Способ двумерной спектроскопии гиромагнитного резонанса

 

ОП ИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕН ИЯ

К ПАТЕНТУ

Союз Советских

Социалистических

Республик

«i)980637 (61) Дополнительный к патенту (22) Заявлено 14. 12. 76(21) 2430851! 18 25 (23) Приоритет — (32) 15.12.75 (51) IVL. Кл.

G 01 К 24/08

Государствеиньw комитет (31) 640364 (33) США

СССР (бз) УДХ 539.143, . 43 (088. 8) Опубликовано 07. 12. 82. Бюллетень.% 45 по делам изобретений и открытий

Дата опубликования описания 07. 12 .82

> ъ с

Ъ

t

Иностранец

Эрнст Ричард Р. (Швейцария) (72) Автор р изобретения

Иностранная фирма

"Вариан Ассошиейтс, Инк" (США). (71) Заявитель (54) СПОСОБ ДВУИЕРНОЙ СПЕКТРОСКОПИИ

ГИРОИАГНИТНОГО РЕЗОНАНСА

Изобретение относится к спектро- . скопии гиромагнитного резонанса и может быть использовано для двумерной спектрометрии гиромагнитного резонанса мультиплетной структуры

5 связанных гиромагнитных резонаторов.

Ядерный магнитный резонанс углерода 13 (," С ) используют для исследования структуры органических моле1о кул в растворе и в твердом состоянии, при этом имеется воэможность получения спектра с полным нарушением связи с протонами при наличии одной единственной резонансной линии для !

5 каждого места углерода (С). Это упрощает спектр больших молекул. Хотя связанные спектры, например связанные спектры протон-углерод и протон-азот . (М),. содержат значительно больше ин,формации, и не могут быть полностью проанализированы из-за значительного перекрытия различных мультиплетов.

Наиболее известным примером связанных ядер являются связанные с протоном

2 углерод 13, азот 15 (" М) и дейтерий. Спектры < C, 1 N и дейтерия применяют для исследования комплексных молекул, типа биомолекул, энзимов, пентидов, протеинов и вообще сложных органических молекул Г1 3.

Наиболее близко к предлагаемому способ спектроскопии гиромагнитного резонанса, основанный .на индуцировании множества переходных гиромагнитных резонансов для первой группы гиромагнитных резонаторов, имеющих внутреннюю связь со второй группой гиромагнитных резонаторов исследуемого вещества. При этом для упрощения спектра исследуемого вещества либо полностью нарушают связи протонов (первая группа гиромагнитных резонаторов) с другими ядрами, например с С или М (вторая группа ги; ромагнитных резонаторов), либо исклю чают только слабые связи. Полное нарушение связей приводит к разрушению всей информации, содержащейся в связях, а исключение слабых связей поз98063 воляет интерпретировать мультиплетную структуру редких ядер только для простых спектров, т. е. для малых моле кул (2 3.

Цель изобретения - увеличение раз5 решающей способности при спектро-. скопии сложных веществ.

Поставленная цель достигается тем, что согласно способу двумерной спектроскопии гиромагнитного резонанса, . основанному на индуцировании множества переходных гиромагнитных резонансов для первой группы гиромагнитных резонаторов, имеющих внутреннюю второй группой гиромагнитных резонаторов исследуемого вещества, при разделении мультиплетных структур спектра периодически в течение части каждого из переходных гиромагнитных резонансов нарушают взаимодействие резонансов обеих групп резонаторов наложением развязывающег-o высокочастотного магнитного поля, изменяют длительность нарушенного и связанного периодов переходных резонансов для первой группы резонаторов, определяют индуцированное множество переходных гиромагнитных резонансов для первой группы резонаторов в функ ции изменения длительности нарушенного и связанного периодов переходных резонансов для первой группы резонаторов и получают упрощенные спектральные данные гиромагнитного резонанса.

В качестве развязывающего высокоо частотного магнитного поля используют резонансное магнитное поле для возбуждения ги рома гнитных резонансов второй группы резонаторов.

4О

Возбуждение резонансов второй группы резонаторов осуществляют до индуцирования каждого из переходных гиромагнитных резонансов первой группы резонаторов, а при наличии двух резонансных частот для резонан45 сов первой группы резонаторов осущеставляют обнаружение свободно индуцируемых затухающих переходных резонансов первой группы резонаторов, имеющих первую резонансную частоту.

На фиг. 1 представлен спектр развязанного с протоном гиромагнитного резонанса для ядер " С в молекуле

h-гексана; на фиг. 2 - спектр связанного с протоном гиромагнитного резонанса для ядер 1 С в той же молекуле, отражающий мультиплексные структуры, связанные с каждым из вза7 ф имодействующих с протонами ядер ЭС; на фиг. 3 - временная диаграмма, показывающая экранирование связанного с протоном поля и сигнала резонанса * свободно индуцированного затухания (СИ3) для ядер "C; на фиг. 4 двумерное изображение спектральных данных гиромагнитного резонанса; на фиг. 5 — блок-схема двумерного спектрометра, позволяющего реализовать способ двумерной спектроскопии; на фиг. 6 — программа для электронновычислительной машине (ЭВМ) указанного спектрометра.

Способ включает создание в момент

= 0 поперечного намагничивания гиромагнитных резонаторов, например, ядер " С с помощью импульса, например 90 -импульса. В течение времени о

0 < t (t < намагниченность исследуемого вещества может прецессировать под влиянием полного гамильтониана, т.е. в связанном режиме. В момент .t=t< начинается широкополосное нарушение связей и запись сигнала СИ3 в функции

t < — — t-t< (фиг. 3) . Этот эксперимент повторяют для различных значений t„, в результате создается двумерная сигHBJlbHBH функция S = S (t q, tg ) . Затем двумерное преобразование Фурье дает двумерный спектр

I со 17 (М1 4 2 )- с05 (ш т, ). cow (x 8 )»

СС о о х5(t., t ) Д ф.

Двумерный разрешенный спектр 1ЗС для молекулы h-гексана показан на фиг. 4 (параллельно оси ы„ сохраняется полная структура мультиплета, спектр которого приведен на фиг. 2, а по оси ы получается полностью развязанный спектр, приведенный на фиг. 1); На фиг. 1, 2 и 4 обозначены резонансы 1-3 от соответствующих ядер С в молекуле h-гексана. Каждый пик на двумерном отображении соответствует одной мультипле ной о линии спектра (показанной вдоль оси ), смещенной в направлении ш на химический сдвиг соответствующего ядра. Связанный спектр может рассматриваться как проекция двумерного спектра на ось ы„. При полном разрешении развязанного спектра каждый мультиплет оказывается разделенным на двумерном изображении(,фиг. 4).

9806

5

Существует несколько вариантов предлагаемого способа.

В первой модификации чувствительность способа и его разрешающую способность повышают приложением к об5 разцу исследуемого вещества высокочастотного магнитного попя, являющегося реэонансным для. второй группы резонаторов, как например протонов, в течение времени 0 (t < t < с после- 10 дующим наблюдением сигнала резонанса СИ3 в интервале времени (фиг. 4) под влиянием полного гамильтониана, т. е. в режиме полного взаимодействия. Число требуемых экспе- 15 риментов для разрешения всех резонансвв С определяется из выражения

N-4F/й (где и - минимальное разнесение линий в развязанном спектре;

F - общий перекрываемый спектраль- щ ный диапазон). о В другом варианте возбуждение второй группы резонаторов, например протонов, осуществляют до индуцирования каждого из переходных гиромагнитных 25 резонансов первой группы резонаторов, например до подачи первоначального 90 — импульса для " С (фиг. 4).

Предлагаемый. способ может быть реализован с помощью двумерного спектрометра, который содержит контейнер 4 с исследуемым веществом, состоящим из двух групп гиромагнитных резонаторов, имеющих между собой внутреннюю связь. К таким веществам

35 относятся относительно сложные молекулы, такие как биомолекулы, энзимы, пентиды, простеины или вообще сложные органические молекулы. Приемопередающая катушка 5 двумерного спек40 трометра расположена коаксиально и вокруг контейнера 4, наматывается соосно с осью Y декартовой системы и соединена с одномерным спектрометром

6, например, модели CFT-20 фирмы

"Вариан" яли модели SPX 4-100 фирмы

"Брукер".

Контейнер 4 с анализируемым веществом размещается в относительно интенсивном поляризующем магнитном

-ь 50 поле Н, создаваемом между полюсами

7 и 8 электромагнита, Одномерный спектрометр 6 соединен с цифровой ЭВМ 9, например, модели

620/L-100 фирмы "Вариант" с емкостью памяти не менее 12 Кбит через аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 10.

Один из выходов ЭВМ 9 соединен с дисплеем 11, на экране которого по37 6 лучают двумерные спектральные отображения резонансных спектров анализиру» емого вещества.

По линии 12 синхронизации и управления сигналы от ЭВМ 9 подаются на одномерный спектрометр 6. Устройство

13 развязки спинов соединено с ЭВМ 9 через вторую линию 14 синхронизации и управления. Устройство 13 развязки спинов подает высокочастотную энергию на анализируемое вещество с помощью второй передающей катушки 15, расположенной ортогонально приемопередающей катушке 5 и направлению магнитного поля Но.

В случае анализа местоположения ядер "5С в образце устройство 1 1 развязки спинов подает ввсокочастотную энергию на анализируемое вещество в достаточно широкой полосе частот для перекрытия резонансного спектра развязываемых резонаторов. При использовании протонов эта полоса частот составляет несколько тысяч ГеРц.

Электромагнитный источник поля

Йо обычно включает устройство захвата частоты поля или стабилизатор магнитного потока (не показан), ко- торый служит для привязки величины

Но к частоте линии предопределенно.го магнитного резонанса анализируемого вещества.

Двумерный спектрометр работает следующим образом.

Одномернь1й спектрометр 6 подает пачку импульсов высокочастотного магнитного поля через приемо-передающую катушку 5 на анализируемое вещество, находящееся в контейнере 4.

Частота прикладываемого высокочастотного магнитного поля выбирается равной резонансной частоте гидромагнитного- резонанса первой группы гиромагнитных резонаторов, например частоте резонанса для ядер " С в молекуле

h-гексана (фиг. 1).

Интенсивность приложенного высокочастотного магнитного поля выбирается таким образом, чтобы в течение длительности каждого высокочастотного импульса ядерные магнитные моменты наблюдаемых гиромагнитных резонаторов (например, магнитные моменты ядер " С) отклонялись относительно направления магнитного поля Н, т.е. магнитные моменты наблюдаемых резонаторов должны иметь проекцию на плоскость XY приведенной декартовой оси координат. После окончания высо7 9806 кочастотного импульса, например 90 импульса, в момент Го гиромагнитные резонаторы первой группы (ядра С) вступают в область действия резонансного сигнала СИ3 (фиг. 3). В течение времени t> магнитные моменты первой группы резонаторов (ядра "ЗС) совершают свободное индуцированное затуха-. ние при -взаимодействии их магнитных моментов с магнитными моментами ядер 1о второй группы резонаторов (протонов).

В течение этого периода мультиплетные структуры ядер Г С перекрываются (фиг. 2-4). Чтобы повысить разрешающую способность устройства, т. е. 15 произвести разделение мультиплетной структуры ядер (фиг. 2) и идентифицировать с каждым соответствующим местом ядер эС или с развязанными резонансными линиями 1, 2 и 3 (Фиг. 1) щв после момента t включают устройство

13 развязки спинов и производят выборку сигнала СИ3 с помощью АЦП 10, осуществляемую через равные интервалы времени, например, 0,5 мс, а ко- 25 личество выборок равно N за время (фиг. 3). Устройство 13 развязки спинов прикладывает к анализируемому веществу относительно широкую полосу энергии для возбуждения резо- gp нанса спектральных линий протонов, осуществляя тем самым спиновую развязку протонов от анализируемых ядер 1 С. Эксперимент проводят для

m различных, но одинаково разнесен35 ных значений t причем в течение интервал t производится выборка

N значений для каждого случая. Данные последовательных экспериментов, соответствующих различным значениям накапливаются в последовательных столбцах матрицы, показанных в таблице.

so, сложных молекул при увеличенной раз решающей способность. что позволяет

Формула изобретения

Максимальное число выборок, представляющее двумерное отображение спектральных данных, ограничено име щимся объемом памяти ЭВМ 9. Данные таблицы преобразуются с помощью двумерного преобразования Фурье для получения двумерного спектрального отображения с гя/2 н М/2 выборками. Чтобы обеспечить применение вычислительной программы быстрого преобразования

Фурье в ЭВМ 9, m u N выбираются степенями числа 2. В примере, показанном на фиг. 4, m стремится к N.

Метод, который требует всего N (N + 2) ячеек памяти, но создает двумерное отображение N<> заключается в следующем.

М сигналов СИ3, состоящие из N выборок, накапливаются в памяти ЭВМ

9, Для выполнения первого преобразования Фурье N выборки, представляющие свободное индуцированное затухание

K1tSK0 SKg к N 46 передаютс в отдельный блок памяти и пополняются

М нулевыми значениями tS„, S K,..., S<(> „ ц ) преобразование Фурье состоит тогда из М комплексных значений, сохраняя лишь реальные части tRКд, R<<,..., R< 11, которые запоминаются в ячейках первоначального сигнала

СИ3. После преобразования всех сигналов СИ3 матрица (Кц ) транспортируется, (п1 -) (Р1 ), и каждый столбец, дополненный нулевыми значениями, преобразуется по Фурье второй раз.

Абсолютные значения Н комплексных

2 коэффициентов Фурье используются далее для построения двумернои спектрограммы, представленной на Фиг. 4.

Отбрасывание мнимой части после первого преобразования Фурье не вызывает потери информации и не ухудшает чувствительность способа.

В приведенном примере число выборок N взято равным 64. Это дает общее число значений выборок 4096 .

На фиг. 6 приведена программа для

ЭВМ 9 для управления одномерным спектрометром 6 и для сбора и обработки резонансных спектральных данных с отображением в виде двумерной спектрограммы, приведенной на фиг. 4

Предлагаемый способ позволяет получать двумерную спектроскопию получать наглядные спектроскопические данные.

1. Способ двумерной спектроскопии гиромагнитного резонанса, основанный

98063 на индуцировании множества переходных гиромагнитных оезонансов для первой группы гиромагнитных резонаторов, имеющих внутреннюю связь с второй группой гиромагнитных резо- 5 наторов исследуемого вещества, о тл и ч а ю шийся тем, что, с целью увеличения разрешающий способности при спектроскопии сложных веществ, при разделении мультиплетных структур спектра периодически в течение части каждого из переходных гиромагнитных резонансов нарушают взаимодействие резонансов. обеих групп резонаторов наложением развязывающего высокочастотного магнитноГо поля, изменяют длительность нарушенного и связанного периодов переходных резонансов для первой группы резонаторов, определяют индуцированное множество 2О переходных гиромагнитных резонансов для первой группы резонаторов в функции изменения длительности нарушенного и связанного периодов переходных резонансов для первой группы резона- 5 торов и получают упрощенные спектральные данные гиромагнитного резонанса.

2. Способ по и. 1, о т л и ч а— ю шийся тем, что, в качестве Зо

7 . 10 развязывающего высокочастотного магнитного поля используют резонансное магнитное поле для возбуждения гиромагнитных резонансов второй группы резонаторов.

3. Способ по пп..l- и 2, о т л ич а ю шийся тем, что возбуждение резонансов второй группы резонаторов осуществляют до индуцирования каждого из переходных гиромагнитных резонансов первой группы резонаторов, а при наличии двух резонансных частот для резонансов первой группы резонаторов осуществляют обнаружение свободно индуцируемых затухающих переход ных резонансов первой группы резонаторов, имеющих первую резонансную частоту.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Ernst R. R. Nuclear Magnetic

Double Resonance with an 3ncoherent

Radio-Frequency Field. - "J. Chemical

Phys cs", 1966, v 45, и 10, р. 38453861.

2. Farrar Т. С,, Seeker Е. О.

Pulse and Fourier Transform NMR

jntroduction to Theory and Methods.

Й.3 Academiс Press 1971, ch. 3 (прототип).