氢检测半整数四极核高分辨固体NMR异核相关谱方法

氢检测半整数四极核高分辨固体nmr异核相关谱方法
技术领域
1.本发明涉及固体核磁共振(nmr)的实验方法，尤其涉及氢检测半整数四极核高分辨固体nmr异核相关谱方法。


背景技术：

2.核磁共振是一种无损检测方法，广泛应用于蛋白质、催化剂、影像医学、爆炸物检测等领域。固体核磁共振(ssnmr)，通过重耦技术重新引入被魔角旋转(mas)消除的偶极相互作用，可以探测原子核之间的空间临近关系，其中二维核磁共振实验技术更可以直观地获取相同或不同元素的核间关联信息，成为从原子-分子层面了解结构和动力学信息的有效表征手段。相比于x射线电子能谱(xps)、红外光谱(ir)、x射线衍射谱(xrd)、电感耦合等离子体(icp)等技术，ssnmr具有非入侵、探测深度深、限域空间结构解析准确等优势。异核偶极耦合相关谱可以提供不同元素空间临近关系，而j耦合相关谱可以提供化学键连接信息；使用氢(1h)作为检测核，可以显著提高谱图信噪比，缩短采样时间。元素周期表nmr可观测核(同位素)中有超过三分之二的为核自旋量子数大于1/2的半整数四极核x(核自旋量子数f＝3/2、5/2、7/2
…
，如
11
b、
17
o、
23
na、
27
al等，下文写作x)，它们占据了各类材料的关键位置，因此氢与四极核的固体核磁共振研究在材料科学中有重要作用。
3.在1h-x相关谱中，相比于传统氢检测异核偶极耦合相关谱，使用多量子演化作为二维谱间接维演化，可以在间接维获得各向同性化学位移信息，消除由于核四极相互作用展宽造成间接维谱峰分辨率低的影响，具有半峰全宽窄、分辨率高的特点。此外，高转速(≥35khz)可以充分消除各向异性化学位移、偶极作用以及部分四极作用，是多量子高分辨相关谱的关键条件。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于克服现有技术存在的缺点和不足，提供氢检测半整数四极核高分辨固体nmr异核相关谱方法。
5.本发明的上述目的通过以下技术手段实现：
6.氢检测半整数四极核高分辨固体nmr异核相关谱方法，包括以下步骤：
7.步骤1、调试谱仪，准备1h标准样品和x标准样品，将装有1h标准样品和x标准样品的转子分别放入探头样品腔，优化1h通道90
°
脉冲宽度和x通道90
°
脉冲宽度，使得1h通道和x通道的谱峰高度最高，标定1h标准样品和x标准样品的谱峰中心化学位移值；
8.步骤2、将待测样品填装在转子中，将装好待测样品的转子投入到探头样品腔中，分别按照步骤1获得的优化后的1h通道90
°
脉冲宽度和x通道90
°
脉冲宽度，设置1h通道90
°
脉冲宽度和x通道的90
°
脉冲宽度，以及累加次数、循环延迟，使用onepulse脉冲序列分别获取待测样品的一维1h核直接激发谱和待测x核直接激发谱。
9.氢检测半整数四极核高分辨固体nmr异核相关谱方法，还包括步骤3：
10.使用3qmas脉冲序列，调整二维x核多量子实验中的多量子激发脉冲宽度、以及多
量子转换脉冲宽度，使谱峰高度或面积最大，根据步骤1中优化后的x通道的90
°
脉冲宽度计算低功率中心跃迁选择性激发脉冲宽度，也即低功率滤波脉冲宽度，设置累加次数、循环延迟、间接维增量步数、以及间接维增量，进行二维x核多量子实验获取二维x核多量子谱。
11.氢检测半整数四极核高分辨固体nmr异核相关谱方法，还包括步骤4：
12.使用具有预饱和的二维1h{x}相关谱序列，当二维1h{x}相关谱是偶极耦合相关谱时，设置选取偶极重耦序列，并根据步骤2中优化的1h通道90
°
脉冲宽度计算偶极重耦功率，使射频场中质子拉莫尔进动频率等于转子魔角旋转频率的n倍，优化重耦时间，使得重耦效率最高，获得优化后的偶极重耦序列，进行二维1h{x}相关谱实验，获取二维1h{x}偶极耦合相关谱；
13.当二维1h{x}相关谱是j耦合相关谱时，设置j耦合延迟τ＝1/4j，j为耦合常数，获取二维1h{x}j耦合相关谱。
14.氢检测半整数四极核高分辨固体nmr异核相关谱方法，还包括步骤5：使用间接维高分辨二维1h{x}相关谱序列，间接维高分辨二维1h{x}相关谱序列包含多量子序列和极化转移序列，多量子序列按照时序依次包含多量子激发脉冲(exc)、回波前延迟(t1)、多量子转换脉冲(con)、低功率滤波脉冲、回波后延迟(t2)；极化转移序列包括两个相同的序列块，每个序列块包含偶极重耦序列或j耦合延迟(τ
rec-π-τ
rec
)，以及1h、x通道同时施加的180
°
脉冲,两个序列块间用1h、x通道同时施加的90
°
脉冲隔开，根据步骤3中优化的多量子激发脉冲宽度、转换脉冲宽度设置间接维高分辨二维1h{x}相关谱序列的多量子序列中的多量子激发脉冲宽度、多量子转换脉冲宽度、回波前延迟、回波后延迟，根据步骤4中的偶极重耦序列或j耦合延迟，实施间接维高分辨二维1h{x}实验，获取间接维高分辨二维1h{x}相关谱。
15.氢检测半整数四极核高分辨固体nmr异核相关谱方法，所述步骤1中x标准样品为核自旋量子数大于1/2的半整数四极核样品。
16.氢检测半整数四极核高分辨固体nmr异核相关谱方法，所述步骤2中，设置的循环延迟使得对应的自由感应衰减fid信号充分驰豫。
17.氢检测半整数四极核高分辨固体nmr异核相关谱方法，所述步骤3中，设置的间接维增量步数使得对应的自由感应衰减fid信号衰减完全，设置的间接维增量为魔角旋转周期的整数倍。
18.氢检测半整数四极核高分辨固体nmr异核相关谱方法，所述步骤4在不低于35khz高速魔角旋转条件(mas)下进行。
19.本发明具有下列优点和积极效果：
20.1、可以观测到不同1h、x位点的空间临近关系或化学键连接信息，提高谱峰归属、结构解析的准确性、可靠性；
21.2、可以消除间接维四极相互作用展宽，显著提高间接维分辨率；
22.3、谱图两个维度都是各向同性化学位移，因此可通过高斯/洛伦兹函数拟合，分辨出经典相关谱难以确定的相关关系；
23.4、通过高转速消除了各向异性化学位移、同/异核偶极作用以及部分四极相互作用，提高氢检测直接维分辨率。
附图说明
24.图1是间接维高分辨二维1h{x}相关方法脉冲序列示意图。
25.图2是异丙醇铝的单脉冲谱：
26.(a)异丙醇铝的单脉冲1h谱；
27.(b)异丙醇铝的单脉冲
27
al谱。
28.图3是异丙醇铝的二维
27
al多量子谱、二维1h{
27
al}相关谱：
29.(a)异丙醇铝的经典二维1h{
27
al}相关谱；
30.(b)异丙醇铝的间接维高分辨二维1h{
27
al}相关谱；
31.(c)异丙醇铝的二维
27
al多量子谱。
具体实施方式
32.为了便于本领域普通技术人员理解和实施本发明，下面结合实施例对本发明作进一步的详细描述，应当理解，此处所描述的实施示例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
33.本发明是在1h-x相关谱中，在经典氢检测nmr异核相关谱实验方法的基础上，使用多量子演化作为二维谱间接维演化。在之前的1h-x相关谱实验方法中，以单量子演化作为间接维，谱图呈现四极相互作用线型及增宽，造成谱峰重叠.使用多量子演化作为二维谱间接维演化，可以在间接维获得各向同性化学位移信息，消除核四极相互作用展宽，具有半峰全宽窄、分辨率高的特点。
34.利用多量子演化实现的间接维高分辨异核相关谱曾被应用于磷铝分子筛等固体材料的微观结构表征，比如磷、铝异核相关实验的表征，实现间接维高分辨的1h{x}异核相关实验尚未见报道。本发明结合了氢检测和多量子间接维高分辨的优势，克服了经典氢检测氢与半整数四极核相关谱四极展宽大的问题，可以在较小的时间成本下，获得更多材料结构信息。值得一提的是，本发明中的实验方法具有普适性,多数含有氢和半整数四极核的固体材料，均可通过本方法获得高分辨率、高信噪比相关谱；此外，本发明具有较高灵活度，通过替换模块，可以通过偶极耦合、j耦合分别获得空间临近关系和化学键连接关系，可以作为固体材料中研究氢与半整数四极核的一种常规分析方法。
35.氢检测半整数四极核高分辨固体nmr异核相关谱方法，包括以下步骤：
36.步骤1、仪器配置与样品准备
37.将1h标准样品和x标准样品(x为核自旋量子数大于1/2的半整数四极核，如
11
b、
17
o、
23
na、
27
al等)分别装入固体核磁转子(bruker公司配件，下称转子)，利用bruker ascend 800谱仪安装1.9mm探头(bruker公司配件，下称探头)进行探测，连接谱仪的电路和气路，在谱仪的计算机操作单元运行topspin(bruker公司软件)，读取探头信息，确认功率放大器、前置放大器、探头线圈、接收机连接正确；将装有1h标准样品和x标准样品的转子分别放入探头样品腔，在bsms控制台中调节各阶匀场线圈电流，使得探头样品腔内磁场均匀。通过调节探头的调谐(tuning)杆、调匹配(matching)杆，使探头输入阻抗最小，在合适的功率下，调节1h通道90
°
脉冲宽度和x通道的90
°
脉冲宽度，直至1h通道和x通道的谱峰高度最高，分别获得优化后的1h通道90
°
脉冲宽度和x通道90
°
脉冲宽度，并将1h标准样品和x标准样品的谱峰中心化学位移值定为文献参考值。测定完成，取出并清理转子。
38.步骤1中的半整数四极核的x标准样品，若为液体，则静态采样，若为固体，则在魔角条件下旋转进行采样，转速根据转子和探头确定。
39.步骤1中的谱峰是由探头内线圈接收到的自由感应衰减(fid)信号经傅里叶变换(ft)得到的，下述谱峰获得方法相同。
40.步骤2、根据优化后的1h通道90
°
脉冲宽度和x通道90
°
脉冲宽度，获取待测样品的一维1h核直接激发谱、待测x核直接激发谱；
41.首先，将待测样品填装在转子中，将装好待测样品的转子投入到探头样品腔中，分别按照步骤1获得的优化后的1h通道90
°
脉冲宽度和x通道90
°
脉冲宽度，设置1h通道90
°
脉冲宽度和x通道的90
°
脉冲宽度，以及累加次数、循环延迟，使用onepulse脉冲序列分别获取待测样品的一维1h核直接激发谱、待测x核直接激发谱。
42.步骤2中的累加次数是由对应的自由感应衰减fid信号的信号强度(谱峰高度或面积)确定的，下述步骤中相同；
43.步骤2中的循环延迟是根据对应的自由感应衰减fid信号设置的，以确保充分弛豫，下述步骤中相同。
44.在本实施例中，本步骤的实验条件：bruker公司800m谱仪1.9mm直径转子，转动频率38khz。1h通道90
°
脉冲宽度为2.4μs，循环延迟1s，累加次数64次；
27
al通道(x通道)90
°
脉冲宽度为0.2μs，循环延迟1s，累加次数128次。
45.步骤3、进行二维x核多量子实验获取二维x核多量子谱；
46.使用具有split-t1、快速幅度调制(fam)的3qmas脉冲序列。其次，调整二维x核多量子实验中的多量子激发(excitation)脉冲宽度、以及多量子转换(conversion)脉冲宽度，使谱峰高度或面积最大，此时多量子相干转移效率达到最佳状态。再次，根据步骤1中优化后的x通道的90
°
脉冲宽度计算低功率中心跃迁(ct)选择性激发脉冲宽度，也即低功率滤波脉冲宽度。最后，使用上述优化参数，并设置累加次数、循环延迟、间接维增量步数、以及间接维增量，进行二维x核多量子实验获取二维x核多量子谱。
47.步骤3中的间接维增量步数是设定值的，以确保对应的自由感应衰减fid信号衰减完全，下述步骤中相同；
48.步骤3中的间接维增量为魔角旋转周期的整数倍，以改善边带折叠问题，下述步骤中相同；
49.步骤3中自由感应衰减fid信号经二维傅里叶变换时，间接维使用绝对值谱方法。
50.本实施例中，本步骤实验条件：bruker公司800m谱仪1.9mm直径转子，转动频率38khz，
27
al通道多量子激发、转换脉冲强度为156.4khz，
27
al通道多量子激发宽度和转换脉冲宽度分别为3.6μs和0.7μs，
27
al通道90
°
脉冲宽度为8μs；循环延迟0.2s，累加次数108次，间接维96个增量，每个增52.7μs。
51.步骤4、获取经典二维1h{x}相关谱(heteronuclear correlation，hetcor)
52.使用具有预饱和的二维1h{x}相关谱序列。当二维1h{x}相关谱是偶极耦合相关谱(如d-rinept)时，设置选取偶极重耦序列(异核)(如基于对称的r3等)，并根据步骤2中优化的1h通道90
°
脉冲宽度计算偶极重耦功率，使射频场中质子拉莫尔进动频率等于转子魔角旋转频率的n倍(n由重耦脉冲序列确定)。然后优化重耦时间，确保最高的重耦效率，获得优化后的偶极重耦序列，进行二维1h{x}相关谱实验，获取二维1h{x}偶极耦合相关谱。
当二维1h{x}相关谱是j耦合相关谱(如j-rinept)时，设置j耦合延迟τ＝1/4j(其中j为耦合常数)，获取二维1h{x}j耦合相关谱。
53.步骤4中的二维1h{x}相关谱实验是在不低于35khz高速魔角旋转条件(mas)下进行的；
54.步骤4中的预饱和是通过90
°
脉冲间隔20ms循环10次实现的，消除了上一次二维1h{x}相关谱实验的残余磁化矢量的影响；
55.本实施例中，本步骤的实验条件：bruker公司800m谱仪1.9mm直径转子，转动频率38khz.1h通道90
°
脉冲宽度为2.4μs，
27
al通道(x通道)90
°
脉冲宽度为8μs，1h通道重耦时间和重耦功率分别是0.63ms和76khz，循环延迟20s，累加次数32次，间接维30个增量，每个增量26.3μs。
56.步骤5、获取间接维高分辨二维1h{x}相关谱；
57.使用具有预饱和的间接维高分辨二维1h{x}相关谱序列，如图1所示，间接维高分辨二维1h{x}相关谱序列包含多量子序列和极化转移序列。按照时序，多量子序列包含多量子激发脉冲(exc)、回波前延迟(t1)、多量子转换脉冲(con)、低功率滤波脉冲、回波后延迟(t2＝kt1，k为系数)；极化转移序列包括两个相同的序列块，每个序列块包含偶极重耦序列(或j耦合延迟)(τ
rec-π-τ
rec
)，以及1h、x通道同时施加的180
°
脉冲,两个序列块间用1h、x通道同时施加的90
°
脉冲隔开。根据步骤3中优化的多量子激发脉冲宽度、转换脉冲宽度设置间接维高分辨二维1h{x}相关谱序列的多量子序列中的多量子激发脉冲宽度、多量子转换脉冲宽度、回波前延迟、回波后延迟，根据步骤4中选择和优化的偶极重耦序列(或j耦合延迟)。最后使用上述参数，实施间接维高分辨二维1h{x}实验，获取间接维高分辨二维1h{x}相关谱。
58.步骤5中的间接维高分辨二维1h{x}实验是在不低于35khz高速魔角旋转条件(mas)下进行的；
59.步骤5中的预饱和是通过90
°
硬脉冲间隔20ms循环10次实现的，消除了上一次实验的残余磁化矢量的影响。
60.本实施例中，本步骤实验条件：bruker公司800m谱仪1.9mm直径转子，转动频率38khz。
27
al通道多量子脉冲功率为156.4khz，该功率下多量子激发脉冲宽度、多量子转换脉冲宽度分别为3.6μs和0.7μs，其余部分1h通道90
°
脉冲宽度2.4μs，
27
al通道90
°
脉冲宽度8μs，1h通道重耦时间和重耦功率分别是0.63ms和76khz，循环延迟0.2s，累加次数384次，间接维82个增量，每个增量52.7μs。
61.步骤5中的多量子序列可以获得高分辨率间接维，其原理如下：
62.魔角旋转(mas)条件下，自旋量子数f＝5/2四极核对称相干演化(p/2
→‑
p/2，p为自旋相干阶数)相位φ为
[0063][0064]
其中φ
cs
为各向同性相位，为mas条件下p/2
→‑
p/2相干演化的残余二阶四极频移，t为时间。残余二阶四极频移
[0065][0066]
其中第一项为各向同性频移,第二项c4(f,p)为各向异性部分，a为与自旋量子数、相干阶数无关的因子，
[0067][0068]
各向异性部分可以通过合适的回波(回波前、后延迟分别为t1、t2)条件消除
[0069]
ac4(f,p)t1+ac4(f,p)t2＝0
[0070]
t2演化期间要求相干阶为-1，上式可以写作
[0071][0072]
可知，对于f＝5/2核(
17
o、
27
al等)，回波可以在处形成；同理，对于f＝3/2核(
11
b、
23
na等)，各向同性回波可以在处形成。
[0073]
步骤5中的极化转移序列原理如下：
[0074]
前述回波信号通过极化转移(如cp，inept)方法激发具有空间临近性或化学键相连的氢。以基于偶极耦合的重聚不灵敏核增强极化转移方法(d-rinept)为例，用算符i、s分别表示x、1h核系综中心跃迁演化磁化矢量，i
x
、iy、iz、s
x
、sy、sz的下角标表示磁化矢量方向(x轴方向、y轴方向和z轴方向)，演化起始于由多量子模块在各向同性回波最高点形成的x单量子iy，经τ
rec-π-τ
rec
作用，系综受到偶极耦合(d
is
)及π脉冲作用，
[0075][0076]
经过两个90
°
脉冲作用，系综受到脉冲作用，极化由i核转向s核，
[0077][0078]
最后，τ
rec-π-τ
rec
作用是将色散线型转换为纯吸收线型
[0079][0080]
至此，极化转移至高核磁灵敏度的氢核，开始采样。
[0081]
本发明中设计的脉冲序列示意图如图1所示。在磁化示意图中(图1上)，多量子序列激发x核多量子跃迁(mq)，经转换脉冲转为单量子跃迁，进而在极化转移序列转移至1h通道采样。相干阶示意图(图1下)中实线为实验实际选择的相干路径。
[0082]
图1中为间接维高分辨二维1h{x}相关谱序列示意图，可分为多量子序列、极化转移序列两部分。按照时序，多量子序列包含多量子激发脉冲(exc)、回波前延迟(t1)、多量子转换脉冲(con)、低功率滤波脉冲、回波后延迟(t2＝kt1，k为系数)；极化转移序列包括两个相同的序列块，每个序列块包含偶极重耦序列(或j耦合延迟)(τ
rec-π-τ
rec
)，以及1h、x通道同时施加的180
°
脉冲,两个序列块间用1h、x通道同时施加的90
°
脉冲隔开。
[0083]
多量子序列中，以空心方块表示低功率滤波脉冲(选择性激发脉冲)，黑色阴影方块表示高功率脉冲(可作为多量子激发脉冲、多量子转换脉冲)，圆角灰色方块表示布局数转移增强(pt，如dfs技术)脉冲(可作为多量子转换脉冲)。图1中列举了两种不同的多量子序列，以第一种为例，使用高功率脉冲激发各量子相干，通过6步相位循环选择
±
3量子相干阶；三量子向单量子转换使用快速幅度调制(fam)方法，转换脉冲幅度在正负间快速切换，可以选择性激发相干阶差δp＝
±
2的相干跃迁，提高转换效率。下述实验谱图使用了第一种多量子序列。极化转移序列中，以空心方块、实心方块分别表示180
°
脉冲、90
°
脉冲，灰色方块表示转动同步的偶极重耦序列(转动周期为τm,n为整数)。在rinept方法中，
27
al通道90
°
脉冲、180
°
脉冲使用低功率滤波脉冲，选择性激发中心跃迁(ct)，使其演化行为与1/2核类似。下述实验谱图使用了d-rinept极化转移序列。
[0084]
单脉冲谱图是核磁共振结构解析的基础方式，图2所示为异丙醇铝的氢谱(a)和铝谱(b)。铝谱中可以观测到一个铝位点，尽管是单一位点，却具有较大的四极展宽(20-60ppm)。
[0085]
图3(a)是经典二维1h{
27
al}相关实验，铝位点与两个氢位点均具有空间临近，可以清晰看到异丙醇铝中的四配位铝物种在谱图间接维上呈现较大四极线形，由约20ppm延伸至约60ppm，展宽约8khz。
[0086]
通过图3(c)所示的多量子实验可以观测到一个异丙醇铝样品铝位点。利用多量子演化的间接维高分辨二维1h{
27
al}相关实验如图3(b)所示，间接维铝位点展宽被压缩为约2khz，谱峰中心位置与多量子实验相符合，并呈现出高斯/洛伦兹线型的单峰。对比图3(a)、图3(b)，间接维高分辨技术使得在重叠的谱图中通过分峰拟合区分不同物种的方法，相比经典实验具有更高的可靠性和可信度。
[0087]
本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。