可疑交叉峰先经过三项检查
二维峰的存在、坐标与结构意义要分开检验。
读图时保留这项条件：真实转移也可能被误解释，不能只凭峰的形状决定连接。
5.11.1 先检查坐标：折叠改变表观位置
本节以第4章的采样与处理知识，以及本章 COSY、TOCSY、HSQC 和 HMBC 的约束范围为先修。学习任务是判断一个疑似交叉峰能否支持指认，说明一处缺峰的条件，并提出针对性的核验。以下数值和轮廓均为教学设定；它们用于演示诊断步骤，不是实测数据。全文坐标对统一按“横轴 \(F_2\)，纵轴 \(F_1\)”书写。核种随实验明确标出，不能根据图在纸上的方向猜测。
伪影(artifact) 是采集或处理引入、不能按目标实验机制解释的谱图特征。歧义(ambiguity) 则允许特征真实存在，但其来源、原子指认或结构含义尚有多种解释。交叉峰数不直接等于氢数，也不直接给出键数。COSY 约束标量耦合，TOCSY 约束自旋系统，HSQC 主要约束直接相连的氢与碳；各自还受实验选择性和可见性限制。
展开说明与推导
折叠(folding; spectral aliasing) 发生在采样对频率的区分范围不足时。落在谱窗外的共振可能显示在窗内，得到一个错误的表观位移。直接维和间接维的过滤、编码方式不同，不能因一维氢谱的窗外信号受到抑制，就认定二维谱的间接维也不会折叠。伯尔尼大学的 HSQC 谱窗教学资料明确指出，间接维谱窗必须覆盖目标信号，或采用已知映射规则的受控折叠。
教学设定采用常规复数正交编码的相敏 \(^{1}\mathrm{H}\)–\(^{13}\mathrm{C}\) HSQC：\(F_2\) 为氢位移，\(F_1\) 为碳位移。碳窗从 0 到 100 ppm，取左端包含、右端不包含的区间。一处峰读作 \((7.20,30.0)\) ppm；独立碳谱中有 130.0 ppm 信号。第一步先查采集参数，确认 100 ppm 是实际采集谱宽，不能把显示裁剪范围当成谱宽。第二步列出与表观位置相容的折叠阶数：
这里 \(\delta_{\mathrm{C,true}}\) 是真实碳化学位移，\(k\) 是整数折叠阶数；公式使用带 ppm 单位的位移表示。取 \(k=1\) 得 130.0 ppm，取 \(k=0\) 得 30.0 ppm。该映射假设此编码的频率按一个采集谱宽周期重复，不适用于所有镜像或相位编码方式；真实数据须核对脉冲程序与处理模式。位移经验区间只能帮助提出候选，不能代替此核对。
第三步将碳窗扩为 0–160 ppm，保持样品条件、参考和氢窗一致，并安排足够的间接维采样以保留所需分辨率。教学设定的复查结果是同一氢位置的峰出现在 \((7.20,130.0)\) ppm，原来的 30.0 ppm 位置不再有该峰。这个变化核验了折叠解释。若只有一张窄窗谱和一个经验位移判断，应把碳指认标为待核验；碳谱未见 30.0 ppm 信号也须考虑其灵敏度，不能单独作为证明。
习题 5.11-1 展开一个表观碳位移
教学设定的 HSQC 采用上述周期映射，碳谱窗为 10–90 ppm，实际谱宽为 80 ppm。峰的表观坐标为 \((6.90,48.0)\) ppm，独立碳谱在 128.0 ppm 有信号。求一个可能的真实碳位移，并说明怎样确认。
参考解答先以实际谱宽列候选：\(48.0\ \mathrm{ppm}+k(80.0\ \mathrm{ppm})\)。取 \(k=1\) 得 128.0 ppm，且 \(128.0-80.0=48.0\)，所以它与窄窗中的表观坐标相容。碳谱提供支持，尚未排除真实 48.0 ppm 相关或多峰重叠。扩大碳采集窗使 128.0 ppm 落在窗内，在相同参考下检查氢 6.90 ppm 的相关是否转到该碳位置，并核对原位置是否另有峰。不能只改显示范围，也不能从这个 HSQC 峰推算氢数。
5.11.2 间接维噪声：先找强信号固定的横坐标
\(t_1\) 噪声(t1 noise) 的方向有严格含义。IUPAC Gold Book（2025）将它界定为：在强共振的 \(F_2\) 位置，出现平行于 \(F_1\) 轴的伪信号条纹。本页 \(F_2\) 水平、\(F_1\) 竖直，因此条纹竖向延伸。旋转图纸不会改变定义。它与纵向弛豫时间 \(T_1\) 不同，也不能把所有沿坐标轴的拖尾都统称为此类噪声。
展开说明与推导
二维数据由不同 \(t_1\) 增量的多次采集组成。若强信号强度在增量间有额外波动，这些变化不遵循目标相干的规则演化，间接维变换后便可产生条纹。JEOL 的官方处理说明（Brignall，2023）用增量间的微小强度变化解释这一现象。由于原信号很强，微小的相对变化也可能遮住弱交叉峰；远离强信号估计的背景噪声，不能代表条纹内部的局部背景。
教学设定为 \(^{1}\mathrm{H}\)–\(^{1}\mathrm{H}\) COSY，两轴均为氢位移。强信号 S 位于 4.80 ppm；在 \((4.80,6.00)\) ppm 附近出现一处小轮廓。第一步检查同一 \(F_2=4.80\) ppm 列：若多个不同 \(F_1\) 位置都有不规则轮廓，且这一列的背景明显高于相邻列，应怀疑 \(t_1\) 噪声。第二步在未经对称化的谱图中读取该处 \(F_1\) 切片，检查是否有局部峰形，结合可用的相位与多重峰结构判断。
第三步检查对称位置 \((6.00,4.80)\) ppm，并与对应一维信号对照。COSY 中对称伙伴是核验线索，但一侧受遮蔽或低于检出水平仍可能造成不对称；伙伴缺失不自动证明伪影。第四步保存原数据和处理参数，检查采集稳定性，必要时复采。若条纹随复采改变，而局部峰未能重复确认，应将该相关记为未确认。位于条纹上的真实峰也可能被误删，因此降噪结果须与原谱并列检查。
等高线阈值(contour threshold) 决定哪些强度会显示为轮廓。降低阈值时，真实弱峰和噪声都可能出现。核验应保留相同阈值、正负轮廓设置与参考，比较局部背景、二维峰形及切片。对称化、平滑或降噪可以改变可见性，但不能作为原始独立证据；凡结论依赖这些处理，证据表中应记录其影响。
5.11.3 对角拖尾：近邻相关可能被遮住
对角拖尾(diagonal-peak tailing) 描述强对角峰向周围延伸、妨碍离对角峰辨认的线形。它不是一种唯一机制的名称：色散成分、峰本身的展宽或截断效应，都可能影响附近轮廓。Odell 与 Claridge（2009）的 Oxford 手册指出，常规 COSY 的对角色散拖尾可遮住接近对角线的相关，DQF-COSY 可改善此类辨认。拖尾可沿频率轴展开，不能仅凭“靠近对角线”就判定其来源。
展开说明与推导
设 S 与 A 的氢位移分别为 4.80 和 4.74 ppm。需要检查的 COSY 交叉峰位于 \((4.80,4.74)\) 和 \((4.74,4.80)\) ppm，均靠近强对角峰。第一步放大该区域，同时保留完整强峰作为参照。第二步查看候选轮廓能否与强峰的连续尾部区分；一段尾部穿过候选位置，尚未形成可独立读取的峰，不能写成已观察到相关。图中轮廓形态只用于说明这种遮蔽，不给出真实峰宽。
第三步确认处理模式。相敏数据应按其相位约定检查正、负成分；绝对值模式已经丢失符号，不能靠给图换颜色恢复相位。重新选择窗函数可改善部分线形，却也可能加宽峰或改变弱峰强度。第四步选择补充实验：在灵敏度允许时比较 DQF-COSY，或使用已学的一维选择实验核验。后者须先检查选择带宽；两信号只差 0.06 ppm，在标称氢频率 600 MHz 下约为 36 Hz，选择脉冲可能同时扰动两者。
若新实验仍不能分开拖尾与交叉峰，结论应写为“当前分辨率与局部背景下未能确认 S–A 相关”。把对角线附近整条带删除，会同时删除可能真实的近邻交叉峰；提高等高线阈值，则可能把弱相关隐藏。缺失结果必须和这些处理条件一同保存。
习题 5.11-2 条纹中的轮廓能否写入相关表
一张未对称化的氢氢 COSY 中，强信号在 4.80 ppm。固定 \(F_2=4.80\) ppm 的多个纵向位置都有轮廓；\((4.80,6.00)\) ppm 处有小轮廓，而 \((6.00,4.80)\) ppm 处未见峰。能否确认 4.80 与 6.00 ppm 对应信号存在标量耦合？给出复查步骤。
参考解答目前不能确认。固定强信号横坐标、沿间接维延伸的分布符合 \(t_1\) 噪声的诊断线索，但可能混有真实弱峰。先比较该列和相邻列的局部背景，读取候选位置切片及可用相位，再核对对称位置是否被其他峰或噪声遮住。检查一维氢谱、原始增量数据和采集稳定性，并以保留原谱的重处理或复采检验重复性。对称伙伴缺失只降低当前确认程度；答案应保留“此条件下未确认”，不能直接写成没有耦合。
5.11.4 混合时间：真实传递也可能被误读
混合时间(mixing time) 是指定传递过程得以发展的实验时段，其含义随实验改变。TOCSY 通过标量耦合网络传递磁化，随着混合条件改变，相关可以跨过中间自旋出现。Oxford NMR Facility 的 TOCSY 官方说明将这种过程称为接力传递：A 与 C 即使没有可直接观察的相互耦合，也可通过 B 出现总相关。交叉峰是真实实验结果，却不能据此在分子图中添加 A–C 直接连接边。
展开说明与推导
教学设定有三个已分辨的氢信号 A、B、C，位移依次为 2.00、3.20、4.10 ppm。COSY 已支持 A–B 和 B–C 标量耦合；A–C 在该谱的局部检出条件下未确认。再比较两张 TOCSY，除混合时间外，尽量保持采集、处理和轮廓显示条件可比。表中的 20 与 80 ms 是本题指定值，不能当作所有分子的直接传递、接力传递分界。
| 实验条件 | A–B、B–C | A–C | 可写入的解释 |
|---|---|---|---|
| COSY | 已确认 | 未确认 | 支持两对标量耦合，不把缺峰写成耦合为零 |
| TOCSY，20 ms | 可见 | 未确认 | 此条件尚未提供可确认的 A–C 总相关 |
| TOCSY，80 ms | 可见 | 可见 | A–C 总相关与经 B 的接力传递相容 |
展开说明与推导
诊断先核对 A、B、C 的坐标和指认是否沿用了相同参考，再检查长混合时间下的 A–C 峰是否具有独立峰形。随后将它与 COSY 的网络对照：已有 A–B–C 路径足以解释 A–C 总相关，无须新增直接耦合。这组证据支持三信号属于可传递的同一自旋系统；它仍不足以逐项确定对应原子间的键数。传递效率还受耦合、偏置、脉冲和弛豫影响，短时间缺峰不能排除系统归属，长时间的峰强度也不宜直接排序原子间的键距。
NOESY 和 ROESY 的混合阶段涉及另一类传递机制，只在此作有限引介。长混合时间可能使磁化经中间核传播，称为自旋扩散(spin diffusion)；化学交换也能产生交叉峰（Odell 与 Claridge，2009）。因此不能把一张图中的每个交叉峰都读成直接空间接近，更不能由有峰或无峰直接确定构型。相位、混合时间系列及运动条件须共同检查，具体判据见6.3 NOESY 与 ROESY。
5.11.5 重叠：把未分辨坐标留在证据表中
峰重叠(peak overlap) 使多个来源在当前分辨率下不能独立读取。二维谱增加一个坐标，能分开部分重叠，却不能保证所有来源均被分开。氢位移相同只说明等时性；它既可能来自有环境等价依据的位点，也可能是偶然重合，不能据此反推对称性。Claridge（2016）讨论的结构归属方法需要结合多个实验与实际分辨率，读谱时应保留这些限制。
展开说明与推导
设一维氢谱的 3.50 ppm 区域包含来源尚未拆开的信号。经过折叠排查的 HSQC 在 \((3.50,62.0)\) 和 \((3.50,74.0)\) ppm 有两处相关。第一步可记录两个氢碳相关位置，分别暂记 A 与 B；该结果支持两个不同的带氢碳位点，不能据两个峰就写成恰好两个氢原子。第二步查看 COSY：若 3.50 ppm 区域分别与 1.20 和 2.30 ppm 区域相关，由于氢坐标未分辨，还不能将前者唯一分给 A、后者唯一分给 B。
错误做法是把 3.50 ppm 作为一个确定原子节点，再把两个支路全部接到它上面。这样会把坐标重合误写成共享原子。正确记录可写为“重叠区域 R 与 1.20 ppm 相关；R 与 2.30 ppm 相关”，另列 R 对应的两个 HSQC 碳坐标。第三步选择能拆分来源的复查：检查间接维与直接维分辨率，适当增加真实采样；零填充只细化显示网格，不能补回未采到的信息。必要时改变样品条件使氢信号分开，并重新完成该条件下的指认。
也可从一个已分辨信号的 TOCSY 相关检查系统归属，或采用选择性一维实验，但必须确认选择范围没有同时覆盖 A 与 B。如果改变溶剂或温度，还须检查交换、构象和物种组成是否随之改变，不能机械沿用旧指认。若始终无法拆分，就保留两个可能的支路分配。在下一节的多谱联合结构解析中，分子式、积分和其他相关将用来检验这些分配；二维峰表本身不负责补齐缺失的身份信息。
每条相关记录实验名称、两轴核种、坐标、样品条件和确认状态。折叠待展开、条纹中未确认、对角拖尾遮蔽及重叠来源未分配，应分别写明。缺峰记录同时保留谱宽、混合时间或传递延迟、分辨率与局部检出条件。用于排除候选时，先检查候选所预测的峰在这些条件下是否应当可见；不满足这一前提的缺峰暂不作硬排除。
习题 5.11-3 分开系统归属与直接连接
沿用表 5.11-1 的 A–B–C 教学设定。另有 3.50 ppm 重叠区域 R，HSQC 显示碳坐标 62.0 和 74.0 ppm，COSY 显示 R 分别与 A 和 C 的区域相关。判断以下结论：①A 与 C 之间一定直接成键；②R 只代表一个氢；③可以把 R 的两个相关唯一分给两个碳位点。给出可保留的结果。
参考解答①不成立：长混合时间 TOCSY 的 A–C 相关与通过 B 的接力传递相容，不能直接数键；COSY 未确认 A–C 也不证明其耦合为零。②不成立：一个氢位移区域可以包含多个来源，HSQC 交叉峰数也不直接给出氢数。③目前不能唯一分配：R 的氢坐标未分辨，两个 COSY 相关可能来自不同来源，也可能需要更复杂的分配。保留 A–B、B–C 的 COSY 证据和 A–C 的 TOCSY 总相关，另记录 R 的两处氢碳坐标及 R–A、R–C 区域相关。核验时优先拆开 R 的来源，再逐项指认；拆不开便保留多种支路分配。
关键术语
- 伪影 (artifact)
- 采集或处理引入、不能按目标实验机制解释的谱图特征。
- 歧义 (ambiguity)
- 特征的来源、指认或结构含义仍允许多种解释的状态。
- 折叠 (folding; spectral aliasing)
- 窗外频率因采样与编码映射而显示为窗内表观位置。
- \(t_1\) 噪声 (t1 noise)
- 在强信号固定 \(F_2\) 处平行于 \(F_1\) 的伪信号条纹。
- 对角拖尾 (diagonal-peak tailing)
- 强对角峰周围影响交叉峰辨认的延伸线形，不专指单一机制。
- 等高线阈值 (contour threshold)
- 决定谱图显示哪些强度轮廓的设置，改变它不能独立证明峰的来源。
- 混合时间 (mixing time)
- 指定传递过程发展的实验时段，其机制须随实验说明。
- 自旋扩散 (spin diffusion)
- 磁化经中间核传播，使可见相关未必表示直接空间接近的过程。
- 峰重叠 (peak overlap)
- 多个来源在当前谱图分辨率下不能独立读取的情形。
参考文献与延伸阅读
- IUPAC. 2025. t1 noise. Compendium of Chemical Terminology (Gold Book), 5th ed. 官方条目；DOI。用于条纹方向与坐标定义。
- Universität Bern. NMR-TUTORIAL GUIDE_2.0: 2D 1H,13C HSQC: Spectral Window. 无标明年份，访问于2026-10-11。官方教学页。用于间接维谱窗与折叠的条件。
- Brignall, R. 2023. Extending the power of JASON, part 3: Advanced External Processing, t1 noise reduction. JEOL JASON. 官方说明。用于增量间强度变化与间接维条纹的联系；本文不复制其代码。
- Odell, B.; Claridge, T. 2009. A User Guide to Modern NMR Experiments. University of Oxford NMR Facility. 官方手册。文档页眉年份为2009，链接文件名中的2013为存档标识；用于 COSY 拖尾及混合时间的局限。
- University of Oxford NMR Facility. TOCSY: Total Correlation Spectroscopy. 无标明年份，访问于2026-10-11。官方实验说明。用于同一自旋系统内的接力传递与直接耦合的区分。
- Claridge, T. D. W. 2016. High-Resolution NMR Techniques in Organic Chemistry, 3rd ed. Elsevier. 出版社书目。用于二维谱处理、传递机制和结构归属的方法基线。