主题：【第二届原创参赛】NMR 基本培训内容_dg 页面参数介绍_1

NMR 基本培训内容_dg 页面参数介绍_1

核磁共振操作培训, 除了介绍锁场匀场与基本检测外, 还应该跟学生讲解一些参数, 以帮助对检测设定的了解, 能达到随机应变灵活应用的境界. 以下是我们学校对 Varian 谱仪一些基本参数的讲习内容. 这些比较重要的参数都集中在 dg (display group of parameters) 页面上 (下图). Bruker 与 Jeol 谱仪的参数缩写可能不同, 但是基本原理都一样.



(1) sfrq / tn
sfrq (spectral frequency): 199.953
检测频率 199.953 (MHz), 相当于平时所称的 200 兆 (核磁). 这个数值是工程师在仪器生场时调整电流 (约 42 安培) 获得磁场强度, 配合氢谱匀场微调得到的平衡数值, 不一定非得完美的 200.000.

tn (transmit nucleus): H1
检测核素 (传导核) H1; 配合上述频率 199.953, 确定是检测氢谱.
不同的核素的 sfrq 值不同, 常需要 tn 确定所检测的核素.
例如 sfrq 为 188 (或 50), tn 显示为 F19 (或 C13), 表示是用 200 兆谱仪 (谱仪兆数的定义以氢谱为主) 来检测氟谱 (或碳谱).


(2) sw / tof
sw (spectral width): 3003.0
谱宽 (单位为 Hz) 现设定约 3000 Hz, 相当于检测 15 ppm 范围 (3000 Hz / 200 MHz = 15 ppm).
对于氢谱, 15 ppm 已经足够. 若过度增大 (例如 30 ppm) 容易导致信号失真.
如果样品结构特殊, 有化学位移特别高场或低场的信号峰, 才考虑增加 sw 值, 但也需要调整发射机位置 ( tof 值) 拟定正确范围.

tof (transmit offset): 351.0
发射机的位置, 一般设定在氢谱的中间频率处.
正确的设定值使氢谱检测范围明确在 14.5 ppm – -0.5 ppm  (共 15 ppm 范围, 入下图所示).


如果没有定好 tof 值, 检测范围将产生偏移. 例如同样检测 15 ppm 谱宽范围, 检测的结果可能落到 20 – 5 ppm 之间, 产生掐头或去尾的偏移现象.
可以尝试更改 tof 值 (例如输入 tof=100 或 tof=500), 了解发射机位置对检测范围的影响.

其实 tof 值可以由以下操作自动获得: 在足够谱宽的谱图中, 调出两红线定出 15 ppm 的范围, 点 <Expand>, 然后输入 movesw. 此时, 便会同时给出 sw (15 ppm) 与 tof 值 (在氢谱中间频率), 扫描 ga 后将此二值固定下来.


(3). at / pw / d1
此三者的相对关系可以从脉冲序列上了解.
输入 dps (display pulse sequence) 得到脉冲序列 (下图).

at (acquisition time): 1.9996
at 出现在脉冲 pw 后面, 是检测收集信号变化的时间.
at 设置为 2 秒, 是由 fid 信号的衰变长度判断. 输入 df 可以得到 fid 衰变图 (下图).

上图全长为 at=2.
如果 at 值太小 (例如 0.5, 在 1/4 处), 可以看出 fid 信号没有结束, 将导致信号失真.
如果 at 值太大 (例如 10.0, 五倍长距离), 此时已经没有信号, 检测得到的反而是噪音, 而且还浪费时间.
合理的 at 值一般定在 fid 信号将近结束 (1.5, 约 2/3 处) 再延长一小段时间. 这一小段隐藏微量信号, 称为零填充 (zero filling), 有某种物理涵义.

pw (pulse width): 4.2
脉冲宽度, 定为 4.2 微秒.
从脉冲序列图以及英文名称观点, 或许应该翻译成脉冲宽度; 但在很多场合都说成脉冲角度, 例如 90 度脉冲 (pw90). 利用三维座标理解脉冲角度 (进动角和 Z 轴的夹角), 也很传神具体.
但是, pw 的单位反而是时间, 不是长度或角度单位. 这有些类似光年代表距离而不是时间的情况.

脉冲角度的概念指: 原子核在强磁场下吸收无线电波脉冲, 粒子激发后产生磁矩进动变化, 进动与 Z 轴的夹角就是脉冲角度 (一般定义, 将原子核的静磁矩定为 Z 轴, 脉冲发射来自 X 轴, 检测器在 Y 轴).
参数 pw=4.2, 代表从 X 轴发生脉冲后, 导致原子核磁矩向 Y 轴倾倒, 与 Z 的夹角约 45 度 (假设 pw90 约 8.4 微秒). 控制脉冲时间, 可以改变夹角. 夹角为 90 度时 (即 pw=pw90), 即磁矩矢量和 Y 轴重叠, 此时的数值最大 (因为检测器在 Y 轴).

对于一维谱检测, pw 值不是很重要, 可以设定 20-70 脉冲角度 (平时设定约 45 度), 这些角度在 Y 轴的投影都不为 0, 其强度可以由检测次数 (傅立叶增强) 弥补. 平时不设定为 90 度, 因为怕距离太长, 导致一些弛豫长的原子核积分偏低 (见下述的 d1). 检测杂核需要峰强度, 以及二维谱涉及回波现象与重叠效应, 这些情况才特别需要强调使用 pw90 值 (即 pw=pw90).
Pw90 的检测涉及几十个 pw 值检测判断峰的 sine 波形, 由节点 (无信号) 判断 pw90 (峰最高) 值. 详细步骤未来再讨论.

d1 (relaxation delay): 1.000
检测延迟时间: 1 秒.

从上面的脉冲序列图了解原子核受脉冲激发-fid 衰变检测-放出能量返回基态的过程: 众原子核 (例如乙基苯, 含有多种不同氢核, 每种又有无数原子核 (1 mole 为 6 x 10²³ 粒子) 在强磁场下吸收无线电波, 从 X 轴发出的脉冲信号导致原子核激发, 磁矩矢量的进动角度约 45 度, 然后逐渐放出能量回到 Z 轴, 在 Y 轴的检测器接收信号释放的情况. 检测 2 秒时间, 然后整体休息 1 秒, 之后 X 轴再次发出脉冲, 重复检测-休息-脉冲激发, 达到 nt 所设定的次数.

d1 是检测延迟时间, 不是弛豫 (T1 才是弛豫), 这是一般学生容易混乱的参数. 其值一般设定在最大 T1 值的 5 倍以上, 以确保可以让所有的原子核都回到原点休息.
考虑增长 d1 的情况: 检测氢谱时某信号峰的积分值偏低 (例如醛基, 出现在 9.8 ppm, 积分应该是 1.00, 可能只显示 0.82), 或检测碳谱时季碳信号峰没有出现.

d1 值对信号峰灵敏度 (积分值) 的影响可以从下面例子了解:
检测灵敏度的大小可以想像成砂包的搬运情况, 如果没有完全搬运, 信号强度 (积分) 将变低. 想像一组人从起跑线搬运砂包到到终点. 枪声响后 (脉冲激发), 大家提起砂包送到终点, 然后跑回原点, 等待下一次枪响再搬运新砂包到终点. 有些胖子跑得慢, 在一定时间内没能跑回, 导致无法传送新砂包, 因此该信号灵敏度降低, 积分值变小.

对上述例子, 要增加信号灵敏度 (或积分精确), 可以考虑增加休息时间 (d1=1, 必要的话再增大), 让胖子也能跑回到原点, 然后再次枪响时能取走砂包. 如果不改变 d1, 另一个方法就是减少运送距离. 例如将 100 米改成 10 米, 则胖子在 20 秒内都能跑回原点. 改变距离即缩小 pw 值, 将原来的 45 度缩小为 30 度或更小值.


(4) nt / ct
nt (number of transmit): 16
检测次数. 一般氢谱默认 16 次. 如果样品的溶解度差, 可以增加为 32 或 128 次. 早期强调尽量维持 4 的倍数, 借由相循环的抵消效应防止鬼峰的产生. 近来由于梯度场的引进, 不再强调相循环的倍数限制.

ct (completion of transmit): 200
实际完成的检测次数
例如检测碳谱初设定扫描 10000 次 (nt=10000) (碳谱可以设定久一些, 因为谱图满意后可以输入 aa 随时停止), 但最后停止在 220 次, 结束后会 220 会显示在 ct 栏中.
完成的 ct 值配合谱图效果, 可以作为 DEPT 检测参数以及未来重新配样浓度的参考.


(5) ss / bs
ss (steady state): 0
Varian 的 ss 直译为稳定状态, 具有理化学术气息; 此参数在 Bruker 谱仪称作 dummy scan (假扫描, ds), 也十分传神. 如果从体育运动观点, 相当于热身运动. 意思是前面几次的扫描 (脉冲激发-磁矩回复) 不列入记录, 状况好后才真正开始.
如果想要获得较精确的检测与积分, 可以酌量设定此值为 4 或 8.
ss 在一些二维谱检测时会使用到.

bs (block size): 4
扫描期间更新谱图, 所需要的扫描次数.
对于氢谱, 仪器的默认值为 16; 对于碳谱, 默认值为 32 (即每扫描 32 次, 得到最新谱图结果).
对于氢谱的 bs值, 郑重建议改为 4 (bs=4). 如此扫描满 4 后便可开始进行谱图处理, 否则得等待近半分钟直到 16 次扫描结束, 仪器才能响应处理谱图.
一般建议用来填写样品的名字. 由于现今学生的打字速度极快, 命名完还有很长时间.

调试匀场后检视效果, 一般都是先扫描一次 (nt=1, ga), 看 TMS 的峰形, 不满意重新匀场, 满意则 nt=16 进行检测. 比较灵活的学生可以将 bs 改成 2 或 1, 维持 nt=16, 扫描完成1-2 次经检视, 如果满意顺便就继续检测下去, 可以节省一些时间. 如果 TMS 峰形不满意, 输入 aa 重新调匀场.

由以上诸多例子, 可以看出如果能充分了解参数的定义, 将有助于检测的设计的灵活性.