自核磁共振现象发现以来，经过六十多年的发展历程，核磁共振技术已经成为用于鉴定化合物结构以及研究化学动力学的重要手段。如今随着核磁共振应用领域的拓展和深入,核磁共振谱仪技术也不断地发展和完善。

图1.  1－氯乙烯的核磁共振氢谱，核磁参数和偶合常数

核磁共振谱仪的硬件主要构成可以分为四个部分，磁体、探头、数据采集和接收系统、操作系统。简单来讲，磁体的功能是产生一个恒定的磁场；探头则置于静磁场之中，用于激发检测核并探测核磁共振信号；数据采集和接受系统是将共振信号放大处理并显示和记录下来；操作系统是整个核磁共振谱仪的控制平台。核磁共振技术的一个弱点就是其灵敏度最少比光谱低4个数量级，这主要是核磁共振的能量低，导致核磁场下上下两个能级的布局数差异过小所致（400兆核磁强度下上下两个能级之间布局数差为10万分之3）。提高检测灵敏度一直是NMR所追求的目标，磁场强度的增强是一个最有效的方法，但是磁场强度增强的成本太高，场强每增加100M价格要高出大约10万美元，因此相比之下，对探头功能的开发改造成为一个更加可行的方法。本文主要介绍NMR探头的相关进展。

当前市场上常见的探头类型有双核探头, 四核探头, 宽带探头, 低频探头, 低温探头, 微量探头, 固体探头, 成像探头等。通常一台核磁共振波谱仪可以配备多个探头，按照不同的测试目的, 随时进行探头更换。此外，根据杂核线圈和氢核线圈在探头内的位置不同，探头还可以分为正向探头（杂核在内，碳谱灵敏度高）和反向探头（氢核在内，氢谱灵敏度高）（图2）。理论上, 一台核磁谱仪应该同时配备正向与反向探头, 遇到进行正向或反向实验时可以分别更换使用, 从而得到最佳的检测效果。现在多家公司已经推出同时具备正向和反向功能的探头，避免了更换探头的繁琐以及可能带来的故障。

图2. 反向探头（左）与正向探头（右）示意图

一般而言，核磁的检测灵敏度(S/N)可由下式来表征：

其中，n为测试样品单位体积中核的数目，B₀为外加静磁场的强度，g为检测核的旋磁比，I为自旋量子数，为填充因子V_s/V_c（V_s为样品的体积，V_c为线圈的体积），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。从上式看出，降低检测单元的温度可以显著增加仪器的信噪比。

    近年出现的超低温探头把低温技术与先进的射频硬件设计结合起来，用低温的氦气来冷却探头检测线圈到25K，前放电子线圈到70K附近，最大程度降低了检测到的电子噪声，探头检测灵敏度提高4倍以上。但是目前这种探头的附加设备以及运行时的花费非常昂贵，一个探头的价格可以购买一台普通的400兆液体核磁，同时一年的运行维护费不小于10万元人民币。目前瑞士布鲁克公司提出了一个新的折中方案，把低温氦气冷却换为液氮，这样也可以提高探头氢的灵敏度2倍左右，杂核灵敏度2－3倍，同时购买费用和维护费用也大为降低。目前这套低温系统的报价在15万美元左右，一年的维护费在6万人民币左右。

图3. 核磁共振检测灵敏度的进展

微量探头是超小型探头, 通过减少溶剂的体积而相应增加样品浓度，适用于样品量小的情况，特别是适用于天然产物研究领域，本身的线圈设计使得其能达到与低温探头相当的高灵敏，并且微量探头安装与维护简便。1991年有多位研究者提出了微量探头的设想，从最初广泛应用的2.5mm和3.0mm的微量探头，发展至今，1.7mm甚至1.0mm的超微量探头技术也已经渐渐成熟。

图4. 120ug Androstan的¹³C-NMR

（1.7mm微量探头，溶剂为DMSO，扫描次数8000次）

图5.  50ug糖的D₂O溶液中的¹H-NMR 图

(a)500ul 5mm探头    (b) 5ul 1mm探头

结合微量探头和超低温探头各自的优点，出现了微量超低温探头（见表1）。这类探头灵敏度达到了更高的水平，在样品量极少的情况下，也可以在很短的时间内检测得到理想的谱图结果，使得之前不可能实现的事情成为现实。图6为其中的一个例子。

表 1. 各种探头的相对灵敏度 (数据来自布鲁克公司)

图6.  30ulDMSO溶液中120ugAndrostan的HMBC图谱

（左图：微量探头扫描2.5h  右图：微量超低温探头扫描11min）

除此之外，还有一类特殊的流动探头值得关注，这种探头能够在样品流动的情况下检测溶液中的结构信息。这种探头能够与HPLC和质谱联合在一起，组成了LC－NMR－MS的强大分析工具。另外，这种探头稍加改装，就能够完成有机反应过程的实时检测：样品能够在探头样品腔处实时反应，核磁提供反应的结构信息。目前最好的时间分辨率在20毫秒，商品化的探头在秒数量级。图7为流动探头进行检测的例子，流动探头的检测结果提供了详细的反应动力学信息。

                      图7.  NMR流动探头监测反应的实例

总之，几年来核磁共振谱仪相关新技术发展很快，其仪器的检测范围、检测灵敏度不断提高，核磁仪器的应用领域范围不断增加。除了传统的化学、生物学、药学之外，医学、食品、化工等领域也在广泛使用核磁共振谱仪。同时在化学领域，除了传统的有机结构分析外，核磁共振技术还应用于超分子体系中的结构－性能关系研究，分子间或分子内的相互作用研究等。相信随着核磁共振技术的不断普及、以及大家对核磁共振仪器的认识不断提高，核磁共振谱仪会越来越多参与到化学所的相关科研工作并提供重要的结构数据支持，并促进提高科研水平。

主要参考文献：

 1、Timothy D.W.,Claridge, High-Resolution NMR Techniques in Organic Chemistry ,Second edition ,2009

 2、Matthew D. Christianson, Emily H. P. Tan, and Clark R. Landis, J. AM. CHEM. SOC. 2010, 132, 11461–11463

 3、Gerd F. Nowack, Proceedings of the International Conference on Modeling and Simulation,July 2 - 4, 2007, Algiers, Algeria

 4、P Styles, N.F Soffe,C.A Scott, D.A Crag, F Row, D.J White, P.C.J White, J Mag Res 1984,60(3), 397

 5、M. Spraul ,A. S. Freund ,R. E. Nast ,R. S. Withers ,W. E. Maas ，and O. Corcoran ，Anal. Chem., 2003, 75 (6), 1536