核磁共振波谱仪的发展现状

核磁共振波谱仪的发展现状本文主要介绍了核磁共振波谱仪的工作原理，基本结构，着重介绍了连续波核磁共振波谱仪和脉冲傅里叶核磁共振谱仪的结构和工作原理及其优缺点。文章最后介绍了几种核磁波谱仪的实例，并对今后核磁波谱仪的发展趋势进行了展望。关键词：核磁共振波谱仪发展概述20世纪后半叶，NMR技术和仪器发展十分快速，从永磁到超导，从60MHz到800MHz的NMR谱仪磁体的磁场差不多每五年提高一点五倍，这是被NMR在有机结构分析和医疗诊断上特有功能所促进的。现在有机化学研究中NMR已经成为分析常规测试手段，同样，在医疗上MRI（核磁共振成像仪器）亦成为某些疾病的诊断手段。1953年：美国Varian公司---第一台NMR谱仪（30MHZ）1964年：美国Varian公司---第一台超导NMR谱仪（200MHZ）1971年:日本JEOL公司---第一台超导傅立叶变换NMR谱仪（计算机用于NMR谱仪，使NMR技术有了质的飞跃发展。核磁共振波谱仪的类型实现核磁共振可用两种方法：固定磁场B0,改变射频的频率产生核磁共振，称为扫频法；固定射频的频率，改变磁场B0产生核磁共振，称为扫场法。按工作方式，可将高分辨率核磁振仪分为两种类型：连续波核磁共振谱仪和脉冲傅里叶核磁共振谱仪。（一）.连续波核磁共振谱仪图1连续波核磁共振谱仪示意图连续波(CW)是指射频的频率和外磁场的强度是连续变化的，即进行连续扫描，直至到被观测的核依次被激发产生核磁共振。连续波核磁共振谱仪主要由下列主要部件组成：①磁铁，②探头，③射频和音频发射单元，④频率和磁场扫描单元，⑤信号放大、接受和显示单元。后三个部件装在波谱仪内。通常是用电磁铁和永久磁铁产生均匀而稳定的磁场B0。在两磁极之间安装一个探头，探头中央插入试样管。试样管在压缩空气的推动下，匀速而平稳地回旋。射频振荡器线圈安装在探头中，产生一定频率的射频辐射以激发核。它所产生的射频场须与磁场方向垂直。射频接收线圈也安装在探头中，以来探测核磁共振时的吸收信号。另有一组扫描线圈安装在磁铁两极上，以达到扫场操作的目的。通过扫描发生器线圈在B0方向叠加一个小的扫描磁场B'0，调节B'0的大小，以便使总的外磁场(B0+B'0)可在有限范围内变化，当1H核产生的回旋频率对于射频频率时，核吸收射频能量产生核磁共振。从射频接收器过来的核磁共振信号和扫场的磁场强度同时送到记录仪，即可得到核磁共振波谱图，纵坐标为信号强度，横坐标为磁场强度B或化学位移。磁铁磁铁是核磁共振仪最基本的组成部件。它要求磁铁能提供强而稳定、均匀的磁场。核磁共振仪使用的磁铁有三种：永久磁铁，电磁铁和超导磁铁。由永久磁铁和电磁铁获得的磁场一般不能超过2.5T。而超导磁体可使磁场高达10T以上，并且磁场稳定、均匀。目前超导核磁共振仪一般在200~400MHz，最高可打600MHz。但超导核磁共振仪价格高昂，目前使用还不十分普遍。探头探头装在磁极间隙内，用来检测核磁共振信号，是仪器的心脏部分。探头除包括试样管外，还有发射线圈接受线圈以及豫放大器等元件。待测试样放在试样管内，再置于绕有接受线圈和发射线圈的套管内。磁场和频率源通过探头作用于试样。为了使磁场的不均匀性产生的影响平均化，试样探头还装有一个气动涡轮机，以使试样管能沿其纵轴以每分钟几百转的速度旋转。波谱仪射频源和音频调制高分辨波谱仪要求有稳定的射频频率和功能。为此，仪器通常采用恒温下的石英晶体振荡器得到基频，再经过倍频、调频和功能放大得到所需要的射频信号源。为了提高基线的稳定性和磁场锁定能力，必须用音频调制磁场。为此，从石英晶体振荡器中的得到音频调制信号，经功率放大后输入到探头调制线圈。扫描单元核磁共振仪的扫描方式方式有两种：一种是保持频率恒定，线形地改变磁场，称为扫场；另一种是保持磁场恒定，线形地改变频率，称为扫频。许多仪器同时具有这两种扫描方式。扫描速度的大小会影响信号峰的显示。速度太慢，不仅增加了实验时间，而且信号容易饱和;相反，扫描速度太快，会造成峰形变宽，分辨率降低。接受单元从探头预放大器得到的载有核磁共振信号的射频输出，经一系列检波、放大后，显示在示波器和记录仪上，得到核磁共振谱。信号累加若将试样重复扫描数次，并使各点信号在计算机中进行累加，则可提高连续波核磁共振仪的灵敏度。当扫描次数为N时，则信号强度正比于N,而噪音强度正比于，因此，信噪比扩大了倍。考虑仪器难以在过长的扫描时间内稳定，一般N=100左右为宜。CW-NMR仪的有很多优点，适用于大磁矩、自旋1=1/2和高天然丰度的核的波谱测定。这些核称为灵敏核素，例如1H、19F和31P遗憾的是，13C和15N均不属于此类核。二、脉冲傅里叶核磁共振谱仪（PFT-NMR）连续波核磁共振仪通过扫频或扫场的方法，找到共振吸收，获得NMR谱。这种工作方式效率低。为了解决这一问题，目前采用脉冲傅里叶变换核磁共振仪（图2）。在PFT-NMR中，采用恒定磁场，用一定频率宽度的射频强脉冲辐照试样，激发全部欲观测的核，得到全部共振信号。当脉冲发射时，试样中每种核都对脉冲中单个频率产生吸收.接收器得到自由感应衰减信号（FID）,这种信号是复杂的干涉波，产生于核激发态的弛豫过程。FID信号是时间的函数，经滤波、转换数字化后被计算机采集，再由计算机进行傅里叶变换转变成频率的函数，最后经过数/模转换器变成模拟量，显示到屏幕上或记录在记录纸上，得到通常的NMR谱图。图2脉冲傅里叶变换核磁共振仪连续波核磁共振谱仪采用的是单频发射和就手方式，在某一时刻内，只能记录谱图中的很窄一部分信号，即单位时间内获得的信息很少。在这种情况下，对那些核磁共振信号很弱的核，即使采用累加技术，也得不到良好的效果。为了提高单位时间的信息量，可采用多道发射机同时发射多种频率，使处于不同化学环境的核同时频率，再采用多道接受装置同时得到所有的共振信息。例如，在100MHz共振仪中，质子共振信号化学位移范围为10时，相当于1000Hz；若扫描速度为2Hz-1,则连续波核磁共振仪需500才能扫完全谱。而在具有1000个频率间隔1Hz的发射机和接受机同时工作时，只要1即可扫完全谱。显然，后者可大大提高分析速度和灵敏度。傅里叶变换NMR谱仪是以适当宽度的射频脉冲作为“多道发射机”，使所选的核同时激发，得到核的多条谱线混合的自由感应衰减(freeinductiondecay,FID)信号的叠加信息，即时间域函数，然后以快速傅里叶变换作为“多道接受机”变换出各条谱线在频率中的位置及其强度。这就是脉冲傅里叶核磁共振仪的基本原理。傅里叶变换核磁共振仪测定速度快，除可进行核的动态过程、瞬变过程、反应动力学等方面的研究外，还易于实现累加技术。因此，从共振信号强的到共振信号弱的核，均能测定。世界上主要的核磁共振谱仪生产商有德国的Bruker公司和美国的Varian公司，两公司各有所长。核磁共振仪器实例介绍世界上主要的核磁共振谱仪生产商有德国的Bruker公司和美国的Varian公司，两公司各有所长。图3Acend核磁共振谱仪及得到的1HNMR谱图采用先进的超导技术，最高频率达700-850MHz，具有先进的磁场稳定功能。图4Fourier300核磁共振谱仪具有结构紧凑、体积小、重量轻、分辨率优等特点。适合于化学教育与研究领域。图5SmartProbe核磁共振谱仪具有灵活、通用、灵敏度高等优点。可进行宽频扫描，不仅适用于氢谱，同时也适用于其他磁核分析如15N、19F等。图6SampleMail核磁共振谱仪具有样品装取方便的优点，适用于1-10mm各种直径的核磁样品管，测试过程快捷、安全。图7Avance1000核磁仪世界第一台采用永久超导磁场技术的频率高达1000MHz核磁共振谱仪，于2022年1月在法国里昂安装成功。图8Solid-StateDNP-NMRSpectrometer263GHzAVANCEIII世界第一台商品级高分辨率固态核磁谱仪，尤其适合生物分子分析。图9Sample某preTM核磁共振仪Sample某preTM是布鲁克公司最新产品之一。可以采用各种长度的样品管(100-190mm)，其最高频率达800M。NMR在21世纪的发展动向为以下几个方面1提高磁体的磁场强度预期21世纪将会出现大于1000MHz的NMR谱仪，这将使生物大分子的结构研究有重大突破。2.发展三维核磁共振技术(3D-NMR)随着NMR谱在生物大分子结构分析中的应用，NMR技术所提