【磁共振实验室：施孝活博士 撰文】

【仪器设备：一台600MHz液体核磁共振波谱仪（配备QCI-F四通道超低温探头等）、两台500MHz液体核磁共振波谱仪（分别配备BBO超低温探头与BBFO宽带变温探头等）、一台500MHz固体核磁共振波谱仪（配备了1.3mm H/X/Y三共振固体探头、3.2mm H/F/X三共振探头与7mm H/X宽变温宽带探头等）】

【地点：4号楼102室 磁共振实验室】

探头是核磁共振波谱仪最重要的部件，探头的性能是影响核磁共振检测的最关键因素。当前市场上常见的探头类型有双共振探头、三共振探头、四共振探头、宽带探头、超低温探头、微量探头、固体探头、成像探头等。如此多的探头，该如何选择呢？

首先我们要做的就是了解清楚形形色色的各类探头的特色，下面就让我们进入各类探头的内心世界吧：我们虽然形状各异、功能不同，但是我们基本的工作原理可都是一样的，我们都是由一个或几个线圈与电容器组成的谐振电路（图1）。

图1.探头的基本电路图

有了电容器，我们就可以进行调谐与匹配；有了线圈就可以发射和接收信号。对于液体探头而言，我们通常包含两个马鞍形线圈：内线圈具有核检测的最高灵敏度, 常用于直接检测观测核，外线圈的核检测灵敏度比内线圈低，常用于异核去耦。如果杂核线圈在内，氢核线圈在外，我们就被称之为正相探头。正相探头可增加杂核如碳核检测的灵敏度，常用于检测碳核为主的碳谱、DEPT谱、或正相实验的HETCOR等二维谱。如果氢核线圈在内，杂核线圈在外，我们就被称之为反相探头。反相探头氢核检测灵敏度高，适用于HSQC、HMBC等反相实验。为了得到最佳的检测效果，有时一台核磁共振波谱仪可同时配备正相与反相探头，按照不同的测试目的，随时进行探头更换。

从刚才的介绍，我们可以看出来灵敏度是评判探头性能优劣的重要指标。那么探头检测的灵敏度又与哪些因素相关呢？

一般而言，核磁的检测灵敏度(或说信噪比，S/N)可由以下的公式来表征：

其中，n为测试样品单位体积中所观测原子核的数目，B₀为外加静磁场的场强，γ为观测核的旋磁比，I为自旋量子数，phi为填充因子Vs/Vc（Vs为样品体积，Vc为线圈体积），Q值为谐振回路品质因子，T为检测线圈的绝对温度，f为接收机噪声因子，b为接收机带宽。从上述公式可以看出，降低检测单元的温度可以显著增加仪器的S/N。我们超低温探头就是利用超低温的氦气来冷却探头检测线圈到20K左右，前放电子线圈到77K左右。通过最大程度降低电子噪声，从而使探头检测灵敏度提高4-5倍左右。但是目前这种超低温探头的维护费用昂贵，一个超低温探头一年的运行维护费大约为14万元人民币。因此后来又出现了以液氮作为冷却源的超低温探头，液氮超低温探头检测灵敏度可提高2-3倍左右。

了解了这些知识之后，下面就让我们的成员各自做自我介绍吧：

BBFO SMART探头（图2）：我属于正相探头，外线圈可对¹H进行去耦或观测，内线圈可调谐以观测¹⁹F或任何范围从³¹P到¹⁰⁹Ag的原子核，这也是我被称为宽带探头的原因。由于¹H与¹⁹F各自使用一个线圈，因此能够观测¹⁹F对¹H去耦的实验或反之，并能高质量完成二维¹H/¹⁹F图谱。由于我的适用范围较广，一般是购买400MHz与500MHz核磁共振波谱仪时的标配。西湖大学目前在500MHz核磁共振波谱仪上配备了一款BBFO SMART探头。

图2. BBFO SMART探头

BBO超低温探头（图3）：我属于正相探头，外线圈可对¹H或¹⁹F进行去耦或观测，内线圈可以调谐以观测所有在³¹P和¹⁵N（¹⁹⁹Hg和¹⁵³Eu之间的频率范围除外）的原子核。在我的内部拥有适用于所有核冷却的前置放大器（BB范围、¹H、¹⁹F及²H），在最广泛的核范围内提供了最高的灵敏度。与常温探头相比，³¹P到¹⁵N范围内的核灵敏度提高了4倍左右，对¹H的灵敏度提高了3倍左右，对¹⁹F的灵敏度提高了6倍左右。我非常适用于不常用核和低丰度/低灵敏度核的核磁检测。除了能表征观测BB对¹H去耦的实验外，我还能观测BB对¹⁹F去耦的实验。但需要注意的是，我不能做观测¹H对¹⁹F去耦的实验（反之亦然）。与老一代超低温探头相比，我能做更低温度的核磁实验。我们样品检测的温度范围为-40℃到80℃。但是要做低温核磁实验，还要记得配一个BCUⅡ单元。西湖大学目前在500MHz核磁共振波谱仪上配备了一款BBO超低温探头。

图3. BBO超低温探头

TXI探头（图4）：我属于反相三共振探头，我的内线圈针对¹H的观测进行了优化，而外线圈针对两个特定核（¹³C与¹⁵N）的去耦进行了优化，我们还配置了氘锁转换开关，可以对²H去耦，也就是说在一个脉冲序列中最多可对三个核进行去耦。我广泛被用于三共振类实验，而这些实验主要用于进行生物大分子NMR结构测定。我们样品检测的温度范围为-150℃到150℃。由于核磁共振波谱仪在安装时一般需要通过常温探头进行低温匀场，因此在购买600MHz以上的核磁共振波谱仪时，我也是标配。西湖大学目前在600MHz核磁共振波谱仪上配备了一款TXI探头。

图4. TXI探头

QCI-F超低温探头（图5）：我属于反相四共振超低温探头，我的内线圈针对¹H的观测进行了优化，而外线圈针对三个特定核（¹³C、¹⁵N与¹⁹F）的去耦进行了优化，可在观察¹H的同时对¹⁵N、¹³C与¹⁹F进行去耦。在我的内部还包含了¹H、¹³C、¹⁹F与²H四个低温前放以提高¹H、¹³C、¹⁹F与²H检测的灵敏度。我的变温范围是-40℃到80℃。如果您想采集与¹⁹F相关的核磁实验以及其他三共振的核磁实验，那么选我就对啦。西湖大学目前在600MHz核磁共振波谱仪上配备了一款QCI-F超低温探头。

图5. QCI-F超低温探头

固体探头：我们是各种无机材料以及生物固态样品的理想选择，适用于CP、双CP、MQMAS、REDOR、质子异核去耦及重耦等实验。不同于液体探头，我们的样品与主磁场存在一个54.7356度的夹角，即所谓的魔角。为了提高图谱的分辨率，我们会让样品沿该角度高速旋转。比如我们的1.3mm H/X/Y三共振固体探头，其X通道的调谐范围从³¹P到²H，Y通道的调谐范围从¹¹B到¹⁵N。变温范围-30℃到70℃，最大的转速高达67kHz，可采集到高分辨的核磁图谱，因此很适合用于新方法的开发。除了1.3mm H/X/Y三共振固体探头，西湖大学还配备了3.2mm H/C/N三共振探头、3.2mm H/F/X三共振探头与7mm宽变温范围双共振宽带探头。

HR-MAS探头（高分辨魔角旋转探头）：跟固体探头相似，我也是在沿魔角方向进行旋转的，用的转子一般是4mm的二氧化锆转子。我的转速可以达到4KHz，工作原理是通过魔角旋转，消除偶极相互作用引起的谱线增宽效应、以及样品内的易感性差异，从而得到高分辨质量的谱图。我们的装样有一套特殊的工具。但是请记住，装样的时候要尽量减少气泡、以及不要把转子摔在地上，否则将采集不到高质量的核磁图谱。我擅长的是分析生物组织样品或高分子凝胶状的样品。如果您想采集生物组织（如肝脏、肾脏）、凝胶状物质（如高分子材料、多糖等）的核磁图谱，找我就对了。

总之，探头是核磁共振波谱仪不可或缺的一个部件，具体选择哪种探头还需根据不同的用户需求来确定。

参考文献：

1、Rajendrani Mukhopadhyay, Liquid NMR probes: Oh so many choices[J]. Analytical Chemistry, 2007, 11(1)7959-7963.

2、向俊锋，NMR探头技术的进展[EB/OL]http://cpam.iccas.ac.cn/document_old.action?docid=45197。