗的性能, 可以咨詢該公司銷售人員. 這種新型探頭的價格比較昂貴, 但非

16、常值得考慮. 不過對于前述加買一個備用探頭的建議, 則還得考慮若加買另一探頭如何選擇, 或許可以考慮采購一個常規(guī)的寬帶探頭.,低溫探頭與微量探頭的考慮? 如果經(jīng)費特別富裕, 考慮加添低溫探頭或微量探頭. 須知雖然低溫探頭可以增加譜儀的檢測靈敏度與分辨率, 但附加的設(shè)備以及未來運行的低溫氦氣花費, 將非常昂貴, 未來檢測的高成本不是一般學(xué)?；騿挝荒軌蜷L久支持. 至于微量探頭, 檢測時需要使用到特殊小型的樣品管, 價格昂貴, 由于不好清洗, 一般為一次性使用, 未來運行檢測時的花費十分驚人. 建議如非特殊情況, 不必要如此花費, 可以采取替代方式. 例如增加樣品量或增加檢測時間而使用常規(guī)的探頭檢測

17、, 或考慮少數(shù)樣品送到相關(guān)單位進行測試.,6. 其它零配件的采購考慮:,核磁共振波譜儀的其它配件例如空氣壓縮機, UPS 供電系統(tǒng), 打印機, 電腦等, 這些部件不是非得跟隨譜儀整機進口, 可以考慮在國內(nèi)采購, 除了價格較便宜, 未來的維修也比較便利. 目前兩家譜儀公司在空氣壓縮機方面都建議改用某國產(chǎn)品牌, 打印機也鼓勵國內(nèi)就近采購.,評議主題 (2). 探頭介紹:,探頭是僅次于磁體昂貴的部件, 也是選購核磁共振譜儀過程中最需要費心考慮的步驟. 譜儀整件采購時部件有四折左右的優(yōu)惠價格, 若未來再購買便沒有優(yōu)惠待遇, 因此譜儀整機采購時應(yīng)該把握對需要的探頭的選擇采購. 按照核磁共振譜儀類型, 探

18、頭粗分有液體探頭, 固體探頭，成像探頭三大類.鑒定化合物結(jié)構(gòu)用的探頭為前面兩種. 目前多數(shù)單位的核磁共振譜儀屬于液體核磁 (只要樣品能溶解在某溶劑進行溶液檢測, 就屬于液體核磁應(yīng)用范圍), 采購時選擇液體探頭. 固體探頭用于固體核磁.,探頭的內(nèi)部設(shè)計包含有兩組 RF 線圈， 內(nèi)線圈具有檢測核的最高靈敏度, 常用于直接觀察所測核 (觀察線圈)， 外線圈可以被用于觀察或去耦, 靈敏度比內(nèi)線圈低. 正相探頭, 內(nèi)圈環(huán)繞碳核, 增加碳核檢測的靈敏度, 用于檢測碳核為主的碳譜, DEPT 譜, 或正相實驗的 HETCOR 等二維譜; 內(nèi)線圈若是環(huán)繞氫核, 則測氫較靈敏, 為反相探頭, 適用於 HSQC

19、或 HMBC 等反相實驗. 探頭性能的優(yōu)劣指標(biāo)： 靈敏度，分辨率，90 度脈沖指示. 其中靈敏度與分辨率是探頭的主要指標(biāo). 靈敏度 (sensitivity) 又稱信噪比 (signal/noise ratio), 值高表示探頭的檢測性能好. 分辨率 (resolution) 是鄰近信兩號峰的分辨清晰度, 一般用峰的峰寬度表示, 單位為 Hz. 峰寬愈窄, 分辨率愈高. 定義上選定信號峰的三處地方測量峰寬: 峰一半高度時的寬度(半高寬, 50%), 高度的 0.55% 處的峰寬 (此高度為 C13 耦合導(dǎo)致衛(wèi)星峰的高度), 高度為 0.11% 處的峰寬 (后兩者又稱為線形).,Varian 探

20、頭 400M ATB 探頭1H/19F/X 5 mm PFG ATB Broadband Probe 400M 二合一探頭1H-19F/15N-31P5 mm PFG OneNMR Probe, 400M 反相探頭1H15N-31P 5 mm PFG AutoX Indirect Detection Probe 500M 正相寬帶探頭1H-19F/15N-31P 5 mm PFG AutoX Dual Broadband Probe 500M 反相探頭1H15N-31P 5 mm PFG AutoX Indirect Detection Prob 500M 二合一探頭1H-19F/15N-31

21、P 5 mm PFG OneNMR Probe 500M HCN三共振探頭1H13C/15N 5 mm PFG Triple Automatable Probe600M 正相寬帶探頭1H-19F/15N-31P 5 mm PFG AutoX Dual Broadband Probe 600M 反相探頭1H15N-31P 5 mm PFG AutoX Indirect Detection Probe 600M二合一探頭1H-19F/15N-31P 5 mm PFG OneNMR Probe 600M HCN三共振探頭1H13C/15N 5 mm PFG Triple Automatable Pr

22、ob 600M Xsens超低溫探頭13C1H 5 mm PFG XSens Dual Cold Probe,Bruker 探頭 BBO 500 MHz 5mm BBO 600 MHz 5mm DUL 400 MHz 5mm DUL 500 MHz 5mm TXI 400 MHz 5mmZ-Grad TXI 500 MHz 5mmZ-Grad TXI 600 MHz 5mm Z-Grad,2) 固體探頭:,固體探頭是固體有機、無機和生物固體樣品研究工具，廣泛應(yīng)用于材料科學(xué)、蛋白質(zhì)、代謝組學(xué)的研究當(dāng)中. 固體核磁共振實驗需要配備相應(yīng)的固體探頭及其配套設(shè)備. 其中固體探頭按照應(yīng)用和實驗的需要有不同

23、的配置。 從常規(guī)的雙核共振魔角旋轉(zhuǎn)探頭到三共振及四共振探頭； 從為固體寬線譜測試使用的靜態(tài)探頭，到為1H或19F等豐核測試及同核及異核相關(guān)實驗需要設(shè)計的高速和超高速魔角旋轉(zhuǎn)探頭可為不同場強的譜儀配套使用.,各廠家為各種場強（300900兆赫茲赫茲以上）譜儀都可配備常規(guī)的雙共振交叉極化魔角旋轉(zhuǎn)探頭（H/X CP MAS），并根據(jù)使用目的可為標(biāo)準(zhǔn)腔體和寬腔磁體配備各種尺寸的探頭-轉(zhuǎn)子系統(tǒng)?？赏瓿沙Ｒ?guī)固體，四極矩測試及MQ-MAS等實驗。可進行化學(xué)元素周期表中多數(shù)核的測試。 并在高場譜儀上還可配置不同規(guī)格尺寸的三共振（H/F/X、HXY）甚至四共振（H/F/X/Y）探頭?？赏瓿蓪?H或19F檢測和去

24、耦實驗、多核相關(guān)及REDOR，TEDOR，MQ-MAS，HETCOR等實驗。可有效地提供27Al， 23Na， 17O，31P，29Si，13C, 15N等核間的空間關(guān)系及距離等結(jié)構(gòu)信息.,高速和超高速探頭系統(tǒng)的開發(fā)，為豐核檢測提高了選擇性，極大地降低了異核去偶實驗所需的功率。 可選擇3.2毫米，2.5毫米甚至1.8毫米轉(zhuǎn)子，最高轉(zhuǎn)速可高達(dá)70kHz。,此外，在生物蛋白質(zhì)等樣品的測試方面，針對生物樣品對溫度敏感，高功率射頻作用對樣品有損壞危險的情況，布魯克公司開發(fā)了生物蛋白質(zhì)樣品測試使用的E-freeTM探頭，通過優(yōu)化線圈設(shè)計，最大程度減小射頻場對樣品的加熱作用； 為生物蛋白質(zhì)晶體或定向排列的

25、膜材料等生物樣品檢測還開發(fā)了靜態(tài)探頭，甚至使用平板式線圈，有效減小了樣品位置的電磁感應(yīng)，減小熱效應(yīng)。 瓦里安公司開發(fā)的BioMASTM探頭，通過專利技術(shù)的卷軸式線圈（scroll coil）設(shè)計，提高檢測靈敏度和效率，加快檢測速度5倍以上，與螺紋線圈探頭相比，減小熱效應(yīng)至1/3。,在三共振探頭設(shè)計上， 布魯克公司采用band-junpers技術(shù)，開發(fā)了TriGamma探頭，在探頭外殼上裝置了特殊窗口，用于在X/Y之間的調(diào)諧時迅速切換，調(diào)諧切換速度只需幾秒鐘。 瓦里安公司則通過改進的調(diào)諧系統(tǒng)（T3）和改進的射頻系統(tǒng)（Balun）探頭設(shè)計提供了優(yōu)化的均勻射頻場.,評議主題 (3). 譜儀操作交流與

26、培訓(xùn)方面:,由于核磁共振的應(yīng)用面廣, 涉及許多檢測技術(shù), 需要一定的指引與學(xué)習(xí). 技術(shù)方面的獲得, 有來自公司的培訓(xùn), 或與其他同行間的交流學(xué)習(xí). 譜儀購買安裝后, 譜儀公司會提供基本培訓(xùn). 合同簽訂時可以選擇在國內(nèi)或到國外培訓(xùn) (地點為美國或歐洲). 有現(xiàn)場指導(dǎo)培訓(xùn), 或集中培訓(xùn).,集中培訓(xùn)上, Varian 與 Bruker 兩家公司每年都不定期舉辦有幾種不同類型的培訓(xùn)班, 公司提供培訓(xùn)資料和光盤. 因布魯克公司在北京有其應(yīng)用實驗室以及核磁共振譜儀，所以培訓(xùn)班一般在北京進行, 每年大概舉辦十期, 每期培訓(xùn)約15人. 瓦里安公司沒有自己的應(yīng)用實驗室, 地點分別在北京,上?；蛳愀叟e辦. 兩家公

27、司的培訓(xùn)班都收取一定的費用，但對新購儀器的用戶免2人的費用. 培訓(xùn)班的類別范例如下: 核磁共振波譜儀操作培訓(xùn)班 核磁共振波譜儀高級NMR方法培訓(xùn)班 核磁共振波譜儀維護培訓(xùn)班 固體核磁共振波譜儀培訓(xùn)班 核磁共振技術(shù)原理及應(yīng)用講習(xí)班.,兩家公司每年都邀請國外、國內(nèi)核磁專家開辦以下兩種類型的講習(xí)班: 核磁共振波譜儀原理及應(yīng)用講習(xí)班（High-Resolution NMR） 固體核磁共振波譜儀原理及應(yīng)用講習(xí)班（Solid-State NMR）,Bruker 與 Varian 兩公司的培訓(xùn)安排充實恰當(dāng), 基本上包含了一維譜, 選擇性激發(fā), 多種二維譜, 變溫, 雜核檢測, 弛豫 T1/T2 , 90度脈沖等參數(shù)校正實驗. 培訓(xùn)的人數(shù)還算合理, 建議不要