CN110044945B - 一种基于磁共振核自旋单态选择性检测牛磺酸的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于磁共振核自旋单态选择性检测牛磺酸的方法，该方法通过利用牛磺酸分子结构中，两个碳原子直接相连的四个氢原子的核自旋单态的制备和筛选，实现在复杂体系中对牛磺酸信号的选择性检测。本发明基于磁共振原理及设备检测牛磺酸分子，具有很好地精确度、灵敏度和选择性，能够在不破坏样品或改变样品性质的情况下，简便有效地消除体系内其它物质信号的干扰，准确地从组成成分复杂的待测体系中发现并检验牛磺酸的信号。同时，本发明还具有操作简单、时效迅速、无痛无创的优势，可应用于监控活体内牛磺酸的含量和分布，在生物学研究、工业生产、以及医学领域都具有重要的应用价值。
Description
技术领域
本发明涉及磁共振技术领域，尤其涉及一种基于磁共振核自旋单态选择性检测牛磺酸(taurine，β-氨基乙磺酸)的方法，实现对牛磺酸(taurine，β-氨基乙磺酸)分子的核磁1H信号进行选择性观测。
背景技术
牛磺酸(taurine，β-氨基乙磺酸)是一种在动物体内具有广泛分布的游离氨基酸，在哺乳动物以及人体中，牛磺酸主要集中于胆、大肠、脑以及心肌等组织器官部位。人体中的牛磺酸总含量可达到整个人体体重的0.1％。牛磺酸作为生物体内最基础的一类化学物质之一，在生物体内承担着不可或缺的生理功能，与许多重要的生物活性，代谢活动，以及器官功能密切相关。牛磺酸是生物体内合成胆汁酸和胆盐的原料，被广泛应用于细胞渗透调节，抗氧化，钙信号调节，同时对生物体神经中枢的发育和细胞保护具有极其重要的作用。医学证明人体内的牛磺酸除了调控生物体肌肉功能外，还能有效降低血液中胆固醇含量和血糖浓度，其浓度也会影响体内血脂蛋白及相关脂蛋白apolipoprotein的浓度，从而对冠心病等疾病产生影响。最新的科学研究进一步证明，哺乳动物，包括人体内许多肿瘤疾病与体内相应器官或部位的牛磺酸含量异常密切相关，例如胰腺癌早期，乳腺癌和直肠癌(Colorectalcancer)患者通常在其肿瘤组织部位积聚高浓度的牛磺酸，因此可被作为综合判断肿瘤的检测手段之一。同时，科学研究还显示牛磺酸或其衍生物可能应用于辅助治疗某些癌症疾病，例如脑部肿瘤。
牛磺酸作为含有一个硫原子的有机化合物，其氨基位于分子的β位，生物体中所需的牛磺酸一部分通过食物中摄取，另一部分也可以通过以半胱氨酸(Cysteine)为初始原料，经由半胱亚磺酸(Cysteine Sulfinat)，亚牛磺酸(Hypotaurine)，最终牛磺酸的生物合成途径获得。
目前其检测方法主要有化学中和滴定法、反相高效液相色谱法等。这些方法都需要复杂的前处理过程，同时无法实现对更复杂生物活体中牛磺酸(taurine，β-氨基乙磺酸)的在线检测。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于磁共振核自旋单态选择性检测牛磺酸(taurine，β-氨基乙磺酸)的方法，具有很好地精确度、灵敏度和选择性，能够准确的从组成成分复杂的体系中检测得到牛磺酸(taurine，β-氨基乙磺酸)的信号，同时很好地消除其它物质信号的干扰。
实现本发明目的的具体技术方案是：
一种基于磁共振核自旋单态选择性检测牛磺酸(taurine，β-氨基乙磺酸)的方法，该方法包括以下具体步骤：
步骤1：将预先配制的质量浓度为2％-5％牛磺酸的氘水溶液放置于磁共振谱仪中，对牛磺酸的氘水溶液施加90°硬脉冲，获得牛磺酸分子的氢谱，得到牛磺酸分子结构中，与两个碳原子直接相连的四个氢的化学位移和相互之间J耦合的大小；
步骤2：根据弱耦合体系下制备二自旋系统单态的脉冲形式，针对牛磺酸分子结构中两个碳原子上直接相连的四个氢构成的四自旋系统，由步骤1得到的化学位移和相互之间J耦合的值，利用MATLAB软件，计算四自旋系统中制备和检测牛磺酸单态所需的脉冲参数，得到使牛磺酸单态效率达到最大值的脉冲序列；
步骤3：将弱耦合体系下制备二自旋系统单态的脉冲形式和步骤2计算所得制备和检测牛磺酸单态所需的脉冲参数进行组合得到完整脉冲，施加到牛磺酸氘水溶液上，制备获得牛磺酸分子内四自旋体系的单态，并对其信号进行检测；
步骤4：在步骤3制备和检测牛磺酸单态的基础上，在单态制备脉冲和单态检测脉冲之间，根据牛磺酸分子所包含的四自旋体系的特性，设置cw去耦脉冲和两个不同强度的梯度场，配套组成一组新的脉冲序列；而后将新的脉冲序列施加到牛磺酸氘水溶液上，最终通过选择性滤波，只保留其结构中直接与两个碳原子相连的四个氢信号。
步骤1所述牛磺酸分子的完整氢谱，图谱左侧单峰为水信号，图谱右侧两组谱峰信号分别代表牛磺酸分子结构中，两个碳原子上所连接的四个氢的信号，由于每个碳原子上所连接的两个氢原子在其性质上磁等价，因此产生的磁共振信号相互重叠，构成一组信号峰；进一步由牛磺酸分子的核磁氢谱，获取牛磺酸分子中与两个碳原子相连的四个氢之间的J耦合和化学位移。
步骤2所述根据弱耦合体系下制备二自旋系统单态的脉冲形式，具体包括：首先施加相位处于x方向的90°硬脉冲，经等待时间τ1之后，第二次施加相位处于x方向的180°硬脉冲，再次等待τ1+τ2时间，随后第三次施加一个相位处于y方向的90°硬脉冲，等待
时间；这一阶段的脉冲序列组合称为制备脉冲；第二阶段设计一组检测脉冲，检测脉冲包括：首先经过一段等待时间τ4，随后对处于单态的样品施加一个相位处于y方向的90°硬脉冲，再经等待时间τ5后，直接ADC采样，直至fid完全衰减；
所述利用MATLAB软件，计算四自旋系统中制备和检测牛磺酸单态所需的脉冲参数，具体包括：通过MATLAB软件对参数进行计算，获得τ1，τ2的最有效值；首先，根据牛磺酸分子所含有的四自旋体系，在MATLAB脚本里构建一组四自旋体系共256个基算符，构建牛磺酸分子中两个碳原子直接相连的四个氢所构成的四自旋体系的哈密顿量，最后得到90°硬脉冲和180°硬脉冲所对应的操作算符；在此基础上，将整个体系由热平衡信号硬脉冲的操作算符和哈密顿量下进行演化，同时改变τ1，τ2演化时间，最终使得单态转化率都达到最大值；在设置第二阶段的检测脉冲时，对检测脉冲中等待时间τ4，τ5的取值进行调试，使得检测信号达到最大值；最终，将制备二自旋单态系统的脉冲形式与计算所得脉冲参数共同匹配组合，得到使牛磺酸单态效率达到最大值的脉冲序列。
步骤3所述制备获得牛磺酸分子内四自旋体系的单态，并对其信号进行检测，具体包括：将步骤2所得脉冲序列，用核磁共振设备的操作语言写入计算机，随后将配置的牛磺酸氘水溶液放入磁共振设备，完成锁场、调谐及匀场操作后，将发射机的射频中心对准牛磺酸两个碳原子上直接相连的四个氢原子经测量得到的中间频率，施加预先写入计算机的脉冲序列，制备并检测牛磺酸分子的单态。
步骤4所述的设置cw去耦脉冲和两个不同强度的梯度场，配套组成一组新的脉冲序列，具体包括：设置cw脉冲的施加时间在10ms到500ms之间，功率为0.01瓦特到5瓦特；两个不同强度的梯度场方向设置为处于z方向，功率5到10Gs/cm范围，施加时间在1ms到3ms之间。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明具有很好地精确度、灵敏度和选择性，能够很好地消除其它物质信号的干扰，准确的从组成成分复杂体系中检测得到牛磺酸(taurine，β-氨基乙磺酸)的信号。同时，还具有操作简单、无痛无创的优势，可用于监控活体内牛磺酸(taurine，β-氨基乙磺酸)的含量和分布，在生物学、医学领域具有重要的应用价值。
相对于现有技术，本发明具有以下优势：
(1)专一性强，仅针对于牛磺酸(taurine，β-氨基乙磺酸)分子信号作选择性观测，不会受到其它分子结构类似化合物信号干扰；
(2)方法简单，无需对待测样品中牛磺酸(taurine，β-氨基乙磺酸)进行分离，可直接应用于混合样品牛磺酸(taurine，β-氨基乙磺酸)的检测；
(3)测量迅速，只需将样品放入核磁设备，运行针对牛磺酸(taurine，β-氨基乙磺酸)分子的一整套脉冲序列，在几分钟内就可以得到磁共振图谱，完成检测；
(4)对样品无破坏性，无需改变样品性质，或破坏牛磺酸(taurine，β-氨基乙磺酸)分子结构，只需利用核磁共振仪器施加特定的脉冲即可选择性检测样品中所含有的牛磺酸(taurine，β-氨基乙磺酸)分子；
(5)对场强没有依赖性，适用于不同规格的磁共振谱仪，只要利用牛磺酸分子的液态核磁氢谱，得到其分子内与两个碳原子直接相连的四个氢原子之间的J耦合大小和化学位移差值，就可以通过MATLAB计算得到所需要的脉冲参数，对牛磺酸(taurine，β-氨基乙磺酸)选择性检测；
(6)可以应用于活体，不需要向生物体内注射探针分子，可在不损害组织的细胞的基础上，实时检测牛磺酸(taurine，β-氨基乙磺酸)分子。
附图说明
图1为牛磺酸(taurine，β-氨基乙磺酸)的分子结构及液体核磁氢谱图；
图2为用于制备牛磺酸(taurine,β-氨基乙磺酸)单态所用体系H原子(两个C原子上四个H)谱图；
图3为本发明用于制备单态的基本脉冲序列形式示意图；
图4为本发明实施例1中制备并检测牛磺酸(taurine，β-氨基乙磺酸)单态的核磁共振氢谱图；
图5为本发明在制备并检测单态的基础上加入梯度场与强功率cw去耦脉冲后的脉冲序列设计示意图；
图6为本发明实施例1中在原来脉冲基础上，加入梯度场与强功率cw去耦脉后，制备并检测牛磺酸(taurine，β-氨基乙磺酸)单态的核磁共振氢谱图；
图7为本发明实施例2中牛磺酸(taurine，β-氨基乙磺酸)与牛磺酸生物体内代谢前体亚牛磺酸(hypotaurine，2-氨乙基亚磺酸)混合溶液的核磁氢谱图；
图8为本发明实施例2中制备混合体系中牛磺酸(taurine，β-氨基乙磺酸)单态并检测牛磺酸(taurine，β-氨基乙磺酸)单态的核磁氢谱图；
图9中在原来脉冲基础上，加入梯度场与强功率cw去耦脉后，制备混合体系牛磺酸(taurine，β-氨基乙磺酸)单态并检测牛磺酸(taurine，β-氨基乙磺酸)单态的核磁氢谱图；
图10为本发明实施例3中含有牛磺酸(taurine，β-氨基乙磺酸)，其它氨基酸以及有机化合物的混合溶液体系中，通过常规核磁共振方法所得到的氢谱图；
图11中使用一系列经过设置的单态制备脉冲，加入梯度场与强功率cw去耦脉冲组合，以及单态检测脉冲后，制备混合体系中牛磺酸(taurine，β-氨基乙磺酸)单态并完成选择性滤波后，检测牛磺酸(taurine，β-氨基乙磺酸)单态得到的核磁氢谱图。
具体实施方式
结合以下具体实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明。实施本发明的过程、条件、实验方法等，除以下专门提及的内容之外，均为本领域的普遍知识和公知常识，本发明没有特别限制内容。
实施例1
由制备牛磺酸(taurine，β-氨基乙磺酸)单态到实现牛磺酸(taurine，β-氨基乙磺酸)信号滤波(所用仪器为BrukerAVANCE III 500核磁共振仪)具体步骤为：
步骤1：本实施例为牛磺酸(taurine，β-氨基乙磺酸)溶于D2O的体系，配制质量分数为3％牛磺酸(taurine，β-氨基乙磺酸)的氘水溶液，施加90°脉冲，获得图1所示的牛磺酸(taurine，β-氨基乙磺酸)1H谱各信号峰，其中，牛磺酸(taurine，β-氨基乙磺酸)分子内与两个碳原子直接相连的四个H原子信号峰处于图谱右侧(1号峰化学位移3.27ppm，2号峰化学位移3.10ppm位置)谱图左侧信号峰为水峰(化学位移4.70ppm位置)。选择牛磺酸(taurine，β-氨基乙磺酸)分子结构中与两个碳原子直接相连的四个H原子信号峰氢(如图2所示1H谱上标记的1，2号峰)的谱峰作为目标峰，定标至1号与2号峰中间，读出该体系各个氢之间的J耦合值及其对应的化学位移：
ω1＝41.5Hz,ω2＝41.5Hz,ω3＝-41.5Hz；ω3＝-41.5Hz
J13＝6.69Hz,J14＝6.69Hz,J23＝6.50Hz,J24＝6.50Hz
步骤2：首先利用泡利算符构建四自旋体系的基算符(共256个16×16的矩阵)，然后根据步骤1所得牛磺酸(taurine，β-氨基乙磺酸)内与两个碳原子直接相连的四个H的化学位移与相互之间J耦合的大小，写出四自旋体系的哈密顿量，以及哈密顿量下演化算符如下所示：
其中：ω1、ω2、ω3分别代表两个碳原子直接相连的四个氢原子的化学位移大小。
是四自旋体系下z方向的基算符表达式，τ为演化时间，
为经过τ时间的演化算符，
为
的转置复共轭，
为体系哈密顿量。
再写出90度硬脉冲和180硬脉冲所对应的操作算符，以相位处于x方向的90度硬脉冲为例，如下所示：
其中：
是四自旋体系下x方向的基算符表达式，
为
的转置复共轭。
四自旋体系再常温下处于热平衡态，如下所示：
根据弱耦合体系下制备二自旋系统单态的脉冲形式，如图3所示：
1.加相位处于x方向的90度硬脉冲，利用基算符可以写成：
2.经过τ1时间的演化：
3.施加相位处于x方向的180度硬脉冲：
4.经过τ1+τ2时间的演化：
5.施加一个相位处于y方向的90度硬脉冲：
6.演化
时间：
这段脉冲的作用是制备牛磺酸(taurine，β-氨基乙磺酸)分子结构中两个碳原子上连接的四个H原子所构成四自旋体系的单态，简称为制备脉冲。
在哈密顿量和硬脉冲的操作算符下演化，单态的目标算符设为：
经过硬脉冲的操作算符和哈密顿量下的演化，得到最后的末态
与目标算符
相乘求迹，即可得到单态上的投影：
S代表单态的转化率，为了使得单态取得最大值，需要利用MATLAB拟合，首先将上述公式分别写入MATLAB脚本，再利用编程不断优化τ1τ2的取值，使得单态项(S的绝对值)达到最优值。经过优化，取τ1＝10ms，τ2＝6.8ms，τ3＝3.4ms，此时单态效率可以取最优值。
因为单态不为单量子信号，因此无法直接检测单态信号，需要施加一段检测脉冲，其形式为：
1.经过τ3时间的演化：
2.施加一个相位处于y方向的90度硬脉冲：
3.经过τ4时间的演化：
在单态效率达到最优值的基础上，以制备单态后的量子态为初态，其目标量子态设为
同理，经过检测脉冲的作用，将最后的末态
与目标量子态
相乘后求迹即可得到末态在目标量子态上的投影：
R代表目标量子态的转化率，为了使得其取得最大值，需要利用MATLAB拟合，不断优化τ4和τ5的取值，使得R的绝对值达到最大值。经过优化，取τ4＝3.1ms，τ5＝6.8ms。经过上述计算，将弱耦合体系下制备二自旋系统单态的脉冲形式与上述计算所得脉冲参数组合，可得到制备牛磺酸(taurine，β-氨基乙磺酸)分子内两个碳原子上四个H原子构成的四自旋系统单态的完整脉冲序列。
步骤3：将步骤2最终所得到完整脉冲，用核磁共振仪器的语言写入计算机，再将牛磺酸(taurine，β-氨基乙磺酸)氘水溶液放入磁体中，然后进行锁场、调谐及匀场操作，最后将发射机的射频中心对准牛磺酸(taurine，β-氨基乙磺酸)分子内与两个碳原子直接相连的四个H原子中间，施加已写入计算机的完整脉冲，制备并检测牛磺酸(taurine，β-氨基乙磺酸)分子的单态。检测后的牛磺酸(taurine，β-氨基乙磺酸)核磁氢谱图如图4所示，右侧两组信号分别来源于牛磺酸(taurine，β-氨基乙磺酸)分子内与两个碳原子直接相连的四个H(化学位移3.27ppm为谱峰1对应牛磺酸分子结构中与碳1直接相连的两个氢原子，3.10ppm位置的谱峰2对应分子结构中与碳2直接相连的两个氢原子；最左侧4.70ppm位置谱峰为氘水中的水信号)。可以看出，制备单态并检测单态后，氘水中水的信号强度仍旧远大于牛磺酸(taurine，β-氨基乙磺酸)分子的信号，未能实现选择性滤波，因此，再制备单态的基础上需要改进。
制备牛磺酸(taurine，β-氨基乙磺酸)单态的脉冲序列可根据实际需求进行不同设计，可利用不同的制备单态脉冲序列实现牛磺酸(taurine，β-氨基乙磺酸)的单态制备。步骤4：在步骤3对牛磺酸单态进行制备和检测的基础上，在单态制备步骤和单态检测步骤中间再新增加一个强功率的cw脉冲和两个不同强度的梯度场，脉冲形式如图5所示，b之前的脉冲序列为针对牛磺酸(taurine，β-氨基乙磺酸)分子中核四自旋体系单态的制备脉冲。b到c为新增的滤波筛选过程，包括cw去耦脉冲和两个不同强度的梯度场，其中cw脉冲功率为0.6瓦特，施加时间取80ms；两个不同强度的梯度场要求施加时间取1ms，功率为5Gs/cm和8Gs/cm。c之后阶段的为牛磺酸(taurine，β-氨基乙磺酸)单态的检测脉冲。在b与c之间的滤波过程中，要不断优化cw的施加时间与功率，使得滤波效果达到最优。实验结果如图6所示，右侧两组信号来源于牛磺酸(taurine，β-氨基乙磺酸)内两个碳原子上直接相连的四个H，左侧4.70ppm处为氘水中的水信号。可以看出，在制备单态和检测单态之间增加了优化后的cw去耦脉冲和梯度场后，氘水中水的信号强度远小于牛磺酸(taurine，β-氨基乙磺酸)分子的信号，实现了选择性滤波。
实施例2
亚牛磺酸(hypotaurine，2-氨乙基亚磺酸)分子结构与牛磺酸非常接近，同样含有一个由与两个碳原子直接相连的4个氢原子所构成的核四自旋体系，唯一的区别在于硫氧键的个数差异。同时，在生物体内的牛磺酸代谢过程中，亚牛磺酸作为合成牛磺酸最终产物的前一步中间体，通常与牛磺酸在相应器官或体液中同时存在。本实施例中，通过对牛磺酸以及亚牛磺酸的简单混合物样品中，选择性制备牛磺酸(taurine，β-氨基乙磺酸)单态，并实现牛磺酸(taurine，β-氨基乙磺酸)信号滤波和检测(所用仪器为AVANCE III 500核磁共振仪(Bruker)，这也更接近实际活体状态，展现本发明应用的广泛性。具体步骤为：
步骤1：配置质量浓度均为1.5％的牛磺酸(taurine，β-氨基乙磺酸)和亚牛磺酸(hypotaurine，2-氨乙基亚磺酸)混合物氘水溶液样品，将其放置于核磁共振仪器中，施加90°脉冲，获得图7所示的混合物样品1H谱信号峰，最左侧4.70ppm处谱峰为水的信号，右侧谱峰1和2为牛磺酸(taurine，β-氨基乙磺酸)的H信号；谱峰3(3.18ppm)和4(2.46ppm)为亚牛磺酸(hypotaurine，2-氨乙基亚磺酸)分子结构中对应的3号与4号位置碳原子上分别直接相连的两组共4个氢原子的信号峰。与实施例1中的步骤1类似，读出该体系各个氢之间的J耦合值及其对应的化学位移：
ω1＝41.5Hz,ω2＝41.5Hz,ω3＝-41.5Hz；ω3＝-41.5Hz
J13＝6.71Hz,J14＝6.71Hz,J23＝6.52Hz,J24＝6.52Hz
步骤2：由于混合体系下，牛磺酸(taurine，β-氨基乙磺酸)分子中与两个碳原子分别相连的四个氢原子构成的四自旋系统的J耦合与化学位移值并未发生变化，体系的哈密顿量也没有发生变化。可直接借用实施例1中，弱耦合体系下制备四自旋系统单态的脉冲形式与计算所得脉冲参数。
步骤3：与实例1中的步骤3类似，施加已写入计算机的完整脉冲，制备并检测牛磺酸(taurine，β-氨基乙磺酸)分子的单态。检测后的牛磺酸(taurine，β-氨基乙磺酸)核磁氢谱如图8所示，最左边牛磺酸(taurine，β-氨基乙磺酸)分子中两个碳原子上连接的四个H的信号大小几乎没有发生变化。右侧两组信号分别来源于牛磺酸(taurine，β-氨基乙磺酸)分子内与两个碳原子直接相连的四个H(化学位移3.27ppm为谱峰1对应牛磺酸分子结构中与碳1直接相连的两个氢原子，3.10ppm位置的谱峰2对应分子结构中与碳2直接相连的两个氢原子；3号(化学位移3.18ppm)和4号谱峰(化学位移2.46ppm)分别为亚牛磺酸分子中3号与4号位碳原子连接的4个氢原子形成的信号峰高度基本为0，证明已被成功选择性去除；最左侧4.70ppm处谱峰为氘水中的氢信号。可以看出，制备单态并检测单态后，图谱中其它非单态信号强度得到一定的压制，但氘水中氢的信号强度仍旧远大于牛磺酸(taurine，β-氨基乙磺酸)分子的信号，未能完全实现选择性滤波，因此，在制备单态的基础上需要进一步改进。
步骤4：与实例1中的步骤4类似，在制备单态并检测单态的基础上，在制备单态和检测单态中间新增强功率的cw脉冲和两个不同强度的梯度场，整个脉冲序列组合设计如图5所示，b之前的脉冲为单态制备脉冲，选择性制备牛磺酸(taurine，β-氨基乙磺酸)单态，b点和c点间为新增加的cw脉冲和两个不同强度的梯度场，c之后的为检测牛磺酸(taurine,β-氨基乙磺酸)分子的单态，其中cw脉冲的施加时间取80ms，功率为1瓦特。两个不同强度的梯度场要求施加时间取1ms，功率为5Gs/cm和8Gs/cm，方向处于z方向。结果如图9所示，牛磺酸(taurine，β-氨基乙磺酸)分子1号位和2号位碳原子上H的信号强度(分别对应谱峰1和谱峰2)与图7中相应谱峰信号强度基本未发生衰减；而图7中对应亚牛磺酸(hypotaurine，2-氨乙基亚磺酸)分子结构中四个原子构成的四自旋体系产生的3号和4号谱峰经选择性滤波后，其信号强度发生了明显的变化，信号基本为零(图9)，与牛磺酸(taurine，β-氨基乙磺酸)分子的信号相比，可以几乎忽略不计。位于4.70ppm处为水信号，经过计算，与未施加任何单态制备和选择性滤波的氢谱中水信号(图7)相比，水信号高度剩下不到0.1％。总的来说，相较于氢谱(图8)，图谱中除牛磺酸外，其它氢信号强度几乎完全受到压制，特别是亚牛磺酸中氢信号强度几乎衰减至0，仅保留牛磺酸(taurine，β-氨基乙磺酸)的单态信号，实现在该混合体系中对牛磺酸(taurine,β-氨基乙磺酸)信号的选择性检测。
实施例3
牛磺酸(taurine，β-氨基乙磺酸)在生物体内通常以游离态的形式存在，由于生物体不同器官组织的复杂构成，也有一部分其它种类的氨基酸或有机物分子含有与牛磺酸分子内4个氢原子构成的四自旋体系所相似的自旋体系。本实施例通过对牛磺酸，以及与其它几种生物体内常见的，同样具有氢原子四自旋体系的有机物物分子，如赖氨酸，甲硫氨酸，精氨酸，谷氨酰胺，谷胱甘肽等，所配制的混合物样品中，选择性制备牛磺酸(taurine，β-氨基乙磺酸)单态，并实现牛磺酸(taurine，β-氨基乙磺酸)信号滤波和检测(所用仪器为AVANCE III 500核磁共振仪(Bruker)具体步骤为：
步骤1：配置质量浓度均为1.5％的牛磺酸(taurine，β-氨基乙磺酸)，和赖氨酸(Lysine)，谷氨酸(GlutamicAcid)，精氨酸(Arginine)，甲硫氨酸(Methionine)，谷氨酰胺(Glutamine)，谷胱甘肽(glutathione，GSH)，以及亚牛磺酸混合物的氘水溶液样品，将其放置于核磁共振仪器中，施加90°脉冲，获得图10所示的混合物样品1H谱信号峰，最左侧4.70ppm处谱峰为水的信号，右侧谱峰1和2为牛磺酸(taurine，β-氨基乙磺酸)的H信号；其余谱峰为其它各类氨基酸及有机化合物分子中氢原子形成的H谱峰。与实施例1中的步骤1类似，读出该体系各个氢之间的J耦合值及其对应的化学位移：
ω1＝41.5Hz,ω2＝41.5Hz,ω3＝-41.5Hz；ω3＝-41.5Hz
J13＝6.70Hz,J14＝6.70Hz,J23＝6.54Hz,J24＝6.54Hz
步骤2：由于混合体系下，牛磺酸(taurine，β-氨基乙磺酸)分子中与两个碳原子分别相连的四个氢原子构成的四自旋系统的J耦合与化学位移值并未发生变化，整个体系内哈密顿量也没有发生变化。可直接借用实例2中，弱耦合体系下制备四自旋系统单态的脉冲形式与计算所得脉冲参数。
步骤3：与实例2中得步骤3类似，施加已写入计算机的完整脉冲，制备并检测牛磺酸(taurine，β-氨基乙磺酸)分子的单态。
步骤4：在步骤3制备单态并检测单态的基础上，与实施例1与2相类似，在单态制备和检测步骤中间增加一组由cw脉冲和两个不同强度的梯度场所组成的滤波脉冲序列，整个脉冲序列组合设计如图5所示。实验中，cw脉冲的施加时间取80ms，功率为1.2瓦特，两个不同强度的梯度场要求施加时间取1ms，功率为5Gs/cm和8Gs/cm，方向处于z方向。结果如图11所示，牛磺酸(taurine，β-氨基乙磺酸)分子1号位和2号位碳原子上相连的4个H的信号强度(分别对应化学位移3.27ppm处谱峰1和3.10ppm处的谱峰2)与图10中相应谱峰信号强度基本未发生衰减；而图11中对应其它各种有机物分子结构中氢原子信号基本为零，总的来说，相较于最初未施加任何处理的氢谱(图10)，图谱中其它各类有机物以及水的氢信号强度几乎完全受到压制，特别是水信号强度几乎衰减至0，几乎可以完全忽略。在这一实施例中，证明了通过对牛磺酸(taurine，β-氨基乙磺酸)分子中，与两个碳原子直接相连的四个氢原子构成的四自旋体系单态信号的制备，滤波脉冲序列的设计与优化，以及单态检测脉冲的设置，成功实现了在该混合物体系中，对牛磺酸(taurine，β-氨基乙磺酸)信号的选择性检测。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，本领域的技术人员可以在本发明精神内进行修改或者等同替换，凡依本发明精神所做的变化，皆应属本发明所要求保护的涵盖范围。
Claims (3)
1.一种基于磁共振核自旋单态选择性检测牛磺酸的方法，其特征在于，该方法包括以下具体步骤：
步骤1：将预先配制的质量浓度为2％-5％牛磺酸的氘水溶液放置于磁共振谱仪中，对牛磺酸的氘水溶液施加90°硬脉冲，获得牛磺酸分子的氢谱，得到牛磺酸分子结构中，与两个碳原子直接相连的四个氢的化学位移和相互之间J耦合的大小；
步骤2：根据弱耦合体系下制备二自旋系统单态的脉冲形式，针对牛磺酸分子结构中两个碳原子上直接相连的四个氢构成的四自旋系统，由步骤1得到的化学位移和相互之间J耦合的值，利用MATLAB软件，计算四自旋系统中制备和检测牛磺酸单态所需的脉冲参数，得到使牛磺酸单态效率达到最大值的脉冲序列；其中：
所述根据弱耦合体系下制备二自旋系统单态的脉冲形式，具体包括：首先施加相位处于x方向的90°硬脉冲，经等待时间τ1之后，第二次施加相位处于x方向的180°硬脉冲，再次等待τ1+τ2时间，随后第三次施加一个相位处于y方向的90°硬脉冲，等待
时间；这一阶段的脉冲序列组合称为制备脉冲；第二阶段设计一组检测脉冲，检测脉冲包括：首先经过一段等待时间τ4，随后对处于单态的样品施加一个相位处于y方向的90°硬脉冲，再经等待时间τ5后，直接ADC采样，直至fid完全衰减；
所述利用MATLAB软件，计算四自旋系统中制备和检测牛磺酸单态所需的脉冲参数，具体包括：通过MATLAB软件对参数进行计算，获得τ1，τ2的最有效值；首先，根据牛磺酸分子所含有的四自旋体系，在MATLAB脚本里构建一组四自旋体系共256个基算符，构建牛磺酸分子中两个碳原子直接相连的四个氢所构成的四自旋体系的哈密顿量，最后得到90°硬脉冲和180°硬脉冲所对应的操作算符；在此基础上，将整个体系由热平衡信号硬脉冲的操作算符和哈密顿量下进行演化，同时改变τ1，τ2演化时间，最终使得单态转化率都达到最大值；在设置第二阶段的检测脉冲时，对检测脉冲中等待时间τ4，τ5的取值进行调试，使得检测信号达到最大值；最终，将制备二自旋单态系统的脉冲形式与计算所得脉冲参数共同匹配组合，得到使牛磺酸单态效率达到最大值的脉冲序列；
步骤3：将弱耦合体系下制备二自旋系统单态的脉冲形式和步骤2计算所得制备和检测牛磺酸单态所需的脉冲参数进行组合得到完整脉冲，施加到牛磺酸氘水溶液上，制备获得牛磺酸分子内四自旋体系的单态，并对其信号进行检测；
步骤4：在步骤3制备和检测牛磺酸单态的基础上，在单态制备脉冲和单态检测脉冲之间，根据牛磺酸分子所包含的四自旋体系的特性，设置cw去耦脉冲和两个不同强度的梯度场，配套组成一组新的脉冲序列；而后将新的脉冲序列施加到牛磺酸氘水溶液上，最终通过选择性滤波，只保留其结构中直接与两个碳原子相连的四个氢信号；其中，设置cw脉冲的施加时间在10ms到500ms之间，功率为0.01瓦特到5瓦特；两个不同强度的梯度场方向设置为处于z方向，功率5到10Gs/cm范围，施加时间在1ms到3ms之间。
2.根据权利要求1所述的基于磁共振核自旋单态选择性检测牛磺酸的方法，其特征在于，步骤1所述牛磺酸分子的完整氢谱，图谱左侧单峰为水信号，图谱右侧两组谱峰信号分别代表牛磺酸分子结构中，两个碳原子上所连接的四个氢的信号，由于每个碳原子上所连接的两个氢原子在其性质上磁等价，因此产生的磁共振信号相互重叠，构成一组信号峰；进一步由牛磺酸分子的核磁氢谱，获取牛磺酸分子中与两个碳原子相连的四个氢之间的J耦合和化学位移。
3.根据权利要求1所述的基于磁共振核自旋单态选择性检测牛磺酸的方法，其特征在于，步骤3所述制备获得牛磺酸分子内四自旋体系的单态，并对其信号进行检测，具体包括：将步骤2所得脉冲序列，用核磁共振设备的操作语言写入计算机，随后将配置的牛磺酸氘水溶液放入磁共振设备，完成锁场、调谐及匀场操作后，将发射机的射频中心对准牛磺酸两个碳原子上直接相连的四个氢原子经测量得到的中间频率，施加预先写入计算机的脉冲序列，制备并检测牛磺酸分子的单态。
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