CN106093099B - 一种获得高分辨二维j分解谱的方法 - Google Patents
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Abstract
一种获得高分辨二维J分解谱的方法，涉及核磁共振波谱学检测方法。将待测样品装入标准核磁试管中并送入核磁共振谱仪的检测腔中；采样待测样品的一维氢谱，获得其信号峰分布区域及谱线线宽，为谱宽参数设置提供参考，同时线宽值大小反映了磁场均匀性情况；测量激发待检测样品所需的射频脉冲的脉宽；在核磁共振波谱仪上导入编译好的脉冲序列，打开脉冲序列的异核分子间多量子相干信号激发模块、间接维演化期模块、自旋回波固定延时模块和J调制快速采样模块，设置各模块的实验参数；跳过人工匀场操作过程，直接执行数据采样；数据采样完成后，调用数据后处理代码进行相关的数据后处理，得到免于不均匀磁场影响的高分辨二维J分解谱。
Description
技术领域
本发明涉及核磁共振(NMR，Nuclear Magnetic Resonance)波谱学检测方法，尤其是涉及一种基于异核分子间多量子相干在任意不均匀磁场环境下获得高分辨核磁共振二维J分解谱的方法。
背景技术
核磁共振波谱技术能够为物质成分分析和分子结构解析提供相应的化学位移和J耦合常数等信息，在生物化学、材料科学以及生命科学研究中有着广泛的应用。其中，一维核磁共振波谱方法以其快速信号采样及其直观的谱学信息在化学分析和生物代谢检测具有重要应用。然而成分复杂的样品体系必然带来大量核磁共振信号，在一维谱中呈现出信号拥挤和谱峰交叠等现象。此外，氢核较狭窄的化学位移分布范围(0～10ppm)进一步加剧了上述现象，阻碍了一维核磁共振氢谱在复杂样品体系中的应用。二维J分解谱方法通过将化学位移信息与J偶合信息分离到二维谱图的两个维度上，巧妙地解决了一维核磁共振方法中谱峰拥挤问题。而目前常规的二维J分解谱方法的应用仅局限于磁场均匀的情况，虽然自旋回波模块能重聚二维J分解谱间接维上磁场不均匀的影响，但在其直接维上磁场不均匀增宽效应仍无法消除。
在实际应用中，磁场均匀性往往是无法绝对保证的，即便是利用相关匀场手段也无法完全消除实验过程中各种样品和环境因素引起的磁场不均匀。这就意味着常规二维J分解谱方法在磁场不均匀情况下难以得到有效应用。为了进一步解决这一问题，研究人员提出了一种基于氢氢同核分子间多量子相干的二维J分解谱方法，这一方法能够有效消除磁场不均匀的影响而获得高分辨二维J分解谱。然而，同核分子间多量子相干的J分解谱方法须在同一个脉冲通道激发溶剂氢和溶质氢自旋偶合产生相应的信号，因此溶剂选择性激发脉冲是一个必需的模块，这使得同核分子间多量子相干方法在可应用的最大磁场不均匀性和溶剂峰抑制上受到一定的限制。通常基于同核分子间多量子相干的高分辨谱学方法都只能适用于较小的磁场不均匀性，无法应用到大的不均匀磁场。由此可见，通过序列设计发明一种可以应用于任意磁场不均匀环境(包括大不均匀磁场)下获得高分辨核磁共振二维J分解谱方法对进一步拓展分子间高分辨谱学以及丰富核磁共振波谱检测技术具有重要的应用意义。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于异核分子间多量子相干的核磁共振波谱方法。该方法是基于异核分子间多量子相干在任意不均匀磁场环境(包括大不均匀磁场)下获得高分辨核磁共振二维J分解谱的方法，该方法可避免同核分子间多量子相干高分辨方法在信号激发和不均匀磁场适用性的问题，能从任意不均匀磁场下恢复出高分辨二维J分解谱。
一种获得高分辨二维J分解谱的方法，包括如下步骤：
(1)将待测样品装入标准核磁试管中并送入核磁共振谱仪的检测腔中；
(2)调用常规一维氢谱序列采样待测样品的一维氢谱，获得其信号峰分布区域及谱线线宽，为谱宽参数设置提供参考，同时线宽值大小反映了磁场均匀性情况；
(3)测量激发待检测样品所需的射频脉冲的脉宽(即脉冲作用时间)，包括氢核通道的非选择性π/2射频脉冲的脉宽和氘核通道的非选择性π/2射频脉冲的脉宽；
(4)在核磁共振波谱仪上导入本方法编译好的脉冲序列，打开这一脉冲序列的异核分子间多量子相干信号激发模块、间接维演化期模块、自旋回波固定延时模块和J调制快速采样模块，并设置各模块的实验参数；
(5)完成实验参数设置后，跳过人工匀场操作过程，直接执行数据采样；
(6)数据采样完成后，调用数据后处理代码进行相关的数据后处理，得到免于不均匀磁场影响的高分辨二维J分解谱。
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，由一个非选择性射频脉冲和信号采样期构成，硬脉冲激发信号后进行采样，目的是检测样品时的磁场均匀性，同时为后续实验的谱宽设置提供参考。
在步骤(3)中，所述氢核脉冲通道的非选择性π/2射频脉冲的脉宽测量是利用常规一维氢核脉冲序列完成，通过设置一系列脉冲作用时间采样相应氢核信号，获得磁化矢量翻转90度时所对应的脉冲时间即为氢核脉冲通道非选择性π/2射频脉冲脉宽。同理，氘核脉冲通道的非选择性π/2射频脉冲的脉宽测量是利用常规一维氘核脉冲序列完成，获得氘核信号翻转90度时所对应的脉冲作用时间，使用常规一维氘核脉冲序测定激发样品所需的非选择性π/2射频脉冲。
在步骤(4)中，所述脉冲序列的异核分子间多量子相干信号激发模块是由施加于氢核通道上的一个非选择性π/2射频脉冲、施加于氘核通道上的两个非选择性π/2射频脉冲以及一对相干选择梯度G1和G2构成；通过该异核分子间多量子相干信号激发模块所获得的信号其共振频率为氢自旋和氘自旋的共振频率之差，即，其中为氢核共振频率、为氘核共振频率、为氢核旋磁比、为氘核旋磁比。在磁场不均匀情况下，这一共振频率之差能够消除磁场不均匀的影响而获得高分辨谱学信息，在磁场均匀情况下，同样也可以获得高分辨谱学信息。
在步骤(4)中，所述脉冲序列的间接维演化期模块包括和t1两部分。该模块是一个常规的间接维演化过程，需要设置特定的时间增量进行信号演化。异核分子间多量子相干信号激发模块所激发的信号经过这一间接维演化期内的演化保留了无磁场不均匀干扰的高分辨化学位移信息。
在步骤(4)中，所述脉冲序列的自旋回波固定延时模块由Δ-π-Δ构成，其中π为一个非选择性180度射频脉冲，Δ为设定的恒定时间常量；这一模块在采样期前重聚所演化的信号，避免信号在采样前被不均匀磁场所散相掉。
在步骤(4)中，所述脉冲序列的J调制快速采样模块的特征是由一组直接维采样期t2和非选择性π脉冲构成；该模块包含信号采样且重复N次。经过这一模块，所采样的信号经过N次重复在重构的直接维可获得消除磁场不均匀干扰的高分辨J偶合信息。
在步骤(4)中，所述实验参数包括直接维谱宽SW、间接维谱宽SW1、J调制快速采样模块单个采样期时间t2及模块重复次数N、间接维演化期t1的点数ni、脉冲序列延迟时间RD、自旋回波延时时间2Δ、氢核通道的非选择性π/2和π射频脉冲的脉宽、氘核通道的非选择性π/2射频脉冲的脉宽、相干选择梯度场强度G1和G2及其作用时间。
步骤(5)中，所述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点数的数据进行采样，对于一个完整的数据采样需要重复ni次。
在步骤(6)中，所述相关的数据后处理过程的如下：(a)对采样数据进行数据重构，得到一个关于t1和t2时间变量的二维数据矩阵；(b)对所获二维数据矩阵基于t1变量做一次傅里叶变换并做一次折叠校正处理获得高分辨化学位移信息维；(c)对所获二维数据矩阵基于t2变量做一次傅里叶变换获得高分辨J偶合信息维。最终，由这两个维度信息构成了一张高分辨率核磁共振二维J分解谱。
与现有技术比较，本发明具有如下突出优点：
本发明通过巧妙的脉冲序列设计和相应数据后处理过程，利用氢氘异核分子间多量子相干信号激发和J调制快速采样的结合，成功避免了同核分子间多量子相干高分辨方法在信号激发和不均匀磁场适用性的问题，能从任意不均匀磁场下恢复出高分辨二维J分解谱。本方法不需要复杂样品预处理和特殊硬件支持，可适用于常规核磁共振谱仪，且不需要选择性脉冲和溶剂抑制过程，操作简便易行。
附图说明
图1为基于异核分子间多量子相干在任意不均匀磁场环境下获得高分辨核磁共振二维J分解谱的脉冲序列。其中矩形条为非选择性π/2和π射频脉冲，1H为氢核脉冲激发通道，2H为氘核脉冲激发通道。斜线填充的矩形块为线性相干选择梯度G1和G2，2Δ为自旋回波延时时间，N为J调制快速采样模块的重复次数，RD为脉冲序列延迟时间。
图2为采用本发明在大不均匀磁场环境下采样一种玉米油与氘代丙酮的混合溶液所获得的常规一维谱，其半高宽为620Hz。受不均匀增宽影响,一维谱图中的信号增宽交叠形成了一个大的信号包络，有用信号完全丢失。
图3为本发明应用于同一个玉米油与氘代丙酮的混合溶液样品所获得的高分辨二维J分解谱，其中竖轴为J偶合信息，横轴为化学位移信息。
具体实施方式
以下实施例将结合附图对本发明作进一步的说明。
本发明所提出的方法能够应用于任意不均匀磁场环境下获得免于磁场不均匀干扰的高分辨二维J分解谱。本发明所述一种获得高分辨二维J分解谱的方法，包括如下步骤：
步骤一，样品装样
将待测样品装入标准核磁试管中并送入核磁共振谱仪的检测腔中。
步骤二，常规一维谱的采样
调用常规一维氢谱序列采样待测样品的一维氢谱，获得其信号峰分布区域及谱线的线宽，为谱宽参数设置提供参考，同时线宽值大小反映了磁场均匀性情况。
步骤三，测量氢核和氘核非选择性π/2脉冲的脉宽
测量激发待检测样品所需的射频脉冲的脉宽(即脉冲作用时间)，包括氢核通道的非选择性π/2射频脉冲的脉宽和氘核通道的非选择性π/2射频脉冲的脉宽。
步骤四，脉冲序列的导入
在核磁共振波谱仪操作台上，打开相应的操作软件，导入本方法的脉冲序列(如图1所示)，选择特定实验区，然后调用这一脉冲序列。
步骤五，脉冲序列的参数设置
打开所导入脉冲序列的各个相关模块，包括异核分子间多量子相干信号激发模块、间接维演化期模块、自旋回波固定延时模块和J调制快速采样模块。根据样品实际情况设置相应的实验参数。所述实验参数包括直接维谱宽SW、间接维谱宽SW1、J调制快速采样模块单个采样期时间t2及模块重复次数N、间接维演化期t1的点数ni、脉冲序列延迟时间RD、自旋回波延时时间2Δ、氢核通道的非选择性π/2和π射频脉冲的脉宽、氘核通道的非选择性π/2射频脉冲的脉宽、相干选择梯度场强度G1和G2及其作用时间。
步骤六，数据采样
完成实验参数设置后，跳过人工匀场操作过程，直接执行数据采样。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点数的数据进行采样，对于一个完整的数据采样需要重复ni次。
步骤七，数据后处理
数据采样完成后，调用数据后处理代码进行相应的数据后处理，得到免于不均匀磁场影响的高分辨二维J分解谱，具体过程如下：(a)对采样数据进行数据重构，得到一个关于t1和t2时间变量的二维数据矩阵；(b)对所获二维数据矩阵基于t1变量做一次傅里叶变换并做一次折叠校正处理获得高分辨化学位移信息维；(c)对所获二维数据矩阵基于t2变量做一次傅里叶变换获得高分辨J偶合信息维。最终，由这两个维度的信息可构成一张高分辨核磁共振二维J分解谱。
以下给出一个具体实施例：
参见图1～3。本实施例所用仪器为Varian NMR System 500MHz NMR谱仪，配备一个有效检测长度为1.6cm，包含XYZ三维梯度场线圈的HCN三共振5mm探头，实验所用样品为玉米油与氘代丙酮混合溶液，其摩尔比为1:10。按照前文所述的操作流程，首先用常规一维脉冲序列采样得到一张一维氢谱，如图2所示。在信号采样前无任何匀场操作的情况下，由于仪器本身磁场条件以及玉米油本征磁化率不均匀的影响，产生了620Hz半高宽的大不均匀磁场，此时谱图分辨率太低而无法获得有用的谱图信息，代谢物信号峰无法识别。然后，导入编译好的如图1所示的脉冲序列，即本发明所提出的基于异核分子间多量子相干高分辨二维J分解谱序列，打开脉冲序列的各个相关模块，包括异核分子间多量子相干信号激发模块、间接维演化期模块、自旋回波固定延时模块和J调制快速采样模块，同时设置实验参数。对于本例所用的玉米油样品，其实验参数设置如下：直接维谱宽SW为3200Hz，间接维谱宽SW1为120Hz，J调制快速采样模块单个采样期时间t2为13ms，重复次数N为60次，间接维演化期t1的点数ni为40，脉冲序列重复时间为5.0s，自旋回波延时时间为2Δ＝15.4ms，氢核通道的非选择性π/2射频脉冲的脉宽为10.6μs，氘核通道的非选择性π/2射频脉冲的脉宽为28.4μs，相干选择梯度场的强度为G1＝25.4G/cm，G2＝3.9G/cm，其作用时间均为δ＝1.2ms。执行设置好的序列，每一次序列执行过程，就可以得到一次的间接维t1点数的所对应信号，对这个样品信号采样要重复40次，整个采样时间仅需3.33分钟。
当数据采样全部完成后，调用数据后处理代码对所得采样数据进行如步骤七所述数据后处理，最终可获得玉米油与氘代丙酮混合溶液样品的高分辨二维J分解谱，如图3所示。玉米油是一种介于液态与固态之间的粘稠液体，在其样品内部的本征宏观磁化率不均匀磁场和外部不均匀磁场的影响下，本发明所提出的方法能够有效地提高二维J分解谱的谱图分辨率，其线宽由620Hz降低到了17.8Hz，据此可实现代谢物信号归属和J偶合信息的测量。根据本方法所得的二维J分解谱，可对玉米油代谢物成分进行详细归属，根据本发明所提出方法获得的二维J分解谱对不均匀磁场下玉米油与氘代丙酮混合溶液样品做出的代谢物成分归属结果如表1所示。
表1
表2
字符对照表参见表2。
Claims (7)
1.一种获得高分辨二维J分解谱的方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)将待测样品装入标准核磁试管中并送入核磁共振谱仪的检测腔中；
(2)调用常规一维氢谱序列采样待测样品的一维氢谱，获得其信号峰分布区域及谱线线宽，为谱宽参数设置提供参考，同时线宽值大小反映了磁场均匀性情况；
(3)测量激发待检测样品所需的射频脉冲的脉宽，包括氢核通道的非选择性π/2射频脉冲的脉宽和氘核通道的非选择性π/2射频脉冲的脉宽；
(4)在核磁共振波谱仪上导入编译好的脉冲序列，打开该脉冲序列的异核分子间多量子相干信号激发模块、间接维演化期模块、自旋回波固定延时模块和J调制快速采样模块，并设置各模块的实验参数；
所述脉冲序列的异核分子间多量子相干信号激发模块是由施加于氢核通道上的一个非选择性π/2射频脉冲、施加于氘核通道上的两个非选择性π/2射频脉冲以及一对相干选择梯度G1和G2构成；通过该异核分子间多量子相干信号激发模块所获得的信号其共振频率为氢自旋和氘自旋的共振频率之差，即其中为氢核共振频率、为氘核共振频率、为氢核旋磁比、为氘核旋磁比；在磁场不均匀情况下，这一共振频率之差能够消除磁场不均匀的影响而获得高分辨谱学信息；在磁场均匀情况下，同样也可以获得高分辨谱学信息；
所述脉冲序列的间接维演化期模块包括和t1两部分；其中为氘核通道间接维演化期，t1为氢核通道间接维演化期，该模块是一个常规的间接维演化过程，需要设置特定的时间增量进行信号演化；异核分子间多量子相干信号激发模块所激发的信号经过这一间接维演化期的演化保留了无磁场不均匀干扰的高分辨化学位移信息；
(5)完成实验参数设置后，跳过人工匀场操作过程，直接执行数据采样；
(6)数据采样完成后，调用数据后处理代码进行相关的数据后处理，得到免于不均匀磁场影响的高分辨二维J分解谱；
所述相关的数据后处理的过程如下：(a)对采样数据进行数据重构，得到一个关于氢核通道间接维演化期t1和直接维采样期t2这两个时间变量的二维数据矩阵；(b)对所获二维数据矩阵基于t1变量做一次傅里叶变换并做一次折叠校正处理获得高分辨化学位移信息维；(c)对所获二维数据矩阵基于t2变量做一次傅里叶变换获得高分辨J偶合信息维，最终，由这两个维度信息构成了一张高分辨率核磁共振二维J分解谱。
2.如权利要求1所述一种获得高分辨二维J分解谱的方法，其特征在于，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，由一个非选择性射频脉冲和信号采样期构成，硬脉冲激发信号后进行采样，目的是检测样品所处磁场均匀性情况，同时为后续实验的谱宽设置提供参考。
3.如权利要求1所述一种获得高分辨二维J分解谱的方法，其特征在于，在步骤(3)中，所述氢核脉冲通道的非选择性π/2射频脉冲的脉宽测量是利用常规一维氢核脉冲序列完成，通过设置一系列脉冲作用时间采样相应氢核信号，获得磁化矢量90度翻转时所对应的脉冲时间即为氢核脉冲通道非选择性π/2射频脉冲脉宽；同理，氘核脉冲通道的非选择性π/2射频脉冲的脉宽测量是利用常规一维氘核脉冲序列完成，获得氘核信号翻转90度时所对应的脉冲作用时间，使用常规一维氘核脉冲序测定激发样品所需的非选择性π/2射频脉冲。
4.如权利要求1所述一种获得高分辨二维J分解谱的方法，其特征在于，步骤(4)中，所述脉冲序列的自旋回波固定延时模块由Δ-π-Δ构成，其中π为一个非选择性180度射频脉冲，Δ为设定的恒定时间常量；该模块用于在采样期前重聚所演化的信号，避免信号在采样前被不均匀磁场所散相掉。
5.如权利要求1所述一种获得高分辨二维J分解谱的方法，其特征在于，步骤(4)中，所述脉冲序列的J调制快速采样模块的特征是由一组直接维采样期t2和非选择性π脉冲构成；该模块包含信号采样且重复N次；经过这一模块，所采样的信号经过N次重复在重构的直接维可获得消除磁场不均匀干扰的高分辨J偶合信息。
6.如权利要求1所述一种获得高分辨二维J分解谱的方法，其特征在于，步骤(4)中，所述实验参数包括直接维谱宽SW、间接维谱宽SW1、J调制快速采样模块直接维采样期t2及模块重复次数N、氢核通道间接维演化期t1的点数ni，脉冲序列延迟时间RD、自旋回波延时时间2Δ、氢核通道的非选择性π/2和π射频脉冲的脉宽、氘核通道的非选择性π/2射频脉冲的脉宽、相干选择梯度场强度G1和G2及其作用时间。
7.如权利要求1所述一种获得高分辨二维J分解谱的方法，其特征在于，步骤(5)中，所述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氢核通道间接维演化期t1的点数的数据进行采样，对于一个完整的数据采样需要重复ni次。
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- 2016-06-06 CN CN201610397699.9A patent/CN106093099B/zh not_active Expired - Fee Related
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