CN111157564A - 基于空间编码快速二维谱的主客体相互作用的检测方法 - Google Patents

Abstract

基于空间编码快速二维谱的主客体相互作用的检测方法，涉及多维核磁共振。包括以下步骤：1)配置二茂铁与β‑环糊精的混合溶液，装入核磁管中，再置于核磁共振谱仪的检测腔内，然后调用常规一维氢谱序列采集待测样品的一维氢谱；2)调用常规空间相关谱序列，调整采集谱图所需的参数，采集常规二维空间相关谱谱图；3)导入超快速空间相关谱序列，采集超快速空间相关谱谱图；4)得到超快速空间相关谱图后，与常规二维空间相关谱谱图进行对比，观测二茂铁与β‑环糊精的交叉峰出现的过程，确认两者已经反应完成，且观测到两者的反应过程，从而对出主客体反应过程进行实时研究。检测时间大大缩短，可以应用到原位化学反应监测中。

Description

基于空间编码快速二维谱的主客体相互作用的检测方法

技术领域

本发明涉及多维核磁共振，尤其是涉及一种基于空间编码快速二维谱的主客体相互作用的检测方法。

背景技术

多维核磁共振在现代分子结构与动力学研究中起着至关重要的作用，它可以使得一维核磁共振谱中拥挤的谱峰展开并且获得更多的分子结构信息，然而，常规多维核磁共振谱图采样时间较长，通常需要几十分钟到几个小时，这就使其无法应用于监测原位实验。而基于空间编码的超快速采样新技术只需单次扫描即可获得二维或多维谱数据，极大地缩短了实验时间，有利于反应过程的监控。

与常规二维谱相同，空间编码单扫描快速采样方法同样包含预备期、演化期、混合期和采样期，不同的是空间编码单扫描快速采样方法的演化期是通过空间编码的方式来代替常规二维谱间接维编码，而采样期通过解码的方式来代替常规的采样，最终达到只需采样一次就可以获得二维谱数据的目的。常规二维谱需等间隔增加t1增量并连续执行N1次实验，而空间编码方法是将样品按空间分成独立的N份，每份样品经历不同的演化时间，这样一次采样得到的数据就含有不同的t1，经过数据处理后就可以得到完整的二维谱数据，采集时间只需几百毫秒(Progress in Nuclear Magnetic Resonance Spectroscopy,2010,57(3),p.241-292)。将超快速二维谱与化学相结合，具有广阔的研究前景。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术存在的上述问题，提供一种可克服超快速二维谱监测主客体反应的空白，使用超快速空间相关谱仅需单次扫描即可得到整个谱图，具有更加广泛应用空间的基于空间编码快速二维谱的主客体相互作用的检测方法。

本发明包括以下步骤：

1)配置二茂铁与β-环糊精的混合溶液，装入核磁管中，再置于核磁共振谱仪的检测腔内，然后调用常规一维氢谱序列采集待测样品的一维氢谱；

2)调用常规空间相关谱序列，调整采集谱图所需的参数，采集常规二维空间相关谱谱图；

3)导入超快速空间相关谱序列，采集超快速空间相关谱谱图；

4)得到超快速空间相关谱图后，与常规二维空间相关谱谱图进行对比，观测二茂铁与β-环糊精的交叉峰出现的过程，确认两者已经反应完成，且观测到两者的反应过程，从而对出主客体反应过程进行实时研究。

在步骤1)中，所述二茂铁与β-环糊精的配比可为1︰1，溶剂可采用氘代DMF，混合溶液的浓度可为0.1M；所述常规一维氢谱序列是集成在核磁共振谱仪中由一个非选择性射频脉冲和信号采样期组成的单脉冲序列。

在步骤2)中，所述常规空间相关谱序列集成在核磁共振谱仪中，由三个π/2非选择性射频脉冲和信号采样期组成；采集常规二维空间相关谱谱图的具体做法可为：使用单脉冲序列测量激发样品所需的π/2非选择性射频脉冲宽度，之后调用常规空间相关谱序列采集样品的常规空间相关谱图。

在步骤3)中，所述超快速空间相关谱序列由空间编码模块、空间相关谱序列模块以及空间解码模块组成，用于观测二茂铁与β-环糊精主客体相互作用的过程；所述空间编码模块由一个常规的π/2激发脉冲、两个πchirp脉冲组成，并且在chirp脉冲作用期间，施加一对完全对称的正负梯度场，强度为Ge；所述空间相关谱序列模块由一个π/2激发脉冲、混合期以及另一个π/2激发脉冲组成；所述空间解码模块是由脉冲在正负不断切换的梯度场下组成的，梯度场强度为Ga，解码模块的重复次数为nd。

在步骤3)中，所述采集超快速空间相关谱谱图的具体方法可为：

(1)导入超快速空间相关谱序列，设置编码模块、解码模块和chirp脉冲的实验参数，然后隔相同的时间，进行持续的数据采样，直到观测到反应已经结束；所述chirp脉冲的实验参数包括π/2非选择性射频脉冲宽度、chirp脉冲功率以及时间、直接维谱宽SW、编码梯度强度Ge，解码模块重复次数nd，混合期时长mix；

(2)数据采样完成以后，调用数据处理的代码对数据进行处理，得到超快速二维谱图，观测到交叉峰的出现；所述对数据进行处理，是将正负梯度采样分别得到的数据分成两组，设置时间间隔，持续采集样品的谱图，将两组数据分别进行一维傅里叶变换，得到两张二维空间相关谱图。

在步骤4)中，所述进行对比，可在谱图信噪比、采样时长、谱峰位置等方面进行对比。

与现有的其余化学检测手段相比，本发明具有以下突出的有益效果：

1)本发明继承了常规核磁共振的优点，提供一种非入侵性的、有效的检测化学结构的方法。空间相关谱因为NOE效应，能直观得到分子中各原子间在空间距离上的远近，从而推断出主客体反应的过程。

2)相较于传统二维谱，本发明检测时间大大缩短，可以应用到原位化学反应监测中。常规空间相关谱的采样时间在几十分钟到几个小时不等，而在本发明中，超快速空间相关谱的采样时间仅为3s，提高了将近几千倍。在本发明中，使用超快速空间相关谱监测二茂铁与β-环糊精的主客体相互作用的动力学过程。在以往研究中，由于传统二维采样时间长，无法用于主客体相互作用的实时研究。

附图说明

图1为文献(Soft Matter，2017，13(17)，p.3099-3106)中给出的β-环糊精与二茂铁结合完成后的结构。

图2为使用常规空间相关谱序列采集的β-环糊精与二茂铁混合溶液的二维谱。实线框所示区域内的对角峰为二茂铁的峰，交叉峰为二茂铁与环糊精反应后出现的交叉峰。

图3为使用空间编码超快速空间相关谱序列采集的β-环糊精溶液的二维谱。

图4为在反应过程中，使用空间编码超快速空间相关谱序列采集的β-环糊精与二茂铁混合溶液的二维谱。

图5为反应结束后，使用空间编码超快速空间相关谱序列采集的β-环糊精与二茂铁混合溶液的二维谱。实线框所示区域内的对角峰为二茂铁的峰，交叉峰为二茂铁与环糊精反应后出现的交叉峰。

具体实施方式

以下结合附图与具体实施例对本发明作进一步的说明。

本发明实施例提出将超快速空间相关谱核磁技术运用到检测β-环糊精与二茂铁主客体反应的实施例中，该技术操作简单，用时较短。并且该技术还能够进一步运用到该实验的原位反应中，对研究反应中可能出现的中间体有很大帮助。二茂铁与β-环糊精结合后的结构参考图1。

步骤1，样品配置，采集一维氢谱

配置0.1mol/L的β-环糊精和二茂铁的1︰1混合溶液，将混合溶液装入标准5mm的核磁样品管中，并将样品管送入核磁共振谱仪的检测腔内，然后调用常规一维氢谱序列采集待测样品的一维氢谱，获得该样品的一维氢谱谱图，用于为之后采集的二维谱作参考。使用所述单脉冲序列测量激发样品所需的π/2非选择性射频脉冲宽度。

步骤2，采集常规二维空间相关谱谱图

调用常规空间相关谱序列，调整采集谱图所需的参数，获得该样品的二维空间相关谱谱图，根据特定位置交叉峰的出现，确认原子在空间上的距离的远近，进而确认β-环糊精和二茂铁已经形成1︰1包络物。作为参照，与之后采集的超快速二维谱在谱图信噪比、采样时长、谱峰位置等方面进行对比。结果参考图2。

步骤3，采集超快速空间相关谱谱图

导入本实施例中所用的超快速空间相关谱序列，该序列由编码模块、空间相关谱序列模块以及解码模块组成。其中，空间编码的编码模块由一个常规的π/2激发脉冲，两个πchirp脉冲组成，并且在chirp脉冲作用期间，施加一对完全对称的正负梯度场，强度为Ge。空间相关谱序列模块由一个π/2激发脉冲，混合期以及另一个π/2激发脉冲组成。

空间编码的解码过程是由脉冲在正负不断切换的梯度场下完成的，梯度场强度为Ga，重复次数为nd。

合理设置实验参数包括π/2非选择性射频脉冲宽度、chirp脉冲功率以及时间、直接维谱宽SW、编码梯度强度Ge，解码模块重复次数nd，混合期时长mix，进行数据采样。

间隔相同的时间，进行持续的数据采样，直到观测到反应已经结束。

步骤4，数据处理

数据采样完成以后，调用数据处理的代码对得到的数据进行处理，得到最终结果，结果参考图3～5。

在处理过程中，由于采样时间间隔不是固定的，数据处理时不能直接进行傅立叶变换，如果将正负梯度采样分别得到的数据分成两组,时间间隔就固定了。因此，将其中一组数据进行一维傅里叶变换，可得到所需二维谱图。

步骤5，分析谱图

对谱图进行分析，观测到了二茂铁与β-环糊精的交叉峰，证明两者已经反应完成，并且观测到了两者的反应过程。

本实施例使用的仪器为Varian500MHz核磁共振波谱议。样品溶剂为氘代DMF，浓度为0.1M，其中，β-环糊精与二茂铁的比例为1︰1。按上述本发明所提方法的操作流程，装入实验样品，测量脉冲序列所需的射频脉冲宽度，导入编译好的如图1所示脉冲序列，设置相应实验参数。具体参数如下：π非选择性射频脉冲宽度为41.4s；直接维谱宽SW＝25000Hz，混合期时长mix为0.2s,chirp脉冲作用时间为0.02s，与chirp脉冲同时施加的编码梯度Ge为2.2G/cm，解码梯度Ga为32.9G/cm，解码模块重复次数nd为200次。整个实验用时约3s。数据经处理后，可以得到如图所示的超快速二维空间相关谱图。其中，二维空间相关谱谱图横轴纵轴均表示不同原子的化学位移，谱图中对角线上的峰是主峰,对角线以外的峰为交叉峰，交叉峰的出现代表相关主峰氢原子之间在空间上有接近的关系。

本发明将超快速空间编码运用于一类主客体相互作用，以环糊精(Cyclodextrin，CD)衍生物作为主体，二茂铁(Ferrocene,Fc)衍生物为客体。二茂铁在还原态时可以进入β-环糊精的空腔，形成1︰1的稳定包络复合物(Soft Matter，2017，13(17)，p.3099-3106)。因此结合后，两者在空间上的距离很接近，可以被空间相关谱检测到。本发明提供了超快速空间相关谱检测技术监测β-环糊精与二茂铁主客体反应的动力学过程的方法，克服了超快速二维谱监测主客体反应的空白。使用超快速二维空间相关谱仅需单次扫描即可得到整个谱图，时间相较于传统二维谱采样时间大大缩短，具有更加广泛的应用空间。

以上所述，仅为本发明的一个较佳的实施范例，不能依此限定本发明实施的范围。即依本发明范围及说明书内容所作的等效变化与修饰，皆应仍属本发明涵盖的范围内。

Claims (10)

1.基于空间编码快速二维谱的主客体相互作用的检测方法，其特征在于包括以下步骤：

1)配置二茂铁与β-环糊精的混合溶液，装入核磁管中，再置于核磁共振谱仪的检测腔内，然后调用常规一维氢谱序列采集待测样品的一维氢谱；

2)调用常规空间相关谱序列，调整采集谱图所需的参数，采集常规二维空间相关谱谱图；

3)导入超快速空间相关谱序列，采集超快速空间相关谱谱图；

4)得到超快速空间相关谱图后，与常规二维空间相关谱谱图进行对比，观测二茂铁与β-环糊精的交叉峰出现的过程，确认两者已经反应完成，且观测到两者的反应过程，从而对出主客体反应过程进行实时研究。

2.如权利要求1所述基于空间编码快速二维谱的主客体相互作用的检测方法，其特征在于在步骤1)中，所述二茂铁与β-环糊精的配比为1︰1，溶剂采用氘代DMF。

3.如权利要求1所述基于空间编码快速二维谱的主客体相互作用的检测方法，其特征在于在步骤1)中，所述混合溶液的浓度为0.1M。

4.如权利要求1所述基于空间编码快速二维谱的主客体相互作用的检测方法，其特征在于在步骤1)中，所述常规一维氢谱序列是集成在核磁共振谱仪中由一个非选择性射频脉冲和信号采样期组成的单脉冲序列。

5.如权利要求1所述基于空间编码快速二维谱的主客体相互作用的检测方法，其特征在于在步骤2)中，所述常规空间相关谱序列集成在核磁共振谱仪中，由三个π/2非选择性射频脉冲和信号采样期组成。

6.如权利要求1所述基于空间编码快速二维谱的主客体相互作用的检测方法，其特征在于在步骤2)中，采集常规二维空间相关谱谱图的具体做法为：使用单脉冲序列测量激发样品所需的π/2非选择性射频脉冲宽度，之后调用常规空间相关谱序列采集样品的常规空间相关谱图。

7.如权利要求1所述基于空间编码快速二维谱的主客体相互作用的检测方法，其特征在于在步骤3)中，所述超快速空间相关谱序列由空间编码模块、空间相关谱序列模块以及空间解码模块组成，用于观测二茂铁与β-环糊精主客体相互作用的过程。

8.如权利要求7所述基于空间编码快速二维谱的主客体相互作用的检测方法，其特征在于所述空间编码模块由一个常规的π/2激发脉冲、两个πchirp脉冲组成，并且在chirp脉冲作用期间，施加一对完全对称的正负梯度场，强度为Ge；所述空间相关谱序列模块由一个π/2激发脉冲、混合期以及另一个π/2激发脉冲组成；所述空间解码模块是由脉冲在正负不断切换的梯度场下组成的，梯度场强度为Ga，解码模块的重复次数为nd。

9.如权利要求1所述基于空间编码快速二维谱的主客体相互作用的检测方法，其特征在于在步骤3)中，所述采集超快速空间相关谱谱图的具体方法为：

(1)导入超快速空间相关谱序列，设置编码模块、解码模块和chirp脉冲的实验参数，然后隔相同的时间，进行持续的数据采样，直到观测到反应已经结束；所述chirp脉冲的实验参数包括π/2非选择性射频脉冲宽度、chirp脉冲功率以及时间、直接维谱宽SW、编码梯度强度Ge，解码模块重复次数nd，混合期时长mix；

(2)数据采样完成以后，调用数据处理的代码对数据进行处理，得到超快速二维谱图，观测到交叉峰的出现；所述对数据进行处理，是将正负梯度采样分别得到的数据分成两组，设置时间间隔，持续采集样品的谱图，将两组数据分别进行一维傅里叶变换，得到两张二维空间相关谱图。

10.如权利要求1所述基于空间编码快速二维谱的主客体相互作用的检测方法，其特征在于在步骤4)中，所述进行对比，是在谱图信噪比、采样时长、谱峰位置等方面进行对比。

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