CN115078439A - 一种结合双极性梯度和形状脉冲的饱和照射水峰抑制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种结合双极性梯度和形状脉冲的饱和照射水峰抑制方法，步骤是：(1)：调入单脉冲序列；(2)：固定脉冲功率，测量样品氢核的脉冲宽度；(3)：设定饱和照射射频场的强度；(4)：设定形状脉冲的形状和宽度，计算脉冲的功率；(5)：在核磁共振谱仪上调入预先编写的脉冲序列；(6)：设置脉冲序列中的功率和脉宽；(7)：设置脉冲之间的延迟时间等；(8)：设置脉冲序列中脉冲的形状、功率和脉宽等；(9)：设置增益、采样点数、谱宽、空扫次数；(10)：进行采样；(11)：累加采样完成后，得到样品经过水峰抑制后的核磁共振氢谱。实现了信号无畸变的水峰高效抑制，谱图基线平坦、相位纯正，为检测水相样品中各成分的信号提供了有效途径。

Description

一种结合双极性梯度和形状脉冲的饱和照射水峰抑制方法

技术领域

本发明属于液体核磁共振检测技术领域，尤其涉及一种结合双极性梯度和和梯度的饱和照射水峰抑制方法，适用于代谢组学、食品组学中样品的检测。

背景技术

生物大分子样品、代谢组学样品以及奶粉、蜂蜜、咖啡等食品在进行核磁共振检测时，通常以水作为溶剂，仅加入约10％v/v的重水以便核磁共振谱仪进行锁场和匀场。这些水相样品中，水质子(¹H)的浓度约为100mol/L，会产生非常强的共振峰，其强度大约是样品中目标物共振峰的10⁵–10⁶倍。如果强的水峰不被抑制，容易造成谱仪信号溢出，还会掩盖目标物的共振峰，并导致基线不平、相位扭曲等问题。因此，想在水相样品上获得有意义的核磁共振氢谱，水峰抑制是必不可少的。目前，已经开发出多种水峰抑制方法。例如，最简单的水峰抑制方法是首先采用低功率的连续波对水的信号进行选择性辐照，然后紧接一个90°激发脉冲。这就是预饱和单脉冲序列，具有简单易用的优点，但也存在着水峰抑制效率不高，残余水峰影响基线等局限。预饱和与Overhauser效应谱结合形成的水峰抑制方法具有更好的抑制效果和基线特性，能得到高质量的氢谱，在代谢组学的研究中得到广泛应用。但是在一些情况下，位于射频线圈边缘、受非均匀宽化影响的部分水(称之为“远端水”)，其信号不能被完全抑制，会导致残余水峰较大，严重时还会出现相位或基线畸变。基于激发塑形的水峰抑制方法能达到很高的水峰压制比(原始水峰强度与压制后剩余的水峰强度之比)。但是，该方法会在水峰周围产生较宽的信号抑制区域，接近水峰的信号都会被严重衰减甚至消失。还可以利用水峰和样品峰纵向驰豫时间的显著差异进行水峰抑制。在反转恢复实验中，当驰豫时间长的水峰在约2s时间内恢复到零点时，样品峰(纵向驰豫时间约为0.3-0.8s)已基本完全驰豫。这时施加激发脉冲采样，可以有效地抑制水峰。这种纵向驰豫加权法可以观察到水峰附近的信号。但是在磁场强度较高、探头灵敏度较好的情况下，辐射阻尼效应会使水的驰豫特性发生显著改变。水峰纵向恢复到零点的时间大幅缩短,样品峰没有足够的时间恢复到热平衡状态，因此无法获得有意义的水峰压制。

发明内容

为解决现有技术中的不足，本发明的目的是在于提供了一种结合双极性梯度和形状脉冲的饱和照射水峰抑制方法。方法易行，操作简便，实现了水峰的高效、高选择性抑制，压制比超过10⁴，抑制区域小于160Hz，区域外的其它化合物的信号不受影响。谱图基线平坦、相位纯正、峰形良好，弱的共振峰更容易识别。为水相样品的检测提供了新的有效途径。

为了实现上述的目的，本发明采用以下技术措施：

其技术构思是：一种结合双极性梯度和形状脉冲的饱和照射水峰抑制方法，采用的技术方案,首先采用低功率的射频对水的共振峰进行一段时间的连续照射，水的磁化强度在射频照射过程中逐渐散相；然后是一个由一正一负双极性梯度与180°脉冲组成的夹心梯度模块，消除水的横向残余磁化强度；紧接着采用“90°脉冲-延迟-180°脉冲-延迟-90°脉冲”的脉冲组合，将所有的磁化强度翻转到纵向上；随后应用90°形状脉冲，选择性地将残余的水的磁化强度翻转到横平面，再被另一组夹心梯度模块散相，进一步消除残余水的信号；最后一个脉冲是90°读出脉冲，后面紧接着信号采集。该方法能实现更好的水峰抑制，采集的氢谱具有良好的线形、平坦的基线，同时保持了高选择性，不会影响水峰附近的信号。

一种结合双极性梯度和形状脉冲的饱和照射水峰抑制方法，包含以下步骤，

步骤(1)、调入单脉冲序列，设置参数，采用小偏转角激发，获得样品未经过水峰抑制的一维核磁共振氢谱；

步骤(2)、固定脉冲功率，测量样品氢核的90°脉冲的宽度；

步骤(3)、设定饱和照射射频场的强度，根据步骤(2)中氢核90°脉冲的功率和宽度，计算饱和照射的功率；

步骤(4)、设定90°形状脉冲的形状和宽度，根据步骤(2)中氢核90°脉冲的功率和宽度，计算得到90°形状脉冲的功率；

步骤(5)、在核磁共振谱仪上调入预先编写的脉冲序列；

步骤(6)、根据步骤(2)的结果，设置脉冲序列中90°脉冲、180°脉冲的功率和脉宽；

步骤(7)、设置90°脉冲和180°脉冲之间的延迟时间；

步骤(8)、根据步骤(3)的结果，设置脉冲序列中饱和照射的功率和照射时间；

步骤(9)、根据步骤(4)的结果，设置脉冲序列中90°形状脉冲的形状、功率和脉宽；

步骤(10)、设置脉冲序列中散相梯度的形状、持续时间和强度(按谱仪标定的最强梯度的百分率计)；

步骤(11)、设置增益、采样点数、谱宽、空扫次数、采样累加次数等其他相关参数(累加次数根据样品的浓度进行设置)；

步骤(12)、完成参数设置后，运行序列，进行采样；

步骤(13)、累加采样完成后，进行傅里叶变换和相位调节，得到样品经过水峰抑制后的核磁共振氢谱。

通过上述的技术措施：本发明中采用了“90°脉冲-延迟-180°脉冲-延迟-90°脉冲”、“90°形状脉冲”、“双极性夹心梯度”等关键功能模块，分别对应步骤(7)、步骤(9)和步骤(10)；所述步骤(7)、步骤(9)和步骤(10)解决了样品管中位于射频线圈边缘、受非均匀宽化影响的部分水称之为“远端水”的问题。远端水是非常难以抑制，经常产生大的残余水信号，会导致相位或基线畸变，干扰正常的检测。通过关键步骤(7)、步骤(9)和步骤(10)与本发明其它步骤结合有效地消除了“远端水”的影响，提高了水峰的抑制效率。

所述的步骤(7)、步骤(9)和步骤(10)达到了由一正一负双极性梯度与180°脉冲组成的夹心梯度模块，消除水的横向残余磁化强度；采用“90°脉冲-延迟-180°脉冲-延迟-90°脉冲”的脉冲组合，将所有的磁化强度翻转到纵向上，为消除“远端水”的残余信号做准备。应用90°形状脉冲，选择性地将残余的水的磁化强度翻转到横平面，被第二组夹心梯度模块散相，进一步消除残余水，特别是“远端水”的信号。

其发明相对于现有技术的进步在于通过联合使用“90°脉冲-延迟-180°脉冲-延迟-90°脉冲”、“90°形状脉冲”、“双极性夹心梯度”等关键功能模块，优化了对“远端水”信号的抑制，进一步提高了水峰的压制效率；实现了高选择性抑制，避免削弱水峰附近其他化合物的共振信号；采集到的氢谱具有平整的基线，良好的相位，较高的信噪比，易于识别弱的目标物信号；对水峰抑制频率、脉冲宽度等实验参数不敏感，易于优化，能在自动化采样模式运行。本发明中采用的“90°脉冲-延迟-180°脉冲-延迟-90°脉冲”、“90°形状脉冲”、“双极性夹心梯度”等关键功能模块，在现有的水峰抑制技术中均未采用，这是一条新的技术途径。

本发明与现有技术相比，具有以下优点和效果：

(1)通过联合使用多个功能模块，优化了对“远端水”信号的抑制，进一步提高了水峰的压制效率；

(2)实现了高选择性抑制，避免削弱水峰附近其他化合物的共振信号；

(3)采集到的氢谱具有平整的基线，良好的相位，较高的信噪比，易于识别弱的目标物信号

(4)对水峰抑制频率、脉冲宽度等实验参数不敏感，易于优化，能在自动化采样模式运行。

附图说明

图1为一种结合双极性梯度和形状脉冲的饱和照射水峰抑制脉冲序列示意图。

图2为一种单脉冲序列采集的绿茶饮料样品的一维核磁共振氢谱。

(a)全谱，(b)放大谱。

图3为一种结合双极性梯度和形状脉冲的饱和照射水峰抑制方法采集的绿茶饮料样品的一维核磁共振氢谱。

(a)全谱，(b)放大谱。

图2(a)中，只能观测到水的共振峰。当把谱图放大100倍后(图2(b))，在基线之上观察到一些微弱信号。强的水峰的存在，掩盖了样品中其他化合物的信号，不能获得有意义的谱图信息。

图3(a)中，水的共振峰得到了有效抑制，强度被极大地削弱，压制比为1.05×10⁴，可以观察到糖类、氨基酸、茶多酚等化合物的信号。将谱图进一步放大(图3(b))，可以发现仅选择性地抑制了水信号，距离水峰只有0.2ppm糖的端基信号清晰、无扭曲，易于识别和分析。整个谱图基线平坦、相位纯正、峰形良好。

具体实施方式

为了便于本领域普通技术人员理解和实施本发明，下面结合实施例对本发明作进一步的详细描述。应当理解，此处所描述的实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

将本发明提出的方法用于采集某市售绿茶饮料的核磁共振氢谱作为一个实施例。从超市购买某品牌绿茶饮料1瓶，用移液器吸取该饮料2.0mL置于离心管中，离心10分钟。取上清液0.585mL，转移到5mm核磁共振管中，再加入0.065mL重水(含内标物2,2,3,3-氘代三甲基硅烷丙酸钠)，完成待测样品的制备。测试在Bruker 700MHz核磁共振谱仪上进行，将装有样品的5mm核磁共振管放入核磁共振谱仪的探头中，依次进行锁场、调谐和匀场，完成测试前准备工作。下面按照本发明提出方法的操作流程执行。

实施例1：

一种结合双极性梯度和形状脉冲的饱和照射水峰抑制方法，其步骤是：

步骤(1)、调入单脉冲序列，将射频发射机中心频率设置在水的共振频率上，采用小偏转角激发(单脉冲的宽度设为2.0μs)。为避免信号溢出，增益RG设为1.0。其他相关参数设置如下：脉冲功率PLdB1＝-9.80dB，采样点数TD＝28,672，谱宽SW＝11.7ppm，驰豫延迟D1＝2.0s，采样次数NS＝2。参数设置完毕后，进行采样，获得样品的FID信号。经过傅里叶变换后，得到样品未进行水峰抑制的一维核磁共振氢谱。图2(a)所示，氢谱中除了水的共振峰，基本观察不到其他信号。当把谱图放大100倍后(图2(b))，可以在0ppm处观察到内标物的尖锐单峰。根据内标物共振信号的峰形和半高宽，确认匀场后磁场均匀度满足测试要求。另外，在基线之上只能观察到一些微弱的信号，不能获得有意义的谱图信息。

步骤(2)、脉冲功率固定为-9.8dB，测得样品氢核90°脉冲的宽度为10.9us。

步骤(3)、将饱和照射射频场的强度设为40Hz，根据步骤(2)中氢核90°脉冲的功率和宽度，计算得到饱和照射相应的功率为45.37dB。

步骤(4)、选择矩形软脉冲(Squa100.1000)作为形状脉冲，设定90°矩形软脉冲的宽度为8.0ms，根据步骤(2)中氢核90°脉冲的功率和宽度，计算得到90°矩形软脉冲相应的功率为47.51dB。

步骤(5)、在核磁共振谱仪上调入预先编写的脉冲序列(图1所示)。

步骤(6)、根据步骤(2)的结果，脉冲序列中90°脉冲和180°脉冲的功率设置为-9.8dB，相应的脉冲宽度分别设置为10.9μs和21.8μs。

步骤(7)、将90°脉冲和180°脉冲之间的延迟设置为0.2ms。完成“90°脉冲-延迟-180°脉冲-延迟-90°脉冲”功能模块的设置，实现将所有的磁化强度翻转到纵向上，为消除“远端水”的残余信号做准备。

步骤(8)、根据步骤(3)的结果，脉冲序列中饱和照射的功率设置为45.37dB，照射时间设置为2.0s；

步骤(9)、根据步骤(4)的结果，脉冲序列中90°形状脉冲采用矩形软脉冲，矩形软脉冲的功率设置为47.51dB，脉冲宽度设置为8.0ms。完成90°形状脉冲的设置，实现选择性地将残余的水的磁化强度翻转到横平面。

步骤(10)、设置脉冲序列中散相梯度的形状、持续时间和强度(按谱仪标定的最强梯度的百分率计)。散相梯度的形状均采用圆角矩形(SMSQ10.100)，持续时间设为1.0ms。第1个梯度的强度设置为62％，第2个梯度的强度设置为-62％(负号表示梯度的极性沿-Z方向)，第3个梯度的强度设置为10.68％，第4个梯度的强度设置为-10.68％。完成夹心梯度模块的设置，进一步消除水的横向残余磁化强度，特别是“远端水”的信号。

步骤(11)、设置其他相关参数，增益RG＝101，采样点数TD＝28,672，谱宽SW＝11.7ppm，空扫次数DS＝2，采样次数NS＝16；

步骤(12)、完成参数设置后，运行脉冲序列，进行采样。

步骤(13)、累加采样完成后，进行傅里叶变换和相位调节，即可得到样品经过水峰抑制后的核磁共振氢谱。图3(a)中，水的共振峰得到了有效抑制，强度被极大地削弱，压制比为1.05×10⁴，可以观察到糖类、氨基酸、茶多酚等化合物的信号。将谱图进一步放大(图3(b))，可以发现仅选择性地抑制了水信号，距离水峰只有0.2ppm糖的端基信号清晰、无扭曲，易于识别和分析。整个谱图基线平坦、相位纯正、峰形良好。

本方实现了信号无畸变的水峰高效抑制，谱图基线平坦、相位纯正，为检测水相样品中各成分的信号提供了有效途径。

通过上述的具体技术措施，本发明实现了水峰的高效、高选择性抑制，压制比超过10⁴，抑制区域小于160Hz，区域外的其它化合物的信号不受影响。谱图基线平坦、相位纯正、峰形良好，弱的共振峰更容易识别。为水相样品的检测提供了新的有效途径。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明的技术方案作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种修改或补充，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (4)

1.一种结合双极性梯度和形状脉冲的饱和照射水峰抑制方法，其特征在于，其步骤是：

(1)、调入单脉冲序列，设置参数，采用小偏转角激发，获得样品未经过水峰抑制的一维核磁共振氢谱；

(2)、固定脉冲功率，测量样品氢核的90°脉冲的宽度；

(3)、设定饱和照射射频场的强度，根据步骤(2)中氢核90°脉冲的功率和宽度，计算饱和照射的功率；

(4)、设定90°形状脉冲的形状和宽度，根据步骤(2)中氢核90°脉冲的功率和宽度，计算得到90°形状脉冲的功率；

(5)、在核磁共振谱仪上调入预先编写的脉冲序列；

(6)、根据步骤(2)的结果，设置脉冲序列中90°脉冲、180°脉冲的功率和脉宽；

(7)、设置90°脉冲和180°脉冲之间的延迟时间；

(8)、根据步骤(3)的结果，设置脉冲序列中饱和照射的功率和照射时间；

(9)、根据步骤(4)的结果，设置脉冲序列中90°形状脉冲的形状、功率和脉宽；

(10)、设置脉冲序列中散相梯度的形状、持续时间和强度；

(11)、设置增益、采样点数、谱宽、空扫次数、采样累加次数等其他相关参数；

(12)、完成参数设置后，运行序列，进行采样；

(13)、累加采样完成后，进行傅里叶变换和相位调节，得到样品经过水峰抑制后的核磁共振氢谱。

2.根据权利要求1所述的一种结合双极性梯度和形状脉冲的饱和照射水峰抑制方法，其特征在于：所述的步骤(7)中采用90°脉冲-延迟-180°脉冲-延迟-90°脉冲的脉冲组合。

3.根据权利要求1所述的一种结合双极性梯度和形状脉冲的饱和照射水峰抑制方法，其特征在于：所述的步骤(9)中采用了90°形状脉冲。

4.根据权利要求1所述的一种结合双极性梯度和形状脉冲的饱和照射水峰抑制方法，其特征在于：所述的步骤(10)中采用一正一负双极性梯度与180°脉冲组成的夹心梯度模块。

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