流动合成中的NMR的流量探头

商用流量探头

核磁共振波谱学是基于射频辐射的吸收，当核被置于强磁场时，在核自旋水平上产生吸收[13]。核磁共振光谱是结构测定最强大和最通用的方法之一，可以对样品进行定性和定量分析。它可以应用于元素周期表中的几乎所有元素，唯一的要求是存在同位素，不一定是最丰富的，表现出磁性。

核磁共振光谱的主要缺点是，与其他光谱技术（如紫外线）相比，灵敏度非常低，因为地面和激发态之间的总体差异非常小，并且强烈依赖于永久磁场（B 0）申请。通过使用更强的磁场来补偿该限制，这导致更复杂，更大且昂贵的NMR仪器和/或专用探针的开发。尽管NMR光谱的低灵敏度对于分析方法是不利的，但该技术在结构确定中的能力补偿了其局限性。

NMR光谱在流动，制备流化学和微反应器技术中的分析化学中的应用需要使用专门设计的设备，尤其是流动探针，流动池或专用微流体线圈。在大多数情况下，使用高分辨率NMR仪器，但这些系统的高成本和所需的大空间限制了它们在实验室规模和芯片实验室中的应用。最近，在流动化学中引入了台式低场NMR仪器以克服这些限制，具有成本更低和与连续流动平台更好集成的优点，因为整个系统可以安装在通风橱中。与高分辨率NMR仪器相比，这些系统的主要缺点是分辨率和灵敏度较低，

根据样品管的位置设计了两类流量探头，可以是垂直的（下面表示为1型）或水平的（下面表示为2型）（图1），以及RF线圈的形状。发射和接收，即当样品管垂直放置时为鞍形，当样品管水平放置时为螺线管[14]。制造商设计了1型商用NMR流量探头，可以集成到它们的高分辨率和低分辨率NMR仪器中。2型探针由不同的研究小组设计并整合到标准NMR仪器中。

如果RF线圈和样品处于相似的温度，则流量探针可以进一步分类为“室温探针”，或者如果RF线圈与样品室绝缘并保持冷却，则流量探针可以被分类为“低温探针”。

与标准的管式探针相比，商用NMR流式探针的开发需要不同的设计。对于NMR流量探头的设计，类似于新探头的设计，应该仔细选择组件以获得最佳分辨率，灵敏度和RF均匀性，此外，还应考虑其他因素。由于工作流程而导致的帐户。因此，设计应该允许高填充系数，气泡闪光和进入流体中检测体积中现有流体的位移，而不是仅与其混合，以及其他问题[14]。因此，流动池是样品管（由玻璃或石英制成），在顶部（出口）和底部（入口）具有开口，以便能够连接到流动系统。NMR流通池的中心内径通常大于末端（图1）。流动池的较大中心部分是样品室，即检测区。端部的较小区段对应于入口和出口杆。在设计流通池时，样品室的总体积被认为是最小体积，并且必须是有效体积的两倍。该比率与标准探针中的5mm NMR管的比率相似。

流动细胞通常由石英，派热克斯虽然®，蓝宝石和氧化铝也可以考虑。石英是其选择的材料，因为它具有均匀性，纯度和机械强度。此外，石英是可加工的材料并且显示出优异的电性能。由于这种材料的强度，管道连接由PEEK（聚醚酮）制成。然而，PEEK有三个主要缺点，它吸收DMSO和CH 3 OH，它与酸不相容，并且它没有良好的转弯半径。

最后，大多数标准流量探头包括脉冲场梯度硬件，它可以实现探头的有趣用途，例如梯度匀场，溶剂抑制脉冲序列（即WET，特别适用于流量应用），以及脉冲序列的使用结合梯度，现在在大多数核磁共振实验中常见。

考虑到上述要点，可以设想流动NMR相对于传统NMR的几个优点。首先，当在实验期间溶剂保持恒定时，不需要额外的时间来锁定或垫片每个样品。其次，由于WET溶剂抑制以及不需要锁定，因此不需要氘代溶剂。第三，可以从微量滴定板自动分析更多样品，从而避免玻璃样品管的使用和可能的破损。

微线圈探头

增加NMR灵敏度的一个有趣方法是使用微线圈探针[15,16]。基于互易原理[15]，已经表明，对于恒定的长径比，NMR检测器（即线圈）的灵敏度与其直径成反比。对于体积受限的样品，当线圈按比例缩小以包围该体积样品时，信号最大化。虽然这些探头显示出几个优点，例如，由于它们对空间B 0的要求较低，它们与连续流动系统的耦合及其在紧凑型磁体中的集成。在场均匀性方面，探头的构造具有最高的灵敏度和分辨率，是一项具有挑战性的任务。后者不属于本次审查的范围，相反，我们将在本节中描述微线圈探头的类型和特征，并在以下各节中介绍其与流量系统的集成。

NMR光谱学中的一个重要要求是垂直于静态B o场产生足够强的B 1。线圈的几何形状非常重要，以便在整个样品体积上产生均匀的B 1场。因此，应优化线圈的几何形状，以便获得尽可能高的灵敏度和分辨率。NMR线圈最广泛使用的几何形状如图2所示。商用溶液NMR探针中使用的最典型的几何形状是鞍型。尽管这种几何形状产生与永久场B 0正交的非常均匀的磁场，它不适合小型化。因此，鞍形线圈不用于小体积NMR应用。

报告的微线圈的主要几何形状是螺线管，扁平螺旋（也称为平面微线圈），微槽和带状线（图2）。下面，更详细地讨论平面和螺线管线圈，因为它们是文献中报道最多的。

微电磁线圈

螺旋几何形状的线圈围绕毛细管缠绕，采用样品的尺寸和形状，因此实现了良好的填充因子。已经详细研究了电磁线圈。Sweedler等人报道了一个代表性的例子。[17]谁设计了一个检测细胞体积约为1的微电子线圈。对于纯乙苯样品，5nL，线宽仅为0.6Hz。最近，Gruschke等人报道了通过使用牺牲层和溶剂组合的新制造方法。[18]与以前的程序相比，产生最大化和最佳的填充因子，因为空心微线圈被包裹在外部支撑结构中。Saggiomo和Velders已经报道了一种易于制造电磁线圈的新方法[19]使用3D打印技术。作者描述了一种简单的两步ABS（丙烯腈丁二烯苯乙烯）支架去除方法，以获得插入PDMS（聚二甲基硅氧烷）块中的3D打印装置。作者测试了这种方法用于创建微流体装置，但他们还制造了一种简单，便宜且灵敏的核磁共振微粒[19]，检测体积仅为2μL 。与9.4 T超导磁体的集成使它们能够获得高分辨率的NMR光谱。

微电磁线圈的主要优点是：出色的B 1场均匀性和B 1 / i场效率，导致高信噪比（SNR）。与平面线圈相比，螺线管具有更低的阻力，更好的章动曲线（达到理想的正弦行为），表示比平面线圈更均匀的B 1场，但是在波波维奇报告的比较研究中，螺线管线圈的分辨率低于平面线圈。等。[20]当两种类型的线圈都按照相同的工艺制造。

微电磁线圈的主要缺点：繁琐的制造工艺，特别是对于非常小的体积以及在线圈中遇到样品的最佳位置。电磁线圈通常用手缠绕，导致可重复性低且非常耗时的过程。

平面线圈

通过微制造技术在衍生自半导体工业的NMR光谱中引入螺旋平面线圈。Popovic等人详细研究了平面线圈。[21]作为电磁线圈的替代品。平面线圈具有以下优点：

它们可以通过标准光刻技术以亚微米分辨率和高度几何精度和再现性批量制造。此外，它们可以与基于芯片的微流体系统集成。为了结束这些优点，平面线圈有助于提高产量，因为平面线圈阵列和微流体通道可以通过微加工技术制造[15,16,21]。

平面线圈的缺点是：平面线圈具有高串联电阻，导致低SNR，因为后者受线圈的热噪声支配。SNR取决于线圈的几何特征。例如，匝数是至关重要的，因为大量的匝数会增加线圈产生的酉场，但也会导致更高的阻力[21]。据信，线圈附近的绕组会引起静电场畸变，导致核磁共振谱中的分辨率和灵敏度降低[22]。van den Berg等人提出了平面微线圈的最佳尺寸。[23]并从有限元模拟中获得[24]。在低场磁体下获得高SNR。平面线圈的另一个缺点是由线圈产生的弱且不均匀的B 1场，导致非正弦章动曲线和自由感应衰减的低SNR [20]。

尽管存在这些缺点，但平面微线圈的有趣应用可以在文献中找到。因此，Velders等人。[25]在皮摩尔水平上通过19 F NMR光谱研究了超分子相互作用。该应用利用了该核的高灵敏度和大的化学位移分散。作者确定了在皮摩尔水平下NaPF 6与α-环糊精的复合物的结合常数，检测体积为50 nL，并使用非氘代溶剂[25]。

总结不同的线圈几何形状，微槽NMR微探针和带状线圈在小体积核磁共振光谱中也显示出有趣的应用。微槽由双层金属微带组成，可以具有亚微米尺寸。这些线圈产生的场线比用平面线圈或金属线获得的场线更均匀，甚至可用于NMR代谢组学[26]。带状线圈代表了简单有效的线圈设计，即使是DNP方法中的探测器也具有有趣的应用[22,27]。带状线圈产生高且均匀的B 1场，可以集成在微流体芯片上并显示出Kentgens等人报道的可扩展性。[22]。