一種抵抗不均勻磁場的超快速核磁共振二維J譜方法與流程
2023-07-05 20:07:56 2
本發明涉及核磁共振(Nuclear Magnetic Resonance，NMR)波譜學分子結構信息檢測技術，尤其是涉及一種在單方向不均勻磁場環境下單掃描超快速獲取高分辨二維J譜的方法。
背景技術：
由於核磁共振波譜技術具有無損性非侵入式檢測的獨特優勢，近幾十年來，核磁共振技術在生物、化學、物理、醫學以及材料學等學科領域獲得了廣泛的應用。1971年，學者Jeener在一維譜的基礎上提出了二維譜的概念，將NMR從一維譜擴展到二維譜。在常規的核磁共振譜學檢測中，二維譜克服了一維氫譜中經常存在的譜圖擁擠和譜峰歸屬困難等問題，可傳遞更多的分子結構信息和動力學信息。其中，核磁共振二維J分解譜具有直接維表徵原子核化學位移信息，間接維表徵原子核間的標量偶合裂分模式及偶合常數的特點，被經常應用於樣品的組分分析和結構鑑定，是核磁共振的一個重要分析手段。現有的獲取二維J分解譜的方法是Richard R.Ernst於1976年提出的基於自旋迴波模塊的傳統序列。雖然傳統二維J譜方法提供了一種普遍的獲取原子核化學位移及偶合信息的方法，但是在實際應用中，該技術存在一些限制。首先，傳統二維J譜方法需要二維採樣，在保證譜圖解析度的前提下，耗時較長。這一問題限制了該方法在實時監控化學反應等領域的應用，同時也限制了該方法向多維譜發展應用。其次，傳統二維J譜的獲取受限於磁場均勻度，需要在較均勻磁場下才能得到理想的二維J譜。在實際應用中，對於均相溶液樣品體系，需要對檢測樣品進行複雜耗時的勻場操作，從而獲取較理想的磁場環境；而對於粘稠性樣品和生物組織樣品等非均相樣品而言，其樣品自身磁化率會帶來磁場大不均勻性，足夠高的磁場均勻度往往是很難甚至是不可能獲得的。這一問題同樣限制了傳統J譜方法的應用範圍。
技術實現要素：
本發明所要解決的主要技術問題是提供一種抵抗單方向不均勻磁場的超快速核磁共振二維J譜方法，只需單次掃描即可快速獲取二維J分解譜，克服了傳統二維J譜獲取方法在實際應用中的不足，在提高二維J譜的應用範圍和檢測樣品化學結構方面具有重要意義。
為了解決上述的技術問題，本發明提供了一種抵抗單方向不均勻磁場(尤其是大的線性不均勻磁場)的超快速核磁共振二維J譜方法，包括如下步驟：
1)將檢測樣品裝入標準5mm樣品管中，並將該樣品管送入核磁共振譜儀的檢測腔中，然後調用常規一維氫譜序列採集待檢測樣品的一維氫譜；
所述常規一維氫譜序列是集成在核磁共振譜儀中由一個非選擇性射頻脈衝和信號採樣期組成的單脈衝序列；
2)使用所述單脈衝序列測量激發樣品所需的π/2非選擇性射頻脈衝寬度，及使用高斯脈衝序列測量激發樣品所需的π/2選擇性高斯脈衝的脈衝寬度和射頻功率；
3)在核磁共振譜儀上導入本發明所設計的核磁共振脈衝序列，本序列包括選擇激發模塊和重聚採樣模塊；設置兩個選擇激發模塊和重聚採樣模塊的實驗參數，然後進行數據採樣；
所述選擇激發模塊是由一個π/2選擇性高斯脈衝以及與選擇性高斯脈衝同時施加的單方向編碼梯度和兩個補償梯度組成；所述單方向編碼梯度、補償梯度的施加方向與實際檢測中磁場不均勻方向相同；所述選擇激發模塊用於將待測樣品的縱向磁化矢量選擇性地翻轉到xy橫向平面，並將選擇的原子核進動頻率與其空間位置相關聯；
所述的重聚採樣模塊是由重複2N次的採樣模塊構成，每個採樣模塊由與所述單方向解碼梯度同時作用的採樣時間TD和一個非選擇性180°射頻脈衝組成；
所述實驗參數包括π/2非選擇性射頻脈衝寬度、π/2選擇性高斯脈衝的脈衝寬度和射頻功率、直接維譜寬SW、與選擇性高斯脈衝同時施加的編碼梯度強度GE，補償梯度強度GP1、GP2及作用時間，每次採樣模塊採樣時間TD、解碼梯度強度GD、採樣模塊重複次數2N、採樣點數np；
4)數據採樣完成後，調用數據後處理代碼進行數據處理，即可獲得克服單方向不均勻磁場幹擾的二維J分解譜；
所述數據處理的過程如下：(a)由於奇數次採樣模塊和偶數次採樣模塊所採集的數據來自不同階量子，在處理過程中將奇偶數據分開，單獨提取奇次數據(或偶次數據)進行處理；(b)對得到的奇數次採樣數據進行二維傅立葉變換，即可獲得一張不受單方向不均勻磁場影響的高分辨二維J分解譜。
相較於現有技術，本發明的技術方案具備以下有益效果：
1.本發明提供的一種抵抗不均勻磁場的超快速核磁共振二維J譜方法，利用選擇激發模塊和重聚採樣模塊的共同作用，突破了傳統二維J譜方法的局限性，在單方向不均勻磁場環境下超快速採樣獲得一張二維J譜，有效地消除了單方向磁場不均勻的影響，大大縮短了實驗時間，擴展了二維J譜的應用領域。同時本方法適用於常規核磁共振波譜儀，不需要任何特殊硬體裝置，而且無需任何特殊的樣品預處理過程，簡便易行，為快速獲取複雜有機樣品的二維J分解譜提供了一種重要手段。
2.本發明提供的一種抵抗不均勻磁場的超快速核磁共振二維J譜方法，重聚採樣模塊可保證一維信號演化過程化學位移效應的重聚，而僅保留J偶合作用，另一維信號包含與空間位置有關的化學位移信息，從而使得獲得的二維J譜中的一維表徵原子核間的偶合關係的J偶合信息，另一維表徵不同化學環境中原子核的化學位移信息。
3.本發明提供的一種抵抗不均勻磁場的超快速核磁共振二維J譜方法，步驟(3)中的選擇激發模塊和重聚採樣模塊的共同作用實現了單次實驗採樣得到不同演化時間的信號，從而只需單次掃描實驗即可獲得一張二維J譜，大大縮短了實驗時間。
附圖說明
圖1為本發明提出的抵抗單方向不均勻磁場超快速二維J分解譜脈衝序列圖；
圖中黑色空心矩形條為π非選擇性射頻脈衝，高斯形狀條為π/2選擇性高斯射頻脈衝，Sinc波形表示採樣過程，採樣時間為TD，實心矩形條表示編碼梯度GE，直線填充的矩形條與斜線填充的矩形塊分別表示補償梯度GP1、GP2，橫放的空心矩形條表示解碼梯度GD。
圖2為在z方向較大不均勻磁場情況下，溶於氘代二甲基亞碸的三溴丙酸乙酯溶液樣品的常規一維氫譜，不均勻磁場線寬約為900Hz。
圖3為在磁場不均勻情況下，本發明提出的三溴丙酸乙酯溶液樣品的超快速二維J分解譜，該實驗的整個數據採樣時間約4s。
圖4為圖3中的所有化學位移處的J偶合維的投影所得到,圖中從1到4分別表示化學位移約為4.2、3.7、3.0、1.3ppm的標量偶合裂分模式及對應偶合常數。
具體實施方式
下文結合附圖和具體實施方式對本發明做進一步說明。
本發明提出的能夠抵抗單方向磁場不均勻效應(尤其是大的線性不均勻磁場)並快速獲得複雜有機樣品的高分辨二維J分解譜，從而可用於樣品的組分分析和結構鑑定。該方法操作簡單，無需任何樣品預處理過程，可適用於所有常規核磁共振波譜儀，不需要任何額外硬體裝置。
參考圖1-3，本發明的具體實施過程的各個步驟如下：
步驟1，樣品裝樣及採樣常規一維氫譜
將檢測樣品裝入標準5mm樣品管中，並將該樣品管送入核磁譜儀的檢測腔內，然後調用常規一維氫譜序列採集待檢測樣品的一維氫譜(如圖2所示)，獲得其信號線寬信息。該常規一維氫譜序列是集成在核磁共振譜儀中的一個非選擇性射頻脈衝和信號採樣期組成的單脈衝序列，該步驟可以獲取樣品放置完成後信號譜寬及磁場均勻性信息，為下面步驟中的參數設置提供參考。同時為證明本方法抵抗單方向磁場不均勻性的性能，實驗過程中人為調偏z方向磁場。
步驟2，測量射頻脈衝寬度
測量激發樣品所需的π/2和π非選擇性射頻脈衝寬度，及π/2選擇性高斯脈衝的脈衝寬度和射頻功率。利用步驟1中的單脈衝序列並設置一系列脈衝作用時間採樣相應信號，測量磁化矢量由縱向方向翻轉到xy平面所對應的脈衝時間，即為π/2非選擇性射頻脈衝寬度，π非選擇性射頻脈衝寬度則為π/2非選擇性射頻脈衝寬度的兩倍。同時，將上述單脈衝序列的脈衝類型改為高斯型脈衝，重複上述步驟，測定激發樣品所需的選擇性高斯脈衝的脈衝寬度和射頻功率。
步驟3，導入脈衝序列及設置實驗參數進行採樣
在核磁共振波譜儀上導入本方法所設計的核磁共振脈衝序列(如圖1所示)，包括選擇激發模塊和重聚採樣模塊。所述選擇激發模塊是由一個π/2選擇性高斯脈衝以及與選擇性高斯脈衝同時施加的單方向編碼梯度和兩個補償梯度組成；所述單方向編碼梯度、補償梯度的施加方向與實際檢測中磁場不均勻方向相同；所述選擇激發模塊用於將待測樣品的縱向磁化矢量選擇性地翻轉到xy橫向平面，並將選擇的原子核進動頻率與其空間位置相關聯；
所述的重聚採樣模塊是由重複2N次的採樣模塊構成，每個採樣模塊由與所述單方向解碼梯度同時作用的採樣時間TD和一個非選擇性180°射頻脈衝組成；
同時合理設置兩個模塊的實驗參數，包括π/2非選擇性射頻脈衝寬度、π/2選擇性高斯脈衝的脈衝寬度和射頻功率、直接維譜寬SW、與選擇性高斯脈衝同時施加的編碼梯度強度GE，補償梯度強度GP1、GP2及作用時間，每次採樣模塊採樣時間TD、解碼梯度強度GD、採樣模塊重複次數2N、採樣點數np，直接進行數據採樣。
步驟4，數據後處理
數據採樣完成後，調用數據後處理代碼進行數據處理，其主要處理過程如下：(a)由於奇數次採樣模塊和偶數次採樣模塊所採集的數據來自不同階量子，在處理過程中將奇偶數據分開，單獨提取奇數次數據或偶數次數據進行數據處理；(b)對得到的奇次採樣數據或偶數次採樣數據進行二維傅立葉變換，即可獲得一張可以抵抗單方向磁場大不均勻的二維J譜。
本實例所使用的樣品為溶於氘代二甲基亞碸的三溴丙酸乙酯溶液樣品，使用的儀器為Varian 500MHz核磁共振波譜議。由於本方法相對於傳統的二維J譜技術存在一定的信噪比損失，故選取樣品濃度為2.0mol/L。為證明本方法抵抗磁場不均勻性的性能，實驗過程中人為調偏z方向磁場。按照上述本發明所提方法的操作流程，裝入實驗樣品，測量脈衝序列所需的射頻脈衝寬度，導入編譯好的如圖1所示脈衝序列，設置相應實驗參數。具體對於本實例所採用的樣品，本次具體實驗參數設置如下：π非選擇性射頻脈衝寬度為30.3s；π/2選擇性高斯脈衝的脈衝寬度和射頻功率分別為96.2ms和-6dB；直接維譜寬SW＝25000Hz；與選擇性高斯脈衝同時施加的編碼梯度強度GE為0.28G/cm，補償梯度GP1強度為-13.5G/cm,作用時間為1.0ms、第二個補償梯度GP2強度為-12.1G/cm，作用時間為1.5ms，每次採樣模塊採樣時間TD＝14.0ms，解碼梯度強度GD＝3.6G/cm，採樣模塊重複次數2N＝280，採樣點數np＝196000，脈衝序列等待時間為1s。整個實驗用時約為5s。數據採樣完成後，按照上述數據後處理過程對原始數據進行處理，可得到如圖3所示的二維J譜，其中，二維J譜縱軸表示檢測分子內的標量偶合裂分模式及相應偶合常數；橫軸表示不同化學環境中原子核的化學位移。因此，該圖可作為對檢測樣品的進行組分分析和結構鑑定的一個重要依據。
上文所述，僅為本發明的一個較佳的實施範例，不能依此限定本發明實施的範圍。即依本發明專利範圍及說明書內容所作的等效變化與修飾，皆應仍屬本發明涵蓋的範圍內。