Bruker核磁共振波譜儀最新技術進展

核磁共振（NMR）波譜儀作為一種重要的分析儀器，廣泛應用於物理學、化學、生物、藥學、醫學、農業、環境、礦業、材料學等學科，越來越多的科研單位和企業裝備了核磁共振波譜儀。Bruker公司一直站在核磁共振波譜技術的最前沿，秉承「持續創新」的理念，藉助50 多年的豐富經驗和對產品的熱情與執著，將最新技術融入核磁共振波譜儀，近年來開發出了許多新產品和新功能，本文將Bruker核磁共振波譜儀最新技術進展進行簡要介紹。

              

 1.最新的磁體技術

 

現代核磁共振超導磁體需要液氮液氦提供的低溫條件來維持磁體的超導狀態，需要定時補加液氮和液氦，這無疑增加了儀器操作人員的工作負擔，而且國際市場上液氦價格的波動和供應的不確定性也對超導磁體的維護產生了非常不利的影響。Bruker 最新推出的Ascend^TM Aeon系列磁體（見圖1）則讓儀器操作人員不再擔憂液氮液氦的補加問題。

 

圖1. Ascend Aeon系列磁體

 

Ascend Aeon系列磁體在磁體杜瓦上直接集成了製冷冷頭，Bruker完美解決了靠近磁體的壓縮機帶來的振動和影響磁場等問題，它能將磁體內揮發出的氦氣直接液化重新加注回磁體，完成氦氣的循環。Bruker先進的磁體製造技術保證了Ascend Aeon系列磁體一如既往優秀的性能、極佳的磁場均勻度和最小的漏磁場，同時大大提高了Ascend Aeon系列磁體的易用性和安全性。

 

400MHz和500MHz的標準腔Ascend Aeon磁體無需再添加液氮，而液氦的維持時間提高到18個月，對於600MHz和700MHz的標準腔Ascend Aeon磁體，則可做到無需添加液氮並將液氦的維持時間大幅延長至8年。

 

Ascend Aeon系列目前提供從400MHz - 700MHz的54mm標準腔磁體，800MHz - 900MHz的54mm標準腔磁體和400MHz - 800MHz的89mm寬腔磁體則即將推向市場。

 

對於目前市場上常見的新一代Ascend^TM磁體，Bruker則提供了磁體液氮回收單元，可以將磁體揮發出的氮氣收集、壓縮液化後重新加注回磁體，避免了重複添加液氮的麻煩，極大地簡化了磁體的維護工作，這使得核磁共振波譜儀變得更易用。

 

由於CryoProbes?超低溫探頭配備了壓縮機平臺，Bruker在超低溫探頭壓縮機平臺上實現了磁體液氮回收功能，這就是BSNL(Bruker Smart Nitrogen Liquefier)單元，如圖3所示。

 

圖3. BSNL單元

 

為了給沒有配備超低溫探頭的儀器提供磁體液氮回收功能，Bruker最新推出了BNL(Bruker Nitrogen Liquefier)單元，如圖4所示，這使得普通用戶在沒有超低溫探頭的情形下也能實現磁體液氮的回收，無需增加很大的成本即可極大簡化磁體的維護工作。BNL適用於Ascend 400-700標準腔磁體。

 

圖4. BNL單元

 

2. 革命性的CryoProbe^TM Prodigy探頭

 

Bruker的超低溫CryoProbe^TM探頭由於其在提高靈敏度方面的卓越表現，在學術界和工業界都得到了廣泛的應用。超低溫探頭把低溫技術與先進的射頻硬體設計和製造技術結合起來，用壓縮低溫氦氣來冷卻探頭檢測線圈和前放電子線圈到20K附近，最大程度降低了可檢測到的電子熱噪聲，探頭檢測靈敏度提高4倍以上。

目前Bruker新推出了一個革命性的低溫探頭方案：CryoProbe^TM Prodigy探頭。圖5所示為安裝有Prodigy探頭和SampleXpress自動進樣器的AVANCE III HD 400 MHz譜儀實例。

 

Prodigy探頭幾乎延續了傳統氦氣超低溫探頭的所有優點，但其購買費用和維護費用大為降低，安裝、使用和維護也變得更加簡單。Prodigy探頭把低溫氦氣冷卻換為液氮冷卻，探頭檢測線圈和前放電子線圈的工作溫度為80K附近，這樣可以提高探頭氫的靈敏度2倍左右，雜核靈敏度提高2 - 3倍。

 

圖5. AVANCE III HD 400 MHz譜儀，安裝有CryoProbe^TM Prodigy探頭和SampleXpress自動進樣器。

3. 先進的自動進樣器

 

核磁共振波譜儀的探頭一次只能容納一個樣品進行檢測，當一個樣品檢測完成後就需要更換樣品以進行下一次檢測。樣品的更換可由人工操作，也可由自動進樣器按照預設的程序自動完成，因此自動進樣器也被稱為自動換樣器（Auto Sample Changer）。

 

自動進樣器已成為現代核磁共振波譜儀的一個重要部件，它不僅減輕了譜儀操作人員的體力勞動強度，也由於它能按照預設的程序自動完成大量樣品的高通量實驗而備受用戶的青睞。

 

Bruker在自動進樣器的研發方面有著悠久的歷史。目前 Bruker提供了一系列滿足不同需求的液體樣品自動進樣器，其中有SampleXpress Lite、SampleCase、SampleXpress、以及SampleJet，見表1。Bruker還提供一種專為高場儀器設計的液體樣品換樣輔助設備SampleMail。

  

表1. Bruker液體樣品自動進樣器的參數

 

SampleXpress Lite（見圖6）提供16個帶轉子的樣品位，取代了較老的24位NMR Case自動進樣器，減少了活動機械部件，使用可靠性更高。其主要由一個可旋轉的圓形樣品架組成，置於磁體中心管之上。樣品架可輕鬆取下以更方便地放置樣品。

 

圖6. SampleXpress Lite自動進樣器

 

SampleCase（見圖7）提供24個帶轉子的樣品位。樣品架為桌面高度，這使得對於高場譜儀的進樣更為方便，無需再攀登梯子進樣。Bruker還提供一種低溫功能配置——Cooled SampleCase，通過與低溫附件配合，可使樣品架上的樣品處於低溫狀態，如保存生物樣品常用的6℃，特別適合生物樣品的測試。

 

圖7. SampleCase自動進樣器

 

SampleXpress（見圖8）提供60個帶轉子的樣品位，取代了B-ACS自動進樣器，減少了活動機械部件，使用可靠性更高。SampleXpress設計非常緊湊，極大提高了其與各類型磁體的適配度；配備了觸控螢幕式控制面板，控制更加方便；樣品架可輕鬆取下，放置樣品更加方便。

 

SampleXpress還可安裝條碼掃描設備，可實現更加複雜的程序化自動進樣。樣品架取下後可直接在中心管中插入固體轉子導管或CryoFit，輕鬆支持固體探頭和超低溫探頭-液相色譜-固相萃取-核磁聯用的切換。

 

 

圖8. SampleXpress自動進樣器

 

SampleJet（見圖9）是一種前所未有的方便快捷地實現高通量核磁實驗的自動進樣器。它有5個可放置96根核磁管的樣品架，另可在外圈放置96根樣品。機械手可自動完成將樣品管插入轉子並換樣的動作。此外它還有若干帶轉子的樣品位，總共可放置6x96個樣品。SampleJet也可安裝條碼掃描設備，亦可實現低溫功能，使樣品架上的樣品處於低溫狀態。

 

圖9. SampleJet自動進樣器

 

由於高場儀器的磁體都較高，人工進樣時需要儀器操作人員爬上很高的梯子才能操作，SampleMail（見圖10）就是一種專為高場儀器設計的液體樣品換樣輔助設備，它使用了SampleCase的樣品傳送系統，使操作人員在桌面高度就可以完成高場儀器的單次換樣。

 

圖10. SampleMail換樣輔助設備

 

除此之外，Bruker還提供了固體樣品自動進樣器（7毫米20位樣品，4毫米40位樣品）。對半固體（HR-MAS）樣品可以提供自動進樣器SamplePro，可放置96個HR-MAS半固體樣品轉子，SamplePro還可以提供低溫選件（48位樣品），最低溫度可到-16攝氏度，如圖11所示。

 

圖11. HR-MAS半固體樣品轉子自動進樣器SamplePro

 

4. 樣品變溫單元

 

變溫核磁共振實驗在物質結構分析和化學反應跟蹤等應用中有著重要的作用，因此，樣品變溫單元是現代核磁共振波譜儀中必不可少的一部分，例如Bruker最新型核磁共振波譜儀AVANCE III HD系列譜儀中集成了BSVT (Bruker Smart multichannel Temperature Control System)溫控單元，其與Bruker BBFO SMART探頭搭配，在不增加其他附件的情況下實現對樣品溫度從室溫到150℃的變溫控制，控溫精度達+/-0.1℃。此外，Bruker還為控溫提供了革命性的NMR Thermometer^TM技術（選件），第一次使得在NMR實驗過程中測量樣品的準確溫度成為了可能。

 

NMR Thermometer技術通過檢測兩種氘共振的化學位移差值來實現完全自動化溫度控制，與傳統的熱電偶檢測法相比，NMR Thermometer直接測量樣品實際溫度，不再依賴於熱電偶，從而避免在去偶實驗或控溫氣流變化時外部熱電偶測溫導致溫度偏差（如圖12所示）。

 

 

圖12. NMR Thermometer技術的效果：上圖為沒有使用NMR Thermometer條件下測得的NMR譜圖，化學位移偏移表現出很強的溫度依賴性，下圖為使用NMR Thermometer的條件下所得譜圖，化學位移偏移得到了很好的補償。

 

如果搭配Bruker提供的其他高溫或低溫附件，將可以實現更寬的樣品溫度控制範圍。

BSVTB 3500加熱功率增強單元可以使得加熱溫度的上限提高到400℃，適用於10mm液體探頭（該探頭溫度上限為200℃）、WVT固體探頭及MASCAT固體探頭的高溫實驗。

 

在低溫方面，Bruker提供了更多樣的選擇，主要分為兩大類：非液氮製冷單元和液氮製冷單元。非液氮製冷單元採用壓縮機致冷劑方式製冷，可進行長時間工作，其中BCU I製冷單元可將5毫米液體樣品溫度冷卻至0℃左右，而BCU II製冷單元可將5毫米液體樣品溫度冷卻至-40℃左右。

 

液氮製冷單元則是通過液氮杜瓦中的液氮致冷，又可分為兩種類型，其一是熱交換式，來自壓縮機的氣體經過浸泡在液氮中的螺旋管而獲得低溫，進而冷卻樣品；其二是揮髮式，它不需要氣體供應，而是通過浸泡在液氮中的小型加熱器的加熱使液氮揮發為低溫氮氣來冷卻樣品。兩類液氮製冷單元的分別搭配不同類型的探頭。兩類液氮製冷單元的氣體傳輸管可採用不同材質製造，採用PUR材料氣體傳輸管的液氮製冷單元可將樣品溫度冷卻至-80℃左右，而採用不鏽鋼材料氣體傳輸管的液氮製冷單元可將樣品溫度冷卻至-120℃左右。

 

5. 液相色譜－核磁共振（LC-NMR）聯用組件

 

將色譜分離技術與核磁共振技術以及其他技術進行在線的聯用，使色譜分離與譜學結構確證成為一個連續的過程，這是對於複雜有機混合物成分分析的一種非常有效的方法。

 

Bruker是LC-NMR在線聯用方法的先驅者，提供了完善的LC-NMR在線聯用解決方案。作為液相色譜與核磁共振聯用的最重要的部分，Bruker獨家研發了多種適合兩者的在線聯用接口單元，並開發了集成式控制分析軟體HyStar。

 

BSFU-HP(Bruker Stop-Flow Unit - High performance)接口單元提供了兩種檢測工作模式：連續流動模式（on-flow）和停流模式（stop-flow）。

 

BPSU-36/2接口單元不僅支持連續流動模式（on-flow）和停流模式（stop-flow）這兩種檢測工作模式，還配備了loop環，可實現色譜峰的捕捉、暫存和轉移至核磁共振譜儀中檢測等一系列在線聯用功能。

 

LC-SPE-NMR單元（如圖13所示）是Bruker公司聯合Spark公司開發的一種獨有的LC-NMR聯用接口單元，一經問世便廣受用戶的歡迎。其核心部分是擁有192個柱子的SPE（固相萃取）系統，配合精密的流路設計和其他組成部分，LC-SPE-NMR單元可完成色譜峰的捕捉、進行多次富集、氘代試劑洗脫進入核磁共振譜儀中檢測等一系列在線聯用功能。

 

圖13. LC-SPE-NMR單元

 

Bruker支持多種市面流行的液相色譜儀與核磁共振聯用並實現對其完全控制；在核磁共振譜儀端，Bruker不僅提供傳統的流動探頭(Flow Probe)，還特別為CryoProbes^TM超低溫探頭和CryoProbes^TM Prodigy液氮低溫探頭提供了CryoFit^TM插件（如圖14所示）。CryoFit^TM可以直接讓CryoProbes^TM超低溫探頭和CryoProbes^TM Prodigy液氮低溫探頭轉變為具有類似流動探頭的功能，可與液相色譜聯用。CryoFit^TM插件安裝時只需將其從磁體中心管上部插入5mm探頭中即可，轉變過程無需拆卸更換探頭。

 

圖14. CryoFit^TM插件

 

除此之外，Bruker的LC-NMR聯用組件還可以實現與質譜儀的進一步聯用，即LC-NMR-MS聯用。Bruker支持多種市面流行的質譜儀的聯用。HyStar軟體同樣可完成對三個儀器的同時控制與結果分析。Hystar軟體可在同一屏幕上同時顯示色譜圖、指定峰的核磁共振圖及對應的質譜圖，這些信息足夠進行複雜混合物的分析和確定被分析物的結構。

 

6. Assure - Raw Material Screening^TM解決方案

 

在製造原料藥藥品和化學產品時雜質和摻雜物可能會帶來責任風險。目前對全球供應鏈的日益依賴的現狀加大了對生產所用原料和最終產品進行質量控制檢測的需求。有效地檢測何處出現未知摻雜物需要使用化合物特異性和非靶向方法。為此，Bruker提供了一套完整、易用的全自動化解決方案：Assure - Raw Material Screening^TM原料檢驗系統。使用Assure - Raw Material Screening^TM（Assure-RMS）可以在在合成最終產品之前檢測含雜質和不純的樣品，從而減少責任風險、降低生產成本、減少可能帶來的生產延誤。Assure-RMS方法適用於GLP（優良實驗室規範）或非GLP環境，能提供樣品分析過程和結果的可溯源記錄，可應用於醫藥和化工生產以及分析參考標準。

 

Assure-RMS方法只需幾毫克的原料用於分析，經一次性測量即可完成原料檢驗，幾分鐘內就能得到結果和報告（如圖15、圖16所示），它專為生產實驗室技術人員設計，能自動校準儀器性能並對儀器進行相應的維護。

 

圖15. Assure結果示例

 

圖16. Assure報告示例

 

Assure-RMS的結果可選絕對摩爾數或絕對質量數以及相對百分含量，它提供一份質量檢測通過/未通過的報告，並可根據現場具體要求靈活選擇報告結果，另外還提供對已知雜質和摻雜物定性和定量的專家報告，並顯示存在的任何未知成分。

 

Assure-RMS的客戶還可通過Bruker獲得額外的定製和GLP認證