基于逐次交叉极化的固体核磁共振定量检测方法和装置与流程

本发明涉及核磁共振技术领域，特别涉及一种基于逐次交叉极化的固体核磁共振定量检测方法和装置。

背景技术：

固体核磁共振定量检测技术，是一种用于定量分析固体样品的结构和组分的技术。这一技术主要是通过向待分析的固体样品发射预设的脉冲序列，以测定待分析样品的初始谱图，对初始谱图进行傅里叶变换，相位校正和基线校正得到处理后的谱图，最后对处理后的谱图中各个基团的谱峰进行积分，就可以确定待分析样本中各个基团或组分所占的比例。

现有的固体核磁共振定量检测技术中，最方便、快捷的技术是利用由多个交叉极化脉冲单元组成的脉冲序列(multiple-cp)测定待分析样品。然而，基于这种脉冲序列进行测定时，若待分析样品中的¹h核的自旋锁定场下的自旋晶格弛豫时间(t1ρ^h)较短，最终测量得到的结果的准确性会受到明显的影响。

技术实现要素：

基于上述现有技术缺点，本发明提供一种基于逐次交叉极化的固体核磁共振定量检测方法和装置，以解决现有的检测技术检测t1ρ^h较短的样品时准确度较差的问题。

本发明第一方面提供一种基于逐次交叉极化的固体核磁共振定量检测方法，包括：

基于预设的脉冲序列在固体核磁共振波谱仪对待测样品进行测定，获得所述待测样品的谱图；其中，所述预设的脉冲序列包括顺序排列的多个第一脉冲单元和一个第二脉冲单元，所述第一脉冲单元用于增大所述待测样品中位于不同基团的¹³c核的信号的增强系数；所述第二脉冲单元用于将待测样品的¹h核的磁化矢量固定在魔角方向上，并且用于对所述待测样品的¹h核和¹³c核进行交叉极化；

依次对所述待测样品的谱图进行傅里叶变换，相位校正以及基线校正，得到处理后的谱图；

对所述处理后的谱图中，分别对应于待测样品的不同基团的谱峰进行积分，从而确定待测样品中各个基团或组分的所占的比例。

可选的，所述基于预设的脉冲序列在固体核磁共振波谱仪对待测样品进行测定，获得所述待测样品的谱图，包括：

逐个利用所述脉冲序列中的第一脉冲单元增大所述待测样品中位于不同基团的¹³c核的信号的增强系数；

利用所述第二脉冲单元生成的自旋锁定场将所述待测样品的1h核的磁化矢量锁定在魔角方向上，并对所述待测样品的¹³c核和¹h核进行交叉极化；其中，所述自旋锁定场的有效场方向为所述魔角方向；

采集所述待测样品中位于不同基团的¹³c核的信号，得到所述待测样品的谱图。

可选的，所述利用所述第二脉冲单元生成的自旋锁定场将所述待测样品的¹h核的磁化矢量锁定在魔角方向上，并对所述待测样品的¹³c核和¹h核进行交叉极化，包括：

在¹h通道施加第一射频脉冲，使¹h核的磁化矢量平行于xy平面；其中，所述第一射频脉冲是90°射频脉冲；

施加第二射频脉冲，使所述待测样品的¹h核的磁化矢量处在偏离z轴54.7°的魔角方向；其中，所述第二射频脉冲是35.3°射频脉冲；

施加第三射频脉冲，使¹h的有效场方向为魔角方向，并沿自旋锁定场方向对¹h核和¹³c核进行交叉极化；其中，所述第三射频脉冲包括¹h的自旋锁定场射频脉冲和¹³c的自旋锁定场射频脉冲，所述¹h的自旋锁定场射频脉冲的偏共振频率等于所述1h的自旋锁定场射频脉冲功率除以

本发明第二方面提供一种基于逐次交叉极化的固体核磁共振定量检测装置，包括：

测定单元，用于基于预设的脉冲序列在固体核磁共振波谱仪对待测样品进行测定，获得所述待测样品的谱图；其中，所述预设的脉冲序列包括顺序排列的多个第一脉冲单元和一个第二脉冲单元，所述第一脉冲单元用于增大所述待测样品中位于不同基团的¹³c核的信号的增强系数；所述第二脉冲单元用于将待测样品的¹h核的磁化矢量固定在魔角方向上，并且用于对所述待测样品的¹h核和¹³c核进行交叉极化；

处理单元，用于依次对所述待测样品的谱图进行傅里叶变换，相位校正以及基线校正，得到处理后的谱图；

积分单元，用于对所述处理后的谱图中，分别对应于待测样品的不同基团的谱峰进行积分，从而确定待测样品中各个基团的所占的比例。

可选的，所述测定单元基于预设的脉冲序列在固体核磁共振波谱仪对待测样品进行测定，获得所述待测样品的谱图时，具体用于：

逐个利用所述脉冲序列中的第一脉冲单元增大所述待测样品中位于不同基团的¹³c核的信号的增强系数；

利用所述第二脉冲单元生成的自旋锁定场将所述待测样品的¹h核的磁化矢量锁定在魔角方向上，并对所述待测样品的¹³c核和¹h核进行交叉极化；其中，所述自旋锁定场的有效场方向为所述魔角方向；

采集所述待测样品中位于不同基团的¹³c核的信号，得到所述待测样品的谱图。

可选的，所述测定单元利用所述第二脉冲单元生成的自旋锁定场将所述待测样品的¹h核的磁化矢量锁定在魔角方向上，并对所述待测样品的¹³c核和¹h核进行交叉极化时，具体用于：

在¹h通道施加第一射频脉冲，使¹h核的磁化矢量平行于xy平面；其中，所述第一射频脉冲是90°射频脉冲；

施加第二射频脉冲，使所述待测样品的¹h核的磁化矢量处在偏离z轴54.7°的魔角方向；其中，所述第二射频脉冲是35.3°射频脉冲；

施加第三射频脉冲，使¹h的有效场方向为魔角方向，并沿自旋锁定场方向对¹h核和¹³c核进行交叉极化；其中，所述第三射频脉冲包括¹h的自旋锁定场射频脉冲和¹³c的自旋锁定场射频脉冲，所述¹h的自旋锁定场射频脉冲的偏共振频率等于所述¹h的自旋锁定场射频脉冲功率除以

本申请提供一种基于逐次交叉极化的固体核磁共振定量检测方法和装置，基于预设的脉冲序列在固体核磁共振波谱仪对待测样品进行测定，获得待测样品的谱图；脉冲序列包括多个第一脉冲单元和一个第二脉冲单元，第一脉冲单元用于增大待测样品中位于不同基团的¹³c核的信号的增强系数；第二脉冲单元用于将待测样品的¹h核的磁化矢量固定在魔角方向上，并且用于对待测样品的¹h核和¹³c核进行交叉极化；依次对待测样品的谱图进行傅里叶变换，相位校正以及基线校正，得到处理后的谱图；最后对谱图中分别对应于待测样品的不同基团的谱峰进行积分，从而确定待测样品中各个基团或组分所占的比例。本方案将待测样品中的¹h核的磁化矢量固定在魔角方向上，从而延长待测样品中¹h核的t1ρ^h，达到提高定量检测的准确度的效果。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为现有的交叉极化方法分析样品时使用的脉冲序列的示意图；

图2为现有的逐次交叉极化(multiple-cp)方法测定样品时使用的脉冲序列的示意图；

图3为本申请提供的一种基于逐次交叉极化的固体核磁共振定量检测方法的流程图；

图4为本申请提供的基于逐次交叉极化的固体核磁共振定量检测方法使用的脉冲序列及相循环示意图；

图5a为利用cp方法检测丙氨酸固体粉末时，接触时间与各基团的谱峰的相对强度关系图；

图5b为利用multiple-cp方法检测丙氨酸固体粉末时，接触时间与各基团的谱峰的相对强度关系图；

图5c为本申请提供的基于逐次交叉极化的固体核磁共振定量检测方法检测丙氨酸固体粉末时，接触时间与各基团的谱峰的相对强度关系图；

图6为本申请实施例提供的一种基于逐次交叉极化的固体核磁共振定量检测装置的结构示意图。

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，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。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前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

首先，为了方便理解本申请提供的方案，下面简要介绍两种固体核磁共振检测方法。

第一种固体核磁共振检测方法，是基于交叉极化(crosspolarization,cp)现象提出的，利用单个交叉极化脉冲单元实现的交叉极化检测方法(简称cp方法)。这种技术利用单个交叉极化脉冲单元测定待测样品的图谱，具有耗时短且灵敏度高的优点。然而，cp方法不具有定量性，无法准确的计算出待测样品中各基团所占的比例。

单个交叉极化脉冲单元的脉冲序列如图1所示，其中黑色矩形代表90°射频脉冲，白色矩形代表交叉极化的自旋锁定场脉冲。

第二种固体核磁共振检测方法，是将多个交叉极化脉冲单元组成一个脉冲单元序列，利用这个脉冲单元序列对待测样品进行多次交叉极化，从而测定出待测样品的谱图。这种方法可以称逐次交叉极化(multiple-cp)方法。multiple-cp方法测定得到的待测样品的谱图，能够通过计算谱图中的各个谱峰的积分，确定待测样品中各个基团所占的比例，也就是说，multiple-cp方法能够实现固体样品的定量检测。

具体的，multiple-cp方法通过利用多个交叉极化脉冲单元对待测样品进行对应次数的交叉极化过程，使待测样品中不同基团的¹³c核的信号的增强系数η不断增大，使得增强系数最终趋于一致并接近理想值：ηideal＝γh/γc，从而实现定量检测待测样品中的各个基团的目的。

其中，ηideal为理想状态下交叉极化后的¹³c核的增强系数，γh为¹h核的旋磁比，γc为¹³c核的旋磁比。

但是multiple-cp方法无法抑制待测样品中的¹h核的自旋锁定场下的自旋晶格弛豫时间(即t1ρ^h)的影响，对于t1ρ^h短的样品或基团，使用multiple-cp方法测量得到的定量检测结果往往准确度较低。

multiple-cp方法中用于测定待测样品的图谱的脉冲序列如图2所示，其中loop表示交叉极化过程的循环次数。

基于上述multiple-cp方法的缺点，本申请提供一种新型的脉冲序列，以及基于这种新型的脉冲序列实现的固体核磁共振定量检测方法，以提供一种更准确地对t1ρ^h较短的样品或基团进行定量检测的方法。

请参考图3，该方法包括以下步骤：

s301、基于预设的脉冲序列在固体核磁共振波谱仪对待测样品进行测定，获得待测样品的谱图。

其中，预设的脉冲序列包括多个第一脉冲单元和一个第二脉冲单元，第一脉冲单元用于增大待测样品中位于不同基团的¹³c核的信号的增强系数；第二脉冲单元用于将待测样品的¹h核的磁化矢量固定在魔角方向上，并且用于对待测样品的¹h核和¹³c核进行交叉极化。

具体的，步骤s301所述的第一脉冲单元，可以是前文介绍的交叉极化脉冲单元(即cp单元)，第二脉冲单元是lgcp(lee-goldburycrosspolarization)单元。

也就是说，本申请中用于测定待测样品的谱图的脉冲序列，由多个cp单元和一个lgcp单元组成的脉冲序列，可以记为multiple-lgcp脉冲序列。本申请提供的基于multiple-lgcp脉冲序列的固体核磁共振定量检测方法，对应的可以记为multiple-lgcp方法。

multiple-lgcp脉冲序列的一种可选的示意图如图4所示，图中的灰色矩形代表35.3°脉冲，灰色渐变矩形代表lgcp过程。本方使用的脉冲序列所涉及的相循环为ф1＝y,-y；ф2＝-y,y；ф3＝x,x,-x,-x,y,y,-y,-y；ф4＝x；ф6＝-y,y,y,-y,x,-x,-x,x；ф7＝-y,y；ф8＝y,-y,-y,y,-x,x,x,-x；фrec＝x,-x,-x,x,y,-y,-y,y(每个脉冲所对应的相循环如图4中的标注所示)，其中ф2为35.3°的脉冲所对应的相循环。

可以理解的，可以在现有的multiple-cp方法使用的脉冲序列(记为multiple-cp脉冲序列)的基础上，将multiple-cp脉冲序列的最后一个cp单元替换为lgcp单元，从而得到本申请使用的multiple-lgcp脉冲序列。

利用multiple-lgcp脉冲序列测定待测样品的谱图的具体过程包括：

逐个利用multiple-lgcp脉冲序列中的cp单元增大待测样品中位于不同基团的¹³c核的信号的增强系数。

利用multiple-lgcp脉冲序列中的lgcp单元生成的自旋锁定场将待测样品的¹h核的磁化矢量锁定在魔角方向上，并对待测样品的¹³c核和¹h核进行交叉极化。

其中，上述自旋锁定场的有效场方向为魔角方向。

采集待测样品中位于不同基团的¹³c核的信号，得到待测样品的谱图。

利用multiple-lgcp脉冲序列中的lgcp单元生成的自旋锁定场将待测样品的¹h核的磁化矢量锁定在魔角方向上，并对待测样品的¹³c核和¹h核进行交叉极化的具体过程是：

在¹h通道施加第一射频脉冲，使¹h核的磁化矢量平行于xy平面；其中，第一射频脉冲是90°射频脉冲。

施加第二射频脉冲，使待测样品的¹h核的磁化矢量处在偏离z轴54.7°的魔角方向。其中，第二射频脉冲是35.3°射频脉冲。

施加第三射频脉冲，使¹h的有效场方向为魔角方向，并沿自旋锁定场方向对¹h核和¹³c核进行交叉极化。

其中，第三射频脉冲包括¹h的自旋锁定场射频脉冲和¹³c的自旋锁定场射频脉冲，¹h的自旋锁定场射频脉冲的偏共振频率△lg满足以下条件：

其中，ω1表示¹h的自旋锁定场射频脉冲的功率。

本申请提供的固体核磁共振检测方法，之所以能够准确地对t1ρ^h较短的样品或基团进行定量检测，是因为：

将¹h核的磁化矢量锁定在魔角方向上，可以通过抑制氢原子核之间的偶极偶合作用，有效的延长样品或基团中¹h核的t1ρ^h，从而获得更准确的定量检测结果。

s302、依次对待测样品的谱图进行傅里叶变换，相位校正以及基线校正，得到处理后的谱图。

s303、对处理后的谱图中，分别对应于待测样品的不同基团的谱峰进行积分，从而确定待测样品中各个基团的所占的比例。

本申请提供的固体核磁共振定量检测方法的具体操作过程是：

将待测样品固体粉末装入固体核磁管并放置于探头内，调取multiple-lgcp脉冲序列文件，设置好优化好的实验参数，采集利用multiple-lgcp脉冲序列测定得到的待测样品的谱图。采集完毕后对采集的谱图进行傅里叶变换，相位校正以及基线校正，得到处理后的谱图，接着分别对处理后的谱图中的各个基团的谱峰进行积分，得到各个基团的积分值，即为最终的定量数据。

在上述操作过程中，交叉极化动力学曲线使用origin7.5软件绘图，从而揭示各基团对应的谱峰的相对强度对交叉极化接触时间的依赖关系。

本申请提供一种基于逐次交叉极化的固体核磁共振定量检测方法，基于预设的脉冲序列在固体核磁共振波谱仪对待测样品进行测定，获得待测样品的谱图；脉冲序列包括多个第一脉冲单元和一个第二脉冲单元，第一脉冲单元用于增大待测样品中位于不同基团的¹³c核的信号的增强系数；第二脉冲单元用于将待测样品的¹h核的磁化矢量固定在魔角方向上，并且用于对待测样品的¹h核和¹³c核进行交叉极化；依次对待测样品的谱图进行傅里叶变换，相位校正以及基线校正，得到处理后的谱图；最后对谱图中分别对应于待测样品的不同基团的谱峰进行积分，从而确定待测样品中各个基团或组分所占的比例。本方案将待测样品中的¹h核的磁化矢量固定在魔角方向上，从而延长待测样品中¹h核的t1ρ^h，达到提高定量检测的准确度的效果。

下面介绍利用本申请提供的方法对具体的样品进行检测的过程和结果，同时，为了直观的理解本申请提供的方法的有益效果，还提供了利用现有的cp方法和multiple-cp方法对样品的检测结果作为对比。

本例中，使用丙氨酸固体粉末作为待测样品进行试验。选择丙氨酸作为定量分析的原因：丙氨酸的cp谱图的信噪比较高，常用于固体核磁方法优化的标准样品。此外，丙氨酸的t1ρ^h较短，在自旋锁定场强度为62.5khz的条件下，t1ρ^h为1.67ms。

测定丙氨酸的谱图时使用的仪器的参数如下：

丙氨酸定量测定所使用的仪器为avanceiiihd400固体核磁共振波谱仪，魔角转数为5khz，使用dvth/x探头，支持3.2mm的固体样品管。

在采集谱图过程中，multiple-lgcp脉冲序列所使用的参数为：¹h通道的90°脉宽设置为3.2μs，功率为78.1khz。lgcp过程中¹h通道的脉冲功率为62.5khz。¹³c的90°脉宽设置为3.2μs，功率为78.1khz。每次采样等待的时间为6s，cp过程循环的次数n＝3。实验所用的交叉极化脉冲均为ramp形状脉冲。lgcp过程中的接触时间为0.8ms。交叉极化动力学曲线的cp接触时间为1-2ms，间隔为1ms。

具体的实验操作步骤包括：将丙氨酸固体粉末装入固体核磁管并放置于探头内，调取multiple-lgcp脉冲序列文件，设置好优化好的实验参数，采集丙氨酸的谱图。采集完毕后进行傅里叶变换，相位校正以及基线校正。接着分别对丙氨酸谱图中的ch3、ch、cooh三个基团进行积分，得到相应的积分值，即为最终的定量数据。交叉极化动力学曲线使用origin7.5软件绘图，从而揭示各基团的谱峰的相对强度对交叉极化接触时间的依赖关系。

下述表1为分别用cp方法，multiple-cp方法以及multiple-lgcp方法对丙氨酸固体粉末进行检测后得到的实验误差数据。

表1

结合表1以及图5a，图5b和图5c所示的不同检测方法中接触时间与各基团的谱峰的相对强度关系图，其中，图5a，图5b和图5c的横坐标均为接触时间，纵坐标均为相对强度，如图中的标注，方形坐标点表示cooh基团的相对强度，圆形坐标点表示ch基团的相对强度，三角形坐标点表示ch3基团的相对强度。

可以发现：

如图5a所示，对于cp方法，在相同的接触时间下，丙氨酸各基团的相对强度差别明显，与基团的理论比值相比偏差很大，在18～78％之间，说明cp不具有定量性。

如图5b所示，与cp方法相比，multiple-cp方法所检测的丙氨酸的各基团的相对强度与理论值接近，但随着交叉极化脉冲单元与样品的接触时间的增加，测试结果的偏差逐渐增大，说明multiple-cp定量检测的准确性受到待测样品的t1ρ^h的影响。由表1数据可见，在使用multiple-cp方法对丙氨酸进行检测时，丙氨酸的t1ρ^h所产生的影响较明显，在接触时间0.4～0.7ms之间，丙氨酸的ch3、ch、cooh基团的定量结果与标准值相比，误差在5％以下；但是随着接触时间的增加，误差逐渐增大并超过5％，最高可达22％。因此对于multiple-cp方法而言，交叉极化脉冲单元的接触时间需要设定在0.4～0.7ms范围内，参数条件的要求较苛刻。

本申请提供的multiple-lgcp方法可以抑制丙氨酸的t1ρ^h的影响，在相同的交叉极化脉冲单元的接触时间下，各基团的谱峰的相对强度基本趋于一致，接触时间为0.4～1.8ms时，三个基团的定量检测结果的误差小于3％，准确性高，且允许的接触时间参数设定的范围较宽。

结合本申请任一实施例提供的基于逐次交叉极化的固体核磁共振定量检测方法，本申请实施例提供一种基于逐次交叉极化的固体核磁共振定量检测装置，请参考图6，该装置包括以下结构：

测定单元601，用于基于预设的脉冲序列在固体核磁共振波谱仪对待测样品进行测定，获得待测样品的谱图。

其中，预设的脉冲序列包括顺序排列的多个第一脉冲单元和一个第二脉冲单元，第一脉冲单元用于增大待测样品中位于不同基团的¹³c核的信号的增强系数；第二脉冲单元用于将待测样品的¹h核的磁化矢量固定在魔角方向上，并且用于对待测样品的¹h核和¹³c核进行交叉极化。

处理单元602，用于依次对待测样品的谱图进行傅里叶变换，相位校正以及基线校正，得到处理后的谱图。

积分单元603，用于对处理后的谱图中，分别对应于待测样品的不同基团的谱峰进行积分，从而确定待测样品中各个基团的所占的比例。

其中，测定单元601基于预设的脉冲序列在固体核磁共振波谱仪对待测样品进行测定，获得所述待测样品的谱图时，具体用于：

逐个利用脉冲序列中的第一脉冲单元增大待测样品中位于不同基团的¹³c核的信号的增强系数；

利用第二脉冲单元生成的自旋锁定场将待测样品的¹h核的磁化矢量锁定在魔角方向上，并对待测样品的¹³c核和¹h核进行交叉极化；

其中，上述自旋锁定场的有效场方向为魔角方向；

采集待测样品中位于不同基团的¹³c核的信号，得到待测样品的谱图。

测定单元601利用第二脉冲单元生成的自旋锁定场将待测样品的¹h核的磁化矢量锁定在魔角方向上，并对待测样品的¹³c核和¹h核进行交叉极化时，具体用于：

在¹h通道施加第一射频脉冲，使¹h核的磁化矢量平行于xy平面；其中，第一射频脉冲是90°射频脉冲。

施加第二射频脉冲，使待测样品的¹h核的磁化矢量处在偏离z轴54.7°的魔角方向。其中，第二射频脉冲是35.3°射频脉冲。

施加第三射频脉冲，使¹h的有效场方向为魔角方向，并沿自旋锁定场方向对¹h核和¹³c核进行交叉极化。

其中，第三射频脉冲包括¹h的自旋锁定场射频脉冲和¹³c的自旋锁定场射频脉冲，¹h的自旋锁定场射频脉冲的偏共振频率△lg满足以下条件：

其中，ω1表示¹h的自旋锁定场射频脉冲的功率。

本申请提供一种基于逐次交叉极化的固体核磁共振定量检测装置，测定单元601基于预设的脉冲序列在固体核磁共振波谱仪对待测样品进行测定，获得待测样品的谱图；脉冲序列包括多个第一脉冲单元和一个第二脉冲单元，第一脉冲单元用于增大待测样品中位于不同基团的¹³c核的信号的增强系数；第二脉冲单元用于将待测样品的¹h核的磁化矢量固定在魔角方向上并且用于对待测样品的¹h核和¹³c核进行交叉极化；处理单元602依次对待测样品的谱图进行傅里叶变换，相位校正以及基线校正，得到处理后的谱图；积分单元603对处理后的谱图中分别对应于待测样品的不同基团的谱峰进行积分，从而确定待测样品中各个基团的所占的比例。本方案将待测样品中的¹h核的磁化矢量固定在魔角方向上，从而延长待测样品中¹h核的t1ρ^h，达到提高定量检测的准确度的效果。

专业技术人员能够实现或使用本申请。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本申请的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本申请将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。