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

張靜文 陳會英 權春善 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）技術正在成為化學、物理、生物、醫學、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構鑒定方面，核磁共振技術具有特殊的地位。核磁共振領域最近兩次獲得的諾貝爾獎，即2002年的蛋白質NMR波譜學和2003年的NMR在醫學領域的應用，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果，就必須將探頭準確調諧到特定待測樣品的觀測頻率上，這是為了獲得高質量譜圖的第一步。準確的調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。核磁探頭的調諧電路通常由兩個調節旋鈕影響的電容構成，這兩個調節旋鈕分別為調諧（tune）旋鈕和匹配（match）旋鈕，其中一個是用于調節電路達到預想的共振頻率（tune），另一個完成必要的網絡阻抗匹配任務（match）。這兩個電容之間相互影響，必須輪流調節。通常情況下，對于四核探頭來講，高頻通道不需要重新調諧，而低頻通道一般只需要略作調節即可。調諧好的四核探頭無需干預便能實現不同核之間的切換，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現，如果長時間不重新對四核探頭檢查調諧，可能會導致測定的90度脈沖異常增大，利用不準確的調諧和異常的90度脈沖進行實驗，會導致實驗結果不理想，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造，一點輕微的調諧改動，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

對儀器探頭進行調諧時，可以采用任意樣品，考慮到本實驗室大多數樣品為非極性樣品，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諧，其中高頻通道同時對1H、19F兩個高頻核調諧，低頻通道同時對13C、31P兩個低頻核調諧；同一通道兩個核的調諧相互影響，不同通道之間則是獨立調諧。

Varian1H／13C／19F／31P四核自諧探頭的調諧通過探頭底部的調諧鈕進行（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節鈕實現，滾花旋鈕則控制調諧（tune）功能，有兩個位置可以進行調諧操作：調諧鈕完全下拉的DOWN位和調諧鈕完全上拉的UP位。

圖1 Varian 1 H／13C／19F／31P四核自諧探頭調諧鈕示意圖

1.2 實驗方法

1.2.1 探頭調諧方法

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諧，一種是常規的反射計方法，一種是較新的qtune探頭調諧軟件。當系統設定為調諧模式后，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模式反射計讀數最小即為調諧準確；采用qtune探頭調諧軟件方法時，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諧采用反射計讀數方法。

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校正采用Glide法，1H核和13C核90度脈沖預設值均設為12。

2 結果與討論

2.1 四核探頭調諧原理

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，當調諧（tune）旋鈕處于DOWN位時，調節調諧旋鈕時，兩個高頻核（1H／19F）的共振頻率同時移動，順時針方向調節調諧旋鈕導致頻率增加。在UP位時，調節調諧旋鈕導致頻率間隔改變，順時針調節旋鈕增加頻率間隔，同時也改變共振頻率。高頻通道進行調諧操作時，調諧鈕處于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高頻通道調諧特征

對低頻通道（綠色標記）來講，當調諧鈕處于DOWN位時，主要改變低頻核中頻率較低的13C核的共振頻率，順時針方向調節旋鈕增加13C的共振頻率，當調諧鈕處于UP位時，主要改變低頻核中頻率較高的31P核的共振頻率，順時針方向調節旋鈕增加31P核的共振頻率。低頻通道進行調諧操作時，調諧鈕處于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低頻通道調諧特征

2.2 四核探頭調諧步驟

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

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

調入s2pul脈沖序列，鍵入tn＝’H1’subtune，

確定反射計的讀數計處于tune位置，并將讀數計放大級數調整到適當的位置使讀數計讀數處于合適的讀數大小范圍內。

鍵入tune off，

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

鍵入tn＝’H1’su btune，記下讀數計的讀數（2），使高頻通道調諧旋鈕（滾花旋鈕）處于DOWN位，調節滾花旋鈕使反射計讀數最小。鍵入tuneoff。

鍵入tn＝’F19’su btune，檢查讀數計讀數，如果讀數明顯小于讀數1和2，則使滾花調諧旋鈕交替處于UP和DOWN位，調節滾花旋鈕使讀數計讀數降到最低。鍵入tuneoff。注意這一步驟不要調節光滑的匹配（match）旋鈕。

檢驗以上調節是否使探頭達到指標，即讀數計放大級數處于6位時，讀數小于10。只有確定以上調節不能達到指標時，方能進行接下來的調節步驟。

鍵入tn＝’F19’su btune，使高頻通道滾花調諧旋鈕處于DOWN位，調節滾花旋鈕使讀數計讀數減小。接著調節光滑匹配旋鈕使讀數計讀數減小。在DOWN位輪流調節調諧旋鈕和匹配旋鈕，使讀數計讀數最小，鍵入tune off。

鍵入tn＝’H1’su btune，使高頻通道滾花調諧旋鈕處于UP位，調節調諧旋鈕使讀數計讀數減小。接著調節匹配旋鈕使讀數計讀數減小。在UP位輪流調節調諧旋鈕和匹配旋鈕，使讀數計讀數最小，鍵入tune off。

重復所有以上調諧的步驟，直到符合儀器指標，即讀數計放大級數處于6位時，讀數小于10。也可以通過qtune軟件進行調諧，可以更為直觀地跟蹤調節調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核進行調諧時，在該儀器上，設定gain＝15，power＝15；對19F調諧時，設定gain＝10，power＝10。

對低頻通道調諧的步驟如下。

首先確定連接探頭13C／31P通道的連接線已經處于調諧通道，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諧模式，確定反射計的讀數計處于tune位置，從13C核的調諧開始。

調入s2pul脈沖序列，鍵入tn＝’13C’su btune，調整讀數計放大級數到適當位置使讀數計讀數處于合適的讀數大小范圍內。使低頻通道調諧（tune）鈕處于DOWN位，調節調諧鈕和匹配鈕使讀數計讀數最小，鍵入tune off。

鍵入tn＝’31P’su btune，使低頻通道調諧旋鈕處于UP位，調節調諧旋鈕使讀數計讀數減小。接著調節匹配旋鈕使讀數計讀數減小，鍵入tune off。

重復以上步驟，反復調節13C和31P使讀數計放大級數處于6位時，讀數小于10。

再重新調節13C核，鍵入tn＝’13C’su btune，緩慢逆時針調節匹配旋鈕使讀數計讀數約為30～40，鍵入tune off。

也可以通過qtune軟件進行調諧，可以更為直觀地跟蹤調節調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核進行調諧時，在該儀器上，設定gain＝15，power＝15；對19F調諧時，設定gain＝10，power＝10。對13C調諧時，設定gain＝5，power＝5。對31P調諧時，設定gain＝2，power＝2。

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

2.3 探頭參數校正結果

為了獲得最好的探頭性能，調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諧前后測得的探頭實驗參數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 四核探頭調諧前后探頭實驗參數校正結果

從表1給出的探頭實驗參數校正結果可以看出，發射功率相同時，調諧檢查前（調諧不準確），對1H核來講，90度脈沖為12s，對13C核來講，90度脈沖為14.4s；調諧檢查后（調諧準確），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。該實驗結果說明，探頭經 準確調諧后，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化，從90度脈沖值降低幅度來講，探頭經準確調諧后，13C核90度脈沖降低幅度更大，說明對探頭低頻通道的調諧更為有效，這一實驗結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，為了獲得高質量譜圖，對于四核探頭來講，高頻通道不需要重新調諧或者微調即可，而低頻通道一般需要檢查調諧，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為含鹽水溶液時，通常情況下，應該對探頭檢查調諧，以免調諧不準確對探頭和功放造成損傷。

3 結論

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諧原理和程序及實驗結果進行了闡述。通常情況下，對四核探頭來講，高頻通道一般不重新調諧或者略作調節即可，而低頻通道一般需要檢查調諧。調諧好的四核探頭無需干預便能實現不同核之間的切換，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諧；檢查調諧時，由于四核探頭特殊的構造，一定要熟知調諧的原理和程序，以免發生調偏了核頻率無法進行實驗的情況；因為一點輕微的調諧改動，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，不增加發射功率的情況下觀測核的90度脈沖值降低說明調諧更準確。

［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.