（一）儀器簡介

一、基本信息

儀器名稱：600 MHz核磁共振波譜儀

規(guī)格型號：Bruker AVANCE III 600型

二、儀器組成

1、磁體系統：包括磁體、勻場系統、高性能前置功放和探頭。

(1)核磁共振(nuclear magnetic resonance，NMR)波譜儀的核心結構是磁體系統。磁體核心是一個由載流線繞成的很大的螺旋管，磁體產生NMR躍遷所需的磁場，它是一個圓筒狀的立體結構，為了保證儀器內部經大電流勵磁的超導體保持超導狀態(tài)，即保證超導體所處的環(huán)境溫度極低，儀器內層將注入液氦，氦氣的沸點是4K(-269℃)，正常情況下，在4K以上它是氣態(tài)，4K以下成為液態(tài)，將導體浸在液氦中即保證導體所處的環(huán)境溫度≤4K。液氦的價格十分昂貴，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，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，通過以上三層措施保證超導體不因升高溫度而失去磁性。為了維持這個超導系統，磁體的核心需時刻被液氮和液氦包圍。因此，液氦和液氮需要定期添加。

(2)勻場系統是一組載流勻場線網，被安裝在磁體的下端，通過補償磁場不均勻度來改善磁場的一致性。室溫勻場線圈中的電流由機柜中的Bruker自動磁體系統(Bruker smart magnet system，BSMS)控制。通過工作站的BSMS鍵盤調整室溫勻場線圈電流來優(yōu)化NMR信號的過程稱為磁體勻場。

(3)高性能前置功放(HPPR)可以把射頻(RF)信號傳給樣品，更可以放大樣品反射出的微弱信號。HPPR被安置在磁體的旁邊，以盡可能提前對NMR信號進行放大，來減小信號在電纜傳輸中的衰減。信號經過HPPR放大后，在電纜中的衰減就不會再有很大的影響。另外，HPPR中一個獨立的氘模塊負責發(fā)射和接收鎖場信號，傳送和接收氘的鎖場信號，并被用在wobble程序中進行鎖場。

(4)探頭位于磁體的下方，被插入到磁體的底部，位于室溫勻場線圈的內部。探頭的功能是支撐樣品，發(fā)射激發(fā)樣品的射頻信號并接受響應信號。發(fā)射和接收過程使用了RF線圈，同軸電纜把激發(fā)信號從控制放大器傳送至探頭，并把NMR信號從樣品處傳回接受器，RF和信號傳出通過同一根電纜進出探頭。探頭可以插入一個加熱器，配合空氣／氮氣傳輸管，可以使NMR樣品的溫度得到控制。一個熱電偶溫度計負責監(jiān)視樣品的溫度?？販貑卧?variable temperature unit，VTU)監(jiān)視熱電偶的讀數并調節(jié)加熱器的功率來維持需要的溫度。

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

(1)采樣控制系統(AQS)：AQS內的各個單元分別負責發(fā)射激發(fā)樣品的射頻脈沖，并接收、放大、數字化樣品放射出的NMR信號。當數據被接收和數字化后，信息被傳輸到主機進行進一步的處理和儲存，和主機的連接主要是通過CCU通訊控制單元。機柜的機架上有一系列數字和模擬的插槽板卡，它們負責發(fā)生需要的RF信號和接收、放大并數字化NMR信號。

(2)Bruker自動磁體系統(BSMS)：這個自動磁體系統可以通過工作站的。BSMS鍵盤進行控制，負責操作鎖場和勻場系統及樣品的升降、旋轉等。

(3)控溫單元(VTU)：VTU是一個分離的獨立單元，或者被合并到BSMS系統中，它的功能是通過可控制的方式改變樣品的溫度進行變溫實驗或者保持實驗溫度恒定。

(4)功放：也被稱為傳輸器，可以激發(fā)NMR樣品需要相對大的信號振幅。功放可以是內置的(合并在AQS機架內)或者外置的(分離的獨立單元)。從功放輸出直接到HPPR的電纜，把RF信號傳給樣品。功放的兩個主要類別是：選擇性功放和寬帶功放。選擇性功放(selective amplifiers，也被稱為質子功放)是專門設計用來放大1H和19F的高頻信號。寬帶功放(也被稱為X功放)被設計用來放大寬范圍內的頻率信號(除1H和19F外)。RF是一個最大振幅為l Vpp的弱信號，通過標有“Rf in”的SMA接頭輸入功放。

3、操作控制臺系統包括計算機主機、顯示器、打印機和BSMS鍵盤等。

實驗的設計、執(zhí)行及數據的分析處理都是由操作者輸入控制臺的命令來控制完成的。

計算機主機：主機運行Topspin程序，目前是Topspin 3.2版本，負責所有的數據分析和存儲，和數據采集相關的所有操作由機柜內的AQS的計算機系統控制。主機與AQs的連接是通過以太網線進行的，它被用來在主機和AQs之間傳輸數據和指令。

BSMS鍵盤：這個設備可以讓用戶控制鎖場和勻場系統及一些基本操作，例如放入、旋轉和取出NMR樣品。BSMS鍵盤被用來：①操作鎖場系統；②控制樣品旋轉和彈出；⑧調整室溫勻場系統的電流(即“勻場”)；④監(jiān)視磁體內液氦的高度。

（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中的原子核系統受到相應頻率(兆赫數量級的射頻)的電磁波作用時，在其磁能級之間發(fā)生的共振躍遷現象，檢測電磁波被吸收情況可得到核磁共振波譜。因此，就其本質而言，核磁共振波譜是原子與電磁波相互干擾作用而產生的，屬于吸收光譜(波譜)范疇。根據核磁共振譜圖上共振峰的位置、強度和精細結構可以研究分子結構。

圖6—1為核磁共振工作原理的最原始模型，樣品處在一個強的靜磁場下，在一定頻率的電磁波照射下，低能級的核通過躍遷向高能級轉變，并由此產生一定的信號，高能級的核再通過非輻射途徑損失能量回到低能級狀態(tài)(弛豫)，繼續(xù)下一次躍遷，從而保證了核磁信號穩(wěn)定地輸出，輸出的信號通過檢測器、放大器、傅里葉轉化等一系列的計算機處理，展現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