實(shí)例分析空間編碼技術(shù)在高分辨NMR譜技術(shù)中的運(yùn)用

柯 漢 平

（寧德師范學(xué)院信息與機(jī)電工程學(xué)院計(jì)算機(jī)系，福建 寧德 352100）

1 引言

NMR波譜技術(shù)是一種非常重要的非植入、無(wú)損傷的檢測(cè)手段，可以廣泛應(yīng)用于醫(yī)學(xué)、生物、化學(xué)等領(lǐng)域，[1]由于其能提供精細(xì)的分子級(jí)的信息，因此成為一種重要的分子結(jié)構(gòu)分析工具。但是，客觀存在的不均勻磁場(chǎng)使得精細(xì)的波譜失真，不能較好地得到高分辨的譜圖信息，所以，如何在不均勻磁場(chǎng)下獲取高分辨波譜是非常有研究?jī)r(jià)值的課題。

有許多方法被設(shè)計(jì)出來(lái)在不均勻磁場(chǎng)下獲取高分辨波譜。例如，運(yùn)用射頻磁場(chǎng)來(lái)補(bǔ)償不均勻磁場(chǎng)的方法來(lái)消除不均勻磁場(chǎng)，這個(gè)方法存在的問(wèn)題是必須事先知道不均勻磁場(chǎng)的分布，[2]而且增加了硬件。再例如自旋回波方法，能巧妙地重聚不均勻磁場(chǎng)下的相位累計(jì)，獲得J耦合信息，因此獲得廣泛應(yīng)用，可是這種方法無(wú)法獲取化學(xué)位移信息。還有國(guó)內(nèi)陳忠小組，充分利用iMQC抗不均勻磁場(chǎng)的特殊屬性，設(shè)計(jì)出一系列獲取高分辨波譜的方法，如提出了一種基于iZQC的兩次掃描快速獲取J分解譜的方法，[3]但是由于iMQC屬于分子間信號(hào)，信號(hào)強(qiáng)度比較弱，實(shí)際應(yīng)用中效果不是很理想。美國(guó)教授基于ZQC信號(hào)在活體上獲取了鼠腦的NMR高分辨一維波譜，[4]但是這種方法因?yàn)樾枰S采樣，而傳統(tǒng)的間接維演化需要逐步增加t1，且為了獲得具有較高分辨率的2D譜需要獨(dú)立采樣數(shù)百次，需要較長(zhǎng)的時(shí)間。

過(guò)長(zhǎng)的采樣時(shí)間限制了NMR波譜的應(yīng)用，如實(shí)時(shí)反應(yīng)化學(xué)體系等，如何減少采樣時(shí)間一直是NMR波譜學(xué)的重要研究課題。有許多方法被設(shè)計(jì)出來(lái)快速獲取 NMR波譜。例如，Schanda 和Brutscher通過(guò)優(yōu)化脈沖翻轉(zhuǎn)角的方法在幾秒鐘內(nèi)快速獲取HMQC譜。[5]此外一些數(shù)學(xué)重建方法也被用來(lái)構(gòu)建高分辨波譜，例如投影重建和線性預(yù)測(cè)方法可以顯著減少t1維累加次數(shù)；[6]稀疏采樣等一些非常規(guī)的采樣方法，[7]也可以在數(shù)據(jù)量比較少的情況下獲得較好的NMR波譜。Hadamard波譜方法運(yùn)用Hadamard矩陣的特性也能在較少的掃描次數(shù)下獲得高質(zhì)量的NMR波譜。[8]最近，F(xiàn)rydman和其合作者提出了一種超快速方法，[9]僅僅只需要掃描一次就可以獲取2D NMR波譜，其原理是用空間編碼方法來(lái)代替?zhèn)鹘y(tǒng)間接維t1時(shí)間變量，同時(shí)采樣期用EPI采樣。

作者曾經(jīng)設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)分子內(nèi)零量子相干超快速高分辨譜序列，[10]該序列可以在很大的不均勻磁場(chǎng)中，花費(fèi)數(shù)秒就能獲取高分辨NMR波譜。本文結(jié)合該序列分析空間編碼技術(shù)特點(diǎn)及其在NMR譜中的應(yīng)用。

2 理論描述

2.1 空間編碼技術(shù)

以色列科學(xué)家Frydman受EPI（回波平面成像）原理的啟發(fā)，設(shè)計(jì)出一種超高效的NMR譜技術(shù)，該技術(shù)將單掃描空間編碼代替?zhèn)鹘y(tǒng)的2D NMR的t1時(shí)間編碼。[9]

圖2 .1 常規(guī)2D NMR和單掃描空間編碼超快速2D NMR原理圖

圖2 .2 離散空間編碼過(guò)程示意圖

超快速單掃描離散空間編碼的核磁共振是利用一系列激發(fā)頻率等量遞增的選擇性脈沖和正負(fù)極性交替變換的梯度場(chǎng)共同作用實(shí)現(xiàn)的，如圖2.2所示。梯度場(chǎng)的作用是使得不同位置的樣品具有不同的拉莫爾頻率，這樣不同的選擇脈沖就會(huì)選擇性激發(fā)不同位置的樣品，其中正的矩形梯度場(chǎng)(+GE)完成選擇性脈沖對(duì)樣品縱向?qū)用孢x擇激發(fā)，而大小相同方向相反的矩形梯度場(chǎng)(-GE)則實(shí)現(xiàn)激發(fā)時(shí)間與樣品空間的線性關(guān)聯(lián)。

圖2 .3 單掃描空間編碼核磁共振的解碼原理

由于采樣過(guò)程中波峰與解碼的梯度無(wú)關(guān)，僅僅受到化學(xué)位移演化的調(diào)制。因?yàn)閠2維采樣是在正負(fù)梯度交替下進(jìn)行的，所以需要先將整個(gè)k-t2數(shù)據(jù)按照正負(fù)采樣梯度分成兩組，分別對(duì)這兩組數(shù)據(jù)進(jìn)行一維傅立葉變換，得到兩張2D NMR譜圖，如圖2.3所示。理論上講，這兩張譜圖含有同樣的NMR信息，因此通過(guò)數(shù)學(xué)處理可以使譜圖的靈敏度提高為原來(lái)的倍。[9]

2.2 分子間零量子相干超快速高分辨1D NMR譜序列

圖2 .4 高分辨譜脈沖序列

序列圖如圖2.4所示，序列采用90°-TE-180°-TE-45°方法，這樣設(shè)計(jì)的好處是當(dāng)TE≈1/4J時(shí)，它能清除所有的非耦合自旋信號(hào)，使得譜圖沒(méi)有強(qiáng)的雜信號(hào)，不足之處是會(huì)損失50%的信號(hào)。內(nèi)有斜箭頭的矩形表示chirp180°絕熱脈沖，tad是絕熱脈沖的持續(xù)時(shí)間，其作用是實(shí)現(xiàn)空間編碼。對(duì)稱梯度GA可以清除磁場(chǎng)不均勻性。梯度GS是用來(lái)選擇我們想要的相干信號(hào)。梯度GE和GD是編解碼梯度。采樣之前的梯度GP是用來(lái)調(diào)整化學(xué)位移處于采樣期tD的中間。破壞梯度GB和GC是用來(lái)清除空間編碼階段的縱向磁化和所有恢復(fù)的縱向弛豫信號(hào)。

3 實(shí)驗(yàn)

所有的實(shí)驗(yàn)均在Varian NMR System 500 MHz NMR譜儀上進(jìn)行，配有有效長(zhǎng)度為1.6cm且有3D梯度線圈的間接檢測(cè)探頭。在傳統(tǒng)的ZQC實(shí)驗(yàn)中，第一個(gè)1/2脈沖、1/4脈沖（如圖所示）和接收機(jī)相位分別為(x,x,-x,-x),(y,-y,y,-y)和(x,-x,x,-x)。在超快速實(shí)驗(yàn)中，第一個(gè)1/2脈沖、1/4脈沖（如圖2.4所示）和接收機(jī)相位分別為(x,x,-x,-x,x,x,-x,-x),(y,-y,y,-y,y,-y,y,-y)and(x,-x,x,-x,x,-x,x,-x)。 梯 度 GB和GC在前四步和后四步中取相反的值以消除所有的在空間編碼期間回復(fù)的弛豫信號(hào)。

為測(cè)試序列的可行性，我們?nèi)藶榈耐ㄟ^(guò)調(diào)偏Z1和X1線圈設(shè)計(jì)不均勻磁場(chǎng)，采用純?nèi)芤喝灞嵋阴?BrCH2bCH2cCOOCH2aCH3d)作為樣品。為方便比較，我們?cè)谕瑯拥膶?shí)驗(yàn)下獲取傳統(tǒng)的ZQC譜。傳統(tǒng)ZQC實(shí)驗(yàn)中的參數(shù)設(shè)置是相同的，d1=2s，nt=256，90°硬脈沖的時(shí)間是9.75μs，

功率是58dB，F(xiàn)1維和F2維的譜寬分別是5000Hz和 4000Hz。TE=35.71ms，GA=2.93G/cm,Gs=13.67G/cm。獲取2D譜的時(shí)間是56分鐘。在超快速ZQC實(shí)驗(yàn)中，d1=5s，TE=35.71 ms。在均勻磁場(chǎng)中，實(shí)驗(yàn)參數(shù)分別是：GA=0G/cm,GS=9.76G/cm,GB=38.5G/cm,GP=19.35 G/cm,tP=0.15ms,GE=23.25G/cm and GD=39.36 G/cm.WURST絕熱脈沖的掃頻寬度為200kHZ，持續(xù)時(shí)間是30ms，np1=900，其中np1是時(shí)間tD的采樣點(diǎn)數(shù)，ND=200。在通過(guò)調(diào)整Z1線圈產(chǎn)生2000Hz的不均勻磁場(chǎng)中，實(shí)驗(yàn)參數(shù)分別是：GA=9.80G/cm，GS=27.38G/cm，GB=13.43G/cm，GC=3.75G/cm，GP=19.45G/cm，tP=0.20ms，GE=23.65G/cm和GD=39.00G/cm。絕熱脈沖的掃頻寬度是200kHz，持續(xù)時(shí)間是30ms。np1=700，ND=200。在通過(guò)調(diào)整X1線圈產(chǎn)生1000Hz的不均勻磁場(chǎng)中，實(shí)驗(yàn)參數(shù)分別是：GA=GB=GC=0G/cm，GS=29.30G/cm，GP=9.78G/cm，tP=0.30 ms，GE=23.65G/cm 和 GD=39.00G/cm。 絕 熱脈沖的掃頻寬度是160kHz，持續(xù)時(shí)間是20ms。np1 =500，ND=130。采集2D譜的時(shí)間是44s。

所有采樣到的時(shí)域數(shù)據(jù)首先按采樣梯度場(chǎng)+GD和-GD分成獨(dú)立的兩組，我們這里只使用+GD采樣梯度場(chǎng)中獲得的數(shù)據(jù)。所有的數(shù)據(jù)處理借助于MATLAB2010。

4 結(jié)果與討論

從譜圖分析，直接維（F2）信息為核的Larmor頻率信息，而間接維（F1）信息為耦合自旋的化學(xué)位移差。在均勻磁場(chǎng)下，傳統(tǒng)一維高分辨1H譜的線寬為3Hz（如圖2.5A），常規(guī)2D ZQC波譜沿著F1維投影的一維高分辨譜的平均線寬為5Hz（如圖2.5B），超快速2D ZQC波譜沿著F1維投影的一維高分辨譜的不均線寬為20Hz（如圖2.5C）。這表明空間編碼方法在均勻磁場(chǎng)下無(wú)法獲得傳統(tǒng)的一維H譜那么高的分辨率。類似地，在不均勻磁場(chǎng)下（如圖2.5D和2.5G），沿著F1維投影的一維譜的線寬分別為45Hz（如圖2.5E）、15Hz（如圖2.5H）、23Hz（如圖2.5F）和 22Hz（如圖2.5I）。這些結(jié)果充分表明耦合核的化學(xué)位移差可以在不均勻磁場(chǎng)下獲取高分辨信息。實(shí)驗(yàn)中，可以通過(guò)增大GE，GD，tD和tad的值或者減少Δωad的值來(lái)進(jìn)一步提高分辨率。由于F2維無(wú)法提供有用的信息，為進(jìn)一步提高F1維的分辨率，只采集沿著F1維的半譜信息，然后通過(guò)鏡像的方法恢復(fù)出一張完整的譜圖（如圖2.5C，F(xiàn)和I）。

圖2 .5 三溴丙酸乙酯的2D ZQC 1H NMR 譜圖和沿著F1維的1D譜圖

從圖2.5可以看出，該序列獲取的譜信噪比（SNR）很低。這有幾個(gè)方面的原因。除傳統(tǒng)t1噪聲以及產(chǎn)生和檢測(cè)ZQC信號(hào)的效率最多只有SQC信號(hào)的25%外，空間編碼技術(shù)具有低SNR的缺陷，其SNR與成反相關(guān)，而GD由直接維和間接維的譜寬SW1和SW2決定，即GD=這個(gè)關(guān)系同時(shí)表明間接維的譜寬與直接維的譜寬相互制約，所以當(dāng)間接維譜寬很大時(shí)，直接維的譜寬就受到限制了。最后，用來(lái)清除空間編碼階段的縱向磁化和所有恢復(fù)的縱向弛豫信號(hào)的破壞梯度會(huì)進(jìn)一步降低SNR。圖2.5H和2.5I的間接維投影譜的SNR分別為395和115，計(jì)算方法是位于0ppm處的最高峰同-2.5ppm和-1ppm直接噪聲的平方根的比值。

該序列實(shí)驗(yàn)證明，空間編碼方法可以很好地運(yùn)用于快速獲取高分辨NMR譜，顯著減少實(shí)驗(yàn)時(shí)間，良好的抵抗不均勻磁場(chǎng)，但譜圖信噪比很低，而且從譜圖質(zhì)量上看，同樣的樣品在不同不均勻磁場(chǎng)下的峰高比存在較大的差異，這說(shuō)明空間編碼方法進(jìn)行精確量化上還需要進(jìn)一步研究。

5 結(jié)論

本文實(shí)例分析空間編碼技術(shù)特點(diǎn)及其在高分辨NMR譜技術(shù)中的運(yùn)用，通過(guò)基于分子內(nèi)零量子相干超快速高分辨1D NMR譜序列，探討了空間編碼技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)，與傳統(tǒng)的NMR方法相比，空間編碼方法最顯著的優(yōu)點(diǎn)是在非常短的時(shí)間（秒級(jí)）獲得高分辨譜。但是低SNR以及量化上的不精確仍是關(guān)鍵性問(wèn)題，實(shí)驗(yàn)在更高磁場(chǎng)的譜儀、利用低溫探頭或動(dòng)態(tài)核極化技術(shù)能部分解決SNR低的問(wèn)題。