大学化学, 2021, 36(2): 2003034-0 doi: 10.3866/PKU.DXHX202003034

化学实验

液体核磁管清洗方法进展

唐安娜1, 任彦丛1, 邓小娟2, 丁国生,2

The Development of Cleaning Methods for Liquid Nuclear Magnetic Resonance Tubes

Tang Anna1, Ren Yancong1, Deng Xiaojuan2, Ding Guosheng,2

通讯作者: 丁国生, Email: dgs@tju.edu.cn

收稿日期: 2020-03-10   接受日期: 2020-03-24  

基金资助: 天津大学研究生创新人才培养项目.  YCX16024
天津大学实验室建设与管理改革项目.  LAB2018-07

Received: 2020-03-10   Accepted: 2020-03-24  

Abstract

Nuclear magnetic resonance (NMR) spectroscopy plays an important role in chemistry, pharmacy, biology, environment, medicine and material sciences, etc. With the popularization of NMR spectroscopy, the cleaning of NMR tubes has been paid more and more attention. From the traditional brush cleaning to ultrasonic cleaning, and then to the specific NMR tube cleaner, the cleaning methods of NMR tubes are developing towards the direction of low cost, high efficiency, non-destructive and green. With the advantages of saving labor and simple operation, NMR tube cleaner represents the developing trend of NMR tube cleaning mode, and so has been more and more widely used.

Keywords: Liquid NMR ; NMR tube ; Cleaning ; Development

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唐安娜, 任彦丛, 邓小娟, 丁国生. 液体核磁管清洗方法进展. 大学化学[J], 2021, 36(2): 2003034-0 doi:10.3866/PKU.DXHX202003034

Tang Anna. The Development of Cleaning Methods for Liquid Nuclear Magnetic Resonance Tubes. University Chemistry[J], 2021, 36(2): 2003034-0 doi:10.3866/PKU.DXHX202003034

作为四大谱(紫外光谱、红外光谱、质谱和核磁共振波谱)技术之一,核磁共振波谱技术是有机化合物分子结构分析和鉴定的重要手段。随着核磁共振波谱技术的不断发展和应用领域的拓展,它在化学、药学、生物、环境、医学和材料学等领域的科研和生产中发挥了不可或缺的重要作用。近些年来,液体核磁共振波谱仪在我国高校、科研机构和大型企业广泛使用,与此同时,形式多样、操作灵活的液体核磁专用自动进样器也得到了进一步的普及。这不仅在很大程度上降低了仪器操作过程中由于误操作所导致的人为故障,也大大提高了设备的工作效率;同时伴随着操作流程的简化,核磁类大型仪器的开放和共享也得到了进一步的促进[1, 2]

随着样品制备和仪器分析过程自动化程度的提高,测试(或从业)人员在获取大量试验数据的同时,也经常面临着这样一种局面:数量可观的待清洗样品瓶(管)。在多数情况下,对样品瓶(管)进行回收再用可在一定程度上降低实验成本。色谱、质谱类仪器使用的样品瓶通常只要求洁净即可,可通过浸泡、刷洗、超声或高温烘烤等方式进行处理后回收再使用;而液体核磁分析过程中使用的样品管由于管壁薄、长度较长(7-9英寸),同时对同心度和光洁度还有一定的要求,所以不能简单地照搬以上的处理方式[3]。在日常工作过程中,人们通常采用以下几种方式对液体核磁样品管进行清洗或处理。

1 用脱脂棉棒(或核磁管刷)进行刷洗

这种方法主要是通过将浸润的棉棒(或专门的核磁管刷)插入核磁管中来回摩擦进行清洗。目前商品化核磁管刷主要以铁丝或钢丝做为骨架,骨架上有许多整齐排列的细刷丝。刷丝材质主要有尼龙、聚酯纤维、猪鬃和羊毛等。在专用的核磁管清洗器出现之前,这也是绝大多数实验室普遍采用的核磁管清洗方法。由于要逐根刷洗,这种方法比较费时费力,只适合于在核磁管较少的情况下使用;另外,金属骨架硬度较大,核磁管清洗过程中容易出现由于力度控制不好而把核磁管洞穿的情况;此外,若所用的核磁管刷刷丝材质较硬,在刷洗过程中也不可避免会对核磁管内壁造成划伤。

2 使用超声方式进行清洗

在核磁管中放入清洗液,通过超声进行清洗。当核磁管数量较多时,也可以把核磁管没入清洗液中进行超声清洗。这种方式既可用于少量核磁管的清洗,也可用于大批量核磁管的清洗。然而,由于不同厂家的核磁管材质和规格(如内径、壁厚等)不尽相同,在对污染程度不同的核磁管进行超声清洗时,所施加的超声功率和超声时间无法采用统一的标准;此外,在超声清洗过程中,核磁管破裂的情况也时有发生,所以这种清洗方式实际上并不被许多核磁管生产厂家所推荐。

3 使用专用的核磁管清洗器

3.1 常规核磁管清洗器

为保证清洗的效果,同时尽量缩短人工干预的时间,各种专用的核磁管清洗器不断出现且部分已实现商品化。有的实验室则就地取材,“DIY”手工制作了满足实验室需求的核磁管清洗装置,也取得了不错的效果[3-5]

目前,市售的核磁管清洗器大多为玻璃材质。其中以单核磁管清洗装置(图 1)最为常见。使用时可将清洗器放在磨口锥形瓶上,然后将待清洗的核磁管倒扣在中间的毛细玻璃管(1)上,核磁管帽则盖在核磁管底部并将其卡在清洗器口,以起到密封系统和固定核磁管的作用。在左侧小咀处(2)抽真空,核磁管内形成负压,右侧储液管内(3)的清洗液则会通过毛细玻璃管射入核磁管内对其进行清洗。在此基础上开发出的多核磁管清洗装置(图 2),可同时清洗多达5根核磁管[6]

图1

图1   商品化单核磁管清洗装置[6]

1-毛细玻璃管;2-小咀;3-储液管


图2

图2   商品化多核磁管清洗装置[6]

1-毛细玻璃管;2-小咀;3-储液管


上述装置为全玻璃材质,制作难度较大,在使用过程中也容易出现碎裂的情况(尤其是毛细玻璃管部分)。为解决这一问题,Landrie等[7]设计制作了一套更简易的清洗装置(图 3):在氯丁橡胶塞子(1)上钻两个孔,左侧为小孔(1/16英寸钻头),右侧为大孔(3/16英寸钻头)。聚丙烯注射器(2)的不锈钢针首先穿过塞子上的小孔,然后通过位于右侧大孔的注射器针筒(1 mL),在橡胶塞上方伸出约6.5英寸,上方倒置待清洗的核磁管(3)。该装置通常与500 mL的抽滤瓶(接真空泵或抽气装置)搭配使用。当需要清洗多个核磁管时,可直接将已清洗过的核磁管从右侧注射器的塑料凸缘上取下,此时系统真空被打破,清洗过程中止;当换上另外一根核磁管后,系统真空恢复,清洗过程又自行开始。为了避免人工频繁在左侧的注射器内补加清洗液,也可用管线将大体积的清洗液储罐直接连接不锈钢针,从而实现较长时间的连续清洗。

图3

图3   简易核磁管清洗装置[7]

1-氯丁橡胶塞;2-聚丙烯注射器;3-核磁管


美国核磁谱仪耗材生产商Wilmad-LabGlass公司设计推出的多管负压清洗器(图 4),也可一次清洗多达5根核磁管[8]。在使用时,先将核磁管倒置插在不锈钢清洗管(1)上,然后向PTFE (Poly(tetrafluoroethylene))清洗液杯(2)内倒入清洗液,核磁管开口端要没入清洗液内,这样在真空(抽气)系统工作时,核磁管内部和抽滤瓶所组成的系统压力便开始小于外部气压(负压),清洗液杯内的清洗液便会在外界大气压的作用下上流至核磁管内,然后通过清洗管流入接口(3)连接的真空抽滤瓶内。待清洗液杯内的清洗液耗尽后,空气随之进入核磁管内部对其进行气流干燥。由于该装置市场售价较高,所以也有实验室依据相同的原理自制了类似的负压清洗装置,用于日常工作中核磁管的清洗。

图4

图4   Wilmad-LabGlass多管负压清洗装置[8]

1-不锈钢清洗管;2-PTFE清洗液杯;3-接口


不同于上述装置的负压清洗方式,易小辉[5]采用射流(加压高速喷射)工作原理,开发了一套正压清洗装置(图 5)。先将待清洗核磁管(1)插入洗涤瓶(2)内,通过加压试剂瓶(3)加压,使清洗液通过导管高速喷射入核磁管内,将核磁管不停地做上下、左右旋转运动,可使其内部得到充分、全面清洗。由于采用了手工加压的方式,该套装置无需与真空泵配套使用,因此可在一定程度上降低成本。

图5

图5   正压核磁管清洗器结构示意图[5]

1-核磁管;2-洗涤瓶;3-加压试剂瓶


3.2 高通量核磁管清洗器

基于片段的核磁共振筛选(Fragment-based nuclear magnetic resonance screening)技术由于具有覆盖范围广、筛选效率高、无需对靶标蛋白和小分子进行标记等优点,近20年间在生物和制药工业逐步得到广泛的使用。由于商业化片段库中的化合物数目一般为数百至数千个,试验过程中很快会产生数以百计待清洗的核磁管,所以发展高通量核磁管快速清洗方法具有现实意义。Zhang等[9]自行设计和搭建的一套高通量核磁管清洗装置(图 6),可在一小时内完成180根核磁管的清洗。该清洗装置由以下主要部件组成:特殊设计的玻璃阀组件(1)、LabConco真空瓶(2)、瓶盖(3)、转接头(4)和真空抽滤瓶(5)。

图6

图6   实验室自制高通量核磁管清洗装置示意图(A)和局部实物图(B) [9]

1-玻璃阀组件;2-LabConco真空瓶;3-瓶盖;4-转接头;5-真空抽滤瓶


在使用时,先将多根待清洗核磁管倒置于LabConco真空瓶(内部加入适量清洗液)中,然后盖上瓶盖,在瓶盖上连接玻璃阀组件,一个柔性连接的玻璃管从左侧阀门延伸到真空瓶的底部。将玻璃阀组件中左侧的阀门关闭,通过调节右侧T型阀门的位置(状态),可将清洗液压入(阀接通大气)和推出(阀接通真空)核磁管。多次重复这一操作,可实现核磁管的高效洗涤。当洗涤完成后,打开左侧的阀门(阀接通真空),同时将右侧T型阀接通大气,可将清洗液通过玻璃管从LabConco真空瓶移至抽滤瓶中。

为降低制作成本,Ngugen[10]使用实验室常用的真空干燥器、烧杯和真空泵,搭建了一套简单易用的高通量核磁管清洗装置(图 7)。首先将核磁管倒置于烧杯中(内部加入适量清洗液),然后将烧杯内置于真空干燥器中,连接好真空泵。通过控制真空干燥器上的阀门位置,可调控核磁管内外的压差,使清洗液反复进出核磁管以对其进行洗涤。该装置清洗核磁管的数量取决于真空干燥器和烧杯的尺寸,使用者可根据实验室的具体情况进行灵活调整。该装置的另外一个优点是所用的材料均是实验室常用的实验器材,没有需要加工制作的部件,因而更易推广。

图7

图7   使用烧杯(A)和玻璃真空干燥器(B)自制高通量核磁管清洗装置[10]


4 结语

使用专用的核磁管清洗装置,可在降低人工劳作的同时,实现核磁管的快速清洗。在设计或选择核磁管清洗装置时,应考虑的因素主要有:成本(价格)、清洗量、耐用性、操作方便性和清洗液耗量。此外,养成良好的实验习惯也是一个重要的方面,如核磁管使用后要尽快清洗,否则由于溶剂挥发而导致样品在核磁管内沉积,此时在清洗前很可能需要用铬酸洗液(或浓酸)浸泡等步骤,如此则无疑会增加清洗的难度和时间。

参考文献

王聪; 王远红; 王义; 张秀丽. 实验技术与管理, 2016, 33 (7), 160.

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邓小娟; 丁国生; 陈小平. 分析测试技术与仪器, 2017, 23 (3), 139.

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胡小铭; 胡艺文. 实验室科学, 2012, 15 (3), 187.

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董学泱; 党淑琴. 化学通报, 1985,

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易小辉. 华西医大学报, 1997, 28 (1), 113.

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Zhang B. ; Hodgson J. ; Hancock W. ; Powers R. Anal. Biochem. 2011, 416, 234.

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Nguyen T. B. Org. Process Res. Dev. 2016, 20, 319.

DOI:10.1021/acs.oprd.6b00001      [本文引用: 2]

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