实验室分析仪器--核磁共振采集参数与后处理介绍
核磁共振采集参数与后处理
核磁共振实验根据观测核的种类和实验目的的不同选择不同的脉冲程序(pulprog),设置不同的实验参数。
采样时间(acquisition time,AQT),即每次脉冲激发后,信号接收器的采集时间。核磁共振实验检测得到的是时间域信号,这个信号称为自由感应衰减(FID)信号。FID 信号经过傅里叶变换才能转换成频域信号。若 AQT 小于信号完全衰减成噪声的时间,FID 将被截尾(truncation),导致谱线畸变;若 AQT 大于信号完全衰减成噪声的时间,则会因为采集到更多的噪声而使信噪比降低,并且延长实验时间。合适的采样时间可以保证 FID 信号能够衰减完全,从而提高分辨率。
时间域(time domain,TD)是指采集自由感应衰减(FID)信号文件的采样点数。TD 直接关系到所得谱图的分辨率,其数值一般为k的整数倍,如16k、32k等。若 TD 过小,会引起峰截尾,即峰变钝,分辨率下降;若 TD 过大,除改变数字分辨率以外并无实际意义。
谱宽(sweep width,SW),即观测核共振频率扫描的宽度。SW 要能覆盖需检测的频率区间,应包含所有谱线,一般以比覆盖所有谱线的区域宽约20%为宜。若 SW 设定过小而致使信号处于所选的范围之外,则会引起峰折回现象(fold back),并且相位也会发生畸变,从而导致与其他信号产生混淆;若 SW 太宽,则会采集过多有效信号以外的噪声而浪费数据点,导致分辨率的下降,并且可能因射频(RF)场不均匀而引起单位质子峰面积的不一致。TD、SW 与 AQT 三者之间存在这样的关系:AQT=TD/(2SW)。TD 在保证分辨率的同时,不宜过大,以免浪费采集时间。
激发偏置(transmitter frequency offset,TFO)以保证谱图位于谱宽的正中央为宜,至少不要偏离中心频率太远,只有把谱图置于中心位置时才能减小谱宽,从而提高数字分辨率。在射频场比较均匀的情况下,发射偏置对积分面积的影响不大。此外,脉冲程序为溶剂压制程序时,TFO 为所欲压制峰的共振频率。此时 TFO 设置尤为重要,以避免错误的峰压制。
扫描次数(number of scans,NS),即重复采样的次数。NS 过小会造成数据重现性差。NS 较大会使谱图稳定、重现性好,并且能提高信噪比,使谱线更加平滑,但同时也会延长实验时间。一般 NS 取2的整数次幂。NS 的开方与信噪比成正比关系,一般样本摩尔浓度不足时,可采取增加 NS 的方法获取更好的信噪比。
信噪比(signal to noise ratio,S/N),即谱图关注信号与噪声的比值。S/N 与诸多因素有关,如观测核的种类、仪器的频率、探头的构造、样品的浓度、采集温度、扫描次数等。一般定量试验中 S/N 比较重要,其应满足至少150以上,以保证积分定量结果的准确。
弛豫过程是核磁共振现象发生后得以保持的必要条件。因此,实验中应选取合适的弛豫延迟时间(pre-scan delay,D1),保证谱峰强度不会被饱和,这样才有利于对谱峰进行正确的积分,得到正确的结果。在定量实验中,D1设置尤为重要,其直接关系到定量原子核是否能够完全弛豫,直接决定定量结果的准确性。D1 设置宜同时考虑激发脉冲的角度(P1)与观测核的纵向弛豫时间(T1)。若P1为30°,D1 应满足大于7/3T1;若 P1 为90°,D1 应满足大于5T1。若 D1 过小,则引起定量失真;若 D1 过大,则会不必要地延长实验时间。一般分步长设置 D1 值累计多次实验,按照 D1 从小到大进行采样,然后对选择的被测样品和内标物的定量特征峰进行积分,选择二者的积分面积比不再明显变化的 D1 值。
激发脉冲宽度(pulse width,P1),即激发脉冲的长度或称激发脉冲角度。一般 P1采用30°或90°激发脉冲宽度。 P1必须设置恰当,不可超过或接近信号达到饱和的数值。若 P1过大,弛豫就难以在短时间内恢复到平衡状态,这将引起信号的减弱或 D1过长。一般实验以30° 的 P1为宜。
预饱和脉冲宽度(power level for presaturation,PLP)即溶剂峰预饱和压制的强度。其在溶剂压制脉冲中应用,如 zgpr 等。在溶剂压制试验中,PLP 设定较为重要,若其压制脉冲过小则达不到溶剂峰压制的目的;若过大则引起激发偏置附近无关信号的压制,损失原始谱图的信息量。一般 PLP 设定宜逐步长设定变化值,选取适当的压制强度。
FID 文件经傅里叶转化后,需仔细调整相位,使峰形左右对称,成正态分布的标准吸收型峰形,减少色散型信号对积分结果的影响。谱图基线最好在全部质子化学位移范围内成水平直线,积分时应进行基线校正,积分曲线两端应水平。初步处理完的图谱,以溶剂峰或内标峰化学位移进行校正,然后对关注共振信号依次标注其化学位移,以供解析。积分峰面积时一般选择关注共振信号起始手动积分即可,通过积分面积可知原子核的数目。在定量试验中,以上处理过程直接影响定量结果的准确度,必须严格操作。其中峰面积积分的确定尤为关键。界定峰积分面积直接影响准确性与重现性;应将信号放大,取峰形轮廓线与基线重合处为其起、止点,且每一组峰的积分范围要固定,这样才能使积分面积重现性良好。
