一种消除核磁共振单晶探头背景信号的新方法及核磁波谱仪

摘要

本发明提供一种消除核磁共振单晶探头背景信号的新方法，采用交叉极化?相位步进脉冲序列来消除核磁共振波谱仪使用单晶探头测试固态样品的13C谱图中背景信号峰的干扰，包括以下步骤：步骤一，根据背景信号峰的出峰位置选定适当的激发中心位置,根据固态样品在初次测试时得到的13C谱图中的背景信号峰的出峰位置，激发中心位置为同背景信号峰的出峰位置相近的位置；步骤二，在再次测试固态样品的13C谱图时施加交叉极化?相位步进脉冲；另外还提供一种包含有产生上述交叉极化?相位步进脉冲序列电磁信号的电路的核磁共振波谱仪。

说明书

技术领域

本发明涉及一种消除核磁共振单晶探头背景信号的新方法及核磁波谱仪，属于物理领域。

背景技术

核磁共振实验中经常会采集到背景信号，这些背景信号会产生假峰，或者造成相位畸变、基线畸变，从而干扰真实的样品信号。背景信号来自于两个方面，一方面是射频脉冲产生的假信号(acoustic ringing)，可通过相位循环消除；另一方面来自于线圈外材料产生的信号，这样的背景信号不能被简单的相位循环消除，而且会随着样品信号的积累而积累，严重干扰样品信号。

目前消除背景信号的方法主要有以下几种：DEPTH脉冲序列利用了线圈外的非均匀性来消除背景信号(J.Feng,J.A.Reimer,Suppression of probe background signalsvia B₁>组合脉冲序列消除背景信号(J.L.White,L.W.Beck,D.B.Ferguson,J.F.Haw,Background suppression in MAS NMR,J.Magn.Reson.100(1992)336-341)；对背景信号进行补偿来消除背景信号的干扰(G.Mollica,F.Ziarelli,A.Tintaru,P.Thureau,S.Viel,Suppressing background signals in solid state NMR via the ElectronicMixing-Mediated Annihilation(EMMA)method,J.Magn.Reson.218(2012)1-4)。然而，这些方法主要针对的是液体探头的背景信号消除，或者针对魔角旋转(magic angle spinning,MAS)下的背景信号消除，均有其特定的应用条件，不适合单晶探头测试固体样品时的背景信号消除。

Bruker公司生产的单晶探头线圈外大量使用了聚酰亚胺材料，聚酰亚胺材料的¹³C核磁信号在交叉极化过程中可被不断积累，严重影响样品信号。另外，一般固体探头线圈外可能使用含有¹³C、¹H等元素的有机物和高聚物材料，会对¹³C核磁信号的测试产生干扰。对于上述问题，一直没有合适有效的解决方法。

发明内容

本发明提供一种消除核磁共振单晶探头背景信号的新方法，采用交叉极化-相位步进脉冲序列来消除核磁共振单晶探头测试固态样品的¹³C谱图中背景信号峰的干扰，包括以下步骤：

步骤一，根据背景信号峰的出峰位置选定适当的激发中心(O₁)的位置

根据固态样品在初次测试时得到的¹³C谱图中的背景信号峰的出峰位置，激发中心(O₁)的位置为同背景信号峰的出峰位置相近的位置；

步骤二，在再次测试固态样品的¹³C谱图时施加交叉极化-相位步进脉冲序列动作；

其中，施加交叉极化-相位步进脉冲序列动作是包括：

首先，在核磁测试采样中，通过核磁共振谱仪发射电磁信号的发射系统在¹H通道施加90°脉冲，90°脉冲后施加锁定场脉冲，

然后，¹³C通道施加相位步进脉冲。

本发明提供的消除核磁共振单晶探头背景信号的新方法，其特征在于：其中，相位步进脉冲序列由一系列相互连接的的矩形脉冲组成，且每一个矩形脉冲的脉宽Δτ相同而其相位是逐渐步进的，步进值的取值范围为即相位步进脉冲中第N个矩形脉冲的相位其中为初始相位。

本发明提供的消除核磁共振单晶探头背景信号的新方法，其特征在于：其中，相位步进脉冲中步进值的总和其中n为大于1的整数。

本发明提供的消除核磁共振单晶探头背景信号的新方法，其中，激发中心的位置为背景信号峰的出峰位置加上适当的偏移量Δf后的位置(即)偏移量offset为Δf)，其关系满足下式：

本发明提供的消除核磁共振单晶探头背景信号的新方法，还可以具有这样的特征：其中，步进值矩形脉冲的脉宽Δτ为1-10μs，，矩形脉冲的个数N为10-3000。

本发明提供的消除核磁共振单晶探头背景信号的新方法，还可以具有这样的特征：其中，偏移量Δf取值范围为5-50kHz，初始相位为0°。

本发明提供的消除核磁共振单晶探头背景信号的新方法，还可以具有这样的特征：其中，步进值为12°，矩形脉冲的脉宽Δτ为2μs，矩形脉冲的个数N为481。

本发明提供的消除核磁共振单晶探头背景信号的新方法，还可以具有这样的特征：其中，偏移量Δf取值为16kHz。

本发明还提供一种探测固体¹³C信号的核磁共振波谱仪，包括磁体系统、探头和发射、接收系统以及信号处理系统，其中探头包括与发射系统连接的发射线圈接口和发射线圈，以及与接收系统连接的接收线圈接口和接收线圈，其特征在于：

其中，发射和接收线圈可在发射系统和接收系统的驱动下发射和接收上述的交叉极化-相位步进脉冲序列的电磁信号，发射系统中包含有产生上述交叉极化-相位步进脉冲序列电磁信号的电路。

发明作用与效果

根据本发明的一种消除核磁共振单晶探头背景信号的新方法，采用交叉极化-相位步进脉冲序列来消除核磁共振单晶探头测试固态样品的¹³C谱图中背景信号峰的干扰，其具有以下步骤：

步骤一，根据背景信号峰的出峰位置选定适当的激发中心位置

根据固态样品在初次测试时得到的¹³C谱图中的背景信号峰的出峰位置，激发中心位置为同背景信号峰的出峰位置相近的位置；

步骤二，在再次测试固态样品的¹³C谱图时施加交叉极化-相位步进脉冲序列动作，其中，施加交叉极化-相位步进脉冲序列动作是包括：首先，在核磁测试采样中，通过核磁共振单晶探头中的发射电磁信号的发射系统在¹H通道施加90°脉冲，然后，于90°脉冲后在¹H通道施加锁定脉冲，在¹³C通道施加相位步进脉冲，在常规的交叉极化(cross>13C锁定场的强度。

附图说明

图1为10％¹³C标记的甘氨酸单晶的初次采用常规交叉极化脉冲序列得到的核磁共振谱图；

图2为本发明的消除核磁共振单晶探头背景信号的新方法的流程示意图；

图3为本发明的消除核磁共振单晶探头背景信号的新方法中使用的交叉极化-相位步进脉冲序列示意图

图4为10％¹³C标记的甘氨酸单晶使用本发明的消除核磁共振单晶探头背景信号的新方法得到的核磁共振谱图；

图5为本发明的探测固体¹³C信号的核磁共振波谱仪组成示意图。

具体实施方式

为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，以下实施例结合附图和实施例对本发明的消除核磁共振单晶探头背景信号的新方法作具体阐述。

为了说明本发明方法的效果和实际操作方法过程，这里使用结构比较简单的甘氨酸单晶作为测试物质，样品为10％¹³C同位素标记的甘氨酸单晶。

实验中使用Bruker公司生产的单晶探头，仪器使用Bruker Avance 300核磁波谱仪，其¹H频率为300MHz，对应的¹³C频率为75MHz，测试温度为298.15K(25℃)。

核磁测试过程中的其他常规操作，即匀场和其他常规固体核磁测试操作按照Bruker Avance 300的标准程序进行。

根据文献和先前实验数据，知道在常规的单晶探头和其他测试固体(固态)样品的核磁探头中由于必定要使用一些含有C，H元素的有机材料或高聚物材料，因此在进行本实施例前我们需要预先初步测试确定背景信号峰的位置。

图1为10％¹³C标记的甘氨酸单晶的初次采用常规交叉极化脉冲序列得到的核磁共振谱图

如图1所示，为使用常规交叉极化脉冲序列得到上述样品的核磁共振谱图

交叉极化(cross polarization，CP)是固体核磁共振技术中最为基本和常用的实验方法，通过将丰核(如¹H)的信号通过极化转移传递给稀核(如¹³C)，从而增强稀核的信号强度。由图可知，因为所采用的样品是10％¹³C同位素标记的样品，Co(羰基碳)和Cα(α碳，即直接和羧基官能团相连的碳原子)之间强烈的同核耦合作用导致Co和Cα分别裂分为两个峰，即图1中1，3和4，6，其耦合强度为3800Hz。而2，5两个小峰对应239.4ppm和27.19ppm处的信号分别来自于天然丰度的¹³C。以上的1，2，3，4，5，6都是样品的峰，显然3,4峰之间的化学位移在151.32ppm处的宽包峰为来自于线圈外聚酰亚胺的背景信号。可以看到此信号非常宽，和样品信号部分重合，这种情况下其出峰位移在3，4之间，化学位移跨度范围为60-200ppm，这是由于固体样品化学位移各向异性造成的。显然，这会严重干扰样品信号的测试。因为对于其他物质，完全有可能其¹³C谱信号在上述聚酰亚胺的背景信号范围内，从而完全无法分辨。

进一步的，对于其他测试固体样品的探头而言，由于可能使用其他的材料制作，必定多少会有类似上述聚酰亚胺的背景信号出现，这个时候可以使用空白样品做一个背景测试，即可以判断背景信号的位置。本实验中，是通过实验和文献报道结合10％¹³C同位素标记的甘氨酸单晶测试结果知道上述151.32ppm处的宽包峰为来自于线圈外聚酰亚胺的背景信号。

图2为本实施例的消除核磁共振单晶探头背景信号的新方法的流程示意图

本实施例的方法包括以下步骤：

步骤一S1，根据背景信号峰的出峰位置选定适当的激发中心位置

根据固态样品在初次测试时得到的¹³C谱图中的背景信号峰的出峰位置即上述的151.32ppm，激发中心位置为同背景信号峰的出峰位置

步骤二S2，在再次测试固态样品的¹³C谱图时施加交叉极化-相位步进脉冲序列动作；

即在步骤一中选取激发中心O₁＝151.32ppm的设置上，再次对样品10％¹³C同位素标记的甘氨酸单晶进行测试，其中的施加交叉极化-相位步进脉冲序列动作是包括：

首先S2-1，在核磁测试采样中，通过核磁共振单晶探头中的发射电磁信号的发射系统在¹H通道施加90°脉冲，此脉冲为常规的CP操作的脉冲；

然后S2-2，于90°脉冲后同时在1H通道施加锁定脉冲，在¹³C通道施加相位步进脉冲(phase>1Δf的位置(offset)，这里的偏移量Δf取+16kHz，即在151.32ppm向左偏移16kHz，这里16kHz是一个优选值，一般情况下选择范围为5-50k>

上述S2-1和S2-2的脉冲序列结合起来即为本实施例的交叉极化-相位步进脉冲序列(cross polarization-phase increment pulse，CP-PIP)。为了进一步的说明本实施例中的交叉极化-相位步进脉冲序列，下面将常规的¹³C核磁测试中的交叉极化过程的脉冲和本实施例的交叉极化-相位步进脉冲CP-PIP做比较说明。

图3为本实施例的消除核磁共振单晶探头背景信号的新方法中使用的交叉极化-相位步进脉冲序列示意图

如图3所示(图中的I表示丰核例如¹H，S表示稀核例如¹³C)，首先在¹H通道加90度脉冲，然后同时在¹H通道和¹³C通道加锁定脉冲，如图3中的上部分所示；与常规交叉极化实验在¹³C通道所加的矩形脉冲不同，如图3中下部分所示，本实施例中¹³C锁定场加的是一个PIP脉冲。PIP脉冲由一系列小脉冲相互连接组成，这一系列小脉冲的脉宽相同(记为Δτ)，而其相位逐渐步进，步进的幅度记为根据实验经验可以发现取值较小比较好。初始小脉冲的相位记为相位步进的总和为其中n须为1以上的整数。PIP脉冲的效果是使得激发中心的频率发生偏移(offset)，偏移的大小

如此，根据上述的设定，即偏移量Δf取+16KHz，同时为10-15°，这里多次试验得出选用12°，则根据可以计算出本实施例中PIP脉冲的相位步进为对应脉冲宽度Δτ＝2μs，脉宽一般取1-10μs，初始相位常规设置就取脉冲个数为N＝481，N取值应满足使得总的交叉极化时间为所测试基团的最优时间，太少交叉极化过程未完成，太长则会发生锁定场下的信号弛豫，其取值需要根据样品和其他参数综合确定，一般为10-3000，对于本实施例而言取481，总的交叉极化时间为962μs。PIP脉冲移动的频率既射频脉冲的激发中心向左偏移了16kHz。

图4为10％¹³C标记的甘氨酸单晶使用本实施例消除核磁共振单晶探头背景信号新方法得到的核磁共振谱图

经过上述CP-PIP射频脉冲处理，得到如图4的核磁谱图。

实验设置的激发中心O₁在151.32ppm处，而实际上的激发中心向左偏移了16kHz。对于Co和Cα来说16kHz的O₁偏移(即offset＝16kHz)分别使其激发中心偏移了8kHz和24kHz，既其有效场分别增加0.78％和6.80％(计算得到，对于Co有效场计算为：对于Cα有效场计算为这样的增加和锁定场的强度相比可以忽略不计，因此Co和Cα.的信号基本保持不变。然而对于线圈外的背景信号来说，一方面PIP脉冲导致其相位严重畸变，另一方面，线圈外锁定场的强度急剧降低，16kHz的偏移足以导致交叉极化的条件无法满足，因而其信号消失不见。

这里对PIP脉冲序列做一个介绍。PIP脉冲序列可以改变线圈内射频脉冲的激发中心，基于此种想法，将交叉极化脉冲序列¹³C锁定场的矩形脉冲替换为PIP脉冲，在保证交叉极化的同时移动射频脉冲的激发中心，可以在保证样品信号强度几乎不变的情况下彻底消除线圈外的背景信号，本发明技术方案就是基于这个考虑而来的。如上述，当PIP脉冲序列改变了线圈内射频脉冲的激发中心时，其对背景信号和样品信号的影响是不同的：一方面PIP脉冲导致其相位严重畸变，另一方面，线圈外锁定场的强度急剧降低，16kHz的偏移足以导致交叉极化的条件无法满足，因而其信号消失不见。然而这种畸变在一定的范围和操作条件下，对样品的影响很小，就如上述的分别使Co和Cα的有效场增加0.78％和6.80％，因此Co和Cα的信号基本保持不变。

图4是10％¹³C同位素标记的甘氨酸单晶样品采用PIP-CP脉冲序列的结果，可以清楚地看到，化学位移在151.32ppm处的宽包信号消失不见，而Co和Cα的信号峰形和强度均保持不见，并且谱图的相位及基线都没有出现畸变。

从以上结果可以看到PIP-CP脉冲序列可以在不影响样品信号相位及强度的前提下很好的消除单晶探头的背景信号，并且不会造成相位及基线畸变：即本发明的技术方案是可行的。

图5为本实施例的探测固体¹³C信号的核磁共振波谱仪组成示意图

本实施例还提供了一种包含有产生上述交叉极化-相位步进脉冲序列电磁信号的发射系统的¹³C核磁波谱仪，如图5所示，探测固体¹³C信号的核磁共振波谱仪，包括磁体系统、探头和发射、接收系统以及信号处理系统，其中探头包括与发射系统连接的发射线圈接口和发射线圈，以及与接收系统连接的接收线圈接口和接收线圈，其PIP-CP脉冲序列的控制由信号处理系统的电脑控制，同时上述各种参数如其中步进值为10-15°，矩形脉冲的脉宽Δτ，矩形脉冲的个数N，偏移量Δf，初始相位由操作者在信号处理系统中的电脑上设定。

实施例的作用和有益效果

根据本实施例的一种消除核磁共振单晶探头背景信号的新方法，采用交叉极化-相位步进脉冲序列来消除核磁共振单晶探头测试固态样品¹³C谱图中背景信号峰的干扰，其具有以下步骤：

步骤一，根据背景信号峰的出峰位置设定适当的激发中心O₁位置

根据固态样品在初次测试时得到的¹³C谱图中的背景信号峰的出峰位置，激发中心O₁的位置为同背景信号峰出峰位置相近的位置；

步骤二，在再次测试固态样品的¹³C谱图时施加交叉极化-相位步进脉冲序列动作，其中，施加交叉极化-相位步进脉冲序列动作是包括：首先，在核磁测试采样中，通过核磁共振单晶探头中的发射电磁信号的发射系统在¹H通道施加90°脉冲，然后，于90°脉冲后同时在¹H通道施加锁定脉冲，在¹³C通道施加相位步进脉冲，在常规的交叉极化(crosspolarization，CP)过程中将相位步进脉冲引入，可以在不影响固体样品信号的相位及强度的前提下很好的消除单晶探头的背景信号，并且不会造成相位及基线畸变。

根据本实施例的一种包含有产生上述交叉极化-相位步进脉冲序列电磁信号的电路的一种¹³C核磁波谱仪，其可以消除因为探头构成材料说带来的核磁背景信号，提供了仪器的使用性能，消除了背景信号峰的干扰。