CN111380894B - 一种基于量子模拟的液体nmr-二维hsqc实验的定量检测方法 - Google Patents

一种基于量子模拟的液体nmr-二维hsqc实验的定量检测方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于量子模拟的液体NMR‑二维HSQC实验的定量检测方法，包括：针对推导脉冲序列激发过程中自旋密度矩阵的演化过程进行数学建模，并将其封装为NMR模拟程序，对输入信号进行处理后得到NMR模拟频谱图；针对每个HSQC实验，读取相关数据写入NMR模拟程序或作为输入，运行NMR模拟程序得到HSQC实验对应的模拟谱图；将脉冲序列参数设置为理论值，即脉冲延迟写入NMR模拟程序，重复步骤2的模拟实验，得到HSQC实验对应的极化转移效率最高的模拟谱图；根据步骤2和步骤3得到模拟信号之间的强度比值，作为信号衰减系数，将该系数代入HSQC实验得到的谱图中反推被测物对应基团分子间的定量关系结果。与现有技术相比，本发明具有模拟结果可靠精确，实用性强等优点。

Description

一种基于量子模拟的液体NMR-二维HSQC实验的定量检测方法
技术领域
本发明涉及一种定量检测方法，尤其是涉及一种基于量子模拟的液体NMR-二维HSQC实验的定量检测方法。
背景技术
核磁共振NMR(Nuclear Magnetic Resonance)波谱技术是分析物质分子结构的强大工具，它是用特定的脉冲序列激发处在强磁场中具有自旋的原子核，得到含有被测物质化学结构特征的波谱图，从而实现物质分子结构的解析。二维NMR的实现是核磁共振发展史上的重大飞跃，它克服了一维NMR谱峰重叠的局限性，可以将化学位移、耦合关系等参数在二维平面展开，降低谱线的重叠度，提高图谱分辨率，而且能提供更多的结构信息，适用于大分子化合物的波谱解析。
异核单量子相干(HSQC)实验具有良好的灵敏度和分辨率，是蛋白质核磁共振波谱分析中最重要的实验，蛋白质中氨基酸的氨基对(1H-15N)可以在图谱中精确记录；碳氢对(1H-13C)的HSQC实验对有机化学和生物分子核磁共振检测也有重要的意义。
异核单量子相干(HSQC)实验是利用特定脉冲序列对异核自旋IS体系(一般是H-C或H-N)进行激发，双核之间发生了极化转移现象，具体表现为I核能级上的磁化量子布居数倒转，从而引起S核的极化发生变化，将自然丰度高的I核的极化传递到稀核S核，增强了稀核的磁共振信号强度。极化转移虽然提高了NMR实验中自然丰度较低的自旋核信号强度，但是在极化转移过程中自旋核从最初的单量子态转移了一部分到多量子态，使得其信号强度不能准确表示定量关系，而信号强度还跟脉冲的强度、相位和作用时间相关，使得最后的NMR信号失去不同基团的定量信息。1H的T1弛豫、质子与S核的T2弛豫效应、共振偏移效应也是HSQC实验的定量误差因素，随着研究的深入这些误差已经得到了一定程度的解决。由于极化转移依赖的是分子间的自旋耦合作用，而不同自旋体系间的耦合作用的不同导致实验中极化转移效率存在差异，因此极化转移现象引起的定量误差是无法直接定量的。为了解决这一问题，目前NMR领域常用的HSQC定量方法是通过设计更加复杂的脉冲序列，遍历实验条件(各个脉冲的强度、波形等)，对某一类已知的样品做定量实验。该类方法只能做到谱图中部分区域的信号的定量，而且这样做将牺牲谱图的信噪比，增加实验时间。因此，针对NMR-二维HSQC实验无法对被测基团进行定量的问题，需要一种通用且高效的方法。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种基于量子模拟的液体NMR-二维HSQC实验的定量检测方法。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种基于量子模拟的液体NMR-二维HSQC实验的定量检测方法，该检测方法包括以下步骤：
步骤1：针对推导脉冲序列激发过程中自旋密度矩阵的演化过程进行数学建模，然后进行计算机编程并将其封装为NMR模拟程序，再利用该NMR模拟程序对输入信号进行处理后得到NMR模拟频谱图；
步骤2：针对每个在NMR谱仪上进行的HSQC实验，读取相关数据写入NMR模拟程序或作为输入，运行NMR模拟程序得到HSQC实验对应的模拟谱图，记录其特征峰信号强度最大值；
步骤3：将脉冲序列参数设置为理论值，即脉冲延迟写入NMR模拟程序，重复步骤2的模拟实验，得到HSQC实验对应的极化转移效率最高的模拟谱图，记录其特征峰信号强度最大值；
步骤4：根据步骤2和步骤3得到模拟信号之间的强度比值，即得到HSQC实验的信号衰减系数，将该系数代入HSQC实验所得到的谱图中反推被测物对应基团分子间的定量关系结果。
进一步地，所述的步骤1包括以下分步骤：
步骤11：根据HSQC的量子力学原理推导得到脉冲序列激发过程中自旋密度矩阵的演化过程；
步骤12：针对脉冲序列激发过程中自旋密度矩阵的演化过程进行数据建模，并利用计算机将该建模模型封装为NMR模拟程序；
步骤13：利用该NMR模拟程序对输入信号采样得到时域NMR信号；
步骤14：对时域NMR信号进行二维傅里叶变换和可视化操作得到NMR模拟频谱图。
进一步地，所述的步骤2具体包括：针对每个在NMR谱仪上进行的HSQC实验，读取其对应脉冲序列并将其写入NMR模拟程序，读取其相关实验参数，测定被测物相关参数作为NMR模拟程序的输入，运行NMR模拟程序得到HSQC实验对应的模拟谱图，并记录特征峰信号强度最大值。
进一步地，所述的相关实验参数包括时域点数TD和采样时间AQ。
进一步地，所述被测物相关参数包括基团分子结构、J耦合和化学位移。
进一步地，所述的步骤3中的脉冲延迟，其描述公式为：
τ＝1/(4JIS)
式中，τ为脉冲延迟，JIS为耦合常数。
进一步地，所述的步骤13中的时域NMR信号，其描述公式为：
Figure BDA0002407499310000031
式中，ρcos(t1,t2)和ρsin(t1,t2)为采样期间t1至t2的信号，ρcos(t1)和ρsin(t1)为t1采样期间的信号，Hr为t2采样期间的哈密顿量。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
(1)本发明采用量子模拟的方法模拟HSQC实验的数值演化过程，计算过程完全遵循自然NMR实验的规律，不作任何人为假设，因此得到的模拟结果是可靠且精确的。
(2)本发明根据谱仪的脉冲序列进行模拟，不增加脉冲的复杂度、不增加实验时间；具有普适性，适合所有液态被测物的HSQC定量实验。
(3)本发明使用时无需额外的调用脚本，相比于现有的NMR模拟程序来说，更适合非NMR物理背景的NMR波谱检测人员使用，具有较强实用性。
附图说明
图1为本发明的模拟程序算法流程图；
图2为本发明方法的流程图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应属于本发明保护的范围。
一种基于量子模拟的液体核磁共振二维异核单量子相干实验定量检测方法主要包括以下步骤：
(1)根据HSQC的量子力学原理推导出脉冲序列激发过程中自旋密度矩阵的演化方程，然后对整个过程进行数学建模，再利用计算机编程将其封装为一个NMR模拟程序，运行这个程序会对信号进行采样得到时域NMR信号，接着对信号进行二维傅里叶变换和可视化得到NMR模拟频谱图。
如图1所示，HSQC试验模拟程序算法主要有三部分组成，参数部分，函数演化部分，信号采样和处理部分。以HSQC基础脉冲为例，其输入脉冲为：
Figure BDA0002407499310000041
针对IS体系化学位移ωI、ωS，耦合常数JIS，自旋哈密顿量：
H＝ωIIz+ωSSz+2πJISIzSz
在脉冲作用下自旋体系的演化如下：
Figure BDA0002407499310000042
Figure BDA0002407499310000043
系统在采样期间哈密顿量为：
Hr＝ωIIz
因此采样时的信号可表示为：
Figure BDA0002407499310000051
式中，ρcos(t1,t2)和ρsin(t1,t2)为采样期间t1至t2的信号，ρcos(t1)和ρsin(t1)为t1采样期间的信号，Hr为t2采样期间的哈密顿量。
使用I核观测算符记录的FID信号如下：
Figure BDA0002407499310000052
根据输入的采样点数TD和采样时间AQ进行信号采样，得到的正弦和余弦FID信号t2进行一次傅里叶变换，分别得到FIDcos(t1,ω2)的实部作为合成信号的实部，FIDsin(t1,ω2)的实部作为合成信号的虚部组成合成信号：
SState(t1,ω2)＝Re[FIDcos(t1,ω2)]+i Re[FIDsin(t1,ω2)]
最后将合成的信号进行t1维傅里叶变换取实部形成频域信号。
(2)针对每个在NMR谱仪上进行的HSQC实验，读取其对应脉冲序列并将其写入NMR模拟程序，读取其相关实验参数(时域点数TD、采样时间AQ)，测定被测物相关参数(基团分子结构、J耦合、化学位移)作为模拟程序的输入，运行NMR模拟程序得到HSQC实验对应的模拟谱图，并记录特征峰信号强度最大值。
(3)将HSQC实验对应的脉冲序列参数设置为理论值，即脉冲延迟改为τ＝1/(4JIS)，写入NMR模拟程序，重复步骤2的模拟实验，得到HSQC实验的对应的极化转移效率最高的模拟谱图，记录特征峰信号强度最大值。
(4)计算(2)(3)步骤得到模拟信号之间的强度比值，可得到HSQC实验的信号衰减系数，将系数代入HSQC实验所得到的谱图中，可反推被测物对应基团分子间的定量关系。
实施例
如图2所示，一种基于量子模拟的液体NMR-2DHSQC实验定量检测方法具体实例如下：
步骤1：进行需要进行定量的物质的HSQC实验，测得IS基团特征峰的最大值Q，化学位移ΩI，Ωs，耦合常数JIS，时域点数TD(Ns，NI)，采样时间AQ(t1，t2)，调取实验脉冲，如HSQC基本脉冲：
Figure BDA0002407499310000061
脉冲时延与实验脉冲设置一致。
步骤2：运行HSQC模拟程序，生成二维谱记录待测特征峰的信号最大值Q1。将脉冲时延设置为理论值τ＝1/(4JIS)，使其极化转移率达到理论最大值，并保持其它参数不变，运行模拟程序记录特征峰的信号强度最大值Q2。
步骤3：求两次模拟实验信号强度的比值k＝Q2/Q1，记作信号损失因子K。最后根据损失因子K计算实际实验中的特征峰信号与特征基团在物质中的实际含量之间存在偏差，得到特征基团特征峰的理论信号强度为k×Q，该理论信号强度能真实反映特征基团之间的定量关系。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (7)

1.一种基于量子模拟的液体NMR-二维HSQC实验的定量检测方法，其特征在于，该检测方法包括以下步骤：
步骤1：针对推导脉冲序列激发过程中自旋密度矩阵的演化过程进行数学建模，并将其封装为NMR模拟程序，利用该NMR模拟程序对输入信号进行处理后得到NMR模拟频谱图；
步骤2：针对每个在NMR谱仪上进行的HSQC实验，读取相关数据写入NMR模拟程序或作为输入，运行NMR模拟程序得到HSQC实验对应的模拟谱图，记录其特征峰信号强度最大值；
步骤3：将脉冲序列参数设置为理论值，即脉冲延迟写入NMR模拟程序，重复步骤2的模拟实验，得到HSQC实验对应的极化转移效率最高的模拟谱图，记录其特征峰信号强度最大值；
步骤4：根据步骤2和步骤3得到模拟信号之间的强度比值，即得到HSQC实验的信号衰减系数，将该系数代入HSQC实验所得到的谱图中反推被测物对应基团分子间的定量关系结果。
2.根据权利要求1所述的一种基于量子模拟的液体NMR-二维HSQC实验的定量检测方法，其特征在于，所述的步骤1包括以下分步骤：
步骤11：根据HSQC的量子力学原理推导得到脉冲序列激发过程中自旋密度矩阵的演化过程；
步骤12：针对脉冲序列激发过程中自旋密度矩阵的演化过程进行数据建模，并利用计算机将该建模模型封装为NMR模拟程序；
步骤13：利用该NMR模拟程序对输入信号采样得到时域NMR信号；
步骤14：对时域NMR信号进行二维傅里叶变换和可视化操作得到NMR模拟频谱图。
3.根据权利要求1所述的一种基于量子模拟的液体NMR-二维HSQC实验的定量检测方法，其特征在于，所述的步骤2具体包括：针对每个在NMR谱仪上进行的HSQC实验，读取其对应脉冲序列并将其写入NMR模拟程序，读取其相关实验参数，测定被测物相关参数作为NMR模拟程序的输入，运行NMR模拟程序得到HSQC实验对应的模拟谱图，并记录特征峰信号强度最大值。
4.根据权利要求3所述的一种基于量子模拟的液体NMR-二维HSQC实验的定量检测方法，其特征在于，所述的相关实验参数包括时域点数TD和采样时间AQ。
5.根据权利要求3所述的一种基于量子模拟的液体NMR-二维HSQC实验的定量检测方法，其特征在于，所述被测物相关参数包括基团分子结构、J耦合和化学位移。
6.根据权利要求1所述的一种基于量子模拟的液体NMR-二维HSQC实验的定量检测方法，其特征在于，所述的步骤3中的脉冲延迟，其描述公式为：
τ＝1/(4JIS)
式中，τ为脉冲延迟，JIS为耦合常数。
7.根据权利要求2所述的一种基于量子模拟的液体NMR-二维HSQC实验的定量检测方法，其特征在于，所述的步骤13中的时域NMR信号，其描述公式为：
Figure FDA0002407499300000021
式中，ρcos(t1,t2)和ρsin(t1,t2)为采样期间t1至t2的信号，ρcos(t1)和ρsin(t1)为t1采样期间的信号，Hr为t2采样期间的哈密顿量。
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