CN101479619B - 在超低磁场中通过高分辨率nmr谱法测量同核j耦合 - Google Patents

Abstract

本发明涉及通过NMR谱法检测分子的方法和设备。本发明的目标是能够以高分辨率综合的辨别样品。通过检测样品的方法和相关设备达成目标，所述检测样品的方法和相关设备通过在小磁场中使用核磁谱仪测量异核和同核J耦合而检测样品，以及通过使用测量的异核和同核J耦合以辨别样品而检测样品。

Description

在超低磁场中通过高分辨率NMR谱法测量同核J耦合

本发明涉及通过NMR谱法(NMR spectroscopy)检测分子的方法和设备。

核磁谱法(NMR)和磁共振断层成像(MRT)一样是非常成功的用于分子结构的说明和用于成像问题或活体系统的非破坏检测方法。三个已经授予的诺贝尔奖(1991年的Richard Ernst，2002年的KurtWüthrich，2003年的Paul Lauterbur和Peter Mansfield)反映出了NMR和MRT在最近二十年来的巨大成功。特别是通过高分辨率或者多维NMR谱法的大分子和生物分子的结构说明已经取得了巨大的进展。基本上，已在NMR中观测到五种相互作用。它们包括：

1.核塞曼相互作用，

2.核电四极相互作用，

3.偶极子-偶极子相互作用，

4.化学位移(chemical shift)，以及

5.J耦合。

在分子的结构说明中，上述后三项相互作用扮演着重要的角色。例如，在偶极子交互弛豫(cross-relaxation)(核Overhauser效应谱法，NOESY)的机制中采用不同核之间的偏振转移来说明大分子的结构。二维COSY方法采用化学位移和J耦合，从而测量J耦合核自旋网络，以及从而从下面的出版物可以清楚的得到分子结构，“Ernst，R.R.，Bodenhausen，G.& Wokaun，A.Principles of Nuclear Magnetic Resonancein One and Two Dimensions(Clarendon Press，Oxford，UK，1987)”。

化学位移是这样引起的，磁场B₀通过分子的电子产生环形电流，从而在观测到的核自旋的每个位置产生附加磁场，大小为ΔB＝σB₀。该附加磁场和磁场B₀成正比，以及移动拉莫频率。

ω₀＝γB₀

被观测的核自旋的量γσB₀。在分子中的不同的质子种类(如CH₂，CH₃，OH)，化学位移在0-10ppm范围内，即被观测质子种类的拉莫频率仅被移动10^-6到10^-5的因子乘以拉莫频率。

当B₀趋近于零时，化学位移消失。在小磁场B₀中，例如在地球磁场(5·10^-5T)中，两个不同的质子种类的频率差从而只有几mHz。作为一个原则，这么小的差无法被观测到，这是因为¹H-NMR的谱线的线宽大于0.03Hz。这样，磁场B₀越大越均匀，化学位移的差就可以观测的越好。这一事实和信噪比随着磁场的增大而变大是超导磁体趋于更大更昂贵的原因。

在小磁场中无法测量化学位移这一规则的一个例外现在变得众所周知，即地球磁场中的超极化Xe原子的高分辨率NMR谱法“Appelt，S.，

F.W.，Kühn，H.，Perlo，J.& Blümich，B.Mobile HighResolution Xenon Nuclear Magnetic Resonance Spectroscopy in theEarth′s Magnetic Field.Phys.Rev.Lett.94，197602(2005)”。这个例外的原因是Xe原子的化学位移的差比质子的要大两个数量级，同时，Xe的NMR谱线的线宽非常的窄(仅几mHz)。

尽管对大多数核而言，化学位移在小磁场中是无法测量的，特别是对于＜10^-4T的磁场，在最近五十年中，小磁场的核自旋共振的测量在稳步提升，在下文中，称为低场(low-field)NMR。由Packard和Varian从地球磁场中的第一¹H NMR谱开始(参见Kaplan，J.Minutes ofthe Stanford Meeting December 28，29，and 30，1953.Phys.Rev.93，939-954(1954)；参见page 941：Packard，M.&Varian，R.Free NuclearInduction in the Earth′s Magnetic Field)，发展到第一异核¹H-³¹P和¹H-¹⁴N的J耦合的测量[参见Benoit，H.，Hennequin，J.& Ottavi，H.Lesapplications spectroscopiques de Ia méthode de prépolarisation en R.M.N，(champs faibles).Chimie Analytique 44，471-477(1962)；Béné，G.J.Nuclear Magnetism Of Liquid Systems In The Earth Field Range.Phys.Rep.58，213-267(1980)]，在南极冰的气孔中[参见Callaghan，P.T.，Eccles，C.D.& Seymour，J.D.An earth′s field nuclear magnetic resonanceapparatus suitable for pulsed gradient spin echo measurements ofself-diffusion under Antarctic conditions.Rev.Sci.Instrum.68，4263-4270(1997)]水的自扩散的测量[参见J.，Kos，M.，

G.&V.Strong Nonuniform Magnetic Field for Self-DiffusionMeasurement by NMR in the Earth′s Magnetic Field.J.Magn.Reson.Series A 107，167-172(1994)]，地表水蓄水池的检测[参见：

G.，

J.& Kos，M.Relaxation-Time Measurement and Imaging in theEarth′s Magnetic Field.J.Magn.Reson.Series A 110，170-174(1994)]，地球磁场的磁共振断层成像[参见：Shushakov，A.Groundwater NMR inconductive water.Geophysics 61，998-1006(1996)]，以及最终的在微特斯拉到纳特斯拉范围内的SQUID探测NMR[McDermott，R.et al.Liquid-State NMR and Scalar Couplings in Microtesla Magnetic Fields.Science 295，2247-2249(2002)；Trabesinger，A.H.et al.SQUID-DetectedLiquid State NMR in Microtesla Fields.J.Phys.Chem.A 108，957-963(2004)；Burghoff，M.，Hartwig，S.，Trahms，L.& Benarding，J.Nuclearmagnetic resonance in the nanotesla range.Appl.Phys.Lett.87，054103(2005)；Greenberg，Y.S.Application of superconducting quantuminterference devices to nuclear magnetic resonance.Rev.Mod.Phys.70，175-222(1998)；Clarke，J.in SQUID sensors：Fundamentals，Fabricationand Applications.Weinstock，H.，Ed.(Kluwer Academic，Dordrecht，Nederlands，1996)，1-62.]。

尽管对大多数核而言，在诸如小于10^-4T的小的外部磁场中，小化学位移不能测量，然而可以通过使用J耦合的机制得到分子结构的信息。通过核自旋I_a和第二核自旋I_B之间的通过I_a和I_B之间的化学键内的电子而输送(convey)的间接交流引起两个核自旋之间的J耦合(也称为自旋-自旋耦合)[参见：Proctor，W.G.&.Yu，F.C.On the NuclearMagnetic Moments of Several Stable Isotopes.Phys.Rev.81，20-30(1951)]。J耦合的相互作用能的数学表示是

H＝2π·J·I_A·I_B

暗示了J耦合能量(对质子的典型值是0.1-200Hz)依赖于它们的两个核自旋的相对定向(关于B₀场平行或者反平行)，以及J耦合独立于外部磁场B₀，这实际上非常重要的。

I_a和I_B之间的J耦合也可以跨越几个化学键而发生。经验法则指出了键的距离越大(越多的键位于I_A和I_B之间)，J耦合常数或J耦合能量就越弱。J耦合独立于场B₀意味着能够以高准确度测量J耦合常数，对不定的小磁场的情况也是如此。

量子力学计算显示了仅在核自旋I_A和I_B的拉莫频率的差大于要观测的J耦合的情况下，J耦合导致的NMR谱的分裂才是可以观测的。I_A和I_B的拉莫频率的差的存在是由于它们不同的化学位移或者是不同的旋磁比γ_a和γ_B。

如果核是具有不同旋磁比γ_a和γ_B的不同种类(如¹H和¹⁹F)，那么J耦合被称为异核。如果I_A和I_B是相同类型的(如两个质子)，那么耦合被称为同核。因此，异核J耦合在磁场非常小(到～10^-7T)的时候也可以测量，因为I_A和I_B的拉莫频率之差即使在10^-7T的情况下也大于J耦合。

同核J耦合是另一种情况。例如，在地球磁场中，乙醇的典型的¹H线宽大约为100mHz，而CH₂或CH₃基团的质子的化学位移中的差是几mHz。这样，乙醇的所有质子是在地球磁场中磁性相等的。同核J耦合不能测量。图1中的乙醇分子说明了这个事实。以下高磁场指约1.5T的高场，在高磁场的情况下，化学位移比¹H谱线宽大许多。这样，¹H谱在一方面显示了OH，CH₂和CH₃-基团的三个化学位移，以及在另一方面显示了CH₂-基团(和CH₃-基团的质子耦合：—>四重结构，quartet)和CH₃-基团(和CH₂-基团的质子耦合：—>三重结构，triplet)的同核J耦合。OH-基团的质子未显示和其他两个基团的同核J耦合，其原因在于因为氢的桥键(bridge bond)质子可以自由运动。在高磁场中，测量的化学位移和同核J耦合的组合允许和乙醇分子的结构建立联系。从而该事实形成高分辨率高场NMR的根据。

变小的B₀场，移动OH、CH₂和CH₃谱线使它们相互更近，直到它们在很低的磁场中开始融合。通过图1中三种磁场(1.5T、0.35T和地球磁场的5·10^-5T)中的示例用在地球磁场中的整个乙醇谱的方式表现了这种塌陷(collapse)，，仅包括单一谱线而没有任何结构信息。

最近，在小于10^-4T的外部磁场的情况下成功实现了更精确的异核J耦合测量。几年前，Mc Dermott等人[参见：McDermott，R，et al.Liquid-State NMR and Scalar Couplings in Microtesla Magnetic Fields.Science 295，2247-2249(2002)]论证了在nT范围内通过SQUID的异核¹H-³¹P的J耦合常数的测量。

在实验中通过不均匀的B₀场控制的¹H谱线宽约为1Hz。就在最近，S.Appelt，H.Kühn，W.和B.Blümich在Nature Physics 2，105-109(2006)中论证了超高分辨率的¹H，¹⁹F和⁷Li的NMR谱法在地球磁场中的实用性，显示的¹H谱线宽小到0.03Hz。能够以几Hz的准确度确定不同分子的异核的¹H-¹⁹F和¹H-²⁹Si的J耦合常数。因为测量线宽已经到达自然线宽(通过横向弛豫时间(transversal relaxation time)T₂的倒数确定)，所以该准确度无法进一步提高。但是，最重要的是J耦合常数的测量准确度比通过超导高场磁体可以得到的准确度好一个到两个数量级。这个极高的分辨率对化学结构的准确的分类或辨别提供了可能，对小分子和大分子都是这样。在未来，这将具有深远的影响，例如，考虑到用于进行高准确度化学分析的移动低场NMR设备的技术上的实现。

作为在地球磁场中的频率的高分辨率的示例，图2显示了在非常均匀(～3ppb)的9.4T的高场磁体中测量的四甲基硅烷(tetramethylsilane，TMS)的异核¹H-²⁹Si的J耦合与在地球磁场中测量的相同的J耦合常数之间的对比。在6.617+1mMz的地球磁场中的¹H-²⁹Si的J耦合比用高场磁体(J＝6.6±0.1Mz)中测量的J耦合好约两个数量级。(来源：Nature Physics 2，105-109(2006))。

图3显示了纳米荧光己烯分子的八异核¹H-¹⁹F的J耦合的地球磁场NMR的另一个示例，在谱中可以全部确定。这是论证可以在单次测量中在多个键的距离中测量J耦合网络以及从而可以捕捉分子结构的示例。图3中显示的纳米荧光己烯(NFH)的¹⁹F谱的特征在于八异核¹H-¹⁹F的J耦合。¹⁹F谱包括4个三重谱线和4个双重谱线的重合。上面曲线是所述重合的模拟，显示了通过单次测量NFH的分子结构变得可见。J耦合常数旁边左上角的数字显示了观测到的¹H和¹⁹F核之间的化学键的数量。(来源：Nature Physics 2，105-109(2006))。

但是，根据现有技术的描述，通过超高分辨率低场NMR得到的分子特征只能通过异核J耦合的帮助得到。而即使可以成功地得到频率的高分辨率，仅从异核J耦合得到的信息不包含任何关于样品中存在的关于分子基团的信息。

本发明的目的是能够以高分辨率综合的分辨样品。

本发明通过一种方法解决该目的，该方法用于通过在小磁场中测量同核J耦合以及使用用来辨别样品的同核耦合的核磁谱法检测样品合。

本领域技术人员曾经具有这样的观点，只有样品的异核J耦合可以在小磁场中测量(参见例如Applied Physics Letters 87，054103(2005)，Nuclear magnetic resonance in the nanotesla range，first page，left column，paragraph 2)。然而，专家并不认为实际中的所有的有机分子或者生物分子主要包括碳、氢和氧，也不认为诸如¹⁹F或²⁹Si的核是相对稀少的。碳包括99％的¹²C(核自旋I＝0)和1％的¹³C(核自旋I＝1/2)。有机分子的所有的¹H核的1％和¹³C核以异核方式耦合。这样，低场的1H谱既主要包括无结构的单一¹H谱线(如图1中在地球磁场中内容所示)，又包括非常小的¹H-¹³C的异核J耦合引起的伴随谱线(大约比主谱线小200倍)。与专家的意见相反，至少对于以异核方式与¹³C核(1％发生机率)耦合的¹H核，或者其他稀少的核(例如¹⁵N)，结构确定是可能的。这就带来了可以测量的高分辨率同核J耦合H谱，其同时包括异核耦合的信息。

与现在专家中占主导地位的偏见相反，原则上实际是在小磁场中测量发生在样品中的同核J耦合。

为了能在实际情况下捕捉同核J耦合的谱，在一个实施例中执行待测样品的预磁化，例如在优选至少1特斯拉的强磁场中。在一个实施例中，特别是强磁场被用于该目的，强磁场优选的是一个到两个特斯拉的稳定磁场。如果测量在小磁场中进行，作为规则的是，专家会使用比较弱的(电)磁场而进行预磁化，借此产生0.1到0.3特斯拉数量级的磁场。实际上，这样的作为规则的用于预磁化的弱场所产生的测量结果不能满足执行的所要求的方法的预期。在执行预磁化时使用强得多的磁场，这与本领域通常使用的方法不同。

为了得到好的频率分辨率，特别重要的是注意在测量中的作用于样品上的弱磁场的特别良好的均匀性。在一个实施例中选择小的样品体积，从而接近这个目的。特别是，小于2cm³的样品的体积是本发明意义上的小体积。作为规则，在弱磁场中的测量中，本领域技术人员选择500cm³或者更大的体积的样品。在这一方面，这同样和本领域通常的测量不同。

在一个实施例中，样品被适当的添加元素(enrich)，例如用¹³C核从而确保可以更好的执行该方法。测量结果用于后续的化学鉴定。这样，在地球磁场中成功的得到准确性相当高的测量能力，从而以相当高的准确性辨别样品，即主要是有机样品。然而，作为一个规则，执行本发明的方法也可以不需要添加元素。在地球磁场中鉴定使鉴定简化，其原因在于地球磁场是普遍存在的，而无需采取技术手段。

如图4所示，例如，样品包括具有X^M-A-B-X^K的结构的分子。A和B是任意的键合了磁等性自旋X的分子基团。X型自旋m＝1，2，…，M，下文称为X^M，键合到分子基团A。X型自旋k＝1，2，…，K，下文称为X^K，键合到分子基团B。X表示例如待测的质子或者其他核。例如，这样的分子包括自然发生机率为1％的¹³C原子，例如在分子的A部分。

例如，使M＝3以及K＝2。X^M和¹³C、以及X^K和¹³C的两个¹H-¹³C异核耦合常数被指定为J_H-A和J_H-B-A，以及X^M和X^K之间的¹H同核耦合常数被指定为J_H-H。因为X^M和A之间的键的距离小于X^K和A之间的键的距离，J_H-A＞J_H-B-A＞J_H-H作为原则而应用。然后，在低场中正常测量H-NMR谱，一开始谱典型的包括由所有的磁等性和未耦合的自旋X^M和X^K引起的大的中心谱线。此外，谱包括两个对称的多重结构，其强度比起中心谱线的强度大约要低1000倍。两个多重结构典型的包括两个四重结构和两个三重结构，其分裂图样是由于X³和X²之间的同核J耦合引起的。典型强度比例为1∶3∶3∶1的四重结构的四条谱线和频率空间中的距离J_H-H属于X²基团的两个质子的NMR信号，所述X²基团与X³基团的三个质子的8种可能构架同核耦合。另一方面，典型强度比例为1∶2∶1的三重结构的三条谱线和相同的距离J_H-H属于X³基团的三个质子的NMR信号，所述X³基团与X²基团的两个质子的4种可能构架同核耦合。¹H-¹³C的异核J耦合J_H-B-A(或者J_H-A)引起四重结构(或者三重结构)典型的对称分裂中心谱线周围的两个相同的亚基团(sub-group)。在这种情况下，¹³C核的自旋可以相对于场B₀平行或者反平行，以及移动四重结构(三重结构)离开中心谱线±J_H-B-A/2(±J_H-A/2)。图3显示该可以测量的谱。

如果满足下列方程，则低场中的X^M和X^K的自旋之间的同核J耦合可以测量。

$|J_{X^m-A}-J_{X^k-B-A}|>\left|J_{X^m{X}^k}\right|$

在这种情况下，J_XmXk被定义为核X^m(m＝[1，…M])和核X^k(k＝[1，…K])之间的同核J耦合常数。在自然的样本中，作为规律，在具有足够浓度的分子的部分A中，至少有一个异核不等于X，两个异核J耦合常数J_X-A和J_X-B-A关于它们的量也有不同。如果满足方程式，那么X^m和X^k核之间的磁等性被消去，因为耦合J_X-A≠J_X-B-A引起X核的NMR谱线的不等分裂，从而不同程度地移动X^m和X^k的原本相等的跃迁频率。然后，当X^m核的跃迁频率(通过ω_H+J_Xm/2给出)离X^k核的跃迁频率(通过ω_H+J_Xk/2给出)足够远时，X^m核可以进行独立于X^k核的自旋定向的磁跃迁。X^m和X^k之间的频率差必须大于X^m和X^k之间的同核J耦合，这是因为否则的话在一个X^m核的磁跃迁的过程中其他X^k核“跟随变频(swept along)”，从而作为一个原则同核J耦合再也无法测量。实际上，作为一个原则，实际的样品满足这些所需的边界条件，从而通过本发明的方法，不同的样品可以被成功的辨别。

在一个实施例中，采用有机分子作为样品，因为在大部分情况下，有机样品都满足执行本方法所需要满足的条件。主要在要确定(locate)或辨别包括有机分子的样品的时候应用本方法。

为了进一步确保本方法的可操作性，选择这样的样品，分子中存在满足下列方程的至少两个不同的异核J耦合。

$|J_{X^m-A}-J_{X^k-B-A}|>\left|J_{X^m{X}^k}\right|$

作为一个规律，这正是有机样品中的情况。特别是如果要确定这样的样品时，应用本方法。否则，在执行本方法之前，样品被适当地添加元素。

如果磁场小于10^-4T，那么本发明意义上的小的外部磁场B₀尤其存在。优选的应用地球磁场作为小的外部磁场，因为其基本上是特别均匀的。特别均匀的外部磁场有利于得到好的测量结果。

为了进一步得到更好的辨别能力，样品的异核J耦合被另外测量并用于辨别。基本上，样品可以由此得到完全的辨别，并且相对于本领域现有方法得到显著的提升。

为了能够以进一步改善的方式测量，在一个实施例中，样品通过核自旋的超极化(hyperpolarization)被预磁化。信噪比从而得到提高。

不论是否缺少化学位移信息，都可以通过本方法测定(determination)细节结构。技术人员认为需要化学位移信息和异核J耦合才可以得到细节分子结构的测定。在根据本发明的方法中，这些认识不是必需的，因为同核J耦合被观测，以及因为同核J耦合和异核J耦合一起能够以更加改善的方式得到细节分子结构测定。

在一方面，谱可以被描述。在另一方面，可以通过将谱与已知谱比较来分析样品。如果在样品中发现已知谱，这就意味着样品包括具有该已知谱的物质。

下面通过图和实施例进一步解释本发明。

图5显示了低场中对于X^M-A-B-X^K分子的同核耦合谱的结构，即对于弱耦合极限(|ω_H-ω_C|＞＞|J_H-C|)下的具有H³-C-B-H²结构的分子。¹³C核在基团A中具有1％的发生机率。该谱的结构在低场中看起来与高场中完全不同。对于X表示质子(¹H)的情况，图5进一步显示了M＝3，K＝2，以及对于所有X^M-A-B-X^K分子的1％，A基团中存在¹³C核，I＝1/2(自然发生机率¹³C＝1％)。X^M和¹³C以及X^K和¹³C的两个¹H-¹³C异核耦合常数被指定为J_H-A和J_H-B-A，以及X^M和X^K和J_H-Hω_H(ω_C)之间的¹H同核耦合常数意味着¹H(¹³C)核的拉莫频率。因为X^M和A之间的键的距离小于X^K和A之间的键的距离，应用下列方程

|J_H-C-J_H-B-C|＞|J_HH|

图5中显示的弱耦合极限(ω_H-ω_C＞＞J_H-A)下的低场中的¹H-NMR谱，一方面包括从磁等性以及非耦合自旋X^m和X^k产生的大的中心谱线，另一方面包括强度比中心谱线的强度低1000倍的两个对称的多重结构。两个多重结构包括两个四重结构和两个三重结构，其分裂图样是由于X³和X²之间的同核J耦合引起的。强度比例为1∶3∶3∶1的四重结构的四条谱线的和频率空间中的距离J_H-H属于X²基团的两个质子的NMR信号，所述X²基团与X³基团的三个质子的8种可能构架同核耦合。另一方面，强度比例为1∶2∶1的三重结构的三条谱线的和相同的距离J_H-H属于X³基团的三个质子的NMR信号，所述X³基团与X²基团的两个质子的4种可能构架同核耦合。¹H-¹³C的异核J耦合J_H-B-A(或者J_H-A)引起的t(或者三重结构)在中心谱线周围对称分裂为两个相同的亚基团。在这种情况下，¹³C核的自旋可以相对于场B₀平行或者反平行，以及移动四重结构(三重结构)离开中心谱线±J_H-B-A/2(±J_H-A/2)。

图6示意性地显示了对于弱耦合极限下的更复杂的n-丁醇的情况在低场中可观测到的所有¹H-¹H同核J耦合。

该n-丁醇分子包括4个线性排列的碳原子，其对于¹³C核自旋而言具有四种可能的位置(图6中1-4)。如果¹³C核自旋位于丁醇的位置1，CH₂基团的质子耦合在位置2和3，或者CH₃基团的质子耦合在位置4，对于位置1的CH₂基团的两个质子是同核耦合。具有在主谱线周围对称排列的频率距离²J_H-C，³J_H-C，和⁴J_H-C的三重结构对从中产生。J耦合常数旁边左上角的数字指示了观测的核之间的化学键的数量。单个三重结构依次反映了CH₂基团或CH₃基团(位置2-4)的¹H-¹H同核J耦合，CH₂基团的质子在位置1。因为键的距离不同，存在三个不同的同核耦合常数³J_H-HC＞⁴J_H-H＞⁵J_H-H。多个J耦合谱线允许在附近的分子的结构确定。

如果¹³C自旋位于位置2或3，那么结果是由三个三重结构对构成的相似耦合图样，然而，J耦合常数全都可以不同于前面显示的J耦合常数。如果¹³C自旋位于位置4，那么结果是三个三重结构对同样具有不同的同核和异核J耦合常数。整个J耦合图样用于分辨n-丁醇分子。用这种方式，得到n-丁醇分子的结构的指纹(fingerprint)，或者说根据本发明可以在低场中通过测量异核和同核网络而不用了解化学位移即可以测量指纹。可以这样说，通常根据本发明的方法也可以被应用于复杂分子，而没有复杂的高频电子系统，超导磁体或精细冷却技术(SQUIDs)。

如果弱耦合极限的条件没有达到，那么谱会更复杂。如图5中的示例，涉及强耦合CH₃基团(ω_H-ω_C～J_H-C)，那么四重结构对变成八重结构对，三重结构对变成9条谱线的对。

因为X^M和X^K核之间的同核J耦合常数可以非常小(作为一个规律，＜1Hz)，使用的谱仪应当以有可能达到的最好的分辨率操作。理想的，谱仪应当呈现可以忽略的仪器的线形展宽，即谱线的宽度接近(尽可能最小的)自然线宽。

以相同的理由，应当注意使用的低场NMR谱仪应当非常灵敏。对于主谱线来说信噪比应当远大于1000，从而和稀少的核(即1％发生机率的¹³C)以异核形式耦合的少数X核可以被可靠的观测。如果稀少的核是例如¹⁵N(I＝1/2)，那么关于谱仪灵敏度的要求要更高，这是因为¹⁵N核的自然发生机率为0.36％。

如果使用的NMR谱仪的灵敏度不够，待检测样品可以被添加同位素元素，即例如添加¹³C。然后，所有同核¹H-¹H耦合谱线的强度增大将近两个数量级。这意味着对谱仪灵敏度的要求不再有那么高。然而，添加元素的方法是昂贵的，也难以在移动应用中采用(例如，石油分子的在线分析)。

图7显示了根据本方法测定四甲基硅烷(TMS)分子的结构，以及对于X^M-A-B-X^K分子的一般配置而言的TMS分子片段的构架。例如，X＝¹H，M＝3，K＝9，A＝¹³C以及B＝(¹²C)₃-Si。

对于所有TMS分子的大约1％，自旋I＝0的¹²C核被自旋I＝1/2的¹³C核所代替。从而，这里的A基团仅是¹³C核，B基团包括三个键合在中央Si原子上的¹²C原子。实际上，Si具有95％的核自转I＝0的²⁸Si，以及4.7％的核自旋I＝1/2的Si。待检测的X核是质子，M＝3的具有磁等性的质子键合到基团A(＝¹³C)，以及K＝9具有磁等性的质子键合到基团B。因为所有Si原子的4.7％是核自旋I＝1/2的²⁹Si原子，由于在12个质子和²⁹Si之间的异核耦合J_H-Si＝6.617Hz，¹H谱分裂成两条谱线。图2中已经描述过这种J耦合双重结构(²⁹Si核相对于场B₀平行或者反平行)。

现在，在一百个TMS分子中，A基团中有一个¹³C核(1％发生机率概率)，其通过两个不同的异核¹H-¹³C耦合(¹J_H-A～120Hz和³J_H-B-A～2Hz)消去了12个质子的磁等性。在B基团中K＝9的具有磁等性的质子和A基团中M＝3的具有磁等性的质子以同核耦合常数⁴J_H-H ^＜＜1Hz的同核方式耦合。由于M＝3的质子具有8种可能的构架(所有的三个¹H向上，或者所有的三个¹H向下，或者两个向上一个向下，或者一个向上两个向下，上述每种情况都有一个三重简并态)，测量两个具有频率距离3./h-b-a～2Hz的四重结构，如图8所示。表示的是通过¹H-NMR在地球磁场中测量TMS的¹H-¹H同核耦合。在相同的时间，以高分辨率观测异核¹H-²⁹Si(其中J_H-Si＝6.617Hz)，¹H-¹³C的J耦合(其中³J_H-B-A＝2.139Hz)以及具有四重结构对的⁴J_H-H＝0，209Hz的同核¹H-¹H耦合。从而可以用可能的最高准确度测量非常小的同核J耦合(0.209Hz)，以及从而可以捕捉分子的微小的结构差别。由此，可以在单一的谱中捕捉分子的整个结构。

如果X＝¹³C用于被测量的核那么提出的用于说明结构的方法的潜力还要更大。比起质子谱，谱的分辨率要好10倍以上，这是由于¹³C核的T₂驰豫时间可以变得非常长(T₂～3秒到3分钟)。但是由于信噪比非常小，必须采用强大的预磁化，例如PHIP(仲氢诱导极化转移，Para Hydrogen Induced Polarization Transfer)、SEOP(自旋交换光学泵浦，Spin Exchange Optical Pumping)或者SPINOE(自旋极化诱导奥氏核效应，Spin Polarized Induced Nuclear Overhauser Effect)方法。[参见：Bowers，C.R.& Weitekamp，D.P.Transformation of symmetrization orderto nuclear-spin magnetization by chemical reaction and nuclear magneticresonance.Phys.Rev.Lett.57，2645-2648(1986)；Goldman，M.，Jóhannesson，H.，Axelsson，O.& Karlsson，M.Hyperpolarization of ¹³Cthrough order transfer from parahydrogen：A new contrast agent for MRI.Magn.Reson.Imag.23，153-157(2005)；Happer，W.Optical Pumping.Rev.Mod.Phys.44，169-249(1972)；Appelt，S.et al.Theory ofSpin-Exchange Optical Pumping of ³He and ¹²⁹Xe，Phys.Rev.A 58，1412-1439(1998)；Bouchiat，M.A.，Carver，T.R.& Varnum，C.M.Nuclear Polarization in He³ Gas Induced by Optical Pumping and DipolarExchange.Phys.Rev.Lett.5，373-375(1960)；Colegrove，F.D.，Schearer，L.D.& Walters，G.K.Polarization of He³ Gas by Optical Pumping.Phys.Rev.132，2561-2572(1963)]。

现在仅考虑场＜10^-4T的NMR谱法的一维情况。在不同的多对NMR谱中，有可能推导出键合到A或B基团的测量得到的核(例如¹H，¹³C，……)的明确数量。即使可以从谱中测量得到所有的异核耦合常数，也不可能在每一种情况中都推导出测量的核和哪一个核耦合。通过向谱中引入频率空间的第二维度可以解决该问题。在与二维NMR相似的方法中(参考：Ernst，R.R.，Bodenhausen，G.& Wokaun，A.Principles of Nuclear Magnetic Resonance in One and Two Dimensions(Clarendon Press，Oxford，UK，1987))，例如有可能在测量谱的时候连续以低强度以射频辐射。辐射频率应当远离被测量核的拉莫频率，从而没有影响被测量核的信号测量。如果射频和未知核共振，而该未知核和被测量核发生异核耦合，那么该异核J耦合达到平均以及相关多个对在谱中消失。由于辐射的频率已知，从而可以得到核属于那种类型的结论。如果测量核的一维实验以不同的射频重复多次，那么得到二维NMR谱，在第一维度中的频率空间中，所有被测量核的同核和异核J耦合被分开，以及在第二维度中的频率空间中，和被测量核以异核方式耦合的所有类型的核(除质子以外)被分开。

TMS分子在地球磁场(4.698-10^-5T)中的的情况下相关质子的拉莫频率是200Hz(γ_H＝4.257kHz/G)。而¹³C的拉莫频率是503Hz(γ_13C＝1.0708kHz/G)以及²⁹Si的拉莫频率是397.7Hz(γ_29si＝-0.8465kHz/G)。如果例如以场强度B₁辐射503Hz频率，那么¹³C在拉比(Rabi)频率V_R＝γ_13C B₁磁性振荡以及最后达到¹H-¹³C异核J耦合平衡。在一维的¹H的TMS谱中，图8中显示的四重结构对消失，因为四重结构对出现的条件是¹H-¹³C异核J耦合。以相同的方法，如果使用397.7Hz的辐射，¹H-²⁹Si的异核J耦合最后达到平衡。在质子的2D谱中异核被共振的地方出现多重结构的倾斜(dip)。图9中说明了该问题，其中显示了TMS分子在地球磁场中的¹H的2D谱的仿真。相比较1D谱可能达到的效果，更好的分子结构得到绘制，这是由于除了J耦合常数之外，所涉及的所有类型的核，包括它们所涉及的J耦合都可以从2D谱得到。

如果在一个实施例中，选择mT范围的更大的磁场代替地球磁场，那么这里提出的2D低磁场NMR方法可以被进一步优化。在1mT(＝10^-3T)，时，¹³C核的拉莫频率大约是10kHz。由于¹³C的化学位移的范围是约100ppm，由于不同的化学环境导致的¹³C共振频率的差大约是1Hz。提供非常均匀(ΔB₀/B₀～10^-6)的暂时稳定的磁场B₀＝1mT，那么有可能在¹H的2D谱中(～42kHz的拉莫频率)通过改变辐射的¹³C射频(例如以每步10mHz)区别不同的¹³C化学位移。在2D谱中，这允许以相关的J多重结构对来分配每一个测量的¹³C化学位移，从而能够最终说明分子结构。

用上述方法，可以进行例如石油分子的动态结构说明。根据同核和异核J耦合，能够在石油勘测(已经达到或者在井中)中在线的区别例如庚烷、辛烷、苯和其他石油基团，从而以最精确的方式区别石油的质量。

例如在困难条件下(例如大的化学反应池)的在技术过程中发生的化学反应在反应过程中，可以通过根据本发明的(移动)NMR的方式被辨别。这对于例如在塑料制造过程中的在线辨别聚合反应是很重要的。

液态饮食产品(例如酒精饮料、乙醇、液体香料复合产品等)的质量保证是应用本申请方法的另一个领域。

最后能够对小到中型蛋白质或生物分子进行结构绘制的移动NMR设备在制药行业引起很大的兴趣。基本上，本申请的方法使移动NMR设备相对于超导磁体的结构分析表现更加具有灵活性和经济性。

下面描述实现移动高分辨率NMR方法的设备。

设备的中心单元如图10所示，包括两个亥姆霍兹线圈(Helmholtzcoil)(4)，所述两个亥姆霍兹线圈产生尽可能均匀的磁场(5)(B₀＝0.2-200G)。在这种情况下，均匀度ΔB/B₀至少是1ppm。为了得到B₀场的足够的时间稳定性，电流稳定器(6)必须具有1小时以上高于1ppm的时间稳定性。如果需要，可以通过使用额外的匀场线圈(shim coil)而实现必须得到的均匀性。屏蔽罩(10)防止测量场所的环境造成的磁场的变化和变形。

要测量的样品(1)所需的极化通过在Halbach磁体(2)的预磁化或者其他超极化技术(11)(SEOP，PHIP，SEOP+SPINOE)之一而得到，之后样品转移(5)到测量线圈(7)中。在样品的纵向驰豫时间短(Ti＜1s)的情况下，从Halbach磁体(2)到测量线圈(7)的转移可以通过压缩空气的方法在100ms之内实现。

样品被传送线圈(8)以NMR电子系统(9)产生的DC或AC脉冲而激发。然后，用接收线圈(7)和NMR电子系统(9)测量“自由感应衰减”(FID)，以及通过数据采集系统的方式记录以及从而进行评价。

图10的配置使超高分辨率NMR谱法的移动性能成为现实。屏蔽因子至少5000的磁性双屏蔽罩和关于未耦合质子具有几千信噪比的高灵敏度NMR电子系统一起形成本申请的特别的特征。

在此进一步讨论超低场中的同核J耦合的测量原理。假设有包括两个没有核自旋的化学基团A和B的简单分子，以及质子¹H连接到每一个基团(如图11a左图)。有两个跃迁频率分别为ω_H，A和ω_H，B的化学位移分别对应¹H-A and B-¹H，以及同核J耦合常数J^hom。在对高磁场几乎永远满足的弱耦合极限|ω_H，A-ω_H，B|＞＞2π|J^hom|情况下耦合常数容易测量。但是对磁场强度B₀＜10^-4T的超低场，强耦合极限对应|ω_H，A-ω_H，B|＜＜2π|J^hom|。两个极限通过图1a右侧的两个耦合振子的机械模拟而说明。每个振子表现一个化学基团i，其中i等于¹H-A-B-¹H分子的H-A，H-B、弹簧常数D₁的弹簧和质量m。两个振动频率是ω_i＝(D_i/m)^1/2。在该模型中，两个质子的同核J耦合相当于两个质量之间的弹簧常数为D^hom的弹簧。在高场中，两个基团磁性相等，|ω_H，A-ω_H，B|＞＞(D^hom/m)^1/2，从而ω_H，A≠ω_H，B，以及弹簧导致频率(D^hom/m)^1/2的振动。线形谱(图11b)显示了两个频率的化学位移以及通过同核J耦合导致的¹H谱线位移的分裂。在超低场中，两个基团磁性相等，如同两个弹簧常数相等(D_H，A＝D_H，B)。两个质量将同相位的以下列相同位移振动，以及弹簧常数D^hom不影响运动。这样谱仅在频率ω_H＝ω_H，A＝ω_H，B(图11c)包括一条谱线。在这种情况下，不能得到关于同核J耦合常数的信息。

在图11d中，弹簧模型通过两个附加的弹簧被扩展，弹簧系数为 $D_{H,C}^{\mathrm{het}}\≠D_{H,B,C}^{\mathrm{het}}$ 的弹簧平行弹簧系数为D_H，C和D_H，B的弹簧。这样即使D_H，C＝D_H，B，对两个质量也导致不同的振动频率，以及由于D^hom产生可观测的振动。在一个基团而不在另一个基团中的异核自旋的出现，引起两个质子之间的磁等性。如果为简单起见，仅一个¹³C原子被假设为基团A，一个得到分子结构¹H-¹³C-B-¹H(图11d左侧)。现在，两个质子显示了两种不同的异核J耦合常数J_H，C ^het，J_H，B，C ^het，其为了消灭超低场中的化学位移差而调整两个质子频率。因此，如果

常数J^hom的同核耦合在超低场中是可见的。量子力学计算显示，该条件对与多自旋系统一般是正确的，包括所有的同核和异核J耦合。期望的谱(图11e)包括两对以不同异核J耦合常数环绕频率ω_H双重结构组。现在，同核和异核J耦合常数两者都可以在超低场中测量。

现在谈论下面研究的液体：在自然界丰富存在的具有¹³C和硅²⁹Si四甲基硅烷(TMS)，99％的¹³C富含甲醇。样品准备，地球磁场NMR设置，预极化和测量过程在其他地方描述[41]。

为了对J耦合的N+1自旋系统(N个质子自旋，一个¹³C自旋)NMR谱进行仿真，数值计算初始密度矩阵在N+1个自旋哈密顿矩阵(Hamilton matrix)的影响下的时间演化。通过N个质子自旋算符和通过一个¹³C自旋算符，构建2^N+1x 2^N+1维的J耦合哈密顿矩阵，上述质子自旋算符和¹³C自旋算符通过直乘得到[42]。“自由感应衰减”(FID)通过计算总的横向质子自旋乘密度矩阵的迹而得到。在计算FID的傅里叶变换之后，谱被相位校正。横向弛豫时间被引入，从而重要的谱的特征被很好的解决。

在自然界中丰富的四甲基硅烷(TMS)的同核J耦合在地球磁场中的¹H-NMR谱被首次观测。TMS具有十二个质子，其和硅同位素²⁹Si(含量f＝0.047)或者和¹³C(f＝0.01)J耦合。图12中的TMS的J耦合的¹H-NMR谱主要是¹H-²⁹Si耦合。图12显示了在2060.3Hz的单独的中心谱线其归一化强度A₀＝1以及¹H-²⁹Si J耦合双重结构，及²J_H.Si＝6,607Hz(J耦合常数的左面的上角标表明了耦合的核之间的化学键的数量)。由于所有的¹H-²⁹Si异核J耦合常数相等且满足条件|ω_H-ω_Si|＞＞2π|J_H，Si|，所以¹H-²⁹Si双重结构没有子结构。这样，十二个质子相对²⁹Si都是具有磁等性的，以及同核J耦合常数⁴J_H，H是无法观测的。但是对于1％的¹³CH₃-Si-(¹²CH₃)₃分子，情况显著不同，三个质子耦合到¹³C，异核J耦合常数¹J_Ha.C＝118Hz[41]，其不同于耦合到¹³C的9个质子的耦合常数其³J_Hb.C＝2.139Hz。该异核¹H-¹³C J耦合常数常数的差打破¹³CH₃基团的三个质子和三个¹²CH₃基团的9个质子之间的磁等性由于在地球磁场中

以及|¹J_Ha，C-³J_Hb，C|＞＞|⁴J_Ha，Hb|，期望的¹H-TMS谱包括一对四重结构和一对四十条谱线。实际上，近似的TMS谱(图12)显示了一对四重结构，其强度比是1∶3∶3∶1，其对称的环绕未耦合的¹H谱线。每个四重结构的³J_Hb，C＝2.139Hz的两个中心之间的频率分离被确定。两个后续四重结构谱线的频率差是⁴J_HaHb＝0.209Hz。最小的四重结构谱线的强度小于未耦合的质子强度A₀的1000倍。

多重谱线的强度可以被估计。我们确定M为所有质子自旋的数量，N为一个组的质子自旋的数量，以及M-N为另一个组的质子自旋的数量。如果M-N自旋被观测，N+1多重结构的最小的谱线的强度为A_N+1＝A₀×f×(1/2)×((M-N)/M)/2^N。对于TMS而言，M＝12，N＝3，f＝0.01，以及A₀＝1，最小四重结构谱线为A₄＝5x 10^-4，其满足图12中所示的TMS谱中的最小的四重结构谱线.

由于强耦合|ω_H-ω_C|＝2π×1542Hz≈13×2π|¹J_Ha.C|，¹³CH₃基团的三个质子的¹H谱首先分裂成一对四条谱线。下面的内容将解释为什么会分裂成四条谱线。由于其他三个甲基基团的九个质子的同核J耦合，这些四条谱线中的每一个进一步分裂成具有十条谱线的多重结果。M-N+1的多重结构的强度最小的谱线的强度是A_M-N+1＝A₀×f×(1/2)×(N/M)/2^M-N，如果N自旋被观测。对于TMS，结论是A₁₀＝2x 10^-6。四十条谱线中最小的谱线的强度通过A₄₀＝(1/4)A₁₀≈5x 10^-7给出，其不能通过我们的谱仪得到测量。在相关的线宽为约1Hz的TMS的高磁场的¹H谱中，¹H-²⁹SiJ耦合常数难以分解，四重结构对隐藏在未耦合质子的宽的谱线中。在高磁场中，¹H-¹³C的J耦合双重结构¹J_H.C＝118Hz被观测[41]，但是包括一对具有十条谱线，每个间隔为0.209Hz的多重结构的完整结构没有分解。应当注意的是，地球磁场TMS谱相对于高磁场谱产生更多的结构信息，虽然无法在超低场¹H谱中得到化学位移的信息。

图13中在两个不同温度测量的显示了地球磁场中的富含甲醇的¹³C的¹H谱(f＝0.99)。在T＝60℃，OH质子在不同的分子之间迅速交换(停留时间τ＜＜0.1s)从而它们不经历任何同核或异核J耦合。这些未耦合的质子在¹H谱中是可见的，中心谱线在2061.29Hz，如图13a顶部所示。在主要的迅速交换的情况下，J耦合地球磁场谱是四自旋系统和三质子一个¹³C系统的强耦合的示例，其中

我们观测到一对多重结构的四条谱线的每一条(图13a顶部)。非对称的图形的改变了的谱线之间的距离满足横向¹H磁化的量子力学的计算，所述横向¹H磁化收到四自旋¹³CH₃哈密顿量和¹J_H.C＝140.6Hz⁴⁴(参见图13a，底部)之间的强耦合的影响而分解。我们注明分裂完全是因为低磁场中的强异核¹H-¹³C J耦合，其中¹³CH₃哈密顿矩阵的非对角元素在塞曼本征基础(Zeeman eigen-basis)中比起相关的对角元素不再是小值。这导致能量本征值的不同偏移，以及引起两个J耦合谱线的简并。对每个J耦合谱线的四条谱线的数量可以如下解释：如果我们观测¹³CH₃基团的一个质子，其他两个质子的自旋相对于磁场可以组成具有三个可能定向的三重态或者一个可能定向的单态的其中之一。这导致总的1+3＝4条具有不同频率的谱线。虽然地球磁场谱不能提供具有质子化学位移的信息，¹³CH₃基团的化学结构可以通过分裂成四条谱线的对确定。相似的现象首先被Benoit等人报告，他们观测到PH₂基团在低磁场中强耦合的两条谱线的对[39]。总而言之，我们从YX_N基团强耦合的仿真发现了多重结构对的测量，其中每个多重结构的谱线的数量K为：

$K=\underset{n=1,n\∈U}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}N-n+1---\left(1\right)$

其中，U是一组奇数。换言之，强耦合¹³CH_N基团，N＝1，2，3，4可以被确定为在超低场谱中分别有一对一条、两条、四条、六条J耦合谱线。

在温度T＝-80℃(图13b，顶部)，OH质子的停留时间足够长(τ＞1秒)，OH和¹³CH₃基团之间的同核J耦合不能最终归于平均[45，46]。现在，在两个强耦合限制的条件下，观测H-O-¹³CH₃五自旋系统，其中 以及

同核J耦合开始被观测，以及在图13a的谱线的组中的4条强耦合¹H谱线的每一条分裂成两重结构，结果是形成每组八条谱线的外部的对(图13b顶部)。双重结构的谱线之间的频率分离开的大约是同核耦合常数³J_H，H＝5.0Hz⁴⁴。观测到的每组八条谱线的外部的对完全满足如图13b底部所示的量子力学的计算结果，其中J耦合常数假设为¹J_H.C＝140.6Hz，²J_H.C＝-2.4Hz，and³J_H.H＝5.0Hz[44，47]。计算同时预测了围绕未耦合的¹H谱线2061.29Hz的六个可观测跃迁的对，如图13b底部所示。六条谱线的数量形式上类似强异核耦合¹³CH₄分子，但区别是现在一个OH质子和¹³CH₃基团的其他三个质子的强同核J耦合

应当注意，未耦合的¹H谱线的频率的小的峰在图13b中的实验谱中是可见的(但在仿真谱中不可见)。这是由于1％甲醇分子包含没有核自旋的¹²C的未耦合¹H信号。

总而言之，我们展示了通过NMR在超低场中可以得到关于分子结构的有价值的信息，其中不需要化学位移的信息。两个原因促成该可能性：1)由于应用强异核耦合极限

化学基团(例如¹³CH₃)可以在超低场中确定，这导致1H共振的异核分裂成多重结构对的特性。2)如果两个或多个不同的化学基团构建成分子，而这些基团中的一个包括稀有自旋，例如¹³C核，那么同核和异核耦合网络可以作为多重结构对而观测到。该多重机构的产生机制在于不同化学基团的质子之间的磁等性被不同化学基团的质子和稀有自旋之间的不同的异核J耦合所提升。虽然是低磁场，大分子和自然界中丰富的稀有自旋之间的谱的复杂性较高，我们可以使用谱的图样作为分子结构的指纹。结果是，在超低场场中不仅能够以高准确度研究分子结构，也可以包括动态过程，例如中间分子的¹H交换。

涉及图11到13的图例：

图11.机械模拟¹H-NMRJ耦合。(a)表现通过化学基团A和B的、两个自旋¹H-A-B-¹H(左侧)以耦合常数J^hom同核J耦合的作用的珠子和弹簧模型(右侧)。D_H.A’，D_H，B’，和D^hom表示相应的弹簧常数。以及m是两个耦合的机械振子的质量。如果D_H.A＝D_H.B，那么D^hom不能被测量。对应的高磁场(b)和超低场谱(c)被绘制为线形谱(stickspectra)。(d)三自旋系统¹H-¹³C-B-¹H(左侧)和对应的机械模拟(右侧)。J_H，C ^het和J_H，B，C ^het是两个不同的异核J耦合常数，在珠子和弹簧的模型中，其对应D_H，C ^het和D_H，B，C ^het应当注意的是，即使D_H，C＝D_H，B·e，D^hom也可以测量。对应的超低场中的线形谱显示所有的三个同核和异核J耦合。

图12.四甲基硅烷(TMS)的J耦合地球磁场¹H谱。T＝60℃的九个扫描被平均。未耦合质子的跃迁频率2060.3Hz(B₀＝4.8391x 10^-5T)的谱线被归一化为一。在²J_H，Si＝6.607Hz的双重结构对应于异核¹H-²⁹Si J耦合是因为TMS分子包含²⁹Si但是不包括¹³C。通过异核J耦合常数³J_Hb，C＝2.139Hz分离的附加四重结构对显示出同核J耦合常数⁴J_Hb.Ha＝0.209Hz，其由于TMS分子包括¹³C但是不包括²⁹Si。每个四重结构的线宽大约是0.05Hz。

图13.富集甲醇的99％¹³C的¹H谱地球磁场中的实验和仿真J耦合。所有的实验谱经过九次平均。所有的仿真谱的线宽是0.16Hz(T₂＝2秒)。(a)¹H谱(顶部)在T＝60℃测量，显示了一对四条非对称展宽的谱线。J耦合实验的线宽大约为0.07Hz。谱的仿真显示在底部。(b)¹H谱(顶部)在T＝-80℃测量。因为中间分子的¹H交换慢，可以测量OH和¹³CH₃基团之间的质子的同核J耦合。J耦合线宽大约是0.6Hz。五自旋系统HO-¹³CH₃仿真谱在底部显示。

参考文献

R.R.Ernst，G.Bodenhausen，A.Wokaun，Principles of NuclearMagnetic Resonance in One and Two Dimensions，Clarendon Press，Oxford，UK，1987.

.J.Jeener，B.H.Meier，，Bachmann，P.& Ernst R.R.Investigationof exchange processes by two-dimensional NMR spectroscopy.J.Chem.Phys.71，4546-4553(1979).

W.G.Proctor，F.C.Yu，Phys.Rev.81(1951)20.

W.G.Proctor，F.C.Yu，Phys.Rev.77(1950)717.

.Arnold，J.T.，Dharmatti，S.S.& Packard，M.E.Chemical Effectson Nuclear Induction Signals from Organic Compounds.J.Chem.Phys.19，507(1951).

M.A.Bouchiat，T.R.Carver，CM.Varnum，Phys.Rev.Lett.5(1960)373.

Colegrove，F.D.，Schearer，L.D.& Walters，G.K.Polarization of³He Gas by Optical Pumping.Phys.Rev.132，2561-2572(1963).

W.Happer，Rev.Mod.Phys.44(1972)169.

B，Driehuvs，G，D.Cates，E，Miron，K，Sauer，D，K，Walter，W.Happer，Appl，Phys，Lett，69(1996)1668，

S.Appelt，A.Ben-Amar Baranga，CJ.Erickson，M.V.Romalis，A.R.Young，W.Happer，Phys.Rev.A 58，(1998)1412.

CR.Bowers，D.P.Weitekamp，Phys.Rev.Lett.57(1986)2645.

M.Goldman，H.Jóhannesson，O.Axelsson，M.Karlsson，Magn.Reson.Imag.23(2005)153.

G.Navon，Y.-Q.Song，T.Room，S.Appelt，R.E.Taylor，A.Pines，Science 271(1996)1848.

S.Appelt，F.W.

S.Baer-Lang，NJ.Shah，B.Blümich，Chem.Phys.Lett.348(2001)263.

Y.S.Greenberg，Rev.Mod.Phys.70(1998)175.

McDermott，R.et al.Liquid-State NMR and Scalar Couplings inMicrotesla Magnetic Fields.Science 295，2247-2249(2002).

Trabesinger，A，H，et al.SQUID-Detected Liquid State NMR inMicrotesla Fields.J.Phys.Chem.A 108，957-963(2004).

Bemarding，J.et al.J-Coupling Nuclear Magnetic ResonanceSpectroscopy of Liquids in nT Fields.J.Am.Chem.Soc.1 28，71 4-715(2006).

LK.Kominis，T.W.Komack，J.C.Allred，M.V.Romalis，Nature422(2003)596.

I.M，Savukov，M，V.Romalis，Phys.Rev，Lett.94(2005)123001.

Savukov，I.M.，Lee，S.-K.& Romalis，M.V.Optical detection ofliquid-state NMR.Nature 442，1021-1024(2006).

CA.Meriles，D.Sakellariou，D.H.Heise，A.J.Moulé，A.Pines，Science 293(2001)82.

J.Perlo，V.Demas，F.Casanova，CA.Meriles，J.Reimer，A.Pines，B.Blümich，Science 308(2005)1279.

S.Appelt，F.W.

H.Kühn，J.Perlo，B.Blümich，Phys.Rev.Lett.94(2005)197602.

M.Packard，R.Varian，Phys.Rev.93(1954)941.

Melton，B.F.& Pollαk，V，L，Instrumentation for the Earth′s FieldNMR Technique.Rev.Sd.Instrum.42，769-773(1971).

A.Shushakov，Geophysics 61(1996)998.

R.J.S.Brown，Conc.Magn.Reson.13(2001)344.

Béné，G.J.，Borcard，B.，Hiltbrand，

& Magnin，P.in NMR inMedicine(ed.Damadian，R.)81-99(Springer，Berlin，1981).

Goedecke，R.& von Boetticher，H.Erdfeld-NMR：ApparativeEntwicklungen zur In-vivo-Analyse von

und weichemGewebe.Z.Med.Phys.9，130-138(1999).

J.，Kos，M.，G.&V.StrongNonuniform Magnetic Field for Self-Diffusion Measurement by NMR inthe Earth′s Magnetic Field.J.Magn.Reson.A 107，167-172(1994).

Belorizky，E.et al.Translational Diffusion Constants andIntermolecular Relaxation in Paramagnetic Solutions with HyperfineCoupling on the Electronic Site.J.Phys.Chem.A 102，3674-3680(1998).

G.，

J.& Kos，M.Relaxation-TimeMeasurement and Imaging in the Earth′s Magnetic Field.J.Magn.Reson.A 110，170-174(1994).

Robinson，J，N.etal.Two-dimensional NMR spectroscopy inEarth′s magnetic field，J.Magn.Reson.182，343-347(2006).

M.E，Halse，A.Coy，R.Dykstra，C.Eccles，M.Hunter，R，Ward，P.T，Callaghan，J.Magn.Reson.182(2006)75.

P.T.Callaghan，CD.Eccles，J.D.Seymour，Rev.sci.instmm.68(1997)4263.

Callaghan，P.T.，Dykstra，R.，Eccles，C.D.，Haskell，T.G.&Seymour，J.D.A nuclear magnetic resonance study of Antarctic sea icebrine diffusivity.Cold Regions Science and Technology 29，153(1999).

Mercier，O，R.，Hunter，M，W.& Cαllαghαn，P，T.Brine diffusionin first-year sea ice measured by Earth′s field PGSE-NMR.Cold RegionsScience and Technology 42，96-105(2005)，

H.Benoit，J.Hennequin，H.Ottavi，Chimie Analytique 44(1962)471.

GJ.Béné，Phys.Rep.58(1980)213.

S.Appelt，H.Kühn，F.W.

B.Blümich，Nat.Phys.2(2006)105.

PJ.Hore，J.A.Jones，S.Wimperis，NMR：The Toolkit，OxfordUniversity Press，2000.

Burghoff，M，，Hartwig，S，，Trahms，L，& Bernarding，J，Nuclearmagnetic resonance in the nanoTesla range.Appl.Phys.Left，87，054103(2005).

F.A，Bovey，NMR Data Tables for Organic Compounds，Wileylnterscience Publishers，New York，1967.

E.Grunwald，C F.Jumper，S.Meiboom，J.Am.Chem.Soc.84(1962)4664.

Farrar，T.C，Wendt，M.A.& Zeidler，M.D.Oxygen-17-inducedProton Relaxation Rates for Alcohols and Alcohol Solutions.J.Braz.Chem.Soc.10，321-325(1999).

M.Pecul，T.Helgaker，Int.J.MoI.Sci.4(2003)143.

Claims (17)

1.一种通过核磁谱法检测样品的方法，其特征在于在小磁场中测量同核J耦合和样品的异核J耦合以及使用测量的同核耦合辨别样品，其中样品的¹H-¹HJ耦合被测量以及用于辨别，并且其中样品被预磁化，即通过超极化样品的核自旋预磁化，其中样品的异核J耦合也用于辨别，并且磁场弱于10^-3特斯拉。

2.如权利要求1所述的方法，其中样品的体积是0.1至4cm³。

3.如权利要求1或2所述的方法，其中样品在磁场强度至少0.1特斯拉的磁场中预磁化。

4.如权利要求1所述的方法，其中使用有机分子作为样品。

5.如权利要求1所述的方法，其特征在于具有X^M-A-B-X^K结构的分子被作为样品检测，其中A和B是任意的键合了磁等性自旋X的分子基团；X型自旋m＝1，2，…，M，称为X^M，键合到分子基团A；X型自旋k＝1，2，…，K，称为X^K，键合到分子基团B；X表示待测的质子或者其他核。

6.如权利要求1所述的方法，其中选择或提供样品使得样品中至少存在两种不同的异核J耦合。

7.如权利要求1所述的方法，其中在测量质子谱的过程中持续进行射频辐射，辐射频率与¹H的拉莫频率显著不同。

8.一种通过核磁谱法检测样品的方法，其特征在于在小磁场中测量同核和异核J耦合，以及样品中的分子结构能够通过相关的多重结构确定，其中磁场弱于10^-3特斯拉。

9.如权利要求8所述的方法，其特征在于包括B₀场的NMR谱仪引起远远小于测量核的自然线宽的仪器谱线展宽。

10.如权利要求8或9所述的方法，其中NMR谱仪非常灵敏，从而能够以足够的信噪比测量多重结构中的小的强度。

11.如权利要求8所述的方法，其中样品的体积是0.1至4cm³。

12.如权利要求8所述的方法，其中样品在磁场强度至少0.1特斯拉的磁场中预磁化。

13.如权利要求8所述的方法，其中使用具有至少两个不同的异核J耦合的分子。

14.如权利要求8所述的方法，其特征在于使用具有X^M-A-B-X^K结构的分子作为样品，其中A和B是任意的键合了磁等性自旋X的分子基团；X型自旋m＝1，2，…，M，称为X^M，键合到分子基团A；X型自旋k＝1，2，…，K，称为X^K，键合到分子基团B；X表示待测的质子或者其他核。

15.如权利要求8所述的方法，其中待测量的核自旋通过超极化技术被极化。

16.如权利要求8所述的方法，其中，为了确定发生J耦合的核的类型，在核X类型的NMR谱的测量过程中，连续提供射频辐射，辐射的频率与基团A或B中的异核耦合的核共振，并且辐射的频率远离核X的频率从而使得不与测量发生干扰。

17.一种用于执行如上述任意一项权利要求所述的方法的设备，该设备具有用于执行样品极化的装置，具有用于激发样品的传送线圈(8)，具有用于产生均匀磁场的装置，所述均匀磁场具有超过1cm³以及超过一小时的至少1ppm的均匀性，具有屏蔽因子至少5000的磁屏蔽罩。

Images