核磁共振探头二（原创）

前面文章《探头》写了一些探头具备的共性特征，今天，我们再说一说一类"高大上"的探头——超低温探头。说超低温探头高大上，是因为超低温探头较常温探头在灵敏度上有显著地提高，与此同时，超低温探头的价格与常温探头相比，价格也是高大上的。超低温探头灵敏度显著性的提高得益于低温冷却探头线圈和前置放大器，在低温环境下，探头线圈和前置放大器的温度噪声大大降低，因此提高了灵敏度。¹H-¹³C-¹⁵N三共振的反向超低温探头较普通探头，信噪比提高约4倍，相应的，实验时间可以减少16倍或样品浓度可以减少4倍，对固有低灵敏度的核磁共振谱仪来说，这样的提高确实是非常可观的。

目前来说，不管是正向还是反向超低温探头，一般均具有低温冷却视频线圈和前置放大器（俗称前放）、氘锁通道、Z梯度线圈和变温单元。这里需要说明的是，低温冷却的前放并不是针对每一种核，如一般反向探头如TXI、TCI、QCI等等，前放被低温冷却的仅仅有¹H、¹³C、²H（氘锁的前放一般都被低温冷却），而其他核如¹⁵N、³¹P等核的前放是没有被低温冷却的，因此，灵敏度显著性提高的仅仅是哪些前放被冷却的核。对于一般用户来说，查看那些核的前放是低温冷却的方法很简单，看看探头上的BNC接头（电缆通过BNC接头连接探头和前放），如果某个核既有标注“in”又有标注“out”的BNC接头，那么这个核的前放就是低温冷却的，否则，该核就是常温前放。

超低温探头系统一般由超低温探头、超低温平台、氦压缩机、氦气瓶及其传输管线等附件组成。超低温探头系统对氦气的纯度要求很高，纯度要求达到99.9999%，就是我们常说的6个9的纯度。为什么要这么高纯度，需要解释一下超低温系统是如何实现低温的。超低温平台的关键部件冷头与氦压缩机组成一个闭路氦气循环系统，氦压缩机将高温氦气转换为低温氦气，冷头控制活塞压缩和膨胀气体，完成吸入低温氦气及排出高温氦气，同时将冷头中的热量带到氦压缩机中。冷头和氦压缩机不间断的工作，以保障超低温平台中探头等部件一直处于低温状态（20K左右）。

冷头的活塞是冷头制冷的关键部件，活塞不间断的在缸筒内往复运动，高纯氦气减少了杂质在冷头中冻结的可能，从而减少了活塞的磨损。事实上，随时间推进，活塞往复运动不可避免的不断磨损，氦气中残余油雾(压缩需油润滑，虽有过滤及吸附处理，仍有残余)在冷头中冻结，亦可加剧活塞磨损，造成气密不严、制冷效率下降，严重的导致冷头停止工作。因此，定期对冷头进行维护保养是保证超低温平台正常工作的必要手段。

说完这些，我们说说超低温探头与常温探头在操作上有哪些差别：

（1），超低温探头包含有易碎部件，且含有多个冷却元件，一般重约12千克，因此，需要更加仔细谨慎的进行安装拆卸操作，且安装拆卸时需要2人协作完成。

（2），超低温探头不能在“warm”状态下进行调谐和匹配。

（3），变温气体VT-gas需要一直稳定持续的供应，这是因为一旦VT-gas供气中断，超低温探头传递过来的冷气有可能导致样品冻结，为了保护探头，超低温探头系统会自动回暖（warm up）。

（4）超低温探头的射频脉冲功率（包括硬脉冲、软脉冲、组合脉冲、自旋锁定）一般都小于普通探头，特别是组合脉冲去耦或者自旋锁定脉冲，其功率和作用时间均有具体要求。每一个探头均有一本随机来的探头说明书，标注了脉冲和功率的建议值。下图是600MHz谱仪超导体探头脉冲和功率说明书的部分截图。某些组合脉冲如自旋锁定或者去耦序列，其所允许的最大功率是通过相应的脉冲长度来描述的，如：在¹H栏目下，TOCSY spin lock标注了200ms@25us，就是说这个自旋锁定序列的最长作用是200msec，所允许的最大¹H功率（对应的90°脉冲宽度）为25usec脉宽对应的功率，同时，在表格后又标注了如下信息：一个实验可能包含一个自选锁定和trim脉冲。注意自旋锁定与trim脉冲长度之和务必不能超出自旋锁定单独被允许的值。同样，在¹³C栏目下，Garp4 decoupling标注了140ms@55us，其意思就是去耦总时间不能超过140ms，且去耦功率不能超过55us的90°脉冲所对应的功率，同样的，表格后标注如下信息：对于13C与15N通道同时进行去偶需要分别减少各自通道的功率，应该分别减少3dB。对于同时去偶，建议使用13C通道绝热去偶优化后的条件。

     特别说明一下：

认真细致阅读这份说明书是必须的。

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