Delta (Jeol): Prozessierung und Bearbeitung von NMR-Spektren

Das Programm (kostenfrei, aber Registrierung erforderlich) gibt es von Jeol:

unter "Docs" findet man auch eine ausführliche Anleitung (Delta Processing Guide). Zur Freischaltung des Programms muss man sich von der genannten Webseite noch den "License Key" besorgen.

Experimentelle Spektren

Beispielspektren für den Kurs (z.B. Strychnin) findet man unter S:\delta (/scratch/liebig/delta). Gemessene Spektren der NMR-Serviceabteilung liegen auf der Unix-Workstation nerol, z.B.:

400-MHz-Spektren (Jeol ECX-400):
nerol:/a/data/ecx/delta/
500-MHz-Spektren (Jeol ECP-500):
nerol:/a/data/ecp/delta/

Erstes Beispiel: 1H-NMR von Strychnin

Das Beispielspektrum findet man als
S:\delta\strychnine_proton.1
Dieses sollte in den eigenen (schreibbaren!) (Windows-)Bereich kopiert und wie folgt umbenannt werden:
strychnine_proton-1.jdf
Die Erweiterung .jdf (Jeol Data Format) dient als Kennung, so dass das Programm delta gleich durch Doppelklick darauf gestartet werden kann. "1" ist die Versionsnummer. Alternativ lässt sich delta wie folgt starten:
Start -> Programme -> Delta -> Delta
Die Datei lässt sich dann über den Menüpunkt File -> Auto laden.

Die experimentellen Daten liegen zunächst als FID (free induction decay, freier Induktionsabfall) vor, d.h. das Signal ist eine Funktion der Zeit, f(t). Zur Konvertierung in das Spektrum sind einige Prozessierungsschritte erforderlich, von denen die Fourier-Transformation (FFT: fast Fourier transform) der wichtigste ist. Dabei erhält man das Spektrum als Funktion der Frequenz, g(nu). Im Schnellverfahren lassen sich die wichtigsten Schritte rasch mit folgendem Ein-Knopf-Verfahren erledigen:

  1. Schaltknopf "1H" mit der Maus anklicken
  2. Schaltfläche "GO Process" anklicken

Hinweis: Das Programm delta hat die Eigenschaft, stets neue Versionen der Spektrendateien anzulegen!

Die Prozessierungsschritte im einzelnen

1. Das Programm delta starten.

2. Den Menüpunkt "File -> Auto" wählen und die experimentelle Datei suchen (z.B. strychnine_proton-1.jdf).

3. Über den Knopf "Info" kann man sich die experimentellen Parameter des Spektrums anzeigen lassen; mit "Ok" laden.

4. Die Schaltfläche "Auto Process" anklicken; die folgenden Schritte werden dann gleich ausgeführt.

5. Nullinienkorrektur des FID: Icon DC Balance (bzw. entsprechender Menüpunkt unter "PreTransform").

6. "Faltung" (sozusagen "Multiplikation") mit einer Fensterfunktion, z.B. Menü "Window -> single exponential" mit dem ersten Parameter 0.2 [Hz]. Alternativ kann man auch über das betreffende Icon das "Hamming-Window" wählen. Diese Fensterfunktionen verbessern das Signal-Rausch-Verhältnis; falls man den (exponentiellen) Abfall zu stark wählt, ergibt sich allerdings eine merkliche Linienverbreiterung.

7. Fourier-Transformation: Icon FFT (bzw. entsprechender Menüpunkt unter "Transform").

8. Phasenkorrektur: Icon Machine Phase (bzw. entsprechender Menüpunkt unter "PostTransform"). Diese vollautomatische Phasenkorrektur ist meist gut genug. Sie dient dazu, ein reines Absorptionsspektrum aus dem Rohspektrum zu erhalten, das meist noch einen Dispersionsanteil enthält. (Absorption und Dispersion sind sozusagen um 90 Grad phasenverschoben, sie resultieren aus dem Realteil bzw. dem Imaginärteil.)

9. Umskalierung der x-Achse von "Hz" nach "ppm": Icon PPM (bzw. entsprechender Menüpunkt unter "Display").

Spektrenbearbeitung

Insbesondere als Vorbereitung auf die Integration empfiehlt es sich, zunächst eine Basislinienkorrektur des Spektrums vorzunehmen, damit die mittlere Basislinie tatsächlich den Wert 0 hat. Hierzu dient das entsprechende Icon "Base Correct" (bzw. der entsprechende Menüpunkt unter "PostTransform").

Spreizung (Zoom): Wenn das gesamte Spektrum dargestellt wird, kann man Einzelheiten wie Kopplungsmuster meist nicht erkennen. Im Zoom-Menü (cursor tool) kann man mit Hilfe des "Vergrößerungsglases" einen rechteckigen Bereich auswählen und gepreizt anzeigen lassen. Drückt man die Alt-Taste und die linke Maustaste ("pan data"), so kann man durch das Spektrum scrollen. Das Gesamtspektrum erhält man z.B. durch Drücken der Taste "Pos 1" (Home) zurück.

Kalibrierung: 1H-NMR- und 13C-NMR-Spektren werden definitionsgemäß so kalibriert, dass das TMS-Signal (Tetramethylsilan) die chemische Verschiebung 0 hat. Alternativ benutzt man als sekundären Standard die chemische Verschiebung des Lösungsmittels. Hierzu dient das eingeblendete Menü (cursor tool) "Reference" (bzw. der entsprechende Menüpunkt unter "Display").

Bestimmung der Signallagen und Integration: Hierzu dient das Icon "Peak Pick / Integrate" (bzw. der entsprechende Menüpunkt unter "Display").

Drucken des Spektrums: Erforderlich ist wohl ein PostScript-Drucker, der Spektrenplot kann auch im PS- oder EPS-Format gespeichert werden. Hierzu dient das Icon "Plot" (bzw. der entsprechende Menüpunkt unter "Display").

Speichern bzw. exportieren: über den Menüpunkt "File -> Save" bzw. "File -> Save As...". Interessante Exportformate sind z.B. ASCII (Jeol: Generic ASCII; z.B. zur Verarbeitung in "Origin") oder JCAMP-DX (verschiedene Versionen, Datenaustausch-Format der NMR).

2D-NMR: COSY

Bei der zweidimensionalen (2D) NMR registriert man eine Serie von Messdaten, wobei der Zeitparameter t1 (Evolutions- und Mischphase) inkrementiert wird. Die FIDs werden jeweils als Funktion der Zeit t2 registriert (Detektionsphase). Als Messergebnis erhält man eine Matrix; erforderlich sind die Fourier-Transformation der FIDs bezüglich t2 sowie die Fourier-Transformation der Pseudo-FIDs bezüglich t1.

Die Prozessierung der Daten wird am Beispiel von strychnine_cosy beschrieben (Absolutwert-COSY). Die Rohdaten werden geladen, z.B. über das Icon "Data Processor". Typische Beispiele für Prozessierungslisten findet man im Verzeichnis C:\Programme\JEOL\Delta\global\process_lists. Zum Laden einer Prozessierungsliste wählt man das Icon "Open a Processing List" (bzw. den Menüpunkt File -> Open List). Wenn man sich zu dem genannten Verzeichnis durchgekämpft hat, empfiehlt es sich, dieses unter "Favorites / Add Favorite" abzuspeichern. Als Liste wähle man: 2d_cosy_abs.

Der wichtigste Prozessierungsschritt besteht in den Fourier-Transformationen fft (X, Y). Zur Vorbereitung faltet man die FIDs mit der Fensterfunktion Sinebell Automatic, einer glockenförmigen Kurve (X, Y). "ppm" ändert wie üblich die Skalen von Hz auf ppm (X, Y). "abs" (Y) wandelt die Daten in die Absolutwerte um; mit den Phasen befasst man sich hier nicht. "thresh" (Y) setzt einen Schwellenwert für die Anzeige. "symmetrize" (Y) symmetrisiert das Spektrum entsprechend der theoretischen Forderung; hierdurch unterdrückt man Artefakte und verbessert das Signal-Rausch-Verhältnis. "zerofill:4" (Y) verbessert die digitale Auflösung um den Faktor 4, d.h., jedes Signal wird durch viermal so viele Punkte beschrieben (Interpolation).

Die Durchführung der Prozessierung löst man mit Hilfe des Kamera-Icons aus ("Process File And Put In Data Viewer"). Den Schwellenwert für die Anzeige kann man ggf. über das Kontext-Menü (rechte Maustaste) "level tool" ändern. Im Zoom-Menü kann man ggf. Spreizungen vornehmen, Messungen der Signallagen im Cursor-Menü.

2D-NMR: 1H,13C-HETCOR

Als Beispiel für ein (konventionelles) heteronucleares Korrelationsexperiment (1H,13C) dient strychnine_chshf (C,H-Shift-Korrelation). Die Prozessierung erfolgt weitgehend analog zum COSY-Experiment, wobei aber die Symmetrisierung weggelassen werden muss (!). Eine geeignete Liste steht unter 2d_ch_abs zur Verfügung. Für das genannte Beispiel sollte man den Schwellenwert (thresh) vergrößern (auf etwa 15[%]) oder die Anzeige des 2D-Spektrums mit Hilfe des "level tools" verändern.

Zur Auswertung ist das Cursor-Menü (Cursor Tool) nützlich, mit dessen Hilfe man die Koordinaten der Peaks bestimmen kann. Beispielsweise hat der "unterste" Peak die Koordinaten (116.0 ppm | 8.08 ppm), was einem aromatischen C-H-Fragment zuzuordnen ist. (Infolge der "transpose"-Befehle entspricht die x-Achse der F2-Achse, also der chemischen Verschiebung der 13C-Signale.)

2D-NMR: HMQC

Eine modernere und effizientere Alternative zu HETCOR bietet HMQC (Heteronuclear Multiple Quantum Coherence). Das HMQC-Experiment ist wesentlich empfindlicher als das HETCOR-Experiment, d.h., die Messzeit ist wesentlich küzer. Während im HETCOR-Experiment das Signal im unempfindlichen 13C-Kanal detektiert wird, handelt es sich bei HMQC um ein inverses Experiment, d.h. die Detektion erfolgt im empfindlicheren 1H-Kanal.

Ein Beispiel bietet seidel14_hmqc; dabei enthält Version 1 die FID-Serie und Version 2 das prozessierte 2D-Spektrum. Die Prozessierungsliste kann man der Info (Processing) zu Version 2 entnehmen. Im Unterschied zu HETCOR sind hier die chemischen Verschiebungen der Protonen entlang der x-Achse aufgetragen und diejenigen der 13C-Signale entlang der y-Achse.

2D-NMR: HMBC

Im Unterschied zum HMQC-Experiment zeigt ein HMBC-Experiment (Heteronuclear Multiple Bond Correlation) auch 1H,13C-Kopplungen über mehrere Bindungen an (long range). Beispiele findet man unter seidel14_hmqc oder strychnine_pfg_hmbc.