NMR FID 학습 랩 도움말

이 도움말은 NMR FID 학습 랩의 작업 영역 패널과 5개의 차트 영역을 설명합니다.

빠른 안내

NMR FID 학습 랩은 시간 영역 NMR 신호가 주파수 영역 스펙트럼으로 변환되는 방법을 보여줍니다.

FID(자유 유도 감쇠)는 분광계가 수집한 신호입니다.
FID는 시간 기반입니다. 시간이 지남에 따라 감쇠하는 중첩된 진동 신호로 만들어집니다.
실수부(Real) 및 허수부(Imaginary) FID 채널은 두 개의 직교 검출 채널입니다.
처리는 푸리에 변환 전에 FID를 변경합니다.
푸리에 변환은 시간 영역 FID를 주파수 영역 스펙트럼으로 변환합니다.
위상 보정은 변환된 실수부 및 허수부 주파수 영역 데이터를 결합하여 표시되는 스펙트럼을 만듭니다.
시밍(Shimming)은 자기장 불균일성이 FID 및 최종 스펙트럼을 어떻게 왜곡하는지 보여줍니다.

와이드 화면에서는 작업 영역에 5개 차트 옆에 컨트롤이 표시됩니다. iPhone에서는 앱이 작업 흐름을 소형 패널과 선택 가능한 차트 보기로 집중시키므로 더 작은 화면에서도 동일한 분석을 계속 사용할 수 있습니다.

외부 디스플레이 및 미러링:

지원되는 iPhone 모델에서 NMR FID 학습 랩은 외부 디스플레이 출력을 사용할 수 있습니다. Apple TV로 미러링하려면 제어 센터 􀜊 > 화면 미러링 􀏧을 여세요. 제어 센터 􀜊를 열고 화면 미러링 􀏧을 탭한 다음 Apple TV를 선택합니다.
iPad에서는 외부 디스플레이를 연결하거나 AirPlay용 제어 센터 􀜊 > 화면 미러링 􀏧을 사용합니다. iPadOS가 외부 디스플레이 장면을 제공하면 NMR FID 학습 랩은 연결된 디스플레이에 차트만 표시할 수 있습니다. iPadOS가 미러링을 수행하면 전체 작업 영역이 미러링됩니다.

권장 작업 흐름

피크 설정으로 시작하여 시뮬레이션할 피크와 선택적 커플링을 선택합니다.
이완 및 적분에서 두 피크의 T1/T2 값을 비교하고 이완 지연(d1)을 변경합니다.
감쇠, 피크 폭 및 모델 기반 적분값이 변할 때 원시 FID와 최종 스펙트럼을 관찰합니다.
아포다이제이션, FID 노이즈 및 FID 왜곡을 사용하여 사실적인 획득 및 처리 효과를 적용합니다.
푸리에 변환을 사용하여 제로 필링을 하고 선택적으로 첫 번째 점의 크기를 조정합니다.
위상 보정을 사용하여 주파수 영역 스펙트럼을 보정합니다.
시밍을 사용하여 자기장 불균일성이 피크 모양을 어떻게 변경하는지 확인합니다.
각 차트의 재설정 버튼을 사용하여 해당 차트의 확대/축소/이동 범위를 복원하거나, 작업 영역 도구 모음에서 모든 플롯을 재설정합니다.

패널

피크 설정

처리하기 전에 이 패널을 사용하여 시뮬레이션된 FID를 구성합니다.

첫 번째 피크 위치
첫 번째 공명을 활성화하고 위치를 지정합니다. 슬라이더 범위는 -0.50...0.50입니다. 스펙트럼 중심에서 피크를 멀리 이동하면 FID의 진동 주파수가 증가합니다. 반송파 주파수에서 멀리 떨어진 피크는 시간 영역 차트에서 더 빠르게 진동합니다.

두 번째 피크 위치
두 번째 공명을 활성화하고 위치를 지정합니다. 슬라이더 범위는 -0.50...0.50입니다. 두 피크를 모두 활성화하면 FID는 두 진동 감쇠의 합이 됩니다.

커플링
두 피크 사이의 커플링을 켭니다. 슬라이더 범위는 0.00...50.00입니다. 슬라이더를 높이면 겉보기 스플리팅이 증가하고 FID 및 스펙트럼이 더 복잡해집니다. 값이 높을수록 두 피크는 더 강하게 결합된 AB형 패턴을 형성합니다.

관찰 포인트:

처리 전 실수부 FID 및 처리 전 허수부 FID는 피크 위치와 커플링에 즉시 반응합니다.
FID 처리 및 푸리에 변환 후 스펙트럼은 해당 피크 위치와 커플링 패턴을 보여줍니다.

이완 및 적분

이 패널은 정량 NMR의 핵심 교훈인 d1이 짧으면 적분값이 잘못될 수 있음을 보여줍니다. 시뮬레이션된 두 피크에는 각각 0.5...5.0 s 범위의 독립적인 이완 시간(T1 = T2) 슬라이더가 있습니다. 피크 1의 초기값은 1.0 s, 피크 2의 초기값은 3.0 s입니다.

이완 지연(d1) 범위는 0...24 s입니다. 획득 시간은 5.0 s로 고정되므로 반복 시간은 다음과 같습니다.

TR = 획득 시간 + d1

고정된 90° 펄스 후 각 피크의 정상 상태 회복은 1 − exp(−TR/T1)입니다. T1이 길수록 더 천천히 회복됩니다. 이 단순화된 학습에서는 T1과 T2가 같으므로, 피크의 이완 시간을 늘리면 FID가 더 천천히 감쇠하고 스펙트럼 선이 좁아집니다.

기본값에서 TR은 5.0 s입니다. 피크 1은 약 0.993까지 회복하지만 피크 2는 약 0.811까지 회복합니다. 따라서 화학적으로 동일한 두 신호가 1:1 대신 약 1.22:1로 보입니다. d1 = 10 s이면 TR은 가장 긴 T1의 5배가 되며 비율은 예상값의 약 1퍼센트 이내입니다. 5초 획득 창은 기존 4,096개 샘플 지점을 유지하면서 눈에 보이는 FID 절단을 줄입니다.

표시된 적분값은 알려진 시뮬레이션 피크 1과 피크 2 성분으로 계산됩니다. 이 모델 기반 계산은 표시된 선이 겹치거나 커플링이 활성화된 경우에도 유효하며, 결합된 스펙트럼의 높이나 폭에서 면적을 추정하지 않습니다. 분리된 로렌츠선에서는 면적을 높이 및 반치전폭과 연관 지을 수 있지만, 겹치는 선이나 커플링된 다중선에는 이 방법을 신뢰할 수 없습니다. 가져온 FID에는 알려진 원본 성분이 없으므로 이 교육용 판독값을 사용할 수 없습니다.

이 모델은 정상 상태를 설명하기 위한 교육용 모델이며 연구용 정량 NMR은 아닙니다. 실제 신호는 일반적으로 T1과 T2 값이 다르며, 커플링된 스핀의 이완은 여기서 사용하는 두 성분 포락선보다 더 복잡할 수 있습니다.

아포다이제이션

이 패널을 사용하여 푸리에 변환 전에 FID에 창 함수를 곱합니다. 아포다이제이션은 신호 대 잡음비를 개선하고, 절단 아티팩트를 줄이며, 감도와 해상도를 트레이드오프할 수 있습니다. 녹색 점선 아포다이제이션 곡선은 처리된 FID 차트에 겹쳐서 표시됩니다.

선폭 확장
지수 곱셈을 활성화합니다. 슬라이더 범위는 0.00...10.00입니다. 값이 클수록 FID의 후미 부분이 더 강하게 감쇠됩니다. 이는 종종 겉보기 신호 대 잡음비를 개선하고 절단 아티팩트를 줄이지만, 피크를 넓어지게 합니다.

사인벨(Sinebell)
사인벨 창을 활성화합니다. 슬라이더 범위는 0.00...2.00입니다. 사인벨 가중치는 FID의 중간 또는 후반 부분을 강조하고 0을 향해 점차 줄어들어 절단 현상을 완화하는 데 도움이 될 수 있습니다.

제곱 사인벨(Sinebell squared)
제곱 사인벨 창을 활성화합니다. 슬라이더 범위는 0.00...2.00입니다. 이는 사인벨 테이퍼의 더 강한 버전으로, 끝부분에 더 급격한 가중치를 부여합니다.

가우시안(Gaussian)
가우시안 곱셈을 활성화합니다. 슬라이더 범위는 0.00...10.00입니다. 가우시안 가중치는 종 모양의 창을 적용하여 특정 경우에 겉보기 해상도를 향상시킬 수 있지만, 너무 극단적으로 설정하면 선형이 변경되거나 아티팩트가 발생할 수 있습니다.

관찰 포인트:

처리 후 실수부 FID 및 처리 후 허수부 FID는 처리된 신호와 녹색 아포다이제이션 곡선을 모두 보여줍니다.
최종 스펙트럼은 피크 폭, 피크 모양, 신호 대 잡음비 간의 트레이드오프를 보여줍니다.

FID 노이즈

이 패널을 사용하여 사실적인 무작위 노이즈를 추가하고 신호 평균화(누적)를 탐색합니다.

FID에 노이즈 추가
처리된 FID에서 노이즈를 활성화합니다. 슬라이더 범위는 0.00...4.00입니다. 값이 클수록 두 FID 채널 모두에 더 많은 무작위 변동이 추가됩니다.

누적 횟수
신호 평균화를 제어합니다. 슬라이더 범위는 1...16회입니다. 누적 횟수를 늘리면 노이즈에 비해 신호가 증가하지만, 개선 정도는 누적 횟수의 제곱근을 따릅니다. 실제로 신호 대 잡음비를 2배로 높이려면 약 4배의 누적 횟수가 필요합니다.

스펙트럼 SNR 최종 스펙트럼의 가장 높은 피크를 자동으로 선택한 깨끗한 베이스라인 영역에서 측정한 노이즈와 비교하여 표시합니다. 신뢰할 수 있는 측정값이 있으면 스펙트럼 왼쪽 위에 표시됩니다. 노이즈, 누적 횟수, 아포다이제이션, FID 변형 또는 시밍 슬라이더를 움직이는 동안 실시간으로 갱신되고, 다른 스펙트럼 변경이 안정된 뒤에도 다시 측정됩니다. 노이즈가 꺼져 있거나 신뢰할 수 있는 측정값이 없으면 표시되지 않습니다.

관찰 포인트:

처리된 FID 차트에서 노이즈를 가장 쉽게 확인할 수 있습니다.
최종 스펙트럼에서 노이즈는 베이스라인의 거칠기로 나타나며 작은 피크의 신뢰도를 떨어뜨립니다.

FID 왜곡

이 패널을 사용하여 스펙트럼에 아티팩트를 생성하는 일반적인 획득 또는 수신기 문제를 보여줍니다.

실수부 FID 수직 오프셋
실수부 FID 채널에 수직 오프셋을 추가합니다. 슬라이더 범위는 0.00...1.00입니다. 오프셋은 변환 후 베이스라인 아티팩트를 생성할 수 있습니다.

실수부 FID 수직 스케일링
실수부 FID 채널의 크기를 조정합니다. 슬라이더 범위는 0.00...2.00입니다. 실수부 채널만 스케일링하면 채널 불균형을 시뮬레이션하며, 위상 보정만으로는 해결할 수 없는 스펙트럼 아티팩트를 생성할 수 있습니다.

첫 번째 점 지연
첫 번째 샘플링 지점 이전의 미세한 획득 지연을 시뮬레이션하며, 이는 주로 위상에 영향을 미칩니다. 슬라이더 범위는 0.00...1.00입니다. 이는 획득한 FID에서 소수점 지연 또는 체류 시간(Dwell time)과 관련된 지연처럼 작동합니다.

게인 오버로드
오버로드된 FID 값을 클리핑합니다. 슬라이더 범위는 0.00...1.00입니다. 값이 클수록 클리핑 임계값이 낮아집니다. 현재 구현에서는 실수부 채널의 최대 절대값에서 파생된 제한선을 사용하여 두 채널을 모두 클리핑합니다.

관찰 포인트:

처리된 FID 차트는 신호에 가해진 직접적인 손상을 보여줍니다.
스펙트럼에는 채널 불균형, 오프셋, 클리핑 및 지연 획득으로 인해 발생한 아티팩트가 표시됩니다.

푸리에 변환

이 패널을 사용하여 시간 영역에서 주파수 영역으로의 최종 변환을 제어합니다.

기준선 및 드리프트 보정 가져온 Raw FID에 대해 NMR Tutor는 충분히 감쇠된 복소 FID의 꼬리를 보수적으로 중앙에 맞춘 다음, 부호에 영향을 받지 않는 매끄러운 스펙트럼 기준선을 피팅하여 0으로 이동합니다. Raw FID 데이터는 변경되지 않으며 확실하지 않은 보정은 건너뜁니다. 보정되지 않은 처리 경로를 보려면 이 옵션을 끄십시오.

검출된 디지털 필터 지연 사용 일부 Bruker 및 JEOL FID에는 수신기 지연이 포함됩니다. NMR Tutor는 일반적으로 처리 전에 이를 자동으로 보정하며 Raw FID는 변경하지 않습니다. 이미 보정된 것으로 표시된 파일은 그대로 둡니다. 검출된 디지털 필터 지연 사용을 끄면 보정을 수동으로 조정할 수 있습니다.

제로 필링
활성화되면 앱은 푸리에 변환 전에 FID에 동일한 수의 0을 추가합니다. 이는 주파수 영역 스펙트럼에서 디지털 보간을 증가시킵니다. 제로 필링은 새로운 측정 데이터를 생성하지 않지만, 더 부드러워 보이는 스펙트럼을 제공하고 원래 데이터 포인트 사이의 피크에 대한 더 나은 시각적 위치를 제공합니다.

첫 번째 점 스케일링
활성화되면 변환 전에 첫 번째 FID 포인트에 0.5가 곱해집니다. 이로 인해 스펙트럼 베이스라인이 낮아질 수 있습니다.

관찰 포인트:

제로 필링은 변환된 스펙트럼에 사용되는 포인트 수를 증가시킵니다.
첫 번째 점 스케일링은 주로 최종 스펙트럼의 베이스라인 동작에 영향을 미칩니다.

위상 보정

이 패널을 사용하여 변환된 실수부 및 허수부 주파수 영역 데이터가 표시되는 실수부 스펙트럼으로 결합되는 방식을 보정합니다.

0차
스펙트럼 전체를 같은 양만큼 회전시킵니다. 슬라이더 범위는 대략 -pi...pi(-3.14...3.14)입니다.

1차
스펙트럼 전체에 걸쳐 위상을 선형적으로 변경합니다. 슬라이더 범위는 대략 -pi...pi(-3.14...3.14)입니다.

피벗 포인트
1차 위상 기여도가 0이 되는 지점을 설정합니다. 슬라이더 범위는 스펙트럼 전체의 0...100%입니다. 스펙트럼 차트에서 노란색 다이아몬드 마커를 드래그하여 피벗을 변경할 수도 있습니다. 일반적인 교육 전략은 가장 높은 피크 또는 스펙트럼의 오른쪽에 피벗을 설정하는 것입니다.

관찰 포인트:

위상이 보정됨에 따라 스펙트럼은 더욱 흡수형(Absorptive) 선형을 띠고 분산형(Dispersive) 선형은 줄어들어야 합니다.
0차 변경은 스펙트럼 전체에 광범위하게 영향을 미칩니다.
1차 변경은 피벗 포인트를 중심으로 스펙트럼을 회전시켜야 합니다.

시밍

이 패널을 사용하여 샘플 내부의 자기장 불균일성을 시연합니다.

시밍 활성화
시밍 시뮬레이션을 켜고 끕니다.

Z1~Z6
NMR 튜브를 따라 수직 시밍 항을 조정합니다. 각 슬라이더 범위는 -1024...1024입니다. 이는 축 방향 Z 시밍 전용이며, 이 작업 영역에서는 횡방향 시밍은 계산되지 않습니다.

0으로 재설정
모든 시밍 값을 다시 0으로 설정합니다.

관찰 포인트:

시밍이 불량하면 FID가 왜곡되고 스펙트럼에서 기형, 확장 또는 분리된 피크가 생성됩니다.
최종 스펙트럼이 일반적으로 시밍 품질을 확인할 수 있는 가장 명확한 위치이지만, FID에서도 변조 및 감쇠 변화를 확인할 수 있습니다.
실제 NMR 작업에서 시밍은 일반적으로 획득 전에 수동 또는 자동 시밍 프로그램을 통해 조정됩니다.

차트

처리 전 실수부 FID

이 차트는 활성화된 피크에서 생성된 원시 실수부 시간 영역 FID를 보여줍니다. 노이즈, 왜곡 제어, 아포다이제이션, 시밍 또는 푸리에 변환 이전의 첫 번째 직교 검출 채널입니다.

이를 통해 다음을 확인할 수 있습니다.

피크 위치가 FID 주파수를 어떻게 변경하는지;
지수 감쇠가 포락선(Envelope)을 어떻게 변화시키는지;
커플링이 파형의 복잡성을 어떻게 변화시키는지;
실수부 채널과 허수부 채널의 차이점.

처리 전 허수부 FID

이 차트는 원시 허수부 시간 영역 FID를 보여줍니다. 실수부 FID와 함께 직교 검출을 나타냅니다.

이를 통해 다음을 확인할 수 있습니다.

처리 전의 두 번째 검출 채널;
실수부 채널과 허수부 채널 간의 위상 관계;
두 채널이 모두 스펙트럼을 구성하는 정보를 어떻게 담고 있는지.

처리 후 실수부 FID

이 차트는 처리 과정을 거친 후의 실수부 FID를 보여줍니다. 활성화된 컨트롤에 따라 누적 횟수에 따른 스케일링, 시밍, 실수부 채널 스케일링, 실수부 채널 오프셋, 노이즈, 게인 클리핑, 첫 번째 점 지연, 첫 번째 점 스케일링 및 아포다이제이션이 포함될 수 있습니다.

녹색 점선은 아포다이제이션 함수입니다. 아포다이제이션이 활성화되어 있지 않으면 평평하게 유지됩니다.

이를 통해 다음을 확인할 수 있습니다.

처리 과정이 변환 전에 실수부 시간 영역 데이터를 어떻게 변경하는지;
오프셋, 스케일링, 클리핑 또는 노이즈로 인해 FID가 손상되었는지 여부;
아포다이제이션이 초기 및 후기 포인트에 어떻게 가중치를 부여하는지.

처리 후 허수부 FID

이 차트는 처리 과정을 거친 후의 허수부 FID를 보여줍니다. 실수부 채널에만 명시적으로 영향을 미치는 컨트롤이 허수부 채널을 직접 스케일링하거나 오프셋하지 않는다는 점을 제외하면, 처리된 실수부 차트와 동일한 획득 및 아포다이제이션 작업을 사용합니다.

이를 통해 다음을 확인할 수 있습니다.

노이즈, 게인 클리핑, 시밍, 지연 및 아포다이제이션이 허수부 채널에 미치는 영향;
실수부 채널과 허수부 채널 간의 불일치가 스펙트럼 아티팩트로 어떻게 나타나는지.

FID 처리 및 푸리에 변환 후 스펙트럼

이 차트는 최종 주파수 영역 스펙트럼을 보여줍니다. 처리된 실수부 및 허수부 FID 채널에 푸리에 변환을 적용한 다음, 위상 보정을 적용하여 실수부 스펙트럼을 표시하여 계산됩니다.

처리된 JCAMP-DX 스펙트럼을 열면 실수부 값이 직접 표시됩니다. FID를 만들어 내기 위한 역푸리에 변환은 수행하지 않습니다. 이미 처리된 데이터이므로 아포다이제이션, 푸리에 변환 및 위상 보정 컨트롤은 숨겨집니다. 가져온 허수부 성분은 데이터 세트에 보존되지만 표시되지는 않습니다.

노란색 다이아몬드는 위상 피벗 포인트를 표시합니다. 수평으로 드래그하여 피벗을 변경하세요.

이를 통해 다음을 확인할 수 있습니다.

피크 위치 및 폭;
커플링 패턴;
신호 대 잡음비 변화;
절단 및 아포다이제이션 효과;
첫 번째 점 스케일링 또는 FID 오프셋의 베이스라인 영향;
게인 오버로드, 지연 획득, 채널 불균형 및 불량 시밍으로 인한 아티팩트;
0차 및 1차 위상 보정.

차트 상호작용

각 차트는 다음을 지원합니다.

플롯 영역을 드래그하여 패닝;
플랫폼이 지원하는 경우 핀치 줌;
해당 개별 차트에 대한 스케일 재설정 버튼;
사용 가능한 경우 차트 오디오 재생;
표시되는 데이터 범위를 요약하는 접근성 레이블.

최종 스펙트럼에서는 노란색 위상 피벗 마커 드래그를 추가로 지원합니다.

스펙트럼 헤더의 확대 버튼을 사용하면 스펙트럼 전용 작업 영역이 열리고, 닫기 버튼을 사용하면 원래 화면으로 돌아갑니다. 시뮬레이션 데이터에서는 오버레이의 모든 컨트롤 패널을 사용할 수 있으며, Bruker, Varian 및 JEOL JDF FID에서는 아포다이제이션, 푸리에 변환, 위상 스펙트럼 패널을 사용할 수 있습니다. ppm 스케일은 대략적이며 기준 보정되지 않습니다. 기록된 스펙트럼 폭과 관측 주파수를 사용하고 오른쪽 끝을 0 ppm으로 표시합니다.

실습 실험

피크 폭 및 감쇠

피크 하나를 켭니다.
이완 및 적분에서 해당 피크의 이완 시간(T1 = T2)을 줄였다가 늘려봅니다.
FID 길이를 최종 피크 폭과 비교합니다.

FID가 짧을수록 피크는 더 넓어집니다. FID가 길수록 피크는 더 날카로워집니다.

제로 필링

제로 필링을 끕니다.
최종 스펙트럼의 데이터 포인트 간격을 관찰합니다.
제로 필링을 켭니다.

스펙트럼의 보간이 더 부드러워지지만, 기본 측정 정보가 증가한 것은 아닙니다.

신호 평균화

FID에 노이즈 추가를 활성화합니다.
노이즈 수준을 높입니다.
누적 횟수를 늘립니다.

노이즈는 누적 횟수에 비해 천천히 감소하며, 그 이유는 신호 대 잡음비가 누적 횟수의 제곱근에 따라 향상되기 때문입니다.

아포다이제이션 트레이드오프

선폭 확장을 활성화합니다.
슬라이더 값을 증가시킵니다.
처리된 FID가 짧아지고 최종 스펙트럼이 넓어지는 것을 관찰합니다.

선폭 확장은 신호 대 잡음비를 개선하고 절단 아티팩트를 줄일 수 있지만, 해상도를 희생하게 됩니다.

위상 보정

최종 스펙트럼을 사용합니다.
노란색 피벗 마커를 피크나 스펙트럼의 오른쪽으로 드래그합니다.
표시된 피크가 흡수형 라인셰이프를 띨 때까지 0차 및 1차를 조정합니다.

시밍

시밍을 활성화합니다.
한 번에 하나씩 Z 시밍을 이동합니다.
최종 스펙트럼의 왜곡을 관찰합니다.
0으로 재설정을 사용하여 이상적인 자기장으로 돌아갑니다.

용어집

아포다이제이션
푸리에 변환 전에 FID에 적용되는 수학적 창 함수.

FID
자유 유도 감쇠. NMR 실험에서 수집되는 시간 영역 신호.

푸리에 변환
시간 영역 FID를 주파수 영역 스펙트럼으로 변환하는 수학적 연산.

선폭 확장
FID를 감쇠시키고 피크를 넓히는 지수 아포다이제이션.

위상 보정
피크가 원하는 흡수형 라인셰이프로 나타나도록 변환된 실수부 데이터와 허수부 데이터를 결합하는 과정.

직교 검출
실수부 및 허수부 채널을 사용하는 검출 방법.

시밍
샘플 내부의 자기장이 균일해지도록 자기장 보정 코일을 조정하는 것.

제로 필링
스펙트럼의 디지털 보간을 개선하기 위해 푸리에 변환 전에 FID 끝에 0인 데이터 포인트를 추가하는 것.

고급 참고 사항

이러한 세부 정보는 기술 검토에 유용하지만, 대부분의 사용자에게 처음 보여주는 설명으로 사용되어서는 안 됩니다.

커플링 슬라이더는 0...50으로 표시됩니다. 내부적으로 시뮬레이터는 커플링을 적용하기 전에 표시된 슬라이더 값을 50으로 나누므로, 내부 커플링 값의 범위는 0.0...1.0이 됩니다.
이 도움말은 위상에 대해 표준 NMR 용어를 사용합니다. 0차 위상은 일정한 회전이고, 1차 위상은 선형 위상 항이며, 피벗은 1차 위상 기여도가 0이 되는 위치입니다.