台式核磁共振波谱仪——为下一代科学家提供新的技术途径

慧聪教育网 2022-09-29 10:13 来源：慧聪教育网

作者：Venita Decker博士，紧凑型NMR（TD/FT）产品经理，Bruker BioSpin

【慧聪教育网】1946年，Felix Bloch和Edward Purcell分别发表了关于核磁共振（NMR）波谱的新发现。他们的开创性研究显示，NMR可以用于分析凝聚态物质的材料分子结构，这也将进一步推动NMR研究工作。Bloch和Purcell因其在NMR和化学位移方面的研究工作而共同获得1952年诺贝尔物理学奖。

随着配备均匀（均匀电场）电磁体的NMR系统进入商业化生产，NMR获得了快速发展。20世纪50-60年代，磁体设计和结构方面的改进使场强得到了提升，将1H NMR波谱的频率从40 MHz提高到100 MHz。然而，为了达到这样的频率，电磁体的尺寸变得很大——通常超过1 m3和1公吨。20世纪70年代中期开发的永磁体通常为60-90 MHz，其尺寸也相当大。通常被称为‘Alnico’的磁体，由磁性材料铝、镍和钴组成，其中一些在60年后仍处于磁化状态，少部分则由于电子技术的更新而仍在使用。

20世纪70年代，一些公司开始商业化制造NMR波谱仪。而自1990年，研究人员、学者和企业就能够购买到这些商业仪器。从那时起，磁体技术的改进使波谱频率达到1H NMR，20世纪90年代达到750 MHz，而在现代仪器中则已超过1.2 GHz。

为什么NMR教育没有跟上

高场NMR波谱仪通常会在科学实验室中使用了数十年，但尽管功能强大，由于其尺寸、可扩展性以及容纳此类大型设备的可行性，此类仪器在教育机构中并不常见。有一种观点认为，随着技术的进一步发展，这一点必须改变，应使受教育者能够接触NMR技术，从而获得分析技术方面的宝贵实验经验。

学术界此前错过NMR的原因很多。首先，NMR系统价格昂贵，大学、学校和各学院又面临科学、技术、工程、数学学科（STEM）投资资金不足的问题，这使得许多教育机构无力负担NMR设备费用。

另一项挑战是容纳NMR系统的可行性，NMR仪器必须安装在专用的空调机房内，需要不断的照顾和维护，才能提供最佳性能。其庞大的体积也意味着无法轻易转移到其它环境中。

由于大学和学校常可能一次性关闭数周，很难对仪器进行正确维护。超导磁体却必须始终保持开启，液氦和液氮也必须定期重新填充。教育机构还面临一个问题，即为了使用NMR波谱仪，用户必须接受使用培训，这是一个复杂而耗时的过程，通常是大学和学校无法实现。 

技能不足

缺乏获取新技术的机会导致了全球科学研究领域毕业生的短缺。据《卫报》报道，要成为一名科学家，学生需要有实验实践意识，但作为一名本科生，获得实验室经验是很困难的。《卫报》进一步指出，在英国，生物科学专业的学生每周需参加大约3到9个小时的实验室工作，这远远低于大学毕业后进入工作岗位所需的培训水平。因此，在职培训不可避免，而这既耗时又昂贵。

让本科生接触到科学设备，可鼓励他们去学习STEM学科，而这反过来又能解决当前技能不足的问题。据《经济时报》报道，两年前，美国有大约400万个STEM职位空缺，却只有4万名拥有STEM学位的毕业生。这一巨大差距突显出鼓励年轻人从事STEM职业的必要性，工业界和学术界可以共同努力来支持这一目标。

鉴于NMR波谱技术能提供宝贵的学习机会，而迄今为止许多教育机构严重错失了该技术所能提供的潜力。 

解决方案即为台式NMR仪

台式NMR波谱仪提供了一种紧凑、便携的解决方案。它不需要专门的基础设施、大量的维护或安装过程，只需将其放置到工作台并插入即可。台式波谱仪提供了改进的工作流程，其使用十分直观且无需大量培训，特别适用于新手用户。

台式NMR系统的以下优势为将该技术引入教育机构铺平了道路：

· 无需专门的NMR专业知识

· 可以与高场NMR获得相同的化合物定量和结构信息

· 紧凑的台式尺寸

· 无需额外的基础设施

· 无制冷剂永磁体——无需重新填充液氦或液氮

· 通过单个标准电源插座操作

· 易于维护，拥有成本最低

一些台式系统可以使用与高场NMR系统相同的行业标准软件进行操作（例如，Bruker的Fourier 80可以使用TopSpin软件进行操作）。这使学生既能熟悉NMR的一般知识，同时又熟悉了高场NMR仪器的操作。

与高场NMR系统类似，紧凑型台式仪器可以应用于许多不同的领域，如食品和饮料分析和取证。这意味着，除了教授学生一系列不同的分析技术外，高校学者还可以直接从实验台上观察高精度数据和实验。

台式NMR波谱仪能提供高场NMR技术的再现性和稳定性，而且体积更小、更易获得，并能安装在实验室工作台上，非常适合于大学、学院甚至中小学等教育环境。

台式NMR仪让学生了解，NMR作为一种方法，可以用来探索化学位移、耦合常数、弛豫和脉冲等概念，以及学习选择性激发和溶剂抑制等先进技术。在有机化学实验室中，学生可以检查反应、确定产率、检查试剂和产品的纯度，并解析有机分子的结构。 

教育应用

· 选择性激发

台式NMR有助于探索先进技术，例如波谱中单个共振的选择性激发（图1）。然后，这可以进一步用于更高级的实验，例如一维全相关波谱（1D TOCSY），它仅显示所有相互耦合的信号，以进一步数据分析。（见图2）

图1：1M布洛芬样品在80 MHz（Fourier 80，Bruker BioSpin）下记录的一维1H NMR波谱的比较，以演示选择性激发的效果。虽然全选波谱（蓝色）显示了样品的所有质子信号，但在选择性激发波谱（红色，黑色箭头指示的选择性激发区域）中，只能观察到选定的信号。

图注：

ibuprofen    布洛芬

selective excitation   选择性激发

full excitation    全激发

图2：在80 MHz下记录的桑托宁样品的一维1H NMR波谱的比较（Fourier 80，Bruker BioSpin）。虽然全选波谱（红色）显示了样品的所有质子信号，但在1D TOCSY 谱图（蓝色，黑色箭头指示的选择性激发区域）中，只能观察到所激发原子的整个自旋耦合体系的信号。

图注：

Santonin    桑托宁

full excitation    全激发

· 结构解析

在其极限内，甚至可以用台式NMR仪来解析确定未知分子的结构。人们通常认为只有高场仪器才能解析分子结构，而低场NMR波谱则仅限于小分子和简单分子的结构验证。现代台式NMR系统证明，在学术界使用这种技术是可能的，并且对小分子结构的解析不再是商业实验室的专有领域。学生可以通过广泛的实验库和专用软件工具（如Bruker CMC-se）来确定未知分子的结构（参见图3）。

图3：TopSpin CMC-se软件（Bruker BioSpin）仅使用在80 MHz下记录的预定义波谱参数集（Fourier 80，Bruker BioSpin）即自动解析了桑托宁（DMSO中30 mg）的结构。1D 1H（左上）、1D 13C（右下）和2D HSQC-me（多重性编辑的异核单量子相干）波谱如图所示。

· 反应监测

台式NMR仪可以精确监测实验室中的反应。例如，大多数本科生化学实验室都会用简单的起始原料水杨酸和醋酐合成阿司匹林。该反应可在台式波谱仪上进行，检查起始原料以确保其纯度，随时间监测反应并验证最终产品纯度（图4）。

图4：通过80 MHz 1D 1H NMR谱（Fourier 80，Bruker BioSpin）随时间观察到的以水杨酸（a）和醋酐（b）为析出物的阿司匹林合成。

广泛的应用

尽管与现代高场系统相比，其场强较低，但现代台式NMR波谱仪的先进电子技术和方法使这些仪器非常适合于高通量化学分析，远优于早期的低场波谱仪。

台式NMR不仅广泛地为化学专业的学生所使用，而且影响到其他领域。食品和饮料分析是应用最广泛的领域之一，对于生物化学家和营养科学学生来说非常有趣，他们可能还没有体验到NMR所能提供的力量。例如，牛奶中脂肪含量的量化、阿拉比卡咖啡豆与罗布斯塔咖啡豆的鉴别（图5），以及掺杂于优质橄榄油中的低品质葵花籽油的检测都是十分有趣的应用。

图5：学生可以分析咖啡豆提取物，以确定它是阿拉比卡还是罗布斯塔，并使用在80 MHz下记录的1D 1H波谱确定其咖啡样品是否含有何种咖啡因（Fourier 80，Bruker BioSpin）。

图注：

Robusta marker  罗布斯塔标记

Caffeine   咖啡因

Kahweol/Cafestol  咖啡豆醇/咖啡醇 

简单的界面

为操作现代台式NMR系统而设计的软件是用户友好型的，有些软件可以便捷地访问大量实验库和高场NMR系统中已知的功能。这非常适合学生，并会鼓励那些有兴趣在选择职业道路时使用NMR技术的人，将早期NMR研究中获得的信心和知识带入专业实验室。

学生可以获得定性和定量数据，教育机构中的学生可以通过行业标准软件分析NMR波谱。这将支持出于培训目的的访问，因为相关许可证通常对学术、政府和非营利机构免费。因为对于学术、政府和非营利机构来说，相关许可证通常是免费的。 

结论

直到最近，过去50年来以来的NMR波谱创新一直都是围绕着稳定增加分析仪器的场强。虽然高场系统可以对复杂分子的结构和动力学提供无与伦比的见解，但低场台式NMR波谱仪则能在更简单、更小的仪器中提供NMR的再现性和稳定性。

随着分析技术的不断发展，学生在科学生涯早期体验NMR等先前专业技术的可能性也在不断提升。虽然高场NMR波谱在分析化学和药物发现等众多领域发挥着越来越重要的作用，但台式NMR的可访问性正在促进这项技术在更多领域中的应用。

台式NMR有助于本科生利用设备和实验数据，同时获得重要的实验室经验，从而支持和鼓励学生从事科学事业。在教育机构中使用台式NMR仪，让学生得以观察以往只有在高场NMR波谱仪上才能进行的实验。通过将实验转移到成本低、尺寸紧凑、报告准确度高的仪器上，从而消除相关障碍，为各个应用领域的学者进行学术研究提供进一步的优势。

台式NMR波谱仪在食品分析、质量控制、法医和教育等应用领域取得了巨大成功。这些解决方案仅仅是一个起点。这项技术在广阔的应用范围内有着巨大的潜力。 

有关教育用台式NMR仪的更多信息，请访问：https://www.bruker.com/products/mr/nmr/benchtop-nmr.html

关于作者:

Venita Decker博士主攻生物化学和神经科学，但她的论文专注于固体核磁共振领域(德国Goettingen，Max Planck Institute for Biophysical Chemistry)。2012年，加入了布鲁克固体核磁共振应用部门。此后，她积极支持简化布鲁克核磁共振的复杂解决方案(topsolid, the minispecFormCheck, Fourier 80)。她成为紧凑型NMR (TD/FT)解决方案的产品经理，将她的使命带到了一个新的层次。 

关于布鲁克

50多年来，布鲁克已帮助科研人员取得可提高人类生活品质的突破性发现，并开发出诸多新的应用。布鲁克的高性能科研仪器和宝贵的分析解决方案，使科研人员得以在分子、细胞和微观水平上开展对生命和材料的探索。

通过与客户的密切合作，布鲁克致力于帮助实现创新、生产力提升以及客户成功，领域涉及生命科学分子研究、制药应用、显微镜、纳米级分析、工业应用，以及细胞生物学、临床前成像、临床研究、微生物学和分子诊断。更多信息，请访问：http://www.bruker.com。 

参考文献

1. The Guardian (2014)Science students need lab experience, but it’s nearly impossible to get. AvAIlable at: https://www.theguardian.com/education/mortarboard/2014/jul/08/science-students-lab-work-experience-impossible

2. Economic Times (2018) Is the shortage of STEM workers in the US a myth or reality? AvAIlable at:https://economictimes.indiatimes.com/blogs/et-commentary/so-is-the-shortage-of-stem-workers-in-the-us-a-myth-or-reality/