Align Spectra |
|
化学位移 对核磁共振波谱分析非常重要，因为它反映了所观察核素的化学环境，提供了分子结构的详细信息。
虽然分子中原子核的化学位移通常被认为是相当稳定的，但有许多实验因素（pH 值、盐浓度、溶剂、场不均匀性--不良垫片等）可能会导致化学位移发生轻微甚至相当显著的变化。
这一点在代谢组学/代谢组学NMR 中尤为重要，因为在生物样本的 NMR 波谱中，pH 值差异和其他物理化学相互作用会导致 NMR 峰的偏移。例如，一些重要的代谢物（如柠檬酸盐或牛磺酸）的峰值在不同样本中的化学位移波动是不可控的。这些变化可能会在化学计量模型中对样本造成虚假分组。
这个问题在核磁共振动力学或反应监测 实验中也很常见。例如，请考虑以下反应监测示例：
可以看出，在反应过程中，高亮信号的化学位移会因 pH 值的变化而改变（在本例中，随着水解的进行）。
虽然表征这些化学位移波动有时很重要（例如 pH 值或药物结合引起的化学位移），但一般而言，它们会阻碍模式识别过程，妨碍数据分析的进行（例如，选择需要监测其强度/高度的峰可能更加困难）。
虽然以最佳方式设置实验条件以尽量减少这些化学位移波动（例如使用适当的缓冲器）至关重要，但波谱错位仍可能发生，因此必须采用特殊的后处理方法。
为了解决这种不对准问题，Mnova 包含了几种方法，即
-手动（半自动）全局波谱参照 -全自动全球波谱参照 -波谱配准（包括全球和区域波谱配准）
前两种方法可被视为简单的峰值全局对准方法，因为它们会将整个波谱移动一定的量，而第三种方法则要复杂得多，既可以进行全局对准，也可以进行不同波谱区域的局部对准。
下面对这三种方法进行说明：
1) 手动（半自动）波谱参照 这种方法与众所周知的化学位移参照法相对应，用户可将每个波谱的内部参照峰（如 TMS、DSS、TSP 等）设置为 0 ppm 等。Mnova 的特别之处在于它包含了一个自动调整参数，只需在一个较窄的（用户定义的）区间内寻找最高峰，就可以对许多波谱进行自动参考。
下图（左）显示了 26 个叠加的错位峰。 使用 0.1 ppm 的自动调整参数 进行手动参照， 结果如右图所示：
很明显，这种方法在那些存在局部错位的数据集中无法正常工作，也就是说，当一种代谢物的信号在一个方向上波动，而另一种代谢物的峰值却在不同方向上移动时，这种方法就无法正常工作）。举例来说，我们来看看牛磺酸的模拟数据集：
该数据集是通过随机改变两个 CH2 基团的化学位移生成的。现在，让我们应用全局配准程序，将化学位移参考值定为 3.25 ppm，如下图所示：
不出所料，与 3.25 点的三重化合基团相对应的所有峰都完全对齐，但其他多重化合基团仍未对齐：
我们可以对这种全局配准程序进行扩展，将相同的程序应用于波谱的不同区段。在这种特殊情况下，我们可以选择两个不同的窗口，每个窗口对应一个三重体，并在每个片段局部应用相同的算法。然而，要为每个片段手动选择化学位移基准并不太现实，此外，仅依靠简单地搜索每个片段内的最大峰值也不是一种非常稳健的自动配准方法。
2) 全自动全局波谱参照 在前一种方法中，用户需要选择一个峰值作为配准过程的参考，同时选择自动调整参数的窗口宽度。 Mnova 提供了另一种全自动方法， 可对堆栈中的所有波谱进行全局 配准。该方法使用一个波谱作为参考（有效波谱），然后通过最大化参考波谱与待对齐波谱之间的交叉相关性来对齐所有剩余波谱：
3) 波谱配准（包括全球和区域波谱配准） 单个样本内的对准误差幅度可能是非线性的，因此在整个波谱上应用简单的对准校正具有挑战性。
下面的波谱（强度图或位图绘制模式）就是这种非线性不对齐的一个例子。可以注意到，约 11.6 ppm 处的峰值没有移动，而更高场强处的峰值移动非常明显。 很明显，使用单个参考峰（或全局移动）来校正数据是不够的：
回到上一节中使用的合成数据集，让我们来看看一种半自动方法，该方法专门用于对齐有局部化 学位移变化的波谱。下图显示了配准前的波谱和两个选定区域（上图）以及应用配准算法后的结果（下图）：
Mnova 提供了一种强大而灵活的方法来处理基于分段峰对齐的误对齐，并可在预处理阶段应用全局对齐。 该算法允许用户使用交互式显示屏选择边界位置，但该过程也可实现自动化。
缺失值填充方法 "选项在 "区域配准 "时应用，以重建应用配准时偏移的波谱部分。默认方法是线性填充法，似乎效果不错，但 "终值 "和 "保留旧数据 "也很有效。零点 "方法是用零点来填补空洞。
使用适用的按钮以 XML 格式加载和保存对齐区域。
我们改进了传统的交叉相关算法，使用改进的 Savtizky-Golay 程序计算一阶导数域，其中平滑多项式的阶数是自动计算的。这样做的目的是尽量减少基线失真或峰值过宽可能造成的问题。 我们发现这种方法不仅在代谢组学中非常有用，在反应监测数据集的配准中也非常有用。 Mnova 的 "堆叠 "菜单中提供了这一全面的波谱配准工具包。它既可用于整个波谱（全局配准），也可用于任意长度的序列间隔。根据这些选项，可以采用不同的策略。
下面将展示两个示例（策略）： 策略 1 从原始波谱 (1) 开始，在对齐单个区间之前进行全波谱校正
可以看到，在应用全局对齐后，(2) 中的大部分峰值都已正确对齐，只有左侧的峰值先前已对齐，但在此操作后出现了错位。下一步将解决这个问题。
策略 2 另一种类似的策略是分别对两个不同的波谱区间进行对齐，而不进行全局对齐，如图（1）所示。请注意，左侧区间的峰值已经对齐。
图（2）显示了两个区间对齐后的最终结果。它与策略 1 得到的结果完全相同
|
