DE4219725A1

DE4219725A1 - Brutto-transferfunktionsmethode zur messung mehrdimensionaler magnetischer resonanzspektren (nmr, esr)

Info

Publication number: DE4219725A1
Application number: DE19924219725
Authority: DE
Inventors: Dieter Prof Dr Ziessow; Peter Dipl Chem Arlt
Original assignee: ZIESSOW DIETER
Current assignee: ZIESSOW DIETER
Priority date: 1992-06-14
Filing date: 1992-06-14
Publication date: 1993-03-04

Description

Die Erfindung gehört in das Gebiet der magnetischen Resonanzspektroskopie (im weiteren mit MRS abgekürzt), einem Teilgebiet der Molekülspektroskopie.

2. Die Anwendungen der MRS in Chemie, Biochemie und Physik mit dem Ziel der Bestimmung der molekularen Struktur und Dynamik wird in heutigen kommerziellen Apparaturen nach dem Impulsverfahren durchgeführt. Eine solche Apparatur besteht aus folgenden Funktionseinheiten:

In Einheit #1 werden Hf-Impulse unter Kontrolle des Computers #4 erzeugt. Mit diesem, sogenannten Anregungssignal x(t) wird die zu vermessende Probe, die sich in einem starken, statischen Magnetfeld (2-12 T) befindet, bestrahlt. Zwischen den Impulsen induzieren die magnetischen Dipole der Meßprobe im Hf-Detektor #4 eine abklingende Hf-Spannung ("free induction decay" abgekürzt FID), die in ein niederfrequentes Signal y(t) umgewandelt und nach A/D-Wandlung im Computer gespeichert wird. Eine diskrete Fouriertransformation #5 (FT) erzeugt dann das magnetische Resonanzspektrum, dem die gesuchte Struktur- und Dynamik-Information entnommen werden kann. Im einfachsten Fall wird nur ein Hf-Impuls eingestrahlt, d. h. x(t) ist die einfache Impulsfunktion. y(t) ergibt dann nach FT ein 1-dimensionales Spektrum, dessen Auswertung mittels tabellierter Spektren-Struktur-Relationen vorgenommen wird. Bei komplexen Molekülen versagt diese Methode wegen der Vielzahl, meist überlagerter Signale. Hier kommen mehrdimensionale Verfahren zur Anwendung: x(t) besteht aus zwei oder mehr Impulsen mit variablen Abständen (t₁ . . . t_n), so daß das FID-Signal eine Funktion von zwei oder mehr Zeitvariablen wird, also y(t₁ . . . t_n). Nach n-dimensionaler FT entsteht ein n-dimensionales Spektrum, dem die gesuchte Strukturinformation nahezu direkt entnommen werden kann. Diese n-dimensionale MRS, kurz nD-MRS. ist heute eine der wichtigsten Meßmethoden in Chemie und Biochemie.

3. Die Meßzeit der nD-MRS steigt mit der Zahl der Dimensionen stark an, und zwar aus folgendem Grund. Für einen gegebenen Satz von Zeitparametern t₁ . . . t_n-1 in der Anregungssequenz x wird das FID-Signal während der Zeit t_n für etwa 1 s aufgezeichnet. Danach wiederholt sich der Vorgang mit einem neuen Parametersatz, allerdings erst nach einer Wartezeit T_d, damit sich die Meßprobe wieder in einem definierten Anfangszustand befindet. Nur so ist sichergestellt, daß der gesamte Datensatz y(t₁ . . . t_n) nach nD-FT direkt zum korrekten nD-MR-Spektrum führt. Ist N_i mit i=1 . . . n die Zahl der gesetzten Zeiten t_i, so beträgt die gesamte Wartezeit N₁ · N₂ · . . . N_n-1 und die Gesamtzahl der gespeicherten Meßpunkte N₁ · N₂ · . . . N_n. Die letzte Zahl übersteigt bei dieser Methode bei weitem die Zahl der unabhängigen Parameter, die dem Spektrum unterliegen und deren Werte durch die Natur des zu untersuchenden Moleküls bestimmt sind.

4. Die Erfindung ist ein neues Impulsmeßverfahren, daß den in Punkt 3 beschriebenen Nachteil wesentlich vermindert und damit die Verweilzeit der zu untersuchenden Probe im teuren supraleitenden Magnetsystem erheblich reduziert (Faktor 10 und mehr). Der Gegenstand der Erfindung ist wie folgt:
Das in Punkt 2 beschriebene Meßverfahren wird in drei Teilschritte zerlegt, und war

A. Die Meßprobe wird mit einer Folge von statistisch gesetzten Hf-Impulsen, beschrieben durch x(t), ohne Wartezeiten bestrahlt und das Signal y(t) im Rechner aufgezeichnet. Danach kann die Meßprobe gewechselt und eine neue Substanz in den Magneten eingebracht werden.
B. Der zweite Schritt ist die digitale Signalverarbeitung von x(t) und y(t) mit dem Ziel der Ermittlung der Brutto- oder gesamten Transferfunktion (abgekürzt GTF), die das Anregungssignal auf das gemessene FID-Signal y(t) abbildet. Mit den diskreten Zeiten t_m=m · Δt, deren konstanter Abstand Δt=1/F sich gemäß des gewünschten maximalen Frequenzbereichs im nD-Spektrum berechnet, besteht folgender Zusammenhang: y(t_m) = GTF { x(t_m), x(t_m-1), . . . x(t_m-L) }
Die GTF kann mittels eines neuronalen Netzes oder adaptiver Filter modellfrei approximiert werden, in dem die respektiven Parameter durch Vorgabe von x(t) und Anpassung an y(t) bestimmt werden.
C. Der dritte Schritt ist die Berechnung des nD-FID-Signals für Standard- Impulssequenzen gemäß Punkt 2 mittels der in Schritt B ermittelten GTF: y(t_m) = GTF { x(t_m), x(t_m-1), . . . x(t_m-L) }Die in der Klammer angegebenen Zahlenwerte x leiten sich aus der Standard- Anregungssequenz x(t₁ . . . t_n) ab:

5. Die Erfindung kann in jedem MR-Spektrometer realisiert werden, wenn der integrierte Computer oder andere über Netz verbundene Computer genügend leistungsfähig sind, um die GTF in angemessener Zeit berechnen zu können.

6. Die Erfindung reduziert die Verweilzeit der zu messenden Substanz im Magneten. Erstens erhöht sich damit der Probendurchsatz, d. h., die Wirtschaftlichkeit der teuren MRS-Instrumente verbessert sich. Zweitens sind Substanzen der Messung zugänglich, die sich während der gemäß Punkt 2 erforderlichen langen Meßzeit (1-4 Tage) möglicherweise zersetzt haben.

7. Die praktische Konsequenz der beanspruchten Erfindung verdeutlicht das folgende Beispiel. Es basiert auf einer Simulation des Experiments gemäß Schema 2, die wegen der genau bekannten Theorie der MRS als exakt anzusehen ist. Eventuelle experimentelle Artefakte sind damit ausgeschlossen.

Schritt A in Punkt 4

Die Parameter des Systems aus drei Spins 1/2 sind:

Chemische Verschiebungen:
ν_A = 15 Hz; ν_M = 40 Hz; ν_X = 70 Hz
Kopplungen:	J_AM = 0; J_AX = 5 Hz; J_MX = 0 Hz
Relaxationszeiten:	T₁ = T₂ = 400 ms
Abtastintervall:	Δt = 5 ms
Spektralbereich:	F = 100 Hz (da keine Quad-Detektur)
Anregungssequenz:	30°-Hf-Impulse

Die Impulse sind im Rechner kodiert als "1" für die Phasen 0° bzw. 180°. Die Anregungspunkte zwischen den Impulsen sind mit "0" kodiert. Im Schnitt wird alle 500 ms ein Impuls eingestrahlt, auf 5 T₁-Zeiten kommen im Mittel vier Impulse. Insgesamt 10⁵ x,y-Paare wurden berechnet und im Rechner gespeichert.

Schritt B in Punkt 4

Die GTF wurde durch ein neuronales Netz mit sechs Schichten realisiert mit folgenden Neuronenzahlen:

400 aufeinanderfolgende x-Werte wurden in die 400 Eingangsneuronen gegeben und über vier Zwischenschichten ("hidden layers") auf ein Ausgangsneuron abgebildet. Das Netz wurde mit insgesamt 10⁵ x,y-Paaren gemäß der "back propagation"-Methode so trainiert, daß der y-Meßwert unmittelbar nach dem letzten der jeweiligen 400 x-Werte gleich dem Wert des Ausgangsneurons ist.

Schritt C in Punkt 4

Es wurde eine Standard-COSY-Impulssequenz als Eingang für die GTF verwendet:

Je nach den gewählten Werten von t₁ und t₂ und den Impulsphasen wurden die Eingangswerte x(t_m), . . . x(t_m-399) gleich 1, -1 bzw. 0 gesetzt und der jeweilige Ausgangswert y(t_m) mit der GTF berechnet. Derart wurden je 190 Werte entlang t₁ und t₂ bestimmt und durch Nullen auf je 256 Punkte ergänzt. Die Rechnungen wurden für jedes t₁, t₂-Paar zweimal durchgeführt, und zwar mit der Phase 0° und dann 180° für den zweiten Impuls, und dann addiert (Phasenzyklus!).

2D-FT der 256.256 FID-Matrix ergibt das in der Abbildung gezeigte 2D-NMR- Spektrum. Das Resultat entspricht völlig dem Ergebnis des Standardexperiments: Die Kopplung der beiden Spins A und X wir durch zwei Kreuzmultipletts angezeigt, das Signal des Spins M erscheint nur auf der Diagonalen, da es nicht mit Spin A und X koppelt. Das Spektrum zeigt eine geringe Welligkeit, die anzeigt, daß das neuronale Netz die GTF noch nicht perfekt wiedergibt.

Claims

Das Impulsmeßverfahren in der magnetischen Resonanzspektroskopie zur Bestimmung mehrdimensionaler Spektren wird in drei Teilschritte zerlegt, gekennzeichnet durch
- 1. Die Meßprobe im Magneten wird mit einer Folge von statistisch gesetzten Hf-Impulsen x(t) ohne Relaxationswartezeiten bestrahlt und das resultierende Signal y(t) zusammen mit x(t) im Rechner aufgezeichnet. Danach kann eine neue Substanz in den Magneten eingebracht werden.
- 2. Mit den gespeicherten Wertepaaren x,y für die Zeiten t_m=m · Δt (Δ=1/F und F=maximale gewünschte Spektralbereich) wird gemäß y(t_m) = GTF { x(t_m), x(t_m-1), . . . x(t_m-L) } m = M, M + 1, . . . M′die Brutto- oder gesamte Transferfunktion GTF der Meßsubstanz ermittelt.
- 3. Mit der in 2. ermittelten Funktion GTF wird das gewünschte mehrdimensionale Meßsignal y für Impulssequenzen x der Standardexperimente der mehrdimensionalen magnetischen Resonanz berechnet.