DE2755091A1

DE2755091A1 - Messverfahren fuer magnetische kernresonanz

Info

Publication number: DE2755091A1
Application number: DE19772755091
Authority: DE
Inventors: Donald Clifford Hofer; Vincent Noel Kahwaty; Carl Robert Valentino
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 1976-12-29
Filing date: 1977-12-10
Publication date: 1978-07-06
Also published as: FR2376413A1; GB1572223A; FR2376413B1; CA1064578A; US4081742A; IT1113838B; JPS5383787A; JPS6128929B2

Description

2755U91

Anroelderin: International Business Machines Corporation, Annonk, N.Y. 1O5O4

te-bd
Meßverfahren für magnetische Kernresonanz

Die Erfindung betrifft ein Meßverfahren für magnetische Kernresonanz nach dem Oberbegriff von Anspruch 1.

Ein bevorzugtes Anwendungsgebiet ist die MeBung von Stoffen, die in einer Flüssigkeit gelöst sind.

Im Stand der Technik sind magnetische Kernresonanz-Spektrometer bekannt, die mit Impulsen arbeiten und bei denen die Signalauswertung mit einer Fouriertransformation (FET) erfolgt. In derartigen Geräten ist im allgemeinen eine Halterung vorgesehen, mit der ein zu analysierender Probekörper In einem starken homogenen unidirektionalen Magnetfeld ausgerichtet werden kann. Ein starker Hochfrequenzimpuls wird dann für eine kurze Zeit an den Probekörper angelegt, wobei In dem Impuls eine Mischung verschiedener Frequenzen enthalten 1st, die die verschiedenen Resonanzgruppen Innerhalb des Probekörpers anregen und ein Induktionssignal erzeugen, das selbständig abklingt ( so genanntes FID-Slgnal). Normalerwelse wden mehrere FID-Signalmessungen durchgeführt, um ein Zeltmittel der verschiedenen Meßpunkte zu erhalten und das Signal-Bauschverhältnis zu verbessern. Das analoge FID-Signal wird dann digitalisiert, um in einem üblichen Digitalrechner mit Hilfe einer schnellen Fouriertransformation das Frequenzspektrum der FID-Signale zu ermitteln. Dieses Spektrum kann sowohl für die quantitative als auch für die qualitative Analyse der Probe verwendet werden¹.

Eine der Schwierigkelten beim Gebrauch von magnetischen Kern- \ resonanz-Spektrometern zeigt sich bei der Analyse von Lösungen j

po 975 O34 80 98 27/066 3

organische^ Komponenten in einem Lösungsmittel, das ebenfalls Kerne enthält, die vom Hochfrequenzimpuls angeregt werden. Dieser Fall tritt beispielsweise bei der Protonenanalyse einer in Wasser gelösten Verbindung auf: die Protonen des Wassers kommen in größerer Menge vor und erzeugen eine sehr viel stärkere Spektrallinie als die eigentlich interessierenden Verbindungen. In dem Spektrum ist somit die Signalspitze des Lösungsmittels sehr viel größer als die des gelösten Mittels, wobei Verhältnisse 10:1 bis 100:1 und mehr festgestellt werden. Die kleineren Signale des gelösten Mittels sind somit schwieriger zu analysieren; es kann außerdem vorkommen, daß die Signalspitze des Lösungsmittels diejenige des interessierenden gelösten Stoffes überlappt oder gar überdeckt.

Zur Vermeidung dieser Schwierigkeit ist eine Inversionstechnik bekannt, beispielsweise aus dem Artikel "Measurement of Spin Relaxation in Complex Systems" von R. L. Void et al, Journal Chem. Phys. Vol. 48 1968, Seiten 3831 bis 3832. Danach wird eine Reihe von 180°- und 90°-lmpulsen mit verschiedenen Zeitabständen angelegt, um so ein Spektrum des Magnetisierungsvektor s MZ längs der Z-Achse für jede Komponente des Spektrums zu erhalten. Eines der so erzeugten Spektren erfüllt dann die Bedingung, daß die Magnetisierung des Lösungsmittels-Signals im wesentlichen Null ist und somit die Signalspitze des Lösungsmittels im Spektrum fehlt. Die übrigbleibenden Signale gehören dann nur noch zu den interessierenden Verbindungen. Die Anwendung dieser Technik wurde jedoch bisher auf die qualitative Analyse von Verbindungen beschränkt und nicht für eine quantitative Analyse herangezogen.

!Quantitative analytische Methoden auf der Grundlage magnetischer Kernresonanz sind im Stand der Technik bekannt, so z.B. ein Verfahren, bei dem ein Spektrum dadurch analysiert

po 975 034 80 98 27/066

wird, daß es in Bereiche mit den verschiedenen Signalspitzen unterteilt wird und die Anzahl der Bereiche gleich oder größer als die Anzahl der Verbindungen in der zu analysierenden Mischung ist. Die Flächengebiete unter den Signalspitzen in derartigen Bereichen werden dann ermittelt und die Konzentrationen der Verbindungen mit Hilfe des folgenden linearen Gleichungssystems bestimmt:

wobei

A^ = Fläche des Spektralbereichs i

a.. = Fläche eines Spektralbereichs, die von einer Konzentration von 1 Gramm pro Milliliter der Verbindung j erzeugt wird,

f. = Konzentration der Verbindung j (g/ml), d.h. der Bruchteil von 1 g/ml, der die Konzentration der Verbindung j in der Mischung darstellt,

N = Anzahl der Verbindungen. Gleichung (1) kann in Matrixform folgendermaßen geschrieben

werden:

A_= a F (2)

f = a"¹ A (3)

Gleichung (3) stellt die Lösung in Matrixform dar. Für das Beispiel zweier Verbindungen in der Mischung lauten die Lösungen:

_Λ _ ^a22 ^Al " ^a12 ^A2 ₍₄₎

809827/0663

"•ι	^a22 ^a	1	- ^a12	^a21
	_ ^a21 ^A	12	^a11	^A2
²	^a21 ^a		^ai1	^a22
PO	975 034

Dieses Verfahren wird beispielsweise in dem Buch "High Resolution NMR", von E. Becker, 1969, Academic Press, New York im Kapitel 12 und den dort angegebenen Literaturstellen beschrieben.

Eine Verbindung quantitativer Meßverfahren mit einer Inversionstechnik ist bisher nicht bekannt geworden; der hierzu erforderliche Aufwand wurde als zu beträchtlich angesehen.

Die vorliegende Erfindung stellt sich dementsprechend die Aufgabe, ein genaues quantitatives Analyseverfahren mit magnetischer Kernresonanz für Stoffe in flüssigen Lösungsmitteln anzugeben, bei denen die Signale des Lösungsmittels diejenigen der gelösten Stoffe an Intensität übertreffen und überdecken.

Diese Aufgabe wird durch die im Hauptanspruch gekennzeichnete Erfindung gelöst; Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen enthalten.

Bei der Erfindung wird in einem ersten Schritt ein Frequenzspektrum der Lösung erzeugt, und dabei die Verstärkung so eingestellt, daß das Signal des Lösungsmittels ein Maximum erreicht, bei dem der Detektor des Spektrometers noch nicht gesättigt wird; in diesem Spektrum kann es vorkommen, daß das Signal des Lösungsmittels einige oder mehrere Signalspitzen der gelösten Stoffe überdeckt oder diesen sehr nahe kommt. Die Relativintensitäten der Signale der gelösten Stoffe sind darin klein im Vergleich zu denen des Lösungsmittels. In einem zweiten Schritt wird ein zweites Spektrum durch Anregung des Probekörpers mit einem 180 -Impuls erzeugt, der nach einer bestimmten Zeitspanne von einem 90°-Impuls gefolgt wird; die Zeitspanne wird so gewählt, daß das Lösungsmittel noch nicht vollständig relaxiert ist, wohl aber die Signale der gelösten Verbindungen und somit das entstehende Spektrum im wesentlichen keine Signale das Lösungsmittel mehr enthält. Diese Messung

po 975 034 80982 7/066

kann mit erhöhter Einstellung der Verstärkung durchgeführt werden, so daß die zu messenden Flächen größer werden und bei der Bestimmung der relativen Flächeninhalte eine größere Genauigkeit erzielbar ist. Im nächsten Schritt des Verfahrens werden die relativen Flächeninhalte unter den Signalen der verschiedenen Verbindungen bestimmt. Die Gewichtsprozente der verschiedenen Verbindungen werden schließlich durch Lösung des Gleichungssysteme berechnet, in dem die relativen Gewichtsprozentanteile proportional zu den Kurvenflächen der verschiedenen Verbindungen und zum Verstärkungsfaktor des Spektrometers sind.

Der Vorteil dieser Erfindung ist die erreichbar·hohe Genauigkeit trotz Signalüberlagerung durch das Lösungsmittel, ohne daß dabei vorhandene Einrichtungen zur magnetischen Kernresonanz in aufwendiger Weise abgeändert werden müßten. Es können somit komplizierte Verbindungen und Zusammensetzungen auf einfache und schnelle Heise gemessen werden.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nun anhand der Zeichnungen näher erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 ein Flußdiagramm des Meßverfahrens, Fig. 2 das Spektrum einer magnetischen Kernresonanz

für eine Lösung, die mit dem vorliegenden Verfahren untersucht werden kann,

Fign. 3 und 4 zwei Kernresonanz-Spektren, die zur ;

Kalibrierung der Einrichtung verwendet j werden, ,

po 975 034 90 98 27/0663

Flg. 5 ein Kernresonanz-Spektrum, das mit einer Inversionstechnik aufgenommen wurde,

Flg. 6 zwei Diagramme zur Erläuterung der Relaxationszelten für die Inversionstechnik.

Bei der quantitativen Analyse von Lösungen nach dem hler vorgeschlagenen Verfahren wird ein magnetisches Kemresonanz-Spektrometer verwendet und die damit erhaltenen Daten anschließend analysiert. Das verwendete Spektrometer arbeitet vorzugsweise im Impulsbetrieb und führt eine Fouriertransformation (FT) durch; außerdem besitzt es eine einstellbare Verstärkung, um den Aussteuerbereich des Empfängers einstellen zu können und erlaubt, verschiedene ImpulsSequenzen an die Probe anzulegen, darunter einen 90 -Impuls und eine Impulsfolge der Form 180°-τ - 90° mit wählbarer Zwischenzeit τ . Ein geeignetes Spektrometer wird beispielsweise von der Firma Bruker Corporation unter der Modellbezeichnung WH 90 FT NMR Spektrometer im Handel angeboten; andere Spektrometertypen sind jedoch ebenfalls verwendbar.

In Fig. 1 wird in einem ersten Schritt 10 ein Spektrum erzeugt, beispielsweise nach Art des Spektrums 12 in Fig. 2. Dazu wird in üblicher Weise ein 90°-lmpuls angewandt, der ein frei abklingendes Induktionssignal (FID) Signal erzeugt, aus dem durch Fouriertransformation (FT) und Phasenkorrektur ein Spektrum der in Fig. 2 gezeigten Art entsteht. Am Beispiel des oben erwähnten Spektrometers WH 90 ist zur Erzeugung des Spektrums in folgender Weise vorzugehen: die zu untersuchende Lösung wird hergestellt und in das Spektrometer eingesetzt. Das Spektrometer wird dann auf die Frequenz des Deuteriums im Lösungsmittel eingestellt und eine geeignete Verstärkung des phasenempfindlichen Verstärkers gewählt: die magnetische Feldstärke wird dazu kontinuierlich verändert, um den Pro-

PO 975 034 109827/0663

2755Q91

beJcörper auf Resonanz abzustimmen, und danach durch Knopfdruck das Feld auf die Resonanzfrequenz des Lösungsmittels verriegelt. Die gewünschte Frequenzverschiebung wird dann über Schalter an der Konsole eingegeben und die Verstärkung so geregelt/ daß das Probesignal Vollausschlag anzeigt. Mit einem an dem Gerät angebrachten Oszillographen kann die Verstärkung so eingestellt werden, daß sich für eines der Spektral-Signalspitzen ein Maximum ergibt, das den Ansteuerungsbereich noch nicht übersteigt. Darauf wird mit dem Spektrometer das Spektrum aufgenommen und dabei mit Hilfe des Oszillographen eine manuelle Phasenkorrektur so durchgeführt, daß alle Signalspitzen über der Grundlinie liegen. Mit einem Schreiber kann dann ein Spektrum nach Fig. 2 aufgezeichnet werden.

Als später noch genauer beschriebenes Beispiel wurde das Spektrum 12 für eine Lösung aus 2 1/2 Gewichtsprozent Diäthyl-Suberat (DES) und 2 1/2 Gewichtsprozent Diäthyltetra-Sebacat (DETDD) in 75% Chloroform (CHCL₃) und 25% Deuterochloroform (CDCL₃) aufgenommen. Diese Lösung wird in der Spektrometrie häufig verwendet, wobei das Deuterochloroform zur Einstellung und Verriegelung der Frequenz auf die Deuteriumresonanz dient. In Spektrum 12 ist eine herausragende Signalspitze 12A enthalten, die auf das Lösungsmittel zurückgeht und drei Bereiche mit Signalspitzen 12B, 12C und 12D, die von den anderen Verbindungen der Lösung hervorgerufen werden. Die Spitzen 12B und 12C sind kaum erkennbar, 12D zeigt an, daß in diesem Bereich eine gewisse Aktivität vorhanden ist. In dem Spektrum ist die chemische Verschiebung relativ zu TMS (Tetramethyl-Silan) angegeben und in Teilen pro Million (PPM) ausgedrückt. Bei dem dominierenden Signal 12A haben die Signale 12B, 12C und 12D keinen ausreichenden Meßbereich zur Verfügung. Bei dieser Verteilung bietet sich die im folgenden beschriebene Inversions- \ technik an. !

^{P0 975 O34} 80 98 27/0683

27Ö5Q91

In dem Flußdiagramm von Fig. 1 wird in Schritt 14 das nach Schritt 10 erhaltene Spektrum untersucht, und festgestellt/ ob das Spektrum eine unerwünschte Signalspitze des Lösungsmittels enthält. Wenn nicht, wird die Spektrokcopie in der üblichen Weise (Schritt 16) durchgeführt. Im allgemeinen gibt es zwei Arten von unerwünschten Signalspitzen; eine davon ist in Spektrum 12 dargestellt, in dem das Signal des Lösungsmittels das System beherrscht oder im Verhältnis zu den Signalen der gelösten Mittel so herausragt, daß eine genaue Analyse der gelösten Stoffe nicht durchgeführt werden kann. Die zweite Art unerwünschter Signale tritt dann auf, wenn das Signal des Lösungsmittels eine oder mehrere Signalspitzen der gelösten Stoffe überlappt oder zerstört, beispielsweise wenn die chemische Verschiebung für beide ungefähr gleich ist und damit eine genaue Bestimmung nicht mehr durchgeführt werden kann. Wenn also in Schritt 14 festgestellt wird, daß unerwünschte Signale des Lösungsmittels vorhanden sind, erfolgt in den Schritten 18 und 20 die Untersuchung, ob eine weitere Analyse nach denen im folgenden beschriebenen Verfahren möglich ist.

Dazu werden in Schritt 18 die Spin-Relaxationszeiten T₁ der verschiedenen Verbindungen mit Hilfe einer Inversionstechnik bestimmt. Derartige Messungen sind bekannt und in der Literatur ausreichend beschrieben. Als Beispiel sei erwähnt "Pulse and Fourier Transform NMR2", von Farrar und Becker, Academic Press 1971, Seite 20 beginnend. Danach werden in Schritt 20 die Resultate verglichen und bestimmt, ob die Spin-Relaxationszeit T. des Lösungsmittels mindestens 5 χ größer ist als die der nächstliegenden Verbindung der gelösten Stoffe. Wenn dies nicht der Fall ist, kann das hier beschriebene Verfahren nicht angewendet werden und die Messung wird in Schritt 22 abgebrochen. Bei einem Unterschied größer fünf wird die nachfolgend beschriebene Kalibrierung durchgeführt. Der Wert 5 als

po 975 034 809827/0R63

Unterschied ist nicht kritisch und wurde aus Zweckmäßigkeitsüberlegungen gewählt. Das Verfahren arbeitet nur dann nicht, wenn die Zelten T- für das Lösungsmittel und die gelösten Stoffe gleich sind. Wenn der Unterschied dieser Zeiten zwischen den Werten 1 und 5 liegt, ist Im Hinblick auf das hier beschriebene Verfahren der gelöste Stoff nicht vollkommen relaxiert; eine solche nur teilweise Relaxation müßte dann als Korrekturfaktor in Betracht gezogen werden, wobei der nicht relaxierte Bruchteil bekannt sein müßte. Bei einem Unterschied der Zeiten von 5 ist die Relaxation der gelösten Stoffe fast 100%, sodaß eine Korrektur nicht erforderlich ist und das Verfahren insgesamt sehr vereinfacht wird.

Die erwähnte Kalibrierung erfolgt mit den Spektren der reinen Verbindungen der gelösten Stoffe, die aufgenommen werden, wenn diese in einem Lösungsmittel gelöst sind, das selbst keine hervorragende Signalspitze erzeugt. In dem schon besprochenen Beispiel wird das Spektrum 25 in Fig. 3 entsprechend durch Ana+ lyse einer Lösung aus 5 Gewichtsprozenten DETDD in CDCL. erhalten. Spektrum 26 entspricht einer Lösung aus 5 Gewichtsprozent DES in CDCL.. Beide Spektren wurden mit der gleichen Phasenkorrektur und der gleichen Einstellung der Verstärkung aufgenommen; die Verstärkung wurde dabei so gewählt, daß die maximale Signalspitze in jedem Spektrum, also die Spitzen 25D und 26D, den Meßbereich jeweils voll ausschöpfen. In beiden Fällen sind die Spitzen 25Ά und 26A der Lösungsmittel relativ unbedeutend. Infolge der chemischen Ähnlichkeit dieser beiden Verbindungen sind die Spektren auch sehr ähnlich und weisen Spitzen B, C und D bei ungefähr der gleichen chemischen Verschiebung auf.

Zur weiteren Analyse der Verbindungen werden in Schritt 28 I verschiedene Bereiche der Spektren zur Analyse ausgewählt; im allgemeinen enthalten die Regionen Signalspitzen, zu denen mehi:

po 975 034 809827/0663

als eine Verbindung Beiträge liefert. Jedes Spektrum wird In eine Anzahl von Bereichen aufgeteilt, deren Anzahl der Zahl der Verbindungen entspricht, die im gelösten Stoff enthalten sind, so daß auf der im folgenden beschriebenen Weise ein Gleichungssystem aufgestellt werden kann, mit dem die einzelnen Komponenten bestimmt werden können. Im obigen Beispiel wird jedes Spektrum in zwei Bereiche 1 und 2 aufgeteilt. Der Bereich 1 erstreckt sich von 0,75 bis 2,75 PPM, Bereich 2 von 3,75 bis 4,5 PPM. In allen Spektren der Fign. 3 bis 5 werden diese gleichen Bereiche verwendet. Die jeweiligen Flächen zwischen dem Spektrum und der Grundlinie werden in jedem Bereich gemessen. Dies kann entweder physikalisch mit Hilfe der Kurve des Spektrums geschehen oder aber durch Integrieren der Fläche mit Hilfe eines Rechners für den Fall, daß das Spektrometer mit einem Digitalrechner verbunden ist. In den Fign. 3 und 4 sind die jeweiligen Flächen mit A₁₁, A₁₂, A₂₁, und A₃₂ bezeichnet. Die Indizes geben jeweils die Nummer der Verbindung und die Nummer des Bereichs. Unter Verbindung 1 wird DETDD und unter Verbindung 2 DES verstanden.

In Schritt 30 wird danach die Fläche pro Einheitsgewicht a,. bestimmt, indem die in Schritt 28 abgemessenen Flächen durch das in Gramm pro Milliliter ausgedrückte Gewicht der Verbindung dividiert wird, die der jeweiligen Fläche zugeordnet ist. Die entstehenden Zahlen stellen dann die durch die betreffenden Verbindungen in den betreffenden Bereichen erzeugten Flächen pro Gewichtseinheit dieser Verbindungen dar, und zwar für eine vorgegebene Einstellung der Verstärkung G des Spektrometers. Die beiden Kaiibrierungsspektren werden wie gesagt

bei der gleichen Einstellung der Verstärkung erzeugt.

Im nächsten Schritt 32 wird der Wert von τ bestimmt oder berechnet, der erforderlich ist, um die Signalspitze des Lösungsmittels auf ein Minimum herabzusetzen, wenn das endgültige

^{P0 975 O34} 809827/0663

275509

Spektrum erzeugt wird. Zum besseren Verständnis dieses Vorganges wird auf Fig. 6 verwiesen, die zwei theoretische Diagramme des Magnetisierungsvektors dargestellt, wie sie zur Berechnung der früher erwähnten Relaxationszeiten T. verwendet werden. Diagramm 34 zeigt eine Reihe von Punkten, die für das gelöste Mittel gemessen wurden, Diagramm 36 eine ähnliche Punktfolge für das Lösungsmittel. Die vertikale Achse stellt den Magnetisierungssektor dar; auf der horizontalen Achse ist die Zeitdauer τ aufgetragen, die in der Impulsfolge .« 18Ο°-τ -90° zur Erzeugung der FID-Signale verwendet wird. Derartige Diagramme sind im Stand der Technik bekannt; ein Beispiel hierfür ist in dem früher erwähnten Buch "Pulse and Fourier Transform NMR" enthalten. Jeder Kurvenpunkt gibt die ursprüngliche Höhe des FID-Signals an, die proportional zum Betrag des Magnetisierungsvektors M ist. Wie üblich, soll das Spinsystem längs der Z-Achse eines rechtwinkligen Koordinatensystems ausgerichtet sein und,im Gleichgewicht eine Magnetisierung M₀ aufweisen. Der 180°-Impuls kehrt dann die Magnetisierung längs der Z-Achse um. Während der Zeit τ erfährt das Spinsystem eine longitudinale Relaxation, bei der die Magnetisierung vom Wert -M₀ über den Wert O zum Gleichgewichtswert +M₀ übergeht. Nach der Zeit τ wird ein 9O°-Impuls ebenso wie der 180°-Impuls längs der X-Achse angelegt und dreht somit M gegen die Y-Achse. Dadurch wird ein FID-Signal erzeugt, dessen ursprüngliche Höhe proportional zu M ist. Jeder Punkt in beiden Diagrammen von Fig. 6 stellt diese ursprüngliche Höhe dar. Hier ist zu beachten, daß bei den Punkten, an denen die Diagramme die Nullachsen schneiden, der nachfolgende 90°-Impuls kein FID-Signal erzeugt, da dann in der Probe keine Z-Komponente der Magnetisierung vorhanden ist.

Aus dem Vergleich der Darstellungen 34 und 36 ergibt sich, daß die Relaxationszeit des Lösungsmittels mehr als 5 mal größer ist als diejenige der gelösten Stoffe; dies zeigt sich

PO 975 034 8098 27/06 63

in den verschiedenen Steigungen der beiden Kurven. Diese Verschiedenheit kann nun in folgender Weise ausgenutzt werden; wenn die Kurve 36 für das Lösungsmittel die Nullachse bei T₁ schneidet, ergibt sich aus Kurve 34, daß bei diesem Wert von T₁ das System der gelösten Stoffe vollkommen relaxiert ist und seinen Gleichgewichtswert eingenommen hat. Wenn also die Lösung einer Impulsfolge 180°- τ-,-90° unterworfen wird, ist der 9O°-Impuls hinsichtlich der Erzeugung eines FID-Signals des Lösungsmittels vollkommen unwirksam, nicht jedoch im Hinblick auf ein Signal der gelösten Stoffe. Dieses Verfahren ist als Inversion bekannt; damit kann zumindest theoretisch das aufgrund des Lösungsmittels entstehende Signal unterdrückt werden. In dem oben betrachteten besonderen Beispiel betrug die Zeitspanne T₁ für ein Lösungsmittel mit dem Spektrum 12 3,5 Sekunden; mit diesem Wert wird dann auch das in Fig. 5 dargestellte Spektrum erzeugt.

Bevor dieses Spektrum jedoch aufgenommen wird, erfolgt in Schritt 34 eine Änderung der Verstärkung im Spektrometer vom Wert G (Kalibrierung) zum Wert G (Analyse) , damit der

C A

volle Meßbereich des Geräts ausgenutzt werden kann. In Schritt 40 wird dann ein Spektrum 42 der zu untersuchenden Mischung aufgenommen, derselben Mischung, mit der früher Spektrum 12 erzeugt wurde. Zu diesem Zweck wird das Spektrometer mit einer Impulsfolge 18Ο°-τ₁-9Ο° betrieben, wobei T₁ gleich der Zeit ist, die anhand von Fig. 6 ermittelt wurde; die gelösten Verbindungen haben dann eine vollkommene Relaxation erfahren während das Lösungsmittel nur teilweise relaxiert ist. Die Verstärkung des Spektrometers wird so eingestellt, daß sich für den Bereich 42D ein maximales Signal ergibt. Zum Spektrum 42 gehört eine Spitze 42A, die dem Lösungsmittel entspricht, sowie die Spitzen 42B, C und D, zu denen jeweils die Verbindungen der gelösten Stoffe Beiträge leisten. Theoretisch sollte durch die Verwendung von T₁ jedes Signal des Lösungs-

PO 9 75 034 8098 27/0663

mittels verschwinden, in der Praxis ist dies jedoch nicht der Fall, sondern es wird nur kleiner, da nicht alle auf die Atome '■ einwirkenden Kräfte überall gleichförmig sind. Die Verzerrung des Signals 42A unterhalb der Grundlinie ist hauptsächlich auf Inhomogenitäten des HF-Feldes zurückzuführen. Bei der Aufnahme des Spektrums in Fig. 5 ist die Verstärkung auf einen Wert eingestellt, der ungefähr 20 mal größer ist, als bei der Aufnahme des Spektrums bei Fig. 2, sodaß die Höhe der Spitze 42A in Wirklichkeit nur ungefähr 1/20 stel der Höhe von Spitze 12A wäre, wenn beide bei der gleichen Verstärkung aufgezeichnet werden wurden.

Im nächsten Schritt 44 werden die im Spektrum 42 unter den Bereichen 1 und 2 eingeschlossenen Flächen gemessen oder berechnet. Danach werden im Schritt 46 die im folgenden angegebenen Gleichungen gelöst, indem die aus Schritt 44, Schritt 30 bekannten Faktoren und die verschiedenen während der Kalibrierung und während der Analyse verwendeten Verstärkungsfaktoren eingesetzt werden:

^A1 G7 ^m ^all^fl ^{+ a}ll^f2

^A2 of * ^a21^fl ^{+ a}22^f2 '

hierbei sind

A. und A₂ die jeweiligen Flächen unter den Signalspitzen in

den Bereichen 1 und 2 des Spektrums 42,

G und G. die jeweiligen Verstärkungsfaktoren des Spektro-

C A

meters während der Schritte 24 und 40, ^all' ^a12^{r a}21 "¹^ ^a22 ^^e Result*^^{0 aus} Schritt 30,

f. und f_ die Konzentrationen der Verbindungen 1 und 2.

Für den Fall von N Verbindungen lautet die allgemeine Lösung:

^Gc "
^{1 G}A j=l ^{iD D}

po 975 034 809827/0663

Der hler beschriebene Fall der Analyse eines gelösten Stoffes mit zwei Verbindungen läßt sich ohne weiteres für mehrere Verbindungen erweitern. Auch der Fall, daß sich die Signalspitze des Lösungsmittels mit einer der Signalspitzen der gelösten Stoffe überschneidet, läßt sich ohne Schwierigkeit lösen. Ein Beispiel hierfür ist die Untersuchung von Milch auf Laktose, wo die Signale der Laktose so nahe an den Signalen von Wasser liegen, daß sie durch diese beeinflußt werden. Da die Relaxationszeit der Laktose ungefähr 10 mal kürzer ist als die von Wasser, erlaubt die hier angegebene Inversionstechnik eine genaue Messung in Bezug auf Laktose. Die Möglichkeit, die Verstärkung anzuheben, wenn die Signalspitzen des Lösungsmittels unterdrückt werden, erlaubt eine bessere Ausnutzung des Meßbereichs und größere Genauigkeit bei der Untersuchung und dem Betrieb der Analyseeinrichtung.

^{P0 975 O34} 8098 27/0663

Claims

- Y-

PATENTANSPRÜCHE -—ν

) Meßverfahren mit magnetischer Kernresonanz (NMR) zur ■"" quantitativen Untersuchung von in einer Flüssigkeit gelösten Stoffen mit einer oder mehreren Verbindungen, deren NMR-Spektren durch das Lösungsmittel gestört werden, unter Verwendung eines NMR-Spektrometers mit einer Einrichtung zur Fouriertransformation, gekennzeichnet durch folgende Schritte:

a) Feststellung, ob die Relaxationszeit des Lösungsmittels größer ist, als die längste Relaxationszeit aller zu untersuchenden Verbindungen,

b) Anlegen einer Folge von HF-Impulsen in der Reihenfolge 180°-Impuls, Zeitabstand τ , 90 -Impuls, wobei der Zeitabstand τ so gewählt wird, daß dann die Verbindungen der gelösten Stoffe praktisch völlige Relaxation erfahren haben, das Lösungsmittel jedoch nur teilweise relaxiert ist und Aufnahme des Spektrums mit einer Wahl des Verstärkungsfaktors G so, daß der Aussteuerbereich des Spektrometers ausgenutzt wird,

c) Aufteilen des Spektrums in eine der Zahl der Verbindungen entsprechende Anzahl N gleich großer Bereiche und Messung der Flächen A., die in jedem Bereich zwischen Spektrum und Grundlinie eingeschlossen ist,

d) Auflösung des Gleichungssystems

wobei

^aij^dd

bedeutet, wenn die reine Verbindung j mit bekannter Konzentration und bei der V«
Spektrometers gemessen wird

a.. die Fläche in dem gebildeten Spektralbereich i led«
Konzentration und bei der Verstärkung G_c des gleichen

⁹⁷⁵⁰³⁴ 809827/0663

ORIGINAL INSPECTED

und f. die Konzentration der Verbindung j ist, die durch Lösung des Gleichungssystems ermittelt werden soll.
2. Meßverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Faktoren a.. des Gleichungssystems dadurch bestimmt werden, daß die reine Verbindung j in bekannter Konzentration in einem Lösungsmittel aufgelöst wird, das selbst keinen Beitrag zum Kernresonanzspektrum liefert und für diese Mischung bei bekanntem Verstärkungs G

ein Spektrum aufgenommen wird, das in eine Anzahl gleicher Bereiche unterteilt und bezüglich der entstehenden Flächeninhalte ausgewertet wird, und daß die ermittelten Flächen durch die Gewichtskonzentration der reinen Verbindung dividiert werden.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Verstärkungsfaktoren G und G. jeweils so eingestellt werden, damit die Signalspitzen des Spektrums den gesamten Aussteuerbereich überstreichen.
4. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß Verbindungen untersucht werden, deren Spin-Relaxationszeiten T sich mindestens um den Faktor 5 unterscheiden.

po 975 034 8098 27/06