DE3517893A1

DE3517893A1 - Zweidimensionales nmr-spektroskopieverfahren

Info

Publication number: DE3517893A1
Application number: DE19853517893
Authority: DE
Inventors: Muneki Akishima Tokio/Tokyo Ohuchi
Original assignee: Jeol Ltd
Current assignee: Jeol Ltd
Priority date: 1984-05-17
Filing date: 1985-05-17
Publication date: 1985-11-21
Also published as: GB2160657B; GB8512590D0; JPS60242351A; GB2160657A; US4677383A

Description

Die Erfindung betrifft ein zweidimensionales Kernresonanzspektroskopieverfahren und insbesondere ein zweidimensionales Kernresonanzspektroskopieverfahren, welches zweidimensionaIe Spektren liefert, deren Phasen korrigiert sind.

In neuerer Zeit gewinnt die zweidimensionale Kernresonanzspektroskopie immer mehr an Bedeutung als neue NMR-Spektroskopiemethode. Bei dieser Spektroskopietechnik (W.P. Aue, E. Bartholdi, 1. März 1976, S. 2229-S. 2246) werden NMR-Signale als zweidimensionales Spektrum dargestellt. Man erzielt dabei eine bedeutend höhere Auflösung als bei den her körrml ichen Verfahren. Dies liegt daran, daß eine Resonanzlinie besser in MuItiplett1inien aufgespalten werden kann. Dies erleichtert die Analyse der Spektren, so daß diese Spektroskopiemethode in Zukunft eine breite Anwendung finden wird.

Die Fig. 1 zeigt eine Folge von Messungen, die für ein 3-aufge 1östes zweidimensionales NMR-Spektrum, welches eines der zweidimensionalen NMR-Spektren ist, gemacht wurde.

ο ο

Dabei werden ein 90 -Impuls und ein 180 -Impuls mit einem Zeitintervall von t /2 auf eine Probe, die gyromagne-

1
tische Resonatoren enthält, zur Einwirkung gebracht. Nach

dem Zeitablauf von t /2 wird das hieraus resultierende freie

1
Induktionsabklingsignal (Kerninduktionssignal) während einer

Abklingzeit t erfaßt und in einem Speicher abgespeichert.

2
Diese Messung wird mehrfach wiederholt mit inkremental

unterschiedlichen Werten für t . Die freien Induktions-

abklingsignaIe, welche bei diesen Messungen erhalten werden, werden abgespeichert in Abhängigkeit von den Werten für t . Für den Satz S(t , t ) der Signale wird eine

1 1 2

Doppelfouriertransformation nach t und t zur Ablei-

2 1 tung eines zweidimensionalen Spektrums durchgeführt.

Bei dieser zwei dimensional en NMR-Spektroskopie ist es schwierig, die Phase des erhaltenen zweidimensionalen Spektrums zu korrigieren. Demzufolge wird das Spektrum als ein Leistungsspektrum abgeleitet, das unabhängig von der Phase ist. In einem Leistungsspektrum endet jedoch jeder Peak in einem Signal schwanz, wobei in der Nähe eines solchen Signalschwanzes Resonanzlinien nicht ausreichend abgetrennt werden können. Bei einem Versuch, die Abtrennung maximal zu gestalten, hat man bislang die freien Induktions-

abklingsignale durch verschiedene Fenster funkt ionen vervielfacht. Eine vollständige Separierung konnte dabei jedoch nicht erreicht werden. Ferner bringt die Vervielfachung durch Fensterfunkt ionen die zusätzliche Schwierigkeit, daß die Peaks verschwinden.

Aufgabe der Erfindung ist es, ausgehend von den vorstehend geschilderten Schwierigkeiten ein zweidimensionales Kernresonanzspektroskopieverfahren zu schaffen, bei dem die Phasen der zweidimensionalen Spektren sich leicht korrigieren 1assen.

Diese Aufgabe wird bei einem zweidimensionalen Kernresonanzspektroskopieverfahren durch folgende Schritte gelöst:

(a) Auf eine Probe, die gyromagnetische Resonatoren enthält, wird eine Hochfrequenzimpulskette zur Einwirkung gebracht, wobei die Impulskette aus einer Vielzahl von Hochfrequenzimpulsen besteht.

(b) Das während einer Abklingzeit t nach der Anwendung der

2 Hochfrequenzimpulskette von den Resonatoren ausgesendete freie Induktionsabklingsignal wird erfaßt und in einem Speicher abgespeichert.

⁷ " 35Ί7893

(c) Die Schritte (a und b) werden mit unterschiedlichen

Werten für die Entwicklungszeit t , welche als

1 Impulsabstand zwischen zwei bestimmten Impulsen der

Hochfrequenzimpulskette definiert ist, wiederholt.

(d) Es wird die Fouriertransformation des Satzes S (t ,

1 t ) der freien Induktionsabklingsignale nach

2
t durchgeführt, und die Signale werden in Abhängig-

keit von den Werten für t im Speicher abgespeichert

(e) Es werden Daten S (t ,F) bzw. S (t ,

c 1000 2 s 1000 F ) deren Phasen um einen Phasenwinkel φ

2
verschoben sind, aus den Anfangsdaten S (t ,

c 1000 F ) und S (t ,F), welche in zwei

2 s 1000 2
Fourierkomponenten S (t , F ) und S (t ,

c 1 2 si F ) enthalten sind, die durch die im Schritt (d)

2
durchgeführte Fouriertransformation abgeleitet sind,

in der Weise erhalten, daß der Peak bzw. die Linie,

welche in den Anfangsdaten S (t , F ) bzw.

c 1000 2 S (t ,F) enthalten ist, eine Absorptions-

s 1000 2
bzw. Dispersionswellenform annimmt zur Durchführung

der Phasenkorrektur.

(f) Die Phasen der anderen neben den Anfangsdaten S

(t ,F) bzw. S (t , F ) in den 1000 2 s 1000 2

im Schritt (d) abgeleiteten Fourierkomponenten S

c (t , F ) bzw. S (t , F ) enthaltenen Daten

12 s 1 2 werden zur Durchführung der Phasenkorrektur um den

Phasenwinkel θ verschoben und

(g) die Fouriertransformation der Daten, welche in den Schritten (e und f) erhalten wurden und deren Phasen korrigiert sind, wird durchgeführt.

Dieses spektroskopische Verfahren zeichnet sich dadurch

aus, daß die Phasen der bei den Messungen erhaltenen

Daten unmittelbar nach Durchführung der Fouriertransformation

nach t korrigiert werden. 2

Vorteile und Einzelheiten der Erfindung werden in der folgenden Beschreibung unter Bezugnahme auf die Figur noch näher erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 Eine Kurvendarstellung einer Meßfolge, die für

ein J-aufgelöstes zweidimensionales Kernresonanzspektroskopieverfahren verwendet wird;

Fig. 2 Ein Blockschaltbild eines Kernresonanzspektrometers, mit dem ein erfindungsgemäßes Verfahren durchgeführt werden kann;

Fig. 3 Zeitdiagranrme zur Erläuterung des in der Fig. 2 dargestellten Spektrometers;

Fig. k Eine Darstellung zur Erläuterung des Satzes

S (t , t ) der freien Induktionsabklingsignale; 1 2

Fig. 5a Darstellungen der Sätze S (t , F ) und

c 1 2

und 5b S (t , F )
s 1 2

Fig. 6 Interferograrrmkurven
(a - b)

Fig. 7 Wellenformen zur Erläuterung (a^M-b")von S (t ,F) und S (t ,F)

c 1000 2 s 1000 2 und

Fig. 8 eine Kurvendarstellung zur Erläuterung der Phase.

Das in der Fig. 2 dargestellte Ausführungsbeispiel eines Kernresonanzspektrometers kann zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens dienen. Dieses Kernresonanzspektro· meter enthält einen Magneten 1, der ein statisches Magnet-

feld erzeugt, in welchem eine Sender-Empfänger spule 2 angeordnet ist. Eine zu untersuchende Probe wird im Innenraum der Sender-Empfänger spule 2 angeordnet. Ein Hochfrequenzoszillator 3 erzeugt ein Hochfrequenzsignal, das die Resonanzfrequenz der zu untersuchenden Kerne enthält. Das Hochfrequenzsignal wird an die Sender-Empfänger spule 2 in Form von Hochfrequenzimpulsen über einen Verstärker Ψ und eine Torschaltung 5 gelegt. Dabei wird das Hochfrequenzsignal auf die Probe zur Einwirkung gebracht. In die Sender-Empfänger spule 2 wird dabei ein Resonanzsignal induziert, welches über eine Torschaltung 6 und eine Empfängerschaltung 7 an einen Demodulator 8 weitergeleitet wird. Der Demodulator δ empfängt außerdem das Hochfrequenzsignal als Referenzsignal vom Hochfrequenzoszillator 3. Das freie Induktionsabklingsignal, welches vom Demodulator 8 erhalten wird, wird mit Hilfe eines Analog-Digitalwandlers 9 in eine digitale Form gebracht und in einen Computer 10 eingegeben. In diesem wird es in einem Speicher 11, der im Computer vorhanden ist, abgespeichert. Die Daten werden dann arithmetisch verarbeitet, d.h. einer Fouriertransformation unterzogen und die Phasen werden, korrigiert. Die Tor schaltungen 5, 6 und der Analog-Digitalwandler 9 werden von einer Impulsprograrmnschaltung 12 gesteuert, die bereits mit der Folge der Impulsketten, die auf die Probe einwirken, mit den Impulsbreiten und dem Takt der Abtastung

der vom Analog-Digitalwandler 9 erzeugten Daten programmiert bzw. gesteuert ist. Eine Meßfolge wird in Abhängigkeit von diesem Steuer programm durchgeführt.

Die Messungen werden in der in Fig. 1 dargestellten Folge unter Zuhilfenahme eines in der Fig. 2 dargestellten Geräts wie folgt durchgeführt. Die Torschaltung 5 ist während der

in der Fig. 3 (a) gezeigten Zeiten in Arbeitslage geschaltet,

ο ο

so daß ein 90 -Impuls und ein ISO - Impuls im Abstand

von t /2 zur Sender-Empfänger spule 2 geleitet wird und dort

1 auf die Probe einwirkt. Nach Ablauf einer Zeitdauer t /2

1 nach Anwendung der Impulskette wird die Torschaltung 6 in

Arbeitsstellung gebracht während der in der Fig. 3 (b) gezeigten Zeitdauer. Gleichzeitig wird der Analog-Digitalwandler 9 in Betrieb gesetzt. Das entstehende freie

Induktionsabklingsignal wird während der Zeitdauer t

2 erfaßt und im Speicher 11 abgespeichert.

Dieser einzelne Meßvorgang wird mit 256 verschiedenen Werten

für die Entwicklungszeit t wiederholt. Beispielsweise

werden Werte t ,t ,t ,t

1000 1001 1002 11003 t nacheinander zur Anwendung gebracht. Nach Beendigung

der 256 Meßdurchgänge werden die freien Induktionsabklingsignale FID - FID , welche in Abhängigkeit von den ooo 255

256 verschiedenen Werten für t erhalten wurden, im

1 Speicher 11 abgespeichert. Die 256 verschiedenen freien

Induktionsabklingsignaie, welche im Speicher 11 abgespeichert sind, können als Satz S (t , t ) für die

1 2 Zeitwerte t (Anfangszeitwert), t , t ,

1000 1001 1002

t t , weiche für die Entwicklungszeit

1003 1255
t gewählt und wie in Fig. k angeordnet sind, betrachtet

1
we r d e η .

Zunächst wird die Fouriertransformation dieses Satzes nach

t durchgeführt, um t in die Frequenzdomäne F um-

2 2

zuwandeln. Hieraus ergeben sich die Kosinuskomponente

S (t , F ) und die Sinuskomponente S (t ,

c 1 2 si

F ). Beide werden durch Fouriertransformation nach

2
t in die Frequenzdomäne F umgewandelt. Hieraus er-

1 1

geben sich vier Fourierkomponenten S (F , F ) S

cc 1 2 ss (F , F ) S , s(F , F ) und S (F , F ).

1 2 cc 12 se 1 2 Das zweidimensionale Spektrum S (F , F ) ergibt sich

1 2 wie folgt:

S (F , F ) = S (F , F ) - S (F , F ) 12 cc 1 2 ss 1 2

+ S (F , F ) - S (F , F ) es 1 2 se 1

Bislang ergab sich das Leistungspektrum des zweidimensionaien Spektrums wie folgt:

S (F , F ) = (S (F , F )) + (S (F , F )) 12 cc 1 2 ss 1 2

+ (S (F , F )) + (S (F , F )) es 1 2 se 1 2

Hieraus ergaben sich die einleitend angesprochenen Schwierigkeiten.

Die Kosinuskomponente S (t , F ) und die Sinuskompo-

c 1 2
nente S (t , F ), welche bei der Fouriertransformation

s 1 2
nach t erhalten werden, und welche im vorstehenden be-

2
schrieben sind, werden wie folgt erläutert.

Die Figuren 5 (a) und (b) zeigen die Kosinuskomponente S

c (t , F ) und die Sinuskomponente S (t , F ), wel-

12 s 1 2

ehe in Anlehnung an die Figur 4 dargestellt sind. Aufgrund

der Beziehung zwischen den Sinus- und Kosinuskomponenten sind

ο die in den Figuren 5 (a) und (b) dargestellten Peaks P um

außer Phase zueinander. Die Fouriertransformation von

5 (t , F ) und S (t , F ) nach t bedeutet c 1 2 s 1 2 1 die Fouriertransformation der Inter ferograrrme, welche in

den Figuren 6 (a) und (b) dargestellt sind nach allen Werten von F . Diese Interferogramme, welche in den Figuren 2

6 (a) und (b) dargestellt sind, sind die Sätze der Punkte,

welche die gleichen Werte von F aufweisen in Richtung des

2 in der Fig. 5 (a) dargestellten Pfeiles A beispielsweise.

Als Beispiel sei für F ein Wert F angenommen. Ein

2 2n

I nter f er ogranrm wird gewonnen durch Verbindung der Punkte

S (t , F ), S (t ,F),

c 1000 2n c 1001 2n S (t ,F) usw. wie es durch die Punkte in der c 1002 2n

Fig. 5(a) gezeigt ist. Das andere Inter ferogrannm wi rd erhalten durch Verbindung der Punkte S (t ,F ),

s 1000 2n S (t , F ), S (t ,F) usw., wie das

s 1001 2n s 1002 2n durch die Punkte in der Fig. 5(b) dargestellt ist.

Wenn die Phase beim Anfangswert (Anfangspunkt in der Zeit) Null ist, und wenn eine Kosinuswellenform (Fig. 6(a') oder eine Sinuswellenform (Fig. 6(b') angenommen wird, wird keine Phasenverschiebung bei der Durchführung der Fouriertransformation des Inter ferograrmns in die sich ergebende Fouriertransformation eingebracht. Es können jedoch Phasenverschiebungen an den Punkten S (t ,F) und S (t ,

c 1000 2n s 1000 F ) der in den Figuren 6(a) und (b) dargestellten Inter-

2n ferogramme gesehen werden, welche beim Anfangszeitwert

t auftreten. Wenn demgemäß die Daten so wie sie sind

1000 einer Fouriertransformation unterworfen werden, erscheint

im sich ergebenden zweidimensionalen Spektrum eine Phasenverschiebung.

Bei der Erfindung werden die Daten basierend auf den Anfangsdaten S (t ,F) und S (t , F ) in der

c 1000 2 s lOOü 2 Weise erhalten, daß der Peak bzw. die Linie, welche in den

Anfangsdaten S (t ,F) bzw. S (t ,F)

c 1000 2 s 1000 2 enthalten sind, eine Absorptions- oder Dispersionswellenform

annehmen, und die Phase um einen Winkel von φ zur Phasenkorrektur verschoben wird. Die Anfangsdaten S (t ,

c 1000 F ) bzw. S (t ,F) werden aus S (t , F )

2 s 1000 2 c 1 2

bzw. S (t , F ) durch Einsetzen des Anfangszeitwer-

s 1 2
tes t gewonnen. Die Phasen der anderen Daten, welche

1000
in S (t ,F) bzw. S (t , F ) enthalten sind, c 1 2 s 1 2

werden ebenfalls zur Phasenkorrektur um den Winkel θ verschoben. Die korrigierten Daten werden dann einer Fouriertransformation nach der Entwicklungszeit t unterzogen.

Die Figuren 7(a) und (b) zeigen Wellenformen, welche aus

den Daten S (t ,F) und den Daten S (t ,

c 1000 2 s 1000

F ) erhalten wurden. Die Daten S (t ,F) wer-

2 c 1000 2

den abgeleitet von S (t , F ) durch Einsetzen des

c 1 2
Anfangszeitwertes = t und die Daten S (t ,

1000 s 1000

F ) werden abgeleitet von S (t , F ) durch Einset-

2 s 1 2

zen des Anfangszeitwertes = t . Die Peaks P, welche

1000

in den in den Figuren 7(a) und (b) dargestellten Wellenformen vorhanden sind, können als Projektionen einer Spule L betrachtet werden, die aus einer einzelnen Windung be-

steht, wie es in Fig. 8 in den orthogonal zueinander liegenden X- und Y-Ebenen dargestellt ist, zur Erleichterung des Verständnisses. Wenn die Umlaufbahn des gyromagnetisehen

Resonators nahe dem Resonanzpunkt F durch die Spule bzw.

2n

Schleife L in dreidimensionaler Form dargestellt wird, ergibt sich als Projektion dieser Spule bzw. Schleifenbahn auf die X-Ebene die in der Fig. 7a dargestellte Wellenform. Die Projektion der Schleifenbahn auf die Y-Ebene besitzt dann die in der Fig. 7b dargestellte Wellenform. Die Spule bzw. Schleife L ist im Abstand von der Achse Z in der Fig. 8 dargestellt. In Wirklichkeit fällt jedoch der gerade Teil der Schleife bzw. Spule L mit der Achse Z zusanrmen. Die Beziehung der Spule L zu den X- und Y-Ebenen entspricht der Phase. Wenn die X- und Y-Ebenen um die Achse Z in der Fig. 8 gedreht werden, ändert sich die Lage der Spule L zu den X- und Y-Ebenen bzw. die Phase. Demgemäß ändern sich die in den Figuren 7(a) und (b) dargestellten Wellenformen in die in den Figuren 7(a') und (b¹) dargestellten Wellenformen. Wenn die Ebenen um einen bestimmten Winkel φ gedreht werden, ergeben sich die in der Fig. 7(a") dargestellte Absorptionswellenform und die in der Fig. 7(b'') dargestellte Dispersionswellenform. Dies ist die Bedingung, bei welcher die Anfangsphase Null ist.

Um die Peaks P in eine derartige Wellenform zu bringen,

werden die Daten S (t , F ) und die Daten

c 1000 2
S (t ι F ) durch cos ω und sin (^angegeben.

s 1000 2
Die Wellenformen werden dann um den Winkel θ gedreht, so

daß cos (ω +θ ) und sin (ω+θ ) abgeleitet werden. Dies ergibt sich rechnerisch aus der Gleichheit von cos ( ω+θ ) = cos wcos θ- sind) sind und der Gleichheit sin (ω +θ ) = sinu cos θ -ι- COSO) sin θ. In Wirklichkeit wird die Rechenoperation wiederholt durchgeführt mit verschiedenen Werten für % , um den Wert für θ zu finden, bei welchem die Peakintensitat einer Absorptionswellenform einen maximalen Wert anninrmt. Auf diese Weise werden die Absorptionsund Dispersionswellenformen, die in den Figuren 7(a" )

und (b¹¹) dargestellt sind, erhalten. S (t ,F)

c 1000 2

und S (t ,F) sind die korrigierten Daten, s 1000 2

Auf diese Weise wird der Phasenwinkel gewonnen, um welchen

die Phase zur Phasenkorrektur verschoben wird. In gleicher

) Weise werden alle anderen Daten, welche in S (t 2

c 1, F und S (t , F ) enthalten sind, rechnerisch behandelt

s 1 2
für die Phasenkorrektur, so daß Fourierkomponenten

S (t , F ) und S (t , F ) erhalten werden, bei c 1 2 s 1 2

denen alle Phasen korrigiert sind. Die Phase am Anfangszeitwert t der Inter ferograrrme, weiche aus den pha-1000

senkorrigierten Fourierkomponenten S (t , F ) und

c 1 2 S (t , F ) erhalten werden, ist Null aufgrund der vor-

s 1 2 stehend geschilderten Phasenkorrektur. Ferner nehmen sie eine Kosinuswellenform (Fig. 6(a')) oder eine Sinuswellenform (Fig. 6(b')) an. Demgemäß ist das zweidimensionaie Spektrum, das abgeleitet wird durch die Fouriertransformation von S (t , F ) und S (t , F ) nach

c 1 2 s 1 2 der Entwicklungszeit t frei von Phasenverschiebungen,

1 und es ergibt sich ein korrektes Spektrum. In der Praxis

genügt es, die Fouriertransformation nur bei einer der

Fourierkomponenten S (t , F ) und

c 1 2 S (t , F ) durchzuführen. Die Daten, welche nach

s 1 2 der Phasenkorrektur erhalten werden, sind entweder

S (t , F ) oder S (t , F ). c 1 2 s 1 2

Beim vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel werden alle Datenpunkte korrigiert. Es ist jedoch beispielsweise auch möglich, nur die Daten im Bereich von F , in welchem

ein Peak vorhanden ist, durch eine Rechenoperation zu korrigieren. Wenn mehrere Peaks vorhanden sind, kann die Korrektur der Daten in den Bereichen, in denen die Peaks vorhanden sind, durchgeführt werden. In diesem Fall kann der Phasenwinkel, um welchen die Phase zur Phasenkorrektur verschoben wird, von Peak zu Peak sich ändern. Die Phasenwinkel für die einzelnen Peaks unterscheiden sich daher voneinander .

Claims

UEDhNOTH

Steinsdorfstr. 21-22 · D-8000 München 22 · Tel. 089 / 22 94 41 · Telex: 5 22208

TELEFAX: GR.3 89/2716063 · GR.3 + RAPIFAX + RICO^ .W/2720480 GR.2 + INFOTEC 6000 89/2720481

11241 N/E

3EOL Ltd.

Zweidimensionales NMR-Spektroskopieverfahren, bei dem

(a) eine hochfrequente Impulskette auf eine gyromag-net i sehe Resonatoren enthaltende Probe zur Einwirkung gebracht wird, wobei die Impulskette mehrere hochfrequente Impulse aufweist,

(b) das von den Resonatoren während einer Zeit t nach dem

Ende der Einwirkung der hochfrequenten Impulskette ausgesendete freie Induktionsabklingsignal erfaßt und in einem

Speicher gespeichert wird,

dadurch gekennzeichnet , daß

(c) die Verfahrensschritte (a und b) mit verschiedenen Werten

für die Entwicklungszeit t , welche bestimmt ist als der

1
Abstand zwischen zwei bestimmten Impulsen der hochfrequenten

Impulskette wiederholt werden,

(d) für einen Satz S (t , t ) der freien Induktionsab-

1 2
klingsignale eine Fouriertransformation nach t durchgeführt

2 wird und die Signale im Speicher in Abhängigkeit von den

Werten von t abgespeichert werden, 1

(e) aus Anfangsdaten St ,F) und S (t ,F)

c 1000 2 s 1000 2 welche in zwei Fourierkomponenten S (t , F ) und

c 1 2 S (t , F ) enthalten sind, Daten S (t ,F)

s 1 2 c 1000 2

bzw. S (t ,F), deren Phasen um einen Phasenwinkel θ

s 1000 2
verschoben sind, in der Weise erhalten werden, daß der Peak

bzw. die Linie, welcher bzw. weiche in den Anfangsdaten

S (t ,F) bzw. S (t ,F) enthalten ist,

c 1000 2 s 1000 2
eine Absorptions- oder Dispersionswellenform zur Durchführung

der Phasenkorrektur annimmt,

annimmt,

(f) die Phasen der anderen neben den Anfangsdaten s

c (t ,F) bzw. S (t , F ) in den im

1000 2 s 1000 2
Schritt (d) abgeleiteten Fourierkomponenten S (t ,

c 1 F ) bzw. S (t ,F ) enthaltenen Daten zur

2 s 1 2
Durchführung der Phasenkorrektur um den Phasenwinkel

Φ verschoben werden und

(g) die Fouriertransformation der aus den Schritten (e und f) gewonnenen Daten, deren Phasen korrigiert sind, durchgeführt wird.