一种用于生物组织的核磁共振检测方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及核磁共振波谱学检测方法，尤其是涉及一种用于生物组织的核磁共振 检测方法。
【背景技术】
[0002] 核磁共振（NMR，Nuclear Magnetic Resonance)波谱技术可提供化学位移和J偶 合等分子级别的信息，成为分子结构解析和成分分析一种强有力的工具，广泛应用于生物 检测和代谢物分析。通常情况下，一维核磁共振谱方法采样时间短，并且能够满足具有简单 化学成分和分子结构的样品的分析需求，因此在简单的样品体系中得到广泛应用。然而，生 物样品往往含有大量代谢物成分以及复杂分子结构，可产生大量核磁共振信号，使得所获 得的一维核磁共振谱图出现谱峰拥挤甚至谱峰叠加的情况，不利于信号归属和结构分析。 二维核磁共振J分解谱方法可以完全实现核磁共振信号化学位移和J偶合信息的分离，即 分离在二维谱图的两个轴上，很好地解决了一维核磁共振谱中谱峰拥挤的问题，对于生物 组织代谢物以及复杂化学成分归属和检测具有重要意义。由于核磁共振实验往往对磁场均 匀性有着极高的要求，例如溶液样品的氢谱实验，其所附加的磁场在空间尺度上的浮动范 围必须控制在10 8以内才能最终为分子结构和成分分析等提供有用的高分辨谱学信息。因 此，目前现有的常规二维J分解谱方法在生物体系的应用都主要集中在均相样品，如生物 体液和生物组织提取液等。对于真正的生物组织，如脑组织、肌肉组织和软骨组织等，其内 部磁化率变化会引起磁场不均匀而最终导致常规二维J分解谱方法很难获得检测分析所 需的高分辨谱图信息。
[0003] 为了解决生物组织样品实验中磁场不均匀性的问题，我们首先想到的一个方法就 是匀场。目前，相关的匀场硬件和匀场方法已经应用到现代常规核磁共振波谱仪上，用于提 升核磁实验磁场均匀性。这些匀场方法对于液态样品实验能起到很好的效果。因为液态样 品通常是均相的，其样品内部不存在磁场不均匀性的因素，实验过程中磁场不均匀主要来 自样品外部检测环境的干扰。对于这种外部检测环境引起的磁场不均匀，现有的匀场方法 能够基本将其消除。但对于检测样品本身引入的磁场不均匀性，如生物组织内部磁化率引 起的不均匀磁场，现有的匀场方法往往很难消除。因此，通过匀场方法很难直接对生物组织 样品进行核磁共振检测。而组织萃取为生物组织代谢物检测分析提供了一种有效的间接手 段。这一方法实际上就是把生物组织代谢物成分从组织转移到特定溶剂中，然后对所获得 代谢物溶液进行NMR检测。利用这一方法，实验人员需要花相当大的精力来对采样前的生 物组织样品进行预处理，并且这一方法只能间接对生物组织代谢物进行检测分析，无法直 接对完整生物组织进行检测。另一方面，硬件的发展也为核磁共振在生物组织样品的应用 中提供了强有力的帮助。例如，魔角旋转技术就为消除生物样品中因磁化率变化引起的磁 场不均匀性提供了一种有效的手段，能够产生媲美液体核磁共振的高分辨谱图。但是魔角 旋转实验需要特殊的探头检测设备，并且高速旋转往往会对生物组织内部结构产生一定破 坏，无法保证实验过程中组织的完整性。
[0004] 由此可见，常规的二维J分解谱方法很难直接用于生物组织代谢检测分析，虽然 通过结合组织萃取和魔角旋转技术能够很好消除组织内部磁化率不均匀的影响来获得分 析所需的高分辨谱信息，但这些技术需要复杂的样品预处理和特殊的硬件设备，并且在完 整生物组织直接检测方面有很大局限性。因此，如果能够解决好这个问题，无需繁琐的匀场 操作、复杂的样品预处理以及特殊的硬件设备，而仅从脉冲序列设计和数据后处理方法角 度出发，设计出一种直接用于生物组织检测消除其磁化率变化引起的磁场不均匀性而获得 高分辨率核磁共振二维J分解谱的方法，并实现快速信号采样，就能进一步提高核磁共振 谱学在生物组织中的应用。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的在于提供可直接用于因样品磁化率变化引起磁场不均匀的一种用 于生物组织的核磁共振检测方法。
[0006] 本发明包括如下步骤：
[0007] 1)将所检测的生物组织样品装入核磁试管中，然后将装好样品的试管放入核磁谱 仪的检测磁体中；
[0008] 2)常规一维脉冲序列采样一张一维谱，获得谱线的线宽，为谱宽参数设置提供依 据，同时线宽值反映了生物组织样品磁场不均匀性的情况；
[0009] 3)在核磁共振波谱仪上导入事先编译好的脉冲序列；
[0010] 4)打开所述脉冲序列的分子间零量子相干信号选择模块、折叠校正模块、溶剂压 制模块和J调制信号采样模块，设置各个模块的实验参数；
[0011] 5)完成实验参数设置后，跳过人工匀场操作过程，直接执行数据采样，整个采样过 程的时间为2~3min ;
[0012] 6)当数据采样全部完成后，进行相关的数据后处理，得到免于不均匀磁场影响的 高分辨率二维J分解谱。
[0013] 在步骤1)中，所述将所检测的生物组织样品装入核磁试管中，只需直接将生物组 织样品整块完整装入核磁谱仪配备的试管中，整个过程无需对生物组织进行预处理，无需 对谱仪硬件设施进行改动。
[0014] 在步骤2)中，所述常规一维脉冲序列是核磁共振谱仪自带的一维脉冲序列，由一 个非选择性η/2射频脉冲和采样期构成，即非选择性π/2射频脉冲作用后紧跟着信号采 样，目的是为了检查在生物组织样品放置后磁场均匀性情况，同时为谱宽参数设置提供依 据。
[0015] 在步骤3)中，所述脉冲序列使用了分子间零量子相干信号选择模块、折叠校正模 块、溶剂压制模块和J调制信号采样模块；
[0016] 所述分子间零量子相干信号选择模块由一个非选择性矩形π /2脉冲、一个溶剂 选择性高斯形状（η/2)1脉冲、一个非选择性矩形π脉冲、一个间接演化期tl和一个相干 选择梯度构成，通过分子间零量子相干信号选择模块可选择出所需的分子间零量子相干信 号；由于分子间零量子相干信号源于溶剂和溶质之间的远程偶极相互作用，该分子间零量 子相干信号的共振频率为溶剂和溶质自旋的共振频率之差；由于偶极相互作用的有效距离 为5~100 μm，因此溶剂和溶质自旋上附加的磁场不均匀性是一样的，故而两者的频率之 差消除了磁场不均匀性的影响；对于生物组织样品，水峰对应于溶剂而代谢物成分对应于 溶质，因此分子间零量子相干信号选择模块所选择出来的分子间零量子相干信号对生物组 织中因磁化率变化引起的磁场不均匀性具有免疫特性；
[0017] 所述折叠校正模块是指通过减小化学位移维度的谱宽来提高脉冲序列的采样速 率，且不会降低信号强度和谱分辨率。在采样结束后，通过相应折叠校正数据处理可恢复正 常的化学位移维度；
[0018] 所述溶剂压制模块采用激发塑形方式在采样前压制溶剂信号，具体方式是将W5 二项式组合脉冲作为一个溶剂剔除脉冲，并将一对散相梯度置于这一 W5组合脉冲前后； 生物组织样品通常含有大量水分，会淹没代谢物信号，故需要加入这一溶剂压制模块来压 制强大的水峰信号使生物代谢物信号显现出来。
[0019] 所述J调制信号采样模块由一系列采样期t2和非选择性31脉冲构成，J调制信号 采样模块同时包括奇偶信号的采样，并且重复N次。每一个单独的采样期一包含化学位移、 J偶合、和直接维磁场不均匀性的演化，由同一磁化矢量激发后经过N次重复在重构的F3间 接维可追踪J偶合演化。这是由于前后相等的两部分演化期、及其中间所插入的非选择性 η脉冲形成自旋回波的信号演化，所选择出的分子间零量子相干信号在经此演化后完全消 除了化学位移和磁场不均匀性，只保留了 J偶合信息，从而构成了采样信号沿F3维的信息， 即二维J分解谱中J偶合信息维；同时，J调制信号采样模块能够在单次采样中同时获得F2 和F3维信息，进一步提高脉冲序列的采样速率。通过折叠校正和J调制信号采样模块的结 合，能最终实现信号的快速采样。
[0020] 在步骤4)中，所述实验参数包括直接维谱宽SW、第一间接维谱宽SWUJ调制信号 采样模块单个采样期时间〖 2及模块重复次数N、间接维演化期t i的点数ni、序列延迟时间 RD、固定延时2 △、π /2非选择性矩形脉冲时间、π非选择性矩形脉冲时间、（π /2)1溶剂选 择性高斯脉冲时间、相干选择梯度场强度及其作用时间、散相梯度场强度及其作用时间，其 中所述固定延时2 Δ的设定范围为40~120ms，所述序列延迟时间RD的设定范围为3~ 5s〇
[0021] 在步骤5)中，所述数据采样的具体过程为：首先脉冲序列