CN106814337A - 一种无j偶合效应干扰的核磁共振横向弛豫测量方法 - Google Patents

Abstract

一种无J偶合效应干扰的核磁共振横向弛豫测量方法，提供适用于常规液体磁共振谱仪，能够消除J偶合效应干扰的一种无J偶合效应干扰的核磁共振横向弛豫测量方法。(1)测量激发样品所需的π/2非选择性射频脉冲宽度；(2)在核磁共振波谱仪上导入核磁共振脉冲序列；(3)打开核磁共振脉冲序列的基于完美回波的横向弛豫演化模块和纯化学位移去偶模块，设置横向弛豫演化模块和纯化学位移去偶模块的实验参数；(4)执行三维数据采样；(5)数据采样完成后，进行相关的数据后处理操作，得到一张直接维为纯化学位移信息而间接维为横向弛豫时间及误差的二维谱，即纯化学位移—横向弛豫时间二维相关谱。

Description

一种无J偶合效应干扰的核磁共振横向弛豫测量方法

技术领域

本发明涉及核磁共振(NMR，Nuclear Magnetic Resonance)动力学信息检测的谱学方法，尤其是涉及能够消除J偶合效应干扰的一种无J偶合效应干扰的核磁共振横向弛豫测量方法。

背景技术

核磁共振(Nuclear Magnetic Resonance，NMR)波谱技术作为一种非侵入性的无损检测分析技术，广泛应用于化学、生物、材料等学科，尤其以核磁共振氢谱的应用最为广泛。核磁共振波谱不仅可以提供分子结构、自旋核间偶合网络等结构信息，还可提供分子动力学信息，如扩散和弛豫等信息。其中，横向弛豫是核磁共振重要的物理过程，通过横向弛豫的检测可分析分子动态变化过程，在分子动力学应用、磁共振成像对比度研究等领域有着重要应用。因此，横向弛豫测量一直以来是核磁共振波谱学一个重要研究技术。现有横向弛豫检测方法是基于自旋回波模块和常规一维氢谱的CPMG序列。虽然CPMG序列提供了一种被广泛采用的测量横向弛豫时间的方法，但是该方法也存在着一些不足。首先，由于J偶合效应的影响，所得到一维检测氢谱的谱峰强度会受到J偶调制作用，容易出现谱峰信号幅度失真和相位扭曲，横向弛豫测量的不准确。其次，由于J偶合效应引起的谱峰裂分以及氢谱本身较窄的化学位移范围，一维氢谱往往会出现谱峰拥挤的现象，特别是对于复杂样品的检测。这一现象会导致横向弛豫数据拟合所需谱峰信号无法得到准确的归属。因此，消除J偶合效应的干扰只保留纯化学位移信息，对于横向弛豫的准确测量具有重要意义。

发明内容

本发明的目的在于提供适用于常规液体磁共振谱仪，能够消除J偶合效应干扰的一种无J偶合效应干扰的核磁共振横向弛豫测量方法。

本发明包括以下步骤：

(1)测量激发样品所需的π/2非选择性射频脉冲宽度；

(2)在核磁共振波谱仪上导入核磁共振脉冲序列；

(3)打开核磁共振脉冲序列的基于完美回波的横向弛豫演化模块和纯化学位移去偶模块，设置横向弛豫演化模块和纯化学位移去偶模块的实验参数；

(4)执行三维数据采样；

(5)数据采样完成后，进行相关的数据后处理操作，得到一张直接维为纯化学位移信息而间接维为横向弛豫时间及误差的二维谱，即纯化学位移—横向弛豫时间二维相关谱。

在步骤(1)中，所述测量激发样品所需的π/2非选择性射频脉冲宽度的方法可利用常规一维脉冲序列完成，通过设置一系列脉冲作用时间并采样，获得磁化矢量由纵向方向翻转到横向平面所对应的脉冲时间，该时间即为π/2非选择性射频脉冲宽度。同时这一测量也获得了磁场均匀性情况，为谱宽参数设置提供参考。

在步骤(2)中，所述核磁共振脉冲序列是由基于完美回波的横向弛豫演化模块和纯化学位移去偶模块构成，其中基于完美回波的横向弛豫演化模块是由重复执行N次的完美回波脉冲组合及相干选择梯度G₁组成。完美回波脉冲组合是一个π/2和两个π非选择性射频脉冲以及四个脉冲间隔时间δ/4构成，即δ/4-π-δ/4-π/2-δ/4-π-δ/4。这一模块可重聚J偶合调制作用，消除谱峰强度的失真。两个完全相同的相干选择梯度G₁用于选择相干阶路径。完美回波模块重复执行次数为N，则整个横向弛豫演化模块的演化时间为Δ＝N*δ，通过设置一组完美回波模块执行的次数N来获得对应横向弛豫演化时间Δ，从而采集得到一组幅度随横向弛豫演化的谱图信号，根据所得谱峰信号幅度变化可拟合出对应谱峰的横向弛豫时间。虽然J偶合调制作用引起的谱峰强度失真问题已经由完美回波脉冲组合解决，但J偶合效应引起的谱峰裂分仍会引起谱图拥挤，特别是对于复杂样品往往无法获得正确谱峰归属。而正确谱峰归属是样品各成分横向弛豫测量的前提条件。因此本发明进一步引入了纯化学位移去偶模块来消除J偶合效应引起的谱峰裂分而获得简化的纯化学位移谱，为横向弛豫测量提供正确谱峰归属。纯化学位移去偶模块是由两个频率扫描方向相反的小角度扫频chirp脉冲搭配相应空间选层弱梯度，以及一个自旋回波演化期t₁/2—π—t₁/2组成，其中t₁为间接维演化时间。在这一模块作用下，选择激发核的净演化不变，其J偶合关联核翻转，使得信号在间接维演化时间t₁时刻J偶合作用被完全重聚，只受到化学位移作用。当采样时间(τ＝1/SW1，SW1为间接维谱宽)较短时，信号演化无J偶合作用。随着间接维演化时间t₁的增加，进行多次采样。通过把每次采样数据的前τ时间间隔的自由衰减信号进行顺序拼接，然后对拼接后的信号进行一维傅里叶变换，即可得到一张无J偶合作用得纯化学位移谱。该纯化学位移谱消除了J偶合效应引起的谱峰裂分，简化谱图，为横向弛豫测量提供正确谱峰归属。最终经过这两个模块的结合，本发明所设计脉冲序列能够获得一组谱峰信号强度随横向弛豫演化时间Δ变化的纯化学位移一维谱。

在步骤(3)中，所述实验参数包括直接维谱宽SW、间接维谱宽SW1、间接维采样点数ni、π/2和π非选择性射频脉冲宽度、完美回波间隔时间δ、完美回波模块重复执行次数为N、相干选择梯度强度G₁、空间选层弱梯度场强度G₂、扫频chirp脉冲的角度α及其作用时间和扫频宽度、直接维采样时间t₂、数据拼接时间长度τ、直接维采样点数np等。

在步骤(4)中，所述三维数据采样的具体过程为：每执行一次脉冲序列，各模块依次对样品进行信号演化作用，最后在直接维采样期t₂进行数据采样。上述序列每一次采样的执行过程是对一个特定横向弛豫演化时间Δ和一次特定的间接维t₁点数的数据进行采样，对于一个完整的数据采样需要执行ni×n次，其中n为横向弛豫演化时间Δ的变化个数。

在步骤(5)中，所述数据后处理的过程如下：(a)提取每个采样数据前1/SW1时间内所对应数据点数，依据ni的次序将对应提取的1/SW1时间内点数进行拼接，傅里叶变换后得到n张谱峰信号强度随横向弛豫演化时间Δ变化的纯化学位移一维谱，提取纯化学位移维信息；(b)对纯化学位移一维谱各个谱峰进行横向弛豫时间进行拟合及其误差计算，得到横向弛豫维信息；(c)对纯化学位移维信息和横向弛豫维信息进行相关联，得到一张纯化学位移—横向弛豫相关的二维谱。

本发明利用基于完美回波的横向弛豫演化模块和纯化学位移去偶模块，突破了现有横向弛豫测量方法的局限性，消除了J偶合效应引起的信号调制作用和谱峰裂分，实现样品横向弛豫的准确测量。本发明无需特殊的样品预处理过程，简便易行，且无需任何特殊硬件装置，适用于任意常规核磁共振波谱仪，为准确测量复杂样品(包括复杂化学样品以及多种混合化学样品)的横向弛豫提供了一种重要手段。

附图说明

图1为本发明所提出的用于去除J偶合效应干扰的核磁共振横向弛豫测量脉冲序列图。其中矩形条为π/2和π非选择性射频脉冲，圆形边缘的矩形表示一对频率扫描方向相反的小角度α的扫频脉冲，斜线填充的矩形块为线性相干选择梯度G₁，无斜线填充的矩形块为空间选层弱梯度G₂，Δ为横向弛豫演化时间，δ为完美回波间隔时间，t₁为间接维演化时间，t₂为直接维采样时间，τ为采样后拼接数据的时间长度，即τ＝1/SW1。

图2为本发明所提出方法应用于三溴丙酸乙酯、甲醇和丙酮的混合溶液样品得到的一组随横向弛豫演化时间变化的一维纯化学位移阵列谱。随着模块回波时间的增加，谱峰信号强度不断衰减。通过对这一组化学位移阵列谱上的谱峰信号进行相关拟合及其误差计算即可获得各个谱峰横向弛豫时间。

图3为本发明所提出的方法应用于三溴丙酸乙酯、甲醇和丙酮的混合溶液样品所获得的横向弛豫时间—纯化学位移相关二维谱图。其中纵轴为横向弛豫时间维信息，横轴为纯化学位移信息。

具体实施方式

本发明所提出的方法能够在消除J偶合效应情况下准确测量样品(特别是复杂化学样品以及多种化合物的混合样品)的横向弛豫时间，可得到对样品组分分析所需的横向弛豫时间—纯化学位移的相关谱。本发明操作简便易行，无需样品预处理过程，且适用于任意常规核磁共振波谱仪，且不需任何特殊硬件装置，为复杂样品的横向弛豫测量以及组分分析提供了一种有效方法。本发明具体实施过程的各个步骤如下：

步骤1，测量射频脉冲宽度

进行π/2和π非选择性脉冲的测量。利用常规一维脉冲序列并设置一系列脉冲作用时间采样相应信号，获得纵向磁化矢量不同翻转角度所对应的脉冲时间，寻找到磁化矢量由纵向方向翻转到横向平面所对应的脉冲时间，该时间即为π/2非选择性射频脉冲宽度。将π/2非选择性射频脉冲宽度的两倍即为π非选择性射频脉冲宽度。同时这一测量也获得了磁场均匀性情况，为谱宽参数设置提供参考。

步骤2，导入脉冲序列

在核磁共振谱仪操作台上，打开谱仪相应的操作软件，导入事先编译好的脉冲序列(如图1所示)，选择特定的实验区，然后调入上述脉冲序列。

步骤3，设置脉冲序列实验参数

打开所导入脉冲序列的各个相关模块，包括基于完美回波的横向弛豫演化模块和纯化学位移去偶模块。然后根据待测样品一维谱信息设置相应的实验参数，包括直接维谱宽SW、间接维谱宽SW1、间接维采样点数ni、π/2和π非选择性射频脉冲宽度、完美回波间隔时间δ、完美回波模块重复执行次数为N、相干选择梯度强度G₁、空间选层弱梯度场强度G₂、扫频chirp脉冲的角度α及其作用时间和扫频宽度、直接维采样时间t₂、数据拼接时间长度τ、直接维采样点数np。

步骤4，数据采样

数据采样的具体过程为：每执行一次脉冲序列，各模块依次对样品进行信号演化作用，最后在直接维采样期t₂进行数据采样。本发明所述序列每一次采样的执行过程是对一个特定横向弛豫演化时间Δ和一次特定的间接维t₁点数的数据进行采样，对于一个完整的数据采样需要执行ni×n次，其中n为横向弛豫演化时间Δ的变化个数。完成一次采样后，执行下一步骤，直到采样完成。

步骤5，数据后处理

该数据过程包括：(a)提取每个采样数据的前1/SW1时间内所对应数据点数，依据ni的次序将对应提取的1/SW1时间内点数进行拼接，傅里叶变换后得到n张谱峰信号强度随横向弛豫演化时间Δ变化的纯化学位移一维谱，提取纯化学位移维信息；(b)对纯化学位移一维谱各个谱峰进行横向弛豫时间进行拟合及其误差计算，得到横向弛豫维信息；(c)对纯化学位移维信息和横向弛豫维信息进行相关联，得到一张纯化学位移—横向弛豫相关的二维谱。

以下结合附图和实施例对本发明做进一步说明：

本实例所使用的样品为三溴丙酸乙酯、甲醇和丙酮的混合溶液，所使用的仪器为Varian500MHz核磁共振波谱议。整个实验过程保持主磁场均匀。按照上述本发明所提方法的操作流程，测量脉冲序列所用的射频脉冲宽度，导入编译好的如图1所示脉冲序列，打开脉冲序列的各相关模块，包括基于完美回波的横向弛豫演化模块和纯化学位移去偶模块，设置相应实验参数。具体对于本实例所采用的样品，其实验参数设置如下：直接维谱宽SW为10000Hz；间接维谱宽SW1为100Hz；间接维采样点数ni为60；π/2和π非选择性射频脉冲宽度分别为14.35μs和28.7μs；完美回波间隔时间δ为1ms；一组完美回波模块重复执行次数为N分别为0，25，50，100，200，400，800，1600，3200，6400，对应横向弛豫演化时间分别为0s，0.025s，0.05s，0.1s，0.2s，0.4s，0.8s，1.6s，3.2s，6.4s；相干选择梯度强度值G₁为20G/cm，作用时间1.5ms；空间选层弱梯度G₂为0.9G/cm，作用时间30ms；扫频chirp脉冲的角度α为12°，其作用时间为30ms，扫频宽度为10000Hz；直接维采样时间t₂为1.5s；脉冲序列等待时间为6s。整个实验采样时间约为1h。

数据采样完成后，按照上述步骤5的数据后处理过程对所采样的数据进行处理。首先是纯化学位移维信息的提取，把每个采样数据的前1/SW1时间内所对应数据点数按照ni的次序进行拼接。拼接后进行傅里叶变换得到一组共10张谱峰信号强度随横向弛豫演化时间Δ不断弛豫衰减的纯化学位移一维谱(如图2所示)。其次是对这组纯化学位移一维谱各个谱峰进行横向弛豫时间进行拟合及其误差计算，得到横向弛豫维信息。最后，结合纯化学位移信息维和横向弛豫信息维构出三溴丙酸乙酯、甲醇和丙酮的混合溶液的横向弛豫时间—纯化学位移相关二维谱，如图3所示。由图3可以直观看出混合溶液各个谱峰消除了J偶合效应的影响，其中纵轴为横向弛豫信息维，横轴为化学位移维。处在不同化学环境中的分子基团具有不同的横向弛豫过程，在纵轴表现为不同的横向弛豫时间，同时图中还标出了实验测量导致的横向弛豫时间误差。因此，从这张二维谱图中可准确直观地测得混合溶液各个成分的横向弛豫。

根据本发明提出的方法得到的三溴丙酸乙酯、甲醇和丙酮混合溶液横向弛豫测量结果参见表1。

表1

谱峰位置(ppm)	横向弛豫时间(s)	误差(s)
			1.20	0.95	0.07
2.09	0.93	0.06
			2.91	0.85	0.09
3.36	0.79	0.09
			3.61	0.91	0.05
4.13	0.87	0.07

本发明是一种涉及核磁共振动力学信息检测的谱学方法。横向弛豫是核磁共振重要的物理过程，通过横向弛豫的检测可分析分子动态变化过程。现有横向弛豫检测方法是基于常规一维氢谱实现的，然而J偶合效应引起的信号调制作用和谱峰裂分往往会导致谱峰强度失真和谱图拥挤，使得横向弛豫无法得到准确的测量。特别是对于复杂样品的弛豫检测，这一情况变得更为严重。本发明利用基于完美回波的横向弛豫演化模块和纯化学位移去偶模块的结合实现在消除J偶合效应情况下准确测量横向弛豫信息。首先，利用基于完美回波的横向弛豫演化模块实现在横向弛豫演化期间J偶合调制作用的重聚，为横向弛豫测量提供准确的信号强度。其次，利用纯化学位移去偶模块消除J偶合引起的谱峰裂分，为横向弛豫测量提供简化的一维纯化学位移谱信息。最终通过特定数据拟合处理获得一张纯化学位移—横向弛豫相关的二维谱，可直观检测样品各成分化学位移频率所对应横向弛豫时间及其误差。本发明能实现复杂样品横向弛豫的准确测量，且无需特殊的样品预处理过程，简便易行，适用于任意常规核磁共振波谱仪。

Claims (6)

1.一种无J偶合效应干扰的核磁共振横向弛豫测量方法，其特征在于包括以下步骤：

(1)测量激发样品所需的π/2非选择性射频脉冲宽度；

(2)在核磁共振波谱仪上导入核磁共振脉冲序列；

(3)打开核磁共振脉冲序列的基于完美回波的横向弛豫演化模块和纯化学位移去偶模块，设置横向弛豫演化模块和纯化学位移去偶模块的实验参数；

(4)执行三维数据采样；

(5)数据采样完成后，进行相关的数据后处理操作，得到一张直接维为纯化学位移信息而间接维为横向弛豫时间及误差的二维谱，即纯化学位移—横向弛豫时间二维相关谱。

2.如权利要求1所述一种无J偶合效应干扰的核磁共振横向弛豫测量方法，其特征在于在步骤(1)中，所述测量激发样品所需的π/2非选择性射频脉冲宽度的方法是利用常规一维脉冲序列完成，通过设置一系列脉冲作用时间并采样，获得磁化矢量由纵向方向翻转到横向平面所对应的脉冲时间，该时间即为π/2非选择性射频脉冲宽度；同时获得磁场均匀性情况，为谱宽参数设置提供参考。

3.如权利要求1所述一种无J偶合效应干扰的核磁共振横向弛豫测量方法，其特征在于在步骤(2)中，所述核磁共振脉冲序列是由基于完美回波的横向弛豫演化模块和纯化学位移去偶模块构成，其中基于完美回波的横向弛豫演化模块是由重复执行N次的完美回波脉冲组合及相干选择梯度G₁组成；完美回波脉冲组合是一个π/2和两个π非选择性射频脉冲以及四个脉冲间隔时间δ/4构成，即δ/4-π-δ/4-π/2-δ/4-π-δ/4；这一模块可重聚J偶合调制作用，消除谱峰强度的失真，两个完全相同的相干选择梯度G₁用于选择相干阶路径；完美回波模块重复执行次数为N，则整个横向弛豫演化模块的演化时间为Δ＝N*δ，通过设置一组完美回波模块执行的次数N来获得对应横向弛豫演化时间Δ，从而采集得到一组幅度随横向弛豫演化的谱图信号，根据所得谱峰信号幅度变化可拟合出对应谱峰的横向弛豫时间。

4.如权利要求1所述一种无J偶合效应干扰的核磁共振横向弛豫测量方法，其特征在于在步骤(3)中，所述实验参数包括直接维谱宽SW、间接维谱宽SW1、间接维采样点数ni、π/2和π非选择性射频脉冲宽度、完美回波间隔时间δ、完美回波模块重复执行次数为N、相干选择梯度强度G₁、空间选层弱梯度场强度G₂、扫频chirp脉冲的角度α及其作用时间和扫频宽度、直接维采样时间t₂、数据拼接时间长度τ、直接维采样点数np。

5.如权利要求1所述一种无J偶合效应干扰的核磁共振横向弛豫测量方法，其特征在于在步骤(4)中，所述三维数据采样的具体过程为：每执行一次脉冲序列，各模块依次对样品进行信号演化作用，最后在直接维采样期t₂进行数据采样；上述序列每一次采样的执行过程是对一个特定横向弛豫演化时间Δ和一次特定的间接维t₁点数的数据进行采样，对于一个完整的数据采样需要执行ni×n次，其中n为横向弛豫演化时间Δ的变化个数。

6.如权利要求1所述一种无J偶合效应干扰的核磁共振横向弛豫测量方法，其特征在于在步骤(5)中，所述数据后处理的过程如下：

(a)提取每个采样数据前1/SW1时间内所对应数据点数，依据ni的次序将对应提取的1/SW1时间内点数进行拼接，傅里叶变换后得到n张谱峰信号强度随横向弛豫演化时间Δ变化的纯化学位移一维谱，提取纯化学位移维信息；

(b)对纯化学位移一维谱各个谱峰进行横向弛豫时间进行拟合及其误差计算，得到横向弛豫维信息；

(c)对纯化学位移维信息和横向弛豫维信息进行相关联，得到一张纯化学位移—横向弛豫相关的二维谱。