核磁共振谱仪探头的调谐与匹配（原创）

探头是核磁共振谱仪的重要组成单元，负责放置样品管，将射频脉冲发送到样品以激励核自旋并接收核磁信号。探头的最主要组成部件是一个或几个由线圈和电容器组成的谐振器，因此，探头又经常被称为谐振器或线圈。

实验过程中，线圈在插入样品后影响了线圈的谐振状态包括品质因子Q等，因此，在核磁实验采样前需要调节探头的状态，这个调节的过程我们称之为调谐，实际上包括调谐（tuning）和匹配（matching），调谐（tuning）是微调探头的共振频率，使线圈的共振频率与观测核的进动频率一致，以获得最大灵敏度；匹配（matching）是微调探头的谐振电阻，使得线圈的阻抗与传输线的阻抗（连接射频功放和线圈的线）相匹配，以达到所有高频微波信号都能传至负载点而没有信号反射回来源点。

这样解释调谐与匹配对一般的没有电子学背景的核磁操作者来说，真是晦涩难懂，下面我以核磁的角度来简化并理解它。当核磁管的下部进入探头后，磁化效应会导致磁场发生改变，这些变化导致样品中原子核的进动频率发生变化，为了获得最佳性能，即最佳灵敏度，线圈的共振频率应该调整到原子核的进动频率，即为调谐。因为样品溶液性质不同（如不同溶剂、不同盐浓度等），线圈和样品之间能量传递效益不同，为了线圈与样品之间（双向）能量传递达到最佳效益，也就是线圈发射的能量完全被样品吸收而没有反射回线圈，以及样品产生的NMR信号完全被线圈接收，需要对线圈进行阻抗匹配调整。理想情况下，发射/接收线圈中的激发射频功率全部来自发射机而没有任何反射；接收信号也是达到最佳信噪比。

长期糟糕的阻抗匹配，即我们常说的匹配不好，反射回功放的功率可能会导致功放性能下降，过大的反射功率还有可能直接烧坏功放。功放性能下降的其中一个表现就是90°脉宽变长。因此，调谐与匹配（下面开始按照习俗简称为调谐）是实验前必须进行的操作。

关于调谐，需要注意以下事项：

1，           每一个样品都需要调谐，如果前后样品高度一致，如均为氯仿溶剂，可以不调谐，但好的习惯是用wobb查看一下；

2，           同一个样品，观察不同的核，需要对不同的核分别进行调谐；

3，           使用同一探头通道做不同的核，如BBO探头做碳谱和磷谱，需要在采集碳谱和磷谱前分别调谐；

4，           没有配备自动调谐马达的探头必须到探头上手动调节探头上的调谐旋钮或拉杆；

5，           不管何种方式，操作一点要慢、轻，不要过度，特别是手动旋钮或拉杆，超过极限的旋转或拉动都可能导致探头需要返厂维修。

调谐需要在数据集里进行，利用edasp选择正确的核及其通道，可以用atma 或者atma exact命令进行自动调谐，其中atma exact调整得更精细；也可半自动调谐，利用atmm 或者 atmm manwbsw在软件上点击鼠标调整，atma和atmm命令需要探头配有自动调谐马达。atmm manwbsw是读取参数wbsw参数进行调谐，wbsw参数在参数集菜单AcquPars/Wobble下，wbsw值决定调谐的频率范围，而调谐的步数（wbst）一般固定为1024，我们可以理解为多宽的频率范围（wbsw）用多少个点（wbst）来描述，类似于分辨率，为了清晰的查看调谐情况，可以修改wbsw参数并用atmm manwbsw调看并调整。在没有配备自动调谐马达的探头上，调谐需要用wobb命令，然后操作者在探头上微调旋钮或拉杆。同时，wobb命令也可用于查看调谐状态。

下图中是bruker核磁共振液体谱仪调谐的各种状态，图中“V”字母型的线是探头反射线，与匹配（matching）相关，因此谷底越低越好；图中竖线为中心频率（sfo1），当反射线的谷底与其相交是调谐（tuning）最佳。简单说，调谐（tuning）负责反射线左右移动，匹配（matching）负责反射线上下移动，调谐与匹配就是使得反射线的谷底最低且与中心频率线重合。