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前言
近日，厦门大学电子科学系林雁勤教授课题组在Analytical Chemistry （impact factor 6.35）杂志上发表题为”Fully Exploiting the Power of 2D NMR J‑Resolved Spectroscopy”（Anal. Chem. 2020, 92. 6893-6899.）的研究论文，提出了一种名为CASCADE的新型的J分解谱方法，作者为曾庆（博士生），陈金永（硕士生），詹超群（硕士生），林雁勤教授（通讯作者）和陈忠教授。
介绍
核磁共振波谱是研究分子性质和相互作用的强大的分析工具。同核偶合可以提供宝贵的分子结构信息，但是由于复杂的多重峰和信号重叠，偶合经常难以在拥挤的核磁共振氢谱中解析出来。多维核磁共振实验能提供更好的信号分散度，把核磁共振的分析能力推向新的台阶。其中，二维J分解谱被广泛应用在多重峰分析和偶合常数测量。这里，林雁勤等提出一种新型的二维J分解谱方法，名为CASCADE（coupling analysis by selective coupling allocation and disentanglement）。通过这个方法，可以更方便地分析多重峰，同时也能准确无误地测量某些特定地偶合常数，充分拓展了二维J分解谱的威力。这个方法有望在很多情况下替代传统二维J谱实验，促进分子结构与构象研究以及化学生物研究。
该方法通过在传统自旋回波中插入一个选择性180°脉冲实现偶合的选择性分配，利用PSYCHE模块和N(normal)/R(reversed)型采样获得纯吸收线型。为了得到拥有纯吸收线型的二维谱，需要将N型谱和F1维翻转后的R型谱进行叠加。得到的二维谱需要进行45°旋转，然后可以进行两维的分别投影。在直接维的投影中，与选择的核相偶合的核会表现出二重峰，从中可以方便地测量出相关的偶合常数；而其他的核都呈现为单峰，跟纯化学位移谱类似。而各个信号的间接维投影展示的是多重峰裂分结构，并且跟选择的核相偶合的核的多重峰结构会得到简化，这样也更方便进行多重峰分析。
主要内容
图1. 在甲基丙烯酸丁酯上的实验结果，CASCADE实验中的选择性180°脉冲作用在氢核H7上。(a) 绝对值模式的CASCADE二维谱；(b) 纯吸收模式的CASCADE二维谱；(c) 纯吸收模式的传统二维J谱；(d) 相应的间接维投影；(e) 常规一维谱。
图1展示的是在甲基丙烯酸丁酯上的实验结果。从图1a和b的对比中可以看到拥有纯吸收线型的二维谱的分辨率有明显的提高。在CASCADE二维谱的直接维投影中，跟氢核H7相偶合的H6和H5都表现出二重峰，从中可以测量出偶合常数J7,6和J7,5。而其他核，比如H1，表现出的是单峰。在图1c的常规二维J谱的直接维投影中每个信号都是单峰。在图1d展示的间接维投影中，可以看到CASCADE实验中的H6和H5的多重峰相对于传统J谱已经简化了，而H1的多重峰没有变化。简化的多重峰更方便于裂分模式和偶合分析。
图2. 在士的宁上的实验结果，CASCADE实验中的选择性180°脉冲作用在氢核H15b上。(a) 常规一维谱；(b) 纯吸收模式的CASCADE谱；(c) 纯吸收模式的传统二维J谱；(d) 几个代表性信号的间接维投影；(e) PSYCHEDELIC二维谱；(f) PSYCHEDELIC一维谱。
图2展示的是在士的宁上的实验结果。图2b和c分别展示的是纯吸收模式的CASCADE谱和传统二维J谱。从CASCADE谱的直接维投影中，同样可以测量出H15b和H16，H14，H15a之间的偶合。而在间接维投影中，相关的多重峰也被简化了（图2d）。在45°旋转后的传统二维J谱中，每个信号都呈现一条沿F1方向的多重峰。而在CASCADE二维谱，跟选择的核相偶合的核会在二维谱中呈现两条相同的沿F1方向的多重峰，而其他核则呈现出一条多重峰。例如，从这两张二维谱中的小插图可以看到，H16和H8在传统二维J谱中都呈现一条多重峰（图2c）；而在CASCADE谱中，跟H15b相偶合的H16呈现出两条相同的多重峰，而H8只呈现出一条多重峰（图2b）。CASCADE的这个性质可以帮助辨别需要测量的相关的偶合。该方法也跟PSYCHEDELIC实验做了比较。图2e的PSYCHEDELIC二维谱在间接维可以测量跟H15b相关的偶合。图2f的PSYCHEDELIC一维谱中，跟H15b相偶合的核表现出二重峰，而其他核都呈现单峰，这跟CASCADE二维谱的直接维投影类似。但是PSYCHEDELIC二维和一维谱都不能提供简便的多重峰分析。
作者还在奎宁和雌二醇上进行了CASCADE实验，也获得了比较好的结果。此外，他们还研究了在直接维采用实时J放大的采样模式来进一步提高直接维的分辨率，并且研究了该方法对于强偶合效应的抑制作用。以上这些结果都提供在本论文的补充材料里。
综上所述，CASCADE不仅能提供特定的偶合的准确测量，也能允许进行多重峰分析，并且特定的多重峰会得到简化，更方便于分析。可以说，CASCADE包含了传统二维J分解谱和选择性J谱的功能，但是只需要花费一张传统二维J谱的实验时间。在许多需要解析复杂偶合的场合里，它能比传统J分解谱有更好的表现，促进分子结构与构象研究和其他化学生物研究。相信该方法会有益于那些需要综合获取同核偶合信息的研究，比如复杂分子的结构分析。