（一）儀器簡(jiǎn)介

一、基本信息

儀器名稱：600 MHz核磁共振波譜儀

規(guī)格型號(hào)：Bruker AVANCE III 600型

二、儀器組成

1、磁體系統(tǒng)：包括磁體、勻場(chǎng)系統(tǒng)、高性能前置功放和探頭。

(1)核磁共振(nuclear magnetic resonance，NMR)波譜儀的核心結(jié)構(gòu)是磁體系統(tǒng)。磁體核心是一個(gè)由載流線繞成的很大的螺旋管，磁體產(chǎn)生NMR躍遷所需的磁場(chǎng)，它是一個(gè)圓筒狀的立體結(jié)構(gòu)，為了保證儀器內(nèi)部經(jīng)大電流勵(lì)磁的超導(dǎo)體保持超導(dǎo)狀態(tài)，即保證超導(dǎo)體所處的環(huán)境溫度極低，儀器內(nèi)層將注入液氦，氦氣的沸點(diǎn)是4K(-269℃)，正常情況下，在4K以上它是氣態(tài)，4K以下成為液態(tài)，將導(dǎo)體浸在液氦中即保證導(dǎo)體所處的環(huán)境溫度≤4K。液氦的價(jià)格十分昂貴，為了盡量減少液氦的揮發(fā)，在中層注入液氮以減慢液氦的揮發(fā)。與此同時(shí)，儀器的最外層是處在真空狀態(tài)下的空腔，可以大大減少熱量的交換，通過(guò)以上三層措施保證超導(dǎo)體不因升高溫度而失去磁性。為了維持這個(gè)超導(dǎo)系統(tǒng)，磁體的核心需時(shí)刻被液氮和液氦包圍。因此，液氦和液氮需要定期添加。

(2)勻場(chǎng)系統(tǒng)是一組載流勻場(chǎng)線網(wǎng)，被安裝在磁體的下端，通過(guò)補(bǔ)償磁場(chǎng)不均勻度來(lái)改善磁場(chǎng)的一致性。室溫勻場(chǎng)線圈中的電流由機(jī)柜中的Bruker自動(dòng)磁體系統(tǒng)(Bruker smart magnet system，BSMS)控制。通過(guò)工作站的BSMS鍵盤調(diào)整室溫勻場(chǎng)線圈電流來(lái)優(yōu)化NMR信號(hào)的過(guò)程稱為磁體勻場(chǎng)。

(3)高性能前置功放(HPPR)可以把射頻(RF)信號(hào)傳給樣品，更可以放大樣品反射出的微弱信號(hào)。HPPR被安置在磁體的旁邊，以盡可能提前對(duì)NMR信號(hào)進(jìn)行放大，來(lái)減小信號(hào)在電纜傳輸中的衰減。信號(hào)經(jīng)過(guò)HPPR放大后，在電纜中的衰減就不會(huì)再有很大的影響。另外，HPPR中一個(gè)獨(dú)立的氘模塊負(fù)責(zé)發(fā)射和接收鎖場(chǎng)信號(hào)，傳送和接收氘的鎖場(chǎng)信號(hào)，并被用在wobble程序中進(jìn)行鎖場(chǎng)。

(4)探頭位于磁體的下方，被插入到磁體的底部，位于室溫勻場(chǎng)線圈的內(nèi)部。探頭的功能是支撐樣品，發(fā)射激發(fā)樣品的射頻信號(hào)并接受響應(yīng)信號(hào)。發(fā)射和接收過(guò)程使用了RF線圈，同軸電纜把激發(fā)信號(hào)從控制放大器傳送至探頭，并把NMR信號(hào)從樣品處傳回接受器，RF和信號(hào)傳出通過(guò)同一根電纜進(jìn)出探頭。探頭可以插入一個(gè)加熱器，配合空氣／氮?dú)鈧鬏敼?，可以使NMR樣品的溫度得到控制。一個(gè)熱電偶溫度計(jì)負(fù)責(zé)監(jiān)視樣品的溫度。控溫單元(variable temperature unit，VTU)監(jiān)視熱電偶的讀數(shù)并調(diào)節(jié)加熱器的功率來(lái)維持需要的溫度。

 2、機(jī)柜系統(tǒng)：機(jī)柜系統(tǒng)容納了現(xiàn)代數(shù)字譜儀相關(guān)的大部分電子硬件，根據(jù)容量的不同，可以是單柜，也可以是雙柜，主要單元有采樣控制系統(tǒng)(acquisition eontml system，AQS)、Bruker自動(dòng)磁體系統(tǒng)(BSMS)、控溫單元(VTU)和各種功放等。

(1)采樣控制系統(tǒng)(AQS)：AQS內(nèi)的各個(gè)單元分別負(fù)責(zé)發(fā)射激發(fā)樣品的射頻脈沖，并接收、放大、數(shù)字化樣品放射出的NMR信號(hào)。當(dāng)數(shù)據(jù)被接收和數(shù)字化后，信息被傳輸?shù)街鳈C(jī)進(jìn)行進(jìn)一步的處理和儲(chǔ)存，和主機(jī)的連接主要是通過(guò)CCU通訊控制單元。機(jī)柜的機(jī)架上有一系列數(shù)字和模擬的插槽板卡，它們負(fù)責(zé)發(fā)生需要的RF信號(hào)和接收、放大并數(shù)字化NMR信號(hào)。

(2)Bruker自動(dòng)磁體系統(tǒng)(BSMS)：這個(gè)自動(dòng)磁體系統(tǒng)可以通過(guò)工作站的。BSMS鍵盤進(jìn)行控制，負(fù)責(zé)操作鎖場(chǎng)和勻場(chǎng)系統(tǒng)及樣品的升降、旋轉(zhuǎn)等。

(3)控溫單元(VTU)：VTU是一個(gè)分離的獨(dú)立單元，或者被合并到BSMS系統(tǒng)中，它的功能是通過(guò)可控制的方式改變樣品的溫度進(jìn)行變溫實(shí)驗(yàn)或者保持實(shí)驗(yàn)溫度恒定。

(4)功放：也被稱為傳輸器，可以激發(fā)NMR樣品需要相對(duì)大的信號(hào)振幅。功放可以是內(nèi)置的(合并在AQS機(jī)架內(nèi))或者外置的(分離的獨(dú)立單元)。從功放輸出直接到HPPR的電纜，把RF信號(hào)傳給樣品。功放的兩個(gè)主要類別是：選擇性功放和寬帶功放。選擇性功放(selective amplifiers，也被稱為質(zhì)子功放)是專門設(shè)計(jì)用來(lái)放大1H和19F的高頻信號(hào)。寬帶功放(也被稱為X功放)被設(shè)計(jì)用來(lái)放大寬范圍內(nèi)的頻率信號(hào)(除1H和19F外)。RF是一個(gè)最大振幅為l Vpp的弱信號(hào)，通過(guò)標(biāo)有“Rf in”的SMA接頭輸入功放。

3、操作控制臺(tái)系統(tǒng)包括計(jì)算機(jī)主機(jī)、顯示器、打印機(jī)和BSMS鍵盤等。

實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)、執(zhí)行及數(shù)據(jù)的分析處理都是由操作者輸入控制臺(tái)的命令來(lái)控制完成的。

計(jì)算機(jī)主機(jī)：主機(jī)運(yùn)行Topspin程序，目前是Topspin 3.2版本，負(fù)責(zé)所有的數(shù)據(jù)分析和存儲(chǔ)，和數(shù)據(jù)采集相關(guān)的所有操作由機(jī)柜內(nèi)的AQS的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)控制。主機(jī)與AQs的連接是通過(guò)以太網(wǎng)線進(jìn)行的，它被用來(lái)在主機(jī)和AQs之間傳輸數(shù)據(jù)和指令。

BSMS鍵盤：這個(gè)設(shè)備可以讓用戶控制鎖場(chǎng)和勻場(chǎng)系統(tǒng)及一些基本操作，例如放入、旋轉(zhuǎn)和取出NMR樣品。BSMS鍵盤被用來(lái)：①操作鎖場(chǎng)系統(tǒng)；②控制樣品旋轉(zhuǎn)和彈出；⑧調(diào)整室溫勻場(chǎng)系統(tǒng)的電流(即“勻場(chǎng)”)；④監(jiān)視磁體內(nèi)液氦的高度。

（二）基本原理

一、核磁共振譜儀的工作原理

核磁共振是指處于外磁場(chǎng)中的原子核系統(tǒng)受到相應(yīng)頻率(兆赫數(shù)量級(jí)的射頻)的電磁波作用時(shí)，在其磁能級(jí)之間發(fā)生的共振躍遷現(xiàn)象，檢測(cè)電磁波被吸收情況可得到核磁共振波譜。因此，就其本質(zhì)而言，核磁共振波譜是原子與電磁波相互干擾作用而產(chǎn)生的，屬于吸收光譜(波譜)范疇。根據(jù)核磁共振譜圖上共振峰的位置、強(qiáng)度和精細(xì)結(jié)構(gòu)可以研究分子結(jié)構(gòu)。

圖6—1為核磁共振工作原理的最原始模型，樣品處在一個(gè)強(qiáng)的靜磁場(chǎng)下，在一定頻率的電磁波照射下，低能級(jí)的核通過(guò)躍遷向高能級(jí)轉(zhuǎn)變，并由此產(chǎn)生一定的信號(hào)，高能級(jí)的核再通過(guò)非輻射途徑損失能量回到低能級(jí)狀態(tài)(弛豫)，繼續(xù)下一次躍遷，從而保證了核磁信號(hào)穩(wěn)定地輸出，輸出的信號(hào)通過(guò)檢測(cè)器、放大器、傅里葉轉(zhuǎn)化等一系列的計(jì)算機(jī)處理，展現(xiàn)出信息量極大的核磁共振譜圖。

參考資料：大型分析儀器使用教程