一種適用於化合物分子基團或共混物組分比例的定量分析方法與流程
2023-05-12 21:01:56
本發明涉及大型分析儀器的測試方法
技術領域：
，尤其涉及適用於化合物分子基團或共混物組分比例的定量分析方法。
背景技術：
：1962年Hartmann和Hahn發現了交叉極化現象(CP)，脈衝序列如圖1(a)所示。與傳統的一維直接激發實驗(DP)相比，一維CP技術的主要優勢有兩點：1)大大縮減了實驗所需的時間；2)相同累加次數下，CP譜圖的信噪比最高可提升至四倍。然而，CP技術並不具有定量性，這大大限制了CP在化學、材料、土壤及礦物等領域的應用範圍。目前，固體核磁共振的定量表徵方法是DP實驗。該方法的定量結果可靠、準確，實驗成功的關鍵是每次採集信號前的弛豫恢復時間D需要滿足D≧5T1，其中T1為樣品體系中S原子核(13C、29Si等)的自旋晶格弛豫時間。然而，多數樣品體系的S核T1很長，一般是幾分鐘甚至幾十分鐘。當一個實驗需要累加上千次甚至更多時，就需要花費十幾小時到數周的時間，這大大降低了DP定量測試的可行性。為了解決DP方法在定量測試中耗時長的問題，核磁工作者們提出了多種基於CP技術的定量方法，希望可以在較短的實驗時間內完成樣品體系中S核的定量表徵。例如2005年張莉莉等人提出的SD-CP-MAS法，2006年侯廣進等人提出的QUCP法；其中，SD-CP-MAS法用於定量測量多相體系中相成分的含量，而QUCP法主要適用於13C同位素富集的均相體系的定量表徵。因此，上述兩種方法作為固體核磁的定量表徵技術並不具有普適性。2008年，舒婕等人提出了基於交叉極化互易定理的QCP/QCPRC法，實驗證明該方法可以實現對包含混合物在內的多數樣品體系的13C和29Si的定量表徵；如圖1(a)、(b)，分別為QCP/QCPRC法所需要使用的實驗脈衝序列CP和CDP序列；實驗需採集一張交叉極化接觸時間為τ的CP譜圖和兩張接觸時間分別為0和τ的CDP譜圖，並通過簡單的數學計算獲取譜峰積分的定量信息。目前，QCP/QCPRC法存在的不足之處主要有兩點：(1)該方法不適用於高速魔角旋轉的實驗條件；(2)CDP實驗中，S原子核一直處於自旋鎖定狀態，對於I的自旋-自旋弛豫時間T2I較長的樣品，S的自旋鎖定時間也需相應延長，這一方面使S信號通過T1ρ作用部分的損失，降低了信噪比；另一方面提高了實驗佔空比，容易對探頭的電子元件造成損傷。技術實現要素：本發明解決的技術問題在於提供一種適用於化合物分子基團或共混物組分比例的定量分析方法，本申請提供的定量分析方法能夠檢測出有機物中分子基團的比例，還能檢測出混合物中各種有機物的比例。本申請提供了一種適用於化合物分子基團或共混物組分比例的定量分析方法，包括以下步驟：A)，將樣品放置於固體核磁共振波譜儀中，採集一張樣品S基團的交叉極化接觸時間為τ的rCP譜圖和兩張交叉極化接觸時間分別為0和τ的rCDPz譜圖，分別對三張譜圖均進行傅立葉變換、相位矯正和基線矯正，並對三張譜圖的S基團譜峰進行積分，得到S基團的IrCP(τ)、IrCDPz(0)和IrCDPz(τ)；所述固體核磁共振波譜儀檢測的原子核包括29Si-1H、13C-1H、13C-19F或29Si-19F；B)，根據公式rCDPz(τ)＝IrCDPz(τ)/IrCDPz(0)，得到S基團的交叉去極化效率rCDPz(τ)；根據公式rCP(τ)+rCDPz(τ)＝1，得到S基團的交叉極化效率rCP(τ)；C)，根據公式IrQCPzS＝ICP(τ)/rCP(τ)，得到S基團的交叉極化譜峰的定量積分值IrQCPzS，得到化合物中分子基團或共混物組分的比例；所述S為13C或29Si。優選的，所述rCP譜圖的交叉極化脈衝為ramp形狀脈衝，所述rCDPz譜圖的脈衝序列的兩次交叉極化過程之間S通道上為兩個時間間隔為td的90度脈衝，且交叉極化脈衝為ramp形狀脈衝。優選的，所述化合物為13C-1H體系的化合物時，所述rCDPz譜圖的脈衝序列的兩次交叉極化過程之間的13C通道上為兩個時間間隔為td的90°脈衝，且交叉極化脈衝為ramp形狀脈衝。優選的，所述化合物為13C-1H體系的化合物時，所述rCP譜圖與rCDpz譜圖的脈衝序列的1H的90°脈衝寬度為3.2μs，功率為78kHz；13C的90°脈衝寬度為3.2μs，功率為78kHz。優選的，所述化合物為13C-1H體系的化合物時，在所述rCP譜圖與所述rCDPz譜圖中，每次採樣前的弛豫等待時間為3～5s。優選的，所述rCDPz譜圖的脈衝序列的tp為200～3000μs，td為2～100ms，tcp為100～500μs。本申請提供了一種適用於化合物分子基團或共混物組分比例的定量分析方法，包括以下步驟：A)採集一張交叉極化接觸時間為τ的rCP譜圖和兩張接觸時間分別為0和τ的rCDPz譜圖，分別對三張譜圖進行傅立葉變換、相位矯正和基線矯正，並對三張譜圖的S基團譜峰進行積分，得到IrCP(τ)、IrCDPz(0)和IrCDPz(τ)；B)根據公式rCDPz(τ)＝IrCDPz(τ)/IrCDPz(0)，得到交叉去極化效率rCDPz(τ)；根據公式rCP(τ)+rCDPz(τ)＝1，得到交叉極化效率rCP(τ)；C)根據公式IrQCPzS＝IrCP(τ)/rCP(τ)，得到交叉極化譜峰的定量積分值IrQCPzS。本申請提供的方法可以省時準確的檢測出13C-1H系、13C-19F系、29Si-1H系或29Si-19F系有機物中13C基團或29Si基團的比例以及13C-1H系、13C-19F系、29Si-1H系或29Si-19F系有機物共混物中的各組分的比例關係，尤其適用於高速魔角旋轉的實驗條件，且在降低交叉去極化試驗信號損失的同時，適用於T2I較長的樣品體系。因此，本申請提供的方法在多種實驗條件和樣品體系範圍內的通用性更強。附圖說明圖1為交叉極化(CP)實驗脈衝序列示意圖與交叉去極化(CDP)實驗脈衝序列示意圖；圖2為適用於高速魔角旋轉條件的交叉極化(rCP)實驗脈衝序列圖與rCDPz實驗脈衝序列示意圖；圖3為丙氨酸和組氨酸的分子化學結構示意圖以及丙氨酸、組氨酸和二者共混物的13C核磁共振譜，譜峰的指認參見化學結構示意圖中的標註；圖4為丙氨酸的rCP(t)、rCDPz(t)和sum(t)曲線圖；圖5為組氨酸的rCP(t)、rCDPz(t)和sum(t)曲線圖。具體實施方式為了進一步理解本發明，下面結合實施例對本發明優選實施方案進行描述，但是應當理解，這些描述只是為進一步說明本發明的特徵和優點，而不是對本發明權利要求的限制。本發明實施例公開了一種適用於化合物分子基團或共混物組分比例的定量分析方法，包括以下步驟：A)，將樣品放置於固體核磁共振波譜儀中，採集一張樣品S基團的交叉極化接觸時間為τ的rCP譜圖和兩張交叉極化接觸時間分別為0和τ的rCDPz譜圖，分別對三張譜圖進行傅立葉變換、相位矯正和基線矯正，並對三張譜圖的S基團譜峰進行積分，得到S基團的IrCP(τ)、IrCDPz(0)和IrCDPz(τ)；所述固體核磁共振波譜儀檢測的原子核包括29Si-1H、13C-1H、13C-19F或29Si-19F；B)，根據公式rCDPz(τ)＝IrCDPz(τ)/IrCDPz(0)，得到S基團的交叉去極化效率rCDPz(τ)；根據公式rCP(τ)+rCDPz(τ)＝1，得到S基團的交叉極化效率rCP(τ)；C)，根據公式IrQCPzS＝IrCP(τ)/rCP(τ)，得到S基團的交叉極化譜峰的定量積分值IrQCPzS，得到化合物中分子基團或共混物組份的比例；所述S為13C或29Si。本申請提供的定量檢測方法可稱為rQCPz法，該方法與QCP方法類似，主要的不同之處在於譜圖採集時，rQCPz所採用的實驗脈衝序列為rCP和rCDPz，而QCP/QCPRC採用的實驗脈衝序列為CP和CDP，本申請的實驗脈衝序列具體如圖2所示。本申請的rCP技術將原QCP方法所使用的CP的脈衝序列中S的矩形交叉極化脈衝更換為ramp形狀脈衝；本申請的rCDPz技術針對現有CDP技術的脈衝序列發生了變化，將兩次交叉極化過程之間的13C自旋鎖定脈衝改為了兩個時間間隔為td的90度脈衝，同時將CDP譜圖的脈衝序列中S的矩形交叉極化脈衝更改為了ramp形狀脈衝。本申請rCP譜圖的脈衝序列與rCDPz譜圖的脈衝序列的改變具有以下優點：首先，原有的CDP技術中，鎖定在B1方向上的S信號損失主要源於旋轉坐標系下的自旋晶格弛豫時間，即S的T1ρ作用，一般為數毫秒到數百毫秒，而rCDPz技術中，S信號被鎖定在B0方向上，信號的損失主要源於自旋晶格弛豫時間，即S的T1作用，一般為數秒到數百秒，甚至更長。因此，在一定的td時間內，rCDPz中S信號由於弛豫作用而產生的信號損失更小，譜圖的信噪比更高，測量結果更準確；另外，對於I的自旋自旋弛豫時間(T2I)較長的樣品，Td的時間需要延長，一般≥5*T2I，而對於CDP技術，長時的Td意味著長時的B1場自旋鎖定，這提高了實驗佔空比，容易對儀器探頭的元件造成損傷；而rCDPz技術中，Td的延長僅僅是等待時間的延長，對儀器的硬體沒有影響；最後，使用ramp脈衝的交叉極化過程，可以減小高速魔角旋轉速率對交叉極化Hartman-Hahn匹配條件的調製。因此，與QCP/QCPRC法相比，使用rCDPz技術的rQCPz方法一方面可以適用於高速魔角旋轉的實驗條件；另一方面，在降低交叉去極化實驗信號損失的同時，適用於T2I較長的樣品體系。因此，rQCPz方法在多種實驗條件和樣品體系範圍內的通用性更強。由上述可知，正是由於脈衝序列的改變，而得到了rCP技術與rCDPz技術，進而使本申請提供的方法可定量分析檢測13C-1H、29Si-1H、13C-19F或29Si-19F有機物中的含碳基團、含矽基團或混合物中的有機物的比例。按照本發明，將樣品放置於固體核磁共振波譜儀中，樣品以13C-1H系有機物為例，採集一張交叉極化接觸時間為τ的13CrCP譜圖和兩張交叉極化接觸時間分別為0和τ的13CrCDPz譜圖，並對譜圖進行傅立葉變化、相位矯正和基線矯正，並對譜圖中的13C譜峰進行積分，得到IrCP(τ)、IrCDPz(0)和IrCDPz(τ)。在採集的過程中，所述rCP與rCDPz的脈衝序列中1H的90°脈衝寬度為3.2μs，功率為78kHz；13C的90°脈衝寬度為3.2μs，功率為78kHz；所述rCDPz譜圖的脈衝序列的tp為200～3000μs，td為2～100ms，tcp為100～500μs；每次採樣前的弛豫等待時間為5s；上述參數的設定可以按照本領域技術人員熟知的方式進行設定，根據具體情形進行設定，在本申請實施例中，脈衝序列的參數設定如上所述。具體的採集樣品以丙氨酸為例，按照上述方法，在交叉極化接觸時間(tcp)為τ時，採集一張13CrCP(τ)譜圖，並對譜圖中的C＝O、CH和CH3的13C譜峰進行積分，同時在交叉極化接觸時間為0和τ時，採集13CrCDPz(0)譜圖和13CrCDPz(τ)譜圖，並分別對譜圖中的C＝O、CH和CH3的13C譜峰進行積分。在得到上述積分值後，根據公式rCDPz(τ)＝IrCDPz(τ)/IrCDPz(0)，得到交叉去極化效率rCDPz(τ)；同樣根據公式rCP(τ)+rCDPz(τ)＝1，得到交叉極化效率rCP(τ)＝1-rCDPz(τ)。在得到交叉極化效率rCP(τ)後，最後根據公式IrQCPzS＝IrCP(τ)/rCP(τ)，得到交叉極化譜峰的定量積分值，由此得到13C-1H系有機物含量的定量檢測。在具體實施例中，以分別檢測丙氨酸、組氨酸中的含13C基團的含量與丙氨酸/組氨酸共混比例為例，在檢測丙氨酸中13C基團的實施例中，可以檢測到丙氨酸中C＝O、CH和CH3的比例關係，在檢測組氨酸中C基團的實施例中，可以檢測到組氨酸中Ca、Cf、Cd、Ce、Cb和Cc(每個13C位點的標註參見圖3的化學結構示意圖)的比例關係，在檢測丙氨酸與組氨酸共混物的比例關係的實施例中，以丙氨酸的CO譜峰和組氨酸的CH3譜峰為積分對象，最終得到各自的IrQCPzS，最後對其進行比例，即得到丙氨酸與組氨酸的摩爾比。為了進一步理解本發明，下面結合實施例對本發明提供的13C-1H體系有機物含量的定量檢測方法進行詳細說明，本發明的保護範圍不受以下實施例的限制。實施例1互易關係的驗證rQCPz方法的定量原理是基於交叉極化效率rCP(t)與交叉去極化效率rCDPz(t)的互易關係。因此，rQCPz方法成功的關鍵是考察rCP(t)與rCDPz(t)之間是否滿足互易關係。基於此，本實施例首先使用rCP和rCDPz序列通過改變tcp採集了一系列丙氨酸13C譜，然後分別對丙氨酸的三個13C譜峰積分的積分值進行歸一化處理，具體方法如下：(1)將tcp＝0μs的13CrCDPz譜峰積分值定為1，從而對一系列不同tcp的13CrCDPz譜峰積分值進行歸一化，歸一化處理後的積分值也就是實驗所測得的rCDPz(t)，其中t＝tcp；(2)設定tcp＝100μs時，rCP(100)+rCDPz(100)＝1，即rCP(100)＝1-rCDPz(100)，以rCP(100)的數值為參比，對其餘13CrCP譜的譜峰積分值進行歸一化處理，得到rCP(t)。將rCP(t)和rCDPz(t)對tcp作圖，如圖4所示，由圖4可以看出，三種13C原子核的rCP(t)和rCDPz(t)曲線沿y＝0.5的直線對稱，且sum(t)＝rCP(t)+rCDPz(t)基本與y＝1的直線吻合，即rCP(t)和rCDPz(t)滿足互易關係。其中C＝O碳的rCDPz譜信噪比較低，因而rCDPz(t)曲線出現震蕩，並導致sum(t)與y＝1吻合度不高。此外，CH的sum(t)隨接觸時間的增加有降低的趨勢，這主要是由於CH附近氫原子核的T1ρ弛豫作用引起的。因此，在保證譜圖良好信噪比的前提下。儘可能將tcp即上述的τ設置的短一些，一般在100us到500us之間。同時還考察了化學結構較複雜的組氨酸體系，如圖5為組氨酸樣品中六種13C譜峰的rCP(t)和rCDPz(t)實驗數據及sum(t)＝rCP(t)+rCDPz(t)。同樣，六種13C原子核的rCP(t)和rCDPz(t)曲線沿y＝0.5的對稱，且sum(t)基本與y＝1的直線吻合。由於組氨酸體系中氫原子核的T1ρ弛豫時間較長，因此，sum(t)與y＝1直線的吻合度較高。需要特別指出的是COOH碳的rCDPz譜信噪比較低，因而rCDPz(t)曲線出現震蕩，並導致sum(t)與y＝1吻合度不高。由上述實驗工作可見，rCP(t)和rCDPz(t)之間的互易關係成立，rQCPz方法理論上可行。實施例2丙氨酸分子基團rQCPz定量實驗及數據處理具體流程如下：(a)丙氨酸結構式如圖3中所示，首先將丙氨酸固體粉末裝入固體核磁樣品管中並放置於探頭內，調取rCP脈衝序列程序文件，本實施例的脈衝序列具有如圖2所示的形狀，設置tcp為100μs，魔角旋轉速率為10kHz，然後對丙氨酸分子基團的13C信號進行採集，選取tcp＝100μs，採集一張13CrCP(100)譜圖，並對譜圖中的C＝O、CH和CH3的13C譜峰進行積分，相對積分值ICP(100)分別為0.162、1和0.644；(b)調取rCDPz脈衝序列程序文件，本實施例的脈衝序列具有如圖2所示的形狀，設定tp為1000μs，td為10ms，選定tcp＝0和100μs，採集13CrCDPz(0)和13CrCDPz(100)譜圖，並對譜圖中的C＝O、CH和CH3的13C譜峰進行積分，13CrCDP(0)譜中三個譜峰的積分值IrCDPz(0)分別為0.696、0.760和1；13CrCDPz(100)譜中三個譜峰的積分值IrCDPz(100)分別為0.631、0.324和0.645；(c)依據公式rCDPz(100)＝IrCDPz(100)/IrCDPz(0)，其中τ＝100μs，可得C＝O、CH和CH3的13C譜峰的rCDPz(100)為0.907、0.426和0.645；(d)依據交叉極化互易定理可知，rCP(100)＝1-rCDPz(100)，即C＝O、CH和CH3的13C譜峰的rCP(100)為0.093、0.574和0.355。(e)依據公式IrQCPzS＝IrCP(100)/rCP(100)將rCP(100)的積分值進行校正，C＝O、CH和CH3的IrQCPzS分別為1.742、1.742和1.814，歸一化處理後為0.986、0.986和1.027；與理論積分比值1:1:1相比較，誤差僅為±0.027。表1本發明實施例2對丙氨酸分子基團進行定量表徵的相關數據及實驗時間數據表定量方法COCHCH3百分誤差實驗時間/hCP0.271.661.07±73％0.08DP0.990.961.05±5％10.67rQCPz0.990.991.03±3％0.25理論值111----實施例3組氨酸分子基團rQCPz定量實驗及數據處理具體流程如下：(a)如圖3中組氨酸結構式所示，依據rQCPz方法說明，首先將組氨酸固體粉末裝入固體核磁樣品管中並放置於探頭內，調取rCP脈衝序列程序文件，本實施例的脈衝序列具有如圖2所示的形狀，設置tcp＝360μs，魔角旋轉速率為10kHz，採集一張13CrCP(360)譜圖，由低場到高場依次對譜圖中的Ca、Cf、Cd、Ce、Cb和Cc的13C譜峰進行積分，相對積分值IrCP(360)分別為0.428、0.637、0.705、0.761、0.913和1；(b)調取rCDPz脈衝序列程序文件，本實施例的脈衝序列具有如圖2所示的形狀，設置tp為1000μs，td為10ms，選取tcp＝0和360μs，採集13CrCDPz(0)和13CrCDPz(360)譜圖，並對譜圖中的Ca、Cf、Cd、Ce、Cb和Cc譜峰進行積分，13CrCDP(0)譜中六個譜峰的積分值IrCDPz(0)分別為0.700、0.891、0.748、0.767、1和0.914；13CrCDPz(360)譜中六個譜峰的積分值IrCDPz(360)分別為0.471、0.494、0.338、0.320、0.328和0.190；(c)依據公式rCDPz(360)＝IrCDPz(360)/IrCDPz(0)，其中τ＝360μs，可得Ca、Cf、Cd、Ce、Cb和Cc的13C譜峰的rCDPz(360)分別為0.673、0.554、0.452、0.417、0.328和0.208；(d)依據交叉極化互易定理可知，rCP(360)＝1-rCDPz(360)，因此Ca、Cf、Cd、Ce、Cb和Cc的13C譜峰的rCP(360)分別為0.327、0.446、0.548、0.583、0.672和0.792；(e)依據公式IrQCPzS＝IrCP(360)/rCP(360)，將rCP(360)的積分值進行校正Ca、Cf、Cd、Ce、Cb和Cc的IrQCPzS分別為1.309、1.428、1.286、1.305、1.359和1.263，歸一化處理後為0.989、1.078、0.971、0.985、1.026和0.953。與理論積分比值相比較，誤差為±0.078。表2本發明實施例3對組氨酸分子基團進行定量表徵的相關數據及實驗時間數據表實施例4丙氨酸/組氨酸共混物rQCPz定量實驗及數據處理具體流程如下：(a)依據rQCPz方法說明，首先將丙氨酸/組氨酸固體粉末裝入固體核磁樣品管中並放置於探頭內，調取rCP脈衝序列程序文件，本實施例的脈衝序列具有如圖2所示的形狀，設置tcp＝400μs,魔角旋轉速率為10kHz，然後採集一張13CrCP(400)譜圖，對丙氨酸的CO譜峰和組氨酸的CH3譜峰進行積分，積分值ICP(400)分別為0.484和0.974；(b)調取rCDPz脈衝序列程序文件，本實施例的脈衝序列具有如圖2所示的形狀，設置tp為1000μs，td為10ms，選取tcp＝0和400μs，採集13CrCDPz(0)和13CrCDPz(400)譜圖，並對譜圖中丙氨酸的CO譜峰和組氨酸的CH3譜峰進行積分，13CrCDP(0)譜中兩組分譜峰的積分值IrCDPz(0)分別為0.590和0.934；13CrCDPz(400)譜中兩組分譜峰的積分值IrCDPz(400)分別為0.405和0.180；(c)依據公式rCDPz(400)＝IrCDPz(400)/IrCDPz(0)，其中τ＝400μs，可得丙氨酸的CO譜峰和組氨酸的CH3譜峰的rCDPz(400)分別為0.686和0.193；(d)依據交叉極化互易定理可知，rCP(400)＝1-rCDPz(400)，因此丙氨酸的CO譜峰和組氨酸的CH3譜峰的rCP(400)分別為0.314和0.807；(e)依據公式IrQCPzS＝IrCP(400)/rCP(400)將rCP(400)的積分值進行校正，丙氨酸的CO譜峰和組氨酸的CH3譜峰的IrQCPzS分別為1.541和1.207；因此混合物中丙氨酸與組氨酸的摩爾比為1.541÷1.207＝1.277，與DP定量方法測得的結果1.245相比，測量誤差為2.57％。表3本發明實施例4對丙氨酸/組氨酸共混物進行的組分比例定量檢測的相關數據及實驗時間數據表定量方法CO(丙)/CH3(組)百分誤差實驗時間/hCP0.49740.4％0.5DP1.245--336rQCPz1.2772.6％1.5以上實施例的說明只是用於幫助理解本發明的方法及其核心思想。應當指出，對於本
技術領域：
的普通技術人員來說，在不脫離本發明原理的前提下，還可以對本發明進行若干改進和修飾，這些改進和修飾也落入本發明權利要求的保護範圍內。對所公開的實施例的上述說明，使本領域專業技術人員能夠實現或使用本發明。對這些實施例的多種修改對本領域的專業技術人員來說將是顯而易見的，本文中所定義的一般原理可以在不脫離本發明的精神或範圍的情況下，在其它實施例中實現。因此，本發明將不會被限制於本文所示的這些實施例，而是要符合與本文所公開的原理和新穎特點相一致的最寬的範圍。當前第1頁1 2 3