黄珊珊，姚叶锋，李鹏，何培忠
- 上海理工大学医疗器械与食品学院
- 华东师范大学上海市磁共振重点实验室
- 上海健康医学院上海市分子影像学重点实验室
- 上海健康医学院医学影像学院
摘要：核磁共振（NMR）异核单量子相干（HSQC）实验因具有较高的灵敏度和分辨率而被广泛用于液体大分子化合物的结构鉴定和研究。然而由于HSQC脉冲的复杂性,需要严格控制实验参数和实验条件才能得到高质量的谱图。本文基于量子力学原理对HSQC实验进行数学建模，通过理论推导、数值计算求解自旋1/2的IS双核体系在每个脉冲节点作用后的密度矩阵，然后结合二维NMR信号采样方法，使用计算机程序完成了该体系HSQC谱图的模拟，同时，还实现了乙醇分子的HSQC谱图模拟。HSQC实验的成功模拟基于对复杂演化过程的精确计算，可用于预测谱图以及实验参数改变对NMR谱图的影响，指导高质量HSQC实验谱图的采集。
关键词：液体核磁共振(liquid-state NMR)；异核单量子相干(HSQC)量子化学计算；核磁共振模拟
核磁共振（NMR）波谱是解析物质结构的重要技术。二维 NMR谱图可以将化学位移、耦合关系等参数在二维平面展开，降低谱线的重叠度，提高谱图分辨率，是大分子化合物结构解析的常用方法。异核单量子相干（HSQC）脉冲序列是大量二维NMR实验的基本组成部分，一些复杂的多脉冲序列也是由此基本序列演化而来。HSQC 实验利用 HSQC 脉冲序列对自旋IS体系（一般是H-C或H-N）进行激发，得到两个独立的时域信号，经傅里叶变换即可得到二维 NMR 谱图。在特定脉冲的作用下，IS体系的双核之间发生了极化转移现象，具体表现为I核能级上的磁化量子布居数倒转，引起S核的极化发生变化，从而将灵敏度较高的I核的磁化矢量极化转移到低灵敏度的S核，进而提高了S核的NMR信号强度。HSQC实验的极化转移效率决定了谱图的质量，但是极化转移效率受实验参数设置和实验条件影响较大。即便是在最原始版本的 HSQC 实验中，也包含了10个脉冲（不考虑最后采样阶段的去耦脉冲），而任何一个脉冲的强度设置不当或者脉冲间隔时间改变，都会影响到最后的频谱信号，因此HSQC实验效果存在较大的不稳定性。利用计算机模拟HSQC实验，通过改变实验参数，可以获得相应的HSQC模拟谱图，对比模拟与实验的结果，对于
指导获得高质量 HSQC 实验谱图具有重要意义。
计算机模拟是辅助NMR实验的重要工具。通过理论计算对每次实验参数调整后的NMR谱图进行模拟和实验结果预测，可以有效减少实验开销；同时计算机模拟可以不受NMR实验条件的限制，获得理想的实验结果，有利于 NMR实验的教学和脉冲序列的开发设计。自“NMR 实验的计算机模拟”概念提出至今，研究人员开发了许多计算机程序来模拟NMR实验：GAMMA作为NMR完整模拟程序包的经典开山之作，是面向对象的NMR仿真工具库，基于自旋体系的量子力学计算原理，能够模拟各种实验条件下的NMR现象，但它需要额外编写接口程序来执行模拟；SIMPSON是一种通用的固体NMR实验模拟程序，计算过程遵循核自旋动力学与量子力学原理，并拥有可设置NMR实验相关条件的程序用户界面，通过将实验参数输入命令脚本来驱动模拟，但该程序对射频脉冲的适用性有限，且后续的数据处理需依赖外部软件完成，计算效率较低；SPINEVOLUTION是液体和固体NMR实验模拟的优化程序，它在SIMPSON的基础上不仅提高了大型自旋系统的计算效率，而且优化了程序执行接口，非常适合作为构建复杂脉冲序列的有效模拟的框架。上述三种程序是用于NMR模拟的经典程序，基于自旋动力学与量子力学原理，采用哈密顿量描述NMR实验中的所有相互作用，利用乘积算符建立自旋密度矩阵演化方程并进行编程计算，实现NMR实验的模拟，后续NMR模拟程序都是以这类算法的原理为基础优化与发展而来。
本文遵循NMR计算机模拟的基本流程，通过量子化学计算，推导自旋1/2的双核体系的角动量算符，计算了自旋体系在HSQC脉冲作用下的密度矩阵演化方程，最后采用二维NMR实验数据的采集与处理方法，专门针对液体NMR中的HSQC实验构建了Matlab模拟程序，模拟过程中无需额外编写调用脚本，只需根据实际实验参数的设置调整模拟参数、输入被测样品的化学位移与耦合作用参数、执行模拟程序便能得到 HSQC 模拟谱图，而且整个计算过程可以精确追踪实验每个脉冲节点的作用效果。
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