2020, Vol. 37 
核磁共振（NMR）作为一种强有力的分析测试手段，在化学、生物、材料、电子、医学、食品、药学和病理学等方面发挥不可替代的作用.近二十年来，国内各高校、科研院所、医药企业和检验检疫相关企事业单位持有的液体高分辨NMR谱仪的数量快速增长，使用的仪器除Bruker等进口仪器外，还包括拥有多种自主知识产权的中科牛津仪器有限公司生产的国产谱仪.除NMR谱仪相关硬件的研制外，我国在软件的开发和实现上也取得了较大进步.比如磁共振图像处理流水线的设计[1]，这得益于我国近年来对大型科研仪器装备研发的大力支持和投入.
液体NMR实验中需要使用大量的NMR样品管，由于NMR样品管成本较高，而且直接舍弃会污染环境，因此需经清洗后回收利用.常用的NMR样品管材质为玻璃，其内径小、长度长，清洗过程有一定的难度、且耗费时间.对已经报道[2]的，以及一些未见报道但已经实际应用的清洗装置进行综合归类发现，它们主要分为以下两类：一种是手动清洗，比如利用棉花或者卫生纸包裹的铜丝或者铝丝进行手动清洗[3-5]，它的优点是对顽渍清洗彻底、有机溶剂使用少，缺点是清洗过程耗费大量时间，效率很低；第二种是半自动清洗，例如溶剂浸泡后超声清洗，另外还可利用水泵抽真空产生的负压，抽取溶剂清洗[6, 7]，它清洗速度快，但对顽渍清洗的不彻底、溶剂使用量非常大，造成很大浪费.NMR样品管的清洗效率及清洗后的洁净程度直接影响到NMR实验的进程，清洗过程中产生的废液也将对环境产生或多或少的影响.因此发展一种清洁高效的NMR样品管清洗装置非常有必要.
为了降低NMR样品管清洗的时间、精力和经济消耗，并且最大限度的减少有毒有机溶剂的使用量，本文设计了一种手持便携式NMR样品管高压清洗器.对于没有样品严重附着管壁的NMR样品管，可实现环保、高效、便捷的清洗.
1 手持便携式NMR样品管高压清洗器的设计 1.1 手持便携式NMR样品管高压清洗器的外观结构设计本文设计的手持便携式NMR样品管高压清洗器（图 1）外观主要由不锈钢材质的冲洗喷头（1）、不锈钢材质的防溅罩（2）和塑料材质的L型手柄机身（7）组成.其中，冲洗喷头1的尾部插入转换接头（3）的快插接口中；3的另一端外螺纹扣和变径螺纹扣（4，一端为内螺纹扣，另一端为内外螺纹扣）内螺纹扣的一端相接；4的内外螺纹扣一端的外螺纹扣和连接螺纹扣（5，两端为不同内径的内外螺纹扣）小内径的内螺纹扣一端相连；5的大内径一端的的外螺纹扣与7的内螺纹扣相连；横截面为梯形、中空、小口端为内螺纹扣的2通过内螺纹扣和5的小内径一端的的外螺纹扣相连.
|
图 1 本文设计的手持便携式高压NMR样品管清洗器结构图.1-冲洗喷头；2-防溅罩；3-转换接头；4-变径螺纹扣；5-连接螺纹扣；6-连接接头；7-机身；8-内连接管；9-压力泵；10-塑料管；11-1#电源线；12-锂电池；13-充电口；14-2#电源线；15-开关 Fig. 1 The structure diagram of a portable high-pressure cleaner for NMR sample tube designed in this work. 1-flush nozzle; 2-splash shield; 3-transfer connector; 4-variable diameter thread; 5-connection thread; 6-connection connector; 7-body; 8-inner connecting pipe; 9-pressure pump; 10-plastic pipe; 11-1 # power cord; 12-lithium battery; 13-charging port; 14-2 # power cord; 15-switch |
L型机身的设计主要是为了方便手持冲洗；在清洗过程中，防溅罩的使用不但可以防止液体迸溅，也可以作为冲洗液体的导流槽，使清洗的液体沿着防溅罩内壁流向回收装置；由于常用的NMR样品管的外径为5 mm，所以我们设计的冲洗喷头外径为3 mm、内径为2 mm、长度为21 cm.
1.2 手持便携式NMR样品管高压清洗器的机身内部的结构设计L型机身7中包括微型压力泵（9，12V柱塞式水泵）、电源（12）、内连接管（8，PVC材质）、连接接头（6）、开关（15）以及1#电源线（11）、2#电源线（14）.6（一端为外螺纹扣，一端为快插接口）外螺纹扣一端与5的大内径内外螺纹扣一端的内螺纹扣相连，另一端的快插接口与8相连；8的另一端与9的快插接口连接；9的另一端通过快插接口与外连接塑料管（10）相连；10的另一端置于装有去离子水的容器中.
去离子水通过10进入到微型压力水泵9，通过9的加压，进入内连接管8，经过连接接头6后，进入冲洗喷头1，即可对NMR样品管进行冲洗.
在7的手柄中部安装有电源（12）.12为可充电式锂电池，电压为5~15V，其下方为充电接口（13）.1#电源线11的一端连接12，另一端和微型压力水泵9的电源接口相连，控制供电，使其为接进的水或气加压；2#电源线14的一端和电源12连接，另一端和开关15相连.
1.3 手持便携式NMR样品管高压清洗器的工作原理如图 1所示，将冲洗喷头1插入NMR样品管中，开启开关15，由12电源提供动力，使得柱塞式水泵9开始工作，塑料管10产生负压，形成自吸效果，去离子水通过10进入机体内部，并且在通过9柱塞泵时得到加压，依次通过8内连接管、6连接接头、5连接螺纹扣、4变径螺纹扣、3转换接头和1冲洗喷头，冲洗NMR样品管的底部和侧壁；废液由样品管口流出，经过2防溅罩引流至废液回收装置.
这种高压清洗器清洗NMR样品管主要是利用高速高压的水流清理和冲洗光滑玻璃表面的溶质和溶剂，并非利用溶剂对溶质的溶解作用.
2 结果与讨论 2.1 对仅装存过溶剂的NMR样品管的清洗效果将仅装存过氯仿溶剂的54根NMR样品管（加入溶剂氯仿，然后将其倾倒至废液瓶）分为18组，每3根为1组.前9组用商用Synthware单只NMR样品管清洗装置进行清洗，所连接的水泵为SHB-Ⅲ型，流量为10 L/min，清洗时管口朝下，清洗后无烘干操作；另外9组用本文设计的配有12 V压力柱塞泵加压的便携式高压清洗器进行清洗，流量为5 L/min.为尽可能降低有机溶剂对环境的污染，我们选择的冲洗液体仅为去离子水.由于Synthware装置容纳清洗溶剂的体积有限，我们把前9组样品管的清洗分别设定为：每次冲洗1 s，分别冲洗1次、2次和3次；每次冲洗3 s，分别冲洗1次、2次和3次；每次冲洗5 s，分别冲洗1次、2次和3次.另外9组样品管依照对应的清洗时长和次数使用本文设计的高压清洗器进行清洗实验.然后加入450 μL去离子水和50 μL重水在配备TXI600S3H-C/N-D探头的Bruker Avance Ⅲ 600型NMR谱仪上进行1H NMR测试，质子共振频率为600.13 MHz.使用脉冲序列为noesygppr1d，中心频率为2 821.55 Hz，谱宽为6 602.11 Hz，D1=3 s，采样时间=2 s，混合时间=0.8 s，空扫4次，扫描64次.观察1H NMR谱图中否有氯仿的残留信号.结果如表 1所示，使用本文设计的便携式高压清洗器冲洗2次、每次3 s，在1H NMR谱图就无法检测到氯仿的残留信号，达到清洗要求.而使用Synthware清洗装置，即使冲洗3次、每次5 s，3个平行测试的NMR样品管中仍有2个可见残余的氯仿信号（图 2）.虽然Synthware真空水泵的流速高于加压泵的流速，但是在实际使用过程中，Synthware装置需要用NMR样品管帽进行真空封闭，而其封闭效果不是很好，所以实际真空泵的出水压力没有加压泵的高，清洗效果没有后者好.
|
表 1 利用商用Synthware和本文设计的高压清洗器清洗装存过氯仿溶剂的NMR样品管的效果对比 Table 1 Cleaning performance comparison for NMR tubes having reserved chloroform between using commercial Synthware cleaner and the high-pressure cleaner proposed in this research |
|
图 2 利用商用Synthware和本文设计的高压清洗器清洗装存过氯仿溶剂的NMR样品管的效果对比 Fig. 2 Cleaning performance comparison for NMR tubes having reserved chloroform between using commercial Synthware cleaner and the high-pressure cleaner proposed in this research |
除氯仿溶剂外，我们还选择了仅装存过吡啶（27根）、DMSO（27根）或甲醇（27根）溶剂的NMR样品管（加入溶剂，然后将其倾倒至废液瓶）各分为9组，利用本文设计的便携式高压清洗器清洗：每次冲洗1 s，分别冲洗1次、2次和3次；每次冲洗3 s，分别冲洗1次、2次和3次；每次冲洗5 s，分别冲洗1次、2次和3次.然后在与上述相同的实验条件下进行1H NMR测试，观察1H NMR谱中是否有溶剂残留信号.结果（表 2和图 3）显示，利用本文设计的便携式高压清洗器清洗的NMR样品管，每次冲洗3 s、清洗2次后，无论使用上述那种溶剂，均无法检测到溶剂的残留信号.
|
|
表 2 利用本文设计的高压清洗器清洗装存过吡啶、DMSO或甲醇溶剂的NMR样品管的效果 Table 2 Cleaning performance for NMR tubes having reserved pyridine, DMSO and methanol using the high-pressure cleaner proposed in this research |
|
图 3 利用本文设计的高压清洗器清洗装存过吡啶、DMSO或甲醇溶剂的NMR样品管的效果 Fig. 3 Cleaning performance for NMR tubes having reserved pyridine, DMSO or methanol using the high-pressure cleaner proposed in this research |
本文另外选择了36根曾经装存过不同溶液的、已放置2个月的NMR样品管：12根曾经装存过的溶液中溶质为高分子、溶剂为氘代氯仿，至清洗时，氘代氯仿已经挥发，部分样品管中有析出样品附着在管底或管壁，但均没有严重附着；12根曾经装存过的溶液的溶质为天然产物、溶剂为氘代吡啶；12根曾经装存过的溶液的溶质为杂多酸、溶剂为重水.先把样品管内能直接倒出的固体和液体都转移进回收瓶后，然后各分为4组，使用本文设计的高压清洗器进行清洗：每次冲洗1 s，分别冲洗2次和3次；每次冲洗3 s，分别冲洗2次和3次.
然后在上述相同的实验条件下进行NMR测试，观察1H NMR谱中是否有溶液残留信号.结果如表 3显示，利用本文设计的便携式高压清洗器清洗的NMR样品管，每次冲洗3 s、清洗3次后，对于样品没有严重附着管壁的NMR样品管，无论使用上述哪种溶液，均无法检测到溶液的残留信号.根据优选原则我们在每组中选择一个具有代表性的样品谱图进行更直观的对比，如图 4所示.
|
|
表 3 利用本文设计的高压清洗器清洗装存过不同溶液的NMR样品管的效果 Table 3 Cleaning performance for NMR tubes having reserved different solutions using the high-pressurecleaner proposed in this research |
●表示有溶剂峰和溶质峰残留；○表示没有溶剂峰和溶质峰残留
|
图 4 利用本文设计的高压清洗器清洗装存过不同溶液的NMR样品管的效果 Fig. 4 Cleaning performance for NMR tubes having reserved different solutions using the high-pressure cleaner proposed in this research |
首先，选取3只直径5 mm的NMR样品管，使用本文设计的高压清洗器以1 s/次的频率手持人工清洗1 000次后，放入KQ2200DE型数控超声波清洗器（超声输入功率为100 W）中超声清洗10 min后，3只NMR样品管外观均没有碎裂.为了更准确直观的观察使用本文设计的高压清洗器进行高压清洗对NMR样品管的损伤状况，我们选取了1只全新的NMR样品管作为观察对象，使用本文设计的高压清洗器冲洗3次，每次3 s后，在NIKON C-PSN光学显微镜下观察1次，总共观察了5次，结果如图 5所示.观察结果显示，冲洗15次的过程中，NMR样品管均保持完好，没有裂痕及损坏.
|
图 5 在光学显微镜下观察使用本文设计的高压清洗器清洗多次的NMR样品管的损坏程度
Fig. 5 The microscope images of the NMR tube after cleaning with the high-pressure cleaner proposed in this research
|
为达到高效、快捷、环保清洗NMR样品管的目的，本文设计了一种手持便携式NMR样品管高压清洗器，它具有如下优势：（1）使用水作为清洗介质，绿色环保；（2）体积小，便于携带和使用；（3）操作简单方便、效率高，带有压力的水流能够快速的将样品未严重附着的NMR样品管清洗干净；（4）不易对NMR样品管造成物理伤害.但是对于有样品严重附着的NMR样品管的清洗效果，还需要进行实验验证.另外，本清洗器还有很多不完善的地方，比如只能清洗单根、清洗后干燥和水流控制问题等，后期我们将逐步改进.
| [1] |
LUO Q, ZHANG C X, LI W J, et al. Design and implementation of a novel processing pipeline for magnetic resonance images[J].
Chinese J Magn Reson, 2018, 35(1): 40-51.
罗庆, 张成秀, 李文静, 等. 一种新的磁共振图像处理流水线的设计与实现[J]. 波谱学杂志, 2018, 35(1): 40-51. |
| [2] | DENTON T T, EISENBRAUN E. NMR tube cleaner[J]. J Chem Educ, 1992, 69(12): 1036. DOI: 10.1021/ed069p1036. |
| [3] |
HU X M, HU Y W. NMR tube quick dry method[J].
Laboratory Science, 2012, 15(3): 187-188.
胡小铭, 胡艺文. 核磁管的快速干洗法[J]. 实验室科学, 2012, 15(3): 187-188. DOI: 10.3969/j.issn.1672-4305.2012.03.061. |
| [4] |
HU X M. The use and maintenance of nuclear magnetic tubes[J].
Experimental Teaching and Instruments, 1995, 2: 31.
胡小铭. 核磁管的使用与保养[J]. 实验教学与仪器, 1995, 2: 31. |
| [5] |
WANG C R, HUANG T K. Techniques of cleaning, drying, degassing and sealing of NMR tubes[J].
Chemical Bulletin, 1985(6): 29-30.
王成瑞, 黄铁康. 核磁共振管的清洗、干燥、去气和封结技术[J]. 化学通报, 1985(6): 29-30. |
| [6] | LANDRIE C L, MARSZALEK R. A durable and economical nmr tube cleaner[J]. J Chem Educ, 2011, 88(12): 1734-1735. DOI: 10.1021/ed200104v. |
| [7] | NGUYEN T B. Vacuum desiccator as a simple, robust, and inexpensive NMR tube cleaner[J]. Org Process Res Dev, 2016, 20(2): 319. DOI: 10.1021/acs.oprd.6b00001. |