Э. Дероум - Современные методы ЯМР для химических исследований (1125882), страница 21
Текст из файла (страница 21)
В последнем методе есть ряд проблем. Большинство радиочастотных зондов работает с сигналами большой мощности. Это очень хорошо прн настройке передатчика, но хуже при настройке декаплера. Еще одна проблема заключаешься в том, что вместо отдельной индикации резонанса и согласования сопротивлений вы видите теперь только суммарный эффект. Поэтому для подбора конденсаторов необходимо пользоваться каким-то систематическим методом, например методом настройки градиентов У н Хз из раздела о шиммированнн (см.
параграф «Настройка разрешения» в разд. 3.3.4), где «2» н «Уз» нужно заменить иа «резонансную частоту» и «согласование сопротивлений» соответственно. Накопив опыт работы с датчиком, вы сможете очень легко определять точку оптимальной настройки, поскольку при правильном согласовании сопротивлений небольшое изменение резонансной частоты дает резкое увеличение показаний индикатора. Если же оба параметра далеки от правильных значений, то нх изменение вообще ие будет давать никакого отклика иа измерн геле, н вам может показаться, что достичь улучшения невозможно. Но это происходит только при сильной расст райке конденсаторов нлн если вы по неопытности слишком далеко повернули регулнровочную ручку.
Динамический диапазон н разрешение АЦП. Необходимость предварительного преобразования ацало~ оного сигнала ЯМР в цифровую форму для проведения численного преобразования фурье оказывает определенное влияние па проведение эксперимента. Ранее мы уже обсудили метод разложения непрерывного в частотной области спектра на дискретные точки, но вернемся к нему еще раз в гл. 8. Дискретность реального спектра ЯМР можно легко увидеть глазами прн тщательном его обследовании, и те, кто хоть раз работал на спектрометре, прекрасно это знают.
В процессе оцифровки наибольшие трудности вызывает определение амллитнуды точки, а не ее частоты. Очень важно тщательно контролировать оцифровку, поскольку в некоторых ситуациях недостаточно аккуратный подход может привести к полному исчезновению пиков, т. е. к резкому снижению чувствительности.
В дальнейшем изложении предпола1ается, что вы уже знакомы с некоторыми компьютерными терминами, такими, как «бнт» н «слово». Входящий в компьютер электрический сигнал ЯМР должен преобразовываться в поток чисел. Мы уже знаем, с какой скоростью и в течение какого времени это следует делать. Осталось только разобраться, в каком виде должны быть представлены числа н где им храниться.
При построении ССИ аналого-цифровой преобразователь (АЦП), ко входу которого прикладывается некоторое напряжение, выдает на выходе пропорциональное этому напряжению двоичное число, помещаемое в память компьютера. Этот процесс характеризуется следующими наиболее важными параметрами: число бнт, используемое АЦП для представления напряжения сигнала; максимально возможная скорость оцифровки; число бит в одном слове памяти компьютера.
Сочетание этих параметров определяет такие характеристики спектрометра, как максимальная ширина спектрального диапазона, диапазон регистрируемых амплитуд сигналов и максимально возможное число прохождений. Прн прочих равных условиях желательно, чтобы АЦП представлял сигнал максимальным числом бит, ио на практике большое число бнт создает дополнительные проблемы. Причина этого станет понятна, если попытаться выяснить, какой диапазон амплитуд может быть представлен, например, в 12 бнт (в спсктрометрах ЯМР обычно используются !2-16-битные АЦП).
Будем считать, что приемник спектрометра настроен таким образом, чтобы максимальный сигнал каждого прохождения как раз заполнял шкалу АЦП, т.е. чтобы ему соответствовало максимальное число. Поскольку один бит используется для знака, максимальное число будет 2" — 1 (немногим более 2000). Минимальный регистрируемый сигнал будет соответствовать минимальному числу, т. е. 1. Отношение этих величин (около 2000: 1) и будет динамическим д'напитана.н 12-битного АЦП.
Необходимость соответствия амплитуды сигналов ЯМР и шкалы АЦП создает некоторые сложное гн. Если самый большой сигнал ССИ оказывается больше шкалы АЦП, то в спектре появляются искажения (рис. 3.13). Если максимальный сигнал точно подходит под шкалу АЦП, то сигналы, в 2000 и более раз меньшие его по амплитуде, оказываются ниже разрешения АЦП н вообще ие регистрируются. В этом случае не поможет и сколь угодно длительное накопление, потому что такие слабые сигналы просто не оцифровываются. Однако, если амплитуда итума больше, чем минимальный оцифровываемый сигнал, малые сигналы, которые скрыты в шуме, обнаружатся при многократном усреднении.
Таким образом, АЦП препятствует выделению сигналов только прн сочетании широкого динамического диапазона с очень высоким отношением сигнал/шум. Обычно такие условия возникают только прн наблюдении протонов. На рис. 3.14 показано влияние длины слова АЦП иа выделение сигналов. Использованный для этих спектров образец содержит еще один сигнал (ие показанный на рисунке), в 100 раз больший максимального из трех приведенных.
Самый маленький сигнал (видимый только на двух верхних спектрах) примерно в 100 раз меньше максимального, таким образом, динамический диапазон составляет 1О 000: 1. Спектры получены за три прохождения при длине слова АЦП в 1О, 12 и 1б бит (все остальные параметры одинаковы); максимальный пнк иа всех спектрах имеет одинаковую высоту. Обратите внимание, насколько вырастает уровень шума с уменьшением разрешения АЦП: прн использовании 1О бит минимальный сигнал уже не виден. Такой дополнительный шум называется итумам оцифровки.
Ограничения по динамическому диапазо- Основные экспериментальные методы чгко зяте мзгзогвг,яглг,гдогв ~е м сгсоагое ьсд. Рис. 3.13. Сильное искажение базовой линии нри переполнении АЦП. Внизу показан спектр, полученный лри правильно подобранном усилении приемника, вверху нри слишком большом. — 16 Йг !2б м зг хс гя гя г,4 г,г г,с сг гг ы хг Ю яг 06 04 .г Рис. 3.14.
Влияние разрешения АЦП на чувствитсльность (подробности см. в тексте). иу чаще всего возникают в биологических исследованиях, где многие образцы должны быть приготовлены обязательно в протонной воде. В этом случае требуются АЦП с самой большой доступной длиной слова и тщательная настройка усиления приемника на точное соответствие максимального сигнала максимальному выходному числу АЦП.
Можно также попробовать подавить самый большой сигнал (методики обсуждаются в гл. 7). Существуют как минимум две чисто практические причины, по которым не всегда можно использовать максимальную длину слова АЦП. Поскольку создание длинного слова требует большего времени, снижается общая скорость оцифровки н соответственно ширина спектрального диапазона. Обычно 12-битный АЦП выполняет одну операцию за 3 мкс, и его максимальная рабочая частота состаиляет 300 кГц, что в соответствии с критерием Найквиста позволяет получать спектры шириной 150 кГц.
Скорость 16-бнтного АЦП понижается до 30 — 50 кГц. Однако даже на приборах с частотой 500 МГц этого вполне хватает для полного перекрытия всего спектрального диапазона протонов в растворах, поэтому первая причина ие так важна. Более серьезные препятствия для использования длинных слов АЦП появляются при проведении длительных накоплений.
При выполнении каждого прохождения к содержимому памяти компьютера добавляется массив 16-бнтных чисел. Если онн по-прежнему представлены в форме двоичных целых чисел, то этот процесс может продолжаться только до тех пор, пока суммарное значение каждой точки данных умещается в слове памяти компьютера. Например, в таком нереальном случае, когда 16-битный АЦП (максимальное число 2'з — 1 и знак) используется с 16-битным словом компьютера, переполнение произойдет уже при выполнении второго прохождения, содержащего сигнал максимальной величины. Надо сказать, что такой случай не всегда бывает нереальным, поскольку 16 бнт-это наиболее распространенная длина слова небольших компьютеров. Раньше, когда было очень трудно увеличивать объем памяти компьютера, недостаточная длина слова составляла довольно серьезную проблему. Для ее решения был предложен ряд схем усреднения данных в коротких словах [5].
Помимо этого часто изготовлялись спектрометры с необычной длиной слова в 20 или 24 бит, представляющие собой компромисс между стремлением к повышению длины слова и снижению стоимости прибора. В последние годы произошло резкое снижение цен иа компьютеры, и проблема исчезла сама собой. Поэтому мы прекратим дальнейшее обсуждение; заметим только, что 24-битное компьютерное слово при 12-битном АЦП достаточно для большинства применений (можно произвести несколько тысяч накоплений). При 16-битном АЦП 24-битного слова не хватает, и лучше использовать 32-бнтное. Более подробное обсуждение этой проблемы проводится в работах [4, 5]. Глава 3 96 Литература 1.
Соловев И'И!, ш: Тор!се ги СагЬоп-13 ЫМК Бресвговсору (сг(. ьсчу О С.), 4, 38 — 51, %!(су, 1984. 2. Нои!! ТХ !., 1и: ТоРкв 1и СагЬоп-13 ХМй 8РесгговсоРУ [ес. ЬсчУ О. С), 3, !б — 27, 'гг'!1еу, 1979. 3. 5аоо!егу .!. Х., гЬи1., 28 — 38, 1979. 4. Маг!го М. !... (ве!риеса .1-3., Магпп С. Х„Ргасцса! ЫМй БРесвговсору, рр. 120-131, Неубсп„1980. 5. Сопрев у.
И' (и: Торкв (и СагЬоп-13 ХМК 8рссгговсору (с4. 1 счу Сг.С.), 2, 411 — 419, %!1еу, 1976. Глава 4 Импульсная спектроскопия ЯМР 4.1. Введение В этой книге рассматриваются физические процессы, но мы все же остаемся химиками и не станем моделировать их строгим математическим путем. Однако такой подход создает дилемму: стараясь ие вдаваться в теоретические подробности импульсного ЯМР, мы рискуем превратить книгу просто в каталог экспериментов и остаться без всякого представления о процессах, происходяцих в образце.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
