核磁共振采集參數與后處理
核磁共振實驗根據觀測核的種類和實驗目的的不同選擇不同的脈沖程序(pulprog),設置不同的實驗參數。
采樣時間(acquisition time,AQT),即每次脈沖激發后,信號接收器的采集時間。核磁共振實驗檢測得到的是時間域信號,這個信號稱為自由感應衰減(FID)信號。FID 信號經過傅里葉變換才能轉換成頻域信號。若 AQT 小于信號完全衰減成噪聲的時間,FID 將被截尾(truncation),導致譜線畸變;若 AQT 大于信號完全衰減成噪聲的時間,則會因為采集到更多的噪聲而使信噪比降低,并且延長實驗時間。合適的采樣時間可以保證 FID 信號能夠衰減完全,從而提高分辨率。
時間域(time domain,TD)是指采集自由感應衰減(FID)信號文件的采樣點數。TD 直接關系到所得譜圖的分辨率,其數值一般為k的整數倍,如16k、32k等。若 TD 過小,會引起峰截尾,即峰變鈍,分辨率下降;若 TD 過大,除改變數字分辨率以外并無實際意義。
譜寬(sweep width,SW),即觀測核共振頻率掃描的寬度。SW 要能覆蓋需檢測的頻率區間,應包含所有譜線,一般以比覆蓋所有譜線的區域寬約20%為宜。若 SW 設定過小而致使信號處于所選的范圍之外,則會引起峰折回現象(fold back),并且相位也會發生畸變,從而導致與其他信號產生混淆;若 SW 太寬,則會采集過多有效信號以外的噪聲而浪費數據點,導致分辨率的下降,并且可能因射頻(RF)場不均勻而引起單位質子峰面積的不一致。TD、SW 與 AQT 三者之間存在這樣的關系:AQT=TD/(2SW)。TD 在保證分辨率的同時,不宜過大,以免浪費采集時間。
激發偏置(transmitter frequency offset,TFO)以保證譜圖位于譜寬的正中央為宜,至少不要偏離中心頻率太遠,只有把譜圖置于中心位置時才能減小譜寬,從而提高數字分辨率。在射頻場比較均勻的情況下,發射偏置對積分面積的影響不大。此外,脈沖程序為溶劑壓制程序時,TFO 為所欲壓制峰的共振頻率。此時 TFO 設置尤為重要,以避免錯誤的峰壓制。
掃描次數(number of scans,NS),即重復采樣的次數。NS 過小會造成數據重現性差。NS 較大會使譜圖穩定、重現性好,并且能提高信噪比,使譜線更加平滑,但同時也會延長實驗時間。一般 NS 取2的整數次冪。NS 的開方與信噪比成正比關系,一般樣本摩爾濃度不足時,可采取增加 NS 的方法獲取更好的信噪比。
信噪比(signal to noise ratio,S/N),即譜圖關注信號與噪聲的比值。S/N 與諸多因素有關,如觀測核的種類、儀器的頻率、探頭的構造、樣品的濃度、采集溫度、掃描次數等。一般定量試驗中 S/N 比較重要,其應滿足至少150以上,以保證積分定量結果的準確。
弛豫過程是核磁共振現象發生后得以保持的必要條件。因此,實驗中應選取合適的弛豫延遲時間(pre-scan delay,D1),保證譜峰強度不會被飽和,這樣才有利于對譜峰進行正確的積分,得到正確的結果。在定量實驗中,D1設置尤為重要,其直接關系到定量原子核是否能夠完全弛豫,直接決定定量結果的準確性。D1 設置宜同時考慮激發脈沖的角度(P1)與觀測核的縱向弛豫時間(T1)。若P1為30°,D1 應滿足大于7/3T1;若 P1 為90°,D1 應滿足大于5T1。若 D1 過小,則引起定量失真;若 D1 過大,則會不必要地延長實驗時間。一般分步長設置 D1 值累計多次實驗,按照 D1 從小到大進行采樣,然后對選擇的被測樣品和內標物的定量特征峰進行積分,選擇二者的積分面積比不再明顯變化的 D1 值。
激發脈沖寬度(pulse width,P1),即激發脈沖的長度或稱激發脈沖角度。一般 P1采用30°或90°激發脈沖寬度。 P1必須設置恰當,不可超過或接近信號達到飽和的數值。若 P1過大,弛豫就難以在短時間內恢復到平衡狀態,這將引起信號的減弱或 D1過長。一般實驗以30° 的 P1為宜。
預飽和脈沖寬度(power level for presaturation,PLP)即溶劑峰預飽和壓制的強度。其在溶劑壓制脈沖中應用,如 zgpr 等。在溶劑壓制試驗中,PLP 設定較為重要,若其壓制脈沖過小則達不到溶劑峰壓制的目的;若過大則引起激發偏置附近無關信號的壓制,損失原始譜圖的信息量。一般 PLP 設定宜逐步長設定變化值,選取適當的壓制強度。
FID 文件經傅里葉轉化后,需仔細調整相位,使峰形左右對稱,成正態分布的標準吸收型峰形,減少色散型信號對積分結果的影響。譜圖基線最好在全部質子化學位移范圍內成水平直線,積分時應進行基線校正,積分曲線兩端應水平。初步處理完的圖譜,以溶劑峰或內標峰化學位移進行校正,然后對關注共振信號依次標注其化學位移,以供解析。積分峰面積時一般選擇關注共振信號起始手動積分即可,通過積分面積可知原子核的數目。在定量試驗中,以上處理過程直接影響定量結果的準確度,必須嚴格操作。其中峰面積積分的確定尤為關鍵。界定峰積分面積直接影響準確性與重現性;應將信號放大,取峰形輪廓線與基線重合處為其起、止點,且每一組峰的積分范圍要固定,這樣才能使積分面積重現性良好。