波谱仪器评议

2009 年度仪器技术评议波谱组

前言 :

波谱包括 :1.核磁共振 (NMR), 2. 顺磁共振 (ESR), 3. 磁共振成像 (MRI), 4. 核电四级矩共振 (NQR), 5. 光磁共振 (LMR) 等几种 . • 其中核磁共振 NMR 是化学研究上鉴定化合物结构的利器 , 在波谱仪器中最主要与常

见 , 将继续是本次评议的重点 . • 顺磁共振 ESR 检测自由基单电子信息，涉及比较不稳定与少见的化合物 , 上次有详

细的评议 ; 其它比较少见的波谱仪器以后有机会再进行评议介绍 .

本次对于核磁共振 NMR 的评议介绍有以下三个主题 : 1. 如何选购合适的核磁共振谱仪 ; 2. 谱仪探头的评议介绍 ; 3. 谱仪厂商提供的培训情况

仪器供应厂家• 核磁共振谱仪价格比较昂贵 ( 近百万到上千万元人民币 , 200-1000

兆赫兹赫兹超导谱仪 ),

• 使用的单位少 ( 几百台 ),

• 生产的厂家数目少 ( 三家左右 ).

目前生产检测化合物结构用的核磁共振谱仪的厂家有 :

1. 美国 Varian 公司 (2009 年下半年为安捷伦公司收购 , 本评议仍以 Varian 公司称呼 ): 在 1953 年推出首台谱仪 .

2. 瑞士 Bruker 公司 .

3. 日本电子 Jeol

4. 其他 : 2002 年前曾短暂出现的美国超导王公司 , 以及目前中科院武汉数学与物理所正主持研发生产 500 兆赫兹核磁共振谱仪

国内市场状况• 在中国内地 , 目前核磁共振谱仪将近 1000 台 , 近年来每年以近 七、

八十 台的速度增加中 . • 以上几家公司在中国的市场占有率 : 1. Varian 公司约占 2/5, 2. Bruker 公司约占 3/5, 3. 日本电子 Jeol 的谱仪数量不到 20 台 , 4. 中国国产谱仪正开展中 .

中国自产的 NMR 谱仪进展是国人非常关注的事情 . 几年前国家列入重点开发计划 , 由武汉数物所领军 , 结合华东师范大学 , 厦门大学等几个著名核磁共振单位与课题组 , 集体研发组装了两台 500 兆赫兹超导谱仪 , 终于在 2009 年底组装完成 , 目前正进行硬件与软件的最终测试 . 我们展望下一次能进行国产 NMR 谱仪的评议介绍 , 并期望国产核磁共振谱仪能早日进入国内外市场

评议 主题 (1). 如何选购合适的核磁共振谱仪

• 波谱评议的专家组成员 , 多经常参与单位内外的核磁共振谱仪采购评鉴或认证工作 . 在评议会议上 , 都很感慨购买单位普遍存在不知道如何正确采购 NMR 谱仪 , 有许多选错谱仪型号或部件 , 或由于经费充裕而欲购不必要的部件等 , 觉得有必要借此次核磁共振谱仪的评议机会向大家阐明注意要点 .

仪器选购采购核磁共振谱仪 , 有以下要点需要进行评估与考虑 :1. 谱仪场强的选择2. 液氦腔体与样品管腔体的大小 3. 谱仪的操作系统比较4. 是否需要固体核磁 5. 探头选择• 有哪些型号选择，• 需要采购到哪个层级• 采购探头的数量• 是否购买低温探头或微量探头• 其它零配件的采购考虑

仪器选购谱仪的硬件组成 :• 主要构成体为超导磁体 , 机柜 (console), 探头 , 控制和

数据处理用电脑等。最贵重的是前面三项， 占谱仪费用的 80% 以上 .

• 至于打印机 , 空气压缩机 , 自动进样器 , 自动供电系统 UPS 等则属于附属零部件 .

应该评估自己单位的需要 , 尤其是样品的特殊性情况 . 不同类型的单位对核磁共振的需求有明显的差异 , 进行咨询时应该注意高等院校 , 科研院所 , 药物开发公司等不同单位需求的不同 .

1. 谱仪场强的选择 :• 自 1964 年迄今活跃在市场的超导磁体有 200, -- 1000 兆赫兹赫兹等几种 .

• 1000 兆赫兹谱仪是 Bruker 公司在 2010 年最新研发推出的产品 . 除了特殊单位与特殊需要 , 估计国内单位在短期未来内不会涉及 950 兆赫兹以上谱仪的采购 .

• 800 兆赫兹谱仪 , 中国内地目前有 4 台 (北京核磁中心 , 武汉物理所 , 安徽合肥某公司 , 厦门大学 ), 都是 Bruker 公司生产 ; 台湾地区则有三台 , 为 Varian 公司生产 .

• 价格昂贵 ( 千万人民币 ), 不容易获得国家主管部门许可 .

• 700 兆赫兹介于 800 兆赫兹与 600 兆赫兹之间 , 属于比较尴尬的立场 , 从性价比考虑不是很值得 . 国内有一些单位因 800 兆赫兹谱仪采购的困难 , 改买了 700 兆赫兹谱仪 .

• 600 兆赫兹谱仪是这三十年来一直流行的高档次谱仪 , 国内外使用的单位很多 , 性价比一直获得大家的认可 . 600 兆谱仪对于大分子研究 , 可以做出相当完整的工作 . 如果加添低温探头 , 检测的灵敏度与分辨率可以达到将近 800 兆核磁谱仪的效果 . 如果经费许可 , 可以考虑同时采购 600 与 400 兆赫兹两台谱仪 , 在国内外的采购上 , 此组合采购是个知名的 package, 有特殊优惠 , 许多单位都如此采购 . 可以主动咨询厂商销售人员 .

谱仪场强选择• 500 兆赫兹谱仪可以开始对于大分子进行检测 , 但是效果与范围有限 , 不如 600 兆赫兹完整 . 有些学校因经费限制无法采购 600 兆赫兹谱仪 , 但是也想初步涉猎一些大分子的研究工作 , 这种情况才考虑 500 兆赫兹谱仪 .

• 400 兆赫兹谱仪也是非常流行高档的谱仪 . 对于分子量小于 1000 的化合物分子 , 400 兆赫兹核磁共振谱仪可以做到非常好的效果 . 其实从 2006 年起 , 市场上已经不流行 300 兆赫兹或以下的谱仪 , 采购最低为 400 兆赫兹谱仪 .

• 300 兆赫兹谱仪目前只有 Bruker 公司有提供 , Varian 公司自 2006 年起以及不生产与销售 . 也因此导致 Bruker 公司的 300 兆赫兹谱仪售价比 10 年前不降反升 , 目标都推向 400 兆赫兹谱仪 . 另外需要说明的是 , 早期生产的 300 兆赫兹谱仪的磁体没有屏蔽场 , 磁体占据使用空间大 (1.75 米半径 , 不能有电脑或铁制品靠近 ). 400 兆赫兹谱仪 (含 ) 以上则都是超屏蔽磁体 , 磁场范围就在磁体本身 , 不会占用其他仪器的布置空间 .

• 200 兆赫兹谱仪是最小的超导磁体 , 用在小分子的检测效果其实也很不错 . 谱图都能为国内外期刊接受 . 不过 , 目前市场已经不供应 200 兆赫兹谱仪 .

2 磁体的腔体 :

• 腔体有两种 , 装液氦液氮的腔体 , 以及进样的样品腔 .

1. 液氦腔体有两种选择 . 一般建议选择大腔体 , 即液氦容量比较大的 ( 每次可添加 100 升左右液氦 ), 比较不会因液氦量不足导致磁体失超 , 也可以省却经常添加液氦次数的困扰 .

2. 对于样品腔 , 绝大多数都是配合 5 mm 核磁样品管的标准腔体 , 即使 54 mm 常规样品腔 . 若需要经常检测杂核使用低频探头 , 或需要考虑购买配合 10 mm 核磁样品管的样品腔 . 若以小型动物 (老鼠 ) 为检测对象 , 另有特殊型号样品腔 .

3 谱仪的操作系统 :• Varian 公司的谱仪使用 Unix 或 Linux 操作系统 ; Bruker 公司以

及日本电子 Jeol 则使用 Window 操作系统 . 对于一般检测人员 , 操作系统的影响不大 ; 但若对于谱仪管理人员 , 操作系统的影响比较明显 , 因为涉及各种管理指令 .

• Window 操作系统是大家非常熟悉的 , 而 Varian 的 Unix / Linux 操作系统指令则十分复杂 ( 不过使用久习惯后也可以接受 ). 目前的 Unix 与 Linux 系统的一些操作 , 也部分采取了类似 window 的界面处理方式 . Unix / Linux 在开放谱仪的管理方面非常有优势 , 可以建立许多个人账户 , 特别方便开放学生上机的账号管理 , 因为谱仪可以自动记录每个使用者上机以及离开的时间 ( 由 last 指令调出 ). 在上网连接方面 , Unix / Linux 系统比较安全 , 不易遭受病毒入侵 , 可以方便的开放给使用者经 ftp 下载核磁谱图文件 .

• 需要说明的是 , window 系统虽然无法直接掌控用户进出状态以及开放谱图下载 , 但若经由加装一台前置电脑 , 仍可以完成上述类似工作 .

4 是否需要购买固体核磁 ?• 液体核磁是最普遍的核磁共振谱仪 . 需要注意的是 : 固体样品只要能溶于某溶剂 , 就可以利用液体核磁进行检测 . 固体核磁主要用来检测完全不溶于液体的样品 (例如大分子聚合物 , 或无机矿物 ), 或有特殊考虑的固体样品检测 (想了解分子间相互作用情况 ). 如果化合物能微溶于某液体 , 则建议仍然以检测液体核磁为主 .

• 由样品情况可以知道 , 固体核磁的应用率不是很高 . 目前北京地区有核磁共振谱仪近百台 , 绝大多数都是液体核磁 . 有固体核磁谱仪的单位只有北京化工大学 , 石油科学化工研究院 , 中科院化学所等单位 .除了有某课题组大力开展大分子工作并且有大量的样品 , 才考虑固体核磁的采购 , 否则建议送样检测 .

• 有些单位考虑购买液体固体联用谱仪 ( 一机两用型 ), 其实不是很符合实际 .

液体与固体之间的换用费时费劲 , 也容易造成谱仪损害 . 许多单位都有这些体验 , 最后谱仪都终止在单一系统的使用 .

5 在探头采购方面的考虑 :• 探头是核磁共振谱仪最重要的部件，探头的性能是影响核磁共

振谱仪检测的最关键因素 .

• 当前市场上常见的探头类型有双核探头 , 四核探头 , 宽带探头 , 低频探头 , 低温探头 , 微量探头 , 固体探头 , 成像探头等许多种 . 详细探头的指标以及功能介绍 , 将在下节 " 探头 "

中介绍说明 . 一台核磁共振波谱仪可以配备多个探头，按照不同的测试目的 , 进行探头更换 .

• 如果经费充裕的话 , 建议至少采购两个探头 , 而且是比较实用的两个 . 因为一旦工作探头出现故障送修 , 往返国外检修可能耗时数周 , 如有备用探头不至于耽误工作 .

• 基本上 , 探头都能够检测氢谱与碳谱 . 最基本的便是双核探头 .

• 采购哪种探头需要评估单位的样品情况以及一些课题组的可能研发方向 .

• 如果单位的样品有许多含 F 或 P 的化合物 , 可以考虑购买可同时检测 H/C/F/P 四种核素的四核探头 . 对于开放学生自行上机检测的单位 , 这种探头尤其实用方便 , 可以省却管理人员经常调谐的工作 .

• 如果需要经常检测一些特殊杂核例如 B, N, O, D 等核素 , 应该考虑宽带探头 , 并且最好能有自动调谐的功能 . 如果还有进一步杂核检测需要 , 则可以选择加添低频探头或超低频探头 .

• 同时采购正相与反相探头的省思 : 理论上 , 能同时拥有正相与反相探头 , 遇到进行正相或反相实验时分别更换使用 , 则时刻都有最合适的探头进行检测 . 不过实际调查了解 , 绝大多数单位虽然采购了正相与反相两种探头 , 但真正会因应实验更换探头的单位非常少 . 因为更换探头不但费事 , 也冒着故障的风险 . 因此某一探头安装上后 , 几乎所有正相反相实验都用它 , 导致某种实验的效果特别差 . 另外一个探头相当于是备用探头 , 直到第一个探头故障送修才换上 . 因此 , 采购时应该了解这种心理与实际操作现象 .

• 目前 Varian 与 Bruker 公司都分别开发有一种单一探头同时兼有正相与反相实验的性能 , 可以咨询该公司销售人员 . 这种新型探头的价格比较昂贵 , 但非常值得考虑 . 不过对于前述加买一个备用探头的建议 , 则还得考虑若加买另一探头如何选择 , 或许可以考虑采购一个常规的宽带探头 .

低温探头与微量探头的考虑 ?

如果经费特别富裕 , 考虑加添低温探头或微量探头 .

• 须知虽然低温探头可以增加谱仪的检测灵敏度与分辨率 , 但附加的设备以及未来运行的低温氦气花费 , 将非常昂贵 , 未来检测的高成本不是一般学校或单位能够长久支持 .

• 至于微量探头 , 检测时需要使用到特殊小型的样品管 , 价格昂贵 , 由于不好清洗 , 一般为一次性使用 , 未来运行检测时的花费十分惊人 . 建议如非特殊情况 , 不必要如此花费 , 可以采取替代方式 . 例如增加样品量或增加检测时间而使用常规的探头检测 , 或考虑少数样品送到相关单位进行测试 .

6. 其它零配件的采购考虑 :

• 核磁共振波谱仪的其它配件例如空气压缩机 , UPS 供电系统 , 打印机 , 电脑等 , 这些部件不是非得跟随谱仪整机进口 , 可以考虑在国内采购 , 除了价格较便宜 , 未来的维修也比较便利 . 目前两家谱仪公司在空气压缩机方面都建议改用某国产品牌 , 打印机也鼓励国内就近采购 .

评议主题 (2). 探头介绍 :

• 探头是仅次于磁体昂贵的部件 , 也是选购核磁共振谱仪过程中最需要费心考虑的步骤 . 谱仪整件采购时部件有四折左右的优惠价格 , 若未来再购买便没有优惠待遇 , 因此谱仪整机采购时应该把握对需要的探头的选择采购 .

• 按照核磁共振谱仪类型 , 探头粗分有液体探头 , 固体探头，成像探头三大类 . 鉴定化合物结构用的探头为前面两种 . 目前多数单位的核磁共振谱仪属于液体核磁 (只要样品能溶解在某溶剂进行溶液检测 , 就属于液体核磁应用范围 ), 采购时选择液体探头 . 固体探头用于固体核磁 .

探头的内部设计包含有两组 RF 线圈，• 内线圈具有检测核的最高灵敏度 , 常用于直接观察所测核 (观察线圈 ) ，

• 外线圈可以被用于观察或去耦 , 灵敏度比内线圈低 . 正相探头 , 内圈环绕碳核 , 增加碳核检测的灵敏度 , 用于检测碳核为主的碳谱 , DEPT 谱 , 或正相实验的 HETCOR 等二维谱 ; 内线圈若是环绕氢核 , 则测氢较灵敏 , 为反相探头 , 适用於 HSQC 或 HMBC 等反相实验 .

探头性能的优劣指标：• 灵敏度，分辨率， 90 度脉冲指示 . 其中灵敏度与分辨率是探头的主

要指标 .

• 灵敏度 (sensitivity) 又称信噪比 (signal/noise ratio), 值高表示探头的检测性能好 .

• 分辨率 (resolution) 是邻近信两号峰的分辨清晰度 , 一般用峰的峰宽度表示 , 单位为 Hz. 峰宽愈窄 , 分辨率愈高 . 定义上选定信号峰的三处地方测量峰宽 : 峰一半高度时的宽度 ( 半高宽 , 50%), 高度的 0.55% 处的峰宽 (此高度为 C13 耦合导致卫星峰的高度 ), 高度为 0.11% 处的峰宽 ( 后两者又称为线形 ).

Varian 探头 • 400M ATB 探头

1H/19F/X 5 mm PFG ATB Broadband Probe• 400M 二合一探头

1H-19F/15N-31P5 mm PFG OneNMR Probe,

• 400M 反相探头1H{15N-31P} 5 mm PFG AutoX Indirect Detection Probe

• 500M 正相宽带探头1H-19F/15N-31P 5 mm PFG AutoX Dual Broadband Probe

• 500M 反相探头1H{15N-31P} 5 mm PFG AutoX Indirect Detection Prob

• 500M 二合一探头1H-19F/15N-31P 5 mm PFG OneNMR Probe

• 500M HCN 三共振探头1H{13C/15N} 5 mm PFG Triple Automatable Probe600M 正相宽带探头1H-19F/15N-31P 5 mm PFG AutoX Dual Broadband Probe

• 600M 反相探头1H{15N-31P} 5 mm PFG AutoX Indirect Detection Probe

• 600M二合一探头1H-19F/15N-31P 5 mm PFG OneNMR Probe

• 600M HCN 三共振探头1H{13C/15N} 5 mm PFG Triple Automatable Prob

• 600M Xsens 超低温探头13C{1H} 5 mm PFG XSens Dual Cold Probe

Bruker 探头• 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) 固体探头 :

• 固体探头是固体有机、无机和生物固体样品研究工具，广泛应用于材料科学、蛋白质、代谢组学的研究当中 .

• 固体核磁共振实验需要配备相应的固体探头及其配套设备 . 其中固体探头按照应用和实验的需要有不同的配置。

• 从常规的双核共振魔角旋转探头到三共振及四共振探头；

• 从为固体宽线谱测试使用的静态探头，到为 1H或 19F 等丰核测试及同核及异核相关实验需要设计的高速和超高速魔角旋转探头可为不同场强的谱仪配套使用 .

• 各厂家为各种场强（ 300—900 兆赫兹赫兹以上）谱仪都可配备常规的双共振交叉极化魔角旋转探头（ H/X CP MAS），并根据使用目的可为标准腔体和宽腔磁体配备各种尺寸的探头 -转子系统。可完成常规固体，四极矩测试及 MQ-MAS等实验。可进行化学元素周期表中多数核的测试。

• 并在高场谱仪上还可配置不同规格尺寸的三共振（ H/F/X 、 HXY）甚至四共振（ H/F/X/Y）探头。可完成对 1H或 19F 检测和去耦实验、多核相关及 REDOR ， TEDOR ， MQ-MAS ， HETCOR等实验。可有效地提供 27Al ， 23Na ， 17O ， 31P ， 29Si ， 13C, 15N 等核间的空间关系及距离等结构信息 .

• 高速和超高速探头系统的开发，为丰核检测提高了选择性，极大地降低了异核去偶实验所需的功率。

• 可选择 3.2毫米， 2.5毫米甚至 1.8毫米转子，最高转速可高达 70kHz。

• 此外，在生物蛋白质等样品的测试方面，针对生物样品对温度敏感，高功率射频作用对样品有损坏危险的情况，布鲁克公司开发了生物蛋白质样品测试使用的 E-freeTM 探头，通过优化线圈设计，最大程度减小射频场对样品的加热作用；

• 为生物蛋白质晶体或定向排列的膜材料等生物样品检测还开发了静态探头，甚至使用平板式线圈，有效减小了样品位置的电磁感应，减小热效应。

• 瓦里安公司开发的 BioMASTM 探头，通过专利技术的卷轴式线圈（ scroll coil）设计，提高检测灵敏度和效率，加快检测速度 5倍以上，与螺纹线圈探头相比，减小热效应至 1/3。

在三共振探头设计上，• 布鲁克公司采用 band-junpers技术，开发

了 TriGamma 探头，在探头外壳上装置了特殊窗口，用于在 X/Y之间的调谐时迅速切换，调谐切换速度只需几秒钟。

• 瓦里安公司则通过改进的调谐系统（ T3）和改进的射频系统（ Balun）探头设计提供了优化的均匀射频场 .

评议主题 (3). 谱仪操作交流与培训方面 :

• 由于核磁共振的应用面广 , 涉及许多检测技术 , 需要一定的指引与学习 . 技术方面的获得 , 有来自公司的培训 , 或与其他同行间的交流学习 .

• 谱仪购买安装后 , 谱仪公司会提供基本培训 . 合同签订时可以选择在国内或到国外培训 ( 地点为美国或欧洲 ). 有现场指导培训 , 或集中培训 .

• 集中培训上 , Varian 与 Bruker 两家公司每年都不定期举办有几种不同类型的培训班 , 公司提供培训资料和光盘 . 因布鲁克公司在北京有其应用实验室以及核磁共振谱仪，所以培训班一般在北京进行 , 每年大概举办十期 , 每期培训约 15 人 . 瓦里安公司没有自己的应用实验室 , 地点分别在北京 , 上海或香港举办 . 两家公司的培训班都收取一定的费用，但对新购仪器的用户免 2 人的费用 . 培训班的类别范例如下 :

• 核磁共振波谱仪操作培训班• 核磁共振波谱仪高级 NMR方法培训班• 核磁共振波谱仪维护培训班• 固体核磁共振波谱仪培训班• 核磁共振技术原理及应用讲习班 .

两家公司每年都邀请国外、国内核磁专家开办以下两种类型的讲习班 :

• 核磁共振波谱仪原理及应用讲习班（ High-Resolution NMR）

• 固体核磁共振波谱仪原理及应用讲习班（ Solid-State NMR）

• Bruker 与 Varian 两公司的培训安排充实恰当 , 基本上包含了一维谱 , 选择性激发 , 多种二维谱 , 变温 , 杂核检测 , 弛豫 T1/T2 , 90 度脉冲等参数校正实验 . 培训的人数还算合理 , 建议不要超过 15 人 , 以便学习效率 . 培训费用有些偏贵 .

• 应用人员方面 , 两公司这三年来都扩充了应用部门 , 引进几名核磁专业新毕业的高材生进入工作 . 工作安排随时前往各单位解决操作技术问题 , 并且定期教学上述培训工作 . 重视与推广应用部门值得推许也希能进一步扩大 .

• Brukere 公司方由于有自己的谱仪演示 , 学员的学习效率会比较好 . 科目方面虽然开设有 " 谱仪维护 " 的培训 , 但若能在每种培训后面附带教学更好 .

• Varian 公司目前培训方面似乎多着重在新购谱仪的 VnmrJ 界面 , 对于旧用户的 Vnmr6.1c 界面的培训不够 , 应该增加力度 . 每种培训都附带有 " 仪器的维护和简单的故障处理 " 以及设立有答疑与考试 , 值得鼓励 . Varian 的上机学习都排定在最末天 , 应是公司缺少自身的核磁共振谱仪演示导致 .

• 建议该公司仿效 Bruker 公司 , 安置一台谱仪 , 培训时能每天随时有谱仪在场演示 , 有利于学习效率 .

• 对于用户会议方面 , Bruker 与 Varian 公司一般每年下半期都举办有用户会议 , 选定在某省市风景区 . 一般每次参加的用户单位有 100 家左右 . Varian 公司这几年可能由于代理交接过度 , 平均两年举办一次 , 希望未来能恢复每年固定举办 . 参加者对于用户会的举办一般表示支持欢迎 , 可以会面老朋友与认识新朋友 , 有利于未来很多具体的交流工作 . 认为用户会存在的缺点为 : 大会报告不够通俗 , 多半流于高深学术课题的报告 , 建议着重在用户立场的操作技术心得交流 ; 会务费有些偏高 ; 参加人员有一半固定为某些单位 , 应该鼓励平时少出现的单位 (尤其一些公司 ) 参加 .

• 日本电子 Jeol 方面 , 虽然用户少 , 希望该公司仍能定期召集国内 Jeol NMR 用户间的交流讨论会或某种程度的培训会 . 交流的好坏对于未来谱仪的销售存在一定的影响 . 在北京地区 , 北京大学化学学院以及北京大学医学部各有一台 300 兆赫兹谱仪 , 清华大学有 300 与 600 兆赫兹两台谱仪 . 这些单位经常保持联系相互交流 . 建议 Jeol 公司能在此平台上 , 鼓励目前所有用户进行联系与交流 .

谢谢