基于数值模拟技术的仿真核磁共振波谱分析方法及分析系统技术方案

本发明专利技术公开了一种基于数值模拟技术的仿真核磁共振波谱分析方法及系统，所述方法包括构建模拟样品分子信息模型及模拟样品分子信息库；构建波谱仪硬件参数；构建波谱序列物理模型；基于前述构建的所述模拟样品分子信息模型及模拟样品分子信息库、波谱仪仪相关硬件参数和波谱序列物理模型，构建核磁共振波谱原始数据采集物理数学模型，进行模拟原始数据采集算法和程序实现，完成原始数据的模拟采集；将前述模拟采集的原始数据经傅立叶变换得到波谱图。本发明专利技术方法及系统可应用于核磁共振波谱应用技术的配套虚拟实验实训平台以及相关技术领域应用人员自学等多方面，具有广泛的应用前景。

Simulation NMR spectroscopy analysis method and analysis system based on Numerical Simulation Technology

The present invention discloses a simulation NMR spectroscopy analysis method and system based on numerical simulation technology. The method includes constructing a simulation sample molecular information model and a simulation sample molecular information database; constructing the spectrometer hardware parameters; constructing a spectral sequence physical model; and constructing the simulation sample molecular information based on the aforementioned construction. The physical and mathematical model of NMR original data acquisition is constructed, and the algorithm and program of simulating original data acquisition are implemented to complete the original data acquisition. The original data of the aforementioned analog acquisition is fused. Spectrum is obtained by vertical leaf transformation. The method and the system of the invention can be applied to the matching virtual experiment training platform of the NMR spectrum application technology and the self-study of the application personnel in the related technical fields, and have a wide application prospect.

【技术实现步骤摘要】
基于数值模拟技术的仿真核磁共振波谱分析方法及分析系统
本专利技术涉及核磁共振
，具体涉及一种基于数值模拟技术的仿真核磁共振波谱分析方法及分析系统。
技术介绍
核磁共振波谱是化学系研究分子和物质结构的重要工具，是国产化程度最低的分析仪器；设备昂贵，台套数有限，科研机时安排紧凑，教学实验机时非常有限；担心学生实验操作会退化设备性能，调坏相关参数；新手易出现操作失误导致设备损坏；实验流程复杂，样品配备，匀场、锁场和调谐匹配需要缓慢仔细调节，占用时间多等原因，导致波谱实验开展薄弱。核磁共振波谱分析技术在有机化学相关领域得到越来越广泛的应用，比如制药、石油化工、有机材料、橡胶材料、生物医药等；越来越多的科研人员需要使用核磁共振波谱分析仪开展相关科研和测试工作。但是核磁共振波谱分析技术涉及到众多的核磁共振技术基础，尤其是序列技术，加上待测样品的复杂多变性，使得仪器的使用和测试数据结果的解释使用出现了很多问题。这些都是源于各领域的从业人员对于核磁共振波谱分析技术的基础原理不了解，对波谱仪的操作流程以及相关参数设置对谱图的影响规律不清楚。为了使相关从业人员更好的快速理解掌握核磁共振波谱分析技术的原理，更好的设置采集参数和硬件调节，从而快速高效准确的操作实验，采集数据并处理谱图，用以开展真机操作前的模拟培训，本专利技术可以满足这个要求。
技术实现思路
本专利技术提出了一种基于数值模拟技术的仿真核磁共振波谱分析方法及分析系统，克服了现有技术存在的上述技术问题。本专利技术提出的基于数值模拟技术的仿真核磁共振波谱分析方法，其包括：构建模拟样品分子信息模型及模拟样品分子信息库；构建波谱仪硬件参数；构建波谱序列物理模型；基于前述构建的所述模拟样品分子信息模型及模拟样品分子信息库、波谱仪仪相关硬件参数、和波谱序列物理模型，结合起来，构建核磁共振波谱原始数据采集物理数学模型，进行模拟原始数据采集算法和程序实现，完成原始数据的模拟采集；将前述模拟采集的原始数据，进行FT变换，得到波谱图。即获得信号频率的一维/二维或三维分布图，也就是一维/二维或三维波谱图。进一步地，本专利技术方法还包括：将上一步得到的波谱图进行谱图处理。所述谱图处理包括相位校正、基线校正、寻峰、积分、测距、化学位移校正等谱图处理方法。进一步地，本专利技术方法还包括：构建所述波谱仪硬件参数的校正模型及模拟调节，用以行硬件系统参数校正，为保证与真机系统操作一致。所述模拟调节包括wobb(自动调谐匹配)、shim(匀场)、lock(锁场)、P1调节等。所述校正模型的构建涉及到物理数学模型的构建。现有技术中在测试样品之前需要将仪器系统校正到最优状态，在每次实验之前都需要进行校正，才能保证最终谱图是有效的，而这些步骤是波谱实验中最花费时间、难度很大。本专利技术则通过基于数值模拟技术对硬件参数进行校正模型的构建及模拟调节，解决前述提到的这些技术问题。其中，步骤1中，构建模拟样品分子信息模型及模拟样品分子信息库，构建常用待分析样品分子的信息模型以及信息库。所述样品分子信息按照自旋体系来确定，可以是两个自旋体系：一个为AmBnCd，A、B、C为相互之间存在偶合的三种自旋核，核子数目分别为m，n，d。另一个为XpYqZw，X、Y、Z为相互之间存在偶合的另外三种自旋核，核子数目分别为p，q，w。本专利技术中，样品分子信息模型不局限于前述两个自旋体系，还可以是三个、四个或更多自旋体系。每个自旋体系内的核子种类不局限于三种，还可以是四种、五种或更多核子种类。优选地，只是自旋体系之间的核是没有J间接偶合的。具体地，对于AmBnCd，构建其化学位移信息为Wa，Wb，Wc，分别表示A，B，C三种核的化学位移值，量纲为ppm；构建两两之间的J偶合信息为Jab，Jbc，Jac，分别表示AB核，BC核，AC核之间的J偶合值，单位为Hz。构建两两之间的D偶合信息为Dab，Dbc，Dac，分别表示AB核，BC核，AC核之间的直接相互偶合值，单位为Hz。XYZ或其他自旋体系依次类推。本专利技术中，为便于扩展分子信息库，也可以由用户自行根据上述规则进行编辑新的分子信息，增加进信息库后，即可成为一种新的样品分子。自行构建分子信息可以通过EXCEl数据库添加，或者通过软件界面参数添加或其他形式添加。主要包括自旋体系数(1，2，3，4或更多)，自旋种类(1，2，3或4)，每种自旋的数目、化学位移、J偶合和D值；需要注意的是，两个不同自旋体系之间的自旋核之间是独立的，即不存在间接偶合J或直接偶合D。其中，分子样品可以为液体样品分子，固体样品分子。固体样品分子主要在于其D值差异。其中，所述弛豫分析相关硬件参数包括主磁场B0、主磁场不均匀性deltaB0、射频场B1、梯度场G，PL1W，P1(或称为P90)，P2(或称为P180)等。其中，所述波谱序列包括单脉冲序列、去偶序列(包括dept45，dept90，dept35等)、同核化学位移相关二维谱COSY序列，同核化学位移相关overhause增强二维谱NOESY序列，异核化学位移相关谱(1H-13CHSQC序列)、异核化学位移相关谱(1H-13CHMBC序列)等。本专利技术中序列构建则是通过给出不同的数据采集模式的控制参数来实现。除了采用上述常用的波谱序列，还可以自行构建新的波谱序列方法和模型。上述序列为本领域基本理论。而现有技术中实际仪器采用序列发生器(硬件)产生一系列控制信号驱动相关硬件完成相关工作。其中，所述波谱图为一维谱图、二维谱图或三维谱图。本专利技术还提出了一种基于数值模拟技术的仿真核磁共振波谱分析系统，用于实现本专利技术所述的基于数值模拟技术的仿真核磁共振波谱分析方法。所述系统包括：模拟样品分子信息模型及模拟样品分子信息库的构建模块，用于构建模拟样品分子信息模型及模拟样品分子信息库；波谱仪相关硬件参数的构建模块，用于构建波谱仪相关硬件参数；波谱序列物理模型的构建模块，用于构建不同波谱序列物理模型；核磁共振FID数据采集物理数学模型的构建模块，用于构建核磁共振FID数据采集物理数学模型，用于原始数据的模拟采集；以及波谱图模块，用于得到信号频率的一维、二维或三维波谱图。进一步，还包括谱图处理模块，用于对前述所得的波谱图进行谱图处理，包括进行相位校正、基线校正、寻峰、积分、测距、化学位移校正等谱图处理。进一步，还包括波谱硬件参数的模拟调节校正模型的构建模块，用于构建波谱硬件参数的模拟调节校正模型。所述模拟调节校正模块包括自动调谐匹配wobb、匀场shim、锁场lock、P1调节等模块进行调节校正。本专利技术还提出了基于数值模拟技术的仿真核磁共振波谱分析系统的用途，所述分析系统应用于核磁共振波谱应用技术的配套虚拟实验实训平台中，还可以应用于相关波谱分析
应用人员自学技术原理中。本专利技术还提出了基于本
技术实现思路
可以开发出核磁共振弛豫谱分析技术仿真分析仪，该仿真分析仪可作为一般核磁共振弛豫谱应用技术的配套虚拟实验实训平台或者作为相关弛豫谱分析
应用人员用于自学技术原理。本专利技术分析方法及系统为仿真分析仪即为一款软件(除了软件运行的计算机载体之外，不含任何硬件)。本专利技术可以实现与一台波谱分析仪(含硬件和软件)完全相同的数据采集和处理功能。本专利技术模拟Bruker的核磁共振波谱仪的TopSpin2.0的本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于数值模拟技术的仿真核磁共振波谱分析方法，其特征在于，所述方法包括：构建模拟样品分子信息模型及模拟样品分子信息库；构建波谱仪硬件参数；构建波谱序列物理模型；基于前述构建的所述样品分子信息模型及信息库、所述波谱仪硬件参数、所述波谱序列物理模型，构建核磁共振波谱数据采集物理数学模型，进行模拟数据采集算法和程序实现，完成原始数据的模拟采集；将上一步骤所模拟采集的原始数据，经傅立叶变换得到波谱图。

【技术特征摘要】
1.一种基于数值模拟技术的仿真核磁共振波谱分析方法，其特征在于，所述方法包括：构建模拟样品分子信息模型及模拟样品分子信息库；构建波谱仪硬件参数；构建波谱序列物理模型；基于前述构建的所述样品分子信息模型及信息库、所述波谱仪硬件参数、所述波谱序列物理模型，构建核磁共振波谱数据采集物理数学模型，进行模拟数据采集算法和程序实现，完成原始数据的模拟采集；将上一步骤所模拟采集的原始数据，经傅立叶变换得到波谱图。2.如权利要求1所述的仿真核磁共振波谱分析方法，其特征在于，进一步地，将如所述权利要求1方法获得的波谱图进行谱图处理，所述谱图处理方法包括相位校正、基线校正、寻峰、积分、测距、化学位移校正。3.如权利要求1所述的仿真核磁共振波谱分析方法，其特征在于，进一步包括硬件参数调节校正步骤；所述调节校正方法包括自动调谐匹配wobb、匀场shim、锁场lock、P1调节。4.如权利要求1所述的仿真核磁共振波谱分析方法，其特征在于，所述样品分子信息按两个及两个以上自旋体系来确定；所述自旋体系包括自旋体系AmBnCd以及XpYqZw，其中，ABC为相互之间存在偶合的三种自旋核，核子数目分别为m，n，d；XYZ为相互之间存在偶合的另三种自旋核，核子数目分别为p，q，w。5.如权利要求1所述的仿真核磁共振波谱分析方法，其特征在于，所述波谱仪硬件参数包括主磁场B0、offset、主磁场不均匀性deltaB0、射频场B1、梯度场G、射频功率PL1W、P1。6.如权利要求1所述的仿真核磁共振波谱分析方法，其特征在于，所述波谱序列包括单脉冲序列、去偶序列、同核化学位移相关二维谱COSY序列，同核化学位移相关overhause增强二维谱NOESY序列、异核化学位移相关谱1H-13CHSQC序列、异核化学位移相关谱1H-13CHMBC序列。7.如权利要求1所述的仿真核磁共振波谱分析方法，其特征在于，所述构建核磁共振波谱数据采集物理数学模型的步骤中，一维谱采集模式下，对每一个自旋体系内的...

【专利技术属性】
技术研发人员：汪红志，宋一桥，王申林，姚叶锋，胡炳文，余亦华，杜小霞，魏达秀，
申请(专利权)人：华东师范大学，
类型：发明
国别省市：上海,31