CN107894436B - 一种应用于不均匀磁场的快速二维j谱方法 - Google Patents

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Abstract

一种应用于不均匀磁场的快速二维J谱方法，利用分子间双量子相干信号对磁场不均匀免疫的特性，设计一种结合分子间二量子间接维延时演化模块与J分解采样模块的二维J谱方法，能在不均匀磁场下快速采样获得高分辨二维J谱。分子间二量子间接维延时演化模块采用一对强度比为1︰(‑2)的线性相干选择梯度来选择所需要的分子间双量子相干信号，并将一个完整间接维演化期t1分割为t1/3和2t1/3两部分，最终获得免于磁场不均匀干扰的化学位移演化信息。J分解采样模块由采样期t2和非选择性π脉冲构成,并重复2N次，可单次扫描快速得到免于磁场不均匀干扰的J偶合演化信息。最终，通过特定数据拟合处理获得一张高分辨二维J谱。

Description

一种应用于不均匀磁场的快速二维J谱方法
技术领域
本发明涉及核磁共振波谱学检测方法，尤其是涉及一种应用于不均匀磁场的快速二维J谱方法。
背景技术
核磁共振波谱技术是一种检测物质化学成分和分子结构的有力工具，能提供化学位移、J偶合常数和裂分模式等分子级别的信息，这些信息对于生物代谢产物的测定和归属具有重要的实际意义。正是由于这些优点，核磁共振波谱分析在生物、化学、材料等众多领域都有着广泛的应用。一维核磁共振谱因其简便操作和较高的采样效率，因此其在化学样品成分分析和分子结构鉴定中得到广泛应用。由于生物组织样品往往存在大量代谢物，会产生大量的核磁共振信号，使得一维核磁共振谱图往往会出现谱峰拥挤的情况，造成谱图归属困难而无法获得正确的代谢物成分分析和鉴定。此外，生物组织自身存在的本征磁化率变化往往引起的磁场不均匀，造成核磁共振峰谱线增宽，进一步加深了一维核磁共振谱信号归属的难度。
在1970年，Richard R.Ernst教授首次提出核磁共振二维J谱方法，该方法可实现化学位移和J偶合信息的分离，即在直接维表征化学位移信息，而在间接维表征J偶合信息，有效解决了一维核磁共振谱谱峰拥挤的问题，对复杂化学成分样品、生物组织代谢物的分析和检测具有重要意义。但是，常规二维J谱方法往往无法避免因外界检测环境和样品内部本征磁化率变化引起的不均匀磁场的干扰，而无法获得正确的谱图分析所需的化学位移和J偶合信息。虽然磁场不均匀可在二维J谱的间接维被自旋回波效应重聚掉，但是化学位移维仍受到磁场不均匀增宽的影响。更严重的是，化学位移直接维因磁场不均匀增宽引起的谱峰交叠会进一步干扰J偶合信息的测量。虽然一系列相关的匀场技术相继被提出，用以解决磁场不均匀的问题，但现有这些匀场技术主要针对均相样品的磁场不均匀问题，对于一些含有本征磁化率不均匀的样品(如生物组织)，现有匀场技术仍无法适用。除了磁场不均匀的问题，信号采样效率也是决定二维J谱方法应用的一个主要因素。常规二维J谱仍基于传统的二维采样，即间接维J偶合信号演化需要依靠累积多次的步进采样来获取，因此其采样效率相比于一维谱方法大大降低。
发明内容
本发明的目的在于提供一种应用于不均匀磁场的快速二维J谱方法。
本发明包括以下步骤：
1)装样；
在步骤1)中，由于样品本征磁化率差异和外界环境所引起的磁场不均匀，常规二维J谱方法通常需要对样品进行预处理(如组织萃取)或者通过繁琐的匀场操作以达到消除磁场不均匀的目的，而本发明所提出快速二维J谱方法能够克服磁场不均匀的影响；所述装样可将所检测的样品装入标准核磁试管中，并将装样好的试管样品放入核磁共振谱仪磁体腔中
2)装载序列；
在步骤2)中，所述装载序列的具体方法可为在核磁共振谱仪操作台上导入脉冲序列，并打开所述脉冲序列的分子间二量子间接维延时演化模块和J分解采样模块；
所述分子间二量子间接维延时演化模块由一个非选择性矩形π/2脉冲、一个溶剂选择性高斯形状(π/2)I脉冲、一个非选择性矩形π脉冲、一组间接维演化期t1/3和2t1/3组合以及一对强度比为1︰(-2)的线性相干选择梯度构成；第一个非选择性π/2射频脉冲的作用是将磁化矢量从Z轴翻转到XY平面，实现核磁共振信号激发；溶剂选择性(π/2)I射频脉冲配合一对强度比为1︰(-2)的线性相干选择梯度，能够选择所需要的分子间双量子相干信号。由于分子间双量子相干信号源于远程偶极场相互作用，其共振频率为溶剂和溶质的共振频率之差，因此所选择的分子间双量子相干信号能够免于磁场不均匀的影响而获得高分辨化学位移信息。另外，巧妙地将一个完整间接维演化期t1分割为t1/3和2t1/3两部分，实现信号延时演化，使得整个间接维谱宽缩短到只与磁场不均匀度相关，大大降低间接维演化点数ni，最终实现无磁场不均匀干扰的化学位移信息快速演化；
所述J分解采样模块由采样期t2和非选择性π脉冲构成，并重复2N次，每一个采样期t2包含化学位移和磁场不均匀的演化，而重复2N次的采样期t2和非选择性π脉冲的组合可形成自旋回波信号演化，最终在单次扫描情况下获得免于磁场不均匀干扰的J偶合演化，实现数据的快速采样。
3)依据所检测样品对脉冲序列两个模块进行实验参数设置，包括射频脉冲和梯度作用时间及强度、谱宽、间接维演化点数、采样时间等。
4)执行序列；
在步骤4)中，所述执行序列的方法可为：首先，分子间二量子间接维延时演化模块激发并选择分子间二量子相干信号并实现无磁场不均匀干扰的化学位移信息演化，整个信号演化过程需重复ni次，其中ni为间接维演化点数；其次，J分解采样模块对所演化信号进行采样，并通过单次扫描重复2N次采样信号得到免于磁场不均匀干扰的J偶合演化信息。
5)数据处理，对采集得到的数据进行数据后处理。
在步骤5)中，所述对采集得到的数据进行数据后处理的具体方法可为：首先，对采样数据进行三维重构，得到一个化学位移－磁场不均匀－J偶合常数相关的三维数据；其次，对重构的三维数据进行三维傅里叶变换，得到一张三维频率谱；最后，对傅立叶变换得到的三维频率谱沿着化学位移－J偶合常数相关二维平面进行累加投影，最终能够得到免于磁场不均匀影响的高分辨二维J谱。
本发明基于常规二维J谱在实际应用中存在的两个重要问题，即磁场不均匀和快速采样限制，从脉冲序列设计和数据后处理角度出发，设计出一种可直接在不均匀磁场的条件下快速获取高分辨率核磁共振二维J谱的方法。所提出的方法无需繁琐的匀场操作、特殊的硬件设备和复杂的样品预处理就可快速实现二维J谱检测，扩展了二维核磁共振谱的应用范围。
附图说明
图1为本发明所提出的一种应用于不均匀磁场的快速二维J谱方法的脉冲序列。其中矩形为非选择性π/2和π射频脉冲，高斯形状为溶剂选择性(π/2)I射频脉冲，I代表溶剂，斜线填充的矩形块为沿Z方向线性相干选择梯度，Δ为固定延时。
图2为10倍脑模型样品的常规一维氢谱。谱线线宽为80Hz，其中一维谱图中1.0～4.5ppm部分包含主要代谢物信号，将其强度放大50倍并显示在一维谱对应部分的上方，可以看到若干核磁共振信号，但由于磁场不均匀引起的信号展宽，使得代谢物识别和归属非常困难。
图3为本发明所提出的方法在同样的10倍脑模型样品上所获得的高分辨二维J谱。
具体实施方式
以下将结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
本实施例使用的仪器为Varian 500MHz核磁共振波谱议，样品为10倍脑模型溶液。所使用的脉冲序列如图1所示。具体操作步骤如下：
步骤1，样品装样
无需对脑模型溶液样品进行预处理和匀场操作，直接将其装入标准核磁试管中，并将装样好的试管放入核磁共振谱仪磁体腔中。
步骤2，装载序列
在核磁共振谱仪操作台上导入本发明所提出方法编译的脉冲序列，并打开这一脉冲序列的分子间二量子间接维延时演化模块和J分解采样模块。
步骤3，参数设置
依据脑模型溶液样品的具体性质对上述脉冲序列两个模块进行实验参数设置，具体参数设置如下：直接维谱宽SW为5000Hz，第一间接维谱宽SW1为120Hz，J分解采样模块单个采样期时间t2为12ms，重复次数2N为60，间接维演化期t1的点数ni为30，固定延时2Δ为72ms，π/2和π非选择性矩形脉冲时间为16μs和32μs,(π/2)I溶剂选择性高斯脉冲的宽度为6ms，线性相干梯度场强度和时间分别为10.0G/cm和1.2ms，散相梯度场强度为G1＝7.0G/cm和G2＝18.0G/cm，其作用时间为1.0ms。整个采样时间大约为2min。
步骤4，执行序列
首先，分子间二量子间接维延时演化模块激发并选择分子间二量子相干信号并实现无磁场不均匀干扰的化学位移信息演化，整个信号演化过程需重复ni次，其中ni为间接维演化点数。其次，J分解采样模块对所演化信号进行采样，并通过单次扫描重复2N次采样信号得免于磁场不均匀干扰的J偶合演化信息。经过序列执行，最终获得脑模型溶液样品的采样数据。
步骤5，数据处理
对采集得到的脑模型溶液样品数据进行相应的数据后处理。首先，对采样数据进行三维重构，得到一个化学位移－磁场不均匀－J偶合常数相关的三维数据。其次，对重构的三维数据进行三维傅里叶变换，得到一张三维频率谱。最后，对傅立叶变换得到的三维频率谱沿着化学位移－J偶合常数相关二维平面进行累加投影，最终能够在不均匀磁场下得到一张脑模型溶液样品的高分辨二维J谱(如图3所示)。
相比于不均匀磁场下脑模型溶液样品一维谱(如图2所示)，本发明所提出方法能够应用于不均匀磁场下恢复出如图3所示的高分辨二维J谱，其中沿着直接维(横轴)可以获得化学位移信息，而沿着间接维(纵轴)可以获得J偶合信息。所获得的高分辨化学位移和J偶合信息可应用于脑模型溶液样品中代谢物的归属。
表1
根据本发明所述方法获得的二维J谱对脑模型溶液做出的代谢物归属如表1所示。
综上所述，本发明提供了一种应用于不均匀磁场的快速二维J谱方法，利用了分子间双量子相干信号对磁场不均匀免疫的特性，设计了一种结合分子间二量子间接维延时演化模块与J分解采样模块的二维J谱方法，能在不均匀磁场下快速采样获得高分辨二维J谱。上述实施例验证了本发明所提出方法的可行性。

Claims (4)

1.一种应用于不均匀磁场的快速二维J谱方法，其特征在于包括以下步骤：
1)装样；
2)装载序列，具体方法为在核磁共振谱仪操作台上导入脉冲序列，并打开所述脉冲序列的分子间二量子间接维延时演化模块和J分解采样模块；所述分子间二量子间接维延时演化模块由一个非选择性矩形π/2脉冲、一个溶剂选择性高斯形状(π/2)I脉冲、一个非选择性矩形π脉冲、一组间接维演化期t1/3和2t1/3组合以及一对强度比为1︰(-2)的线性相干选择梯度构成；所述J分解采样模块由采样期t2和非选择性π脉冲构成，并重复2N次，每一个采样期t2包含化学位移和磁场不均匀的演化，而重复2N次的采样期t2和非选择性π脉冲的组合可形成自旋回波信号演化，最终在单次扫描情况下获得免于磁场不均匀干扰的J偶合演化，实现数据采样；
3)依据所检测样品对脉冲序列两个模块进行实验参数设置，包括射频脉冲和梯度作用时间及强度、谱宽、间接维演化点数、采样时间；
4)执行序列；
5)数据处理，对采集得到的数据进行数据后处理。
2.如权利要求1所述一种应用于不均匀磁场的快速二维J谱方法，其特征在于在步骤1)中，所述装样是将所检测的样品装入标准核磁试管中，并将装样好的试管样品放入核磁共振谱仪磁体腔中。
3.如权利要求1所述一种应用于不均匀磁场的快速二维J谱方法，其特征在于在步骤4)中，所述执行序列的方法为：首先，分子间二量子间接维延时演化模块激发并选择分子间二量子相干信号并实现无磁场不均匀干扰的化学位移信息演化，整个信号演化过程需重复ni次，其中ni为间接维演化点数；其次，J分解采样模块对所演化信号进行采样，并通过单次扫描重复2N次采样信号得到免于磁场不均匀干扰的J偶合演化信息。
4.如权利要求1所述一种应用于不均匀磁场的快速二维J谱方法，其特征在于在步骤5)中，所述对采集得到的数据进行数据后处理的具体方法为：首先，对采样数据进行三维重构，得到一个化学位移－磁场不均匀－J偶合常数相关的三维数据；其次，对重构的三维数据进行三维傅里叶变换，得到一张三维频率谱；最后，对傅立叶变换得到的三维频率谱沿着化学位移－J偶合常数相关二维平面进行累加投影，得到免于磁场不均匀影响的高分辨二维J谱。
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