核磁共振波譜儀的管理實踐與展望

崔慶新， 彭佳敏， 李巖君， 陶 瑾， 高 磊， 孫經緯

（南開大學a.藥學院；b.實驗室設備處，天津300071）

0 引 言

核磁共振波譜儀（簡稱核磁）屬于高端精密的大型儀器，它在醫學，藥物化學，中藥學，有機化學，材料化學和環境化學等許多研究領域中發揮著極其重要的作用。2015年，藥學院將位于八里臺校區的核磁（型號：Bruker 400M AVANCEⅢ）搬到津南校區，安置在藥學院儀器平臺核磁共振室，成為津南校區首臺也是唯一的一臺核磁。2018年，藥學院和設備處又利用“雙一流”經費購置了一臺核磁（型號：Bruker 400M AVANCE NEO）。這臺新核磁具有雙通道采集數據的功能，彌補了原有核磁逐個采集數據的不足，標志著我院的核磁平臺邁上了新臺階。核磁的購置費昂貴，維護、維修成本高。因此，本文對核磁實驗室的管理模式進行了總結，從設備管理，安全管理，培訓管理和技術服務等4個方面進行詳細介紹，以期為今后的相關工作提供參考。最后，對于核磁的硬件升級和拓展應用范圍進行了展望。

1 核磁的設備管理

核磁的主要部件包括磁體、機柜、自動進樣器。另外，還包括操作電腦，數據備份電腦，UPS不間斷電源和空氣壓縮機等輔助設備。

1.1 核磁室的環境管理

核磁是高度精密的科研儀器，粉塵，有機溶劑，水蒸氣，高熱，震動，磁場干擾都會對測試結果產生很大的影響。因此，核磁室要保持窗戶關閉，進行每日的吸塵，空調除濕，始終保持21℃，嚴禁帶手機，磁卡等磁性設備接近核磁，嚴禁用未消磁的工具進行核磁的維修和維護。為此，安裝了不間斷的攝像，能夠實時監控核磁室的狀態。核磁室的整體排列情況，如圖1所示。

1.2 機柜的維護管理

機柜是核磁設備的信號接收和發射，數據采集和傳輸中心，所以其正常運轉對于核磁至關重要。管理員需要每日觀察機柜示數（98或94為正常），發現故障代碼要及時處理。每7～10 d進行一次核磁調諧，使其磁場的頻率恢復最佳狀態。每月進行1次內部除塵，保證機柜內部的清潔和探頭的干燥，使得核磁能夠良好運轉［2］。

1.3 磁體的維護管理

超導磁體是核磁的核心部件，必須精心維護。當核磁運行時，必須使用液氦來維持超導狀態。液氮是液氦的低溫補償，通過自身減少來保持液氦的水平，如果液氮不足，會加大液氦的消耗，這會導致超導線圈的磁場漂移并增加維護成本，因此必須時刻關注液氮和液氦的水平，定期添加液氮和液氦［3］。通過學校網上商城，與商城認定的有資質的氣體供應商訂立了購銷合同，每周定時補充液氮，每5個月補充一次液氦。

1.4 規范電腦和數據備份管理

每天都要檢查操作電腦和數據備份電腦的計費網關和數據傳輸狀態，而且要每周重啟一次，保持電腦運行的流暢狀態。在核磁測試過程中，操作人員要嚴格遵守操作規程，不允許電腦連接校外網，亂點光標，隨意中止測試，防止死機，以保證電腦和Topspin軟件的正常運行。

1.5 輔助設備的管理

UPS不間斷電源需要經常檢查其充放電狀態，發現電源負載過高（超過50%）或者電池衰減過快就要及時更換，必須保證可以維持核磁連續使用4～6 h。要經常檢查空氣壓縮機的干燥塔和輸氣管，當發現干燥塔水分超標時，要及時更換，以免水分進入磁體，凝結后使得磁場混亂。輸氣管有輕微漏氣就要更換，以免給空壓機帶來額外的負荷。將空壓機設定為達到輸出氣壓后，就要自動關閉，以此來延長其電機的使用壽命［4］。此外，空壓機要安置在隔離的房間內，① 避免其噪聲影響其他儀器，② 要保持空調制冷，保證其干燥涼爽的運行狀態。

1.6 建立完整的核磁維護記錄

核磁每次調諧，維修或者充液氮液氦之后，都要詳細的記錄時間、核磁狀態和輔助設備的運行情況，并且維護人員簽字。這樣，當管理員再次維護核磁時，看記錄本便可知曉先前的狀態。另外，當核磁管理員出現變化時，對于核磁以前的狀態和養護記錄，也有據可查。這就有效防止由人員變動引起的儀器管理脫節狀態，并且有助于溯源追查儀器故障。

2 核磁的安全管理

2.1 設備安全管理

建立核磁安全管理制度（包括磁場警示，低溫警示，缺氧警示等），并將其懸掛于核磁室醒目的位置。測試樣品時，必須有操作人員在現場，以便及時處理突發狀態。因為核磁正常工作時有著超強的磁場，所以必須保持核磁室內的清潔，避免鐵磁性物質的吸入。同時，我們設立了醒目的標識，嚴禁攜帶磁性物品接近核磁，嚴禁測定有磁性的樣品［5］。

2.2 維護安全管理

在核磁維護中提到，核磁腔體內包含大量的低溫的液氦和液氮，在充裝液氮、液氦以及進行核磁維修時，必須要佩戴護目鏡、防護手套、穿隔離衣，避免直接接觸低溫的液態氣體而被凍傷［6］。同時，長時間在核磁室維護儀器或者測試樣品時，要注意室內的氧氣濃度，保證通風，避免缺氧和窒息的危險。

3 實驗室人員管理

核磁屬于昂貴的大型科學分析儀器，它需要精心維護、養護，而參與核磁管理和使用的人員是維護核磁正常運行的最關鍵一環，須采取以下管理模式。

3.1 制度管理

（1）制定普適性的工作守則和水、電、氣、溫濕度管理制度。

（2）特定的核磁共振實驗室的準入規章制度和實驗室物品管理制度；嚴格管理設備的使用，未經儀器管理員授權，一律不準獨自操作儀器。

（3）液氮、液氦的充裝和液面監控，以及其他輔助設備（如空壓機等）的維護、維修記錄管理制度。

（4）核磁日常維護的標準操作規程及負責人。

（5）設備異常情況的處理及報告程序，聯系電話。

（6）測試預約、樣品的標準及標識，取送樣的放置區域及排序規則。

（7）測試記錄和數據存儲制度；包含課題組名稱、測樣日期、樣品管、樣品名稱等的詳細信息、數據存儲路徑和數據備份。

3.2 培訓管理

在每個學期的前3周，核磁管理員要對申請使用核磁的用戶進行一次全面培訓，內容為核磁的原理和標準操作。用戶應為碩士、博士研究生或者博士后，修完波譜分析等相關課程。培訓完成后，用戶進行理論考試和上機考試，每人獨立測試1～2個樣品。經過嚴格考核后，管理員開通用戶的使用權限，并按照畢業年限來設定使用期限［7］。用戶在此期間必須嚴格遵守操作規程，不得擅自違規操作，違反操作規程將按照情節的嚴重程度封禁一段時間的賬號，并根據損害程度處以罰款。未經培訓或培訓不合格的人員一律不準操作儀器。

3.3 核磁開放共享管理

隨著各個學科的發展，對于核磁測試的需求越來越多，僅靠白天的工作時間很難滿足測試需求，所以實驗室采用24 h核磁開放，充分利用晚上和假日時間，成倍地增加了可用時間。為了保證核磁室的安全，采用門禁、監控和測試賬號的綜合管理，即使用課題組賬號才能進入核磁室，使用培訓通過的測試賬戶進行測試，并確保整個測試過程都在監控之下。

近年來，學校儀器平臺具有包括用戶注冊、靈活預約、授權使用、自動計費、財務管理、數據傳輸等功能，為使用者提供了一個方便、快捷、透明的服務平臺，實現了儀器信息公開、管理權限明確、預約收費方便、報表統計簡捷的智能化管理系統。津南校區的藥學，環境，材料等相關學科快速發展，運用核磁的科研項目也日益增多，因此，客戶必須至少提前1 d預約，根據預約的時間來及時準備樣品，從而提高測試效率，避免搶機時或者機時空閑，有效利用核磁機時。最近3年來，核磁基本上處于全年無空閑狀態。

4 服務管理

核磁共振室服務的對象是天津市海河教育園區的各所大學和京津冀地區的化學公司，客戶繁多（見圖2），樣品種類和測試類型也是多種多樣。因此，在測試服務管理方面，采取以下方面來保證測試服務的高精度，高準度。

圖2 藥學院核磁服務的課題組數

4.1 樣品分類管理

核磁測試的樣品主要是小分子化合物，還有少量高分子材料或蛋白質樣品。由于樣品的種類復雜，經過前處理后只有微小的顏色區別，所以樣品應合理分類，做好標簽［8］。另外，應根據樣品測試時間和測試類型分別存儲，以便客戶在測試后快速調出測試結果，取回樣品。

4.2 測試樣品登記

所有測試數據在完成后自動備份到數據電腦，用戶通過FTP或者郵箱發送的方式來傳輸數據，嚴禁使用U盤等可移動設備。對于所有的測試數據，每3個月用核磁室專用的移動硬盤拷貝備份。

核磁管理員為每個長期測試的研究組設置了專門的賬戶，有著確定的權限和數據存儲路徑，這種管理方法對研究組和平臺都很方便。研究組查看測試結果時，只需找出自己的賬戶，按照時間點來查找測試樣品即可，大大節約了研究組查找數據的時間。

4.3 測試樣品數據管理

校內課題組采用FTP或者電子郵件來獲得數據，校外用戶可以使用核磁專用的移動硬盤來復制數據，或由管理員通過電子郵件將測試結果發送給用戶。核磁設備和電腦系統絕不允許將用戶的USB閃存盤插入到操作計算機和數據計算機中。

5 核磁管理效果及效益

5.1 用戶和課題組快速增長

自2015年12月在津南校區建立核磁室以來，前來測試的研究組和用戶數量大幅增加，現在已從2015年的13個研究組增加到52個。每年的新增用戶從2015年的93人增加到132人。2015年大多數用戶是藥學院的用戶，現在用戶逐漸從藥學院擴展到其他院系，下一步將擴展到更多的校外用戶。

5.2 核磁機時持續高位運行

隨著使用核磁的課題組和用戶的逐年增加，核磁的機時也連續3年保持滿負荷狀態，年機時數達到5 000 h，2016年和2017年幾乎沒有任何故障。科學，合理，規范的管理確保了核磁的正常運行，提高了核磁的準確性和穩定性，確保了核磁開放式共享服務的質量。

5.3 服務各類基金項目

各個學科使用核磁的研究項目逐年增加，獲得資助的項目從2015年的7項，2017年達35項，增長了4倍，如圖3所示。這表明核磁已經成為許多科研項目的重要支撐，在科研項目的申請和完成中發揮著越來越重要的作用。

圖3 核磁所服務的科研項目變化

6 特色與展望

6.1 核磁的固件升級，功能擴大

購置超低溫探頭，使用超低溫探頭對原有的核磁進行升級后，將具有最新的功能，能以正常和反向方式進行檢測的全頻段接收通道。可以執行氘核鎖定場和氘梯度梯度自動勻場，Z脈沖梯度場，具有高精度的變溫實驗功能，提高數據處理速度和存儲容量，可獲得最佳的一維和二維圖譜，并可以進一步將應用范圍擴大到核酸，蛋白質等大分子樣品［9］。

6.2 核磁的應用擴大到代謝組學

核磁共振技術具有簡便、快速、無選擇性等特點，可以最大程度還原體現機體整體的代謝變化，非常符合傳統中醫藥研究對于研究對象整體性的要求。作為代謝組學中新興的分析方法，核磁分析方式靈活多樣，既能滿足代謝組學的需要，同時檢測盡可能多的化合物，又可提供完整的代謝物圖譜，無須過度處理樣品并提前設置復雜的儀器測量參數。更重要的是，可很好地避免質譜檢測中一些隨參數設定變化的因素如樣品霧化、離子化等問題。目前，許多學者利用核磁對中醫證候、中藥藥效及毒性機理等從代謝組學研究中取得了大量成果，值得深入研究［10-12］。

6.3 創新的管理方式

采用完備的管理制度，核磁管理人員可以緩解繁重的常規測試任務，利用其他時間來自我學習和充電，查閱前沿的文獻或者從事相關領域的科研工作來擴展核磁的使用范圍，提高自己在核磁領域的專業知識與技能［13-14］。核磁管理員還可以組織核磁的用戶定期開討論會，交流自己在測試過程中遇到的問題和心得。此外，核磁管理員可以通過郵件和微信了解研究組的研究需求，并通過自身的專業知識與技能為科研項目的申請和執行提出有效的技術解決方案，發揮必要或新的支持作用［15-16］。

7 結 語

津南校區儀器平臺的2臺核磁共振波譜儀的購置成本較高，設備精密并且易于出現故障，維修費高昂。因此，核磁管理員必須認真負責，掌握相關的儀器原理和維護知識，嚴格執行核磁實驗室管理制度。管理員精心的維護核磁及其附屬設備，可以有效降低核磁的故障率，提高測樣的準確性和精密度，使其在多領域的科研工作中發揮越來越大的作用。此外，管理員還要不斷學習，提高自身的知識和技能水平，拓寬核磁的應用領域，以滿足更深入的科研需求。