顺磁盐绝热去磁又称磁冷却。顺磁盐中含有铁或稀土族元素，其3d或4f壳层没有填满因而具有磁矩。当温度高于顺磁盐的磁有序特征温度θ 时(见顺磁性),各个离子间因相互作用较小，比较自由,顺磁盐 可看作是一个混乱取向的偶极子体系。当达到温度θ时，发生偶极子的自发取向,系统的熵S减小。当T>θ时，如果施加一外磁场B=Bi,从体系的温-熵图(图1)可看出,外磁场引起的偶极子择优取向,使体系的熵减少。因此, 如果在减压4He或3He液浴中将顺磁盐预冷到某一温度Ti,然后在与液氦浴保持热接触的条件下施加外磁场进行等温磁化，体系在这过程中释放出来的磁化热为液氦浴所吸收，熵下降。再使盐与周围环境绝热,并将磁场降至B=Bi或零。这样就可以获得显著的降温效果,得到T=Ti或T=T0的温度。绝热去磁所能达到的最终温度取决于外磁场强度和顺磁盐的磁有序化特征温度。W.F.吉奥克于1933年完成了顺磁盐绝热去磁实验，获得了千分之几开的低温。

1956年H.伦敦最先提出稀释致冷机的原理，1965年第一台稀释致冷机诞生 ，它是利用3He-4He混合液的性质设计的致冷机。3He和4He的混合液在0.87K以上温度时是完全互溶的溶液，在0.87K以下时发生相分离，即分成含3He较多的浓相和含3He较少的稀相两部分，两者间构成一界面，浓相浮于稀相之上。当3He原子从浓相通过界面进入稀相时，类似于普通液体通过液面蒸发成气体，要吸热致冷。进入稀相的3He原子通过循环系统重新回到浓相。稀释致冷机结构简单可靠，致冷能力强，可长时间连续工作，可得稳定的可调节的超低温，这是传统的顺磁盐绝热去磁法所无法比拟的，现已获广泛应用。用此法得到的最低温度为1.5mK。

低于1K的温度叫做超低温。获得这样低的温度，除人们所熟知的，通过对4He液浴减压可达最低温度约0.5K外，还有下列方法:利用3He液浴减压最低温度可达到0.3K;利用硝酸铈镁(CMN)等顺磁盐进行绝热去磁,可达到几毫开温区;利用3He-4He稀释致冷机可达1.5mK，利用坡密朗丘克冷却和绝热核去磁可达到更低的温度。

利用3He蒸发的低温恒温器是获得1K以下温度的最简便的方法。3He的质量小,零点运动强烈,因此在所有的温度下它的蒸气压比4He都要高。此外，因不存在3He膜,也就没有沿着3He膜的传热或3He蒸发而产生的额外漏热。所以在低温端可以利用一粗管道对3He液浴减压,获得比利用4He液浴减压所能达到的更低的温度。3He的正常沸点是3.19K，通过减压可达稍低于0.3K的温度。

温度在0.32K以下时，液态3He的熵比固态3He的熵要小，因而加 压发生液-固相变时要吸热，从而达到致冷效果。此法由I.Y.坡密朗丘克于1950年提出，1965年实验成功。此法常在稀释致冷机的基础上使用，可达到的极限低温为1mK。1972年在此低温附近发现了3He的超流新相(见液态氦)。

原子核的自旋磁矩比电子自旋磁矩要小得多，故原子核磁矩间的相 互作用也比电子磁矩间的相互作用弱得多。直到mK温度范围，核磁矩仍然是混乱取向，因而可用核绝热去磁法使核系统降温。通常以稀释致冷机预冷，用超导磁体产生强磁场，使核自旋磁化，再绝热去磁。此法由C.J.戈特和N.库尔蒂分别于1934年和1935年提出，1956年库尔蒂成功地使金属铜的核自旋温度冷却到16μK。后来用二级核绝热去磁使核自旋温度达到50nK(5×10-8K)的极低温，第一次观察到铜中核磁矩的自发反铁磁排列。物质内部的热运动包括核自旋运动、晶格振动和自由电子运动，3种运动对内能都有贡献，在较高温度时3种运动间的能量交换迅速，可处于热平衡状态，可用同一温度来描述。在极低温度下，三者间的能量交换较慢，不能很快建立热平衡，故应区分与不同运动相联系的温度。与核自旋运动相联系的温度称为核自旋温度。核绝热去磁只能降低核自旋温度。尽管核自旋温度已降到50nK量级，但晶格温度可能仍为mK量级。

双核探头内线圈对特定X 核(如C)调谐, 外线圈对1H 去偶和观测.天然产物的结构确认、代谢组学以及高通量筛选等研究对 C 的观测灵敏度要求很高, 因此在TXI 超低温探头推出之后, 适宜于C 观测的DUL 双核超低温探头很快发展了出来.由于在给定信噪比时,测量时间与探头灵敏度的平方成反比, 因此当 C 和H 的灵敏度增长3 ~ 4倍时, 样品的测量时间会快一个数量级.同样, 当测量时间一定时, 需要的样品量也会大大减少.灵敏度上的飞跃实质上重新定义了 C NMR 的应用极限.

与10 mm 的DUL 超低温探头侧重于提高C 的灵敏度不同, 新型的5 mm DCH 超低温探头提高13 C 的灵敏度的同时也增强了1 H 通道的性能.DCH 超低温探头H 的线型指标与TXI 和TCI 超低温探头相同, 而较好的线型指标意味着对于狭窄的质子核磁共振频率范围, 可以得到更好的分辨率.因此, 反向和异核化学位移相关实验谱图的质量得到改进, 甚至水峰压制实验的谱图质量也可与TXI 或者TCI 超低温探头相比拟.在天然产物化学或者代谢组学研究中常遇到样品量很小的问题, 对这类问题, 400 ~ 700MHz DCH 超低温探头是很理想的解决办法.

双核和反式超低温探头最多只能用于一个或2 个X 核的检测和去偶.当实验中需要检测其它核的时候, 就要花费很长时间来换探头.为解决这一问题, 在400 、500 和600MHz 谱仪上我们提供了QNP 超低温探头.QNP P/C/N 超低温探头除了 H 通道外, 最佳的X 通道可以在 C 、 N 和P 之间选择.与传统的QNP 探头相比, QNP 超低温探头4 个核的灵敏度都增加了4 倍, 选择的4 个X 核均能获得目前所能达到的最大的灵敏度.例如, QNP 超低温探头的C 灵敏度可以达到与DCH 探头同样的水平.对400 MHz 谱仪, 我们最近引入了QN P F/P/C超低温探头, 其中X 通道可以在F 、P 和C 中选择.很多关于有机化合物或者无机化合物的研究对N 的检测很感兴趣, 但由于天然丰度很低, N的检测通常是非常困难的.天然产物或者药物里常常包含杂环, 当杂环中氮原子与氢之间没有直接的键相连时, DEPT 或者HSQC 实验就不能进行.因此使用TXI 探头时, 常常需要用反式长程位移相关实验(如HMBC)来确定氮原子的化学位移.但是长程偶合通常不知道或者趋近于0 , 所以HMBC 并不总能检测到相关信号.而且,对很多无机化合物, 由于完全没有氢原子, 所以反向检测H 的实验不能够进行, 此时直接检测N 是确定氮的化学位移唯一可信的方法. 对于有机化学和天然产物化学, 一般认为HMBC 可以得到 H 和 N 所有可能的相关信息, 所以N 的直接检测不是必须的.但是, 由于化学交换过程会在HMBC 或者HSQC 实验中导致相关信号的丢失, 或者在直接检测实验中致使信号丢失, 所以常常会导致在实验中不能得到准确而完整的信息.发生这种情况主要是因为不同的化学位移和偶合常数会导致交换速率不同, 在一个化学体系里面, 可能存在一种核交换速率快, 一种核交换速率慢的情况.如图4 所示, 杂环化合物的N 谱上δ260 处的信号丢失, 但它的相关峰出现在HMBC H 谱中.另一方面, 氮谱中在δ385 处的信号, 在HMBC 中却不能产生可检测的相关.因此, 为了得到所有N 的化学位移, HMBC 和氮谱都必须做,以互为补充。QNP 超低温探头的H 灵敏度低于TCI 超低温探头, 但它的 N 的90°脉冲比较短.因此如果样品中感兴趣的 N 化学位移范围相对较大, 在做反式实验(如HMBC 和HSQC 实验)时, QN P 超低温探头就具有很大的优越性.在较大的 N 带宽范围内, 激发越均匀, 就能得到越好的相干跃迁、相关峰灵敏度和N 偏置。TCIP 超低温探头TCIP 超低温探头是基于TCI 超低温探头发展出来的.P 取代 N 成为第三通道,对 H 有最佳灵敏度, 同时C 灵敏度也得到很大增强.因此, TCIP 超低温探头非常适宜于对核酸的研究。对有标准螺旋的核苷酸而言, 序列指认一般可以通过连续碱基对的1 H NO E 得到.但对于非标准的结构, 这一方法并不凑效.因此, 一种使用三维H 、C 、P 三共振实验的序列认证方法被发展出来.这种方法通过J 耦合把磷酸键上3′端的H3′/C3′、H4′/C4′和5′端的H4′/C4′和H5′、H5″/C5′连接起来. TCIP 超低温探头增强的C 灵敏度使得检测用C 标记的核酸中的C 非常方便。因为核糖上质子的化学位移分辨率通常是很低的, 所以氢谱给出的结果常常模凌两可.而能提供尽可能高的 H 、C 、 P 和Y 核灵敏度的TCIP 超低温探头, 是研究核酸和有机磷化合物的一个相当有效的工具.

C NMR 在聚合物分析中有着非常重要的作用, 例如确定各种共聚物中每个单体的比例和平均的分子重量等.新的10 mm DUL C/H 超低温探头不但提供了目前最高的C 灵敏度, 变温范围还能达到通常聚合物研究所需的135 ℃.这种低温探头配备了Z梯度场线圈使得常规的一维梯度匀场可以进行.

内线圈对 H 调谐并且具有最佳的线型和灵敏度, 外线圈对X 核调谐, 一般用于激发和去偶.所有的布鲁克反式探头都是三共振探头, 即去偶线圈同时对2 个固定的频率(X 和Y 核)调谐, 必要时也可进行1H 去偶, 观测X 和Y 核.相对传统的TXI 探头来说, TXI 超低温探头使用低温氦气冷却射频线圈, 不仅极大地改进了H 通道的灵敏度,同时也增加了X 核(C)和Y 核的灵敏度.而TCI 超低温探头由于配置了低温的C 前置放大器, C 灵敏度得到了相对更大的增强。

内线圈对特定的X 核调谐, 外线圈对H 核调谐(相当于传统的X/ H 双核探头).由于使用内置低温前置放大器, X 核可得到最佳的线型和灵敏度指标.为尽可能的提高1H的灵敏度, 所有的正式超低温探头都配置了H 低温前置放大器。

所有的超低温探头(除了微成像探头)都配置了 H 低温前置放大器以得到尽可能高的氘灵敏度, 从而满足最佳锁场性能的要求。