Beginners Guide Chinese Version 00331

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1 AVANCE SGU Based Frequency Generation 初 学 者 入 门 手 册 中 文 版 003 版 本 号 003

2 本 手 册 所 包 含 信 息 的 更 新 变 更 不 再 进 行 通 知 BRUKER 不 承 担 依 照 本 手 册 进 行 操 作 所 造 成 的 一 切 后 果 BRUKER 不 负 责 在 安 装 或 实 验 操 作 中 由 于 本 手 册 所 包 含 的 错 误 而 导 致 的 偶 然 损 害 严 禁 在 未 取 得 出 版 者 书 面 许 可 的 情 况 下, 对 手 册 全 部 或 部 分 内 容 进 行 引 用 或 者 翻 译 作 者 :Eamonn Butler 出 版 :Stanley J.Niles 2003 年 12 月 12 日 翻 译 : 高 玉 波 Yubo.Gao 校 对 : 张 建 平 Jianping.Zhang 2006 年 5 月 21 日

3 目 录 目 录 简 介 可 能 的 损 害 软 件 版 本 及 命 令 语 法 安 全 注 意 事 项 简 述 关 于 磁 性 的 安 全 注 意 事 项 内 部 区 域 安 全 注 意 事 项 外 部 区 域 安 全 注 意 事 项 关 于 深 冷 液 体 的 安 全 注 意 事 项 关 于 电 气 的 安 全 注 意 事 项 关 于 化 学 的 安 全 注 意 事 项 关 于 CE 认 证 理 论 及 术 语 说 明 简 介 氯 仿 的 NMR 分 析 标 样, 赫 兹,ppm 质 子 NMR 化 学 位 移 苯 的 质 子 频 谱 乙 酸 苄 酯 (Benzylacetate) 的 质 子 频 谱 带 自 旋 / 自 旋 耦 合 的 乙 基 苯 质 子 频 谱 去 耦 FID 和 频 谱 系 统 介 绍 简 介 操 作 控 制 台 及 其 连 接 机 柜 主 机 与 AQS 间 的 连 接 磁 体 匀 场 系 统 HPPR 和 探 头 磁 体 和 磁 体 杜 瓦 室 温 腔 管 液 氦 腔 液 氮 腔 锁 场 系 统 简 介 探 头 双 模 13C/1H 探 头 更 换 探 头 NMR 样 品 简 介 溶 剂 选 择 样 品 管...40

4 目 录 5.4 样 品 处 理 实 验 基 本 步 骤 简 介 BSMS 键 盘 保 存 一 组 匀 场 值 (wsh 命 令 ) 读 取 一 组 匀 场 值 (rsh 命 令 ) BSMS 功 能 样 品 控 制 功 能 手 动 锁 场 功 能 手 动 匀 场 功 能 液 氦 高 度 功 能 将 样 品 管 插 入 转 子 将 带 样 品 管 的 转 子 放 入 磁 体 旋 转 样 品 调 谐 和 匹 配 探 头 使 用 wobble 曲 线 进 行 调 谐 和 匹 配 使 用 HPPR LED 进 行 调 谐 和 匹 配 对 多 个 核 进 行 调 谐 和 匹 配 锁 定 样 品 锁 场 步 骤 匀 场 初 始 匀 场 常 规 匀 场 准 备 采 样 数 据 集, edasp eda 命 令 简 介 数 据 集 创 建 数 据 集 谱 仪 参 数 edasp edasp 窗 口 布 局 edasp 窗 口 的 一 些 特 性 基 本 采 样 参 数 : eda 表 发 射 基 础 和 偏 移 频 率 的 数 学 解 释 脉 冲 程 序 / ased 命 令 脉 冲 程 序 zg 和 zg zg30 程 序 详 解 命 令 ased 氢 谱 前 言 创 建 新 数 据 集 读 取 标 准 参 数 集 getprosol 表 设 置 接 收 机 增 益 进 行 采 样 傅 立 叶 变 换 和 谱 图 相 位 校 正 (104) 中 文 版 003

5 目 录 9.7 基 本 处 理 : 傅 立 叶 变 换 相 位 校 正 谱 图 的 校 准 水 平 放 大 图 谱 图 谱 校 准 使 用 SW-SFO1 功 能 调 整 谱 宽 调 整 cholesterylacetate 谱 图 的 SW 增 加 扫 描 次 数 不 去 耦 的 13C 谱 简 介 步 骤 去 耦 氢 的 13C 谱 简 介 详 细 步 骤 确 定 去 耦 频 率 调 整 去 耦 参 数 脉 冲 程 序 zgpg 基 本 故 障 排 除 简 介 打 开 和 关 闭 谱 仪 谱 仪 开 机 谱 仪 关 机 在 Windows 系 统 运 行 Topspin 中 文 版 003 5(104)

6 正 文 开 始

7 1 简 介 这 本 手 册 的 目 的 是 帮 助 一 个 几 乎 没 有 经 验 的 用 户 学 习 进 行 一 系 列 基 础 的 一 维 高 分 辨 率 NMR 实 验 我 们 采 用 Cholesterylacetate 作 为 实 验 样 品, 描 述 怎 样 观 察 质 子 和 碳 核 ( 去 耦 或 者 不 去 耦 ) 为 了 帮 助 用 户 学 习, 我 们 使 用 的 是 所 有 Topspin 软 件 都 包 含 的 标 准 参 数, 当 然, 为 了 帮 助 用 户 理 解 不 同 参 数 的 内 在 关 系, 我 们 付 出 了 真 正 的 努 力, 而 不 是 仅 仅 把 标 准 参 数 集 读 出 来 事 实 上, 这 本 手 册 将 专 注 于 对 采 集 过 程 的 描 述, 另 外, 还 会 提 及 对 采 集 到 的 数 据 进 行 处 理 是 多 么 花 费 时 间 我 们 需 要 尽 可 能 减 少 在 谱 仪 上 处 理 数 据 的 时 间, 在 训 练 一 大 批 未 毕 业 的 学 生 时, 这 点 非 常 重 要 这 种 情 况 下, 学 生 应 该 在 谱 仪 教 程 文 档 的 指 导 下, 在 另 外 一 个 工 作 站 上 方 便 地 进 行 数 据 处 理 为 了 理 解 这 本 手 册 中 指 令 的 用 途, 用 户 应 该 拥 有 : 关 于 Topspin 软 件 包 的 基 础 知 识 ; 一 个 或 多 个 可 以 观 察 质 子 观 察 碳 核 去 耦 氢 观 察 碳 核 的 探 头 ; BSMS 键 盘 或 控 制 面 板 的 基 础 操 作 知 识 虽 然 我 们 努 力 提 供 了 按 步 骤 的 详 细 描 述, 但 新 用 户 总 会 有 一 些 问 题, 需 要 得 到 有 经 验 的 用 户 的 支 持 这 本 手 册 的 目 标 是, 实 际 也 只 能 是, 使 用 户 对 系 统 的 操 作 有 个 基 本 的 理 解, 能 够 开 始 独 立 工 作 希 望 使 用 这 本 手 册 可 以 显 著 缩 短 新 用 户 的 培 训 时 间 1.1 可 能 的 损 害 以 后 的 章 节 将 会 详 细 地 讨 论 安 全 注 意 事 项, 但 现 在 必 须 明 确 指 出 在 操 作 NMR 谱 仪 时 可 能 造 成 的 损 害 如 此 复 杂 的 一 套 系 统, 偶 然 会 出 现 无 经 验 用 户 损 坏 仪 器 的 情 况, 极 少 但 最 重 要 的 一 些 值 得 列 出 来 正 常 操 作 中 最 可 能 导 致 伤 害 的 情 况 有 : 在 盖 着 防 尘 盖 时, 从 磁 体 中 弹 出 样 品 管 ; 在 没 有 压 缩 气 体 支 持 下 往 磁 体 内 放 入 样 品 管 ; 发 射 的 RF 脉 冲 太 长 太 强 或 者 又 长 又 强 ; 往 未 连 接 的 导 线 或 者 调 谐 不 好 的 探 头 中 传 输 RF 能 量 建 议 新 用 户 在 开 始 操 作 前 确 认 自 己 已 经 了 解 这 些 可 能 发 生 的 损 害 建 议 系 统 管 理 员 确 保 任 何 新 用 户 理 解 以 上 提 到 的 情 况 中 文 版 003 7(104)

8 1 简 介 软 件 版 本 及 命 令 语 法 这 本 手 册 针 对 Topspin 1.1 版 本 编 写 整 本 手 册 需 要 输 入 的 命 令 的 过 程 将 被 标 出 需 要 输 入 的 命 令 将 在 单 引 号 内 用 粉 红 色 标 出 例 如 输 入 eda 意 思 是 用 键 盘 在 命 令 行 输 入 eda 然 后 按 Return 或 者 Enter 或 者 回 车 键 8(104) 中 文 版 003

9 2 安 全 注 意 事 项 2.1 简 述 安 全 方 面,NMR 谱 仪 不 同 于 绝 大 多 数 实 验 设 备 的 地 方 在 于 其 使 用 的 强 磁 体 在 布 置 实 验 室, 训 练 在 实 验 室 内 或 者 周 围 工 作 的 人 员 时, 这 是 最 重 要 首 先 要 考 虑 的 一 点 如 果 遵 守 正 确 的 操 作 规 则, 在 强 磁 体 附 近 工 作 是 完 全 安 全 的, 现 在 还 没 有 发 现 其 在 医 疗 方 面 存 在 有 害 影 响 粗 心 的 话, 无 论 如 何 都 会 造 成 严 重 的 事 故, 所 以 让 在 磁 体 附 近 工 作 的 人 员 完 全 理 解 可 能 出 现 的 伤 害 情 况 是 非 常 重 要 的 最 重 要 的 一 点 是, 绝 对 不 要 允 许 使 用 心 脏 起 搏 器 或 者 金 属 关 节 的 人 员 接 近 磁 体 以 下 情 况 决 定 了 磁 体 可 能 造 成 损 坏 : 1. 与 磁 性 物 体 之 间 巨 大 的 吸 引 力 ; 2. 内 部 包 含 的 大 量 液 氦 和 液 氮 2.2 关 于 磁 性 的 安 全 注 意 事 项 磁 体 周 围 存 在 一 个 磁 场, 这 个 场 是 不 可 见 的, 因 此 需 要 在 周 围 区 域 设 置 警 告 标 示 铁 磁 材 料 制 作 的 物 体 ( 例 如 钢 铁 ) 会 被 吸 引 到 磁 体 上 如 果 一 个 铁 磁 性 物 体 离 磁 体 太 近, 它 会 突 然 被 惊 人 的 力 量 吸 进 磁 体, 这 可 能 伤 害 磁 体, 并 伤 害 它 们 之 间 的 人 员! 由 于 磁 场 的 强 度 随 着 远 离 磁 体 的 距 离 显 著 减 弱, 有 必 要 讨 论 在 两 个 广 义 区 域 的 安 全 事 项 : 内 部 区 域 和 外 部 区 域 在 组 织 实 验 练 习 时, 内 部 区 域 和 外 部 区 域 的 划 分 是 很 有 帮 助 的 两 个 区 域 的 物 理 范 围 取 决 于 磁 体 的 大 小, 磁 体 越 大, 磁 场 会 越 强, 两 个 区 域 的 范 围 也 会 越 大 图 2.1 展 示 了 两 个 区 域 的 范 围 ( 不 符 合 比 例 ) 关 于 不 同 磁 体 磁 场 的 详 细 资 料 可 以 参 考 BASH 光 盘 的 Site Planning Guides 中 文 版 003 9(104)

10 2 安 全 注 意 事 项 图 2.1 磁 体 内 部 及 外 部 区 域 的 安 全 注 意 事 项 内 部 区 域 安 全 注 意 事 项 内 部 区 域 是 指 从 磁 体 中 心 到 1mT(10 高 斯 ) 线 之 间 的 区 域 在 这 个 区 域 内, 物 体 可 能 突 然 被 吸 到 磁 体 中 心, 磁 体 的 吸 引 力 会 在 很 短 的 距 离 内 由 很 难 觉 察 增 大 到 无 法 控 制 的 程 度 绝 对 不 允 许 在 这 一 区 域 内 放 置 或 者 移 动 铁 磁 性 重 物 在 磁 体 上 工 作 使 用 的 任 何 梯 子 都 应 该 是 非 铁 磁 性 材 料 的, 例 如 铝 合 金 补 充 液 氦 液 氮 的 杜 瓦 也 必 须 是 使 用 非 磁 性 材 料 制 成 的 不 要 把 小 的 金 属 件 ( 例 如 改 锥 螺 栓 ) 放 在 磁 体 附 近 的 地 面 上, 如 果 它 们 被 吸 进 磁 体 的 腔 管 内 会 导 致 严 重 的 伤 害, 特 别 是 当 磁 体 没 有 安 装 探 头 时 10(104) 中 文 版 003

11 2.2.2 外 部 区 域 安 全 注 意 事 项 佩 戴 机 械 手 表 进 入 内 部 区 域 可 能 损 坏, 数 码 手 表 可 以 安 全 佩 戴 当 然, 下 面 即 将 讨 论 的 外 部 区 域 安 全 措 施 同 样 适 用 于 内 部 区 域 外 部 区 域 安 全 注 意 事 项 外 部 区 域 是 指 从 1mT 线 到 0.3mT 线 之 间 的 区 域 磁 场 不 会 被 墙 壁 地 板 或 者 天 花 板 阻 挡, 可 能 会 延 伸 到 相 邻 的 房 间 磁 场 可 以 消 除 存 储 在 磁 带 或 者 磁 盘 上 的 信 息 银 行 卡 安 全 通 行 证 或 者 任 何 包 含 有 磁 条 的 设 备 都 会 被 损 害 光 盘 不 受 影 响, 但 是 光 盘 驱 动 器 中 可 能 有 部 件 会 受 到 影 响 当 使 用 钢 铁 做 成 的 压 力 气 罐 时, 他 们 应 该 被 放 在 外 部 区 域 以 外 ( 最 好 是 在 磁 体 室 外 面 ) 并 且 必 须 被 固 定 在 墙 壁 上 如 果 太 靠 近 磁 场, 计 算 机 的 彩 色 显 示 器 的 颜 色 显 示 会 发 生 变 形, 但 是 好 像 不 会 造 成 永 久 伤 害 一 旦 离 开 外 部 区 域, 所 有 针 对 磁 体 磁 场 的 安 全 措 施 都 将 不 再 需 要 了 2.3 关 于 深 冷 液 体 的 安 全 注 意 事 项 磁 体 内 包 含 着 大 量 的 液 氦 和 液 氮, 这 些 液 体, 被 称 为 深 冷 液 体, 被 用 来 把 磁 场 线 圈 保 存 在 极 低 的 温 度 下 由 于 其 极 低 的 温 度, 在 处 理 深 冷 液 体 时, 必 须 穿 戴 手 套 长 袖 衬 衫 或 者 实 验 室 工 作 服 和 防 护 眼 镜 直 接 接 触 这 些 液 体 会 导 致 冻 伤 系 统 管 理 员 必 须 定 时 检 查 并 确 认 蒸 发 的 气 体 可 以 顺 利 流 出 磁 体, 例 如 单 向 阀 门 没 有 被 阻 塞 不 要 尝 试 去 给 磁 体 补 加 液 氦 或 者 液 氮, 除 非 你 接 受 过 训 练, 理 解 正 确 的 流 程 氦 气 和 氮 气 是 无 毒 气 体 但 是 由 于 磁 体 存 在 失 超 的 可 能 性, 会 导 致 房 间 可 能 会 突 然 充 满 蒸 发 的 气 体, 所 以 必 须 保 证 良 好 的 通 风 2.4 关 于 电 气 的 安 全 注 意 事 项 谱 仪 的 硬 件 与 所 有 典 型 的 电 子 或 者 气 动 硬 件 一 样, 具 有 同 等 的 危 害, 应 该 认 真 对 待 不 要 取 下 任 何 单 元 的 任 何 保 护 面 板 它 们 保 证 你 不 受 到 伤 害, 只 有 经 过 认 证 的 专 业 人 员 才 能 打 开 它 们 机 柜 后 面 的 主 面 板 可 以 通 过 两 个 快 速 螺 钉 取 下, 但 是 再 次 强 调, 这 只 能 由 经 过 训 练 的 人 员 执 行 请 注 意, 除 非 拔 掉 电 源, 否 则 取 下 尾 面 板 后, 上 面 的 的 冷 却 风 扇 还 将 继 续 旋 转 2.5 关 于 化 学 的 安 全 注 意 事 项 用 户 应 该 完 全 理 解 自 己 所 操 作 的 化 学 样 品 的 危 险 性 有 机 物 可 能 是 高 度 可 燃 的 具 有 强 烈 腐 蚀 性 的 甚 至 是 致 癌 的 2.6 关 于 CE 认 证 和 SGU 控 制 器 一 起 安 装 在 AVANCE 中 的 所 有 主 要 硬 件 单 元 和 外 围 的 HPPR 匀 场 系 中 文 版 (104)

12 2 安 全 注 意 事 项 统 探 头 BSMS 键 盘 单 元 都 符 合 CE 认 证 这 涵 盖 了 电 磁 辐 射 水 平 以 及 普 通 的 电 子 伤 害 指 标 注 意, 如 果 想 使 电 磁 辐 射 泄 露 量 最 小, 应 该 关 闭 机 柜 的 门, 并 且 挂 上 后 面 板 (CE 认 证 : 在 欧 洲 经 济 区 市 场 上 销 售 的 商 品 中, 加 贴 CE 标 志 的 商 品 表 示 其 符 合 安 全 卫 生 环 保 和 消 费 者 保 护 等 一 系 列 欧 洲 指 令 所 要 表 达 的 要 求 CE:CONFORMITE EUROPEENNE 译 者 注 ) 12(104) 中 文 版 003

13 3 理 论 及 术 语 说 明 3.1 简 介 NMR 是 一 项 用 来 分 析 化 学 分 子 ( 主 要 是 有 机 化 合 物 ) 结 构 的 技 术 典 型 的 化 合 物 由 碳 氢 和 氧 原 子 构 成 最 简 单 的 情 况 下, 一 个 NMR 实 验 由 三 个 步 骤 构 成 : 1. 将 样 品 放 置 在 静 磁 场 中 ; 2. 使 用 射 频 脉 冲 激 发 核 子 ; 3. 测 量 样 品 放 射 出 的 信 号 的 频 率 图 3.1 激 发 与 响 应 通 过 分 析 样 品 放 射 信 号 的 频 率, 可 以 得 到 样 品 中 关 于 原 子 结 合 和 排 列 的 信 息 NMR 激 发 样 品 时, 核 子 在 不 同 的 频 率 ( 称 为 共 振 频 率 ) 产 生 谐 振 这 些 频 率 就 是 核 子 被 外 来 射 频 脉 冲 激 发 而 发 射 出 的 频 率 共 振 频 率 的 值 取 决 于 两 个 参 数 : A) 原 子 核 的 类 型 : 每 种 同 位 素 的 原 子 核 都 由 特 定 数 量 的 质 子 和 中 子 构 成 原 子 核 的 结 构 最 大 程 度 决 定 了 共 振 频 率 的 值 每 种 同 位 素 表 现 出 一 个 基 础 共 振 频 率 碳 13 核 的 基 础 共 振 频 率 不 同 于 氢 1 等 核 的 频 率 注 意 表 3.1 中 列 出 的 不 同 同 位 素 基 础 共 振 频 率 之 间 的 不 同 表 3.1 不 同 同 位 素 数 据 表 以 11.7T 磁 体 为 例 原 子 核 NMR 效 应 基 础 共 振 频 率 [MHz] ( 近 似 值 ) 自 然 丰 度 [%] 1 H 有 中 文 版 (104)

14 3 理 论 及 术 语 说 明 2 H 有 H 有 C 无 C 有 Cl 有 Cl 有 b) 原 子 所 处 环 境 : 在 基 础 共 振 频 率 之 外, 同 位 素 原 子 所 处 环 境 也 会 影 响 核 磁 共 振 频 率 1 H 核 磁 共 振 频 率 的 准 确 值 取 决 于 它 和 什 么 原 子 结 合, 以 及 被 什 么 原 子 包 围 原 子 核 被 电 子 包 围, 可 以 把 电 子 看 作 带 磁 场 的 运 动 电 荷, 这 些 电 子 是 原 子 核 被 磁 屏 蔽 的 一 个 原 因 屏 蔽 的 范 围 取 决 于 原 子 所 处 的 环 境 同 位 素 类 型 和 样 品 所 处 的 磁 场 强 度 决 定 了 本 地 场 强 位 移 ( 会 导 致 相 应 的 频 率 位 移, 即 化 学 位 移 ) 的 典 型 值 下 表 列 出 了 两 种 最 常 用 的 NMR 核 ( 1 H 和 13 C) 的 频 率 位 移 典 型 值 可 以 清 楚 的 看 出 原 子 所 初 环 境 对 其 基 础 共 振 频 率 有 一 些 影 响 表 3.2 频 率 位 移 ( 以 11.7T 磁 体 为 例 ) 原 子 核 所 处 原 子 环 境 引 起 的 基 础 共 振 频 率 位 移 值 1 H 6 khz 13 C 100 khz NMR 信 号 一 般 被 绘 制 成 波 谱, 分 析 频 率 和 强 度 之 间 的 关 系 在 NMR 波 谱 中, 频 率 通 常 作 为 水 平 轴 并 向 左 侧 增 大 图 3.2 NMR 波 谱 14(104) 中 文 版 003

15 3.2 氯 仿 的 NMR 分 析 综 上 所 述, 频 率 变 化 的 定 性 信 息 取 决 于 原 子 核 所 处 的 原 子 环 境 信 号 的 积 分 强 度 代 表 了 对 信 号 强 度 的 测 量, 通 过 对 信 号 峰 下 的 区 域 进 行 积 分 取 得 如 果 所 有 原 子 核 都 被 同 等 激 发, 那 么 积 分 值 与 贡 献 特 定 频 率 的 原 子 核 数 量 成 正 比, 从 中 可 以 得 出 关 于 化 学 结 构 的 定 量 信 息 在 NMR 实 验 中 为 了 激 发 指 定 的 原 子 核, 激 发 脉 冲 的 频 率 应 接 近 原 子 核 的 基 础 共 振 频 率 这 个 频 率 被 称 为 载 波 频 率 (carrier frequency) 那 么, 如 果 实 验 使 用 11.7T 的 磁 场, 那 么 1 H 核 将 需 要 大 约 500MHz 的 载 波 频 率, 13 C 核 需 要 126MHz 的 载 波 频 率 载 波 频 率 被 定 义 为 参 数 SFO1 被 载 波 频 率 激 发 的 原 子 核 被 称 为 观 察 核 (observe nucleus) 请 注 意, 在 一 些 实 验 中 将 有 多 于 一 种 的 原 子 核 被 激 发, 例 如 polarzation transfer 或 者 去 耦 实 验 在 这 种 情 况 下, 将 会 出 现 多 个 载 波 频 率, 但 是 还 是 只 有 一 种 观 察 核 并 不 是 所 有 的 同 位 素 都 可 以 响 应 射 频 脉 冲, 或 者 说, 具 有 NMR 效 应 自 然 界 中 存 在 三 种 氢 的 同 位 素 : 1 H( 氢 ) 2 H( 氘 ) 3 H( 氚, 放 射 性 元 素 ), 他 们 的 自 然 丰 度 分 别 为 99.98% 0.015% 0.005% 三 种 都 具 有 NMR 效 应, 但 是 在 表 3.1 可 以 看 出, 它 们 的 共 振 频 率 有 很 大 的 差 距 在 分 析 样 品 中 氢 元 素 时, 只 有 1 H 被 激 发, 因 为 这 种 同 位 素 的 丰 度 最 大 自 然 界 发 现 的 碳 同 位 素 中, 只 有 一 种 具 有 NMR 效 应 丰 度 最 高 的 12 C (98.89%) 没 有 NMR 效 应, 因 此, 对 有 机 物 中 碳 元 素 的 NMR 分 析 只 能 依 赖 13 C 发 射 的 信 号, 13 C 的 自 然 丰 度 只 有 1.11% 显 而 易 见, 对 碳 的 NMR 分 析 比 其 他 元 素 更 困 难, 比 如 氢 ( 还 有 另 外 一 些 因 素 影 响 灵 敏 度, 这 些 因 素 将 在 本 章 的 下 一 节 讨 论 ) 通 过 以 上 对 NMR 的 简 要 介 绍, 做 为 练 习, 我 们 来 看 看 如 何 使 用 这 项 技 术 来 分 析 氯 仿 的 结 构 (CHCl 3 ) 3.2 氯 仿 的 NMR 分 析 如 下 图 所 示, 针 对 三 个 可 能 的 观 察 核 1 H 13 C 35 Cl 可 以 执 行 三 个 分 离 的 实 验 图 3.3 CHCl 3 的 NMR 分 析 中 文 版 (104)

16 3 理 论 及 术 语 说 明 三 个 具 有 适 当 载 波 频 率 的 激 发 脉 冲 E 1 E 2 E 3 将 直 接 作 用 在 样 品 上 E 1 符 合 1 H 的 共 振 频 率,E 2 符 合 13 C 的 频 率,E 3 符 合 35 Cl 的 频 率 假 如 三 种 原 子 核 都 被 成 功 激 发, 样 品 将 发 射 出 三 个 频 率 信 号 f 1 f 2 f 3, 信 号 会 被 记 录 在 三 个 分 离 的 频 谱 上, 如 果 将 发 射 信 号 显 示 在 同 一 张 图 里, 用 户 可 能 会 期 待 一 张 如 图 3.4 的 频 谱 ( 注 意 图 中 标 注 的 频 率 是 在 11.7T 磁 体 中 测 得, 所 有 信 号 都 被 画 成 单 谱 线, 也 就 是 单 峰 ) 图 3.4 CHCl 3 发 射 的 NMR 信 号 这 个 人 造 谱 图 显 示 的 三 个 峰 对 应 同 位 素 通 过 计 算 三 种 同 位 素 的 数 目, 我 们 可 能 认 为 氯 氢 和 碳 峰 的 强 度 之 比 为 3:1:1 当 然, 三 种 同 位 素 的 自 然 丰 度 ( 参 见 表 3.1) 也 应 该 计 算 进 去, 比 例 为 227:100:1 但 是, 用 户 会 发 现 实 验 测 出 的 信 号 峰 强 度 的 比 值 并 不 等 于 这 些 值 原 因 是 因 为 每 种 同 位 素, 对 于 NMR 技 术, 都 有 一 个 固 有 的 灵 敏 度 1 H 的 灵 敏 度 比 13 C 高 63 倍 也 就 是 说, 如 果 有 一 个 样 品 含 有 同 等 数 量 的 1 H 和 13 C, 那 么 1 H 的 信 号 强 度 比 13 C 强 63 倍 如 果 象 图 3.4 这 样 描 绘 频 谱, 所 有 细 节 都 丢 失 了, 精 确 的 分 辨 特 定 频 率 是 不 可 能 的 这 样 的 频 谱 被 认 为 分 辨 率 (resolution) 非 常 差 ( 频 谱 的 水 平 方 向 分 辨 率 是 指 对 两 个 相 邻 频 率 信 号 的 区 别 能 力 ) 竖 直 方 向 的 缩 放 比 例 的 巨 大 范 围 使 情 况 更 加 复 杂 化 对 NMR 灵 敏 度 固 有 的 差 距, 加 上 自 然 丰 度 的 不 同, 使 的 经 常 很 难 把 不 同 种 同 位 素 的 信 号 画 在 同 一 张 图 上 事 实 上, 谱 图 竖 直 方 向 的 分 辨 率 将 会 非 常 差 ( 竖 直 方 向 分 辨 率, 也 就 是 信 噪 比, 是 灵 敏 度 测 定 的 一 方 面 ) 我 们 对 氯 仿 的 分 析 越 来 越 复 杂, 这 是 因 为 我 们 尝 试 在 一 张 谱 图 上 对 比 三 个 不 同 观 察 核 的 信 号 ( 在 这 里, 我 们 忽 略 了 所 有 硬 件 / 电 子 方 面 的 限 制 ) 因 此, 在 实 践 中,NMR 实 验 只 针 对 单 个 观 察 核 进 行 虽 然, 同 时 被 激 发 的 不 止 一 种 同 位 素, 通 过 使 用 一 种 以 上 的 载 波 频 率 ( 例 如 去 耦 实 验 ), 我 们 只 观 察 一 种 同 位 素 发 射 出 的 信 号 这 样 大 大 简 化 了 频 谱 分 析 16(104) 中 文 版 003

17 3.3 标 样, 赫 兹,ppm 上 面 提 到, 由 于 原 子 所 处 环 境 所 造 成 的 位 移 相 对 基 础 共 振 频 率 来 说 是 很 小 的 那 么 不 能 采 用 大 的 频 谱 范 围 此 外, 自 然 丰 度 和 固 有 灵 敏 度 对 特 定 同 位 素 是 不 变 的, 那 么 同 一 频 谱 中 1 H 同 位 素 发 射 的 两 个 信 号 相 对 强 度 只 决 定 于 贡 献 该 信 号 的 原 子 数 目 这 大 大 简 化 了 对 频 谱 定 量 信 息 的 分 析 在 进 入 对 NMR 更 详 细 的 描 述 之 前, 读 者 应 该 熟 悉 使 用 参 考 信 号 的 ppm( 百 万 分 之 一 ) 来 测 量 信 号 的 概 念 3.3 标 样, 赫 兹,ppm 我 们 已 经 确 定 了 对 NMR 信 号 的 分 析 要 从 两 个 方 面 进 行, 强 度 和 频 率 绝 对 频 率 的 测 量 采 用 赫 兹 (Hz 周 每 秒 ) 或 者 兆 赫 兹 (MHz) 如 果 所 有 的 频 率 测 量 都 采 用 相 对 于 参 考 频 率 的 方 式 表 示 则 可 以 简 化 测 量 信 号 的 表 达 在 1 H NMR 实 验 中, 推 荐 作 为 参 考 的 是 一 种 被 称 为 tetramethylsilane( 四 甲 基 硅 烷,TMS) 的 化 学 制 品 当 一 个 1 H 或 者 13 C 频 谱 被 采 集 时,TMS 的 存 在 产 生 一 个 容 易 辨 认 的 单 峰 把 这 个 峰 的 位 置 定 义 为 零, 那 么 其 它 峰 的 频 率 通 过 其 与 TMS 峰 的 相 对 值 给 出 这 样, 我 们 可 以 说 一 个 信 号 的 频 率 是 TMS 峰 以 上 2.5kHz 更 可 取 的 办 法 是 引 用 信 号 的 绝 对 频 率, 比 如 MHz 相 对 于 TMS 峰 的 信 号 表 示 方 法 明 显 缩 短 了 描 述 信 号 频 率 的 数 字 位 数 可 是 如 果 使 用 ppm 替 代 赫 兹 作 为 单 位, 会 更 加 简 单 单 位 ppm 表 示 由 磁 体 场 强 决 定 的 绝 对 共 振 频 率 的 一 个 分 数, 它 的 优 点 是 频 率 测 量 值 与 磁 体 场 强 无 关, 这 样 就 大 大 简 化 了 不 同 频 谱 仪 采 集 到 频 谱 之 间 的 比 较 从 赫 兹 到 ppm 的 变 换 方 法 和 反 变 换 方 法 如 下 图 所 示 图 3.5 把 赫 兹 变 换 成 ppm 使 用 ppm 单 位 的 优 点 最 好 通 过 实 际 的 例 子 来 说 明 假 设 在 TMS 以 上 2.5kHz 观 察 到 一 个 1 H 信 号, 载 波 频 率 (SFO1) 为 500MHz 所 有 NMR 信 号 的 频 率 正 比 于 磁 体 的 强 度 同 一 个 信 号, 在 600MHz 谱 仪 中 将 出 现 在 TMS 以 上 3.0kHz, 在 400MHz 机 器 上 为 TMS 以 上 2.0kHz 一 个 简 单 的 换 算 可 能 不 算 太 复 杂, 但 是 每 个 系 统 的 每 个 峰 都 要 换 算 现 在 来 看 一 下 采 用 ppm 表 示 同 一 个 信 号 频 率 ( 赫 兹 ) 除 以 SFO1( 兆 赫 兹 )= 频 率 (ppm) 例 如 : 2500Hz / 500MHz=5ppm 中 文 版 (104)

18 3 理 论 及 术 语 说 明 3000Hz / 600MHz=5ppm 2000Hz / 400MHz=5ppm 现 在 1 H 信 号 可 以 认 为 处 在 TMS 峰 以 上 5ppm, 也 就 是 说 前 场 (downfield), 与 谱 仪 的 频 率 无 关 了 有 经 验 的 用 户 将 总 是 使 用 ppm, 并 且 科 学 刊 物 出 现 的 谱 图 的 水 平 方 向 都 使 用 ppm 为 单 位, 而 不 是 赫 兹 读 者 应 该 意 识 到 在 上 面 的 例 子 中 一 些 地 方 作 了 简 化, 500Mhz 谱 仪 中 1 H 的 载 波 频 率 不 是 刚 好 500MHz, 使 用 ppm 时 应 该 采 用 参 数 SFO1 的 精 确 值 进 行 换 算, 同 样 在 600MHz 和 400MHz 谱 仪 上, 1 H 的 载 波 频 率 也 不 是 刚 好 600MHz 和 400MHz 注 意, 一 个 正 的 ppm 值 表 示 一 个 比 TMS 频 率 高 的 信 号 频 率, 而 且 被 定 义 为 TMS 的 前 场 3.4 质 子 NMR 化 学 位 移 由 于 1 H 是 NMR 试 验 中 最 常 被 观 察 的 同 位 素, 我 们 将 对 其 进 行 详 细 讨 论 1 H 原 子 核 中 只 包 含 一 个 质 子, 因 此 观 察 1 H 核 的 频 谱 一 般 被 称 为 质 子 频 谱 前 面 提 到, 质 子 在 11.7T 磁 场 中 表 现 出 大 约 500MHz 的 基 础 共 振 频 率, 而 且 精 确 的 共 振 频 率 由 其 所 处 的 原 子 环 境 决 定 氯 仿 分 子 中 质 子 的 共 振 频 率 与 苯 分 子 中 的 质 子 会 存 在 微 小 的 差 别, 质 子 发 射 的 频 率 信 号 可 以 标 示 出 与 其 相 邻 原 子 结 构 的 定 性 信 息 这 就 是 NMR 的 基 本 原 理 共 振 频 率 准 确 值 的 细 微 差 值 被 称 为 化 学 位 移 (Chemical Shift) 共 振 频 率 由 于 相 邻 原 子 的 影 响 而 变 动, 更 详 细 的 说 是 由 于 早 先 提 到 的 周 围 电 子 云 的 磁 屏 蔽 化 学 位 移 的 测 量, 通 常 以 TMS 峰 作 为 零 点, 以 ppm 为 单 位 表 示 其 相 对 于 TMS 峰 的 位 置 绝 大 多 数 质 子, 无 论 它 存 在 于 哪 种 有 机 物 中, 其 化 学 位 移 都 在 TMS 峰 14ppm 以 内 图 3.6 有 机 物 中 1 H 的 化 学 位 移 18(104) 中 文 版 003

19 3.5 苯 的 质 子 频 谱 图 3.6 展 示 了 有 机 物 中 常 见 质 子 化 学 位 移 3.5 苯 的 质 子 频 谱 下 图 是 苯 环 的 结 构 图 图 3.7 苯 环 所 有 六 个 质 子 ( 图 中 Ha) 可 以 看 成 是 相 同 的 它 们 每 个 与 一 个 碳 原 子 单 键 相 连 每 个 碳 原 子 与 相 邻 的 碳 通 过 芳 香 键 连 接 成 为 环 状 结 构 因 此, 六 个 质 子 中 的 每 一 个 都 处 在 相 同 的 化 学 环 境 中, 也 就 是 化 学 等 价, 或 者 说 磁 学 等 价 它 们 的 谐 振 将 精 确 地 发 生 在 f1 频 率, 互 相 之 间 没 有 耦 合 因 此, 对 纯 苯 我 们 只 能 观 察 到 一 个 信 号 峰 下 图 是 溶 解 在 氘 代 丙 酮 中 苯 的 频 谱, 可 以 看 到 这 个 信 号 出 现 在 7.5ppm 图 3.8 苯 的 频 谱 中 文 版 (104)

20 3 理 论 及 术 语 说 明 3.6 乙 酸 苄 酯 (Benzylacetate) 的 质 子 频 谱 乙 酸 苄 酯 (C 6 H 5 -CH 2 -O-CO-CH 3 ) 是 一 种 更 加 复 杂 的 有 机 物, 下 图 是 它 的 结 构 图 图 3.9 乙 酸 苄 酯 我 们 可 以 区 分 出 三 组 质 子, 并 分 别 标 示 出 标 为 H b 的 三 个 质 子 所 处 的 原 子 环 境 明 显 不 同 于 标 有 H c 的 两 个 质 子 三 个 H b 质 子 连 在 碳 原 子 C b 上,C b 与 另 一 个 碳 原 子 C a 通 过 单 键 相 连 两 个 H c 质 子 连 在 碳 原 子 C c 上,C c 通 过 单 键 分 别 与 苯 环 和 一 个 氧 原 子 相 连 第 三 组 质 子 由 苯 环 本 身 的 五 个 质 子 H d 组 成 图 3.10 是 溶 解 在 氘 代 丙 酮 中 的 乙 酸 苄 酯 的 频 谱 我 们 可 以 认 为, 谱 图 中 的 三 个 信 号 分 别 对 应 三 组 质 子 图 3.10 乙 酸 苄 酯 的 质 子 频 谱 20(104) 中 文 版 003

21 3.7 带 自 旋 / 自 旋 耦 合 的 乙 基 苯 质 子 频 谱 注 意 苯 环 上 质 子 信 号 的 位 置 由 7.5ppm( 图 3.8) 移 动 到 大 约 7.2ppm( 图 3.10) 苯 环 上 的 质 子 不 再 磁 学 等 价, 一 些 甚 至 不 是 化 学 等 价, 它 们 被 分 别 标 示 在 图 3.10 中, 可 以 清 楚 地 看 到 H d 质 子 形 成 的 峰 是 一 个 多 重 峰, 具 体 细 节 将 在 下 一 节 提 到 图 中 的 三 个 质 子 峰 的 强 度 明 显 不 同 对 这 个 频 谱 的 定 量 分 析 相 对 简 单, 因 为 所 有 的 信 号 都 是 同 一 种 1 H 同 位 素 发 出 的, 例 如, 每 个 峰 所 对 应 同 位 素 的 自 然 丰 度 对 NMR 技 术 的 固 有 灵 敏 度 都 是 相 同 的 因 此, 苯 CH 2 CH 3 峰 下 的 区 域 应 该 是 5:2:3, 与 对 应 的 质 子 数 相 等 3.7 带 自 旋 / 自 旋 耦 合 的 乙 基 苯 质 子 频 谱 到 目 前 为 止, 对 质 子 NMR 频 谱 的 描 述 都 被 大 大 简 化 了, 把 所 有 的 峰 都 看 成 了 单 峰, 除 了 乙 酸 苄 酯 中 苯 环 上 质 子 产 生 的 峰 乙 基 苯 的 结 构 及 对 应 的 质 子 频 谱 分 别 在 图 3.11 和 图 3.12 中 给 出 和 上 面 一 样, 质 子 被 根 据 所 处 的 三 种 原 子 环 境 标 示 为 三 组 频 谱 中 信 号 与 乙 酸 苄 酯 最 明 显 的 区 别 就 是 信 号 分 裂 成 了 多 重 峰 CH 3 的 信 号 是 一 个 三 重 峰, CH 2 的 信 号 是 一 个 四 重 峰 另 外, 需 要 注 意 信 号 的 位 置 也 不 一 样 乙 酸 苄 酯 中 的 CH 3 的 信 号 在 1.85ppm, 乙 基 苯 中 的 CH 3 的 信 号 在 1.25ppm 这 一 点 也 不 奇 怪, 因 为 两 个 CH 3 集 团 处 在 不 同 的 化 学 环 境 中 多 重 峰 分 裂 形 成 的 原 因 是 由 于 一 种 被 称 为 自 旋 - 自 旋 耦 合 (spin-spin coupling) 的 影 响 对 这 种 效 应 的 介 绍 超 出 了 这 本 手 册 的 范 围, 读 者 可 以 参 考 一 些 标 准 的 NMR 手 册 一 个 对 自 旋 - 自 旋 耦 合 的 简 要 介 绍 就 可 以 满 足 我 们 的 目 的 图 3.11 乙 基 苯 中 文 版 (104)

22 3 理 论 及 术 语 说 明 图 3.12 乙 基 苯 的 频 谱 图 3.11 中 NMR 信 号 的 分 裂 是 由 于 相 邻 质 子 间 的 磁 相 互 作 用 两 个 H f 质 子 是 磁 学 等 价 的, 互 相 之 间 没 有 相 互 作 用 同 样 的, 三 个 H e 质 子 间 也 是 磁 学 等 价, 互 相 之 间 也 没 有 相 互 作 用 但 是, 两 个 H f 质 子 和 三 个 H e 处 在 不 同 的 环 境 中, 通 过 它 们 的 共 用 电 子 互 相 耦 合 耦 合 的 直 接 结 果 就 是 两 组 质 子 互 相 影 响, 导 致 了 NMR 信 号 的 分 裂 22(104) 中 文 版 003

23 3.8 去 耦 两 个 H f 质 子 可 以 联 合 导 致 三 种 可 能 的 磁 场 状 态 ( 这 是 由 于 自 旋 具 有 方 向 导 致 的, 术 语 称 为 自 旋 - 自 旋 耦 合 ) 耦 合 的 结 果 是,H e 质 子 发 射 的 NMR 信 号 在 三 个 可 能 的 频 率 谐 振, 观 察 到 一 个 三 重 峰 同 样 的,H e 质 子 的 影 响 使 H f 的 信 号 分 裂 三 个 H e 质 子 可 以 联 合 导 致 四 种 可 能 的 磁 场 状 态 因 此,H f 质 子 有 四 个 可 能 的 谐 振 位 置, 信 号 也 因 此 分 裂 成 四 重 峰 苯 中 质 子 的 信 号 也 由 于 磁 学 不 等 价 及 由 此 产 生 的 自 旋 - 自 旋 耦 合 而 分 裂 问 题 是 为 什 么 乙 基 苯 中 的 CH 2 和 CH 3 上 的 质 子 相 互 作 用, 而 乙 酸 苄 酯 中 的 两 组 相 似 的 质 子 却 没 有 这 种 作 用 答 案 在 于 把 两 组 分 开 的 化 学 键 在 乙 基 苯 中 ( 图 3.11) 两 组 质 子 连 接 在 两 个 相 邻 的 碳 原 子 上, 可 以 充 分 的 发 生 相 互 作 用 但 是 在 乙 酸 苄 酯 中 ( 图 3.9), 两 个 碳 原 子 C c 和 C b 之 间, 存 在 氧 原 子 和 另 一 个 碳 原 子 的 连 接 这 样, 由 于 两 组 质 子 相 距 太 远, 就 无 法 表 现 出 明 显 的 自 旋 - 自 旋 耦 合 3.8 去 耦 自 旋 - 自 旋 耦 合 的 影 响 可 以 通 过 一 种 称 为 去 耦 的 技 术 消 除 去 耦 的 作 用 是 掩 盖 一 组 特 定 质 子 的 存 在, 例 如 图 3.11 中 的 H e 质 子 一 个 好 像 不 存 在 H e 质 子 的 频 谱! 这 是 通 过 发 射 一 个 去 耦 脉 冲 序 列, 这 个 脉 冲 序 列 的 频 率 和 H e 质 子 共 振 频 率 相 同, 来 持 续 改 变 这 些 质 子 的 自 旋 方 向 根 据 图 3.12 这 个 去 耦 频 率 是 在 TMS 峰 以 上 1.25ppm 去 耦 脉 冲 比 激 发 脉 冲, 时 间 更 长, 能 量 更 低 图 3.13 是 一 个 去 耦 试 验 的 演 示, 图 3.14 是 去 耦 后 的 频 谱 CH 2 四 重 峰 现 在 变 成 了 单 峰 专 家 们 称 之 为 四 重 峰 合 并 成 单 峰 而 且, 单 峰 下 的 区 域 应 该 等 于 原 来 四 重 峰 下 的 区 域 ( 注 意 比 较 两 幅 图 中 CH 2 和 苯 环 峰 的 相 对 高 度 ) CH 3 组 质 子 的 信 号 在 去 耦 频 谱 上 消 失 了, 这 时 因 为, 去 耦 脉 冲 有 效 地 消 除 了 CH 3 质 子 存 在 的 影 响 图 1.3 去 耦 实 验 图 3.14 同 核 去 耦 的 乙 基 苯 质 子 频 谱 中 文 版 (104)

24 3 理 论 及 术 语 说 明 上 面 描 述 的 实 验 是 一 个 同 核 去 耦 的 例 子, 其 中 被 观 察 和 被 去 耦 的 是 同 一 种 同 位 素 1 H 异 核 去 耦 是 指 被 观 察 同 位 素 不 同 于 被 去 耦 同 位 素 的 情 况 在 这 本 手 册 的 去 耦 13 C 频 谱 章 节, 将 执 行 一 个 异 核 去 耦 的 实 验, 在 去 耦 1 H 的 情 况 下 观 察 13 C 带 有 SGU 的 AVANCE 谱 仪 根 据 安 装 的 通 道 数 可 以 具 有 执 行 非 常 复 杂 的 实 验 的 能 力 一 个 四 通 道 谱 仪 可 以 观 察 一 种 原 子 核, 同 时 去 耦 其 他 三 种 原 子 核 如 果 具 有 八 个 独 立 通 道, 那 么 可 以 执 行 的 实 验 的 范 围 将 更 加 令 人 惊 异 用 户 应 该 注 意, 现 在 的 瓶 颈 并 不 在 于 RF 激 发 脉 冲 和 去 耦 脉 冲 的 发 生, 而 在 于 如 何 通 过 探 头 和 前 置 功 放 传 输 这 些 脉 冲 实 验 中 采 用 的 信 号 路 由 可 以 通 过 edasp 菜 单 来 设 定, 参 阅 谱 仪 参 数 adasp 3.9 FID 和 频 谱 样 品 中 被 激 发 的 原 子 发 射 出 的 信 号 被 谱 仪 接 受 并 进 行 傅 立 叶 变 换 接 受 NMR 信 号 的 过 程 被 称 为 采 样, 即 采 集 数 据 两 个 术 语 应 该 被 区 分 开 : FID ( 时 域 ) 和 它 相 关 的 频 谱 ( 频 域 ) 当 执 行 一 个 采 样 时, 原 始 数 据 被 采 集, 被 接 受 到 的 信 号 被 称 为 FID( 自 由 感 应 衰 减 Free Induction Decay) 典 型 的 FID 如 下 图 所 示 图 3.15 傅 立 叶 变 换 24(104) 中 文 版 003

25 3.9 FID 和 频 谱 只 有 在 被 变 换 成 频 域 信 号 后, 才 能 对 FID 进 行 有 用 的 分 析 这 需 要 使 用 ft 命 令 来 完 成 傅 立 叶 变 换 傅 立 叶 变 换 是 一 种 数 学 运 算, 可 以 把 FID 转 化 成 频 率 谱 图 FID 是 信 号 强 度 随 时 间 变 化 的 表 示 方 法, 频 谱 表 示 的 是 各 个 频 率 的 强 度 傅 立 叶 变 换 是 几 种 常 用 的 原 始 数 据 处 理 方 法 中 最 重 要 的 一 种 中 文 版 (104)

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27 4 系 统 介 绍 4.1 简 介 谱 仪 由 下 面 的 子 单 元 组 成 : 操 作 控 制 台 包 括 计 算 机 主 机 显 示 器 键 盘 和 BSMS 键 盘 1 机 柜 包 含 电 子 硬 件 磁 体 系 统 包 括 匀 场 系 统, 前 置 功 放 (HPPR) 和 探 头 图 4.1 操 作 控 制 台 机 柜 和 磁 体 系 统 1 BSMS 键 盘 是 一 些 系 统 的 可 选 配 件 4.2 操 作 控 制 台 及 其 连 接 谱 仪 的 所 有 操 作 动 作 都 由 操 作 控 制 台 控 制 即 实 验 的 设 计 和 执 行 以 及 数 据 的 分 析 都 由 操 作 者 输 入 控 制 台 的 命 令 控 制 操 作 控 制 台 的 组 成 如 下 : 中 文 版 (104)

28 4 系 统 介 绍 计 算 机 主 机 : 一 台 个 人 计 算 机 主 机 运 行 Topspin 程 序, 负 责 所 有 的 数 据 分 析 和 存 储 和 数 据 采 集 相 关 的 所 有 操 作 由 另 一 套 安 放 在 机 柜 内, 被 称 为 采 样 控 制 系 统 (AQS) 的 计 算 机 系 统 控 制 主 机 与 AQS 的 以 太 网 连 接 : 它 被 用 来 在 主 机 和 AQS 之 间 传 输 数 据 和 指 令 主 机 与 AQS 的 RS232 连 接 : 这 个 串 行 接 口 是 连 接 到 主 机 的 替 代 方 案 ( 相 对 于 以 太 网 ) 注 意 这 个 RS232 连 接 并 不 是 操 作 必 须 的, 因 为 信 息 是 通 过 更 快 的 以 太 网 连 接 传 输 的 但 是 它 对 于 在 以 太 网 连 接 失 效 的 情 况 下 排 除 故 障 是 相 当 有 用 的 BSMS 键 盘 : 这 个 ( 可 选 ) 设 备 可 以 让 用 户 控 制 锁 场 和 匀 场 系 统 及 一 些 基 本 操 作, 例 如 放 入 旋 转 和 取 出 NMR 样 品 BSMS 键 盘 到 BSMS CPU 的 连 接 : 键 盘 被 连 接 到 安 放 在 机 柜 内 的 BSMS CPU 板 上 如 果 BSMS 被 关 掉, 那 么 需 要 重 新 建 立 连 接 在 这 个 过 程 中, 键 盘 的 显 示 器 将 出 现 提 示 信 息 booting 和 connecting 如 果 没 有 错 误 提 示 信 息, 可 以 确 认 连 接 已 经 建 立 4.3 机 柜 在 不 同 的 系 统 中, 这 个 单 元 可 能 是 单 柜 或 者 双 柜, 它 容 纳 了 一 台 现 代 数 字 谱 仪 相 关 的 大 部 分 电 子 硬 件 主 要 单 元 有 AQS( 采 样 控 制 系 统 Acquisition Control System) BSMS(Bruker 自 动 磁 体 系 统 Smart Magnet System) VTU( 控 温 单 元 Variable Temperature Unit) 和 各 种 功 放 AQS:AQS 内 的 各 个 单 元 分 别 负 责 发 射 激 发 样 品 的 射 频 脉 冲, 并 接 收 放 大 数 字 化 样 品 放 射 出 的 NMR 信 号 当 数 据 被 接 收 和 数 字 化 后, 信 息 被 传 输 到 主 机 进 行 进 一 步 的 处 理 和 储 存 和 主 机 的 连 接 主 要 是 通 过 CCU( 通 讯 控 制 单 元 Communications Control Unit) 这 里 重 点 强 调, 在 实 验 进 行 期 间,AQS 完 全 控 制 谱 仪 的 操 作, 这 样 可 以 保 证 操 作 不 间 断 从 而 保 证 采 样 的 真 实 完 整 机 架 上 有 一 系 列 数 字 和 模 拟 的 插 槽 板 卡, 它 们 负 责 发 生 需 要 的 RF 信 号 和 接 收 放 大 并 数 字 化 NMR 信 号 对 这 些 板 卡 的 详 细 描 述 超 出 了 本 手 册 范 围 BSMS: 这 个 系 统 可 以 通 过 BSMS 键 盘 或 者 软 件 进 行 控 制 ( bsmsdisp 命 令 ), 负 责 操 作 锁 场 和 匀 场 系 统 及 样 品 的 升 降 旋 转 VTU: 根 据 样 式,VTU 可 以 是 一 个 分 离 的 独 立 单 元 或 者 被 合 并 进 BSMS 它 的 功 能 是 通 过 可 控 制 的 方 式 改 变 样 品 的 温 度 或 者 保 持 温 度 恒 定 功 放 ( 也 被 称 为 传 输 器 ): 激 发 NMR 样 品 需 要 相 对 大 的 信 号 振 幅, 这 就 需 要 功 放 的 参 与 功 放 可 以 是 内 置 的 ( 合 并 在 AQS 机 架 内 ) 或 者 外 置 的 ( 分 离 的 独 立 单 元 ) 从 功 放 输 出 直 接 到 HPPR 的 电 缆 把 RF 信 号 传 给 样 品 虽 然 有 很 多 种 功 放 ( 包 括 固 体 功 放 ), 两 个 主 要 类 别 是 : 选 择 性 功 放 (Selective Amplifiers 也 被 称 为 1 H 或 质 子 功 放 ) 是 专 门 设 计 用 来 放 大 1 H 和 19 F 的 高 频 信 号 宽 带 功 放 ( 也 被 称 为 X 功 放 ) 被 设 计 用 来 放 大 宽 范 围 内 的 频 率 信 号 ( 除 了 1 H 和 19 F) RF 能 量 通 过 标 有 Rf in 的 SMA 接 头 输 入 功 放 这 是 一 个 最 大 振 幅 为 1V pp 的 弱 信 号 但 是 这 个 信 号 的 品 质 是 至 关 重 要 的, 它 决 定 了 最 终 信 号 的 频 率 时 基 (timing) 形 状 和 相 位 很 多 有 经 验 的 用 户 可 能 希 望 在 一 个 示 波 器 上 监 视 这 个 信 号 功 放 的 功 能 是 取 得 输 入 信 号 并 对 其 执 行 确 28(104) 中 文 版 003

29 4.4 主 机 与 AQS 间 的 连 接 定 倍 率 的 放 大 功 放 的 放 大 倍 率 由 SGU 事 先 传 给 功 放 的 参 数 pl0-pl31 控 制 功 放 输 出 的 RF 信 号 可 以 达 到 数 百 伏 的 电 压, 不 推 荐 在 没 有 接 入 衰 减 器 的 情 况 下, 使 用 示 波 器 进 行 查 看 4.4 主 机 与 AQS 间 的 连 接 在 一 般 的 Topspin 进 程 中, 这 个 连 接 一 直 工 作 在 用 户 后 台, 无 论 主 机 还 是 AQS 被 关 闭 都 会 中 断, 再 开 机 需 要 重 新 进 行 连 接 站 在 用 户 的 角 度, 最 好 把 AQS 看 成 另 一 台 计 算 机 这 台 计 算 机 由 于 最 靠 近 谱 仪 硬 件, 通 常 被 称 为 spect 在 重 起 AQS 之 后, 可 以 登 录 到 spect 这 通 常 是 通 过 连 接 在 tty00 的 RS232 连 接 物 理 登 录 到 AQS 的 CCU 单 元 这 个 界 面 可 以 通 过 点 击 主 机 桌 面 上 的 CCU 超 级 终 端 图 标 调 出, 或 者 是 通 过 Linux 外 壳 注 意 你 还 可 以 使 用 命 令 telnet spect 通 过 以 太 网 连 接 进 行 访 问 如 果 你 能 成 功 登 录 到 spect, 可 以 确 认 AQS 已 经 启 动, 而 且 主 机 与 AQS 间 的 连 接 通 讯 正 常 在 常 见 故 障 排 除 这 一 章 将 描 述 开 关 谱 仪 的 流 程 及 原 理 4.5 磁 体 匀 场 系 统 HPPR 和 探 头 磁 体 产 生 NMR 跃 迁 所 需 的 磁 场 为 了 维 持 这 个 超 导 系 统, 磁 体 的 核 心 被 液 氮 和 液 氦 冷 却 到 非 常 低 的 温 度 ( 更 多 细 节 参 见 磁 体 和 磁 体 杜 瓦 ) 室 温 匀 场 系 统, 被 安 装 在 磁 体 的 下 端, 是 一 组 载 流 线 圈 ( 称 为 匀 场 线 圈 ), 通 过 补 偿 磁 场 不 均 匀 度 来 改 善 磁 场 一 致 性 室 温 匀 场 线 圈 ( 这 样 称 呼 是 因 为 它 们 没 有 被 浸 入 液 氦 中 进 行 冷 却 ) 中 的 电 流 由 BSMS 控 制, 并 可 以 通 过 BSMS 键 盘 调 整 来 优 化 NMR 信 号 这 是 影 响 信 号 分 辨 率 和 灵 敏 度 的 主 要 因 素 调 整 室 温 匀 场 线 圈 电 流 的 过 程 被 称 为 磁 体 匀 场 图 4.2 磁 体 匀 场 系 统 探 头 和 HPPR 的 照 片 中 文 版 (104)

30 4 系 统 介 绍 虽 然 HPPR( 高 性 能 前 置 功 放 ) 可 以 把 RF 信 号 传 给 样 品, 但 它 的 主 要 功 能 是 放 大 样 品 放 射 出 的 微 弱 信 号 它 被 安 置 在 磁 体 的 旁 边, 以 尽 可 能 早 对 NMR 信 号 进 行 放 大, 来 减 小 在 电 缆 传 输 中 的 衰 减 一 旦 信 号 在 HPPR 中 经 过 放 大, 后 面 在 电 缆 中 的 衰 减 就 不 会 再 有 很 大 影 响 另 外,HPPR 还 传 送 和 接 收 氘 ( 或 者 氟 ) 锁 场 信 号, 并 被 用 在 wobble 程 序 中 最 多 可 以 配 置 5 个 (HPPR) 或 者 8 个 (HPPR/2) 独 立 模 块 ( 不 包 含 封 面 模 块 Cover Moduale) 并 自 动 显 示 在 edasp 窗 口 内 最 普 通 的 配 置 由 三 个 独 立 模 块 构 成, 质 子 X-BB 和 2 H, 再 加 上 封 面 模 块, 如 图 4.3 所 示 2 H 模 块 用 来 传 输 和 接 收 锁 场 信 号 HPPR 模 块 到 探 头 和 功 放 的 连 接 方 法 如 图 4.6 所 示 对 HPPR 技 术 关 注 的 重 点 是 被 称 为 发 射 / 接 收 切 换 的 工 作 方 式 一 旦 发 射 信 号 通 过, 信 号 通 道 就 被 用 来 放 大 接 受 到 的 信 号, 大 约 30dB 关 键 就 在 要 尽 可 能 快 地 切 换 来 防 止 遗 漏, 这 样, 发 射 信 号 才 不 会 淹 没 接 收 信 号 图 4.3 由 三 个 模 块 加 封 面 模 块 构 成 的 HPPR 30(104) 中 文 版 003

31 4.6 磁 体 和 磁 体 杜 瓦 探 头 被 插 在 磁 体 底 部 的 匀 场 系 统 中, 它 本 质 上 还 是 由 各 种 线 圈 组 成, 负 责 发 射 激 发 脉 冲 到 样 品 和 接 受 放 射 出 的 信 号 探 头 还 发 射 和 接 收 锁 场 信 号 4.6 磁 体 和 磁 体 杜 瓦 不 同 的 磁 体 具 有 不 同 场 强, 磁 体 的 强 度 根 据 氢 原 子 放 射 出 的 NMR 信 号 的 频 率 进 行 分 级 磁 体 越 强, 氢 频 率 越 高 例 如,500MHz 磁 体 (11.7T), 这 意 味 着, 当 把 一 个 化 学 样 品 放 入 磁 体 进 行 分 析 时, 样 品 中 的 1 H 原 子 将 放 射 出 一 个 非 常 接 近 500MHz 的 频 率 信 号 Bruker 的 磁 体 在 MHz 之 间 超 导 磁 体 是 电 磁 体, 是 利 用 电 流 产 生 一 个 磁 场 磁 体 核 心 是 一 个 由 载 流 线 绕 成 的 很 大 的 螺 旋 管, 在 线 圈 的 中 心 存 在 非 常 强 的 静 磁 场, 样 品 就 是 被 放 在 这 个 磁 场 中 进 行 分 析 的 某 些 材 料 在 极 低 的 温 度 下 会 表 现 出 显 著 的 超 导 电 性 超 导 线 传 输 电 流 不 需 要 任 何 驱 动 能 量 ( 电 池 或 者 主 电 源 ) 一 旦 超 导 环 中 产 生 电 流, 将 永 远 持 续 Bruker 磁 体 就 是 使 用 了 这 么 一 个 超 导 环 在 磁 体 第 一 次 安 装 时, 主 线 圈 中 会 被 输 入 电 流 这 被 称 为 磁 体 充 能 ( 升 场 ) 当 升 完 场 后, 磁 体 将 可 以 保 持 现 状 工 作 很 多 年, 一 旦 开 始, 永 不 结 束 磁 体 需 要 的 唯 一 维 护 就 是 要 确 保 超 导 线 圈 保 持 在 极 低 的 温 度 氦 气 的 沸 点 是 4K(-269 ), 正 常 情 况 下, 在 4K 以 上, 它 是 气 态,4K 以 下, 成 为 液 态 那 么, 如 果 把 线 圈 浸 在 液 氦 中 我 们 可 确 定 其 温 度 在 4K 或 以 下 这 样 的 温 度 可 以 保 证 磁 体 线 圈 保 持 超 导 但 是, 当 大 量 的 液 氦 蒸 发 掉 时, 超 导 线 圈 的 一 大 部 分 不 再 被 液 氮 覆, 超 导 线 圈 的 温 度 将 升 高, 达 到 一 定 温 度 就 会 失 去 超 导 电 性 线 圈 的 电 阻 会 导 致 磁 场 突 然 衰 减, 同 时 产 生 的 热 量 会 很 快 中 文 版 (104)

32 4 系 统 介 绍 地 蒸 发 掉 大 量 液 氮 和 液 氦 放 置 磁 体 的 房 间 瞬 时 间 会 被 蒸 发 的 气 体 充 满, 这 被 称 为 磁 体 失 超 这 可 能 会, 也 可 能 不 会 对 磁 体 造 成 永 久 伤 害, 无 论 如 何, 重 新 升 场 都 会 耗 费 大 量 时 间 和 金 钱, 因 此 在 任 何 情 况 下 都 要 尽 力 避 免 这 种 事 情 磁 体 技 术 棘 手 的 地 方 在 于 如 何 保 证 覆 盖 磁 体 线 圈 的 液 氦 尽 可 能 少 的 蒸 发 这 需 要 减 少 从 NMR 实 验 室 ( 室 温 ) 到 磁 体 核 心 (4K) 的 热 传 递 磁 体 由 几 部 分 组 成 磁 体 的 外 层 抽 成 了 真 空, 内 表 面 镀 上 了 银 ( 这 和 热 水 瓶 的 保 温 原 理 相 同 ) 紧 接 着 液 氮 腔 把 温 度 降 到 77.35K( ), 最 里 面 是 浸 泡 着 超 导 线 圈 的 液 氦 腔, 它 和 液 氮 腔 通 过 另 一 个 真 空 腔 进 行 热 隔 离 ( 参 见 图 4.4 超 导 磁 体 ) 室 温 腔 管 液 氦 和 液 氮 腔 被 设 计 安 装 在 一 个 被 称 为 室 温 腔 管 的 中 心 圆 柱 周 围 一 般 会 有 一 个 金 属 盖 封 住 腔 管 的 上 口 磁 体 分 为 标 准 腔 和 宽 腔 两 种 需 要 进 入 磁 体 的 样 品 通 过 腔 管 的 上 口 放 入 负 责 保 持 样 品 位 置 和 传 递 样 品 信 号 的 探 头, 从 下 口 插 入 磁 体 液 氦 腔 标 准 磁 体 的 液 氦 腔 悬 挂 在 两 个 高 高 向 上 伸 出 磁 体 的 颈 管 上 两 个 管 口 进 入 液 氦 腔 其 中 一 个 可 以 用 来 充 装 液 氦, 同 时 也 是 液 氦 高 度 传 感 器 的 入 口 另 一 个 管 口 只 有 在 升 场 和 降 场 时 使 用 颈 管 上 还 连 接 着 一 些 阀 门, 来 控 制 释 放 不 可 避 免 蒸 发 出 的 气 体, 系 统 管 理 员 应 该 确 认 这 些 阀 门 在 正 常 工 作, 也 就 是 没 有 被 冰 堵 住 绝 对 不 要 让 液 氦 管 口 长 时 间 打 开 ( 超 过 30 秒 ) 液 氦 的 高 度 可 以 手 动 或 者 电 子 检 查 手 动 检 查 要 使 用 一 根 长 长 的 计 量 管 (dipstick) 从 一 个 管 口 插 入 液 氦 腔 ( 仅 限 于 有 经 验 的 用 户!) 使 用 BSMS 键 盘 可 以 调 出 液 氦 高 度 的 电 子 监 测 数 据, 详 细 参 见 BSMS 功 能 一 节 图 4.4 超 导 磁 体 32(104) 中 文 版 003

33 4.7 锁 场 系 统 简 介 液 氮 腔 磁 体 上 方 伸 出 的 三 个 较 短 的 颈 管 通 往 液 氮 腔 使 用 合 适 的 计 量 管 可 以 通 过 三 个 管 口 中 的 任 意 一 个 检 查 液 氮 的 高 度 ( 仅 限 于 有 经 验 的 用 户!!!), 如 果 需 要 还 可 以 标 出 该 高 度 再 次 强 调, 系 统 管 理 员 应 该 定 时 检 查 连 接 在 液 氮 腔 管 口 的 所 有 阀 门, 确 认 它 们 没 有 被 冰 堵 住 上 面 提 到, 磁 体 的 设 计 是 为 了 减 少 液 体 的 蒸 发 正 常 操 作 中, 每 天 都 会 有 少 量 的 液 氮 蒸 发 这 是 完 全 正 常 的, 事 实 上, 如 果 液 氮 不 再 蒸 发, 那 么 一 定 是 液 氮 管 腔 口 被 堵 住 了 磁 体 的 大 小 和 设 计 决 定 了 需 要 多 长 时 间 测 定 一 次 液 氮 和 液 氦 的 高 度 每 周 检 查 和 测 定 液 氮 的 高 度 是 个 好 习 惯, 如 果 能 同 时 检 查 并 记 录 液 氦 的 高 度 也 是 个 好 习 惯 虽 然 液 氦 的 蒸 发 速 度 远 远 少 于 液 氮, 液 氦 的 充 装 间 隔 也 更 长 (3-6 个 月 ), 但 是 定 期 的 检 查 可 以 确 认 液 氦 的 蒸 发 速 度 没 有 改 变 4.7 锁 场 系 统 简 介 这 一 部 分 将 使 用 户 对 锁 场 系 统 工 作 原 理 有 一 个 的 基 本 了 解 诸 如 实 践 中 如 何 去 锁 定 一 个 样 品 的 实 际 问 题 将 在 样 品 锁 定 一 节 讨 论 中 文 版 (104)

34 4 系 统 介 绍 锁 场 系 统 的 目 的 是 保 证 样 品 周 围 的 磁 场 不 会 由 于 漂 移 或 者 受 外 界 信 号 干 扰 而 改 变 NMR 分 析 需 要 测 定 样 品 放 射 出 信 号 的 频 率 精 确 值, 这 些 信 号 的 频 率 直 接 决 定 于 磁 场 的 强 度, 也 就 是 说, 如 果 场 强 改 变, 放 射 信 号 的 频 率 也 跟 着 改 变 因 此, 用 户 需 要 确 信 磁 场 强 度 总 是 精 确 的 维 持 在 同 样 的 强 度, 这 被 称 为 锁 定 样 品 锁 场 系 统 本 质 上 是 一 个 被 设 计 用 来 观 察 氘 的 独 立 谱 仪 应 该 提 及, 氘 放 射 出 的 信 号 的 频 率 通 常 离 我 们 感 兴 趣 的 信 号 很 远, 但 是 如 果 氘 的 信 号 不 合 适, 这 时 就 要 使 用 氟 锁 由 于 氘 锁 的 应 用 范 围 最 广, 这 里 指 对 其 进 行 讨 论, 读 者 应 该 注 意 氘 锁 和 氟 锁 的 工 作 原 理 是 一 样 的 在 带 有 SGU 得 AVANCE 系 统 中,BSMS 提 供 了 实 现 锁 场 所 需 要 的 硬 件,HPPR 中 一 个 独 立 的 氘 模 块 负 责 发 射 和 接 收 锁 场 信 号 分 析 的 样 品 中 当 然 也 必 须 加 入 一 些 氘 元 素 通 过 把 样 品 溶 解 在 氘 代 试 剂 中, 可 以 很 容 易 做 到 这 一 点 氘 代 试 剂 中 很 大 比 例 的 氢 原 子 被 氘 原 子 取 代 常 用 的 氘 代 试 剂 有 氘 代 丙 酮 氘 代 苯 和 氘 代 氯 仿, 还 有 很 多 其 他 溶 剂 可 以 使 用 这 本 手 册 在 阐 述 NMR 技 术 时, 使 用 的 样 品 就 是 溶 解 在 氘 代 氯 仿 中 的 cholesterylacetate 特 定 磁 体 中 氘 信 号 的 频 率 的 精 确 值 是 已 知 的 那 么, 如 果 磁 体 的 强 度 是 正 确 的, 那 么 样 品 中 氘 原 子 放 射 出 的 信 号 就 应 该 是 这 个 频 率 如 果 场 强 改 变, 氘 频 率 也 会 改 变 锁 场 系 统 使 用 一 个 接 收 器 ( 安 装 在 BSMS 机 架 中 ) 来 监 视 氘 频 率 并 据 此 调 整 磁 场 强 度 锁 场 系 统 的 接 收 器 被 设 计 当 场 强 正 确 时 ( 检 测 到 正 确 的 氘 频 率 ), 不 调 整 磁 场 一 旦 当 场 强 改 变 ( 漂 移 ), 磁 体 匀 场 系 统 中 的 一 个 特 殊 线 圈 (H 0 线 圈 ) 中 的 电 流 就 会 改 变, 从 而 使 场 强 回 到 正 确 的 值 上 由 于 氘 的 频 率 每 秒 被 测 量 数 千 次, 当 系 统 被 锁 定 后, 用 户 可 以 认 为 采 样 期 间 的 场 强 是 常 量 4.8 探 头 探 头 的 功 能 是 支 撑 样 品, 发 射 激 发 样 品 的 射 频 信 号 并 接 受 响 应 信 号 发 射 和 接 收 过 程 使 用 了 特 别 设 计 的 RF 线 圈 探 头 被 插 入 到 磁 体 的 底 部, 位 于 室 温 匀 场 线 圈 的 内 部 同 轴 电 缆 把 激 发 信 号 从 控 制 放 大 器 传 送 至 探 头, 并 把 NMR 信 号 从 样 品 处 传 回 接 受 器 电 缆 需 要 经 过 靠 近 磁 体 旁 边 放 置 的 一 组 前 置 放 大 器 (HPPR), 这 是 由 于 NMR 信 号 一 般 非 常 微 弱, 需 要 前 置 放 大 器 对 其 进 行 放 大 图 4.5 探 头 中 的 样 品 34(104) 中 文 版 003

35 4.8 探 头 探 头 发 展 出 不 同 的 规 格 和 类 型 探 头 的 规 格 区 别 在 于 它 能 支 撑 的 样 品 管 的 规 格 不 同,5mm 和 10mm 直 径 的 样 品 管 最 常 见 探 头 的 类 型 区 别 在 于 能 进 行 的 实 验 类 型 不 同 选 择 性 探 头 可 以 观 察 特 定 的 原 子 核, 例 如 13 C; 多 核 探 头 (X-BB 或 者 宽 带 ) 可 以 分 析 一 个 宽 范 围 内 的 原 子 核 内 部 线 圈 的 数 量 和 设 计 从 物 理 上 决 定 探 头 的 类 型 另 外, 探 头 的 外 径 和 长 度 依 据 不 同 磁 体 的 参 数 制 造 ( 宽 腔 或 标 准 腔 ; 不 同 场 强 的 磁 体 磁 场 中 心 距 磁 体 底 部 的 不 同 长 度 ) 信 号 通 过 探 头 下 部 的 接 头 进 入 和 离 开 探 头 线 圈, 接 头 都 有 清 晰 的 标 示 信 号 通 过 同 一 根 电 缆 进 出 探 头 每 个 探 头 都 有 一 个 内 线 圈 ( 观 察 线 圈 ) 这 个 线 圈 处 于 最 接 近 样 品 转 子 的 位 置 以 增 大 灵 敏 度 内 线 圈 BNC 接 头 的 颜 色 编 码 有 一 个 简 单 的 规 则 它 总 是 和 BNC 接 头 上 方 的 矩 形 图 章 颜 色 相 同 下 图 是 一 个 多 核 探 头 的 标 示, 这 种 情 况 下, 宽 带 线 圈 是 内 线 圈 图 4.6 典 型 HPPR 连 线 中 文 版 (104)

36 4 系 统 介 绍 双 模 13C/1H 探 头 作 为 典 型 探 头 的 一 个 例 子, 这 里 介 绍 双 模 13 C/ 1 H 探 头 从 它 的 名 字 可 以 看 出 这 种 探 头 是 为 那 些 对 分 析 样 品 中 碳 和 氢 特 别 有 兴 趣 的 用 户 设 计 的 左 边 标 有 2 H 的 BNC 接 头 ( 参 见 图 4.7) 是 传 输 氘 锁 信 号 的 另 外 两 个 接 头, 根 据 它 们 的 标 示, 传 输 1 H 和 13 C 信 号 从 1 H 13 C 和 2 H BNC 接 头 引 出 的 电 缆 连 接 到 磁 体 旁 边 的 HPPR 图 4.7 双 模 13 C/ 1 H 探 头 36(104) 中 文 版 003

37 4.8 探 头 在 现 代 NMR 中, 探 头 的 设 计 可 以 使 NMR 样 品 的 温 度 得 到 控 制 可 以 插 入 一 个 加 热 器, 配 合 空 气 / 氮 气 传 输 管, 来 控 制 样 品 的 温 度 一 个 热 电 偶 温 度 计 负 责 监 视 样 品 的 温 度 所 有 这 些 设 备 都 连 接 在 探 头 的 下 面, 很 容 易 操 作 变 温 单 元 (VTU,Variable Temperature Unit) 监 视 热 电 偶 的 读 数 并 调 节 加 热 器 的 功 率 来 维 持 需 要 的 温 度 最 后, 在 探 头 的 下 面 有 几 个 标 有 T( 调 谐 ) 或 者 M( 匹 配 ) 的 可 调 螺 丝 通 过 它 们 可 以 微 调 探 头 来 优 化 性 能 在 对 化 合 物 进 行 分 析 时, 需 要 使 用 特 定 频 率 ( 共 振 频 率 ) 的 信 号 对 其 进 行 激 发 不 同 核 需 要 使 用 不 同 的 频 率 激 发, 这 需 要 调 整 探 头 内 部 的 电 路 以 获 取 对 关 注 频 率 的 最 大 灵 敏 度 同 时 需 要 对 探 头 进 行 匹 配, 尽 可 能 减 少 激 发 信 号 和 FID 的 反 射 ( 浪 费 ), 调 谐 和 匹 配 是 相 关 的, 不 能 分 开 进 行 如 果 是 有 机 溶 剂 的 常 规 实 验, 如 果 探 头 已 完 成 初 始 化 调 谐 和 匹 配, 每 周 甚 至 每 月 检 查 一 次 这 些 设 置 就 可 以 了 无 论 如 何, 如 果 要 使 用 谱 仪 进 行 更 高 水 平 的 试 验, 每 次 更 换 磁 体 中 的 样 品 后 都 应 该 重 新 调 谐 和 匹 配 探 头 使 用 wobble 程 序, 分 别 调 谐 探 头 中 的 每 组 线 圈, 具 体 描 述 参 见 调 谐 及 匹 配 探 头 对 于 图 4.7 中 的 双 模 探 头, 可 以 看 见 不 同 颜 色 编 码 的 1 H 和 13 C 调 谐 和 匹 配 螺 丝 更 换 探 头 将 需 要 重 新 连 接 HPPR 和 探 头, 但 是 HPPR 到 机 柜 的 连 线 一 般 是 不 需 要 动 的 中 文 版 (104)

38 4 系 统 介 绍 更 换 探 头 如 果 需 要 更 换 探 头, 应 该 按 照 以 下 步 骤 进 行 探 头 是 易 碎 而 且 昂 贵 的, 所 以 在 尝 试 更 换 探 头 之 前 先 和 系 统 管 理 员 联 系 确 认 磁 体, 确 切 的 说 是 探 头 在 磁 场 内 运 动 时 产 生 的 涡 流 电 流, 对 探 头 的 机 械 运 动 有 很 大 影 响 当 从 磁 体 中 取 出 探 头 时, 注 意 当 它 接 近 磁 体 管 的 下 端 时 会 突 然 加 速, 当 把 探 头 放 入 磁 体 时 也 会 遇 到 一 些 阻 力 更 换 探 头 的 步 骤 : 1. 确 认 采 样 程 序 没 有 运 行 点 击 Topspin 窗 口 上 面 工 具 栏 中 的 或 者, 或 者 在 命 令 行 输 入 stop 或 者 halt 2. 关 闭 系 统 中 的 加 热 或 冷 却 使 用 edte 命 令 来 关 闭 加 热 器 并 设 置 气 流 量 为 零 等 待 探 头 平 稳 恢 复 至 室 温 不 要 关 闭 系 统 本 身 3. 如 果 有 空 气 / 氮 气 气 管 连 接 到 探 头 底 部, 取 下 4. 确 认 室 温 腔 管 没 有 盖 着, 按 BSMS 键 盘 上 的 LIFT 键 取 出 磁 体 中 的 样 品 5. 关 闭 LIFT 6. 从 探 头 基 座 上 取 下 所 有 BNC 连 线 7. 取 下 热 电 偶, 加 热 器 ( 如 果 有 ), 梯 度 或 者 PICS 连 线 8. 拧 松 两 个 金 色 的 螺 丝, 使 探 头 从 磁 体 上 分 离 9. 竖 直 下 移 探 头 直 至 离 开 磁 体 10. 插 入 新 探 头 并 拧 紧 两 个 金 色 的 螺 丝 11. 重 新 连 接 同 轴 电 缆, 热 电 偶, 加 热 器 或 者 冷 却 线 以 及 其 他 取 下 的 连 线 12. 打 开 加 热 器 38(104) 中 文 版 003

39 5 NMR 样 品 5.1 简 介 在 使 用 NMR 技 术 研 究 固 体 时, 信 号 很 粗 糙, 反 映 不 出 来 科 学 家 最 感 兴 趣 的 精 细 结 构 因 此, 一 般 把 固 体 样 品 溶 解 在 合 适 的 溶 剂 中 进 行 采 样 液 体 样 品 也 是 一 样 的 可 能 在 有 机 溶 剂 中 添 加 少 量 的 参 考 成 分 但 是, 如 果 要 取 得 最 好 的 结 果, 样 品 应 该 尽 可 能 纯 净 杂 质 的 信 号 至 少 会 使 谱 图 很 杂 乱, 甚 至 掩 盖 有 用 的 信 号 需 要 特 别 注 意 的 是, 样 品 中 不 能 混 有 磁 性 杂 质, 否 则 会 扭 曲 磁 场 降 低 谱 仪 的 分 辨 率 固 体 杂 质 可 以 通 过 过 滤 除 去 溶 液 中 的 杂 质 水 可 以 通 过 在 溶 解 样 品 前 进 行 充 分 干 燥 除 去 5.2 溶 剂 选 择 在 样 品 充 分 提 纯 和 干 燥 后, 下 一 步 就 是 选 择 合 适 的 溶 剂 由 于 氘 是 最 常 用 的 锁 场 核, 样 品 一 般 溶 解 在 氘 代 溶 剂 中 ( 氘 代 溶 剂 是 指 溶 剂 中 的 大 部 分 的 氢, 一 般 大 于 99%, 被 氘 取 代 ) 氘 代 溶 剂 有 很 多 种, 常 用 的 有 氘 代 丙 酮 (acetone-d6) 氘 代 苯 (benzene-d6) 氘 代 氯 仿 (chloroform-d) 在 选 择 溶 剂 时 需 要 考 虑 以 下 因 素 : 1. 溶 解 度 : 显 然 样 品 在 溶 剂 中 的 溶 解 度 越 大 越 好 争 取 在 同 等 体 积 内 融 进 最 大 量 的 样 品, 可 以 增 大 实 验 的 灵 敏 度 当 样 品 数 量 很 少 时, 高 溶 解 度 就 显 得 特 别 重 要 了 2. 溶 剂 信 号 对 样 品 频 谱 的 干 扰 溶 剂 自 身 不 可 避 免 产 生 的 NMR 信 号 也 会 出 现 在 频 谱 区 域 这 些 溶 剂 峰 不 应 该 和 样 品 信 号 重 叠 3. 温 度 可 靠 : 对 于 室 温 以 上 或 者 以 下 的 实 验, 溶 剂 的 溶 点 和 沸 点 是 重 要 的 因 素 另 外 样 品 的 溶 解 度 会 随 着 温 度 而 改 变 4. 粘 滞 性 : 溶 剂 粘 滞 性 越 小, 实 验 分 辨 率 越 好 5. 成 本 : 显 然 日 常 的 NMR 实 验 有 许 多 样 品 需 要 测 量, 样 品 的 成 本 是 一 个 必 须 考 虑 的 的 因 素 首 要 的 规 则, 氘 代 原 子 越 多, 价 格 越 高 6. 水 含 量 : 几 乎 所 有 的 NMR 溶 剂 中 都 有 水 的 痕 迹 由 于 许 多 溶 剂 都 有 吸 湿 性 ( 它 们 从 大 气 中 吸 收 水 ), 储 存 时 间 越 长, 水 含 量 越 高 水 峰 的 存 在 会 极 大 降 低 NMR 谱 图 的 质 量 降 低 水 含 量 有 两 种 有 效 的 方 法, 使 用 干 燥 剂 进 行 过 滤, 使 用 分 子 筛 储 存 溶 剂 特 定 样 品 的 溶 剂 选 择 是 通 过 折 中 每 种 溶 剂 的 优 点 和 缺 点 选 择 出 的 关 于 溶 剂 的 详 细 资 料 读 者 需 要 参 考 标 准 的 NMR 资 料 中 文 版 (104)

40 5 NMR 样 品 5.3 样 品 管 分 析 样 品 时 可 以 把 样 品 旋 转 起 来, 根 据 实 验 的 要 求 或 探 头 的 类 型 旋 转 可 以 减 弱 磁 场 X 和 Y 方 向 不 均 匀 的 影 响, 改 善 谱 图 的 分 辨 率 旋 转 样 品 的 一 个 缺 陷 是 可 能 产 生 旋 转 边 带 这 些 是 假 信 号 ( 假 峰 ) 是 由 于 磁 场 以 旋 转 频 率 周 期 变 化 而 产 生 的 这 些 峰 会 出 现 在 较 强 的 真 信 号 峰 的 两 侧, 间 隔 等 于 旋 转 频 率 边 带 的 强 度 正 比 于 真 信 号 峰 的 强 度 如 果 旋 转 频 率 是 20 周 每 秒 (=20Hz), 那 么 你 可 以 分 别 在 真 正 的 信 号 峰 上 下 20Hz 的 地 方 发 现 边 带 图 5.1 带 有 旋 转 边 带 的 谱 图 旋 转 边 带 的 存 在 是 不 可 避 免 的, 强 弱 取 决 于 样 品 管 的 质 量 理 想 情 况 下, 样 品 管 应 该 是 完 美 的 圆 柱 形 特 别 大 的 边 带 表 明 样 品 管 的 对 称 性 达 不 到, 应 该 换 用 更 高 规 格 的 样 品 管 ( 价 格 当 然 更 贵 ) 样 品 管 必 须 保 持 清 洁, 避 免 沾 染 灰 尘 或 划 伤 不 能 使 用 试 管 刷 刷 洗 样 品 管 注 意 新 的 NMR 样 品 管 并 不 一 定 是 干 净 的 样 品 管 可 以 使 用 丙 酮 或 者 蒸 馏 水 清 洗 使 用 洗 涤 液 后 必 须 立 即 冲 洗 干 净, 以 免 腐 蚀 样 品 管 还 可 以 使 用 超 声 波 清 洗 如 果 以 上 方 法 都 不 行, 那 么 可 以 把 样 品 管 用 王 水 浸 泡 两 天 左 右, 在 其 干 燥 前 进 行 彻 底 冲 洗 NMR 样 品 管 可 以 进 行 烘 干, 但 不 能 超 过 100, 否 则 它 会 变 形 以 至 于 无 法 进 行 旋 转 干 燥 最 好 采 用 吹 入 干 燥 氮 气 的 方 法 40(104) 中 文 版 003

41 5.4 样 品 处 理 5.4 样 品 处 理 直 接 把 NMR 溶 液 过 滤 进 样 品 管 避 免 沾 染 灰 尘 和 其 他 污 物 是 个 好 习 惯 可 能 的 过 滤 品 1 有 棉 絮 玻 璃 纤 维 或 者 硅 藻 土 ( 助 滤 剂, 寅 式 盐,celite) 拿 住 样 品 管 时 要 拿 住 上 部 1. 注 意 当 使 用 玻 璃 纤 维 时 可 能 会 出 现 问 题, 特 别 是 测 量 T 1 值 时 一 般 步 骤 如 下 : 1. 对 于 固 体 样 品, 如 果 使 用 5mm 样 品 管, 可 以 在 0.6cm 3 选 定 的 溶 液 中 最 多 溶 进 20mg 样 品 (10mm 样 品 管 可 以 在 2.5cm 3 溶 剂 中 溶 进 80mg 样 品 ) 对 于 液 体 样 品, 如 果 观 察 质 子, 可 以 在 80% 体 积 氘 代 溶 剂 中 溶 进 20% 体 积 样 品 2. 添 加 少 量 ( 大 约 0.1%) 参 考 化 合 物 四 甲 基 硅 (Tetramethylsilance,TMS) 确 认 TMS 峰 信 号 强 度 低 于 最 强 的 样 品 或 者 溶 剂 峰 ( 否 则 会 降 低 接 收 器 增 益, 使 信 噪 比 变 差 ) 3. 溶 液 经 过 填 充 干 燥 玻 璃 丝 絮 的 巴 斯 德 吸 管 (Pasteur pipette) 的 过 滤 后 进 入 样 品 管 4. 通 过 过 滤 器 过 滤 出 0.2cm 3 溶 液, 在 样 品 管 大 约 三 到 四 厘 米 深 的 样 品 5. 盖 上 样 品 管, 使 用 腊 膜 (parafilm) 密 封 减 少 蒸 发, 并 贴 上 标 签 仔 细 使 管 盖 腊 膜 和 标 签 同 轴 以 免 影 响 样 品 旋 转 将 样 品 管 插 入 转 子 的 操 作 方 法 将 在 在 转 子 中 插 入 样 品 一 节 中 讨 论 中 文 版 (104)

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43 6 实 验 基 本 步 骤 6.1 简 介 这 一 章 将 简 要 介 绍 每 次 采 集 频 谱 都 要 用 到 的 一 些 基 本 操 作 包 括 BSMS 键 盘 操 作, 插 入 和 旋 转 样 品, 调 谐 和 匹 配 探 头, 还 有 匀 场 读 者 如 果 已 经 熟 悉 这 些 操 作, 可 以 略 过 这 一 章 令 ) ) 注 意 : 一 些 系 统 没 有 BSMS 键 盘, 需 要 使 用 软 件 控 制 BSMS 操 作 ( bsmsdisp 命 6.2 BSMS 键 盘 BSMS 键 盘 功 能 及 其 使 用 操 作 的 全 面 介 绍 可 以 参 阅 BASH CD 中 的 BSMS 用 户 手 册 这 本 手 册 的 目 的 仅 限 于 使 用 户 获 取 BSMS 键 盘 的 基 本 操 作 知 识 但 作 为 参 考, 在 BSMS 功 能 一 节 中 列 出 了 BSMS 键 盘 最 重 要 的 功 能 本 质 上 讲,BSMS 键 盘 被 用 来 : 1. 操 作 锁 场 系 统 2. 控 制 样 品 旋 转 和 弹 出 3. 调 整 室 温 匀 场 系 统 的 电 流 ( 即 匀 场 ) 4. 监 视 磁 体 内 液 氦 的 高 度 键 盘 有 不 同 的 几 个 版 本, 但 是 这 里 不 讨 论 它 们 之 间 的 区 别 ( 图 BSMS 键 盘 (BOSS 版 ) 中 显 示 的 是 其 中 一 个 版 本 ) 警 告 : 在 开 始 之 前, 注 意 两 个 键 的 操 作 使 用 1. 液 氦 测 量 键 (HELIUM MEASURE) 最 好 不 要 碰, 具 体 原 因 会 在 后 面 讨 论 ( 参 见 液 氦 高 度 功 能 ) ) ) 2. 激 活 弹 出 键 (LIFT) 之 前 确 认 室 温 腔 管 没 有 盖 着 往 磁 体 中 放 入 样 品 之 前, 一 定 要 激 活 弹 出 键, 打 开 气 流 在 操 作 BSMS 键 盘 之 前, 你 可 能 需 要 保 存 一 些 被 称 为 匀 场 值 的 重 要 参 数, 这 些 参 数 可 以 通 过 BSMS 单 元 进 行 修 改 ( 参 见 保 存 一 组 匀 场 值 (wsh 命 令 ) ) 这 样, 你 进 行 的 任 何 调 节 都 可 以 很 容 易 地 恢 复 匀 场 值 可 以 使 用 BSMS 键 盘 下 面 三 行 标 有 代 数 符 号 的 键 ( 例 如 X Y XZ X3 等 ) 进 行 调 整 图 6.1 BSMS 键 盘 (BOSS 版 ) 中 文 版 (104)

44 6 实 验 基 本 步 骤 保 存 一 组 匀 场 值 (wsh 命 令 ) 要 保 存 当 前 匀 场 值, 需 要 使 用 wsh (write shim file) 生 成 一 个 匀 场 文 件 1. 在 Topspin 命 令 行 输 入 wsh 出 现 一 个 显 示 现 有 匀 场 文 件 的 窗 口, 一 个 输 入 长 文 件 名 的 文 本 框, 写 入 查 看 删 除 和 退 出 按 钮 以 及 输 入 注 释 的 文 本 框 2. 输 入 任 意 文 件 名, 例 如 Monday 3. 点 击 写 入 按 钮 当 前 的 匀 场 值 就 会 保 存 在 一 个 叫 monday 的 文 件 中 读 取 monday 可 以 恢 复 这 些 值, 现 在 你 可 以 使 用 BSMS 键 盘 调 整 匀 场 值 了 读 取 一 组 匀 场 值 (rsh 命 令 ) 1. 在 Topspin 命 令 行 输 入 rsh 出 现 一 个 显 示 现 有 匀 场 文 件 的 窗 口, 一 个 输 入 长 文 件 名 的 文 本 框, 读 取 查 看 删 除 和 退 出 按 钮 以 及 输 入 注 释 的 文 本 框 2. 在 文 本 框 中 键 入 monday 或 者 在 文 件 列 表 中 进 行 选 择, 然 后 点 击 读 取 按 钮 44(104) 中 文 版 003

45 6.2 BSMS 键 盘 BSMS 键 盘 会 闪 动 一 会, 当 操 作 完 成 时, 在 屏 幕 底 部 会 出 现 rsh finished 的 提 示 这 样 匀 场 值 就 恢 复 到 原 来 的 值 了 用 户 应 该 熟 悉 读 取 和 写 入 不 同 类 型 文 件 的 概 念, 这 在 接 触 到 参 数 集 时 特 别 重 要 如 果 你 要 保 存 一 组 参 数, 你 可 以 把 它 们 写 到 磁 盘 上 多 个 参 数 的 值 保 存 在 一 个 文 件 中, 这 个 文 件 有 一 个 独 特 的 文 件 名 ( 用 户 可 以 选 择 ), 这 样 不 同 的 参 数 集 就 可 以 进 行 区 分 了 如 果 以 后 你 需 要 使 用 这 些 参 数, 只 需 要 读 取 相 应 的 文 件 就 可 以 了 BSMS 功 能 下 面 只 讨 论 最 常 用 的 功 能 更 全 面 的 信 息 可 以 在 BASH CD 中 的 BSMS 用 户 手 册 第 二 章 查 到 宽 泛 的 讲,BSMS 功 能 可 以 分 为 四 类 : 样 品 控 制 功 能, 锁 场 功 能, 匀 场 功 能 和 液 氦 高 度 功 能 样 品 控 制 功 能 LIFT ON-OFF:LIFT ON 会 把 样 品 管 从 室 温 腔 管 中 吹 起 来 LIFT OFF 会 把 样 品 管 平 缓 地 放 进 室 温 腔 管, 放 置 在 探 头 的 顶 上 禁 止 在 盖 着 室 温 腔 管 时 使 用 LIFT ON 确 认 往 室 温 腔 管 中 放 入 样 品 管 前 打 开 气 流, 即 激 活 LIFT 键 SPIN ON-OFF: 开 始 / 停 止 样 品 管 的 旋 转 样 品 管 旋 转 ( 如 果 被 激 活 ) 会 在 LIFT OFF 后 20 秒 自 动 开 始 SPIN RATE: 调 整 旋 转 的 频 率, 单 位 Hz SPIN MEASURE: 在 屏 幕 右 侧 显 示 当 前 旋 转 频 率, 左 侧 显 示 设 定 值 两 个 值 应 该 相 等 手 动 锁 场 功 能 锁 场 系 统 的 功 能 已 经 在 锁 场 系 统 简 介 一 节 中 讨 论 过 谱 仪 会 锁 定 样 品 中 氘 放 射 出 的 NMR 信 号 这 可 以 通 过 扫 场 ( 增 加 和 减 少 磁 体 的 场 强 ) 做 到 在 一 个 合 适 的 场 强 下, 氘 原 子 会 被 在 共 振 频 率 激 发, 在 锁 场 显 示 可 以 看 到 相 应 的 信 号 操 作 分 为 两 步 首 先, 样 品 周 围 的 场 强 会 改 变, 然 后 样 品 被 锁 定 下 面 介 绍 BSMS 键 盘 上 控 制 扫 场 和 锁 场 的 键 SWEEP RATE: 可 以 调 整 扫 场 的 速 度 SWEEP AMPLITUDE: 控 制 扫 场 中 磁 场 强 度 变 化 的 范 围 SWEEP: 打 开 / 关 闭 扫 场 系 统 锁 场 后 会 自 动 关 闭 扫 场 中 文 版 (104)

46 6 实 验 基 本 步 骤 LOCK ON-OFF: 激 活 后, 系 统 会 尝 试 锁 定 样 品 绿 色 的 LED 会 闪 动 几 秒 钟, 系 统 锁 定 后 该 灯 常 亮 一 般 情 况 下 只 能 在 谱 仪 被 锁 定 的 情 况 下 进 行 采 样 LOCK POWER: 控 制 氘 核 激 发 信 号 的 能 量 LOCK GAIN: 控 制 锁 场 信 号 接 收 器 的 增 益 ( 灵 敏 度 ) 有 两 种 方 法 可 以 寻 找 锁 场 信 号 一 种 是 锁 场 频 率 不 变, 磁 场 强 度 改 变, 被 称 为 场 模 式 (field mode); 另 外 的 磁 场 强 度 不 变, 频 率 改 变, 被 称 为 位 移 模 式 (shift mode) FIELD: 锁 场 时, 改 变 匀 场 系 统 中 的 Ho 线 圈 电 流 可 以 使 磁 体 场 强 在 一 个 中 心 值 上 下 变 动 这 个 场 强 中 心 值 可 以 使 用 FIELD 键 调 整 默 认 情 况 下,BSMS 系 统 处 于 场 模 式, 这 时 这 个 键 使 用 可 以 操 作 的 如 果 BSMS 系 统 被 设 置 成 位 移 模 式, 那 么 FIELD 值 只 能 显 示 在 键 盘 上, 而 不 能 调 整 LOCK SHIFT: 锁 场 时, 改 变 BSMS 中 的 电 路 参 数 可 以 使 锁 场 频 率 在 一 个 中 心 值 上 下 变 动 这 个 场 强 中 心 值 可 以 使 用 LOCK SHIFT 键 调 整 BSMS 系 统 处 于 位 移 模 式 时, 这 个 键 可 以 操 作 否 则, 以 ppm 为 单 位 的 SHIFT 值 只 能 显 示 在 键 盘 上, 而 不 能 调 整 AUTOLOCK: 激 活 后, 谱 仪 会 尝 试 自 动 锁 定, 这 个 功 能 在 自 动 实 验 时 很 有 用 谱 仪 会 自 动 调 整 Field 值 使 锁 信 号 居 中 注 意 激 活 Autolock 后, 谱 仪 并 不 会 考 虑 edlock 表 中 列 出 的 不 同 溶 液 对 应 的 FIELD 位 移 手 动 匀 场 功 能 匀 场 值 显 示 屏 下 面 标 有 代 数 式 的 按 键 可 以 调 整 匀 场 设 置 这 些 键 控 制 着 磁 体 中 匀 场 电 流 的 大 小, 回 顾 磁 体, 匀 场 系 统,HPPR 和 探 头 一 节 匀 场 电 流 的 设 置 对 于 谱 仪 性 能 非 常 重 要, 它 们 的 调 整 会 在 匀 场 一 节 进 行 讨 论 每 一 组 写 在 磁 盘 上 的 匀 场 文 件 都 保 存 有 一 组 匀 场 值 AUTO SHIM: 激 活 后, 程 序 会 自 动 调 整 匀 场 值 维 持 最 高 的 锁 线 Autoshim 选 择 的 匀 场 项 是 匀 场 振 幅 (shim amplitude) 不 为 零 的 匀 场 项 注 意 autoshim 只 在 需 要 对 匀 场 值 进 行 微 调 时 有 效 液 氦 高 度 功 能 HELIUM LEVEL: 谱 仪 每 24 小 时 自 动 测 量 一 次 液 氦 的 高 度, 并 记 录 到 默 认 目 录 下 的 日 志 文 件 默 认 目 录 如 下 : Windows 2000:C:\Bruker\topspin\prog\logfiles LINUX:/opt/topspin/prog/logfiles 液 氦 高 度 以 百 分 比 表 示 (100= 满 ) 按 下 这 个 键, 最 近 两 次 高 度 记 录 会 显 示 五 秒 钟 ( 右 边 是 最 近 的 高 度 ), 不 会 进 行 测 量 当 液 氦 高 度 下 降, 低 于 一 定 值 ( 依 磁 体 类 型 而 已 ) 后, 将 会 显 示 一 个 警 告 信 息, 这 时 46(104) 中 文 版 003

47 6.3 将 样 品 管 插 入 转 子 必 须 马 上 补 充 液 氦 HELIUM MEASURE: 进 行 一 次 12 秒 的 测 量 用 户 应 该 注 意 测 量 液 氦 高 度 的 过 程 会 导 致 一 些 液 氦 蒸 发 因 此 HELIUM MEASURE 不 应 该 频 繁 使 用 6.3 将 样 品 管 插 入 转 子 样 品 装 在 玻 璃 管 里 进 行 分 析, 样 品 管 插 在 塑 料 转 子 里 定 深 量 筒 控 制 样 品 管 插 入 转 子 的 深 度 确 保 样 品 与 探 头 内 的 线 圈 对 齐 定 深 量 筒 具 有 设 置 样 品 深 度 的 分 度 刻 度 1. 对 于 5mm 探 头, 根 据 刻 度 把 白 色 塑 料 基 座 的 位 置 放 在 中 线 (0mm 线 ) 以 下 18mm 到 20mm 之 间 对 于 10mm 探 头, 把 白 色 塑 料 基 座 的 位 置 放 在 中 线 以 下 20mm 处 这 只 是 推 荐 深 度, 你 应 该 向 系 统 管 理 员 了 解 所 用 磁 体 和 探 头 的 准 确 深 度 一 旦 你 设 置 了 正 确 的 深 度, 就 要 一 直 使 用 这 个 值, 这 样 可 以 减 小 更 换 样 品 后 重 新 匀 场 的 工 作 量 2. 拿 住 样 品 管 上 部, 把 样 品 管 放 进 转 子, 把 转 子 放 进 定 深 量 筒 3. 轻 轻 把 样 品 管 往 里 推, 使 中 线 上 下 的 样 品 一 样 多 如 果 样 品 量 足 够, 那 么 可 以 把 样 品 管 推 到 刚 好 接 触 白 色 塑 料 基 座 4. 在 把 样 品 管 和 转 子 放 入 磁 体 之 前, 取 掉 定 深 量 筒 6.4 将 带 样 品 管 的 转 子 放 入 磁 体 样 品 的 升 降 是 由 一 股 压 缩 空 气 控 制 的 小 心 不 要 在 盖 着 室 温 腔 管 盖 的 时 候 弹 出 样 品 较 新 的 BOSS-2 匀 场 系 统 的 设 计, 已 经 不 允 许 在 盖 着 管 盖 的 时 候 激 活 LIFT 键 同 时 在 往 磁 体 中 放 入 样 品 前, 确 认 存 在 气 流 ( 可 以 听 到 气 流 声 ) 图 6.2 把 样 品 管 插 入 转 子 中 文 版 (104)

48 6 实 验 基 本 步 骤 将 带 样 品 管 的 转 子 放 入 磁 体 需 要 按 以 下 步 骤 进 行 : 1. 取 下 室 温 腔 管 上 的 盖 子 2. 按 下 BSMS 键 盘 上 的 LIFT 键 可 以 听 到 气 流 的 声 音, 这 时 如 果 磁 体 里 有 样 品, 样 品 就 会 升 起 并 悬 浮 在 室 温 腔 管 上 口 3. 取 下 老 样 品, 把 新 样 品 放 到 气 垫 上 4. 再 次 按 下 LIFT 键 样 品 会 缓 慢 落 进 磁 体, 精 确 进 入 探 头 中 的 位 置 5. 盖 上 室 温 腔 管 ( 非 常 重 要, 防 止 磁 性 金 属 微 粒 进 入 磁 体 ) 6.5 旋 转 样 品 压 缩 空 气 的 第 二 个 作 用 是 把 样 品 旋 转 起 来 之 所 以 旋 转 样 品, 是 因 为 可 以 匀 掉 一 些 磁 体 中 心 处 磁 场 的 不 均 匀 度 注 意 使 用 反 向 探 头 研 究 样 品 时 一 般 是 不 旋 转 的 以 下 是 设 置 旋 转 频 率 的 步 骤 : 1. 激 活 BSMS 键 盘 上 的 SPIN RATE 键 48(104) 中 文 版 003

49 6.6 调 谐 和 匹 配 探 头 2. 使 用 黑 旋 钮 设 置 频 率 3. 激 活 SPIN 键 开 始 旋 转 旋 转 样 品 推 荐 值 : 5mm 探 头 10mm 探 头 20Hz 12Hz 6.6 调 谐 和 匹 配 探 头 每 个 探 头 对 不 同 频 率 信 号 的 灵 敏 度 是 不 同 的, 所 以 存 在 一 个 最 灵 敏 的 信 号 频 率 而 且, 这 个 频 率 可 以 通 过 调 整 探 头 电 路 中 的 可 调 电 容 来 改 变 调 谐 就 是 指 调 整 探 头 电 路 以 获 得 对 相 应 发 射 频 率 (SFO1 SFO2 等 ) 最 大 的 灵 敏 度 探 头 中 的 每 个 线 圈 需 要 分 别 调 谐 如 果 更 换 了 探 头 或 者 发 射 频 率 发 生 了 明 显 改 变, 这 时 就 需 要 重 新 调 谐 探 头 日 常 工 作 中 选 择 性 探 头 使 用 有 机 溶 剂 时, 发 射 频 率 的 值 不 会 有 明 显 的 改 变 因 此, 一 旦 探 头 完 成 初 始 化 调 谐, 频 率 的 轻 微 改 变 不 需 要 重 新 调 谐 一 般 只 有 在 发 射 频 率 变 化 超 过 100kHz 时 需 要 重 新 调 谐 探 头 但 是 宽 带 探 头, 核 与 核 之 间 的 发 射 频 率 变 化 很 大, 因 此 每 次 替 换 选 择 原 子 核 后 都 需 要 重 新 调 谐 每 次 调 谐 探 头 后 还 需 要 对 其 进 行 匹 配 匹 配 就 是 使 尽 可 能 多 的 能 量 从 探 头 基 座 传 递 到 上 部 的 线 圈 中 同 时 减 少 从 探 头 基 座 反 射 回 放 大 器 的 能 量 ( 等 于 浪 费 掉 了 ) 所 有 的 Bruker-BioSpin 放 大 器 都 有 50Ohms 的 输 出 阻 抗, 因 此 最 优 化 的 匹 配 是 所 有 线 路 的 探 头 阻 抗 也 都 是 50Ohms 通 过 观 察 下 面 任 一 种 显 示 方 式 都 可 以 进 行 调 谐 和 匹 配 : Topspin wobb 窗 口 ( 在 命 令 行 输 入 wobb 打 开 窗 口 ) 中 的 wobble 曲 线 或 者 HPPR 封 面 显 示 器 上 的 绿 色 和 红 色 LED 两 种 方 法 都 会 进 行 介 绍, 但 是 除 非 无 法 观 察 电 脑 显 示 器, 第 一 种 方 法 更 加 便 利, 这 里 首 先 进 行 介 绍 警 告 : 下 面 讲 到 的 调 谐 和 匹 配 螺 丝 的 可 调 范 围 是 有 限 的, 如 果 调 出 范 围 将 会 损 坏 探 头 使 用 wobble 曲 线 进 行 调 谐 和 匹 配 Wobble 程 序 通 过 把 一 个 弱 信 号 传 输 给 探 头, 并 把 探 头 和 线 缆 的 阻 抗 与 HPPR 内 的 50Ohm 参 考 阻 抗 进 行 比 较 弱 信 号 的 频 率 的 中 心 为 SFO1 SFO2 等, 并 在 一 定 范 围 内 扫 描, 范 围 通 过 参 数 WBSW 定 义 ( 参 见 后 面 介 绍 ) 合 成 的 曲 线 类 似 于 谐 振 电 路 的 特 性 曲 线, 简 单 说, 就 是 测 量 了 不 同 频 率 ( 水 平 轴 ) 下 反 射 信 号 的 振 幅 ( 竖 直 轴 ) 匹 配 简 单 讲 就 是 调 整 探 头 使 wobble 曲 线 的 最 小 值 处 在 显 示 的 基 线 处 ( 就 是 接 触 到 水 平 的 频 率 轴 ) 这 表 示 了 对 传 输 信 号 的 最 小 反 射 调 谐 确 保 这 个 最 小 值 出 现 在 屏 幕 水 平 刻 中 文 版 (104)

50 6 实 验 基 本 步 骤 度 的 中 心 处 调 节 使 需 要 使 用 仪 器 自 带 的 特 制 工 具 旋 动 探 头 底 部 两 个 标 有 T M 的 螺 丝 这 些 螺 丝 使 用 探 头 前 标 签 的 颜 色 标 示, 探 头 的 每 组 线 圈 都 有 独 立 的 一 对 匹 配 一 般 改 变 wobble 曲 线 的 竖 直 位 置, 而 调 谐 改 变 曲 线 的 水 平 位 置 可 以 看 出, 调 谐 和 匹 配 是 互 相 关 联 的, 必 须 串 列 进 行 探 头 最 合 适 的 调 谐 和 匹 配 就 是 wobble 曲 线 的 最 小 值 居 中 且 处 于 屏 幕 基 线 上 图 6.3 不 同 调 谐 和 匹 配 情 况 下 的 wobble 曲 线 图 Wobble 可 以 使 用 wobb 命 令 初 始 化, 当 调 出 wobble 程 序 后 需 要 修 改 两 个 参 数 : WBST(wobble 步 数,number of wobble steps): 默 认 值 是 1024, 这 个 值 不 重 要 WBSW(wobble 扫 描 宽 度, 单 位 MHz,wobble sweep width): 默 认 4MHz, 调 谐 越 好, 这 个 值 可 以 设 的 越 小 如 果 你 怀 疑 探 头 的 调 谐 和 匹 配 不 好 或 者 你 无 法 观 察 到 典 型 的 谐 振 曲 线, 那 么 使 用 一 个 较 大 的 WBSW 值 ( 例 如 32 64MHz), 当 调 谐 和 匹 配 合 适 后 降 到 8 或 者 4MHz 步 骤 : 1. 确 认 SFO1 的 值 接 近 最 终 发 射 频 率 2. 在 Topspin 命 令 行 输 入 wobb 3. 观 察 wobble 曲 线 并 据 此 调 整 调 谐 和 匹 配 螺 丝 50(104) 中 文 版 003

51 6.6 调 谐 和 匹 配 探 头 4. 当 完 成 调 整 后, 单 击 或 输 入 stop 如 果 需 要, 你 可 以 把 WBST 设 成 1024,WBSW 设 成 4MHz 可 以 通 过 wobb 窗 口 的 工 具 栏 按 钮 完 成 ( 或 者 直 接 在 命 令 行 输 入 ) 使 用 HPPR LED 进 行 调 谐 和 匹 配 这 种 方 法 只 用 在 调 节 调 谐 和 匹 配 螺 丝 时 无 法 观 察 计 算 机 显 示 器 的 情 况 下 唯 一 不 同 的 地 方 就 是 需 要 根 据 HPPR 封 面 显 示 模 块 上 的 红 绿 指 示 LED 进 行 调 整 水 平 的 一 列 LED 表 示 调 谐, 竖 直 的 一 列 LED 表 示 匹 配 调 整 的 方 向 是 尽 量 减 少 两 个 方 向 上 发 光 的 LED 数 目 和 使 用 wobble 曲 线 一 样, 调 谐 和 匹 配 需 要 串 列 进 行 对 一 个 调 谐 匹 配 合 适 的 探 头, 每 个 方 向 应 该 只 有 一 到 两 个 LED 发 光 ( 注 意 一 个 LED 表 示 最 合 适 的 调 谐 匹 配 ) 注 意 : 使 用 这 个 方 法 时, 需 要 打 开 wobb 窗 口, 而 不 是 打 开 采 样 窗 口, 来 获 得 最 大 的 刷 新 率 步 骤 : 1. 确 认 wobb 窗 口 已 打 开 2. 设 置 参 数,WBST 为 1024,WBSW 为 4MHz 3. 输 入 wobb 4. 观 察 HPPR 上 的 LED, 并 据 此 进 行 调 谐 和 匹 配 5. 当 完 成 调 整 后, 单 击 或 输 入 stop 图 6.4 HPPR/2 的 封 面 显 示 中 文 版 (104)

52 6 实 验 基 本 步 骤 对 多 个 核 进 行 调 谐 和 匹 配 软 件 允 许 用 户 在 不 停 止 wobble 程 序 的 情 况 下 改 变 原 子 核 ( 也 就 是 频 率 ) 这 在 必 须 对 多 个 核 进 行 调 谐 和 匹 配 的 去 耦 实 验 中 非 常 有 效 显 然, 每 个 核 都 有 一 个 不 同 的 探 头 电 路 需 要 调 谐 原 子 核 和 相 应 的 频 率 需 要 使 用 edasp 命 令 进 行 设 置, 这 样 wobble 程 序 可 以 获 取 这 些 信 息 通 过 以 下 方 法 可 以 在 Wobb 时 更 改 原 子 核 和 频 率 : 点 击 wobb 窗 口 中 工 具 栏 上 的 按 钮 或 者 在 Topspin 命 令 行 输 入 wbchan 或 者, 如 果 在 使 用 HPPR 封 面 显 示 器, 如 果 是 HPPR1, 可 以 按 CHANNEL SELECT 如 果 是 HPPR2, 可 以 使 用 显 示 器 子 菜 单 两 种 情 况 下, 都 会 以 频 率 升 序 选 定 原 子 核 52(104) 中 文 版 003

53 6.7 锁 定 样 品 6.7 锁 定 样 品 锁 场 的 所 有 参 数 都 可 以 使 用 BSMS 键 盘 手 动 调 整, 但 是 对 于 新 用 户, 我 们 建 议 通 过 Topspin 命 令 行 输 入 lock 调 用 lock 程 序 来 完 成 锁 场 这 将 自 动 调 整 锁 场 参 数 来 优 化 锁 场 就 如 在 锁 场 系 统 简 介 一 章 中 解 释 的, 氘 代 溶 剂 被 激 发 放 射 出 信 号, 锁 场 系 统 检 测 并 监 视 这 个 信 号 这 个 信 号 的 频 率 和 强 度 取 决 于 使 用 的 溶 剂 Topspin lock 程 序 的 主 要 特 点 就 是 可 以 把 锁 场 能 量, 增 益 和 频 率 设 置 到 接 近 溶 剂 实 际 值 使 用 这 些 接 近 实 际 值 的 默 认 参 数 值,BSMS 通 过 扫 描 一 个 频 率 或 磁 场 强 度 范 围, 可 以 快 速 定 位 并 锁 定 溶 剂 信 号 通 过 edlock 表 设 置 这 些 这 些 溶 剂 相 关 的 参 数 表 6.1 默 认 edlock 表 注 意 实 际 值 需 要 管 理 员 进 行 优 化 BSMS 可 以 使 用 两 种 方 法 搜 索 溶 剂 信 号 在 场 模 式 下 对 样 品 周 围 的 磁 场 ( 同 时 对 氘 的 共 振 频 率 ) 进 行 调 整 以 保 证 对 任 何 溶 剂 锁 频 率 都 为 一 常 数 Edlock 表 中 给 出 了 根 据 溶 剂 不 同 调 整 相 应 场 强 的 信 息 这 是 操 作 的 默 认 方 式 在 位 移 模 式 中, 锁 频 率 改 变 自 身 以 适 应 溶 剂 的 改 变, 如 果 选 择 位 移 模 式, 需 要 在 BSMS 菜 单 中 直 接 选 择 锁 频 率 用 户 有 三 种 方 法 可 以 用 来 锁 场 : 中 文 版 (104)

54 6 实 验 基 本 步 骤 1. 在 Topspin 命 令 行 输 入 lock 并 选 择 相 应 的 溶 剂 首 先 磁 场 FIELD 值 会 被 设 置 成 预 先 由 系 统 管 理 员 确 定 的 值, 这 个 值 对 所 有 溶 剂 是 相 同 的 系 统 锁 定 后, 会 显 示 lock:finished 2. 按 BSMS 键 盘 上 的 AUTOLOCK 键 这 不 会 要 求 选 择 溶 剂, 但 是 会 改 变 FIELD 值 使 探 测 到 的 锁 信 号 位 于 扫 场 中 心, 同 样 达 到 锁 场 目 的 3. 按 BSMS 键 盘 上 的 LOCK-ON 键 这 不 会 改 变 FIELD 值, 只 用 在 锁 信 号 足 够 强 且 处 于 扫 场 范 围 之 内 时 才 能 成 功 锁 场 这 种 方 法 只 推 荐 在 替 换 相 同 溶 剂 的 样 品 后 使 用, 或 者 已 经 确 认 当 前 锁 场 参 数 是 适 合 新 溶 剂 锁 场 步 骤 要 查 看 锁 信 号 可 以 点 击 工 具 栏 上 的 按 钮 或 者 输 入 lockdisp 命 令, 还 可 以 双 击 采 样 状 态 栏 上 的 锁 场 区 域 在 没 有 锁 场 前, 屏 幕 上 的 信 号 表 示 两 个 重 叠 的 氘 连 续 波 谱, 一 个 从 左 向 右 扫 描, 另 一 个 从 右 向 左 扫 描 的 速 度 可 以 通 过 调 整 BSMS 键 盘 上 的 SWEEP RATE 改 变 高 质 量 的 CW 谱 图 如 图 6.5 所 示 图 6.5 典 型 的 锁 信 号 完 成 锁 场 后, 信 号 应 该 是 带 有 稍 许 噪 音 或 波 浪 的 水 平 线 ( 参 见 图 6.6) 这 条 线 的 高 度 被 称 为 锁 线 高 步 骤 : 1. 按 下 工 具 栏 上 的 按 钮 或 输 入 lockdisp 查 看 锁 信 号 2. 输 入 lock 3. 从 菜 单 中 选 择 相 应 的 溶 剂 ( 这 份 手 册 描 述 的 实 验 中 选 择 CDCl3) 54(104) 中 文 版 003

55 6.8 匀 场 BSMS 键 盘 上 的 autolock LED 会 开 始 闪 动 直 到 锁 场 完 成 锁 场 成 功 后 屏 幕 会 显 示 信 息 lock:finished,lock On/Off LED 开 始 发 光 4. 如 果 锁 线 高 不 稳 定 ( 信 号 饱 和 ), 这 时 就 需 要 手 动 调 整 BSMS 键 盘 上 的 Lock Power ( 要 避 免 这 种 情 况 反 复 发 生, 更 好 的 方 法 是 调 整 edlock 表 中 的 相 应 溶 剂 的 lock power 事 实 上, 需 要 咨 询 系 统 管 理 员 检 查 并 优 化 三 个 edlock 参 数 LPower LGain LTime) 5. 如 果 需 要, 调 整 Lock Phase( 锁 相 位 ) 使 锁 线 高 最 大 图 6.6 锁 定 样 品 后 的 锁 显 示 6.8 匀 场 匀 场 是 指 对 磁 场 进 行 一 些 小 的 调 整 来 改 善 磁 场 的 均 匀 性 改 善 磁 场 均 匀 性 可 以 获 得 更 好 的 谱 图 分 辨 率 在 更 换 探 头 或 样 品 后 都 需 要 重 新 匀 场 保 存 每 个 探 头 合 适 的 匀 场 值 ( 保 存 在 匀 场 文 件 中 ) 可 以 极 大 降 低 更 换 探 头 后 的 匀 场 时 间 ( 参 见 保 存 一 组 匀 场 值 一 节 ) 匀 场 由 插 到 室 温 腔 管 内 的 室 温 匀 场 系 统 中 的 一 组 匀 场 线 圈 控 制 线 圈 中 的 电 流, 同 样 还 有 磁 体 内 的 磁 场, 可 以 使 用 BSMS 键 盘 进 行 调 整 匀 场 线 圈 的 数 目 取 决 于 BSMS 系 统 的 类 型 它 们 都 有 代 数 名 称, 如 Z Z2 X Y 等, 相 应 的 控 制 键 可 以 在 BSMS 键 盘 的 下 半 区 找 到 磁 场 是 三 维 的, 所 以 匀 场 项 的 名 称 使 用 XYZ 坐 标 系 统 来 反 映 相 应 的 代 数 功 能 磁 场 均 匀 性 的 一 个 度 量 方 法 就 是 相 同 锁 场 能 量 和 增 益 下 屏 幕 上 锁 信 号 的 高 度 ( 锁 线 高 ) 锁 线 越 高, 磁 场 越 均 匀 一 种 匀 场 的 方 法 就 是 观 察 锁 线 高 度 的 同 时 调 整 匀 场 电 流 直 到 锁 线 不 能 再 升 高 ( 注 意 : 锁 线 高 并 不 是 对 唯 一 可 以 用 来 匀 场 的 磁 场 均 匀 性 的 度 量 标 准, 可 中 文 版 (104)

56 6 实 验 基 本 步 骤 以 使 用 的 还 有 线 形 和 FID 面 积 ) 下 面 讨 论 的 可 以 分 辨 的 两 类 匀 场 初 始 匀 场 在 磁 体 升 场 完 成 后, 必 须 由 安 装 工 程 师 从 混 乱 中 进 行 初 始 匀 场 每 个 匀 场 线 圈 的 电 流 的 大 小 都 是 需 要 优 化 这 个 过 程 之 所 以 复 杂, 是 因 为 匀 场 项 都 是 互 相 关 联 的, 调 整 一 个 后 必 须 调 整 另 外 几 个, 磁 体 必 须 针 对 每 个 探 头 进 行 匀 场 特 定 探 头 的 匀 场 值 可 以 储 存 到 一 个 匀 场 文 件 中 已 备 在 更 换 探 头 后 重 新 调 入 咨 询 系 统 管 理 员 了 解 每 个 探 头 应 该 使 用 哪 个 匀 场 文 件 常 规 匀 场 一 旦 完 成 初 始 匀 场, 操 作 就 简 单 了 只 需 要 调 整 最 重 要 的 几 项, 使 样 品 所 处 的 一 段 磁 场 最 均 匀 即 可 这 就 使 常 规 匀 场, 应 该 在 每 个 NMR 进 程 最 开 始 和 每 次 更 换 样 品 后 进 行 常 规 匀 场 就 是 微 调 Z 和 Z2 项 ( 可 能 还 有 X 和 Y) 过 程 大 体 如 下 : 1. 如 果 更 换 了 探 头 需 要 首 先 把 正 确 的 匀 场 文 件 读 入 BSMS 单 元 这 一 组 匀 场 值 应 该 适 合 这 个 探 头 输 入 rsh 会 出 现 一 个 所 有 的 匀 场 文 件 的 列 表 双 击 相 应 的 文 件, 等 待 几 秒 钟, 就 会 出 现 以 下 信 息 : rsh:finished 2. 确 认 BSMS 键 盘 上 的 LOCK 键 已 经 激 活 也 就 是 样 品 已 经 被 锁 定 如 果 要 旋 转 样 品, 把 旋 转 速 度 设 为 20Hz(5mm 探 头 ) 或 12Hz(10mm 探 头 ) 3. 调 整 LOCK PHASE 使 锁 线 最 高 4. 调 整 LOCK POWER, 如 果 需 要, 设 定 一 个 低 于 饱 和 值 6dB 的 值 饱 和 值 是 指 锁 线 高 度 开 始 变 得 不 稳 定, 开 始 上 下 摇 摆 时 的 LOCK POWER 值 5. 激 活 BSMS 键 盘 的 Z 键 ( on-axis + Z1 ) 转 动 旋 钮 使 锁 线 达 到 最 高 6. 激 活 BSMS 键 盘 的 Z2 键 转 动 旋 钮 使 锁 线 达 到 最 高 ( 可 能 需 要 调 低 LOCK GAIN 使 信 号 保 持 在 屏 幕 上 ) 7. 重 复 第 五 六 步 直 到 锁 线 不 能 再 升 高 8. 最 后 调 整 LOCK PHASE 使 锁 线 达 到 最 高 9. 关 掉 样 品 自 旋, 调 整 X 和 Y 匀 场 项 ( / + ) 使 锁 线 达 到 最 高 注 意 : 经 过 一 段 时 间 后, 磁 体 内 外 的 情 况 可 能 有 轻 微 的 改 变, 可 能 需 要 调 整 高 阶 项 Z3, Z4 和 Z5 来 优 化 性 能 另 外, 对 于 使 用 H2O/D2O 作 溶 剂 的 样 品 实 验 需 要 更 多 的 匀 场 以 改 善 水 峰 压 制 的 效 果 锁 线 高 度 并 不 是 磁 场 均 匀 性 变 化 的 最 好 标 准 虽 然 不 在 本 手 册 讨 论 范 围 之 内, 但 是 事 实 上, 信 号 的 线 形 ( 宽 度 和 对 称 性 ) 才 是 磁 场 均 匀 性 最 好 的 反 映 等 到 有 了 更 多 的 经 验 后, 你 就 可 以 和 系 统 管 理 员 讨 论 如 何 利 用 信 号 线 形 优 化 高 阶 项 的 问 题 56(104) 中 文 版 003