未知空間分布磁場(chǎng)下獲取高分辨核磁共振異核譜圖的方法【專利摘要】未知空間分布磁場(chǎng)下獲取高分辨核磁共振異核譜圖的方法，涉及核磁共振。根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求判斷是信噪比優(yōu)先還是采樣效率優(yōu)先，若信噪比優(yōu)先，則使用三維采樣模式；若采樣效率優(yōu)先，則使用空間編解碼采樣模式；設(shè)定序列參數(shù)后對(duì)樣品進(jìn)行采樣，采樣結(jié)束后存儲(chǔ)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)；對(duì)存儲(chǔ)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，若使用的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)由三維采樣模式得到，則將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)構(gòu)建成三維時(shí)域矩陣，只需對(duì)該矩陣進(jìn)行三維傅里葉變換，即可得到實(shí)驗(yàn)譜圖；若使用的數(shù)據(jù)由空間編解碼采樣模式得到，則首先將每一條長(zhǎng)為np個(gè)點(diǎn)數(shù)的數(shù)據(jù)串分割為np1×ND，隨后與間接F3維構(gòu)成一個(gè)三維矩陣，只對(duì)三維矩陣的F2與F3維進(jìn)行傅里葉變換即獲取高分辨核磁共振異核譜圖?！緦＠f(shuō)明】未知空間分布磁場(chǎng)下獲取高分辨核磁共振異核譜圖的方法【
技術(shù)領(lǐng)域：
】[0001]本發(fā)明涉及核磁共振(NMR,NuclearMagneticResonance),尤其是涉及未知空間分布磁場(chǎng)下獲取高分辨核磁共振異核譜圖的方法?！?br>背景技術(shù)：
】[0002]NMR現(xiàn)已成為最有效且使用廣泛的檢測(cè)手段之一。如今，復(fù)雜有機(jī)分子的結(jié)構(gòu)解析相當(dāng)依賴于質(zhì)子檢測(cè)的異核NMR技術(shù)。在這些技術(shù)中，異核單量子相干HSQC(HeteronuclearSingularQuantumCorrelation),異核多量子相干HMQC(HeteronuclearMultipleQuantumCorrelation),異核多重鍵相關(guān)HMBC(HeteronuclearMultipleBondCorrelation)便是最重要的2DNMR方法。HSQC,HMQC是通過(guò)化學(xué)鍵直接相連的相關(guān)譜，而HMBC是通過(guò)相隔一鍵以上化學(xué)鍵相連的相關(guān)譜。早期的異核二維相關(guān)實(shí)驗(yàn)是直接觀測(cè)13C，15N等不靈敏核，獲得的是它們與1H的偶合相關(guān)信息。但是因?yàn)?3C，15N的天然豐度極低，NMR信號(hào)非常弱，測(cè)一維譜有很大的困難，需要累加多次，獲取一張二維譜所用的時(shí)間就更長(zhǎng)，嚴(yán)重影響了異核二維譜的廣泛應(yīng)用。反式檢測(cè)異核二維相關(guān)譜實(shí)驗(yàn)的提出，如異核多量子相干HMQC實(shí)驗(yàn)，取代了早期的異核相關(guān)譜(HETCOR)實(shí)驗(yàn)。HMQC實(shí)驗(yàn)觀測(cè)的是1H的自由感應(yīng)衰減FID(FreeInductionDecay)信號(hào),通過(guò)核間偶合間接觀測(cè)不靈敏核的化學(xué)位移。與記錄不靈敏核FID的HETCOR實(shí)驗(yàn)相比，信噪比有很大的提高。NMR反式檢測(cè)的靈敏度最大為(Υη)5/2/Η的磁旋比Yh約為13C磁旋比^的4倍，(Yh)5/2:(Y。)5/2=32，因此用HMQC實(shí)驗(yàn)檢測(cè)相關(guān)信號(hào)增強(qiáng)32倍。如今最常用的異核二維譜為HSQC、HMQC和HMBC，通常多為13C-1H偶合系統(tǒng)，此外15N-1H,29S1-1H系統(tǒng)也有廣泛的應(yīng)用。[0003]近年來(lái)，磁共振成像技術(shù)(MRI,MagneticResonanceImaging)在諸如形態(tài)學(xué)、功能及代謝等方面有驚人的發(fā)展。無(wú)論是無(wú)生命的固體、液體，或是有機(jī)生命體，多數(shù)應(yīng)用都依賴于高度均勻的靜磁場(chǎng)Btl，空間變化率小于10Λ因此不同原子核周圍環(huán)境的細(xì)微差異都會(huì)導(dǎo)致化學(xué)位移和偶合信息有著明顯不同。然而理想條件下的高度均勻場(chǎng)通常是無(wú)法實(shí)現(xiàn)的，如在非原位NMR實(shí)驗(yàn)中，研究對(duì)象放置在磁體外[1’2];在阻抗式高場(chǎng)中或使用的是混合磁體[3，4];樣品(包括動(dòng)物和人體)有脈動(dòng)或呼吸等運(yùn)動(dòng)，更不用說(shuō)由空隙和外科植入物引入的磁場(chǎng)不均勻性&6]。許多方法被提出來(lái)用于獲得高分辨譜。自旋回波方法[7'8]可以重聚不均勻場(chǎng)得到偶合信息產(chǎn)生回波調(diào)制[9_11]。若場(chǎng)圖的空間分布已知，則可以使用設(shè)計(jì)好的與之匹配的射頻場(chǎng)用來(lái)抵消不均勻場(chǎng)。有兩種方法可以實(shí)現(xiàn):第一種方法是設(shè)計(jì)射頻場(chǎng)^0.)來(lái)匹配BtlOO[12_14]，射頻場(chǎng)的相移可通過(guò)Btl場(chǎng)校正；第二種方法參照單掃描實(shí)驗(yàn)方式[15，16]，用已知梯度場(chǎng)補(bǔ)償不同體素的磁化矢量的相位，達(dá)到消除不均勻場(chǎng)的目的。兩種方法中的不均勻場(chǎng)都必須與時(shí)間無(wú)關(guān)，且其空間分布必須已知，而這成為了一個(gè)很大的障礙。Pelupessy等人M提出了單次掃描內(nèi)通過(guò)追蹤兩個(gè)不同自旋間的進(jìn)動(dòng)頻率之差U8’19]來(lái)獲得不均勻場(chǎng)下的高分辨譜。[0004]基于偶極場(chǎng)調(diào)制技術(shù)是通過(guò)不同分子自旋間的遠(yuǎn)程偶極相互作用追蹤自旋的進(jìn)動(dòng)頻率來(lái)消除不均勻場(chǎng)的影響。通常情況下偶極相關(guān)距離(通常在10~100μm)遠(yuǎn)小于樣品的尺寸，而偶極相關(guān)距離內(nèi)的磁場(chǎng)相對(duì)均勻，對(duì)信號(hào)線寬影響較小，因此iMQC在不均勻場(chǎng)高分辨譜方面具有誘人的應(yīng)用前景。[0005]參考文獻(xiàn):[0006][I]GEidmannjRSavelsbergjPBliimlerjetal.TheMWRMOUSE:amobileuniversalsurfaceexplorer[J].JournalofMagneticResonance,SeriesA,1996，122(1):104-109.[0007][2]BBliimichjJPerloandFCasanova.Mobilesingle-sidedNMR[J].ProgressinNuclearMagneticResonanceSpectroscopy,2008,52(4):197-269.[0008][3]YYLinjSAhnjNMuralijetal.High-resolution,>lGHzNMRinunstablemagneticfields[J].PhysicalReviewLetters，2000，85(17):3732-3735.[0009][4]BoazShapirajKiranShettyjWilliamWBreyjetal.Single_scan2DNMRspectroscopyona25Tbittermagnet[J].ChemicalPhysicsLetters,2007，442(4):478-482.[0010][5]IJaneCoxjGraemeMBydderjDavidGGadianjetal.TheeffectofmagneticsusceptibilityvariationsinNMRimagingandNMRspectroscopyinvivo[J].JournalofMagneticResonance，1986，70(I):163-168.[0011][6]CarolynEMountfordjSineadDoran,CynthiaLLean,etal.ProtonMRScandeterminethepathologyofhumancancerswithahighlevelofaccuracy[J].ChemicalReviews,2004，104(8):3677-3704.[0012][7]ErwinLHahn.Spinechoes[J].PhysicalReview,1950,80(4):580.[0013][8]HermanYCarrandEdwardMPurcell.Effectsofdiffusiononfreeprecessioninnuclearmagneticresonanceexperiments[J].PhysicalReview,1954，94(3):630.[0014][9]ELHahnandDEMaxwell.Spinechomeasurementsofnuclearspincouplinginmolecules[J].PhysicalReview,1952,88(5):1070.[0015][10]RLVoidandSOChan.Modulatedspinechotrainsfromliquidcrystals[J].TheJournalofChemicalPhysics,1970,53(I):449-451.[0016][11]RayFreemanandHDWHill.High-resolutionstudyof匪Rspinechoes:u]spectra，，[J].TheJournalofChemicalPhysics，1971，54:301-313.[0017][12]CarlosAMerilesjDimitrisSakellarioujHenrikeHeisejetal.Approachtohigh-resolutionexsituNMRspectroscopy[J].Science,2001,293(5527):82-85.[0018][13]JuanPerlojVasilikiDemas，F(xiàn)edericoCasanova,etal.High-resolutionNMRspectroscopywithaportablesingle-sidedsensor[J].Science,2005,308(5726):1279-1279.[0019][14]VasilikiDemas，CarlosMerilesjDimitrisSakellarioujetal.Towardexsituphase-encodedspectroscopicimaging[J].ConceptsinMagneticResonancePartB:MagneticResonanceEngineering，2006，29(3):137-144.[0020][15]BoazShapiraandLucioFrydman.Spatialencodingandtheacquisitionofhigh-resolutionNMRSpectraininhomogeneousmagneticfields[J].JournalofTheAmericanChemicalSociety,2004,126(23):7184-7185.[0021][16]B.ShapiraandL.Frydman.SpatiallyencodedpulsesequencesfortheacquisitionofhighresolutionNMRspectraininhomogeneousfields[J].JournalofMagneticResonance,2006,182(I):12-21.[0022][17]P.Pelupessy,E.RenneIlaandG.Bodenhausen.High-resolutionNMRinmagneticfieldswithunknownspatiotemporalvariations[J].Science,2009，324(5935):1693-7.[0023][18]AWokaunandRichardRErnst.SelectivedetectionofmultiplequantumtransitionsinNMRbytwo-dimensionalspectroscopy[J].ChemicalPhysicsLetters,1977，52(3):407-412.[0024][19]KNagayama,KWiithrichandRRErnst.Two-dimensionalspinechocorrelatedspectroscopy(SECSY)for1!!NMRstudiesofbiologicalmacromolecules[J].Bioc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發(fā)明內(nèi)容】[0025]本發(fā)明的目的是提供一種可消除磁共振檢測(cè)中磁場(chǎng)不均勻的影響，從而提高譜圖分辨率的未知空間分布磁場(chǎng)下獲取聞分辨核磁共振異核譜圖的方法。[0026]本發(fā)明包括以下步驟:[0027]I)根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求判斷是信噪比優(yōu)先還是采樣效率優(yōu)先，若信噪比優(yōu)先，則使用三維采樣模式；若采樣效率優(yōu)先，則使用空間編解碼采樣模式；[0028]2)設(shè)定序列參數(shù)；[0029]3)完成序列參數(shù)設(shè)定后對(duì)樣品進(jìn)行采樣，采樣結(jié)束后存儲(chǔ)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)；[0030]4)對(duì)存儲(chǔ)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，若使用的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)由三維采樣模式得到，則將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)構(gòu)建成三維時(shí)域矩陣，只需對(duì)該矩陣進(jìn)行三維傅里葉變換，即可得到實(shí)驗(yàn)譜圖；若使用的數(shù)據(jù)由空間編解碼采樣模式得到，則需要首先將每一條長(zhǎng)為np個(gè)點(diǎn)數(shù)的數(shù)據(jù)串分割為nplXNd(其中npl對(duì)應(yīng)于空間編碼Fl維，Nd對(duì)應(yīng)為直接采樣F2維)，隨后與間接F3維構(gòu)成一個(gè)三維矩陣，只需要對(duì)這個(gè)三維矩陣的F2與F3維進(jìn)行傅里葉變換即可在未知空間分布磁場(chǎng)下獲取高分辨核磁共振異核譜圖。[0031]在步驟2)中，所述設(shè)定序列參數(shù)的具體方法可為:若采用三維采樣模式，則只需要設(shè)定序列中所有脈沖寬度與功率，設(shè)定方法與核磁共振常規(guī)實(shí)驗(yàn)相同；若采用空間編解碼采樣模式，則需要使用核磁共振譜儀的脈沖生成工具箱產(chǎn)生線性調(diào)頻chirp脈沖，并將該脈沖設(shè)置至空間編解碼模塊中，根據(jù)實(shí)驗(yàn)樣品譜寬信息設(shè)定編解碼梯度大小與時(shí)間至基于J偶合調(diào)制采樣的空間編解碼模塊中。[0032]本發(fā)明基于偶極場(chǎng)調(diào)制方法提出了在未知空間分布的磁場(chǎng)下獲取二維高分辨異核譜的方法，該技術(shù)的脈沖序列含有兩種采樣方式，三維采樣方式可以獲取二維高分辨異核相關(guān)信息；空間編解碼采樣方式可以獲取三維高分信息，其中二維為高峰異核相關(guān)信息，另外一維為偶合裂分信息。該方法利用了偶極場(chǎng)調(diào)制的異核相關(guān)譜具有對(duì)空間分布不敏感的特性，來(lái)消除磁共振檢測(cè)中磁場(chǎng)不均勻的影響，從而提高譜圖的分辨率。本發(fā)明采用激發(fā)偶極場(chǎng)調(diào)制的兩種模塊，分別為選擇性脈沖激發(fā)模塊和非選擇性脈沖激發(fā)模塊。選擇性脈沖激發(fā)模塊由一個(gè)高斯選擇η/2脈沖，一個(gè)BIRD脈沖單元和兩個(gè)梯度場(chǎng)組成。高斯選擇η/2脈沖用來(lái)選擇激發(fā)偶極場(chǎng)的溶劑峰，BIRD脈沖單元外加兩個(gè)梯度場(chǎng)用來(lái)強(qiáng)化溶劑峰的選擇。非選擇性脈沖激發(fā)模塊由一個(gè)TANGO脈沖單元，一個(gè)BIRD脈沖單元和兩個(gè)梯度場(chǎng)組成。TANGO脈沖單元用來(lái)選擇遠(yuǎn)程偶合信號(hào)，后面的BIRD脈沖單元外加兩個(gè)梯度場(chǎng)用來(lái)濾除雜信號(hào)。這兩種激發(fā)方式最后都是確保前面單元只激發(fā)溶劑信號(hào)演化，為后續(xù)激發(fā)成為偶極場(chǎng)做準(zhǔn)備。[0033]本發(fā)明采用的兩種采樣模式，一種為三維采樣模式，該模式由兩個(gè)間接維(F1，F(xiàn)3)和直接采樣維(F2)組成。間接維Fl維由兩段演化時(shí)間組成用于獲取不受不均勻場(chǎng)影響的雜核(X核)的化學(xué)位移演化；間接維F3維由序列前面的t3和采樣前t3兩段演化時(shí)間組成用于獲取不受不均勻場(chǎng)影響的氫核(H核)的化學(xué)位移演化。三維采樣模式可以在不均勻場(chǎng)下獲取二維高分辨異核相關(guān)信息，該模式特點(diǎn)信噪比高，但時(shí)間較長(zhǎng)。另一種為空間編解碼采樣模式，該模式由一個(gè)常規(guī)間接維(F2)和空間編解碼維(F1，F(xiàn)3)組成。該模式使用奇數(shù)個(gè)線性調(diào)頻絕熱脈沖與極性正負(fù)交替變化的梯度場(chǎng)組成的空間編碼模塊取代間接維(F3)的兩段演化時(shí)間t3;并且使用由一系列單極性梯度場(chǎng)夾著π脈沖(J偶合調(diào)制)的空間解碼模塊采樣?？臻g編解碼采樣模式的主要特點(diǎn)是采樣時(shí)間短，但信噪比較低。此外該模式可以得到三維高分辨信息，其中二維為高峰異核相關(guān)信息，另外一維為偶合裂分信息?！緦＠綀D】【附圖說(shuō)明】[0034]圖1為13C全標(biāo)記的丁酸鈉水溶液在氫譜線寬2500Hz的不均勻場(chǎng)(勻場(chǎng)電源關(guān)閉)下通過(guò)三維采樣得到的三維譜圖。其中投影至F1F3平面可以獲取高分辨的HSQC譜圖，碳維分辨率達(dá)到19Hz，氫維分辨率達(dá)到28Hz，但F2維仍然受到不均勻場(chǎng)的影響，線寬展寬2500Hz，即三維采樣得到的三維信息為(F3，F(xiàn)1，F(xiàn)2)=其中ΩΗ，別為1H和13C的化學(xué)位移。[0035]圖2為天然豐度的Y-氨基丁酸(GABA)的水溶液不均勻場(chǎng)下常規(guī)gHSQC序列得到的譜圖。[0036]圖3為本發(fā)明得到的HSQC譜圖。[0037]圖4為空間編解碼采樣模式中解碼模塊只使用H通道的180度脈沖得到的譜圖。投影至F1F3平面得到HSQC信息，投影至F2F3平面得到同核J分解譜，即三維高分辨信息為:(F3,Fl,F2)=(Qh,Ω。，Jhh)，其中氫維分辨率28Hz，碳維分辨率20Hz，Jhh等于5Hz。[0038]圖5為空間編解碼采樣模式中解碼模塊H通道與C通道都使用180度脈沖得到的譜圖。投影至F1F3平面得到HSQC信息，投影至F1F3平面得到異核J分解譜，即三維高分辨信息為其中氫維分辨率28Hz，碳維分辨率20Hz，Jch+Jhh等于7Hz。[0039]其中，圖2和圖3給出本發(fā)明的三維采樣模式對(duì)不同樣品在線寬為1000Hz左右的不均勻場(chǎng)下獲取的異核相關(guān)譜，圖2和圖3表明了本發(fā)明對(duì)于天然豐度的樣品適用，能非常好地將展寬1000Hz的HSQC譜圖恢復(fù)到氫維34Hz碳維20Hz高分辨的程度。圖4和圖5描繪了本發(fā)明的空間編解碼采樣模式在線寬為1000Hz左右不均勻場(chǎng)下獲取三維高分辨譜圖?！揪唧w實(shí)施方式】[0040]本發(fā)明提供一種基于偶極場(chǎng)調(diào)制的在未知空間分布磁場(chǎng)下獲取高分辨異核相關(guān)譜圖的方法，該方法包括激發(fā)偶極場(chǎng)調(diào)制模塊、常規(guī)異核相干轉(zhuǎn)移模塊、間接維演化時(shí)間模塊、奇數(shù)個(gè)線性調(diào)頻絕熱脈沖空間編碼模塊、基于J偶合調(diào)制采樣的空間解碼模塊。[0041]為方便描述，使用碳?xì)洚惡梭w系為例，假設(shè)I1為水中的質(zhì)子自旋，12和S分別為溶液中有機(jī)物中的一對(duì)CH偶合對(duì)，其中I2為質(zhì)子自旋，S為碳自旋。[0042]激發(fā)偶極場(chǎng)調(diào)制模塊目的只激發(fā)溶劑(水)中的質(zhì)子信號(hào)，使第一個(gè)演化時(shí)間t3只有溶劑的演化。當(dāng)溶劑與溶質(zhì)的信號(hào)強(qiáng)度相當(dāng)時(shí)，通常使用選擇性激發(fā)，該方式隨著不均勻場(chǎng)的增大，激發(fā)效率下降；當(dāng)溶劑比溶質(zhì)信號(hào)強(qiáng)很多，或者13C標(biāo)記的樣品，使用TANGO模塊，可以選擇激發(fā)溶劑自旋，該方式使用很大的不均勻場(chǎng)。此外，添加了BIRD模塊壓制了激發(fā)不理想時(shí)的溶質(zhì)13C相連的質(zhì)子信號(hào)。[0043]三維采樣方式:采樣的序列為三維采樣模式，演化時(shí)間h和演化時(shí)間t2對(duì)應(yīng)于常規(guī)二維異核相關(guān)譜序列的間接維Fl和直接維F2。由于直接采樣維F2總是受到不均勻場(chǎng)的影響，導(dǎo)致線寬展寬，通常需要摒棄。因此為了獲取高分辨的二維譜需要另外一個(gè)演化時(shí)間t3構(gòu)成另外一個(gè)間接維F3。[0044]以HSQC為例，通過(guò)前面的偶極場(chǎng)激發(fā)模塊后，只有溶劑自旋I1經(jīng)歷演化時(shí)間t3+YCt1/YH?常規(guī)異核相干轉(zhuǎn)移模塊中的INEPT單元將這些自旋翻轉(zhuǎn)至縱向，根據(jù)偶極場(chǎng)調(diào)制理論，I1自旋產(chǎn)生的偶極場(chǎng)為:【權(quán)利要求】1.未知空間分布磁場(chǎng)下獲取高分辨核磁共振異核譜圖的方法，其特征在于包括以下步驟:1)根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求判斷是信噪比優(yōu)先還是采樣效率優(yōu)先，若信噪比優(yōu)先，則使用三維采樣模式；若采樣效率優(yōu)先，則使用空間編解碼采樣模式；2)設(shè)定序列參數(shù)；3)完成序列參數(shù)設(shè)定后對(duì)樣品進(jìn)行采樣，采樣結(jié)束后存儲(chǔ)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)；4)對(duì)存儲(chǔ)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，若使用的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)由三維采樣模式得到，則將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)構(gòu)建成三維時(shí)域矩陣，只需對(duì)該矩陣進(jìn)行三維傅里葉變換，即可得到實(shí)驗(yàn)譜圖；若使用的數(shù)據(jù)由空間編解碼采樣模式得到，則需要首先將每一條長(zhǎng)為np個(gè)點(diǎn)數(shù)的數(shù)據(jù)串分割為nplXNd(其中npl對(duì)應(yīng)于空間編碼Fl維，Nd對(duì)應(yīng)為直接采樣F2維)，隨后與間接F3維構(gòu)成一個(gè)三維矩陣，只需要對(duì)這個(gè)三維矩陣的F2與F3維進(jìn)行傅里葉變換即可在未知空間分布磁場(chǎng)下獲取高分辨核磁共振異核譜圖。2.如權(quán)利要求1所述未知空間分布磁場(chǎng)下獲取高分辨核磁共振異核譜圖的方法，其特征在于在步驟2)中，所述設(shè)定序列參數(shù)的具體方法為:若采用三維采樣模式，則只需要設(shè)定序列中所有脈沖寬度與功率，設(shè)定方法與核磁共振常規(guī)實(shí)驗(yàn)相同；若采用空間編解碼采樣模式，則需要使用核磁共振譜儀的脈沖生成工具箱產(chǎn)生線性調(diào)頻chirp脈沖，并將該脈沖設(shè)置至空間編解碼模塊中，根據(jù)實(shí)驗(yàn)樣品譜寬信息設(shè)定編解碼梯度大小與時(shí)間至基于J偶合調(diào)制采樣的空間編解碼模塊中?！疚臋n編號(hào)】G01R33/565GK103472420SQ201310461836【公開(kāi)日】2013年12月25日申請(qǐng)日期:2013年9月30日優(yōu)先權(quán)日:2013年9月30日【發(fā)明者】張志勇,陳忠,汪凱宇申請(qǐng)人:廈門大學(xué)