从一个信号入口选择不同证据
选择性实验的共同入口是一个频率区域，输出机制各不相同。
读图时保留这项条件：激发带宽需覆盖目标并排除邻峰，否则不能把响应归于唯一入口。
5.9.1 从一个共振出发，获得哪一种约束
选择性一维实验适合核对少数已明确的问题，例如某个小裂分来自哪一组氢、重叠区中哪些信号属于同一自旋系统，或两组已指认的氢是否可能在空间上接近。先修是第4章的脉冲、弛豫与强耦合，以及本章的 COSY 和 TOCSY。读完本节，应能选择实验类型，按 Hz 检查照射范围，并把观察结果写成有条件的结构约束。若未知物尚有大量未指认峰，覆盖全谱的二维实验通常更便于建立整体关系；已有清楚入口时，一维实验可以集中检验局部疑点。
选择性一维实验(selective one-dimensional experiment) 用频率选择性的射频操作扰动一个共振或一个窄频段，再在一维谱中读取其他信号的变化。“一维”描述输出坐标；“选择性”描述被扰动的频率范围，均不保证只对应一个氢原子。
展开说明与推导
选择性同核去耦(selective homonuclear decoupling) 检查可见裂分中属于目标氢组的耦合贡献；选择性一维 TOCSY(selective 1D TOCSY) 提取与入口相连的标量耦合网络；选择性一维 NOE(selective 1D NOE) 检查空间相关响应。三者使用相近的选峰操作，却给出不同约束。Kessler 等（1986）展示了用选择性脉冲把多种同核二维实验转成一维实验的思路；选择哪个版本，取决于需要检验的关系。
| 实验 | 主要观察量 | 可以记录的约束 | 不能直接推出 |
|---|---|---|---|
| 选择性同核去耦 | 其他多重峰中某一裂分消失或简化 | 目标氢组参与该可见标量耦合 | 固定的成键数、所有相关氢均直接相邻 |
| 选择性一维 TOCSY | 从入口传递得到的子谱 | 在给定条件下可传递的同一耦合网络 | 入口与每个响应核都有直接 J 耦合 |
| 选择性一维 NOE | 受扰动后其他信号的空间相关响应 | 检查假象后得到的空间候选约束 | 新增共价键、单个构象、直接距离或绝对构型 |
展开说明与推导
入口必须先有可靠的标签。一个化学信号可以代表两个或三个氢；一个多重峰含有多条谱线。选择整个甲基信号时，实验扰动的是该氢组。若两个不同环境偶然重合，它们可能一起被选中，所得响应也会叠加。此时不能因子谱看起来整齐，就把两个环境合并为化学等价的一组。
5.9.2 选择带宽必须同时容纳目标并排除邻峰
选择带宽(selection bandwidth) 是在规定响应标准下有效扰动的频率范围。实际脉冲的选择轮廓有过渡区，可能有旁瓣；它不等于光标附近一个理想的矩形框。相同形状在保持目标翻转角并重新校准功率时，延长脉冲通常使轮廓变窄。具体宽度仍取决于形状、时长、射频幅度和偏置。去耦照射的有效范围还取决于射频场相对耦合与失谐的大小，不能直接套用某个选择性反转脉冲的宽度。
展开说明与推导
先将 ppm 间隔换成 Hz，再检查多重峰的外侧谱线。用标称氢频率近似参考频率，换算关系为
其中 \(\Delta\nu\) 是两个共振中心的频率差，\(\nu_0\) 是标称氢频率，\(\Delta\delta\) 是化学位移之差。以下全部数字为教学设定。在 500 MHz 仪器上，目标 A 位于 3.58 ppm，是 \(J=7\,\mathrm{Hz}\) 的一阶三重峰，三条线相对中心在 −7、0、7 Hz。邻峰 B 位于 3.62 ppm，是 \(J=8\,\mathrm{Hz}\) 的双重峰：中心相隔 20 Hz，其两条线相对 A 中心在 16、24 Hz。
以 A 中心为零点，20 Hz 的理想全宽覆盖 −10 至 10 Hz，能容纳 A 的三条线，并与 B 的最近谱线留出 6 Hz。若全宽改成 40 Hz，范围扩大到 −20 至 20 Hz，便会覆盖 B 的一条线。这已经足以破坏“只选 A”的解释。此计算只判断频率几何关系；20 Hz 方案是否可用，还要检查轮廓尾部对 B 的实际扰动、目标线宽以及频率漂移。仅比较两个峰中心之间的 20 Hz 间隔，会遗漏最近谱线这一限制。
展开说明与推导
串扰(cross-excitation) 指非目标信号也受到了选择操作。它可以把第二个自旋系统的响应带入 TOCSY 子谱，也可以使去耦或 NOE 的归因混淆。核验时，可先使用不含混合过程的选择性激发或反转测试，观察目标覆盖和邻峰残留；随后在允许范围内改变偏置或带宽。若新响应随邻峰被纳入而出现，应先查串扰。提高场强增加固定 ppm 间隔对应的 Hz 间隔，而 J 的 Hz 数值近似不变，可能改善选择余地；完全同频的环境仍不能靠单一频率窗口分开。
习题 5.9-1 选择窗口的核验
沿用图 5.9-2 的教学设定。把样品移到 200 MHz 仪器，保持化学位移、J 和理想线宽不变。B 的谱线相对 A 中心在哪里？是否存在以 A 中心为中心、覆盖全部 A 谱线而避开全部 B 谱线的理想矩形窗口？
参考解答中心差为 \(200\times0.04=8\,\mathrm{Hz}\)。B 双重峰相对其中心偏移 ±4 Hz，因此相对 A 中心在 4、12 Hz。完整覆盖 A 的 −7、0、7 Hz 要求半宽至少 7 Hz，这必然包含 B 的 4 Hz 谱线，故不存在所要求的窗口。延长脉冲不能消除这一频率覆盖矛盾；应另选可分辨入口，或采用额外维度/编辑条件来区分两组信号。
5.9.3 选择性去耦用裂分变化核对耦合伙伴
去耦的判据是远离照射位置的多重峰发生了哪一种可重复的简化。采集期间对选定氢组施加适当射频，使其给观察核造成的耦合调制得到平均，观察谱中相应裂分减小或消失。样品原有的化学键和 J 参数仍然存在。UCSB 的同核去耦说明（Zhou，2010）强调功率必须兼顾足够去耦和避免邻峰扰动，并提示照射位置可能出现相位异常的伪峰；该位置本身的变形不能作为耦合伙伴的证据。
展开说明与推导
设一个弱耦合三核教学系统中，A 分别与 B、C 耦合，\(J_{\mathrm{A},\mathrm{B}}=8\,\mathrm{Hz}\)，\(J_{\mathrm{A},\mathrm{C}}=3\,\mathrm{Hz}\)。A 的 dd 相对中心在 −5.5、−2.5、2.5、5.5 Hz：先用 8 Hz 分成中心在 ±4 Hz 的两组，再各用 3 Hz 裂分。完整、选择性地去耦 B 后，A 应留下 3 Hz 双重峰，位置在 ±1.5 Hz；去耦 C 则留下 8 Hz 双重峰，位置在 ±4 Hz。这样既核对伙伴，也核对被消除的是哪个裂分量。
把未去耦谱与目标去耦谱按同一位移标尺、分辨率和显示比例叠加；先确认照射范围，再标记其他信号消失的裂分及保留的裂分。用偏离共振的匹配对照检查射频或处理影响。条件允许时反向去耦另一伙伴，核对结果是否相容，同时保存偏置、功率及采集参数。
展开说明与推导
“dd 变 d”成立于相应的一阶近似，并且目标氢组被充分去耦。照射仅覆盖多重峰的一部分、功率不足或目标频率漂移，均可能留下残余裂分。强耦合时，照射会改变整个跃迁图样，简化后的线间距不能一概当作某个 J。遇到屋顶效应或非预期强度变化，应回到第4章的自旋系统检查，用模型比较完整峰形。去耦发现的是标量耦合贡献，长程耦合也能发生；只有结合已知片段、COSY、HSQC 或 HMBC，才可判断对应的成键路径。
5.9.4 TOCSY 子谱与 NOE 响应分开解释
选择性一维 TOCSY 把可分辨信号用作入口共振(starting resonance)，在各向同性混合(isotropic mixing) 期间通过标量耦合传递磁化，再读取子谱。Bax 与 Davis（1985）说明了自旋锁混合中的中继传递：A 先传给 M，M 再传给 X，即使 A 与 X 没有可观测的直接 J，也可出现 X 响应。因而一维子谱中 A、M、X 同时出现，支持它们属于可传递的同一网络，不能据此画出 A—X 直接连接。
展开说明与推导
混合时间(mixing time) 改变传递到网络各处的机会。较短混合常偏向邻近的耦合伙伴，较长混合可以显出中继响应；但各峰的强度还受耦合大小、弛豫、失谐和混合序列影响，并不随路径长度简单递减。入口选择带宽和混合序列的工作带宽也要分别检查：前者决定最初扰动了谁，后者决定整个网络中哪些共振能有效参与传递。响应缺失可能来自弱耦合瓶颈或实验效率不足，不能单独证明两个片段断开。TOCSY 子谱强度也不宜代替常规氢谱积分来计数氢原子。
展开说明与推导
选择性一维 NOE 通过扰动入口核的磁化，检测偶极交叉弛豫造成的其他信号响应。传统稳态差谱比较共振照射与参照照射；梯度选择的瞬态实验通常先选择性反转入口，再让响应在混合时间内发展。两类实验的强度口径不能直接互换。Stott 等（1997）讨论了梯度一维 NOE 中强耦合和不希望出现的反相贡献；观察到小峰后仍需检查峰形、相位和选择性。Odell 与 Claridge（2009）的指南也提醒，瞬态响应依赖混合时间，常规结果不宜随意报告成稳态的百分增强。
NOE 响应可能受自旋扩散(spin diffusion)、化学交换或非目标激发影响。长混合时间下的响应尤其需要排查间接传递。NOE 缺失也可能来自交叉弛豫很弱、运动条件或检测能力。距离依赖、相关时间、信号符号及 NOESY/ROESY 的详细条件见6.2 NOE 的物理基础与6.3 NOESY 与 ROESY；本节只使用经过控制检查的定性空间约束。
习题 5.9-2 同一响应，两个来源
在教学网络 A—M—X 中，选 A 的 TOCSY 在较长混合时间出现 X。另一项选择性 NOE 也出现 X，但只有把混合时间显著延长后才可辨认。能否据此同时确认 A 与 X 直接 J 耦合且直接空间接近？
参考解答不能。TOCSY 的 X 可以经 M 中继，证明的是可传递网络内的联系；直接 J 应另用 COSY、去耦或适当模型检验。NOE 的迟发响应与较慢的直接建立相容，也可能来自 A 经其他核到 X 的自旋扩散。应检查入口轮廓、相位与交换，比较多个较短混合时间的建立情况并核对中间核响应。在这些检查完成前，只记录 X 的响应及其条件，不写“直接接触已证实”。
5.9.5 一份可逐步核对的三碳链指认
以下是为本节编写的教学设定，全部位移、耦合和实验结果均非实测谱。假定质谱已给出分子式 C₃H₇BrO，样品在 CDCl₃、298 K、500 MHz 下测量，呈单一组分。常规氢谱有 A（3.58 ppm，2H，t，7 Hz）、M（2.00 ppm，2H，tt，7 与 6 Hz）、X（3.74 ppm，2H，t，6 Hz），另有一个宽的可交换信号，积分约 1H。HSQC 分别把 A、M、X 关联到 41、33、62 ppm 的碳；编辑谱支持三个碳均为 CH₂。设定满足弱耦合并忽略未分辨的小长程耦合；每组 CH₂ 的两氢在模型中环境等价，且对各固定组外核分别取相同的有效 J。
展开说明与推导
首先核对组成。不饱和度为 \((2\times3+2-7-1)/2=0\)，溴按氢计入，氧不改变此计数。三个非交换信号合计 6H，剩余 1H 可与 OH 相容；三个 CH₂ 又排除了 HOCH₂—CHBr—CH₃ 这种含 CH 和 CH₃ 的候选。位移支持 X 接氧、A 接溴，但这一步仍是环境指认的候选。选择性实验接着检验三个 CH₂ 是否按 A—M—X 相连，而非由不同片段偶然叠成相似裂分。
| 选择操作 | 设定观察结果 | 核验与约束 |
|---|---|---|
| 采集期间去耦 A | M：tt → t，保留 6 Hz；X 基本不变 | M 中 7 Hz 裂分属于 A；无可见 A—X 直接 J 的证据 |
| 采集期间去耦 X | M：tt → t，保留 7 Hz；A 基本不变 | M 中 6 Hz 裂分属于 X |
| 采集期间去耦 M | A、X 均近似成为单峰 | 两端的主要裂分分别来自中央氢组 M |
| TOCSY 选 A | 20 ms 时 M 响应明显、X 很弱；80 ms 时 M、X 均可见 | 与经 M 到 X 的中继传递相容；不新增 A—X 直接边 |
| 结合 HSQC 与编辑谱 | A/41、M/33、X/62 ppm 均为 CH₂ | A 指认为 BrCH₂，M 为中央 CH₂，X 为 CH₂OH |
展开说明与推导
在一阶模型中，M 的 tt 有九个不同的组合频率，理想谱呈九条谱线，相对中心在 −13、−7、−6、−1、0、1、6、7、13 Hz；这些数值来自 7 Hz 三重峰的每一组再被 6 Hz 三重峰裂分。靠得很近的谱线可能未分辨，不能按肉眼可见峰数否定 tt。去耦 A 后只剩 −6、0、6 Hz 三条线，去耦 X 后只剩 −7、0、7 Hz。两次结果共同把 M 的两套主要耦合归属到两端。再用三个碳、氢数和价键检查，得到 BrCH₂—CH₂—CH₂OH；按醇碳为 C1，X 是 H1，M 是 H2，A 是 H3。这里 H1、H2、H3 均是相应碳上两氢的合并标签。宽 OH 只记为可交换信号，暂不依赖它作稳定的传递入口。
此例选择 A 时，A 与 X 中心相隔 80 Hz，X 最近一条线距 A 中心为 74 Hz；经轮廓核验的 24 Hz 全宽可覆盖 A 的 ±7 Hz 谱线，并与 X 保持较大的频率间隔。TOCSY 的 20 与 80 ms 是本题设定，不是通用优化值。若选择性 NOE 中还出现弱 X 响应，需另记混合时间和控制结果：柔性三碳链可能形成两端靠近的构象，也可能发生间接传递。该响应不允许把 A 与 X 再接成环；成环会与分子式给出的零不饱和度冲突。
最终指认表应同时保留“观察”和“解释”：例如“去耦 A 后 M 保留 6 Hz 三重峰”是观察，“A 与 M 有 7 Hz 的主要耦合贡献”是解释。若记录中出现仅凭 TOCSY 连成的边，或仅凭 NOE 增加的化学键，应退回原始证据核查。下一步在5.10 从相关表到分子图中把这些局部关系放入统一编号的分子图，并保留弱长程耦合与空间响应尚未完全解释的条目。
习题 5.9-3 从残余裂分完成指认
沿用表 5.9-2。若只取得“去耦 A 后 M 保留 6 Hz 三重峰”与“选 A 的 TOCSY 出现 X”这两项结果，能否把 6 Hz 归给 A—X？再加入“去耦 X 后 M 保留 7 Hz 三重峰”，应怎样归属耦合并指认 H1、H2、H3？
参考解答前两项不能把 6 Hz 归给 A—X。去耦 A 消除了 M 中 7 Hz 裂分，故 7 Hz 属于 A—M；M 剩余的 6 Hz 还需寻找另一个伙伴。TOCSY 的 X 可由 M 中继，未给出 A—X 直接 J。加入去耦 X 的结果，M 中 6 Hz 消失而 7 Hz 保留，便把 6 Hz 归给 M—X。结合 X/62 ppm 为接氧 CH₂、A/41 ppm 为接溴 CH₂，得到 X=H1、M=H2、A=H3，对应 HOCH₂—CH₂—CH₂Br。结论依赖目标选择性、充分去耦及一阶近似；没有证据要求新增 A—X 边。
关键术语
- 选择性一维实验 (selective one-dimensional experiment)
- 扰动指定频段并以一维谱读取响应的实验类别。
- 选择性同核去耦 (selective homonuclear decoupling)
- 压低选定同种核对观察信号的耦合调制，以检查裂分归属。
- 选择性一维 TOCSY (selective 1D TOCSY)
- 从选定入口沿标量耦合网络传递磁化而得到子谱。
- 选择性一维 NOE (selective 1D NOE)
- 扰动选定入口后读取与偶极交叉弛豫有关的空间响应。
- 选择带宽 (selection bandwidth)
- 按给定响应标准定义的有效频率选择范围，通常以 Hz 表示。
- 串扰 (cross-excitation)
- 非目标共振也受选择操作影响，导致响应归因混淆。
- 各向同性混合 (isotropic mixing)
- TOCSY 中使磁化沿标量耦合网络传递的射频混合过程。
- 自旋扩散 (spin diffusion)
- NOE 解释中通过其他核间接传递磁化的过程，可产生非直接接触响应。
参考文献与延伸阅读
- Odell B, Claridge T. 2009. A User Guide to Modern NMR Experiments. University of Oxford, Chemistry Research Laboratory. 官方指南 PDF。标题页页眉标示 2009；下载文件名中的 2013 为存档名。本节采用选择性 TOCSY 与瞬态 NOE 的定性解释，不沿用当地仪器命令。
- Zhou H. 2010. ¹H Homonuclear Decoupling. University of California, Santa Barbara, NMR Facility. 官方实验说明。用于核对裂分塌缩、选择性与照射位置伪峰；页面功率设置仅适用于其本地设备。
- Kessler H, Oschkinat H, Griesinger C, Bermel W. 1986. Transformation of homonuclear two-dimensional NMR techniques into one-dimensional techniques using Gaussian pulses. Journal of Magnetic Resonance, 70: 106–133. 原论文 DOI；作者所在大学书目信息。
- Bax A, Davis DG. 1985. MLEV-17-Based Two-Dimensional Homonuclear Magnetization Transfer Spectroscopy. Journal of Magnetic Resonance, 65: 355–360. 原论文 DOI；NIH 作者论文存档。用于核对 TOCSY 混合与中继传递。
- Stott K, Keeler J, Van QN, Shaka AJ. 1997. One-Dimensional NOE Experiments Using Pulsed Field Gradients. Journal of Magnetic Resonance, 125: 302–324. 原论文 DOI。讨论梯度一维 NOE 的自旋动力学、强耦合影响与反相贡献。