CN109884107B - 一种测量同核间接偶合网络的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种测量同核间接偶合网络的方法，通过脉冲序列的设计利用选择性脉冲、PSYCHE模块以及三维数据采样和拼接，最终获得表征同核间接偶合网络的二维谱，其中一维仅显示偶合网络中的各自旋化学位移信息，无任何偶合信号存在，而另一维显示各自旋与感兴趣自旋的间接偶合常数，为间接偶合信息的准确测量提供了一种简单可靠的方法。本发明的方法只需在谱仪上以文本格式导入编译好的脉冲序列以及相应的数据后处理代码，无需特殊硬件装置，可适用于任意常规核磁共振波谱仪。
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，尤其是涉及一种可测量同核间接偶合信息，提供的二维谱将感兴趣偶合网络中所有自旋的化学位移显示在一个维度，网络中所有自旋和感兴趣自旋的间接偶合常数显示在另一个维度，频谱的分辨率和测量精度大大提高。
背景技术
同核标量偶合为有机化学和生物分子的构象、结构阐明提供至关重要的信息。由于自旋之间相互作用、同核偶合常数小，以及各自旋谱峰拥挤增加了谱图的复杂度。为此需要克服感兴趣自旋间接偶合网络中自旋受到两个或三个自旋偶合的影响，又要克服感兴趣自旋偶合网络中的自旋受网络外自旋的偶合的影响。
发明内容
本发明给出核磁共振谱仪上，一种测量同核间接偶合网络的方法，利用本发明方法可提供感兴趣自旋间接偶合网络信息，包括与感兴趣自旋偶合的所有自旋化学位移信息，以及偶合网络中所有自旋和感兴趣自旋一对一的间接偶合常数。
本发明采用如下技术方案：
一种测量同核间接偶合网络的方法，包括如下步骤：
(1)将待检测的样品溶液搅拌均匀后放入核磁谱仪的检测磁体中；
(2)对样品进行匀场和锁场；
(3)在固定功率下，利用一维氢谱脉冲序列测量非选择性矩形π/2脉冲宽度；所述一维氢谱脉冲序列是核磁共振谱仪自带的一维脉冲序列；
(4)在核磁共振波谱仪上导入预设脉冲序列，所述预设脉冲序列包括感兴趣自旋选择模块、感兴趣自旋间接偶合网络中所有自旋选择模块、感兴趣自旋中间接偶合常数测量模块、感兴趣偶合网络中所有自旋的化学位移测量模块；
(5)设置所述感兴趣自旋选择模块、感兴趣自旋间接偶合网络中所有自旋选择模块、感兴趣自旋中间接偶合常数测量模块、感兴趣偶合网络中所有自旋的化学位移测量模块的参数；
(6)进行数据采样；
(7)当数据采样全部完成后，对采样数据进行拼接、解码和二维傅立叶变换，获取所有感兴趣自旋对应的各自间接偶合网络，并显示在各自的二维谱中。
优选的，步骤(4)中所述感兴趣自旋选择模块是一个选择性π/2脉冲。
优选的，步骤(4)中所述感兴趣自旋间接偶合网络中所有自旋选择模块由一个选择性π/2脉冲和一个非选择性π/2脉冲组成。
优选的，步骤(4)中所述感兴趣自旋中间接偶合常数测量模块是通过收集若干间接时间维t1的信号获取；其中，t1平分两个时间段将一个选择性π脉冲和一个绝热脉冲激发纯化学位移模块PSYCHE包围。
优选的，步骤(4)中所述感兴趣偶合网络中所有自旋的化学位移测量模块是通过多次实验沿直接维t2直接采样信号，并将每次沿t2采样的信号取有限长度进行拼接获取的；此外，增加另一个间接时间维t3，并且t3维平分两个时间段将一个非选择π脉冲和感兴趣自旋中间接偶合常数测量模块包围。
优选的，步骤(5)中，所述参数包括谱宽SW、间接时间维t1的总采样点数N1及时间增量Δt1、直接维t2总采样点数N2、间接时间维t3的总采样点数N3以及时间增量Δt3、序列延迟时间RD、π/2非选择性脉冲时间和功率、选择性π/2脉冲时间和功率、选择性π脉冲时间和功率、PSYCHE脉冲的时间以及功率、相关梯度场强度及其作用时间。
优选的，步骤(6)的数据采样过程包括：首先脉冲序列延迟一段不短于3s的时间；然后选择性π/2脉冲激发特定频率的自旋，通过感兴趣自旋间接偶合网络中所有自旋选择模块将激发核自旋的横向磁化矢量及相位传递给其偶合核，偶合核在感兴趣自旋中间接偶合常数测量模块作用下在F1维仅保留与激发核的间接偶合关系，并在间接时间维t1进行信号演化，并且通过引入的另一个间接时间维t3以及两个非选择性π脉冲使F1维的偶合得以保留，F2所有的多重峰变成单重；最后在采样期采样最终信号。
优选的，步骤(7)具体包括：
将矩阵大小为N1*N3*N2三维数据通过拼接变成二维数据：首先根据t1值不同将数据分成N1组N3*N2的二维数据，然后取出每一组二维数据t2维开始的Δt3时间段采样信号，并将每组截断的数据根据t3大小顺序连接，即将二维数据拼接成长度L2＝N3*N2new的一维数据，将三维数据拼接成了大小为N1*L2的二维数据；其中，N2new＝Δt3*SW；
将二维数据根据t1大小顺序排列，然后进行二维傅立叶变换，得到表征感兴趣自旋间接偶合网络的二维谱。
与现有技术相比，本发明的有益效果如下：
本发明通过脉冲序列的设计利用选择性脉冲、PSYCHE模块以及三维数据采样和拼接，最终获得表征自旋间接偶合网络的二维谱，即将与感兴趣自旋偶合的自旋的化学位移显示在直接维，感兴趣自旋与它相偶合自旋的一对一偶合常数单独显示在间接维；本发明为间接偶合信息的准确测量提供了一种简单可靠的方法。
附图说明
图1为本实验所采用的序列，其中矩形方框为非选择性π/2射频脉冲，高斯形状的脉冲分别为选择性π/2脉冲PC1和选择性π脉冲PC2；梯形脉冲为PSYCHE模块中的线性调频射频脉冲；序列下方的矩形方框为线性梯度场G1，G2和G3；t1和t3为间接时间维，t2为直接采样维；
图2为正丁醇的化学结构式，以及常规二维J分解谱；
图3为本发明提出的方法激发第一个核获取到的F2维去偶的间接偶和网络的二维解谱；
图4为本发明提出的方法激发第四个核获取到的F2维去偶的间接偶和网络的二维谱。
具体实施方式
本发明所提出的方法不仅能够克服传统J谱的缺点，直接获取激发核的偶和网络信息，而且可以实现F2维去偶，进一步提高了谱图分辨率。本发明方法操作简单，本发明的方法只需在谱仪上以文本格式导入编译好的脉冲序列以及相应的数据后处理代码，无需特殊硬件装置，可适用于任意常规核磁共振波谱仪，因此为相关分子结构分析提供了一种简单可靠的方法。
本发明所用字符对照表参照下表1：
表1
本发明具体实施过程中的各个步骤如下：
步骤1，样品装样
将配置好的样品溶液先用工具搅拌均匀后放入核磁谱仪的检测磁体中。
具体的，所述的装样过程只需在软件上输入命令打开气流开关，放入样品后，关闭气流即可。
步骤2，进行匀场和锁场
利用谱仪自带的匀场和锁场功能实现样品的匀场和锁场，如果仪器状态不好导致自动匀场和锁场效果不佳则可尝试手动进行，可根据效果反复匀场直到一个较为理想的状态。
步骤3，非选择性矩形π/2脉冲宽度测量
在一个固定功率如60dB下，利用一维氢谱脉冲序列(所述一维氢谱脉冲序列是核磁共振谱仪自带的一维脉冲序列)测量非选择性矩形π/2脉冲宽度，为后续实验提供参数依据。具体过程分为粗测和细测两部分。先设置序列延迟时间为6s，实验步数为15步，这里的实验步数可能需要根据仪器状态稍作修改，以确保覆盖360°翻转区间，步长为3s，采样后根据谱图大致确定谱图360°翻转区间；重新设置延迟时间为10s，实验步数改为10步，步长设为0.4s，重新采样。最后取谱峰上下对称的时间除以4即可获得π/2脉冲持续时间。
步骤4，脉冲序列的导入
选择一个日常实验常用的区，导入编译好的实验脉冲序列。
所述的脉冲序列包括感兴趣自旋选择模块、感兴趣自旋间接偶合网络中所有自旋选择模块、感兴趣自旋的间接偶合常数测量模块、感兴趣偶合网络中所有自旋的化学位移测量模块。
所述的感兴趣自旋选择模块是一个选择性π/2脉冲；感兴趣自旋间接偶合网络的所有自旋选择模块是一个选择性π/2脉冲和一个非选择性π/2脉冲组成；感兴趣自旋的间接偶合常数测量模块是通过收集一系列间接时间维(如t1)的信号获取，其中t1平分两个时间段将一个选择性π脉冲、一个绝热脉冲激发纯化学位移模块(PSYCHE模块，Pure ShiftYielded by Chirp Excitation)包围；感兴趣偶合网络中所有自旋的化学位移测量模块是通过多次实验沿直接维(t2)采样信号，并将每次沿t2采样的信号取有限长度进行拼接获取的。为了消除拼接信号混入不希望自旋的间接偶合信号，本方法中增加另一个间接时间维(如t3)，并且t3维平分两个时间段将一个非选择π脉冲和感兴趣自旋的间接偶合常数测量模块包围。
步骤5，脉冲序列参数设置
根据检测样品实际情况设置相应的实验参数，包括谱宽SW(通常需要根据样品频率范围调整)、间接时间维t1的点数ni(或N1)、直接维t2总采样点数N2、间接时间维t3的实验点数N3以及时间增量Δt3、序列延迟时间RD(应该不短于3s)、π/2非选择性脉冲时间和功率、选择性π/2脉冲时间和功率、选择性π脉冲时间和功率、PSYCHE脉冲的时间以及功率、相关梯度场强度及其作用时间。
其中，感兴趣的核由选择性脉冲的中心频率决定，间接时间维t1和t3的步数和时间增量的设置可以直接在谱仪的控制面板设置。
步骤6，进行数据采样，采样时间与两个间接时间维的步数(采样点数)和时间增量成正比。
数据采样具体过程为：首先脉冲序列延迟一段时间，目的是为了让磁化矢量弛豫恢复过来，经过验证，本实验中延迟时间应该不短于3s，否则会出现采样过程中采不到信号的问题。接着，选择性π/2脉冲激发特定频率的自旋，通过感兴趣自旋间接偶合网络中所有自旋选择模块将激发核自旋的横向磁化矢量及相位传递给其偶合核，偶合核在感兴趣自旋中间接偶合常数测量模块作用下在F1维仅保留与激发核的间接偶合关系，并在间接时间维t1进行信号演化，并且通过引入的另一个间接时间维t3以及两个非选择性π脉冲使F1维的偶合得以保留，F2所有的多重峰变成单重，最后在采样期采样最终信号。采样结束时，保存数据。
步骤7，数据拼接处理，具体包括：
(1)将矩阵大小为N1*N3*N2(N1、N3分别表示间接维t1、t3总采样点数，N2表示直接维t2总采样点数)的三维数据通过拼接变成二维数据，具体做法是：首先根据t1值不同将数据分成N1组N3*N2的二维数据，然后取出每一组二维数据t2维开始的Δt3时间段采样信号(Δt3表示t3维增量，因此每一行截取的点数N2new＝Δt3*sw，sw表示直接维t2的谱宽)，并将每组截断的数据根据t3大小顺序连接，即将二维数据拼接成长度L2＝N3*N2new的一维数据，即将三维数据拼接成了大小为N1*L2的二维数据。(2)将二维数据根据t1大小顺序排列，然后进行二维傅立叶变换，即可得到表征感兴趣自旋间接偶合网络的二维谱。
下面是一个具体实施例：
实例样品为正丁醇。实验仪器是一台Varian 500MHz NMR谱议(Varian,PaloAlto,CA)。按照上文所提步骤测量出π/2非选择性脉冲持续时间为8.25μs，此时发射机功率为60dB。其次，用谱仪自带的J谱序列获得的二维J谱如图2所示，这里根据样品的偶合常数选择合适的N1值以提高谱图分辨率。二维J谱显示了全部自旋的裂峰情况，但显然无法获得一个核与其他核的偶合网络，也无法测量偶合常数。然后，选择一个实验区导入编译好的如图1所示脉冲序列，设置好前面实验测量好的相应参数。详细参数设置如下：直接维谱宽SW设为3kHz，谱宽可根据样品或者拼接效果调整，间接维谱宽SW1为64Hz，N1为16或32，N2为3005，N3为16，这里为了保证磁化矢量的恢复，本实验延迟时间应该不短于3s，π/2非选择性矩形脉冲时间为8.25μs。π/2和π选择性脉冲强度分别为-2dB和8dB。梯度场强度为G1＝4.75G/cm、G2＝11.90G/cm和G3＝0.74G/cm，其作用时间为均为0.5ms。
为了验证方法可行性，我们设置了2组实验，其中第一组实验选择第一个氢原子，第二组选择第四个氢原子，每一组实验中可根据情况调整实验参数，例如第一组其实际J偶合较大，因此N1设为16即可测量，并且可显著缩短实验所需时间；第二组J偶合相对较小，则N1设为32方可精确测量J偶合常数，如果J偶合常数更小，则N1也要相应增大以保证分辨率。第一组实验中PC1和PC2均对准第一个氢原子，脉冲时间分别为25ms和15ms，功率-2dB，8dB，N1为16，chirp脉冲功率为10dB。在第二组实验中PC1和PC2对准第四个氢原子，脉冲时间25ms和15ms，功率-2dB，8dB，而N1设为32，chirp脉冲功率则改为8dB。第一组的实验时间71min，第二组则为147min。
根据本方法所获得的F2去偶二维谱在F2维提供与感兴趣核相偶合核的化学位移信息以及在F1维提供相偶合核和感兴趣核之间的J偶合常数(如图3-4所示)，偶合信息如表2所示。
表2根据本发明提出方法所获得独立自旋对间接偶合关系
上述实施例仅用来进一步说明本发明的一种测量同核间接偶合网络的方法，但本发明并不局限于实施例，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均落入本发明技术方案的保护范围内。
Claims (4)
1.一种测量同核间接偶合网络的方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)将待检测的样品溶液搅拌均匀后放入核磁谱仪的检测磁体中；
(2)对样品进行匀场和锁场；
(3)在固定功率下，利用一维氢谱脉冲序列测量非选择性矩形π/2脉冲宽度；所述一维氢谱脉冲序列是核磁共振谱仪自带的一维脉冲序列；
(4)在核磁共振波谱仪上导入预设脉冲序列，所述预设脉冲序列包括感兴趣自旋选择模块、感兴趣自旋间接偶合网络中所有自旋选择模块、感兴趣自旋中间接偶合常数测量模块、感兴趣偶合网络中所有自旋的化学位移测量模块；
(5)设置所述感兴趣自旋选择模块、感兴趣自旋间接偶合网络中所有自旋选择模块、感兴趣自旋中间接偶合常数测量模块、感兴趣偶合网络中所有自旋的化学位移测量模块的参数；
(6)进行数据采样；
(7)当数据采样全部完成后，对采样数据进行拼接、解码和二维傅立叶变换，获取所有感兴趣自旋对应的各自间接偶合网络，并显示在各自的二维谱中；
步骤(4)中所述感兴趣自旋选择模块是一个选择性π/2脉冲；
步骤(4)中所述感兴趣自旋间接偶合网络中所有自旋选择模块由一个选择性π/2脉冲和一个非选择性π/2脉冲组成；
步骤(4)中所述感兴趣自旋中间接偶合常数测量模块是通过收集若干间接时间维t1的信号获取；其中，t1平分两个时间段将一个选择性π脉冲和一个绝热脉冲激发纯化学位移模块PSYCHE包围；
步骤(4)中所述感兴趣偶合网络中所有自旋的化学位移测量模块是通过多次实验沿直接维t2直接采样信号，并将每次沿t2采样的信号取有限长度进行拼接获取的；此外，增加另一个间接时间维t3，并且t3维平分两个时间段将一个非选择π脉冲和感兴趣自旋中间接偶合常数测量模块包围。
2.根据权利要求1所述的测量同核间接偶合网络的方法，其特征在于：步骤(5)中，所述参数包括谱宽SW、间接时间维t1的总采样点数N1及时间增量Δt1、直接维t2总采样点数N2、间接时间维t3的总采样点数N3以及时间增量Δt3、序列延迟时间RD、π/2非选择性脉冲时间和功率、选择性π/2脉冲时间和功率、选择性π脉冲时间和功率、PSYCHE脉冲的时间以及功率、相关梯度场强度及其作用时间。
3.根据权利要求1所述的测量同核间接偶合网络的方法，其特征在于：步骤(6)的数据采样过程包括：首先脉冲序列延迟一段不短于3s的时间；然后选择性π/2脉冲激发特定频率的自旋，通过感兴趣自旋间接偶合网络中所有自旋选择模块将激发核自旋的横向磁化矢量及相位传递给其偶合核，偶合核在感兴趣自旋中间接偶合常数测量模块作用下在F1维仅保留与激发核的间接偶合关系，并在间接时间维t1进行信号演化，并且通过引入的另一个间接时间维t3以及两个非选择性π脉冲使F1维的偶合得以保留，F2所有的多重峰变成单重；最后在采样期采样最终信号。
4.根据权利要2所述的测量同核间接偶合网络的方法，其特征在于：步骤(7)具体包括：
将矩阵大小为N1*N3*N2三维数据通过拼接变成二维数据：首先根据t1值不同将数据分成N1组N3*N2的二维数据，然后取出每一组二维数据t2维开始的Δt3时间段采样信号，并将每组截断的数据根据t3大小顺序连接，即将二维数据拼接成长度L2＝N3*N2new的一维数据，将三维数据拼接成了大小为N1*L2的二维数据；其中，N2new＝Δt3*SW；
将二维数据根据t1大小顺序排列，然后进行二维傅立叶变换，得到表征感兴趣自旋间接偶合网络的二维谱。
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