CN105806870A - 一种抵抗磁场不均匀的纯化学位移核磁共振谱方法 - Google Patents

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Abstract

一种抵抗磁场不均匀的纯化学位移核磁共振谱方法，涉及核磁共振波谱学检测方法。将待检测样品装入标准核磁试管中，送入核磁谱仪检测腔；调用常规一维氢谱序列采集待检测样品的一维氢谱，获得其信号谱峰分布范围和线宽信息；测量激发待检测样品所需非选择性90°射频脉冲的脉宽及溶剂选择性(90°)I射频脉冲的脉宽和功率；在核磁共振波谱仪上导入核磁共振脉冲序列，并打开该脉冲序列的信号激发、间接维恒时演化、分子间零量子相干信号选择、信号采样模块；设置实验脉冲序列各个模块的实验参数，执行数据采样；当数据采集后，调用数据后处理代码进行数据后处理，包括谱图折叠校正和信号线性预测，即得免于磁场不均匀干扰的高分辨纯化学位移谱。

Description

一种抵抗磁场不均匀的纯化学位移核磁共振谱方法
技术领域
本发明涉及核磁共振(NMR，NuclearMagneticResonance)波谱学检测方法，尤其是涉及能抵抗磁场不均匀而在任意磁场环境特别是不均匀磁场环境下获得高分辨纯化学位移谱的一种抵抗磁场不均匀的纯化学位移核磁共振谱方法。
背景技术
核磁共振波谱技术作为一种被广泛使用的无损检测分析技术，能提供分子水平的化学信息，常被用于化学和生物样品的成分鉴定和结构分析。在核磁共振谱学检测中，由于一维氢谱具有较高的采样效率，且在天然丰度下，氢核比其它可用于核磁共振检测的原子核具有更高的信号灵敏度，而且氢核存在于大量的实际物质中，因而一维氢谱的使用最为广泛。由于氢-氢之间的J偶合效应使得偶合核的谱峰产生偶合裂分，使得谱线拥挤而导致谱峰识别度下降，而氢核较窄的化学位移分布范围更加重了一维氢谱的拥挤，使得谱峰识别和信号归属困难。虽然通过提高主磁场强度的方法可提高谱图分辨率，减少谱峰重叠，但受限于低温超导技术和制造工艺，近二十年来通过提高主磁场强度的方法也只是使分辨率提升了两倍左右。因此，通过脉冲序列设计消除氢-氢之间J偶合作用的影响，只保留化学位移信息的纯化学位移波谱方法获得了谱学家的关注。
自从1991年诺贝尔化学奖获得者RichardR.Ernst于1976年提出基于二维J分解谱的纯化学位移谱方法以来，关于纯化学位移谱的序列开发设计便取得了长足的发展。基于二维J分解谱的方法通过二维采样可在间接维获得一张纯化学位移谱，其原理简单，易于使用。英国科学家Bax及其合作者在1979年提出了基于恒时演化去偶的纯化学位移谱方法，在保证易用性的同时，信噪比可获得较大提升。奥地利科学家Zangger及其合作者Sterk提出的基于频率选择去偶的方法，通过对样品施加弱梯度磁场使样品共振频率在不同空间位置发生变化，而后通过重聚脉冲作用达到频率选择去偶，从而获得纯化学位移谱。该方法虽然信噪比不高，但其所获得的谱图定量效果较好。除了以上这些纯化学位移谱方法，还有基于双线性旋转去偶的BIRD方法、最近几年发展起来的PSYCHE方法等。所有这些方法都有各自的优缺点，在采样效率、易用性、信噪比、分辨率等方面具有一种或多种优点。
但上述纯化学位移谱方法都只能适用于外部磁场环境均匀的均相溶液样品体系，因此利用这些方法做纯化学位移实验前都需要对待测样品进行繁琐的匀场操作。而对于粘稠样品和生物组织样品等非均相样品而言，由于其本身磁化率引起的磁场不均匀性很难通过匀场操作消除，这使得上述纯化学位移谱方法对此类样品的应用较为困难。由此，通过序列设计发明一种可以抵抗磁场不均匀效应而在任意磁场环境下获得高分辨核磁共振纯化学位移谱的方法将具有重要的应用意义。
发明内容
本发明的目的在于提供能抵抗磁场不均匀干扰而适用于任意磁场环境特别是不均匀磁场应用的一种抵抗磁场不均匀的纯化学位移核磁共振谱方法。
本发明包括如下步骤：
1)将待检测样品装入标准核磁试管中，送入核磁谱仪的检测腔中；
2)调用常规一维氢谱序列采集待检测样品的一维氢谱，获得其信号谱峰分布范围和线宽信息；
3)测量激发待检测样品所需的非选择性90°射频脉冲的脉宽(即脉冲作用时间)及溶剂选择性(90°)I射频脉冲的脉宽和功率；
4)在核磁共振波谱仪上导入核磁共振脉冲序列，并打开该脉冲序列的信号激发模块、间接维恒时演化模块、分子间零量子相干信号选择模块、信号采样模块；
5)设置实验脉冲序列各个模块的实验参数，检查实验参数设置无误后，直接执行数据采样；
6)当数据采集完成后，调用数据后处理代码进行相应的数据后处理，包括谱图折叠校正和信号线性预测，即可得到免于磁场不均匀干扰的高分辨纯化学位移谱。
在步骤2)中，所述常规一维氢谱序列是核磁共振谱仪自带的单脉冲序列，仅由一个非选择性射频脉冲和信号采样期构成，即非选择性射频脉冲激发样品信号后直接进行采样，目的是检查样品放置后磁场均匀性情况，同时为后续实验的谱宽设置提供参考。
在步骤3)中，使用步骤2)所述单脉冲序列测量激发待检测样品所需的非选择性90°射频脉冲可采用改变步骤2)所述单脉冲序列的脉冲类型为高斯型软脉冲，测定激发样品所需的溶剂选择性(90°)I射频脉冲的脉宽和功率。
在步骤4)中，所述脉冲序列的信号激发模块是由一个非选择性90°射频脉冲构成，用于把待测样品的纵向磁化矢量翻转到横向平面，激发实验所需的核磁共振信号；
所述脉冲序列的间接维恒时演化模块是由一个非选择性180°射频脉冲和其两边的间接维演化时间t1/2和τ-t1/2构成，其中τ为时间常量，通常为几十毫秒。这一设计保证间接维演化期的时间长度都是固定的τ，从而消除间接维信号演化过程的J偶合效应，仅保留化学位移作用，即间接维投影就可获得纯化学位移谱；
所述脉冲序列的分子间零量子相干信号选择模块是由一个相干选择梯度G构成、一个溶剂选择性90°射频脉冲、以及一个自旋回波组合Δ-180°-Δ构成。通过分子间零量子相干信号选择模块所选择的信号其共振频率为溶剂和溶质自旋的共振频率之差。因此间接维演化期的信号演化将消除磁场不均匀的影响；通过分子间零量子相干信号选择模块和间接维恒时演化模块的结合，可以从间接维投影中获得抵抗磁场不均匀干扰的高分辨纯化学位移谱。为保证采样效率，实验中间接维谱宽设置为只覆盖磁场不均匀度而不是待测样品信号的整个化学位移范围。这种设置节省了采样时间但会引起信号在间接维的折叠，需要在数据后处理时进行折叠校正操作去除信号折叠现象；
所述脉冲序列的信号采样模块是由一个信号直接维采样期构成，对应直接维信号。
在步骤5)中，所述实验参数包括所用脉冲序列中对应脉冲脉宽和功率、直接维谱宽SW、直接维采样期t2、间接维谱宽SW1、间接维采样点数ni、相干选择梯度G、间接维恒时演化时间常量τ和回波演化时延Δ；所遵循的原则是：所述直接维谱宽要覆盖待测样品信号的整个化学位移范围，所述直接维采样期t2要保证采集到完整的时域信号，设置的间接维采样点数要保证间接维的最大演化时间小于恒时演化时间常量τ的一半，所述恒时演化时间常量τ和回波时延Δ根据实验的信号衰减情况可设置为30～60ms。
在步骤6)中，所述数据后处理过程如下：(a)对原始二维谱图进行折叠校正处理，消除谱图信号在间接维的折叠现象；(b)把所获得的二维谱图沿着直接维作累积投影，可获得一张已消除磁场不均匀性影响但数字分辨率不足的纯化学位移谱；(c)对获得的纯化学位移谱表征在时间域的信号进行线性预测操作，延长信号在时间域上的持续时间，即可获得一张具有较高数字分辨率且不受外界不均匀磁场条件影响的高分辨纯化学位移谱。
本发明提供一种可用于抵抗磁场不均匀干扰而在任意磁场环境下获得高分辨核磁共振纯化学位移波谱方法，纯化学位移谱方法以其简洁的谱图效果和直观的定量信息在复杂化学样品和生物样品检测中得到广泛应用。但目前常规纯化学位移谱方法都只能适用于磁场均匀的情况，对于磁场不均匀的情况难以应用。本发明采用间接维恒时演化获得纯化学位移信息，并通过结合分子间零量子相干信号选择技术在间接维演化期消除磁场不均匀的影响，最终基于折叠校正和线性预测的数据后处理方法得到不受磁场不均匀干扰的高分辨纯化学位移谱。和常规纯化学位移谱方法相比，本发明所提出的方法不需采样前的匀场操作，可适用于任意磁场环境特别是不均匀磁场环境的情况。其操作过程只需在常规核磁共振谱仪上导入编译好的脉冲序列及数据后处理代码，然后进行相应的数据采样和数据后处理，即可获得免于不均匀磁场干扰的高分辨核磁共振纯化学位移谱。
本发明的优势在于：本发明在激发脉冲之后通过巧妙的脉冲序列设计实现间接维恒时演化模块和分子间零量子相干信号选择模块的结合，在消除磁场不均匀影响的同时实现了间接维纯化学位移信息的获取。通过相应的数据后处理方法(包括谱图折叠校正和数据线性预测)保证了高效采样效率和良好的谱图分辨率。最终获得一张免于磁场不均匀干扰的高分辨纯化学位移谱。
附图说明
图1为用于抵抗磁场不均匀干扰而在任意磁场环境下获得高分辨纯化学位移谱的脉冲序列，其中矩形条为非选择性90°和180°射频脉冲，高斯形状条为溶剂选择性(90°)I射频脉冲，I代表溶剂，斜线填充的矩形块为线性相干选择梯度G，τ和Δ分别为间接维恒时演化时间常量和回波演化时间。
图2为本发明所提出方法在磁场极不均匀情况下采样三溴丙酸乙酯、甲酮和甲醇混合溶液样品所获得的未经数据后处理的原始二维谱，其在直接维投影谱的谱线线宽约为2100Hz。
图3为使用本发明所用的折叠校正数据后处理方法所得到的二维谱。该二维谱信号折叠得到了校正，沿着直接维投影可以得到一张消除磁场不均匀性影响但数字分辨率不足的直接维投影。
图4为使用本发明所用的线性预测数据后处理方法对图3所得直接维投影的纯化学位移谱进行处理，最终得到一张具有很高数字分辨率且不受不均匀磁场环境影响的一维高分辨纯化学位移谱，此时谱线线宽为1.5Hz。
具体实施方式
本发明所提出的方法能够抵抗磁场不均匀干扰而在任意磁场环境特别是不均匀磁场下获得高分辨核磁共振纯化学位移谱，具有操作简单，可适用于常规核磁共振波谱仪的特点。以下通过具体实施方式结合附图对本发明的技术方案进行进一步的说明和描述。
本实施例所使用仪器为配备三维梯度场的瓦里安Varian500MHz液体核磁共振谱仪，所检测样品为三溴丙酸乙酯、甲酮和甲醇混合溶液，其中三种成分的含量比为2∶1.5∶5，且甲酮视为溶剂，三溴丙酸乙酯和甲醇视为溶质。所使用的脉冲序列如图1所示。其它操作步骤如下：
1)样品装样
将所检测的混合溶液样品装入核磁试管并将其放入核磁谱仪检测腔体中。
2)采集常规一维氢谱
用核磁共振谱仪自带的常规单脉冲序列采样得到一张一维氢谱，为证明本发明所提出的方法抵抗磁场不均匀性的能力。实验过程中不经由匀场操作且把匀场电流值置于0。选定一维氢谱中2.0ppm频率位置的最高峰为溶剂峰，设定它的频率位置为脉冲激发中心。同时设定直接维采样谱宽为4500Hz以覆盖一维氢谱所示的样品信号的化学位移范围。
3)测量待测样品所需的脉冲宽度和功率
用步骤2所述的常规单脉冲序列测量得到非选择性90非射频脉冲脉宽为12.5μs。改变常规单脉冲序列的脉冲类型为高斯型脉冲，并将脉冲激发中心对准溶剂峰，测量得到溶剂选择性(90°)I溶射频脉冲的脉宽为8.5ms，功率为16dB。
4)导入实验脉冲序列
在核磁共振谱仪的操作界面，选择特定的实验区并导入事先编译好的脉冲序列(如图1所示)，并打开这一脉冲序列的所有模块，包括信号激发模块、间接维恒时演化模块、分子间零量子相干信号选择模块、信号采样模块。
5)设置脉冲序列各个模块的实验参数及采样
由于本实施例中样品所处外磁场极不均匀，信号衰减较快，为使直接维采样能够采到样品信号，间接维恒时演化时间常量τ和回波演化延时Δ不能过长，因此，本实施例设置τ和Δ分别为50ms和45ms。在分子间零量子相干信号选择模块中，设置相干梯度场强度和作用时间分别为10.0G/cm和1.2ms。为保证信号采样效率，设置间接维谱宽SW1为1300Hz，且设置间接维采样点数ni为80个点。根据步骤2测得的样品信号的化学位移范围，设置直接维采样谱宽SW2为4500Hz，直接维采样时间t2为15ms。数据采样的具体过程为：每执行一次脉冲序列，各个模块依次对样品进行信号演化作用，最后在直接维采样期t2进行数据采样。上述序列执行过程只是对一次间接维t1点数进行采样，对于一个完整的数据采样需要重复ni次，完成一次数据采样后，执行下一步骤，否则继续采样直到采样完成。整个实验过程数据采集时间为5min。
6)数据后处理
数据采集完成后，即可进行相应的数据后处理操作获得免于磁场不均匀性影响的高分辨纯化学位移谱。具体过程如下：(a)对原始二维谱图(如图2)进行折叠校正处理，消除谱图信号在间接维的折叠效应；(b)把所获得的二维谱图沿着直接维作累积投影，可获得一张消除磁场不均匀性影响但数字分辨率不足的纯化学位移谱(如图3)；(c)对获得的纯化学位移谱表征在时间域的信号进行线性预测操作，延长信号在时间域上的持续时间，即可获得一张具有较高数字分辨率且不受外界不均匀磁场环境影响的高分辨纯化学位移谱(如图4)。
综上所述，本发明提供了一种可用于抵抗磁场不均匀干扰而在任意磁场环境特别是不均匀磁场下获得高分辨纯化学位移谱的方法。实验时间为分钟量级，模块化的脉冲序列设计便于理解和应用推广，整个实验操作简单且对谱仪无特殊硬件要求。谱图信噪比和分辨率较高，将有利于其在化学样品结构分析和生物组织代谢物分析中的应用。
以上所述，仅为本发明的一个实施例，可根据本发明的上述内容作更多的等效变化与修饰。

Claims (9)

1.一种抵抗磁场不均匀的纯化学位移核磁共振谱方法，其特征在于包括如下步骤：
1)将待检测样品装入标准核磁试管中，送入核磁谱仪的检测腔中；
2)调用常规一维氢谱序列采集待检测样品的一维氢谱，获得其信号谱峰分布范围和线宽信息；
3)测量激发待检测样品所需的非选择性90°射频脉冲的脉宽及溶剂选择性(90°)I射频脉冲的脉宽和功率；
4)在核磁共振波谱仪上导入核磁共振脉冲序列，并打开该脉冲序列的信号激发模块、间接维恒时演化模块、分子间零量子相干信号选择模块、信号采样模块；
5)设置实验脉冲序列各个模块的实验参数，检查实验参数设置无误后，直接执行数据采样；
6)当数据采集完成后，调用数据后处理代码进行相应的数据后处理，包括谱图折叠校正和信号线性预测，即得到免于磁场不均匀干扰的高分辨纯化学位移谱。
2.如权利要求1所述一种抵抗磁场不均匀的纯化学位移核磁共振谱方法，其特征在于在步骤2)中，所述常规一维氢谱序列是核磁共振谱仪自带的单脉冲序列，仅由一个非选择性射频脉冲和信号采样期构成，即非选择性射频脉冲激发样品信号后直接进行采样，目的是检查样品放置后磁场均匀性情况，同时为后续实验的谱宽设置提供参考。
3.如权利要求1所述一种抵抗磁场不均匀的纯化学位移核磁共振谱方法，其特征在于在步骤3)中，使用步骤2)所述单脉冲序列测量激发待检测样品所需的非选择性90°射频脉冲采用改变步骤2)所述单脉冲序列的脉冲类型为高斯型软脉冲，测定激发样品所需的溶剂选择性(90°)I射频脉冲的脉宽和功率。
4.如权利要求1所述一种抵抗磁场不均匀的纯化学位移核磁共振谱方法，其特征在于在步骤4)中，所述脉冲序列的信号激发模块是由一个非选择性90°射频脉冲构成，用于把待测样品的纵向磁化矢量翻转到横向平面，激发实验所需的核磁共振信号。
5.如权利要求1所述一种抵抗磁场不均匀的纯化学位移核磁共振谱方法，其特征在于在步骤4)中，所述脉冲序列的间接维恒时演化模块是由一个非选择性180°射频脉冲和其两边的间接维演化时间t1/2和τ-t1/2构成，其中τ为时间常量，通常为几十毫秒；这一设计保证间接维演化期的时间长度都是固定的τ，从而消除间接维信号演化过程的J偶合效应，仅保留化学位移作用，即间接维投影就获得纯化学位移谱。
6.如权利要求1所述一种抵抗磁场不均匀的纯化学位移核磁共振谱方法，其特征在于在步骤4)中，所述脉冲序列的分子间零量子相干信号选择模块是由一个相干选择梯度G构成、一个溶剂选择性90°射频脉冲、以及一个自旋回波组合Δ-180°-Δ构成；通过分子间零量子相干信号选择模块所选择的信号其共振频率为溶剂和溶质自旋的共振频率之差，因此间接维演化期的信号演化将消除磁场不均匀的影响；通过分子间零量子相干信号选择模块和间接维恒时演化模块的结合，从间接维投影中获得抵抗磁场不均匀干扰的高分辨纯化学位移谱；为保证采样效率，实验中间接维谱宽设置为只覆盖磁场不均匀度而不是待测样品信号的整个化学位移范围。
7.如权利要求1所述一种抵抗磁场不均匀的纯化学位移核磁共振谱方法，其特征在于在步骤4)中，所述脉冲序列的信号采样模块是由一个信号直接维采样期构成，对应直接维信号。
8.如权利要求1所述一种抵抗磁场不均匀的纯化学位移核磁共振谱方法，其特征在于在步骤5)中，所述实验参数包括所用脉冲序列中对应脉冲脉宽和功率、直接维谱宽SW、直接维采样期t2、间接维谱宽SW1、间接维采样点数ni、相干选择梯度G、间接维恒时演化时间常量τ和回波演化时延Δ；所遵循的原则是：所述直接维谱宽要覆盖待测样品信号的整个化学位移范围，所述直接维采样期t2要保证采集到完整的时域信号，设置的间接维采样点数要保证间接维的最大演化时间小于恒时演化时间常量τ的一半，所述恒时演化时间常量τ和回波时延Δ根据实验的信号衰减情况设置为30～60ms。
9.如权利要求1所述一种抵抗磁场不均匀的纯化学位移核磁共振谱方法，其特征在于在步骤6)中，所述数据后处理过程如下：(a)对原始二维谱图进行折叠校正处理，消除谱图信号在间接维的折叠现象；(b)把所获得的二维谱图沿着直接维作累积投影，获得一张已消除磁场不均匀性影响但数字分辨率不足的纯化学位移谱；(c)对获得的纯化学位移谱表征在时间域的信号进行线性预测操作，延长信号在时间域上的持续时间，即获得一张具有较高数字分辨率且不受外界不均匀磁场条件影响的高分辨纯化学位移谱。
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