CN113009396B - 在nmr谱仪中测量目标样品的nmr数据的方法及nmr谱仪 - Google Patents

Abstract

本公开涉及在NMR谱仪中测量目标样品的NMR数据的方法及NMR谱仪。一种NMR谱仪包括补偿系统和用于生成主磁场的具有主磁极的主磁体，补偿系统包括：定位在所关注体积中的至少一个目标样品线圈和锁场样品线圈，所关注体积被布置在主磁极之间；至少一个补偿线圈，用于补偿所关注体积内的主磁场的漂移；至少一个目标通道，用于生成具有目标激发频率的RF脉冲；以及锁场数据处理系统，包括用于生成具有锁场激发频率的RF脉冲的锁场通道，其中锁场数据处理系统被配置为适应该至少一个补偿线圈中的补偿电流并通过在目标通道处施加目标频率校正偏移FCO来同时校正目标频率。

Description

在NMR谱仪中测量目标样品的NMR数据的方法及NMR谱仪

技术领域

本发明涉及一种用于在具有用于生成主磁场(H₀)的带有主磁极的主磁体的NMR谱仪中测量目标样品的NMR数据的方法，其中主磁场显示出主磁体变化。谱仪还包括至少一个补偿线圈、目标样品线圈、锁场(lock)样品线圈、用于生成具有目标激发频率的RF脉冲的至少一个目标通道以及具有用于生成具有锁场激发频率的RF脉冲的锁场通道的锁场数据处理系统。

本发明还涉及一种相应的NMR谱仪。

背景技术

从[1]中已知一种相应的方法和谱仪。

NMR磁体具有强的温度依赖性。经由Larmor方程，由主磁体生成的主磁场与其频率之间存在直接相关性。因此，例如由温度、场不均匀性、流动的电流波动等引起的磁场变化将生成频率改变。通过使用最新的电子器件或者任何其它低温或类似技术，可以以其最佳准确度控制和调节主磁体的温度。但是，在永磁体中，微开尔文(10^-6K)量级的温度改变足以导致NMR线的实质性频移，这是因为它们的场具有强的温度依赖性。如果只记录一次NMR信号采集，那么这种场景不会造成大的不便。遗憾的是，与其它谱学技术相比，NMR的主要缺点是其灵敏度不足。这意味着，通常信噪比(SNR)很小。解决该问题的方法是通过多次采集相同的NMR信号，从而获得平均的NMR信号。此外，极其重要的是，每个单个共振都以其相同的频率被记录，以便避免线变宽，从而丢失分辨率，进而再次导致低SNR。控制主磁体的温度不足以确保所需的频率稳定性。

必须考虑的另一方面是磁场不均匀性。沿着磁体对称轴安装的匀场线圈减轻磁场不均匀性，但会留下剩余场梯度，该剩余场梯度进而生成频率梯度。

在高分辨率NMR系统中，磁场变化的稳定性是通过对明确定义的NMR信号进行锁场来实现的，即，它是基于氘(²H)核的。这要求要分析的样品必须与氘化溶液混合。在这种设置中，锁场样品和被调查样品(目标样品)两者在给定主磁场内处于相同位置，并且因此看见相同的场分布。在永磁体的情况下，通过设置外部锁场样品来避免目标样品与氘(²H)核的混合。这里，目标样品和锁场样品位于主磁场内的不同空间位置。因此，样品被暴露于不同的磁场分布。

用于补偿目标样品和锁场样品之间的频率差异的一种方法是更少的线圈或频率场锁场(不需要补偿线圈)。该方法要求在目标样品和锁场样品周围的高磁场均匀性，以便建立两者之间的频率相关性。这是因为不均匀的磁场会在锁场样品和目标样品之间产生相当复杂(有时如果偏差太大，那么不可能建模)的频率关系。因此，这种方法只能在非常有限的场景中使用。由于它不需要补偿线圈和外部锁场样品，因此其软锁场(soft-lock)对应物更易于实现。工作站将处理第一共振峰瞬变，以搜索最强的NMR共振位置，然后对于每个随后的共振峰，该共振将被设置为完全相同的频率。但是，由于存在磁场不均匀性，因此既没有实现更少的线圈，也没有实现软锁场方法。

[2]公开了一种锁场方法。NMR探头包括三个端口，这三个端口包含高伽玛和低伽玛观察通道以及氘核锁场通道。锁场通道传输和接收单元对输入的RF接收信号执行包括频率转换和模数(AD)转换的处理。经处理的RF接收信号作为接收数据被临时存储在接收存储器中。从接收存储器读取的接收数据被传输到谱仪控制计算机，该谱仪控制计算机执行对接收数据的分析。但是，仅当锁场样品和目标样品两者都位于相同的磁场分布时，该方法才有效。

在[3]中公开了不具有补偿线圈系统的频率场锁场的另一个示例。它提供了具有锁相环的NMR锁场机构，该锁相环形成了取决于可变频率的锁场机构，即将核的共振频率与被调整为维持固定偏移频率的可变频率激发进行比较。同样，仅当锁场样品和目标样品两者都位于相同的磁场分布时，该方法才有效。

[4]描述了一种NMR装置，该NMR装置设有锁场设备，该锁场设备包括用于校正到补偿线圈的锁场电流以补偿主磁场H₀的场不均匀性的锁场通道。锁场检测器执行信号的检测并将值输出到锁场校正器。锁场电流源执行调整，使得流过补偿线圈的电流与所述值成比例。因此，该锁场激发频移对对应锁场线圈电流补偿的依赖性是单调的，并且可以用比例因子进行成比例的校正。这是可能的，因为锁场样品和目标样品处于相同的磁场分布，并且因此它们的共振频率关系严格成比例。

从[2]、[3]、[4]已知的方法只有在锁场样品和目标样品两者都位于相同的磁场分布时才有效。因此，锁场样品不能独立于目标样品而保留在主磁体内部。

在与[2]相关联的[5]中，仅FID被用于确定对应的弛豫常数。因此，不需要高的谱分辨率。这意味着锁场稳定性规格不如本发明中要求的那样。

为了提供关于进一步的样品制备和锁场溶剂溶解的更大的灵活性和用户友好性，已知具有与目标样品一起保留在主磁体内部的锁场样品。但是，其结果是锁场样品和目标样品不再位于磁场分布内的相同位置，并且它们不共享相同的检测线圈。因此，由于场梯度，两个样品中的磁场分布不相同。锁场通道以如下方式工作：它不断地测量样品NMR信号并且确定其共振频率。然后，将该频率与预定义频率进行比较。为了使所述锁场样品共振线始终处于频率标度中的相同位置，锁场通道确定用于H₀补偿线圈的对应电流。该电流由受控制的电源输送，该电源又使补偿线圈相应地改变磁场。以这种方式，可以随时间补偿磁场变化。但是，磁体不均匀性将无法得到补偿。

[1]描述了低场NMR弛豫仪(relaxometer)的相应方法。它包括场频率锁场系统，该场频率锁场系统具有位于集成到主探头中作为锁场检测器的微线圈中的¹⁹F锁场样品，其用于计算补偿线圈所需的主磁场补偿。[1]公开了对于一个特定的线圈补偿电流值，如何仅利用锁场样品和目标样品之间的两个值来计算以百万分之一(ppm)为单位的频率偏差之间的关系。这是用于确定补偿常数的非常简单的方法。

由于锁场样品和目标样品不在NMR主磁体内部的相同位置这一事实，来自锁场单元的场校正将由于磁场不均匀性而导致对目标样品和锁场样品的不同校正。另外，补偿线圈将自身生成磁场梯度，这会引发进一步的磁场不均匀性。因此，这些进一步引发的不均匀性与流过补偿线圈的补偿电流相关。因此，磁场变化越大，所需的补偿电流就越大，这又导致更大的磁场梯度。因此，磁场变化的补偿有助于增加锁场样品和目标样品之间的偏移频率差。因此，随着该场梯度变化，目标样品将随时间而发生偏差。

发明内容

本发明的目的

本发明的目的是提供一种用于以改进的谱分辨率测量NMR数据的用户友好的方法以及具有改进的锁场通道的相应NMR谱仪，特别是用于其中锁场线圈和目标线圈要被定位在所关注体积内的分开的位置处从而被放置在不同的磁场环境中的测量。

本发明的简要描述

该目的通过根据本发明的方法和根据本发明的NMR谱仪来实现。

本发明提供了一种用于在NMR谱仪中测量目标样品的NMR数据的方法，所述NMR谱仪包括：用于生成主磁场的主磁体，其中主磁场显示出主磁体变化；至少一个补偿线圈；至少一个目标样品线圈；锁场样品线圈；至少一个目标通道，用于生成具有目标频率的RF脉冲；以及具有锁场通道的锁场数据处理系统，该锁场通道用于生成具有锁场激发频率的RF脉冲。本发明的方法包括以下步骤：

i)提供传递函数，所述传递函数在至少一个补偿线圈的当前补偿电流(H₀补偿电流)处使锁场样品的共振峰的频率(锁场共振频率)与目标样品的共振峰的频率(目标共振频率)相关，所述传递函数的系数被存储在锁场数据处理系统中；

ii)借助于锁场样品线圈测量锁场数据；

iii)确定用于补偿主磁场的时间变化的实际所需的补偿电流，该补偿电流是通过处理步骤ii)的锁场数据来确定的；

iv)将补偿电流施加到至少一个补偿线圈；

v)通过使用传递函数确定针对所需的补偿电流的目标频率校正偏移；

vi)通过借助于目标样品线圈以由目标频率校正偏移校正的目标激发频率施加RF脉冲而激发目标样品的核来采集目标样品的NMR数据。

优选地，步骤ii)-iv)(锁场例程)将在测量期间一直工作，并且独立于目标通道运行，即步骤ii)-iv)优选地在循环中不断地重复并且与(一个或多个)目标通道中是否存在NMR采集无关。

本发明的方法考虑了磁场不均匀性作为锁场通道中的信号变化。这些变化是频率改变，本发明的方法使用这些频率改变作为输入以便获得目标通道中的可靠的频率补偿。本发明将通过了解供应给补偿线圈的实际补偿电流来补偿频率偏差。因此，通过校正由锁场线圈不均匀性导致的场漂移改进了永磁体上的锁场稳定性。

步骤i)中提供的传递函数(频率校正函数)是数学函数，该函数关联目标频率校正偏移作为补偿电流的函数。对于锁场样品和磁场分布的组合，传递函数是独特的。优选地在用于创建NMR谱的实际数据记录之前的频率映射过程中确定传递函数。锁场和目标样品FID信号(锁场数据和目标数据)两者都用于确定对应的传递函数。优选地，传递函数确定在系统设置期间的最开始进行一次，或者根据用户的要求进行。

在步骤ii)中，通过激发锁场样品的核并检测锁场样品的NMR信号来采集锁场数据(来自锁场样品的NMR信号)。从锁场数据确定锁场共振频率。

通过将实际锁场数据与参考时基(time base)进行比较，可以观察到主磁场的改变，并且可以计算在锁场样品的位置处生成标称主磁场所需的补偿电流(步骤iii))。

在步骤iv)中，通过向补偿线圈施加补偿电流来补偿主磁场变化。

在步骤v)中，将传递函数与实际所需的补偿电流(控制信号)一起使用，以确定应添加到来自目标样品的所观察的数据的频率偏移。根据控制信号和传递函数的系数计算目标频率校正偏移。锁场数据处理通过经由频率映射过程获得的传递函数考虑锁场样品与目标样品之间的共振频率差。

优选地，在将补偿电流施加到补偿线圈之后，但是在技术上可能的最小时间帧内，计算目标频率校正偏移。

本发明的方法在步骤v)中通过将目标频率校正偏移施加到信号生成器来校正目标激发频率以生成用于激发目标核的RF脉冲。

本发明的方法的主要优点在于，在包括锁场通道并确定要施加到补偿线圈的补偿电流的锁场数据处理单元与目标通道的FID采集单元之间存在真实的连接。独立工作的目标通道和锁场通道之间的连接允许对施加到目标样品的激发频率的即时校正。

优选地，通过采集一系列数据点来确定传递函数，每个数据点包括锁场数据和目标数据，其中对于每个数据点，修改补偿线圈电流，并记录锁场共振频率和目标共振频率。锁场共振频率是由锁场样品线圈测量的锁场样品的共振频率；目标共振频率是由目标样品线圈测量的目标样品的共振频率。

优选地，在启动谱仪并且对主磁体进行匀场(shimming)之后或者在用户的请求之后确定传递函数。

在用于确定传递函数的频率映射过程期间，同时记录锁场共振频率和目标共振频率两者。锁场样品线圈记录锁场共振频率，而目标样品线圈记录目标共振频率。存储采集的数据点以进行进一步处理。

在用于确定传递函数的优选变型中，其中补偿电流被修改的范围与主磁体变化的范围(主磁体的固有变化)对应。

在用于确定传递函数的其它优选变型中，针对每个数据点确定在特定补偿电流处目标共振频率和锁场共振频率之间的差。因此，通过确定作为补偿电流的函数的目标共振频率和锁场共振频率之间的差经由频率映射过程来确定传递函数的系数：通过改变锁场线圈的电流来扫描锁场线圈以确定传递函数，并且在每个扫描步骤处都将测量锁场样品和目标样品的共振频率两者。利用采集的NMR数据，计算近似函数以确定补偿电流与两种测量(目标样品和锁场样品)之间的频率偏差之间的关系。然后将该近似函数用作传递函数。因此，传递函数是锁场/目标频率差与补偿电流之间的关系的近似函数。该近似函数用于计算传递函数的系数，传递函数的系数然后被存储在锁场数据处理系统的传递函数单元中。

在非常优选的变型中，同时测量目标共振频率和锁场共振频率。同时意味着在小于1ms的时段内。一般而言，应该在时间上尽可能接近地一起测量目标共振频率和锁场共振频率。

在特殊的变型中，传递函数是多项式，优选地是二阶多项式。但是原则上可以使用任何其它函数。要使用的传递函数的种类取决于要求解的相关性的复杂性，并且不限于特定的函数关系。但是，多项式开发是优选的，因为它需要较少的计算资源并且输出令人满意的相关性。

优选地，在步骤iii)中，通过比较从锁场数据确定的锁场共振频率与标称锁场共振频率来确定补偿电流。参考时基可以确定标称锁场共振频率。

用于执行上述方法的本发明的NMR谱仪包括用于生成主磁场的具有主磁极的主磁体以及补偿系统，该补偿系统包括：

-定位在所关注体积中的至少一个目标样品线圈以及锁场样品线圈，所关注体积被布置在主磁极之间；

-至少一个补偿线圈，用于补偿所关注体积内的主磁场的漂移，

-至少一个目标通道，用于生成具有目标激发频率的RF脉冲，以及

-锁场数据处理系统，包括用于生成具有锁场激发频率的RF脉冲的锁场通道，其中锁场数据处理系统被配置为适应补偿线圈中的补偿电流并通过在目标通道处施加目标频率校正偏移来同时校正目标激发频率。

锁场通道适于生成具有锁场激发频率的RF脉冲，用于激发锁场样品的核；目标通道适于生成具有目标激发频率的RF脉冲，用于激发目标样品的核。锁场通道和目标通道彼此独立。在此上下文中，独立是指每个通道(锁场通道和目标通道)各自包括发射器和接收器，其中这些发射器/接收器对互不影响；即，发射器/接收器对不通过任何种类的同步序列链接。锁场通道和目标通道两者唯一共同的是共同的参考时基。

根据本发明，锁场通道对由目标通道施加到目标样品的目标激发频率有影响。即原本独立工作的锁场通道影响目标激发频率。

锁数据处理系统适于接收来自位于所关注体积内的锁场样品的FID信号。锁场数据处理系统还适于确定补偿电流，以调整用于补偿线圈的电源以及确定要添加到未校正的目标通道频率的目标频率校正偏移。经由与锁场通道一起提供的用于计算补偿电流和传递函数系数的锁场数据处理单元计算目标频率校正偏移。

利用本发明的谱仪，可以补偿时间上的磁体波动，并且可以校正由补偿线圈引发的场不均匀性所导致的频率偏移。

如果目标样品线圈和锁场样品线圈被布置在所关注体积内的不同位置处，那么本发明特别有用：由于在所关注体积内的位置不同，因此目标样品线圈和锁场样品线圈被暴露于不同的磁场分布(主磁体变化)。磁场分布首先取决于主磁场的空间均匀性，即针对给定时间，磁场梯度取决于空间分布。随着时间的推移，分布也会改变。因此，磁场分布取决于其空间均匀性/不均匀性以及时间。本发明的NMR谱仪允许校正这种磁体变化。

在本发明的谱仪的高度优选的实施例中，在锁场数据处理系统和目标通道之间提供了通信路径，用于将目标频率校正偏移从锁场数据处理系统传送到目标通道。锁场数据处理单元接收并处理锁场数据。锁场数据处理系统包括锁场通道，该锁场通道具有用于激发锁场核的锁场信号生成器以及用于控制被施加以激发锁场核的激发序列的定序器，锁场核用于观察静磁场的改变。锁场数据处理系统还包括用于存储传递函数系数的传递函数单元，传递函数系数由软件例程确定。

如果锁场通道、目标通道和通信路径被布置在共同的嵌入式逻辑设备上，那么这是特别有利的。在这种情况下，锁场例程和目标样品的FID采集可以在同一嵌入式逻辑设备中执行。这允许可以在两个通道之间建立的实时连接。其它可能性可以包括外部补偿，但是外部补偿可能不是实时的和同步的。一般而言，锁场信号采集速率越高，主磁体的稳定性越好，因为锁场通道将能够更快地校正场变化，并且因此将执行更好的场变化跟踪。这可以通过在锁场信号采集速率和导致最准确的锁场共振频率估计的测量锁场核信号所需的时间之间找到最佳折衷来实现。由于流过补偿线圈的补偿电流将以与电场不均匀性改变相同的速度变化，因此高度优选的是，目标通道和锁场通道之间的通信以与锁场通道的信号采集速率相同的速度操作。因此，这种通信优选地是实时的，这可以通过前述共同的嵌入式逻辑设备来实现。嵌入式逻辑设备可以基于FPGA、ASIC或CPU，或者基于FPGA、ASIC和CPU的组合。

主磁体可以是永磁体。

补偿线圈可以只是简单的螺线管、鞍形线圈或任何其它的线圈布置。在优选的实施例中，提供了补偿线圈的对，例如，亥姆霍兹线圈，即，其半径等于线轴之间的距离的线圈(线轴)的对。亥姆霍兹线圈因其高均匀性而被广泛使用。在当前情况下，出于几何原因和磁场定向方式的考虑，以及主磁体的极之间的小距离，亥姆霍兹线圈是最佳选项。

其它优点可以从说明书和附图中得出。根据本发明，可以单独地或以任何组合共同地使用上文和下文提及的特征。所提及的实施例不应被理解为穷举，而是具有用于描述本发明的示例性特征。

附图说明

在附图中示出了本发明。

图1示出了本发明的NMR谱仪的优选组件。

图2示出了具有几个目标通道的本发明的NMR谱仪的补偿系统的实施例。

图3示出了本发明的方法的基本步骤，包括锁场例程和目标激发频率的校正。

图4示出了用于确定传递函数的启动例程。

图5示出了示出在没有目标频率校正的情况下目标样品和锁场样品的共振频率差依赖于补偿线圈电流强度的图。示出了传递函数近似。

图6示出了示出在校正目标激发频率的情况下目标样品和锁场样品的共振频率差依赖于补偿线圈电流强度的图。

具体实施方式

图1示出了根据本发明的NMR谱仪1。NMR谱仪1包括主磁体2，该主磁体2包括用于生成主磁场3的两个永磁体。在图1所示的示例中，永磁体用作主磁体2，但是基于线圈的磁体(诸如，亥姆霍兹)也可以用于生成主磁场3。所关注体积4位于主磁场3尽可能均匀的区域中，即在主磁体2的主磁极2a、2b之间。

NMR谱仪1还包括补偿系统5，该补偿系统5包括目标样品线圈6、目标信号生成器18、锁场样品线圈7、补偿线圈8、锁场数据处理单元16以及用于存储传递函数TF的系数的传递函数单元22。两个补偿线圈8被定位在目标样品线圈6和锁场样品线圈7的任一侧，在主磁体2的线圈旁边。

锁场样品线圈7和目标样品线圈6在所关注体积(在主磁极2a、2b之间的空气间隙)内几何分离。被示意性地图示的主磁场3的磁场线示出了目标样品线圈6和锁场样品线圈7的不同的磁场环境。

补偿系统5在图2中详细示出。补偿系统5包括从1到N个目标通道，其中如果核具有相似的Larmor频率，那么补偿系统5具有至少一个样品线圈6，否则补偿系统5具有多个样品线圈6-1、6-N，补偿系统5具有锁场样品线圈7、补偿线圈8、N个目标通道11-1、11-N以及锁场数据处理系统9。锁场数据处理系统9的部件(锁场通道12、锁场信号生成器14、锁场脉冲定序器15和锁场数据处理单元16)以及目标通道11-1、11-N被布置在共同的嵌入式逻辑10上。锁场通道12和目标通道11-1、11-N在嵌入式逻辑10上分别地运行，并经由路径13-1、13-N连接。

锁场数据处理系统9用于通过确定补偿电流I_comp(控制信号)以及用于目标通道频率校正的目标频率校正偏移FCO-1、FCO-N来调整用于补偿线圈8的电源(未示出)。在图2所示的实施例中，提供了多个目标通道11-1、11-N，特别是针对不同的核，例如¹H、¹³C、¹⁵N、³¹P等。频率校正调整对于所有核以相同的方式工作。

利用锁场通道12的锁场信号生成器14生成射频(RF)脉冲，以经由锁场样品线圈7激发锁场样品(未示出)的锁场核。作为锁场样品，可以使用具有单个NMR共振的完全氟化的样品，并且因此锁场在¹⁹F而不是²H上进行。但是，本发明不限于这两种核中的任何一种，并且可以被设置为任何其它活性NMR核。锁场核用于观察静态主磁场3的改变。定序器15控制脉冲的序列。锁场样品的自由感应衰减(FID)信号(锁场数据FID_lock)由锁场数据处理单元16接收并处理，以确定由补偿线圈8施加的补偿磁场所需的补偿电流I_comp的对应校正。

补偿线圈8将引发随流动的补偿电流I_comp变化的附加的场不均匀性。为了校正所引发的这种不均匀性，对于每个目标通道11-1、11-N，通过将不同补偿电流值的效果与在相应目标通道6-1、6-N和锁场通道7中测得的频率之间的频率差Δf进行映射来计算传递函数。为此，在传递函数中取得并评估被发送到补偿线圈8的补偿电流I_comp，从而获得频率校正偏移FCO-1、FCO-N。频率校正偏移FCO-1、FCO-N将经由路径13-1、13-N从锁场数据处理系统9被传送到目标通道11-1、11-N。频率校正偏移FCO-1、FCO-N被实时地添加到由用户17设置的目标通道频率f-1、f-N，以便获得每个目标通道6-1、6-N的经校正的目标激发频率f_corr-1、f_corr-N。该经校正的目标激发频率f_corr-1、f_corr-N将被发送到目标信号生成器18-1、18-N，从而实时地校正目标发射器路径的频率。目标脉冲定序器19-1、19-N将控制目标通道脉冲例程。当请求目标通道采集时，具有经校正的频率的脉冲由目标信号生成器18-1，18-N(直接数字合成子单元)生成，并且被发送到目标样品线圈6-1、6-N。

图3示出了本发明的方法的基本步骤，包括主磁场补偿和针对一个目标通道11的目标激发频率的校正(锁场例程)。

在步骤i)中，提供了描述补偿电流与锁场数据FID_lock和目标数据FID_tar之间的频率偏差之间的关系的传递函数TF。传递函数TF是数学函数，其关联目标频率校正偏移FCO作为补偿电流I_comp(或所产生的磁场偏移)的函数，其中补偿电流I_comp是锁场共振频率的变化的函数。

为了计算补偿电流I_comp，通过测量锁场探头的FID数据FID_lock来采集锁场数据FID_lock(步骤ii))。在步骤iii)中，处理锁场数据并确定补偿电流I_comp。为此，通过处理锁场数据FID_lock来确定被激发的锁场核的共振频率。锁场数据处理单元16通过模拟数字转换器20(ADC)接收来自锁场样品线圈7的锁场数据FID_lock(参见图2)。可以通过级联积分梳状滤波器(cascade integrator-comb filter)(未示出)抽取(decimate)NMR锁场信号，并执行相位校正。应用下采样的(抽取的)锁场数据的快速傅立叶变换(FFT)来确定其共振频率。将FFT在0Hz值处的色散分量(虚部)与参考值(在标称主磁场处的期望共振频率)进行比较。该比较值被馈送到比例积分微分控制器(未示出)，该比例积分微分控制器将确定要由受控制的电源(未示出)使用的通过数字模拟转换器21(DAC)向补偿线圈8馈送的补偿电流I_comp。但是，可以使用其它频率估计方法来找到上述共振频率，这些众所周知的方法例如是基于时域的，并且依赖于FID NMR信号的虚部的消除或零交叉。计算改变主磁场以便根据参考值测量锁场共振频率所需的补偿电流I_comp，并将该补偿电流I_comp施加到补偿线圈8，以便改变磁场，使得共振频率对应于参考值(步骤iv)。

在步骤v)中，利用补偿电流I_comp和传递函数系数来确定频率校正偏移FCO。通过将频率校正偏移FCO加到由用户17设置的目标通道频率f，在步骤vi)中获得用于采集目标样品的NMR数据的经校正的目标激发频率f_corr。

图4示出了用于确定频率校正所需的传递函数TF的启动例程。

在启动谱仪1之后或在用户17的请求之后的步骤a)中，修改补偿电流I_comp(ΔI_comp)。然后，执行目标数据FID_tar和锁场数据FID_lock的NMR信号采集(步骤b)。锁场数据FID_lock和目标数据FID_tar的共振频率偏差Δf被映射为补偿电流I_comp的函数(步骤c))。在此特定设置中，对于补偿线圈8，在最大电流输出的-20％直至20％之间扫描补偿电流是足够的。但是，取决于NMR主磁体2的特性，可以扩展或减小频率扫描范围，以便覆盖由于其温度稳定化导致的完整的磁场漂移。对于随时间的频率振荡有限的高度稳定的永久主磁体，可以将用于补偿线圈8的扫描范围减小到+/-10％，而对于相对不稳定的设置，扫描范围应覆盖直至+/-35％。补偿线圈设置是优选的方法，因为通过以这种方式扫描频率，有可能覆盖完整的主磁场变化。因此，通过扫描补偿线圈8中的补偿电流I_comp并同时测量闭合时段(closed period)中锁场核和目标核的对应NMR共振，有可能允许在扫描极限内映射锁场数据和目标数据之间的频率偏差Δf。为了具有给定时间处的最准确的频率偏移相关性，同时采集所述锁场核和所述目标核的NMR数据(锁场数据FID_lock和目标数据FID_tar)是有利的。

存储采集的NMR数据FID_lock、FID_tar，并重复步骤b)和c)，直到测量了预定义数量#的数据点为止。数据点的预定义数量#是准确性和效率之间的折衷。作为规则，数据点的数量#越高，计算出的传递函数TF越准确。相反，可以通过选择较少的数据点来减少用于映射频率偏差Δf的时间。数据点的数量#的选择强烈地取决于主磁体布置的稳定性，并且从设置到设置会有所不同。因此，对于狭窄的扫描范围，需要较少的数据点用于映射，而对于需要较高的扫描范围的高度波动的磁体系统，则需要更多的数据点来计算传递函数TF。一般而言，从30到250个测量数据点的范围足以建立传递函数。

一旦达到预定义数量#的数据点，就计算传递函数TF(步骤d))。传递函数或其系数被存储，并且然后可以如上所述用于频率校正。

关于图5和图6描述了用于确定传递函数TF的特殊变型。

图5示出了补偿电流I_comp的频率偏差的依赖性。计算所述锁场核和所述目标核之间的关于激发频率的频率差Δf，然后将它们相互比较。为了消除主磁场的场依赖性，以ppm标度确定这些频率。在没有不均匀性的完美系统中，频率差Δf将是恒定的，与补偿电流I_comp无关。但是，呈上述配置的现有NMR系统显示出频率偏差有差异，如图5所示。

为了确定传递函数，优选地通过采集嵌入式逻辑来取得锁场数据FID_lock，而利用工作站(图中未示出)来采集目标数据FID_tar。在工作站中，取得经傅立叶变换的目标数据的谱宽(SW)以及其目标核的点数(NP)。因此，经傅立叶变换的目标数据的以赫兹为单位的分辨率或停留时间(dwell time，DW)为：

对于锁场数据，利用采集频率f_acq和在所使用的设计中优化的抽取常数来确定其分辨率或停留时间：

为了比较目标核和锁场核的频率变化，这些频率以绝对ppm标度表示。对于给定的磁场强度，NMR活性核的频率经由旋磁比来定标。目标核和锁场核的绝对频率是通过考虑它们的共振化学位移来计算的。两种发射频率之比为以下比例因子K：

因此，可以通过校正因子K和锁场核的对应频率来计算正确的目标核频率。

使用图4所示的工作流程，可以针对目标核和锁场核两者采集并临时存储数据。通过在不同的扫描选择值I_comp映射磁场来确定频率差Δf。通过如下操作按以下方式来确定每个频率：执行FFT，并且然后执行相位校正，并且然后使用FFT的色散部分来稳定零交叉的位置。接下来，将目标核频率乘以校正因子。

作为示例，在图5中，补偿线圈电流I_comp被设置为从-20％到20％，总共有64个采样数据点。使用拟合得最好的数学运算来拟合频率差曲线，在给定的示例中，使用了二阶多项式，但是不限于任何特定的函数或多项式阶数。

该工作流程可以被重复若干次，以便获得尽可能多的系数，然后这些系数将被求平均。平均值由于其鲁棒性而提供了最准确的可获得的系数。作为示例，图5中绘制的数据是利用如以下给出的多项式系数获得的：

f(x)＝c(0)+c(1)*CS+c(2)*CS²+…+c(m)*CS^m

其中c(i)(i＝0,1,2,…,m)是多项式系数，并且CS是控制信号，它是已经经由受控制的电源发送到补偿线圈的对应电流百分比值。

用于此拟合的工作流程使用x轴数据(控制信号)来构造具有n+1列(其中n是多项式系数的阶数)和等于点数的m行的Vandermonde矩阵V，从而产生以下线性系统：

这里，y_i(i＝0,1,2,…,m)是针对给定控制信号(电流百分比)的频率差。求解该线性方程，确保最小平方误差。

在应用从Vandermonde矩阵找到的系数之后，并且为了说明其校正效果，采集了目标核和锁场核两者的新NMR数据FID_lock、FID_tar。再次使用一次工作流程来确定新的频率差Δf。校正之后的结果可以参见图6。频率差Δf大大减小，证明补偿线圈I_comp和频率校正偏移FCO的组合对于补偿由于磁场不均匀性引起的频移非常有帮助。

利用所应用的系数，应用传统的锁场序列，其中周期性地测量锁场样品，处理锁场数据FID_lock，并更新补偿线圈电流I_comp。此外，将通过频率校正函数TF对于每个循环更新目标频道，如图3所示。

已经证明本发明的用于台式磁体中的频率补偿的方法的实现。这种方法包括硬件水平以及软件实现的新颖开发，以最小化寄生磁场梯度分布。它还有助于降低此类设置中所需的补偿线圈设计的复杂性。由于给定的几何形状，锁场线圈和目标线圈被设置在不同的位置，要求两者都必须达到最佳可实现的磁场均匀性。这是相当复杂的任务；没有本发明的频率补偿方法的帮助，几乎不可能实现。如果锁场通道和目标通道两者都在同一嵌入式逻辑中实现，那么这种概念的开发是最高效的。因此，所需的必要子单元之间的通信和控制变得最佳可行。重要的是要考虑可以在同一嵌入式逻辑上实现更多独立设计，因为作为嵌入式逻辑的FPGA的密度允许这些连接。这允许独立的系统直接相互交互。

概括本发明，补偿电流的值用于补偿由磁场不均匀性导致的锁场共振频率和目标共振频率之间的频率差。即，在锁场通道中，对应的控制信号用于驱动电流源，该电流源向补偿线圈馈送，并且可以添加频率偏移来考虑目标样品的频率差。频率偏移是经由传递函数确定的，传递函数的系数利用锁场数据处理系统提供。经由连接目标通道和锁场数据处理系统的通信路径，可以将目标频率校正偏移从锁场通道传送到对应的目标通道，以便校正由用户选择的未校正的频率。

本发明的NMR谱仪具有改进的锁场通道，特别是用于其中锁场线圈和目标线圈要被定位在所关注体积内的分开的位置从而被放置在不同的磁场环境中的测量。

参考符号列表

1 NMR谱仪

2 主磁铁

2a、2b 主磁极

3 主磁场

4 所关注体积

5 补偿系统

6、6-1、6-N 目标样品线圈

7 锁场样品线圈

8 (一个或多个)补偿线圈

9 锁场数据处理系统

10 嵌入式逻辑

11-1、11-N 目标通道

12 锁场通道

13-1、13-N 锁场数据处理系统与目标通道之间的路径

14 锁场信号生成器

15 用于控制锁场脉冲序列的锁场脉冲定序器

16 锁场数据处理单元

17 用户

18、18-1、18-N 目标信号生成器(直接数字合成子单元)

19-1、19-N 用于控制目标脉冲序列的目标脉冲定序器

20 模拟数字转换器-ADC

21 数字模拟转换器-DAC

22、22-1、22-N 用于存储传递函数的系数的传递函数单元

TF、TF1、TF-2 传递函数/频率校正函数

I_comp 补偿电流

FCO 频率校正偏移

f-1、f-N 由用户设置的未校正的目标通道频率

f_corr-1、f_corr-N 目标激发频率(用频率校正偏移校正的)

FID_lock 锁场数据(从锁场样品采集的FID信号)

FID_tar 目标数据(从目标样品采集的FID信号)

# 数据点的数量

引用文献

[1]Chen等人，“Field-frequency lock approach for 21.3-MHz high-performance NMR relaxation analyzer”，AIP Advances 8,075327(2018)

[2]US 201828406

[3]US 5166620

[4]US 20060017441

[5]CN 108761346

Claims (14)

1.一种用于在NMR谱仪(1)中测量目标样品的NMR数据的方法，所述NMR谱仪(1)包括：用于生成主磁场(3)的主磁体(2)，其中主磁场(3)显示出主磁体变化；至少一个补偿线圈(8)；至少一个目标样品线圈(6，6-1，6-N)；锁场样品线圈(7)；至少一个目标通道(11-1，11-N)，用于生成具有目标频率的RF脉冲；以及具有锁场通道(12)的锁场数据处理系统(9)，所述锁场通道(12)用于生成具有锁场激发频率的RF脉冲，并且所述方法包括以下步骤：

i)提供传递函数TF、TF1、TF-2，所述传递函数TF、TF1、TF-2在所述至少一个补偿线圈(8)的当前补偿电流I_comp处使目标样品的共振峰的目标共振频率与锁场样品的共振峰的锁场共振频率相关，所述传递函数TF、TF1、TF-2的系数被存储在锁场数据处理系统(9)中；

ii)借助于锁场样品线圈(7)测量锁场数据FID_lock；

iii)确定用于补偿主磁场(3)的时间变化的实际所需的补偿电流I_comp，该补偿电流I_comp是通过处理步骤ii)的锁场数据FID_lock来确定的；

iv)将补偿电流I_comp施加到所述至少一个补偿线圈(8)；

v)通过使用所述传递函数TF、TF1、TF-2确定针对所需的补偿电流I_comp的目标频率校正偏移FCO；

vi)通过借助于目标样品线圈(6，6-1，6-N)以由目标频率校正偏移FCO校正的目标激发频率施加RF脉冲而激发目标样品的核来采集目标样品的NMR数据。

2.根据权利要求1所述的方法，其中通过采集一系列数据点来确定所述传递函数TF、TF1、TF-2，每个数据点包括锁场数据FID_lock和目标数据FID_tar，而对于每个数据点，修改补偿电流I_comp并且记录锁场共振频率和目标共振频率。

3.根据权利要求2所述的方法，其中补偿电流I_comp被修改的范围与主磁体变化的范围对应。

4.根据权利要求2或3所述的方法，其中针对每个数据点确定在特定补偿电流I_comp处目标共振频率与锁场共振频率之间的差Δf。

5.根据权利要求4所述的方法，其中目标共振频率和锁场共振频率被同时测量。

6.根据权利要求1所述的方法，其中所述传递函数TF、TF1、TF-2是多项式。

7.根据权利要求1所述的方法，其中所述传递函数TF、TF1、TF-2是二阶多项式。

8.根据权利要求1所述的方法，其中在步骤iii)中，通过将从锁场数据FID_lock确定的锁场共振频率与标称锁场共振频率进行比较来确定补偿电流I_comp。

9.一种用于执行根据前述权利要求中的任一项所述的方法的NMR谱仪，NMR谱仪(1)包括补偿系统(5)和用于生成主磁场(3)的具有主磁极(2a，2b)的主磁体(2)，所述补偿系统(5)包括：

-定位在所关注体积(4)中的至少一个目标样品线圈(6，6-1，6-N)和锁场样品线圈(7)，所关注体积(4)被布置在主磁极(2a，2b)之间，

-至少一个补偿线圈(8)，用于补偿所关注体积(4)内的主磁场(3)的漂移，

-至少一个目标通道(11-1，11-N)，用于生成具有目标激发频率的RF脉冲，以及

-锁场数据处理系统(9)，包括用于生成具有锁场激发频率的RF脉冲的锁场通道(12)，其中锁场数据处理系统(9)被配置为适应所述至少一个补偿线圈(8)中的补偿电流I_comp，并通过借由使用在所述至少一个补偿线圈(8)的当前补偿电流I_comp处使目标样品的共振峰的目标共振频率与锁场样品的共振峰的锁场共振频率相关的传递函数在目标通道(11-1，11-N)处施加目标频率校正偏移FCO来同时校正目标频率。

10.根据权利要求9所述的NMR谱仪(1)，其中目标样品线圈(6，6-1，6-N)和锁场样品线圈(7)被布置在所关注体积(4)内的不同位置处。

11.根据权利要求9或10所述的NMR谱仪(1)，其中在锁场数据处理系统(9)与每个目标通道(11-1，11-N)之间提供通信路径(13-1，13-N)，用于将目标频率校正偏移FCO从锁场数据处理系统(9)传送到目标通道(11-1，11-N)。

12.根据权利要求11所述的NMR谱仪(1)，其中锁场通道(12)、目标通道(11-1，11-N)和通信路径(13-1，13-N)被布置在共同的嵌入式逻辑设备(10)上。

13.根据权利要求9所述的NMR谱仪(1)，其中主磁体(2)是永磁体。

14.根据权利要求9所述的NMR谱仪(1)，其中所述至少一个补偿线圈(8)是一对补偿线圈。

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