基于小型化原子磁力计的零场NMR波谱仪搭建与测试.pdf

Chinese J Magn Reson,2024,41(1):87-98 第 41 卷第 1 期 2024 年 03 月 Vol.41 No.1 Mar.2024 波波 谱谱 学学 杂杂 志志 Chinese Journal of Magnetic Resonance doi:10.11938/cjmr20233060 基于小型化原子磁力计的零场 NMR 波谱仪搭建与测试 付方跃1,2，郭清乾2,3，冯晓宇2,3，徐佳玉1,2，姚泽坤1,2，胡涛2,3,4，杨晓冬1,2,3#，常严1,2,3 1.长春理工大学 电子信息工程学院，吉林 长春 130022；2.中国科学院苏州生物医学工程技术研究所，江苏 苏州 215163；3.季华实验室，广东 佛山 528200；4.济南国科医工科技发展有限公司，山东 济南 250101 摘 要：常规高场 NMR 波谱仪依托超导技术，其体积大、维护成本高，且存在样本磁化率不均匀导致的谱线展宽现象，零场或近零场 NMR 技术则可实现有效互补本文自主搭建了一套基于小型原子磁力计的可移动零场 NMR波谱仪，采用以多功能采集卡（National Instruments PCIe-6353）为核心的集成控制系统，仪器主磁场强度小于 1 nT，可实现高分辨率的 J-耦合谱采集为实现对自旋体系的有效操控，利用样品绝热初态的单脉冲激发实现对三轴脉冲线圈的精确标定 在此基础上，使用改进的组合脉冲序列实现了在13C-1H 异核体系下的单自旋选择性操控，验证了零场 NMR 波谱仪的有效性 关键词：零场核磁共振；J-耦合谱；原子磁力计；单自旋操控 中图分类号：O482.53 文献标识码：A Development and Validation of Zero-field NMR Spectrometer Based on Compact Atomic Magnetometer FU Fangyue1,2，GUO Qingqian2,3，FENG Xiaoyu2,3，XU Jiayu1,2，YAO Zekun1,2，HU Tao2,3,4，YANG Xiaodong1,2,3#，CHANG Yan1,2,3*1.School of Electronic and Information Engineering,Changchun University of Science and Technology,Changchun 130022,China;2.Suzhou Institute of Biomedical Engineering and Technology,Chinese Academy of Sciences,Suzhou 215163,China;3.Jihua Laboratory,Foshan 528200,China;4.Jinan Guoke Medical Technology Development Co.,Ltd,Jinan 250101,China Abstract:Conventional high-field nuclear magnetic resonance(NMR)spectrometer necessitates advanced superconducting technology,which usually involves a magnet of large volume and high maintenance cost.Moreover,strong magnet often has severe magnetic field inhomogeneity,leading to NMR line broadening.Zero-to ultralow-field(ZULF)NMR emerged as a complementary approach to traditional high-field NMR techniques.In this paper,a portable zero-field NMR spectrometer based on a compact atomic magnetometer was developed,which adopted an integrated control system based on a multi-function data acquisition card(National Instruments PCIe-6353).The spectrometer is of a main magnetic field strength less than 1 nT and enables achieving high-resolution J-spectrum under zero-field environment.Specifically,a series of single pulse excitation experiments for the initial adiabatic state was carried out to calibrate the triaxial magnetic field coils.Then a modified composite pulse sequence was developed to further validate the performance of zero-field NMR spectrometer by single-spin control experiments for the 13C-1H spin system.Keywords:zero-field NMR,J-spectroscopy,atomic magnetometer,single-spin control 收稿日期收稿日期:2023-03-26;在线发表日期在线发表日期:2023-06-05 基金项目基金项目:中科院科研装备研制项目(YJKYYQ20210051)；苏州市基础研究试点项目(SJC2021024)；山东省自然科学基金青年项目(ZR2022QF098).通讯作者通讯作者(Corresponding author):#Tel:[phone],E-mail:;*Tel:[phone],E-mail:.88 波 谱 学 杂 志 第 41 卷 引 言 核磁共振（NMR）是一种非侵入性的分子结构解析技术，在复杂混合物的分析方面具有方便快捷、波谱分辨率高及重复性好等优势1,2在实际应用方面，常规高场 NMR 具有极高的分辨率及信噪比，但由于超导磁体体积较大，维护成本高，导致其应用场景受限；同时强磁场引起的磁化率不均会导致谱线展宽，继而造成波谱分辨率的损失3 零场-近零场（Zero-to Ultralow-Field,ZULF）NMR 作为高场 NMR 的补充，可为物质分析提供一种全新的波谱学视角4.在 ZULF 条件下，外部主磁场环境被下调至零场（1 nT）范围，化学位移效应几乎可以忽略5，核自旋之间的 J-耦合作用成为主导，在 ZULF 条件下测量得到的 NMR波谱即为 J-耦合谱.2011 年，Ledbetter 团队首次获得了近零场 NMR 的裂分谱，并做出理论解释6；2013年，加州大学伯克利分校的 Pines 团队实现了对于一系列苯衍生物分子的高分辨率 J-耦合谱采集，线宽达到 11 mHz7，表明零场-近零场 NMR 的波谱分辨率极高，能够很好的克服不均匀磁场对谱线的影响 ZULF NMR 具备的上述独特优势，使其在基础物理、量子控制、分析化学等领域得到了广泛应用 2013年，中国科学院精密测量院（武汉物理与数学研究所）的周欣研究组通过自主研发的 Cs 原子磁力计，实现了超低场（47 nT）下的自来水 NMR 信号采集以及对比剂的弛豫时间测定82017 年，中国科学技术大学彭新华研究组基于无自旋交换弛豫（SERF）效应搭建了一套高灵敏度原子磁力计，并在此基础上首次将单气室梯度式原子梯度磁力计应用在超低场探测中9基于零场 NMR，该团队陆续开展了一系列的量子控制理论与实验研究，典型成果包括利用复合脉冲技术实现异核体系的任意单自旋独立操控和双自旋的可控量子非门（CNOT）操控10,11，利用优化控制技术实现自旋体系的量子控制12,13，利用强相互作用核自旋体系的 J-耦合谱实现多参数量子计量及惯性测量142019 年，Barskiy 等利用15N 标记铵和超极化13C 标记丙酮酸研究证实了化学交换对零场-超低场 J-耦合谱的影响152021 年，Put 等基于商用原子磁力计搭建了一套零场 NMR 波谱仪，实现了甲酸、甘氨酸等生物小分子的零场-超低场谱图采集和解释16.借助于新型超高灵敏磁探测传感技术如原子磁力计17-19、超极化技术如仲氢诱导核极化20,21，零场 NMR 可有效应用于生物小分子如代谢物的识别定量16、极低场弛豫色散研究22、原位化学反应监测23、生物磁探测24,25以及极弱静磁场的间接测量26等 上述大多数 ZULF NMR 研究平台虽然探测灵敏度很高，但设备整体体积仍然较大，无法满足潜在的便携式可移动的场景需求.为此，本文自主搭建了一套小型化可移动零场 NMR 波谱仪，并以 NI（National Instruments，美国国家仪器有限公司）多功能采集卡核心控制单元为基础，实现了对于进样、预极化、控制时序发生、调控脉冲施加及信号采集等全过程的自动化控制在完成对脉冲线圈的标定测试的基础上，通过改进的组合脉冲实现了13C-1H 异核自旋体系的选择性操控 1 零场 NMR 波谱仪搭建 本文开发的零场 NMR 波谱仪样机框架结构及实物图如图 1 所示，主要由磁场屏蔽装置、预极化磁体、小型原子磁力计（Qu-spin 公司第二代 QZFM-Z2.0，噪声谱密度约为 15 fT/Hz1/2）、引导线圈以及脉冲线圈组件构成其中，磁场屏蔽装置包括磁屏蔽筒及筒内三轴匀场线圈，二者共同构建零磁场环境，屏蔽筒使用过程中应注意避免与永磁性材料接触，若因接触导致磁化问题需利用消磁器进行消磁处理此外，由于零场 NMR 信号非常微弱，通常需采用预极化2（或超极化27）手段增强样品自旋体系的磁矩，本文采用的是 0.5 T Halbach 预极化磁体，固定于屏蔽筒上方在预极化完成后，样本经过自由落体转移至检测区域，此时即可利用原子磁力计实现高信噪比的零场 NMR 信号采集磁力计有两个正交方向的测量敏感第 1 期 89 付方跃等：基于小型化原子磁力计的零场 NMR 波谱仪搭建与测试 轴，本文选择单轴测量模式，其测量方向与图 1 脉冲线圈组件的 y 轴方向一致为保证信号探测效率，样品管应与磁力计探头尽量紧贴在样品从预极化场到零磁场转移过程中，为减少杂散磁场对样品自旋取向的干扰，在竖直方向（y 轴）利用螺线管线圈提供引导场，将自旋体系转向 y 方向，通过对引导场的准确控制，可实现样品自旋体系的瞬态或绝热态初态制备对于瞬态初态，样品到达零场检测区域后仍然保持高场本征态，无需施加脉冲即可采集到 J-耦合谱而对于绝热初态，样品到达检测区域后则保持零场本征态，须施加脉冲激发才可以得到零场 NMR 信号28脉冲施加通过脉冲线圈组件实现，其由三组正交的亥姆霍兹线圈组成，可提供信号探测区域内的均匀三维正交激励磁场，进而可以实现空间任意方向的自旋体系调控 图 1 零场 NMR 波谱仪设备示意图及实物图 Fig.1 Schematic diagram and photo of the developed zero-field NMR spectrometer 在施加脉冲时，采集卡多路模拟输出（AO）输出后经功率放大器，需要考虑二者连通后的电子噪声干扰问题，本文使用如图 2(a)所示的滤波电路消除该电子噪声，其中 C1 用于消除高频噪声，R 为分压电阻（1），保护二极管不被击穿，D1、D2 双向二极管利用其截止电压（0.56 V）进行滤波如图 2(b)所示，在实际测试过程中发现 C1 电容值的大小会对脉冲波形的上升沿响应时间及脉冲波形产生影响，对比测试多组电容值作用的脉冲波形及噪声水平后，选取了 2.2 F 作为 C1 的电容值另外为确保零场 NMR 信号采集时磁力计不受筒内各类磁场脉冲施加的干扰，本文通过施加模拟信号进行测试，结果证明，适当的引导场（小于 0.3104 T）及脉冲场（小于 188 T）的施加不会对磁力计采集结果造成干扰 本文搭建的零场 NMR 波谱仪主要特点在于可移动及小型化集成样机设备安装在可移动的推车上，磁力计的固定封装使得仪器移动并不会对系统性能产生影响同时，由于采用小型化控制方案，无需额外使用任意波发生器及多路继电器等设备，降低了对整体装置的空间要求 90 波 谱 学 杂 志 第 41 卷 图 2 脉冲输出的滤波电路原理图及其电容值选择测试.(a)滤波电路原理图；(b)滤波电路电容值选择测试结果 Fig.2 Schematic diagram of filter circuit for pulse application and capacitance value selection test.(a)Schematic diagram of filter circuit;(b)Capacitance value selection test of filter circuit 对于绝热初态下的脉冲调控实验，实验开始时，样品通过真空泵被吸引到极化区域，经过 20 s 预极化场（0.5 T）作用后，去除真空泵的吸力，样品管自由落体，在此期间（约 250 ms）缓慢关断引导场（0.8 T）；为减小螺线管线圈底部杂散磁场对样品的影响，由 y 轴脉冲线圈额外提供辅助引导场（与引导场强度相同）保证自旋磁矩取向有序；当样品管平稳落在探测区域后施加调控脉冲，其后等待 100 ms 使磁力计恢复工作状态，进行 NMR 信号采集，采集时间为 5 s，采样率为 10 kHz；最后对得到的信号进行基线校正、去均值偏置以及滤波等操作后，再经过快速傅里叶变换，即可得到样品的 J-耦合谱 本文开发的零场 NMR 波谱仪的控制系统包括时序控制、调控脉冲设计与施加以及波谱信号的实时采集与分析等功能如图 3 所示，整体控制方案基于多功能采集卡（National Instruments PCIe-6353）实现，其与控制计算机连接，承担控制时序发生、脉冲波形输出以及数据采集任务具体地，在时序控制方面，采集卡计数器输出（CTRO）端口产生多路逻辑门电路（TTL）信号，实现对整体实验流程的精确控制；在脉冲波形产生方面，由 AO 实现三维调控脉冲输出，可根据实验设计进行任意波形输出，为未来开展优化脉冲的应用研究提供支撑；在信号采集方面，通过采集卡的模拟输入（AI）端口完成零场 NMR 信号采集，再经过傅里叶变换后即可得到 J-耦合谱 (a)02402402402400.20.40.60.81.0024电压/V10 F电压/V2.2 F电压/V680 nF电压/V470 nF电压/V时间/ms100 nFRC1GNDD1InputOutputD2(b)第 1 期 91 付方跃等：基于小型化原子磁力计的零场 NMR 波谱仪搭建与测试 图 3 零场 NMR 波谱仪控制系统结构示意图 Fig.3 Schematic diagram of the control system of zero-filed NMR spectrometer 上述零场 NMR 波谱仪控制系统的主要优点在于：（1）控制集成化的实现在空间上实现了节约，为小型化零场 NMR 波谱仪的搭建提供基础；（2）整体基于 NI 控制实现，统一使用 NI 设备的内部时钟，更有利于零场 NMR 实验要求的精准时序控制由于各部分通信都在 NI 设备内部进行，也减少了因使用信号发生器、数字延时发生器等其他商用仪器而导致的机柜体积庞大以及可能因接线引入的电子噪声等 零场 NMR 实验控制共需 4 路时间控制序列，如图 4 所示，分别为预极化控制时序、引导场控制时序、脉冲场控制时序以及数据采集控制时序 其中，预极化控制时序用于对整体实验和其他的控制时序的触发，实验重复次数可根据需求自由设定在其上升沿阶段，真空泵电磁阀开启并将样品吸引到预极化区域，同时触发引导场控制时序，而在其下降沿阶段，触发脉冲场控制时序及数据采集控制时序，所有触发过程均在采集卡内部进行具体实验步骤为：（1）触发预极化控制时序，真空泵电磁阀开启，吸引样品到达预极化区域开始极化；（2）预极化控制时序的上升沿触发启动引导场控制时序，其高电平期即为引导场的施加时间，注意引导场的关断应在预极化结束后；（3）预极化控制时序的下降沿出现时，触发脉冲场控制时序及数据采集控制时序；（4）调控脉冲的持续时间与脉冲场控制时序的高电平时间相同，调控脉冲可根据需要在三维空间方向进行组合施加；（5）脉冲作用后约 100 ms，进行数据采集，之后再对其进行波谱分析，即可得到脉冲调控下的零场 J-耦合谱 图 4 零场 NMR 实验脉冲调控实验控制时序图 Fig.4 Time sequence for pulsed field excitation of zero-field NMR experiments 控制计算机多功能采集卡时序发生磁力计电子学磁力计探头屏蔽装置引导线圈X/Y/Z脉冲线圈功率放大器脉冲输出触发引导场预极化装置零场信号采集脉冲波形输出脉冲时序控制磁力计控制PCIeUSB上位机控制系统零场环境92 波 谱 学 杂 志 第 41 卷 2 脉冲线圈标定 零场 NMR 的调控脉冲是通过采集卡 AO 端口的电压输出，经功率放大器（ATA-101）及双向二极管RC 电路施加到脉冲线圈的因此，为实现自旋体系的精确操控，需准确标定调控脉冲控制量与实际脉冲磁场强度间的定量关系，可利用磁通门进行标定，然而受到磁通门测量精度及探头位置的影响，通常很难实现脉冲磁场的精确测量29对此，本文在磁通门初步标定的基础上，进一步利用标准样品的 J-耦合谱间接实现脉冲线圈的精确标定 本文的零场 NMR 波谱仪的原子磁力计测量方向为 y 轴，根据理论计算，对于绝热初态，在 x 轴或 z轴脉冲线圈施加矩形脉冲，测量到的信号表现形式相同3：/H/Ccos()cos()yx zx zMBB (1)而在 y 轴脉冲线圈施加矩形脉冲时，其测量的信号强度形式为：HCsin()yyMB (2)其中，yM表示 y 轴方向测量到的信号强度，/x y zB表示施加在对应轴方向上的脉冲磁场强度，则表示脉冲作用时间，H、C分别表示1H 及13C 的旋磁比，/H/Cx y zB表示对应的核自旋翻转角，由此可知脉冲作用时间及脉冲强度共同影响着核自旋翻转角，在本文的脉冲调控实验中，脉冲施加需经历功放及二极管电路等，考虑到脉冲作用的稳定性，选择固定脉冲幅值，调整脉冲作用时间的方式来改变核自旋翻转角，相比于脉冲幅值变化，减少了实验控制量的不确定性 考虑到屏蔽筒内的剩磁可能会随着实验次数的增加而累积，继而影响到实验的准确性，在实验过程中使用消磁器进行消磁，并通过对每一组实验进行多次（5 次）平均来提高信噪比（SNR 可达 15）及减少随机误差另外，为确保实验的可重复性，在每组实验开始前，利用商用磁力计对磁力计工作区域进行剩磁补偿，确保实验开始前处于零场环境，同时保证每组实验中磁力计灵敏度水平相当 本文以13C 标记的甲酸（H-13COOH）作为样品，选用 5 mm 标准样品管，样品含量约为 250 L甲酸分子的零场 NMR 信号只有一个峰，该峰的位置对应于1H 和13C 的 J-耦合常数（约为 222.2 Hz）首先将样品制备到绝热初态，然后分别在 x 轴、y 轴、z 轴方向施加一系列固定脉冲幅值（0.4 V）的矩形脉冲，并经功率放大器进行 10 倍放大，其脉冲作用时间等间隔选取，后采集对应的 J-耦合谱（半高宽-FWHM 约为0.5 Hz），通过对谱峰强度的测定，即可得到矩形脉冲作用时间（AO 输出脉冲时间）与零场 NMR 信号强度之间的对应关系对上述 J-耦合谱峰强度进行测定时，对于 x 轴及 z 轴标定实验，使用 J-耦合谱的实部峰值，而对于 y 轴脉冲标定，使用 J-耦合谱的虚部峰值具体地，对得到的零场 NMR 信号进行快速傅里叶变换，得到对应的实部及虚部峰值，将多次重复实验的数据进行平均，结果作为脉冲线圈标定实验结果的纵坐标取值，并根据(1)、(2)式分别对上述三组测量数据进行拟合，结果如图 5 所示 从图 5 中可以看出，x 轴和 z 轴的脉冲标定结果具有相似性，与理论公式(1)式的预测相吻合，表现为两个余弦三角函数的叠加形式对于 y 轴标定结果，可以看出为单个正弦三角函数形式，符合基本理论预期与此同时，由于实验过程中设备稳定性及环境噪声等影响因素，导致在某些脉冲作用位置，实际信号强度与拟合结果之间存在偏差，具体原因可能包括：首先实验过程中功放电子噪声强度可能会发生轻微变化，引入脉冲之外的微弱磁场而影响核磁共振信号的采集，另外，样品输运装置缺乏稳定性导致在样品下落过程中可能会发生旋转及轻微震动等，继而会对后续采集到的数据产生影响对于功放电路的输出噪声问题，可使用继电器对整体脉冲施加线路进行通断，保证在脉冲施加之外的时间内整体脉冲线路处于断开状态，避免引入其他干扰影响信号采集 第 1 期 93 付方跃等：基于小型化原子磁力计的零场 NMR 波谱仪搭建与测试 图 5 甲酸（H-13COOH）零场 NMR 信号振幅与直流脉冲幅值之间的标定关系.(a)x 轴脉冲标定结果；(b)y 轴脉冲标定结果；(c)z 轴脉冲标定结果 Fig.5 Zero-field NMR signal amplitude of 13C-formic acid versus amplitude of a direct current excitation pulse.(a)x-axis pulse calibration result;(b)y-axis pulse calibration results;(c)z-axis pulse calibration results 上述实验均通过磁力计的单轴模式采集，主要是考虑 Qu-spin 磁力计的单轴测量模式灵敏度略优于双轴测量模式，因为相较于单轴补偿时的单一方向调制磁场作用，在进行双轴补偿时磁力计内部补偿线圈产生的两个方向的调制磁场可能会互相干扰，使得双轴测量模式下磁力计工作的稳定性及灵敏度有所下降但双轴测量模式对于一些需要更多磁场方向信息的问题（如脑磁信号探测25）的研究具有重要应用价值 以上，我们得到了一种对脉冲强度的标定方案，确定了脉冲作用时间与实际脉冲磁场强度之间的关系，为对核自旋体系的精准操控提供了基础 3 自旋选择性操控实验 与常规 NMR 不同，零场 NMR 实验的调控脉冲一般为直流脉冲，此时样品中所有的核自旋都会被同00.10.20.30.40.53020100102030信号强度脉冲作用时间/ms00.10.20.30.40.5151050510信号强度脉冲作用时间/ms00.10.20.30.40.53020101020300信号强度脉冲作用时间/ms104104104x轴实验标定结果x轴预期标定结果y轴实验标定结果y轴预期标定结果z轴实验标定结果z轴预期标定结果(a)(b)(c)94 波 谱 学 杂 志 第 41 卷 时激发以13C-1H 体系为例，为实现某个特定核自旋的操控，可以通过组合脉冲方式实现10,11，其中组合脉冲施加方案如图 6(a)所示具体地，由于1H 与13C 二者之间的旋磁比之比约等于 4，即当脉冲作用使1H自旋角度时，13C 自旋接近角度，相当于1H 自旋相位保持不变，所以可据此来进行单自旋体系脉冲序列的设计 图 6 单自旋操控脉冲序列.(a)1H 单自旋操控脉冲序列；(b)13C 单自旋操控脉冲序列10,11 Fig.6 The single-spin independent rotations pulse sequence.(a)The pulse sequence for 1H;(b)The pulse sequence for 13C10,11 以13C 自旋选择操控实验为例，在脉冲作用前，将样品制备到绝热初态，在 x 轴及 z 轴上施加如图 6(b)所示组合脉冲，保证在组合脉冲作用后，1H 自旋的累积相位为零，而13C 自旋翻转 角度具体地，首先在 x 轴线圈施加矩形脉冲，使13C 顺时针旋转/2，此时1H 自旋翻转 2，接下来在 z 轴线圈施加脉冲使13C绕着 z 轴翻转角度，此时13C 翻转到y 方向，然后再次在 x 轴施加与第一个脉冲强度相同，方向相反的矩形脉冲，使13C 逆时针旋转/2，最后施加脉冲使13C 绕 z 轴旋转角度，至此，13C 自旋累积翻转角度为，而1H 自旋的累积相位为零相应的，对于1H 自旋选择性操控，采用图 6(a)所示方案进行，最后使13C 自旋的累积相位为零得到的实验结果如图 7 所示.图 7 单自旋操控脉冲序列作用下单自旋选择性操控实验结果.(a)1H 单自旋操控信号；(b)13C 单自旋操控信号 Fig.7 The results of heteronuclear single-spin independent rotations by pulse sequence.(a)The signal of individual nuclear spin rotation for 1H;(b)The signal of individual nuclear spin rotation for 13C x 轴4(H)1/2(H)z 轴x 轴z 轴(a)(b)1/8(C)1/2(H)1/8(C)(C)4(H)(C)4(H)(C)4(H)(C)1/2(C)2(H)1/2(C)2(H)00.10.20.30.40.50.6051015202530信号强度脉冲作用时间/ms00.10.20.30.40.50.6252015 050信号强度脉冲作用时间/ms1041H 选择性操控实验结果1H 选择性操控理论结果13C 选择性操控实验结果13C 选择性操控理论结果104(a)(b)第 1 期 95 付方跃等：基于小型化原子磁力计的零场 NMR 波谱仪搭建与测试 对于1H 自旋的选择性操控实验，其信号理论上表现为H1 cos()xB，而对于13C 单一核自旋的选择性操控，其信号变化形式理论上表现为Ccos()1xB由于1H 与13C 之间的旋磁比满足HC/4，结合上述理论三角函数关系，可知二者的选择性实验的信号变化规律呈现 4 倍周期关系从图 7 的实验结果可以看出，1H 自旋操控信号变化周期数是13C 单核自旋信号的 4 倍，符合理论分析，但同时也可看出实验结果与理论拟合结果之间存在一定的偏差，可能的原因除样品输运装置及功放线路电子噪声问题外，脉冲作用点的选取以及组合脉冲方式的设计都是影响实验结果的重要因素，另外磁场的不均匀性也会影响脉冲的作用精度.为了进一步降低磁场不均匀性对脉冲的影响，提高前述组合脉冲序列中脉冲的操控精度，本文利用组合的脉冲取代常规的单个矩形脉冲30,31，结合13C-1H 体系中1H 与13C 旋磁比之间的倍数关系，对应用于自旋选择性操控的组合脉冲序列进行优化，即利用(/2)()(/2)zxz 对)z(进行整体替换，改进的脉冲序列设计如图 8 所示，其中阴影区域即为取代)z(的组合脉冲，三部分脉冲的幅值相同，脉冲作用时间之比为 1:2:1本文提出的改进型脉冲序列可在利用组合脉冲提高单脉冲作用精度的同时，满足选择性操控脉冲设计所需的1H 与13C 自旋的相位变化 图 8 改进型单自旋操控脉冲序列.(a)1H 单自旋操控脉冲序列；(b)13C 单自旋操控脉冲序列 Fig.8 The modified single-spin independent rotations pulse sequence.(a)The pulse sequence for 1H;(b)The pulse sequence for 13C 这种通过特定组合脉冲的设计近似实现单自旋选择性操控的实验，关键在于找到使1H 旋转了4角度（13C 自旋角度）对应的脉冲作用时间点，其可通过前文脉冲标定实验结果进行选取具体地，根据(1)式及1H 与13C 之间的旋磁比关系（HC/4）可知，z 轴脉冲标定实验中存在使1H 旋转4角度（同时13C 旋转角度）的脉冲作用时间点该点在 z 轴标定实验拟合结果中对应的信号强度处在第一个极小值处，根据图 5(c)中所示标定结果，选择对应的脉冲作用时间（0.25 ms）作为HC4()脉冲对应的脉冲作用时间，同理可由 x 轴标定结果得到对应的HC4()脉冲作用时间点（0.26 ms），因为将脉冲作用时间作为实验控制量，在得到HC4()脉冲对应的脉冲作用时间后，即可得到HC(1/2)对应的脉冲作用时间，以此可以确定实验设计方案中的各部分脉冲作用时间 另外，根据图 8(b)脉冲设计可见，13C 自旋选择性实验与1H 自旋选择性实验相比，除考虑HC4()脉冲作用时间点的选取之外，还涉及到负向脉冲磁场的施加实验开始前，通过采集卡 AO 输出对 x 轴脉冲进行正向脉冲与负向脉冲的实际标定测试，结果未表现出二者的信号强度变化规律存在明显差异 在此基础上，根据图 8(a)、(b)所示的组合脉冲序列分别开展针对1H 和13C 的一系列不同翻转角度（）的单自旋选择性脉冲操控实验，其中 的变化以脉冲作用时间为依据，固定脉冲幅值（0.4 V），有助于提高脉冲作用的稳定性对得到的 J-耦合谱的谱峰强度进行测定，即可得到对应的单自旋选择性操控下的NMR 信号强度变化情况，实验结果如图 9 所示 x 轴4(H)1/2(H)z 轴x 轴z 轴(a)(b)1/8(C)1/2(H)1/8(C)(C)4(H)(C)4(H)(C)2(H)1/2(C)1/2(C)2(H)1/2(C)2(H)4(H)(C)2(H)1/2(C)2(H)1/2(C)2(H)1/2(C)2(H)1/2(C)2(H)1/2(C)2(H)1/2(C)2(H)1/2(C)96 波 谱 学 杂 志 第 41 卷 图 9 改进型脉冲序列作用下单自旋选择性操控实验结果.(a)1H 单自旋操控信号；(b)13C 单自旋操控信号 Fig.9 The results of heteronuclear single-spin independent rotations by modified pulse sequence.(a)The signal of individual nuclear spin rotation for 1H;(b)The signal of individual nuclear spin rotation for 13C 从图 9 中可以看出，脉冲序列的改进对于脉冲的作用精度有较明显的提高，根据各自实验结果的拟合R2对比可看出实验结果的改进情况，其中图 7 中各自的 R2值为 0.187 7（1H）及 0.859（13C），而图 9 中对应的拟合 R2值为 0.689 3（1H）及 0.899 8（13C）但与此同时，也可以看出仍然存在实验结果与预期结果之间的偏差，对于仍然存在的测量误差，需后续对仪器硬件系统（如脉冲发生、样品输运等）进一步优化提升此外，由于使用 Qu-spin 磁力计内置的线圈进行传感器周围磁场的补偿，也会将不均匀磁场作用在NMR 样品中，虽然这种干扰相对于预极化场及脉冲场的作用是及其微弱的针对以上问题，在之后研究中具体的改进方向包括脉冲最优作用时间的计算以及系统整体控制的优化，而对于磁力计内部线圈的干扰问题，可能需要利用外部匀场线圈进行剩磁的补偿，同时为保证磁力计周围磁场的均匀性可能需进行多次循环补偿 4 结论 基于原子磁力计的零场 NMR 在获得极窄线宽的同时可实现超高灵敏度探测，是对常规 NMR 的有效补充 本文搭建了一套可移动的小型化零场 NMR 波谱仪样机，并以 NI 控制单元为核心为其设计了一套自动化控制系统，实现了对样品输运、预极化、调控脉冲施加及信号采集与存储的全过程自动准确控制，可用于生物小分子样品的高分辨率 J-耦合谱采集本文以13C 标记的甲酸（H-13COOH）作为标定样品，通过测定矩形脉冲（幅值固定）作用下的 J-耦合谱峰强度，实现了对于脉冲线圈的精确标定，得出脉冲作用时间与实际脉冲磁场强度之间的定量关系另外，在直流脉冲对核自旋不具备选择性调控的条件下，运用13C-1H 异核自旋体系中二者旋磁比之间的关系进行特定组合脉冲的设计，实现了异核体系下的单自旋选择00.10.20.30.40.50.605101520253035信号强度脉冲作用时间/ms10400.10.20.30.40.50.620151050信号强度脉冲作用时间/ms1H 选择性操控实验结果1H 选择性操控理论结果13C 选择性操控实验结果13C 选择性操控理论结果104(a)(b)第 1 期 97 付方跃等：基于小型化原子磁力计的零场 NMR 波谱仪搭建与测试 性操控，为异核多自旋体系的核自旋操控提供了参考 利益冲突 无 参考文献：1 BAHTI A,TELFAH A,LAMBERT J,et al.Optimal control pulses for subspectral editing in low field NMRJ.J Magn Reson,2021,328:106993.2 JOHN W B,TENG WU,JAMES E,et al.Zero-to ultralow-field nuclear magnetic resonance J-spectroscopy with commercial atomic magnetometersJ.J Magn Reson,2020,314:106723.3 TAYLER MICHALE C D,THOMAS T,SJOLANDER TOBIAS F,et al.Invited review article:instrumentation for nuclear magnetic resonance in zero and ultralow magnetic fieldJ.Rev Sci Instrum,2017,88(9):091101.4 TOBIAS F S,JOHN W B,DMITRY 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