1、多個重強峰壓制與白酒的核磁共振分析    多個(重)強峰壓制與白酒的核磁共振分析張曉靜 張惠平 余亦華3(華東師范大學光譜學與波譜學教育部重點實驗室,上海200062)摘 要 利用激發塑型(excitationsculpting)方法,結合多頻率選擇性激發的形狀脈沖(shapedpulse),13CCPD去偶和修整脈沖(trimpulse)等手段進行多個(重)強峰的壓制,測試了市售白酒的各種1H核磁共振譜圖,并根據樣品性質對脈沖序列中的各種參數進行了優化.在壓制了其中水和乙醇峰后得到的一維,二維譜圖中,清晰地呈現了各個微量組分的譜峰以及反映各組分化學結構

2、的相關峰,據此對圖譜中各個譜峰進行了指認.實驗表明這種方法對酒類產品的分析研究非常有效,可以應用于酒類生產和儲存過程的質量 2004212210收稿;2005204222接受本文系教育部優秀青年教師教學與科研獎勵基金資助1 引 言在液體核磁共振氫譜的實驗中經常會遇到溶劑峰或強峰的壓制問題.這是由于質子信號的強度相差太大,超出了計算機檢測的動態范圍1,使得微量成分的信號檢測困難,同時強峰會遮蓋附近的小峰,特別是強磁場中的輻射阻尼效應2使得強峰變寬,遮蓋范圍更大.對樣品進行濃縮或抽去溶劑后溶入氘代溶劑等預處理不僅費時費力,而且還有可能改變樣品的性質或是失去重要的活潑氫信號.因此有必要運用溶劑峰壓制

3、方法直接對樣品進行測試.溶劑峰壓制分為單溶劑峰壓制和多溶劑峰壓制.單溶劑峰壓制只需要選擇一個峰的共振頻率,主要有連續波照射的預飽和方法3,與選擇性激發技術相關的壓制方法4,以及選擇性激發與梯度場脈沖結合的壓制方法5,6.而多溶劑峰壓制則需要對多個強峰的共振頻率同時進行選擇激發,除了有偏共振的效應外,對于有自旋偶合的強峰,在壓制的同時還要考慮由此演化而引起的相位差等因素.因此,在技術上實現起來更復雜.在多溶劑峰壓制中,除了可以用連續波照射的預飽和方法外,主要是運用脈沖梯度場技術與多頻率選擇激發的SLP(shiftedlaminarpulse)7形狀脈沖相結合的方法,如激發塑型方法(excitat

4、ionsculpting)5,8,9,WET(WaterEliminatedthroughTransverseGradients)方法等6,10.激發塑型(excitationsculpting)方法,是由Hwang等5首先提出的,后由Parella等8,9在該脈沖序列中引進了多頻率激發的SLP形狀脈沖,并對其中的各參數進行了修改和優化,使得該方法更為完善.該脈沖序列如圖1所示,其中窄的矩形脈沖為90°硬脈沖,寬的(1,3)則為180°硬脈沖.4,2是針對多個強峰的共振頻率進行選擇激發的180°SLP形狀脈沖,G1,G2分別是強度不同的梯度場脈沖.當產生強峰的質子

5、是連在碳原子上時,需要在發射SLP脈沖時對13C去偶以消除其13C衛星峰.當樣品中含有較強的水峰時,也可以在弛豫延遲階段對水峰進行微弱的預飽和照射.在采樣前施加自旋鎖定脈沖(SLy)是用于如乙醇這樣有偶合裂分的強峰,以消除偶合裂分演化引起的相位誤差.本實驗運用了上述激發塑型壓制多重溶劑峰的方法測試了白酒樣品的一維,二維核磁共振譜圖,并根據該白酒樣品的性質對脈沖序列中的各種參數,如選擇性激發脈沖的形狀及脈寬,自旋鎖定脈沖的作用時間等進行了優化.通過壓制其中的水峰和乙醇峰后,可以清楚地觀察到白酒中各種微量成分的共振峰,特別是根據二維圖譜中顯現的各個相關峰,可以確定它們的化學結構以及相對含量.2 實

6、驗部分樣品由0.25mL白酒(市售)加0.25mLD2O配制而成.所有的核磁共振實驗都是在BrukerDRX第33卷2005年11月分析化學(FENXIHUAXUE) 研究簡報ChineseJournalofAnalyticalChemistry第11期16311634圖1 多個(重)峰壓制激發塑型方法的脈沖序列9Fig.1 Pulsesequenceofexcitationsculptingmethodwithsuppressionofmul2tipleintensivepeaks500核磁共振譜儀上進行的.測試用的探頭為寬帶正相的探頭,1H和13C的共振頻率分別為500.13MHz和125

7、.03MHz.測試溫度300.0K.化學位移定標以外標TMS的峰定為0.00.脈沖序列中,1H的90°脈寬為10.2s,13C的去偶用GARP方式進行,梯度場脈沖的寬度為600s,恢復時間為150s,所有實驗用脈沖序列中的弛豫延遲都為2s.梯度場位于z方向,最高梯度場強為60Gauss/cm,梯度場脈沖G1,G2的強度分別為31%和11%.該脈沖序列中所需的多頻選擇性激發形狀脈沖(SLP)是根據HDO,CH3,CH2的共振頻率,脈沖形狀和組成脈沖的數據點(本實驗中為1000),由Bruker公司提供的SHAPETOOL程序計算生成的.在1H21HTOCSY實驗中,采用TPPI(tim

8、e2proportionalphaseIncrements)11方法采樣,自旋鎖定(spinlock)脈沖方式采用了DIPSI212,混合時間為60ms.實驗采樣的兩維譜寬均為5601Hz,F1,F2維的采樣數據點分別為1024和256,累加次數為16.傅里立葉變換前,兩維數據點均乘以相移/2的正弦窗函數并充零至1024×512數據點.3 結果和討論3.1 脈沖序列中各參數的比較和選擇圖2a為白酒樣品的普通氫譜,b為運用激發塑型方法壓制后的氫譜,累加次數都為16.從譜圖上不難發現,即使把白酒的普通氫譜放大512倍也只能觀察到數個小峰,而用激發塑型方法壓制后,水峰和乙醇三重峰(CH3)

9、,四重峰(CH2)的高度已被壓制到與其它微量成分譜峰相同的數量級,不僅能清晰地觀察到這些小峰,而且良好的基線平整度和極小的譜峰相位差,為各種二維譜的測試以及對白酒樣品圖2 溫度為300K時白酒的氫譜Fig.2 1Hspectraofthewhitespiritsam2pleat300Ka.無多重峰壓制(withoutsuppressionofmulti2pleintensivepeaks,SMIP);b.多重峰壓制(withSMIP).3壓制后殘留的強峰信號(theasterisksindicatetheresidualintensivesignals).中微量成分的化學結構和含量的研究提供了

10、良好的基礎.在上述實驗中,使用了針對3個強峰的共振頻率進行選擇性激發的SLP形狀脈沖.脈沖的脈寬與激發的頻率范圍成反比,而脈沖的形狀則不僅與激發的頻率范圍有關,而且還與激發邊帶的強弱有關13.通常在溶劑峰壓制的實驗中,選擇激發的頻率范圍越窄,對溶劑峰周圍其它組分的信號影響越小.基于這樣的考慮,測試了一系列不同SLP180°脈寬的1H譜(見圖3).在圖3中,SLP選擇性脈沖的形狀都為矩形,但脈沖的脈寬分別為2ms至7ms.觀察2個強峰1.05和3.51附近小峰(圖中用3表示)的峰高隨不同脈寬的變化發現:180°SLP脈寬小于5ms時,小峰同樣受到了不同程度的壓制而峰高變低,而

11、5ms以上時,對小峰的影響基本消除.因此,選擇了5ms的180°脈寬.運用同樣的比較方式,分別對SLP180°脈沖選擇了以下4種的形狀:Square(amplitude:100%),Gaussian(truncationlevel:40%),Sinc(numberofCycles:1)和Sine(numberofCycles:1),并測試了它們對應的1H譜.通過比較可知:同樣是5ms脈寬,Square形狀脈沖對白酒樣品中3個強峰的壓制效果更好.但實驗也表明,即使不同的脈沖形狀,通過優化其它的參數(如形狀脈沖的脈寬,修正脈沖的作用時間等),也能達到類似的壓制效果.白酒樣品中需

12、要壓制的乙醇峰(CH3,CH2)之間存在著J偶合裂分,由于脈沖序列中運用了時間較長的SLP脈沖,這期間J偶合的演化會引起乙醇峰的相位差,造成譜圖基線的不平整.在脈沖序列的采樣之前加上一個修整脈沖,就是為了消除或減弱這種相位差.實驗中采用的修整脈沖的 圖3 不同脈沖寬度的矩形SLP脈沖時,用圖1脈沖序列測得的一維氫譜的部分區域Fig.3 Partial1Hspectrarecordedwiththepulsese2quenceofFig.1withdifferentpulsewidthsoftherectan2gularshiftedlaminarpulse(SLP)7143Hz,在此場強下,分

13、別測試了修整脈沖脈寬為1,1.5,2,2.5,3和3.5ms的1H譜.比較和觀察這些譜圖中CH3和CH2峰的相位可知,修整脈沖的脈寬為2.5ms時效果最好.3.2 1H21H二維譜及其微量組分的譜峰指認文獻9上提供了激發塑型壓制多重溶劑峰的方法與各種1H21H二維核磁共振實驗結合的脈沖序列,其中激發塑形的脈沖序列放在了二維譜脈沖序列之后,檢測信號之前,以達到最高的壓制效率.運用這些方法測試了白酒樣品的各種1H21H二維核磁共振譜(見圖4).實驗中,在弛豫延遲階段對水峰進行了預飽和照射,180°SLP的脈寬為5ms,形狀為矩形.在1H21HTOCSY譜中可以清晰地觀察到各種微量組分的相

14、關峰,根據這些表征分子結構中原子核自旋體系的相關峰,可以對1H譜中的譜峰加以指認,如9.58和2.11的交叉峰是乙醛CH3和CH間的相關峰;2.22處的3個交叉峰是正戊酸酯的戊酸根中4個碳上氫之間的3個相關峰.4.08和4.01的2個四重峰是各種乙酯(COOCH2CH3)中的CH2峰,雖然與它們相連的CH3峰與乙醇的CH3峰靠得太近受到了壓制影響,在一維譜中無法觀察到,但這兩個CH2的相關峰卻給出了它們對應CH3的化學位移.該白酒樣品中各主要成分的譜峰指認列于表1中.除了相關峰的信息外,各譜峰的化學位移值和偶合裂分形狀也與指認的結果相符.圖4 運用了多重強峰壓制和13C去偶后測得的白酒TOCS

15、Y譜Fig.4 Tolalcorrelation(TOC2SY)spectrumofwhitespiritsam2pleat300Kwithsuppressionofmultipleintensivepeaksand13Ccompositepulsedecoupling(CPD)表1 白酒中微量成分的1H化學位移值()Table1 1Hnucle 3.3 小結通過運用激發塑型多重溶劑峰壓制的方法對白酒樣品的各種一維,二維核磁共振1H譜的測試以及脈沖序列中各參數的優化,得到了各種包含各種微量組分結構信息的圖譜,被壓制的強峰相位畸變極小,基線平整,表明了這是一種對白酒樣品進行分析研究的有效方法.本

16、方法運用于黃酒和葡萄酒測試中得到的譜圖顯示,其譜峰更多,提供的信息更豐富.雖然圖譜也更復雜,但其中的大部分譜峰同樣可以得到指認.References1 GueronM,PlateauP,DecorpsM.Prog.NMRSpectrosc.,1991,23:1352092 CavanaghJ,FairbrotherWJ,PalmerAG,SkletonNJ.ProteinNMRSpectroscopy:RinciplesandPractice.NewYork:AcademicPress,19963 HoultDI.J.Magn.Reson.,1976,21:3373473361第11期張曉靜等

17、:多個(重)強峰壓制與白酒的核磁共振分析 4 HorePJ.J.Magn.Reson.,1983,55:2833005 HwangTL,ShakaA.J.Magn.Reson.A,1995,112:2752796 OggRJ,KingsleyPB,TaylorJS.J.Magn.Reson.B,1994,104:1107 PattSL.J.Magn.Reson.,1992,96:941028 ParellaT,AdellP,Sanchez2FerrandoF,VirgiliA.Magn.Reson.Chem.,1998,36:2452499 DalvitC,ShapiroG,BohlenJM,

18、ParellaT.Magn.Reson.Chem.,1999,37:71410 ZhangS,YangX,GorensteinDG.ConceptsinMagn.Reson.,2002,14(2):10211111 MaironD,WuthrichK.Biochem.Biophys.Res.Commun.,1983,113:96797412 ShakaAJ,LeeCJ,PinesJ.Magn.Reson.A,1988,77:27429313 FreemanR.Prog.NMRSpectrosc.,1998,32:59106SuppressionofMultipleIntensivePeaksa

19、ndNuclearMagneticResonanceMeasurementsonWhiteSpiritZhangXiaojing,ZhangHuiping,YuYihua3(KeyLaboratoryofOpticsandMagneticResonanceSpectroscopy(EastChinaNormalUniversity),MinistryofEducation,Shanghai200062)Abstract Excitationsculptingsequenceinconjunctionwithashapedpulseformulti2siteselectiveexcitation

20、,13Ccompositepulsedecoupling(CPD)andashorttrimpulsehasbeenusedfornuclearmagneticresonance(NMR)measurementsonwhitespiritsampleandparametersinthispulsesequencehavebeenoptimizedtothesample.1Dand2D1HNMRspectrashowflatbaselineandalmostpurephasebehaviorandthreeveryin2tensivepeaks(H2O,CH3andCH2)havebeensuppressedeffectively.Peaksin1H1Dspectrumandespecial2lythecrosspeaksin1H21H2Dspectrafromminorcomponentsinthewhitespiritsamplewereclearlyob2