流动核磁共振中的纯位移技术：实现连续流动样品的高分辨率监测

作者及机构
本研究的核心团队由法国南特大学的Margherita Bazzoni、Armand Régheasse、François-Xavier Felpin、Patrick Giraudeau、Aurélie Bernard和Jean-Nicolas Dumez*领衔，联合英国曼彻斯特大学的Ralph W. Adams、Gareth A. Morris和Mathias Nilsson，以及法国雷恩大学的Elsa Caytan共同完成。研究成果发表于*Chemistry—A European Journal*，并于2024年12月20日在线发布（DOI: 10.1002/chem.202403385）。

学术背景
核磁共振（NMR）光谱是分析化学中不可或缺的工具，尤其在复杂混合物（如化学反应监测、生物样本分析）的结构解析和定量研究中具有独特优势。然而，传统¹H NMR谱常因信号重叠（signal overlap）而难以解析，尤其在流动核磁共振（flow NMR）应用中，样品连续流动会干扰纯位移（pure shift）技术所需的磁场梯度脉冲，导致信号丢失。纯位移技术通过抑制J耦合（J coupling）效应将多重峰简化为单峰，显著提高分辨率，但其在流动条件下的应用长期受限。本研究旨在开发一种兼容连续流动的纯位移NMR方法，以解决在线反应监测中的分辨率瓶颈。

研究流程与方法
1. 技术挑战与解决方案
- 流动补偿（Flow Compensation）：研究采用Zangger-Sterk（ZS）脉冲序列，通过调整梯度脉冲（gradient pulse）的幅度和时序，抵消样品流动引起的相位分散。实验证明，当梯度幅度调整为g₂=−0.24 g/cm（与流动速率1.5 mL/min匹配）时，信号恢复率超过90%（图1e）。
- 非氘代溶剂处理：流动NMR常使用非氘代溶剂以降低成本并避免干扰反应动力学，但溶剂信号会掩盖目标峰。团队采用WET脉冲序列（Water suppression Enhanced through T₁ effects）高效抑制氯仿信号（7.26 ppm），并结合“交错采样”（interleaved sampling）策略，减少磁场不稳定导致的伪影（图2b）。
- 层流条件优化：实验使用商业流动池（InsightMR, Bruker），确保层流（laminar flow）状态，避免湍流对梯度补偿的干扰。

1. 反应监测应用验证
   
   • 模型反应：以薄荷醇的甲苯磺酰化（tosylation）为模型反应，在氯仿中混合薄荷醇、TsCl（甲苯磺酰氯）和DMAP（4-二甲氨基吡啶），通过HPLC泵以1.2 mL/min流速循环通过NMR探头。
     
   • 数据采集：交替采集WET-¹H和WET-纯位移谱，每次纯位移谱耗时5分钟（16个t₁增量，4次扫描）。纯位移谱聚焦于脂肪族区域（1.0–5.0 ppm），通过降低编码梯度（g₀=0.0047 g/cm）提高信噪比（SNR）。
     

主要结果
1. 分辨率提升：纯位移技术成功将重叠的多重峰（如1.6–1.8 ppm和2.9–3.1 ppm区域）解析为单峰（图1c），使积分精度提高，便于追踪反应物（薄荷醇）和产物（甲苯磺酸薄荷酯）的浓度变化（图3）。
2. 流动兼容性：速度补偿梯度波形在1.5–4 mL/min流速范围内均有效（图S2–S3），为高通量监测奠定基础。
3. 定量验证：纯位移谱与常规¹H谱的峰积分结果一致（图S5），证实其定量可靠性。

结论与价值
本研究首次实现了连续流动条件下的高分辨率纯位移NMR，通过梯度补偿、溶剂抑制和交错采样三大创新，解决了流动与纯位移技术的兼容性问题。其科学价值在于拓展了流动NMR的应用场景，尤其适用于复杂反应体系的实时监测；应用价值则体现在化工过程优化、药物合成监控等领域，为自动化反馈系统提供了新工具。

研究亮点
1. 方法创新：开发首个流动兼容的ZS纯位移序列，通过梯度调谐实现90%信号恢复。
2. 技术整合：将WET抑制与非氘代溶剂结合，降低实验成本的同时保持数据质量。
3. 应用示范：以甲苯磺酰化反应为例，展示纯位移NMR在重叠峰解析和动力学分析中的优势。

其他价值
团队开源了实验数据（Zenodo: 10.5281/zenodo.12806894），为后续研究提供基准。未来计划将PSYCHE（纯位移另一种技术）等更多解耦方法适配于流动体系，进一步提升灵敏度和速度。

（注：全文约2000字，涵盖实验设计、数据分析和应用展望，符合学术报告规范。）