一种适用于化合物分子基团或共混物组分比例的定量分析方法与流程

本发明涉及大型分析仪器的测试方法
技术领域：
，尤其涉及适用于化合物分子基团或共混物组分比例的定量分析方法。
背景技术：
：1962年Hartmann和Hahn发现了交叉极化现象(CP)，脉冲序列如图1(a)所示。与传统的一维直接激发实验(DP)相比，一维CP技术的主要优势有两点：1)大大缩减了实验所需的时间；2)相同累加次数下，CP谱图的信噪比最高可提升至四倍。然而，CP技术并不具有定量性，这大大限制了CP在化学、材料、土壤及矿物等领域的应用范围。目前，固体核磁共振的定量表征方法是DP实验。该方法的定量结果可靠、准确，实验成功的关键是每次采集信号前的弛豫恢复时间D需要满足D≧5T1，其中T1为样品体系中S原子核(13C、29Si等)的自旋晶格弛豫时间。然而，多数样品体系的S核T1很长，一般是几分钟甚至几十分钟。当一个实验需要累加上千次甚至更多时，就需要花费十几小时到数周的时间，这大大降低了DP定量测试的可行性。为了解决DP方法在定量测试中耗时长的问题，核磁工作者们提出了多种基于CP技术的定量方法，希望可以在较短的实验时间内完成样品体系中S核的定量表征。例如2005年张莉莉等人提出的SD-CP-MAS法，2006年侯广进等人提出的QUCP法；其中，SD-CP-MAS法用于定量测量多相体系中相成分的含量，而QUCP法主要适用于13C同位素富集的均相体系的定量表征。因此，上述两种方法作为固体核磁的定量表征技术并不具有普适性。2008年，舒婕等人提出了基于交叉极化互易定理的QCP/QCPRC法，实验证明该方法可以实现对包含混合物在内的多数样品体系的13C和29Si的定量表征；如图1(a)、(b)，分别为QCP/QCPRC法所需要使用的实验脉冲序列CP和CDP序列；实验需采集一张交叉极化接触时间为τ的CP谱图和两张接触时间分别为0和τ的CDP谱图，并通过简单的数学计算获取谱峰积分的定量信息。目前，QCP/QCPRC法存在的不足之处主要有两点：(1)该方法不适用于高速魔角旋转的实验条件；(2)CDP实验中，S原子核一直处于自旋锁定状态，对于I的自旋-自旋弛豫时间T2I较长的样品，S的自旋锁定时间也需相应延长，这一方面使S信号通过T1ρ作用部分的损失，降低了信噪比；另一方面提高了实验占空比，容易对探头的电子元件造成损伤。技术实现要素：本发明解决的技术问题在于提供一种适用于化合物分子基团或共混物组分比例的定量分析方法，本申请提供的定量分析方法能够检测出有机物中分子基团的比例，还能检测出混合物中各种有机物的比例。本申请提供了一种适用于化合物分子基团或共混物组分比例的定量分析方法，包括以下步骤：A)，将样品放置于固体核磁共振波谱仪中，采集一张样品S基团的交叉极化接触时间为τ的rCP谱图和两张交叉极化接触时间分别为0和τ的rCDPz谱图，分别对三张谱图均进行傅里叶变换、相位矫正和基线矫正，并对三张谱图的S基团谱峰进行积分，得到S基团的IrCP(τ)、IrCDPz(0)和IrCDPz(τ)；所述固体核磁共振波谱仪检测的原子核包括29Si-1H、13C-1H、13C-19F或29Si-19F；B)，根据公式rCDPz(τ)＝IrCDPz(τ)/IrCDPz(0)，得到S基团的交叉去极化效率rCDPz(τ)；根据公式rCP(τ)+rCDPz(τ)＝1，得到S基团的交叉极化效率rCP(τ)；C)，根据公式IrQCPzS＝ICP(τ)/rCP(τ)，得到S基团的交叉极化谱峰的定量积分值IrQCPzS，得到化合物中分子基团或共混物组分的比例；所述S为13C或29Si。优选的，所述rCP谱图的交叉极化脉冲为ramp形状脉冲，所述rCDPz谱图的脉冲序列的两次交叉极化过程之间S通道上为两个时间间隔为td的90度脉冲，且交叉极化脉冲为ramp形状脉冲。优选的，所述化合物为13C-1H体系的化合物时，所述rCDPz谱图的脉冲序列的两次交叉极化过程之间的13C通道上为两个时间间隔为td的90°脉冲，且交叉极化脉冲为ramp形状脉冲。优选的，所述化合物为13C-1H体系的化合物时，所述rCP谱图与rCDpz谱图的脉冲序列的1H的90°脉冲宽度为3.2μs，功率为78kHz；13C的90°脉冲宽度为3.2μs，功率为78kHz。优选的，所述化合物为13C-1H体系的化合物时，在所述rCP谱图与所述rCDPz谱图中，每次采样前的弛豫等待时间为3～5s。优选的，所述rCDPz谱图的脉冲序列的tp为200～3000μs，td为2～100ms，tcp为100～500μs。本申请提供了一种适用于化合物分子基团或共混物组分比例的定量分析方法，包括以下步骤：A)采集一张交叉极化接触时间为τ的rCP谱图和两张接触时间分别为0和τ的rCDPz谱图，分别对三张谱图进行傅里叶变换、相位矫正和基线矫正，并对三张谱图的S基团谱峰进行积分，得到IrCP(τ)、IrCDPz(0)和IrCDPz(τ)；B)根据公式rCDPz(τ)＝IrCDPz(τ)/IrCDPz(0)，得到交叉去极化效率rCDPz(τ)；根据公式rCP(τ)+rCDPz(τ)＝1，得到交叉极化效率rCP(τ)；C)根据公式IrQCPzS＝IrCP(τ)/rCP(τ)，得到交叉极化谱峰的定量积分值IrQCPzS。本申请提供的方法可以省时准确的检测出13C-1H系、13C-19F系、29Si-1H系或29Si-19F系有机物中13C基团或29Si基团的比例以及13C-1H系、13C-19F系、29Si-1H系或29Si-19F系有机物共混物中的各组分的比例关系，尤其适用于高速魔角旋转的实验条件，且在降低交叉去极化试验信号损失的同时，适用于T2I较长的样品体系。因此，本申请提供的方法在多种实验条件和样品体系范围内的通用性更强。附图说明图1为交叉极化(CP)实验脉冲序列示意图与交叉去极化(CDP)实验脉冲序列示意图；图2为适用于高速魔角旋转条件的交叉极化(rCP)实验脉冲序列图与rCDPz实验脉冲序列示意图；图3为丙氨酸和组氨酸的分子化学结构示意图以及丙氨酸、组氨酸和二者共混物的13C核磁共振谱，谱峰的指认参见化学结构示意图中的标注；图4为丙氨酸的rCP(t)、rCDPz(t)和sum(t)曲线图；图5为组氨酸的rCP(t)、rCDPz(t)和sum(t)曲线图。具体实施方式为了进一步理解本发明，下面结合实施例对本发明优选实施方案进行描述，但是应当理解，这些描述只是为进一步说明本发明的特征和优点，而不是对本发明权利要求的限制。本发明实施例公开了一种适用于化合物分子基团或共混物组分比例的定量分析方法，包括以下步骤：A)，将样品放置于固体核磁共振波谱仪中，采集一张样品S基团的交叉极化接触时间为τ的rCP谱图和两张交叉极化接触时间分别为0和τ的rCDPz谱图，分别对三张谱图进行傅里叶变换、相位矫正和基线矫正，并对三张谱图的S基团谱峰进行积分，得到S基团的IrCP(τ)、IrCDPz(0)和IrCDPz(τ)；所述固体核磁共振波谱仪检测的原子核包括29Si-1H、13C-1H、13C-19F或29Si-19F；B)，根据公式rCDPz(τ)＝IrCDPz(τ)/IrCDPz(0)，得到S基团的交叉去极化效率rCDPz(τ)；根据公式rCP(τ)+rCDPz(τ)＝1，得到S基团的交叉极化效率rCP(τ)；C)，根据公式IrQCPzS＝IrCP(τ)/rCP(τ)，得到S基团的交叉极化谱峰的定量积分值IrQCPzS，得到化合物中分子基团或共混物组份的比例；所述S为13C或29Si。本申请提供的定量检测方法可称为rQCPz法，该方法与QCP方法类似，主要的不同之处在于谱图采集时，rQCPz所采用的实验脉冲序列为rCP和rCDPz，而QCP/QCPRC采用的实验脉冲序列为CP和CDP，本申请的实验脉冲序列具体如图2所示。本申请的rCP技术将原QCP方法所使用的CP的脉冲序列中S的矩形交叉极化脉冲更换为ramp形状脉冲；本申请的rCDPz技术针对现有CDP技术的脉冲序列发生了变化，将两次交叉极化过程之间的13C自旋锁定脉冲改为了两个时间间隔为td的90度脉冲，同时将CDP谱图的脉冲序列中S的矩形交叉极化脉冲更改为了ramp形状脉冲。本申请rCP谱图的脉冲序列与rCDPz谱图的脉冲序列的改变具有以下优点：首先，原有的CDP技术中，锁定在B1方向上的S信号损失主要源于旋转坐标系下的自旋晶格弛豫时间，即S的T1ρ作用，一般为数毫秒到数百毫秒，而rCDPz技术中，S信号被锁定在B0方向上，信号的损失主要源于自旋晶格弛豫时间，即S的T1作用，一般为数秒到数百秒，甚至更长。因此，在一定的td时间内，rCDPz中S信号由于弛豫作用而产生的信号损失更小，谱图的信噪比更高，测量结果更准确；另外，对于I的自旋自旋弛豫时间(T2I)较长的样品，Td的时间需要延长，一般≥5*T2I，而对于CDP技术，长时的Td意味着长时的B1场自旋锁定，这提高了实验占空比，容易对仪器探头的元件造成损伤；而rCDPz技术中，Td的延长仅仅是等待时间的延长，对仪器的硬件没有影响；最后，使用ramp脉冲的交叉极化过程，可以减小高速魔角旋转速率对交叉极化Hartman-Hahn匹配条件的调制。因此，与QCP/QCPRC法相比，使用rCDPz技术的rQCPz方法一方面可以适用于高速魔角旋转的实验条件；另一方面，在降低交叉去极化实验信号损失的同时，适用于T2I较长的样品体系。因此，rQCPz方法在多种实验条件和样品体系范围内的通用性更强。由上述可知，正是由于脉冲序列的改变，而得到了rCP技术与rCDPz技术，进而使本申请提供的方法可定量分析检测13C-1H、29Si-1H、13C-19F或29Si-19F有机物中的含碳基团、含硅基团或混合物中的有机物的比例。按照本发明，将样品放置于固体核磁共振波谱仪中，样品以13C-1H系有机物为例，采集一张交叉极化接触时间为τ的13CrCP谱图和两张交叉极化接触时间分别为0和τ的13CrCDPz谱图，并对谱图进行傅里叶变化、相位矫正和基线矫正，并对谱图中的13C谱峰进行积分，得到IrCP(τ)、IrCDPz(0)和IrCDPz(τ)。在采集的过程中，所述rCP与rCDPz的脉冲序列中1H的90°脉冲宽度为3.2μs，功率为78kHz；13C的90°脉冲宽度为3.2μs，功率为78kHz；所述rCDPz谱图的脉冲序列的tp为200～3000μs，td为2～100ms，tcp为100～500μs；每次采样前的弛豫等待时间为5s；上述参数的设定可以按照本领域技术人员熟知的方式进行设定，根据具体情形进行设定，在本申请实施例中，脉冲序列的参数设定如上所述。具体的采集样品以丙氨酸为例，按照上述方法，在交叉极化接触时间(tcp)为τ时，采集一张13CrCP(τ)谱图，并对谱图中的C＝O、CH和CH3的13C谱峰进行积分，同时在交叉极化接触时间为0和τ时，采集13CrCDPz(0)谱图和13CrCDPz(τ)谱图，并分别对谱图中的C＝O、CH和CH3的13C谱峰进行积分。在得到上述积分值后，根据公式rCDPz(τ)＝IrCDPz(τ)/IrCDPz(0)，得到交叉去极化效率rCDPz(τ)；同样根据公式rCP(τ)+rCDPz(τ)＝1，得到交叉极化效率rCP(τ)＝1-rCDPz(τ)。在得到交叉极化效率rCP(τ)后，最后根据公式IrQCPzS＝IrCP(τ)/rCP(τ)，得到交叉极化谱峰的定量积分值，由此得到13C-1H系有机物含量的定量检测。在具体实施例中，以分别检测丙氨酸、组氨酸中的含13C基团的含量与丙氨酸/组氨酸共混比例为例，在检测丙氨酸中13C基团的实施例中，可以检测到丙氨酸中C＝O、CH和CH3的比例关系，在检测组氨酸中C基团的实施例中，可以检测到组氨酸中Ca、Cf、Cd、Ce、Cb和Cc(每个13C位点的标注参见图3的化学结构示意图)的比例关系，在检测丙氨酸与组氨酸共混物的比例关系的实施例中，以丙氨酸的CO谱峰和组氨酸的CH3谱峰为积分对象，最终得到各自的IrQCPzS，最后对其进行比例，即得到丙氨酸与组氨酸的摩尔比。为了进一步理解本发明，下面结合实施例对本发明提供的13C-1H体系有机物含量的定量检测方法进行详细说明，本发明的保护范围不受以下实施例的限制。实施例1互易关系的验证rQCPz方法的定量原理是基于交叉极化效率rCP(t)与交叉去极化效率rCDPz(t)的互易关系。因此，rQCPz方法成功的关键是考察rCP(t)与rCDPz(t)之间是否满足互易关系。基于此，本实施例首先使用rCP和rCDPz序列通过改变tcp采集了一系列丙氨酸13C谱，然后分别对丙氨酸的三个13C谱峰积分的积分值进行归一化处理，具体方法如下：(1)将tcp＝0μs的13CrCDPz谱峰积分值定为1，从而对一系列不同tcp的13CrCDPz谱峰积分值进行归一化，归一化处理后的积分值也就是实验所测得的rCDPz(t)，其中t＝tcp；(2)设定tcp＝100μs时，rCP(100)+rCDPz(100)＝1，即rCP(100)＝1-rCDPz(100)，以rCP(100)的数值为参比，对其余13CrCP谱的谱峰积分值进行归一化处理，得到rCP(t)。将rCP(t)和rCDPz(t)对tcp作图，如图4所示，由图4可以看出，三种13C原子核的rCP(t)和rCDPz(t)曲线沿y＝0.5的直线对称，且sum(t)＝rCP(t)+rCDPz(t)基本与y＝1的直线吻合，即rCP(t)和rCDPz(t)满足互易关系。其中C＝O碳的rCDPz谱信噪比较低，因而rCDPz(t)曲线出现震荡，并导致sum(t)与y＝1吻合度不高。此外，CH的sum(t)随接触时间的增加有降低的趋势，这主要是由于CH附近氢原子核的T1ρ弛豫作用引起的。因此，在保证谱图良好信噪比的前提下。尽可能将tcp即上述的τ设置的短一些，一般在100us到500us之间。同时还考察了化学结构较复杂的组氨酸体系，如图5为组氨酸样品中六种13C谱峰的rCP(t)和rCDPz(t)实验数据及sum(t)＝rCP(t)+rCDPz(t)。同样，六种13C原子核的rCP(t)和rCDPz(t)曲线沿y＝0.5的对称，且sum(t)基本与y＝1的直线吻合。由于组氨酸体系中氢原子核的T1ρ弛豫时间较长，因此，sum(t)与y＝1直线的吻合度较高。需要特别指出的是COOH碳的rCDPz谱信噪比较低，因而rCDPz(t)曲线出现震荡，并导致sum(t)与y＝1吻合度不高。由上述实验工作可见，rCP(t)和rCDPz(t)之间的互易关系成立，rQCPz方法理论上可行。实施例2丙氨酸分子基团rQCPz定量实验及数据处理具体流程如下：(a)丙氨酸结构式如图3中所示，首先将丙氨酸固体粉末装入固体核磁样品管中并放置于探头内，调取rCP脉冲序列程序文件，本实施例的脉冲序列具有如图2所示的形状，设置tcp为100μs，魔角旋转速率为10kHz，然后对丙氨酸分子基团的13C信号进行采集，选取tcp＝100μs，采集一张13CrCP(100)谱图，并对谱图中的C＝O、CH和CH3的13C谱峰进行积分，相对积分值ICP(100)分别为0.162、1和0.644；(b)调取rCDPz脉冲序列程序文件，本实施例的脉冲序列具有如图2所示的形状，设定tp为1000μs，td为10ms，选定tcp＝0和100μs，采集13CrCDPz(0)和13CrCDPz(100)谱图，并对谱图中的C＝O、CH和CH3的13C谱峰进行积分，13CrCDP(0)谱中三个谱峰的积分值IrCDPz(0)分别为0.696、0.760和1；13CrCDPz(100)谱中三个谱峰的积分值IrCDPz(100)分别为0.631、0.324和0.645；(c)依据公式rCDPz(100)＝IrCDPz(100)/IrCDPz(0)，其中τ＝100μs，可得C＝O、CH和CH3的13C谱峰的rCDPz(100)为0.907、0.426和0.645；(d)依据交叉极化互易定理可知，rCP(100)＝1-rCDPz(100)，即C＝O、CH和CH3的13C谱峰的rCP(100)为0.093、0.574和0.355。(e)依据公式IrQCPzS＝IrCP(100)/rCP(100)将rCP(100)的积分值进行校正，C＝O、CH和CH3的IrQCPzS分别为1.742、1.742和1.814，归一化处理后为0.986、0.986和1.027；与理论积分比值1:1:1相比较，误差仅为±0.027。表1本发明实施例2对丙氨酸分子基团进行定量表征的相关数据及实验时间数据表定量方法COCHCH3百分误差实验时间/hCP0.271.661.07±73％0.08DP0.990.961.05±5％10.67rQCPz0.990.991.03±3％0.25理论值111----实施例3组氨酸分子基团rQCPz定量实验及数据处理具体流程如下：(a)如图3中组氨酸结构式所示，依据rQCPz方法说明，首先将组氨酸固体粉末装入固体核磁样品管中并放置于探头内，调取rCP脉冲序列程序文件，本实施例的脉冲序列具有如图2所示的形状，设置tcp＝360μs，魔角旋转速率为10kHz，采集一张13CrCP(360)谱图，由低场到高场依次对谱图中的Ca、Cf、Cd、Ce、Cb和Cc的13C谱峰进行积分，相对积分值IrCP(360)分别为0.428、0.637、0.705、0.761、0.913和1；(b)调取rCDPz脉冲序列程序文件，本实施例的脉冲序列具有如图2所示的形状，设置tp为1000μs，td为10ms，选取tcp＝0和360μs，采集13CrCDPz(0)和13CrCDPz(360)谱图，并对谱图中的Ca、Cf、Cd、Ce、Cb和Cc谱峰进行积分，13CrCDP(0)谱中六个谱峰的积分值IrCDPz(0)分别为0.700、0.891、0.748、0.767、1和0.914；13CrCDPz(360)谱中六个谱峰的积分值IrCDPz(360)分别为0.471、0.494、0.338、0.320、0.328和0.190；(c)依据公式rCDPz(360)＝IrCDPz(360)/IrCDPz(0)，其中τ＝360μs，可得Ca、Cf、Cd、Ce、Cb和Cc的13C谱峰的rCDPz(360)分别为0.673、0.554、0.452、0.417、0.328和0.208；(d)依据交叉极化互易定理可知，rCP(360)＝1-rCDPz(360)，因此Ca、Cf、Cd、Ce、Cb和Cc的13C谱峰的rCP(360)分别为0.327、0.446、0.548、0.583、0.672和0.792；(e)依据公式IrQCPzS＝IrCP(360)/rCP(360)，将rCP(360)的积分值进行校正Ca、Cf、Cd、Ce、Cb和Cc的IrQCPzS分别为1.309、1.428、1.286、1.305、1.359和1.263，归一化处理后为0.989、1.078、0.971、0.985、1.026和0.953。与理论积分比值相比较，误差为±0.078。表2本发明实施例3对组氨酸分子基团进行定量表征的相关数据及实验时间数据表实施例4丙氨酸/组氨酸共混物rQCPz定量实验及数据处理具体流程如下：(a)依据rQCPz方法说明，首先将丙氨酸/组氨酸固体粉末装入固体核磁样品管中并放置于探头内，调取rCP脉冲序列程序文件，本实施例的脉冲序列具有如图2所示的形状，设置tcp＝400μs,魔角旋转速率为10kHz，然后采集一张13CrCP(400)谱图，对丙氨酸的CO谱峰和组氨酸的CH3谱峰进行积分，积分值ICP(400)分别为0.484和0.974；(b)调取rCDPz脉冲序列程序文件，本实施例的脉冲序列具有如图2所示的形状，设置tp为1000μs，td为10ms，选取tcp＝0和400μs，采集13CrCDPz(0)和13CrCDPz(400)谱图，并对谱图中丙氨酸的CO谱峰和组氨酸的CH3谱峰进行积分，13CrCDP(0)谱中两组分谱峰的积分值IrCDPz(0)分别为0.590和0.934；13CrCDPz(400)谱中两组分谱峰的积分值IrCDPz(400)分别为0.405和0.180；(c)依据公式rCDPz(400)＝IrCDPz(400)/IrCDPz(0)，其中τ＝400μs，可得丙氨酸的CO谱峰和组氨酸的CH3谱峰的rCDPz(400)分别为0.686和0.193；(d)依据交叉极化互易定理可知，rCP(400)＝1-rCDPz(400)，因此丙氨酸的CO谱峰和组氨酸的CH3谱峰的rCP(400)分别为0.314和0.807；(e)依据公式IrQCPzS＝IrCP(400)/rCP(400)将rCP(400)的积分值进行校正，丙氨酸的CO谱峰和组氨酸的CH3谱峰的IrQCPzS分别为1.541和1.207；因此混合物中丙氨酸与组氨酸的摩尔比为1.541÷1.207＝1.277，与DP定量方法测得的结果1.245相比，测量误差为2.57％。表3本发明实施例4对丙氨酸/组氨酸共混物进行的组分比例定量检测的相关数据及实验时间数据表定量方法CO(丙)/CH3(组)百分误差实验时间/hCP0.49740.4％0.5DP1.245--336rQCPz1.2772.6％1.5以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本
技术领域：
的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。当前第1页1 2 3