CN110988006B - 一种基于纯化学位移的自旋偶合网络相敏谱实现方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种基于纯化学位移的自旋偶合网络相敏谱实现方法。该方法主要涉及自旋激发、选择性重聚、纯化学位移以及相敏实现。将搅拌均匀后的待测样品送入核磁谱仪的检测腔；进行调谐、匀场和锁场；测量非选择性π/2脉冲宽度；利用标准序列采集一张氢谱获得谱峰信息；导入预设序列并设置好实验参数，执行数据采样；进行纯化学位移的数据处理，得到包含J偶合信息和纯化学位移的二维谱；对所得谱图进行二维相敏处理。本发明的有益效果是：(1)仅一次实验就可以获得具有纯吸收峰线型的单个自旋偶合网络二维谱(2)可实现J偶合常数精确测量。
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纯化学位移的自旋偶合网络相敏谱实现方法。
背景技术
化学位移和J偶合信息为有机化学、生物分子的结构解析和成分分析提供了分子级别的至关重要的信息。在传统的方法，虽然2D J分解谱能够将化学位移和J偶合信息分开，但是独立同核自旋对的偶合常数仍然无法测得，而且存在色散分量，谱图相位扭曲。目前提出的新型J分解谱，虽然可以测量J偶合常数，但是大多无法克服谱图中存在的色散分量的问题，以绝对值谱的形式，谱线展宽，J偶合常数测量不够精确；或者，需要多次实验才能实现相敏谱，实验重复累赘。
发明内容
本发明所要解决的主要技术问题是给出一种基于纯化学位移的自旋偶合网络相敏谱实现方法，可以运用到许多基于纯化学位自旋偶合测量序列中去，有效解决绝对值显示模式下，谱线展宽，J偶合常数测量不准确，以及需要多次实验的问题。
为了解决上述的技术问题，本发明采用如下技术方案：
一种基于纯化学位移的自旋偶合网络相敏谱实现方法，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腔中；
(2)进行核磁共振谱仪的调谐、匀场和锁场；
(3)利用核磁共振谱仪的标准一维氢谱序列对非选择性π/2脉冲宽度进行粗测和精测，并设置好非选择性π/2脉冲宽度；
(4)设置合适的发射机频率以及谱宽，获取一张一维氢谱，得到自旋核谱峰信息；
(5)导入预设脉冲序列并编译，脉冲序列包括自旋激发、选择性重聚、纯化学位移；
(6)设置好实验参数执行数据采样；
所述实验参数包括直接维谱宽SW，间接维谱宽SW1和SW2，间接时间维t1、采样点数N1及时间增量Δt1，间接时间维t2、采样点数N2及时间增量Δt2，直接采样维t3及采样点数N3，序列延迟时间RD，固定延时τ，非选择性π/2脉冲时间和功率，选择性π/2脉冲时间和功率，非选择性π脉冲时间和功率，选择性π脉冲时间和功率，扫频脉冲的时间以及功率、线性相干梯度场强度及其作用时间，相位循环次数nt，采样时间at；
所述数据采样过程包括：首先脉冲序列延迟RD时间，然后自旋激发模块激发特定频率的自旋，选择性重聚块保证在F1维仅保留与所激发自旋有偶合关系的J偶合信息，仅化学位移在F2维演化，采样维t3与t2相连；
(7)当数据采样全部完成后，所有t2维增量下t3开始1/SW2时间内获得的数据顺次拼接，得到纯化学位移谱；对纯化学位移谱进行二维傅立叶变换以及二维相敏谱的数据处理。
在一较佳实施例中：步骤(5)中所述自旋激发是一个非选择性π/2脉冲，或者是一个选择性π/2脉冲和一个非选择性π/2脉冲的组合。
在一较佳实施例中：步骤(5)中所述自旋激发若为选择性π/2脉冲和一个非选择性π/2脉冲组合的形式，在两个脉冲中间存在一个固定延时τ。
在一较佳实施例中：步骤(5)中所述选择性重聚块是由选择性π脉冲和一个J-选择重聚块组成，其中J-选择重聚块的作用是能够实现自旋受空间位置相关的重聚；或统计概率下的重聚；或简单的频率控制的重聚。
在一较佳实施例中：步骤(5)中所述纯化学位移的实现为：伪二维纯化学位移，新增一个间接时间维；在每一个新增的间接维增量下，保留采样期开始一段时间内偶合演化可以忽略的数据块，并对应增量大小所保留的采样数据块依次拼接。
在一较佳实施例中：步骤(5)中所述纯化学位移的实现为：实时纯化学位移，具体表现为重聚块的重复使用。
在一较佳实施例中：步骤(7)中所述纯化学位移谱的形式为：在直接维，自旋核只保留了纯化学位移信息；在间接维，只保留与激发核有偶合关系的J偶合常数信息。
在一较佳实施例中：步骤(7)中二维相敏谱的处理的具体过程：(1)对获得的谱图沿F1维中心进行镜像处理；(2)将原始谱图与镜像谱图做相加或相减运算消除F1维色散分量；(3)对所获新谱图做F2维的线性调相消除F2维色散分量。
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自旋激发、选择性重聚、纯化学位移以及谱数据处理，可以克服自旋偶合网络测量过程中的相位扭曲问题，实现了二维吸收谱，避免绝对值谱带来的谱线增宽、偶合信息测量不准的问题。本方法仅需一次实验就可以获得具有纯吸收峰线型的同核自旋自旋偶合网络的二维谱，其中一维表征自旋核的化学位移，并且实现了纯化学位移，另一维可以显示偶合网络中的自旋偶合常数，可以实现J偶合常数的精确测量。
附图说明
图1为本次具体实验案例中所采用的脉冲序列图；
图2为薄荷醇化学结构式。
图3为薄荷醇一维氢谱。
图4为图1所示序列获取薄荷醇1号同核自旋偶合网络的具有纯吸收峰线型的二维谱，在F2维和F1维的投影。F2是与1号核相偶合自旋的谱峰位置，F1维显示1号峰与对应谱峰的偶合常数和裂峰模式。
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，而且可以克服绝对值显示模式下谱峰宽度展宽的问题，实现完全的二维相敏谱，仅需要一次实验就可以得到无色散分量的谱图，极大的提高了自旋偶合网络信息的测量。
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腔中。
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，进行核磁谱仪的调谐、匀场和锁场
首先利用谱仪自带的自动调谐功能进行调谐。然后，进行自动匀场和自动锁场，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π/2脉冲宽度测量
在一个固定功率如60dB下，利用谱仪自带的标准一维氢谱脉冲序列测量非选择性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2π翻转区间，步长为3s，采样后根据谱图大致确定谱图2π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，导入预设的实验脉冲序列并进行编译。
所述的脉冲序列包括自旋激发、选择性重聚、纯化学位移。
自旋激发由一个选择性π/2脉冲和一个非选择性π/2脉冲组成，在两个脉冲中间存在一个固定延时τ；选择性重聚由一个选择性π脉冲、作用在梯度场下的一对chirp扫频脉冲组成的PSYCHE块组成，也包括PSYCHE块两端梯度脉冲、放置在选择性π脉冲和PSYCHE块两端的梯度场脉冲以及两侧各t1/2间接维演化时间；纯化学位移实现模块是由选择性重聚模块、非选择性π脉冲、与第一个选择性π脉冲起抵消作用的另一个选择性π脉冲以及用于拼接的间接时间维组成。
作为简单替换，所述自旋激发还可以是一个非选择性π/2脉冲。
上述的选择性重聚块是由选择性π脉冲和一个J-选择重聚块组成，其中J-选择重聚块的作用是能够实现自旋受空间位置相关的重聚；或统计概率下的重聚；或简单的频率控制的重聚。
步骤5，脉冲序列参数设置
所述纯化学位移的实现为：伪二维纯化学位移，新增一个间接时间维；在每一个新增的间接维增量下，保留采样期开始一段时间内偶合演化可以忽略的数据块，并对应增量大小所保留的采样数据块依次拼接。
依照上述的实现方法，根据检测样品实际情况设置合适的的实验参数，参数包括直接维谱宽SW，间接维谱宽SW1和SW2，间接时间维t1、采样点数N1(或n i)及时间增量Δt1，间接时间维t2、采样点数N2及时间增量Δt2，直接采样维t3及采样点数N3，序列延迟时间RD，固定延时τ，非选择性π/2脉冲时间和功率，选择性π/2脉冲时间和功率，非选择性π脉冲时间和功率，选择性π脉冲时间和功率，扫频脉冲的时间以及功率、线性相干梯度场强度及其作用时间，相位循环次数nt，采样时间at。
其中，激发的感兴趣核由选择性脉冲的中心频率以及激发频率范围(与选择性脉冲持续时间有关)决定，间接时间维t1和第二时间间接维t2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。
作为简单替换，所述纯化学位移的实现还可以为：实时纯化学位移，具体表现为重聚块的重复使用。
步骤6，进行数据采样。
数据采样具体过程为：首先脉冲序列延迟RD时间，然后自旋激发模块激发特定频率的自旋，选择性重聚块保证在F1维仅保留与所激发自旋有偶合关系的J偶合信息，化学位移和J偶合在F2维同时演化，但是纯化学位移实现只取t3维开始的1/SW2时间内数据块，J偶合演化在此小段时间内可以忽略。
步骤7，数据拼接以及纯吸收峰处理，主要包括：
(1)采样数据拼接是在t2间接时间维的等间隔递增下，对t3开始1/SW2时间内获得的数据顺次拼接成一个新的FI D。(2)N1个拼接好的FID组成一个新的二维谱数据集(3)进行二维傅里叶变换得到原始谱图。(4)对获得的谱图沿F1维中心进行镜像处理(5)将原始谱图与镜像谱图做差运算消除F1维色散分量(6)对所获新谱图做F2维的线性调相消除F2维色散分量。
下面是一个具体实施例：
实例样品为薄荷醇。实验仪器是一台Varian 500MHz NMR谱议(Varian,PaloAlto,CA)，整个实验过程没有改动任何仪器硬件设施。配置好样品之后，将样品搅拌均匀放入核磁共振检测谱仪中。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，此时发射机功率设为60dB。利用仪器标准的一维核磁氢谱序列对样品进行采样，采样得到的一维氢谱如图3所示，采样时间为1.5s，谱宽是1966.81Hz，发射机频率为-1522.5Hz。然后，选择一个试验区，导入预先设计好的脉冲序列如图1所示，进行序列的编译。图1中的脉冲序列中自旋激发选择的是选择性π/2脉冲和非选择性π/2脉冲组合的形式，J-选择重聚块选用PSYCHE模块、纯化学位移数据实现选择的是伪二维采样后再拼接法。具体说明如下：
空心矩形为非选择性π/2射频脉冲；实心矩形为非选择性π射频脉冲；空心高斯形状为选择性π/2射频脉冲；实心高斯形状为选择性π射频脉冲；带箭头的梯形形状为PSYCHE模块中的chirp扫频脉冲；序列下方的空心矩形G1、G2和G3为线性梯度场；t1为间接时间维，t2为第二间接时间维，t3为直接采样维。
打开脉冲序列的各个相关模块，包括自旋激发、选择性重聚、纯化学位移，并设置好实验参数。详细参数设置如下：直接维谱宽SW设为5kHz，谱宽可根据样品或者拼接效果调整，间接维谱宽SW1为40Hz，间接维演化期t1的点数ni为32，这里为了保证磁化矢量的恢复，本实验延迟时间RD应该不短于3s，本实验延时τ取值为30ms，π/2非选择性矩形脉冲时间为8.25μs。π/2选择性脉冲的持续时间和强度分别为80ms和-12dB，π选择性脉冲的持续时间和强度分别为30ms和3dB。Chirp扫频脉冲激发功率4dB，激发频率范围10kHz，持续时间13ms。梯度场强度为G1＝4G/cm、G2＝8G/cm和G3＝0.75G/cm，其作用时间为均为0.5ms。
本次实验所激发的谱峰为薄荷醇的1号峰，最终结果所得如图4所示。
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，偶合信息：1号峰与6e号峰之间的偶合常数为4.4Hz，1号峰与2号峰之间的偶合常数为10.1Hz，1号峰与6a号峰之间的偶合常数为11.0Hz。
字符对照表参照表：
上述实施例仅用来进一步说明本发明的一种基于纯化学位移的自旋偶合网络相敏谱实现方法，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 (8)
1.一种基于纯化学位移的自旋偶合网络相敏谱实现方法，其特征包括如下步骤：
(1)将待检测的样品溶液搅拌均匀后放入核磁谱仪的检测腔中；
(2)进行核磁共振谱仪的调谐、匀场和锁场；
(3)利用核磁共振谱仪的标准一维氢谱序列对非选择性π/2脉冲宽度进行粗测和精测，并设置好非选择性π/2脉冲宽度；
(4)设置合适的发射机频率以及谱宽，获取一张一维氢谱，得到自旋核谱峰信息；
(5)导入预设脉冲序列并编译，脉冲序列包括自旋激发、选择性重聚块、纯化学位移；
(6)设置好实验参数执行数据采样；
所述实验参数包括直接维谱宽SW，间接维谱宽SW1和SW2，间接时间维t1、采样点数N1及时间增量Δt1，间接时间维t2、采样点数N2及时间增量Δt2，直接采样维t3及采样点数N3，序列延迟时间RD，固定延时τ，非选择性π/2脉冲时间和功率，选择性π/2脉冲时间和功率，非选择性π脉冲时间和功率，选择性π脉冲时间和功率，扫频脉冲的时间以及功率、线性相干梯度场强度及其作用时间，相位循环次数nt，采样时间at；
所述数据采样过程包括：首先脉冲序列延迟RD时间，然后自旋激发模块激发特定频率的自旋，选择性重聚块保证在F1维仅保留与所激发自旋有偶合关系的J偶合信息，仅化学位移在F2维演化，采样维t3与t2相连；自旋激发选择的是选择性π/2脉冲和非选择性π/2脉冲组合的形式，选择性重聚块选用PSYCHE模块；具体的脉冲序列为：
先施加一个选择性π/2射频脉冲，经过固定延时τ后再施加一个非选择性π/2射频脉冲，经过t2/2后再施加非选择性π射频脉冲，经过t1/2后再施加线性梯度场G1；在线性梯度场G1施加结束后再施加选择性π射频脉冲，再施加线性梯度场G2；在线性梯度场G2施加结束后再施加PSYCHE模块中的chirp扫频脉冲，同时施加线性梯度场G3；再经过t1/2后再施加选择性π射频脉冲；经过t2/2后进入直接采样维t3；
(7)当数据采样全部完成后，所有t2维增量下t3开始1/SW2时间内获得的数据顺次拼接，得到纯化学位移谱；对纯化学位移谱进行二维傅立叶变换以及二维相敏谱的数据处理。
2.根据权利要求1所述的一种基于纯化学位移的自旋偶合网络相敏谱实现方法，其特征在于：步骤(5)中所述自旋激发是一个非选择性π/2脉冲，或者是一个选择性π/2脉冲和一个非选择性π/2脉冲的组合。
3.根据权利要求2所述的一种基于纯化学位移的自旋偶合网络相敏谱实现方法，其特征在于：步骤(5)中所述自旋激发若为选择性π/2脉冲和一个非选择性π/2脉冲组合的形式，在两个脉冲中间存在一个固定延时τ。
4.根据权利要求3所述的一种基于纯化学位移的自旋偶合网络相敏谱实现方法，其特征在于：步骤(5)中所述选择性重聚块是由选择性π脉冲和一个J-选择重聚块组成，其中J-选择重聚块的作用是能够实现自旋受空间位置相关的重聚；或统计概率下的重聚；或简单的频率控制的重聚。
5.根据权利要求4所述的一种基于纯化学位移的自旋偶合网络相敏谱实现方法，其特征在于：步骤(5)中所述纯化学位移的实现为：伪二维纯化学位移，新增一个间接时间维；在每一个新增的间接维增量下，保留采样期开始一段时间内偶合演化可以忽略的数据块，并对应增量大小所保留的采样数据块依次拼接。
6.根据权利要求4所述的一种基于纯化学位移的自旋偶合网络相敏谱实现方法，其特征在于：步骤(5)中所述纯化学位移的实现为：实时纯化学位移，具体表现为重聚块的重复使用。
7.根据权利要求1所述的一种基于纯化学位移的自旋偶合网络相敏谱实现方法，其特征在于：步骤(7)中所述纯化学位移谱的形式为：在直接维，自旋核只保留了纯化学位移信息；在间接维，只保留与激发核有偶合关系的J偶合常数信息。
8.根据权利要求7所述的一种基于纯化学位移的自旋偶合网络相敏谱实现方法，其特征在于：步骤(7)中二维相敏谱的处理的具体过程：(1)对获得的谱图沿F1维中心进行镜像处理；(2)将原始谱图与镜像谱图做相加或相减运算消除F1维色散分量；(3)对所获新谱图做F2维的线性调相消除F2维色散分量。
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