一种抵抗不均匀磁场的超快速核磁共振二维J谱方法与流程

本发明涉及核磁共振(Nuclear Magnetic Resonance，NMR)波谱学分子结构信息检测技术，尤其是涉及一种在单方向不均匀磁场环境下单扫描超快速获取高分辨二维J谱的方法。

背景技术：

由于核磁共振波谱技术具有无损性非侵入式检测的独特优势，近几十年来，核磁共振技术在生物、化学、物理、医学以及材料学等学科领域获得了广泛的应用。1971年，学者Jeener在一维谱的基础上提出了二维谱的概念，将NMR从一维谱扩展到二维谱。在常规的核磁共振谱学检测中，二维谱克服了一维氢谱中经常存在的谱图拥挤和谱峰归属困难等问题，可传递更多的分子结构信息和动力学信息。其中，核磁共振二维J分解谱具有直接维表征原子核化学位移信息，间接维表征原子核间的标量偶合裂分模式及偶合常数的特点，被经常应用于样品的组分分析和结构鉴定，是核磁共振的一个重要分析手段。现有的获取二维J分解谱的方法是Richard R.Ernst于1976年提出的基于自旋回波模块的传统序列。虽然传统二维J谱方法提供了一种普遍的获取原子核化学位移及偶合信息的方法，但是在实际应用中，该技术存在一些限制。首先，传统二维J谱方法需要二维采样，在保证谱图分辨率的前提下，耗时较长。这一问题限制了该方法在实时监控化学反应等领域的应用，同时也限制了该方法向多维谱发展应用。其次，传统二维J谱的获取受限于磁场均匀度，需要在较均匀磁场下才能得到理想的二维J谱。在实际应用中，对于均相溶液样品体系，需要对检测样品进行复杂耗时的匀场操作，从而获取较理想的磁场环境；而对于粘稠性样品和生物组织样品等非均相样品而言，其样品自身磁化率会带来磁场大不均匀性，足够高的磁场均匀度往往是很难甚至是不可能获得的。这一问题同样限制了传统J谱方法的应用范围。

技术实现要素：

本发明所要解决的主要技术问题是提供一种抵抗单方向不均匀磁场的超快速核磁共振二维J谱方法，只需单次扫描即可快速获取二维J分解谱，克服了传统二维J谱获取方法在实际应用中的不足，在提高二维J谱的应用范围和检测样品化学结构方面具有重要意义。

为了解决上述的技术问题，本发明提供了一种抵抗单方向不均匀磁场(尤其是大的线性不均匀磁场)的超快速核磁共振二维J谱方法，包括如下步骤：

1)将检测样品装入标准5mm样品管中，并将该样品管送入核磁共振谱仪的检测腔中，然后调用常规一维氢谱序列采集待检测样品的一维氢谱；

所述常规一维氢谱序列是集成在核磁共振谱仪中由一个非选择性射频脉冲和信号采样期组成的单脉冲序列；

2)使用所述单脉冲序列测量激发样品所需的π/2非选择性射频脉冲宽度，及使用高斯脉冲序列测量激发样品所需的π/2选择性高斯脉冲的脉冲宽度和射频功率；

3)在核磁共振谱仪上导入本发明所设计的核磁共振脉冲序列，本序列包括选择激发模块和重聚采样模块；设置两个选择激发模块和重聚采样模块的实验参数，然后进行数据采样；

所述选择激发模块是由一个π/2选择性高斯脉冲以及与选择性高斯脉冲同时施加的单方向编码梯度和两个补偿梯度组成；所述单方向编码梯度、补偿梯度的施加方向与实际检测中磁场不均匀方向相同；所述选择激发模块用于将待测样品的纵向磁化矢量选择性地翻转到xy横向平面，并将选择的原子核进动频率与其空间位置相关联；

所述的重聚采样模块是由重复2N次的采样模块构成，每个采样模块由与所述单方向解码梯度同时作用的采样时间TD和一个非选择性180°射频脉冲组成；

所述实验参数包括π/2非选择性射频脉冲宽度、π/2选择性高斯脉冲的脉冲宽度和射频功率、直接维谱宽SW、与选择性高斯脉冲同时施加的编码梯度强度GE，补偿梯度强度GP1、GP2及作用时间，每次采样模块采样时间TD、解码梯度强度GD、采样模块重复次数2N、采样点数np；

4)数据采样完成后，调用数据后处理代码进行数据处理，即可获得克服单方向不均匀磁场干扰的二维J分解谱；

所述数据处理的过程如下：(a)由于奇数次采样模块和偶数次采样模块所采集的数据来自不同阶量子，在处理过程中将奇偶数据分开，单独提取奇次数据(或偶次数据)进行处理；(b)对得到的奇数次采样数据进行二维傅里叶变换，即可获得一张不受单方向不均匀磁场影响的高分辨二维J分解谱。

相较于现有技术，本发明的技术方案具备以下有益效果：

1.本发明提供的一种抵抗不均匀磁场的超快速核磁共振二维J谱方法，利用选择激发模块和重聚采样模块的共同作用，突破了传统二维J谱方法的局限性，在单方向不均匀磁场环境下超快速采样获得一张二维J谱，有效地消除了单方向磁场不均匀的影响，大大缩短了实验时间，扩展了二维J谱的应用领域。同时本方法适用于常规核磁共振波谱仪，不需要任何特殊硬件装置，而且无需任何特殊的样品预处理过程，简便易行，为快速获取复杂有机样品的二维J分解谱提供了一种重要手段。

2.本发明提供的一种抵抗不均匀磁场的超快速核磁共振二维J谱方法，重聚采样模块可保证一维信号演化过程化学位移效应的重聚，而仅保留J偶合作用，另一维信号包含与空间位置有关的化学位移信息，从而使得获得的二维J谱中的一维表征原子核间的偶合关系的J偶合信息，另一维表征不同化学环境中原子核的化学位移信息。

3.本发明提供的一种抵抗不均匀磁场的超快速核磁共振二维J谱方法，步骤(3)中的选择激发模块和重聚采样模块的共同作用实现了单次实验采样得到不同演化时间的信号，从而只需单次扫描实验即可获得一张二维J谱，大大缩短了实验时间。

附图说明

图1为本发明提出的抵抗单方向不均匀磁场超快速二维J分解谱脉冲序列图；

图中黑色空心矩形条为π非选择性射频脉冲，高斯形状条为π/2选择性高斯射频脉冲，Sinc波形表示采样过程，采样时间为TD，实心矩形条表示编码梯度GE，直线填充的矩形条与斜线填充的矩形块分别表示补偿梯度GP1、GP2，横放的空心矩形条表示解码梯度GD。

图2为在z方向较大不均匀磁场情况下，溶于氘代二甲基亚砜的三溴丙酸乙酯溶液样品的常规一维氢谱，不均匀磁场线宽约为900Hz。

图3为在磁场不均匀情况下，本发明提出的三溴丙酸乙酯溶液样品的超快速二维J分解谱，该实验的整个数据采样时间约4s。

图4为图3中的所有化学位移处的J偶合维的投影所得到,图中从1到4分别表示化学位移约为4.2、3.7、3.0、1.3ppm的标量偶合裂分模式及对应偶合常数。

具体实施方式

下文结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。

本发明提出的能够抵抗单方向磁场不均匀效应(尤其是大的线性不均匀磁场)并快速获得复杂有机样品的高分辨二维J分解谱，从而可用于样品的组分分析和结构鉴定。该方法操作简单，无需任何样品预处理过程，可适用于所有常规核磁共振波谱仪，不需要任何额外硬件装置。

参考图1-3，本发明的具体实施过程的各个步骤如下：

步骤1，样品装样及采样常规一维氢谱

将检测样品装入标准5mm样品管中，并将该样品管送入核磁谱仪的检测腔内，然后调用常规一维氢谱序列采集待检测样品的一维氢谱(如图2所示)，获得其信号线宽信息。该常规一维氢谱序列是集成在核磁共振谱仪中的一个非选择性射频脉冲和信号采样期组成的单脉冲序列，该步骤可以获取样品放置完成后信号谱宽及磁场均匀性信息，为下面步骤中的参数设置提供参考。同时为证明本方法抵抗单方向磁场不均匀性的性能，实验过程中人为调偏z方向磁场。

步骤2，测量射频脉冲宽度

测量激发样品所需的π/2和π非选择性射频脉冲宽度，及π/2选择性高斯脉冲的脉冲宽度和射频功率。利用步骤1中的单脉冲序列并设置一系列脉冲作用时间采样相应信号，测量磁化矢量由纵向方向翻转到xy平面所对应的脉冲时间，即为π/2非选择性射频脉冲宽度，π非选择性射频脉冲宽度则为π/2非选择性射频脉冲宽度的两倍。同时，将上述单脉冲序列的脉冲类型改为高斯型脉冲，重复上述步骤，测定激发样品所需的选择性高斯脉冲的脉冲宽度和射频功率。

步骤3，导入脉冲序列及设置实验参数进行采样

在核磁共振波谱仪上导入本方法所设计的核磁共振脉冲序列(如图1所示)，包括选择激发模块和重聚采样模块。所述选择激发模块是由一个π/2选择性高斯脉冲以及与选择性高斯脉冲同时施加的单方向编码梯度和两个补偿梯度组成；所述单方向编码梯度、补偿梯度的施加方向与实际检测中磁场不均匀方向相同；所述选择激发模块用于将待测样品的纵向磁化矢量选择性地翻转到xy横向平面，并将选择的原子核进动频率与其空间位置相关联；

所述的重聚采样模块是由重复2N次的采样模块构成，每个采样模块由与所述单方向解码梯度同时作用的采样时间TD和一个非选择性180°射频脉冲组成；

同时合理设置两个模块的实验参数，包括π/2非选择性射频脉冲宽度、π/2选择性高斯脉冲的脉冲宽度和射频功率、直接维谱宽SW、与选择性高斯脉冲同时施加的编码梯度强度GE，补偿梯度强度GP1、GP2及作用时间，每次采样模块采样时间TD、解码梯度强度GD、采样模块重复次数2N、采样点数np，直接进行数据采样。

步骤4，数据后处理

数据采样完成后，调用数据后处理代码进行数据处理，其主要处理过程如下：(a)由于奇数次采样模块和偶数次采样模块所采集的数据来自不同阶量子，在处理过程中将奇偶数据分开，单独提取奇数次数据或偶数次数据进行数据处理；(b)对得到的奇次采样数据或偶数次采样数据进行二维傅里叶变换，即可获得一张可以抵抗单方向磁场大不均匀的二维J谱。

本实例所使用的样品为溶于氘代二甲基亚砜的三溴丙酸乙酯溶液样品，使用的仪器为Varian 500MHz核磁共振波谱议。由于本方法相对于传统的二维J谱技术存在一定的信噪比损失，故选取样品浓度为2.0mol/L。为证明本方法抵抗磁场不均匀性的性能，实验过程中人为调偏z方向磁场。按照上述本发明所提方法的操作流程，装入实验样品，测量脉冲序列所需的射频脉冲宽度，导入编译好的如图1所示脉冲序列，设置相应实验参数。具体对于本实例所采用的样品，本次具体实验参数设置如下：π非选择性射频脉冲宽度为30.3s；π/2选择性高斯脉冲的脉冲宽度和射频功率分别为96.2ms和-6dB；直接维谱宽SW＝25000Hz；与选择性高斯脉冲同时施加的编码梯度强度GE为0.28G/cm，补偿梯度GP1强度为-13.5G/cm,作用时间为1.0ms、第二个补偿梯度GP2强度为-12.1G/cm，作用时间为1.5ms，每次采样模块采样时间TD＝14.0ms，解码梯度强度GD＝3.6G/cm，采样模块重复次数2N＝280，采样点数np＝196000，脉冲序列等待时间为1s。整个实验用时约为5s。数据采样完成后，按照上述数据后处理过程对原始数据进行处理，可得到如图3所示的二维J谱，其中，二维J谱纵轴表示检测分子内的标量偶合裂分模式及相应偶合常数；横轴表示不同化学环境中原子核的化学位移。因此，该图可作为对检测样品的进行组分分析和结构鉴定的一个重要依据。

上文所述，仅为本发明的一个较佳的实施范例，不能依此限定本发明实施的范围。即依本发明专利范围及说明书内容所作的等效变化与修饰，皆应仍属本发明涵盖的范围内。