CN110764035B - 一种二维定量核磁共振方法及其应用 - Google Patents

一种二维定量核磁共振方法及其应用 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种二维定量核磁共振方法及其应用，涉及有机小分子化合物的分析技术领域。该二维定量核磁共振方法，其包括依次进行的极化转移阶段、演化阶段、反极化转移阶段和绝热脉冲去耦采样阶段；其中，极化转移阶段的脉冲序列为耦合补偿的第一脉冲片段；演化阶段采用恒时演化方法；反极化转移阶段的脉冲序列为耦合补偿的第二脉冲片段；绝热脉冲去耦采样阶段中的去耦方式采用耦合补偿的采样方法。该方法能够快速高效地对复杂基体条件下的化合物进行定量。并且前处理简单，信号选择范围广，实验过程中消耗的溶剂和耗材少以及定量准确。其可广泛应用于有机分析的定量检测中，具有较大的应用前景。

Description

一种二维定量核磁共振方法及其应用
技术领域
本发明涉及有机小分子化合物的分析技术领域，具体而言，涉及一种二维定量核磁共振方法及其应用。
背景技术
近年来，复杂基质条件下有机小分子的定量研究是有机分析领域中研究热点和难点。具体表现在：在农业领域中，关注农产品和食品中营养和特征物质的性质(定性研究)和含量(定量研究)；在化学和材料领域中，关注化合物在反应过程中变化规律(反应机理研究)；在生物和医疗领域中，关注药物代谢物的代谢规律(代谢研究)和对代谢物的影响(代谢组研究)。相比于液相、气相和毛细管电泳等常规分离手段，定量核磁共振方法表现出明显优势，它具有前处理简单、整个过程中消耗的溶剂和材料很少，以及用于定量的信号丰富等优势。但是传统定量氢谱受制于有限谱宽，仅有20ppm，尤其对于那些饱和的碳氢化合物来说，氢谱信号的分离就非常困难。近年来，解卷积技术的应用虽然缓解了信号的重叠的影响，但是其定量误差在10％以上，具有很小的应用前景。
定量二维核磁方法能够解决复杂基质条下的有机小分子定量检测中信号重叠的问题。HSQC谱可以将信号投放到二维平面上，间接维的信号分布范围随着13C的信号分布范围相应扩大，有效缓解核磁共振氢谱中谱峰重叠的问题。但是，现阶段的定量HSQC方法仍然存在许多的缺点，比如：同核和异核耦合调制造成的信号响应不均匀、信号在传递过程中容易受到驰豫效应的影响、以及较长的脉冲序列会造成灵敏度下降。
鉴于此，特提出本发明。
发明内容
本发明的目的在于提供一种二维定量核磁共振方法，其能够快速高效地对复杂基体条件下的化合物进行定量。
本发明的目的在于提供一种二维定量核磁共振方法在有机分析的定量检测中的应用。
本发明是这样实现的：
第一方面，实施例提供一种二维定量核磁共振方法，其包括依次进行的极化转移阶段、演化阶段、反极化转移阶段和绝热脉冲去耦采样阶段；
其中，所述极化转移阶段的脉冲序列为耦合补偿的第一脉冲片段；
所述演化阶段采用恒时演化方法；
所述反极化转移阶段的脉冲序列为耦合补偿的第二脉冲片段；
所述绝热脉冲去耦采样阶段中的去耦方式采用耦合补偿的采样方法。
在可选的实施方式中，所述第一脉冲片段包括任何角度的脉冲和脉冲片段；
优选地，所述第一脉冲片段的脉冲包括组合脉冲或绝热脉冲；
优选地，所述第一脉冲片段的脉冲片段包括βx(2β)x+120、(0.5β)-60(β)60、(0.5β)-45(β)45、β0(β)90、β0(0.5β)90、β0(0.33β)90、β0(0.25β)90、J45+90A、J45+90B、J90+90、J90+45、J90+30、J90+22中的任一种；其中，x为任意脉冲激发角度；
优选地，βx(2β)x+120为β-60(2β)60；
优选地，所述第一脉冲片段为J45+90A。
在可选的实施方式中，所述第二脉冲片段包括任何角度的脉冲和脉冲片段；
优选地，所述第二脉冲片段包括组合脉冲或绝热脉冲；
优选地，所述第二脉冲片段包括βx(2β)x+120(或β-60(2β)60、(0.5β)-60(β)60、(0.5β)-45(β)45、β0(β)90、β0(0.5β)90、β0(0.33β)90、β0(0.25β)90、J45+90A、J45+90B、J90+90、J90+45、J90+30、J90+22中的任一种；其中，x为任意脉冲激发角度；
优选地，βx(2β)x+120为β-60(2β)60；
优选地，所述第二脉冲片段为β-60(2β)60。
在可选的实施方式中，在所述极化转移阶段和所述反极化转移阶段均采用用于抑止同核耦合的演化的CPMG方法。
在可选的实施方式中，在所述CPMG方法中使用的序列中连续脉冲的时间间隔τ<1/(2*Δνmax)，其中，τ为时间间隔，Δνmax为相邻耦合的最大化学位移差。
在可选的实施方式中，所述CPMG方法中使用的序列包括180度脉冲、XY-16脉冲片段或者XY-8脉冲片段中的任一种。
在可选的实施方式中，所述恒时演化方法采用的间隔时间为2d0，其中，d0＝n/J(CC)，J(CC)为碳碳耦合常数，n为正整数；
优选地，n为1或2。
在可选的实施方式中，所述采样方法中使用的去耦脉冲为bi-P5M4组合脉冲；
优选地，在所述绝热脉冲去耦采样阶段中还采用能翻转和重聚的组合脉冲或绝热脉冲以消除杂核偏共振效应。
在可选的实施方式中，在所述极化转移阶段的末端和所述反极化转移阶段的前端均采用ZZ滤波以消除不需要的信号；
优选地，所述不需要的信号包括处于横向的同核磁化信号和异核磁化信号。
第二方面，实施例提供根据前述实施方式任一项所述的二维定量核磁共振方法在有机分析的定量检测中的应用。
本发明具有以下有益效果：
本申请提供的二维定量核磁共振方法，其中，极化转移阶段和反极化转移阶段均采用了耦合补偿的脉冲序列，该脉冲序列既能实现耦合的补偿，又能实现磁化从丰核的单量子到稀核的反相双量子或多量子之间的相互转移。同时采用CPMG方法，能够有效抑止同核耦合的演化，而恒时演化方法可以有效抑止间接维中杂核的同核演化，绝热脉冲去耦采样阶段中利用去耦脉冲实现耦合补偿的采样方式，能够有效减少去耦方法不均匀造成的偏共振效应的影响。本申请中通过对二维定量核磁共振方法中的脉冲序列进行设计，使得该方法能够快速高效地对复杂基体条件下的化合物进行定量。并且前处理简单，信号选择范围广，实验过程中消耗的溶剂和耗材少以及定量准确。该二维定量核磁共振方法可以广泛应用于有机分析的定量检测中，其具有较大的应用前景。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1为本申请实施例1提供的二维定量核磁共振方法的脉冲序列的设计图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。下述实施例中所使用的脉冲程序如无特殊说明，均为常规的脉冲程序。
本申请提供了一种二维定量核磁共振方法，其包括依次进行的极化转移阶段、演化阶段、反极化转移阶段和绝热脉冲去采样耦阶段。接下来将对每个阶段分别进行说明。
S1、极化转移阶段(Insensitive Nuclei Enhanced by Polarization Transfer,INEPT)。
在定量二维HSQC脉冲序列中的极化转移阶段的脉冲序列为耦合补偿的第一脉冲片段；第一脉冲片段包括任何角度的脉冲或脉冲片段。
优选地，第一脉冲片段包括组合脉冲或绝热脉冲。
优选地，第一脉冲片段包括βx(2β)x+120、(0.5β)-60(β)60、(0.5β)-45(β)45、β0(β)90、β0(0.5β)90、β0(0.33β)90、β0(0.25β)90、J45+90A、J45+90B、J90+90、J90+45、J90+30、J90+22中的任一种；其中，x为任意脉冲激发角度；优选地，βx(2β)x+120为β-60(2β)60；优选地，所述第一脉冲片段为J45+90A。本申请中提供的脉冲序列都是具有耦合补偿功能的脉冲片段。这些脉冲片段的特征既能实现耦合的补偿，又能实现磁化从丰核的单量子到稀核的反相双量子或多量子之间的相互转移。
此外，值得说明的是，本申请中在极化转移阶段中采用用于抑止同核耦合(例如氢氢耦合)演化的CPMG(Carr-Purcell-Meiboom-Gil)序列。其演化中连续脉冲的时间间隔为满足τ<1/(2*Δνmax)的任何数值，(τ为时间间隔，Δνmax为相邻耦合的最大化学位移差)。
具体地，该CPMG方法中使用的序列的脉冲包括180度脉冲、XY-16脉冲片段或者XY-8脉冲片段中的任一种。其中，术语“XY-16脉冲片段”表示脉冲激发角度为：0，90，0，90，90，0，90，0，180，270，180，270，270，180，270，180的具有16个角度的连续脉冲片段；“XY-8脉冲片段”表示脉冲激发角度为：0，90，0，90，90，0，90，0的具有8个角度的连续脉冲片段。
在极化转移阶段的末端采用ZZ滤波消除不需要的信号。具体到本实施例中，不需要的信号包括但不限于：处于横向的同核磁化信号和异核磁化信号。
S2、演化阶段。
本实施例中的演化阶段采用恒时演化(constant-time method)方法，通过恒时演化可以抑止间接维中杂核的同核演化。
在恒时演化方法中采用的间隔时间为2d0，其中，d0＝n/J(CC)，J(CC)为碳碳耦合常数，n为正整数，例如：1或2。
S3、反极化转移阶段(retro-INEPT)。
本实施例的反极化转移阶段采用的脉冲序列可以与极化转移阶段采用的脉冲序列相同或不同，具体来说，本实施例中反极化转移阶段的脉冲序列为第二脉冲片段，该第二脉冲片段也具有耦合补偿的功能。其中，第二脉冲片段包括任何角度的脉冲或脉冲片段。
优选地，第二脉冲片段包括组合脉冲或绝热脉冲；优选地，第二脉冲片段包括βx(2β)x+120、(0.5β)-60(β)60、(0.5β)-45(β)45、β0(β)90、β0(0.5β)90、β0(0.33β)90、β0(0.25β)90、J45+90A、J45+90B、J90+90、J90+45、J90+30、J90+22中的任一种；其中，x为任意脉冲激发角度；优选地，βx(2β)x+120为β-60(2β)60；优选地，第二脉冲片段为β-60(2β)60。
进一步地，本实施例中反极化转移阶段也采用CPMG方法来抑止同核耦合的演化，例如氢氢耦合。其演化中连续脉冲的时间间隔为满足τ<1/(2*Δνmax)的任何数值，(τ为时间间隔，Δνmax为相邻耦合的最大化学位移差)。
具体地，该CPMG方法中使用的序列的脉冲包括180度脉冲、XY-16脉冲片段或者XY-8脉冲片段中的任一种。
在反极化转移阶段的前端采用ZZ滤波消除不需要的信号。具体到本实施例中，不需要的信号包括但不限于：处于横向的同核磁化信号和异核磁化信号。
S4、绝热脉冲去耦采样阶段。
本实施例中，绝热脉冲去耦采样阶段中去耦方式采用耦合补偿的采样方法，具体地，该采样方法中使用的去耦脉冲为bi-P5M4组合脉冲。
由于在测定过程中，杂核的频率范围较大，例如：13C和14N，定量方法会受到偏共振效应的影响，本实施例中，采用频率补偿的脉冲序列来减少偏共振效应的影响，具体来说，该脉冲序列为能翻转和重聚的组合脉冲或绝热脉冲。作为典型但非限制性的示例，该脉冲序列可以为180度组合脉冲或者180度绝热脉冲。
本申请提供的二维定量核磁共振方法，其中，极化转移阶段和反极化转移阶段均采用了耦合补偿的脉冲序列，该脉冲序列既能实现耦合的补偿，又能实现磁化从丰核的单量子到稀核的反相双量子或多量子之间的相互转移。同时采用CPMG方法，能够有效抑止同核耦合的演化，而恒时演化方法可以有效抑止间接维中杂核的同核演化，采样阶段中利用去耦脉冲实现耦合补偿的采样方式，能够有效减少去耦方法不均匀造成的偏共振效应的影响。接着利用能翻转和重聚的组合脉冲或绝热脉冲以减少偏共振效应的影响。本申请中通过对二维定量核磁共振方法中的脉冲序列进行设计，使得该方法能够快速高效地对复杂基体条件下的化合物进行定量。并且前处理简单，信号选择范围广，实验过程中消耗的溶剂和耗材少以及定量准确。
此外，本申请还提供了一种二维定量核磁共振方法在有机分析的定量检测中的应用，其具有较大的应用前景。
以下结合实施例对本发明的特征和性能作进一步的详细描述。
实施例1
本实施例提供了一种二维定量核磁共振方法，其包括以下阶段(请参阅图1)：
S1、极化转移阶段：采用的J45+90A的脉冲；在极化转移期间内采用CPMG方法，用于消除同核耦合在期间的演化，其演化时间间隔满足τ<1/(2*Δνmax)的任何数字，其中的脉冲为单一180度脉冲组成。在极化转移阶段的末端采用ZZ滤波消除不需要的信号。
S2、演化阶段：采用恒时演化方法，来减少最终谱图杂峰的出现和信号的均匀响应。在恒时演化时的间隔时间为2d0。
S3、反极化转移阶段：采用β-60(2β)60脉冲，在极化转移期间内采用CPMG方法，用于消除同核耦合在期间的演化，其演化时间间隔满足τ<1/(2*Δνmax)的任何数字，其中的脉冲为单一180度脉冲组成。在反极化转移阶段的前端采用ZZ滤波消除不需要的信号。
S4、绝热脉冲去耦采样阶段：去耦方式采用耦合补偿的采样方法，该采样方法中使用的去耦脉冲为bi-P5M4组合脉冲。同时，杂核的180脉冲采用180度组合脉冲来实现脉冲序列的翻转和重聚，来实现减少偏共振效应。以上两种方法分别是为了信号采集阶段和信号生成阶段的偏共振效应。
实施例2
本实施例提供了一种二维定量核磁共振方法，其包括以下阶段：
S1、极化转移阶段：采用的(0.5β)-60(β)60)的脉冲；在极化转移期间内采用CPMG方法，用于消除同核耦合在期间的演化，其演化时间间隔满足τ<1/(2*Δνmax)的任何数字，其中的脉冲为XY-8脉冲片段组成。在极化转移阶段的末端采用ZZ滤波消除不需要的信号。
S2、演化阶段：采用恒时演化方法，来减少最终谱图杂峰的出现和信号的均匀响应。在恒时演化时的间隔时间为2d0。
S3、反极化转移阶段：采用J90+45脉冲，在极化转移期间内采用CPMG方法，用于消除同核耦合在期间的演化，其演化时间间隔满足τ<1/(2*Δνmax)的任何数字，其中的脉冲为XY-8脉冲片段组成。在反极化转移阶段的前端采用ZZ滤波消除不需要的信号。
S4、绝热脉冲去耦采样阶段：去耦方式采用耦合补偿的采样方法，该采样方法中使用的去耦脉冲为bi-P5M4组合脉冲。同时杂核的180脉冲采用180度绝热脉冲来实现脉冲序列的翻转和重聚，来实现减少偏共振效应。
实施例3
本实施例提供了一种二维定量核磁共振方法，其包括以下阶段：
S1、极化转移阶段：采用的β0(0.33β)90的脉冲；在极化转移期间内采用CPMG方法，用于消除同核耦合在期间的演化，其演化时间间隔满足τ<1/(2*Δνmax)的任何数字，其中的脉冲为XY-16脉冲片段组成。在极化转移阶段的末端采用ZZ滤波消除不需要的信号。
S2、演化阶段：采用恒时演化方法，来减少最终谱图杂峰的出现和实现信号的均匀响应。在恒时演化时的间隔时间为2d0。
S3、反极化转移阶段：采用β0(0.5β)90脉冲，在极化转移期间内采用CPMG方法，用于消除同核耦合在该期间的演化，其演化时间间隔满足τ<1/(2*Δνmax)的任何数字，其中的脉冲为XY-16脉冲片段组成。在反极化转移阶段的前端采用ZZ滤波消除不需要的信号。
S4、绝热脉冲去耦采样阶段：去耦方式采用耦合补偿的采样方法，该采样方法中使用的去耦脉冲为bi-P5M4组合脉冲。同时杂核的180脉冲采用180度绝热脉冲来实现脉冲序列的翻转和重聚，来实现减少偏共振效应。
将本申请的实施例和常规的二维定量核磁共振方法相比，实施例1能够提供更加均匀的响应信号，同时不影响信号的灵敏度。实施例2和实施例3按照实现均匀响应的理论方法设计，同样能够得到一致的响应信号。
综上所述，本申请提供的二维定量核磁共振方法，其中，极化转移阶段和反极化转移阶段均采用了耦合补偿的脉冲序列，该脉冲序列既能实现耦合的补偿，又能实现磁化从丰核的单量子到稀核的反相双量子或多量子之间的相互转移。同时采用CPMG方法，能够有效抑止同核耦合的演化，而恒时演化方法可以有效抑止间接维中杂核的同核演化，采样阶段中利用去耦脉冲实现耦合补偿的采样方式，能够有效减少去耦方法不均匀造成的偏共振效应的影响。接着利用能翻转和重聚的组合脉冲或绝热脉冲以减少偏共振效应的影响。本申请中通过对二维定量核磁共振方法中的脉冲序列进行设计，使得该方法能够快速高效地对复杂基体条件下的化合物进行定量。并且前处理简单，信号选择范围广，实验过程中消耗的溶剂和耗材少以及定量准确。该二维定量核磁共振方法可以广泛应用于有机分析的定量检测中，其具有较大的应用前景。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种二维定量核磁共振方法，其适用于对复杂基体条件下的化合物进行定量分析，其特征在于，其包括依次进行的极化转移阶段、演化阶段、反极化转移阶段和绝热脉冲去耦采样阶段；
其中，所述极化转移阶段的脉冲序列为耦合补偿的第一脉冲片段；
所述演化阶段采用恒时演化方法；
所述反极化转移阶段的脉冲序列为耦合补偿的第二脉冲片段；
所述绝热脉冲去耦采样阶段中的去耦方式采用耦合补偿的采样方法；
所述第一脉冲片段包括βx(2β)x+120、(0.5β)-60(β)60、(0.5β)-45(β)45、β0(β)90、β0(0.5β)90、β0(0.33β)90、β0(0.25β)90、J45+90A、J45+90B、J90+90、J90+45、J90+30、J90+22中的任一种；其中，x为任意脉冲激发角度；
所述恒时演化方法采用的间隔时间为2d0，其中，d0＝n/J(CC)，J(CC)为碳碳耦合常数，n为1或2；
所述第二脉冲片段包括βx(2β)x+120、(0.5β)-60(β)60、(0.5β)-45(β)45、β0(β)90、β0(0.5β)90、β0(0.33β)90、β0(0.25β)90、J45+90A、J45+90B、J90+90、J90+45、J90+30、J90+22中的任一种；其中，x为任意脉冲激发角度；
所述采样方法中使用的去耦脉冲为bi-P5M4组合脉冲。
2.根据权利要求1所述的二维定量核磁共振方法，其特征在于，所述第一脉冲片段中βx(2β)x+120为β-60(2β)60。
3.根据权利要求1所述的二维定量核磁共振方法，其特征在于，所述第二脉冲片段中βx(2β)x+120为β-60(2β)60。
4.根据权利要求1所述的二维定量核磁共振方法，其特征在于，在所述极化转移阶段和所述反极化转移阶段均采用用于抑止同核耦合的演化的CPMG方法。
5.根据权利要求4所述的二维定量核磁共振方法，其特征在于，在所述CPMG方法中使用的序列中连续脉冲的时间间隔τ<1/(2*Δνmax)，其中，τ为时间间隔，Δνmax为相邻耦合的最大化学位移差。
6.根据权利要求4所述的二维定量核磁共振方法，其特征在于，所述CPMG方法中使用的序列包括180度脉冲、XY-16脉冲片段或者XY-8脉冲片段中的任一种。
7.根据权利要求1所述的二维定量核磁共振方法，其特征在于，在所述绝热脉冲去耦采样阶段中还采用能翻转和重聚的组合脉冲或绝热脉冲以消除杂核偏共振效应。
8.根据权利要求1所述的二维定量核磁共振方法，其特征在于，在所述极化转移阶段的末端和所述反极化转移阶段的前端均采用ZZ滤波以消除不需要的信号。
9.根据权利要求8所述的二维定量核磁共振方法，其特征在于，所述不需要的信号包括处于横向的同核磁化信号和异核磁化信号。
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