未知空间分布磁场下获取高分辨核磁共振异核谱图的方法【专利摘要】未知空间分布磁场下获取高分辨核磁共振异核谱图的方法，涉及核磁共振。根据实验要求判断是信噪比优先还是采样效率优先，若信噪比优先，则使用三维采样模式；若采样效率优先，则使用空间编解码采样模式；设定序列参数后对样品进行采样，采样结束后存储实验数据；对存储的实验数据进行处理，若使用的实验数据由三维采样模式得到，则将实验数据构建成三维时域矩阵，只需对该矩阵进行三维傅里叶变换，即可得到实验谱图；若使用的数据由空间编解码采样模式得到，则首先将每一条长为np个点数的数据串分割为np1×ND，随后与间接F3维构成一个三维矩阵，只对三维矩阵的F2与F3维进行傅里叶变换即获取高分辨核磁共振异核谱图。【专利说明】未知空间分布磁场下获取高分辨核磁共振异核谱图的方法【
技术领域：
】[0001]本发明涉及核磁共振(NMR,NuclearMagneticResonance),尤其是涉及未知空间分布磁场下获取高分辨核磁共振异核谱图的方法。【
背景技术：
】[0002]NMR现已成为最有效且使用广泛的检测手段之一。如今，复杂有机分子的结构解析相当依赖于质子检测的异核NMR技术。在这些技术中，异核单量子相干HSQC(HeteronuclearSingularQuantumCorrelation),异核多量子相干HMQC(HeteronuclearMultipleQuantumCorrelation),异核多重键相关HMBC(HeteronuclearMultipleBondCorrelation)便是最重要的2DNMR方法。HSQC,HMQC是通过化学键直接相连的相关谱，而HMBC是通过相隔一键以上化学键相连的相关谱。早期的异核二维相关实验是直接观测13C，15N等不灵敏核，获得的是它们与1H的偶合相关信息。但是因为13C，15N的天然丰度极低，NMR信号非常弱，测一维谱有很大的困难，需要累加多次，获取一张二维谱所用的时间就更长，严重影响了异核二维谱的广泛应用。反式检测异核二维相关谱实验的提出，如异核多量子相干HMQC实验，取代了早期的异核相关谱(HETCOR)实验。HMQC实验观测的是1H的自由感应衰减FID(FreeInductionDecay)信号,通过核间偶合间接观测不灵敏核的化学位移。与记录不灵敏核FID的HETCOR实验相比，信噪比有很大的提高。NMR反式检测的灵敏度最大为(Υη)5/2/Η的磁旋比Yh约为13C磁旋比^的4倍，(Yh)5/2:(Y。)5/2=32，因此用HMQC实验检测相关信号增强32倍。如今最常用的异核二维谱为HSQC、HMQC和HMBC，通常多为13C-1H偶合系统，此外15N-1H,29S1-1H系统也有广泛的应用。[0003]近年来，磁共振成像技术(MRI,MagneticResonanceImaging)在诸如形态学、功能及代谢等方面有惊人的发展。无论是无生命的固体、液体，或是有机生命体，多数应用都依赖于高度均匀的静磁场Btl，空间变化率小于10Λ因此不同原子核周围环境的细微差异都会导致化学位移和偶合信息有着明显不同。然而理想条件下的高度均匀场通常是无法实现的，如在非原位NMR实验中，研究对象放置在磁体外[1’2];在阻抗式高场中或使用的是混合磁体[3，4];样品(包括动物和人体)有脉动或呼吸等运动，更不用说由空隙和外科植入物引入的磁场不均匀性&6]。许多方法被提出来用于获得高分辨谱。自旋回波方法[7'8]可以重聚不均匀场得到偶合信息产生回波调制[9_11]。若场图的空间分布已知，则可以使用设计好的与之匹配的射频场用来抵消不均匀场。有两种方法可以实现:第一种方法是设计射频场^0.)来匹配BtlOO[12_14]，射频场的相移可通过Btl场校正；第二种方法参照单扫描实验方式[15，16]，用已知梯度场补偿不同体素的磁化矢量的相位，达到消除不均匀场的目的。两种方法中的不均匀场都必须与时间无关，且其空间分布必须已知，而这成为了一个很大的障碍。Pelupessy等人M提出了单次扫描内通过追踪两个不同自旋间的进动频率之差U8’19]来获得不均匀场下的高分辨谱。[0004]基于偶极场调制技术是通过不同分子自旋间的远程偶极相互作用追踪自旋的进动频率来消除不均匀场的影响。通常情况下偶极相关距离(通常在10~100μm)远小于样品的尺寸，而偶极相关距离内的磁场相对均匀，对信号线宽影响较小，因此iMQC在不均匀场高分辨谱方面具有诱人的应用前景。[0005]参考文献:[0006][I]GEidmannjRSavelsbergjPBliimlerjetal.TheMWRMOUSE:amobileuniversalsurfaceexplorer[J].JournalofMagneticResonance,SeriesA,1996，122(1):104-109.[0007][2]BBliimichjJPerloandFCasanova.Mobilesingle-sidedNMR[J].ProgressinNuclearMagneticResonanceSpectroscopy,2008,52(4):197-269.[0008][3]YYLinjSAhnjNMuralijetal.High-resolution,>lGHzNMRinunstablemagneticfields[J].PhysicalReviewLetters，2000，85(17):3732-3735.[0009][4]BoazShapirajKiranShettyjWilliamWBreyjetal.Single_scan2DNMRspectroscopyona25Tbittermagnet[J].ChemicalPhysicsLetters,2007，442(4):478-482.[0010][5]IJaneCoxjGraemeMBydderjDavidGGadianjetal.TheeffectofmagneticsusceptibilityvariationsinNMRimagingandNMRspectroscopyinvivo[J].JournalofMagneticResonance，1986，70(I):163-168.[0011][6]CarolynEMountfordjSineadDoran,CynthiaLLean,etal.ProtonMRScandeterminethepathologyofhumancancerswithahighlevelofaccuracy[J].ChemicalReviews,2004，104(8):3677-3704.[0012][7]ErwinLHahn.Spinechoes[J].PhysicalReview,1950,80(4):580.[0013][8]HermanYCarrandEdwardMPurcell.Effectsofdiffusiononfreeprecessioninnuclearmagneticresonanceexperiments[J].PhysicalReview,1954，94(3):630.[0014][9]ELHahnandDEMaxwell.Spinechomeasurementsofnuclearspincouplinginmolecules[J].PhysicalReview,1952,88(5):1070.[0015][10]RLVoidandSOChan.Modulatedspinechotrainsfromliquidcrystals[J].TheJournalofChemicalPhysics,1970,53(I):449-451.[0016][11]RayFreemanandHDWHill.High-resolutionstudyof匪Rspinechoes:u]spectra，，[J].TheJournalofChemicalPhysics，1971，54:301-313.[0017][12]CarlosAMerilesjDimitrisSakellarioujHenrikeHeisejetal.Approachtohigh-resolutionexsituNMRspectroscopy[J].Science,2001,293(5527):82-85.[0018][13]JuanPerlojVasilikiDemas，FedericoCasanova,etal.High-resolutionNMRspectroscopywithaportablesingle-sidedsensor[J].Science,2005,308(5726):1279-1279.[0019][14]VasilikiDemas，CarlosMerilesjDimitrisSakellarioujetal.Towardexsituphase-encodedspectroscopicimaging[J].ConceptsinMagneticResonancePartB:MagneticResonanceEngineering，2006，29(3):137-144.[0020][15]BoazShapiraandLucioFrydman.Spatialencodingandtheacquisitionofhigh-resolutionNMRSpectraininhomogeneousmagneticfields[J].JournalofTheAmericanChemicalSociety,2004,126(23):7184-7185.[0021][16]B.ShapiraandL.Frydman.SpatiallyencodedpulsesequencesfortheacquisitionofhighresolutionNMRspectraininhomogeneousfields[J].JournalofMagneticResonance,2006,182(I):12-21.[0022][17]P.Pelupessy,E.RenneIlaandG.Bodenhausen.High-resolutionNMRinmagneticfieldswithunknownspatiotemporalvariations[J].Science,2009，324(5935):1693-7.[0023][18]AWokaunandRichardRErnst.SelectivedetectionofmultiplequantumtransitionsinNMRbytwo-dimensionalspectroscopy[J].ChemicalPhysicsLetters,1977，52(3):407-412.[0024][19]KNagayama,KWiithrichandRRErnst.Two-dimensionalspinechocorrelatedspectroscopy(SECSY)for1!!NMRstudiesofbiologicalmacromolecules[J].BiochemicalandBiophysicalResearchCommunications,1979,90(I):305-311.【
发明内容】[0025]本发明的目的是提供一种可消除磁共振检测中磁场不均匀的影响，从而提高谱图分辨率的未知空间分布磁场下获取闻分辨核磁共振异核谱图的方法。[0026]本发明包括以下步骤:[0027]I)根据实验要求判断是信噪比优先还是采样效率优先，若信噪比优先，则使用三维采样模式；若采样效率优先，则使用空间编解码采样模式；[0028]2)设定序列参数；[0029]3)完成序列参数设定后对样品进行采样，采样结束后存储实验数据；[0030]4)对存储的实验数据进行处理，若使用的实验数据由三维采样模式得到，则将实验数据构建成三维时域矩阵，只需对该矩阵进行三维傅里叶变换，即可得到实验谱图；若使用的数据由空间编解码采样模式得到，则需要首先将每一条长为np个点数的数据串分割为nplXNd(其中npl对应于空间编码Fl维，Nd对应为直接采样F2维)，随后与间接F3维构成一个三维矩阵，只需要对这个三维矩阵的F2与F3维进行傅里叶变换即可在未知空间分布磁场下获取高分辨核磁共振异核谱图。[0031]在步骤2)中，所述设定序列参数的具体方法可为:若采用三维采样模式，则只需要设定序列中所有脉冲宽度与功率，设定方法与核磁共振常规实验相同；若采用空间编解码采样模式，则需要使用核磁共振谱仪的脉冲生成工具箱产生线性调频chirp脉冲，并将该脉冲设置至空间编解码模块中，根据实验样品谱宽信息设定编解码梯度大小与时间至基于J偶合调制采样的空间编解码模块中。[0032]本发明基于偶极场调制方法提出了在未知空间分布的磁场下获取二维高分辨异核谱的方法，该技术的脉冲序列含有两种采样方式，三维采样方式可以获取二维高分辨异核相关信息；空间编解码采样方式可以获取三维高分信息，其中二维为高峰异核相关信息，另外一维为偶合裂分信息。该方法利用了偶极场调制的异核相关谱具有对空间分布不敏感的特性，来消除磁共振检测中磁场不均匀的影响，从而提高谱图的分辨率。本发明采用激发偶极场调制的两种模块，分别为选择性脉冲激发模块和非选择性脉冲激发模块。选择性脉冲激发模块由一个高斯选择η/2脉冲，一个BIRD脉冲单元和两个梯度场组成。高斯选择η/2脉冲用来选择激发偶极场的溶剂峰，BIRD脉冲单元外加两个梯度场用来强化溶剂峰的选择。非选择性脉冲激发模块由一个TANGO脉冲单元，一个BIRD脉冲单元和两个梯度场组成。TANGO脉冲单元用来选择远程偶合信号，后面的BIRD脉冲单元外加两个梯度场用来滤除杂信号。这两种激发方式最后都是确保前面单元只激发溶剂信号演化，为后续激发成为偶极场做准备。[0033]本发明采用的两种采样模式，一种为三维采样模式，该模式由两个间接维(F1，F3)和直接采样维(F2)组成。间接维Fl维由两段演化时间组成用于获取不受不均匀场影响的杂核(X核)的化学位移演化；间接维F3维由序列前面的t3和采样前t3两段演化时间组成用于获取不受不均匀场影响的氢核(H核)的化学位移演化。三维采样模式可以在不均匀场下获取二维高分辨异核相关信息，该模式特点信噪比高，但时间较长。另一种为空间编解码采样模式，该模式由一个常规间接维(F2)和空间编解码维(F1，F3)组成。该模式使用奇数个线性调频绝热脉冲与极性正负交替变化的梯度场组成的空间编码模块取代间接维(F3)的两段演化时间t3;并且使用由一系列单极性梯度场夹着π脉冲(J偶合调制)的空间解码模块采样。空间编解码采样模式的主要特点是采样时间短，但信噪比较低。此外该模式可以得到三维高分辨信息，其中二维为高峰异核相关信息，另外一维为偶合裂分信息。【专利附图】【附图说明】[0034]图1为13C全标记的丁酸钠水溶液在氢谱线宽2500Hz的不均匀场(匀场电源关闭)下通过三维采样得到的三维谱图。其中投影至F1F3平面可以获取高分辨的HSQC谱图，碳维分辨率达到19Hz，氢维分辨率达到28Hz，但F2维仍然受到不均匀场的影响，线宽展宽2500Hz，即三维采样得到的三维信息为(F3，F1，F2)=其中ΩΗ，别为1H和13C的化学位移。[0035]图2为天然丰度的Y-氨基丁酸(GABA)的水溶液不均匀场下常规gHSQC序列得到的谱图。[0036]图3为本发明得到的HSQC谱图。[0037]图4为空间编解码采样模式中解码模块只使用H通道的180度脉冲得到的谱图。投影至F1F3平面得到HSQC信息，投影至F2F3平面得到同核J分解谱，即三维高分辨信息为:(F3,Fl,F2)=(Qh,Ω。，Jhh)，其中氢维分辨率28Hz，碳维分辨率20Hz，Jhh等于5Hz。[0038]图5为空间编解码采样模式中解码模块H通道与C通道都使用180度脉冲得到的谱图。投影至F1F3平面得到HSQC信息，投影至F1F3平面得到异核J分解谱，即三维高分辨信息为其中氢维分辨率28Hz，碳维分辨率20Hz，Jch+Jhh等于7Hz。[0039]其中，图2和图3给出本发明的三维采样模式对不同样品在线宽为1000Hz左右的不均匀场下获取的异核相关谱，图2和图3表明了本发明对于天然丰度的样品适用，能非常好地将展宽1000Hz的HSQC谱图恢复到氢维34Hz碳维20Hz高分辨的程度。图4和图5描绘了本发明的空间编解码采样模式在线宽为1000Hz左右不均匀场下获取三维高分辨谱图。【具体实施方式】[0040]本发明提供一种基于偶极场调制的在未知空间分布磁场下获取高分辨异核相关谱图的方法，该方法包括激发偶极场调制模块、常规异核相干转移模块、间接维演化时间模块、奇数个线性调频绝热脉冲空间编码模块、基于J偶合调制采样的空间解码模块。[0041]为方便描述，使用碳氢异核体系为例，假设I1为水中的质子自旋，12和S分别为溶液中有机物中的一对CH偶合对，其中I2为质子自旋，S为碳自旋。[0042]激发偶极场调制模块目的只激发溶剂(水)中的质子信号，使第一个演化时间t3只有溶剂的演化。当溶剂与溶质的信号强度相当时，通常使用选择性激发，该方式随着不均匀场的增大，激发效率下降；当溶剂比溶质信号强很多，或者13C标记的样品，使用TANGO模块，可以选择激发溶剂自旋，该方式使用很大的不均匀场。此外，添加了BIRD模块压制了激发不理想时的溶质13C相连的质子信号。[0043]三维采样方式:采样的序列为三维采样模式，演化时间h和演化时间t2对应于常规二维异核相关谱序列的间接维Fl和直接维F2。由于直接采样维F2总是受到不均匀场的影响，导致线宽展宽，通常需要摒弃。因此为了获取高分辨的二维谱需要另外一个演化时间t3构成另外一个间接维F3。[0044]以HSQC为例，通过前面的偶极场激发模块后，只有溶剂自旋I1经历演化时间t3+YCt1/YH?常规异核相干转移模块中的INEPT单元将这些自旋翻转至纵向，根据偶极场调制理论，I1自旋产生的偶极场为:【权利要求】1.未知空间分布磁场下获取高分辨核磁共振异核谱图的方法，其特征在于包括以下步骤:1)根据实验要求判断是信噪比优先还是采样效率优先，若信噪比优先，则使用三维采样模式；若采样效率优先，则使用空间编解码采样模式；2)设定序列参数；3)完成序列参数设定后对样品进行采样，采样结束后存储实验数据；4)对存储的实验数据进行处理，若使用的实验数据由三维采样模式得到，则将实验数据构建成三维时域矩阵，只需对该矩阵进行三维傅里叶变换，即可得到实验谱图；若使用的数据由空间编解码采样模式得到，则需要首先将每一条长为np个点数的数据串分割为nplXNd(其中npl对应于空间编码Fl维，Nd对应为直接采样F2维)，随后与间接F3维构成一个三维矩阵，只需要对这个三维矩阵的F2与F3维进行傅里叶变换即可在未知空间分布磁场下获取高分辨核磁共振异核谱图。2.如权利要求1所述未知空间分布磁场下获取高分辨核磁共振异核谱图的方法，其特征在于在步骤2)中，所述设定序列参数的具体方法为:若采用三维采样模式，则只需要设定序列中所有脉冲宽度与功率，设定方法与核磁共振常规实验相同；若采用空间编解码采样模式，则需要使用核磁共振谱仪的脉冲生成工具箱产生线性调频chirp脉冲，并将该脉冲设置至空间编解码模块中，根据实验样品谱宽信息设定编解码梯度大小与时间至基于J偶合调制采样的空间编解码模块中。【文档编号】G01R33/565GK103472420SQ201310461836【公开日】2013年12月25日申请日期:2013年9月30日优先权日:2013年9月30日【发明者】张志勇,陈忠,汪凯宇申请人:厦门大学