实例分析空间编码技术在高分辨NMR谱技术中的运用

柯 汉 平

（宁德师范学院信息与机电工程学院计算机系，福建 宁德 352100）

1 引言

NMR波谱技术是一种非常重要的非植入、无损伤的检测手段，可以广泛应用于医学、生物、化学等领域，[1]由于其能提供精细的分子级的信息，因此成为一种重要的分子结构分析工具。但是，客观存在的不均匀磁场使得精细的波谱失真，不能较好地得到高分辨的谱图信息，所以，如何在不均匀磁场下获取高分辨波谱是非常有研究价值的课题。

有许多方法被设计出来在不均匀磁场下获取高分辨波谱。例如，运用射频磁场来补偿不均匀磁场的方法来消除不均匀磁场，这个方法存在的问题是必须事先知道不均匀磁场的分布，[2]而且增加了硬件。再例如自旋回波方法，能巧妙地重聚不均匀磁场下的相位累计，获得J耦合信息，因此获得广泛应用，可是这种方法无法获取化学位移信息。还有国内陈忠小组，充分利用iMQC抗不均匀磁场的特殊属性，设计出一系列获取高分辨波谱的方法，如提出了一种基于iZQC的两次扫描快速获取J分解谱的方法，[3]但是由于iMQC属于分子间信号，信号强度比较弱，实际应用中效果不是很理想。美国教授基于ZQC信号在活体上获取了鼠脑的NMR高分辨一维波谱，[4]但是这种方法因为需要二维采样，而传统的间接维演化需要逐步增加t1，且为了获得具有较高分辨率的2D谱需要独立采样数百次，需要较长的时间。

过长的采样时间限制了NMR波谱的应用，如实时反应化学体系等，如何减少采样时间一直是NMR波谱学的重要研究课题。有许多方法被设计出来快速获取 NMR波谱。例如，Schanda 和Brutscher通过优化脉冲翻转角的方法在几秒钟内快速获取HMQC谱。[5]此外一些数学重建方法也被用来构建高分辨波谱，例如投影重建和线性预测方法可以显著减少t1维累加次数；[6]稀疏采样等一些非常规的采样方法，[7]也可以在数据量比较少的情况下获得较好的NMR波谱。Hadamard波谱方法运用Hadamard矩阵的特性也能在较少的扫描次数下获得高质量的NMR波谱。[8]最近，Frydman和其合作者提出了一种超快速方法，[9]仅仅只需要扫描一次就可以获取2D NMR波谱，其原理是用空间编码方法来代替传统间接维t1时间变量，同时采样期用EPI采样。

作者曾经设计开发分子内零量子相干超快速高分辨谱序列，[10]该序列可以在很大的不均匀磁场中，花费数秒就能获取高分辨NMR波谱。本文结合该序列分析空间编码技术特点及其在NMR谱中的应用。

2 理论描述

2.1 空间编码技术

以色列科学家Frydman受EPI（回波平面成像）原理的启发，设计出一种超高效的NMR谱技术，该技术将单扫描空间编码代替传统的2D NMR的t1时间编码。[9]

图2 .1 常规2D NMR和单扫描空间编码超快速2D NMR原理图

图2 .2 离散空间编码过程示意图

超快速单扫描离散空间编码的核磁共振是利用一系列激发频率等量递增的选择性脉冲和正负极性交替变换的梯度场共同作用实现的，如图2.2所示。梯度场的作用是使得不同位置的样品具有不同的拉莫尔频率，这样不同的选择脉冲就会选择性激发不同位置的样品，其中正的矩形梯度场(+GE)完成选择性脉冲对样品纵向层面选择激发，而大小相同方向相反的矩形梯度场(-GE)则实现激发时间与样品空间的线性关联。

图2 .3 单扫描空间编码核磁共振的解码原理

由于采样过程中波峰与解码的梯度无关，仅仅受到化学位移演化的调制。因为t2维采样是在正负梯度交替下进行的，所以需要先将整个k-t2数据按照正负采样梯度分成两组，分别对这两组数据进行一维傅立叶变换，得到两张2D NMR谱图，如图2.3所示。理论上讲，这两张谱图含有同样的NMR信息，因此通过数学处理可以使谱图的灵敏度提高为原来的倍。[9]

2.2 分子间零量子相干超快速高分辨1D NMR谱序列

图2 .4 高分辨谱脉冲序列

序列图如图2.4所示，序列采用90°-TE-180°-TE-45°方法，这样设计的好处是当TE≈1/4J时，它能清除所有的非耦合自旋信号，使得谱图没有强的杂信号，不足之处是会损失50%的信号。内有斜箭头的矩形表示chirp180°绝热脉冲，tad是绝热脉冲的持续时间，其作用是实现空间编码。对称梯度GA可以清除磁场不均匀性。梯度GS是用来选择我们想要的相干信号。梯度GE和GD是编解码梯度。采样之前的梯度GP是用来调整化学位移处于采样期tD的中间。破坏梯度GB和GC是用来清除空间编码阶段的纵向磁化和所有恢复的纵向弛豫信号。

3 实验

所有的实验均在Varian NMR System 500 MHz NMR谱仪上进行，配有有效长度为1.6cm且有3D梯度线圈的间接检测探头。在传统的ZQC实验中，第一个1/2脉冲、1/4脉冲（如图所示）和接收机相位分别为(x,x,-x,-x),(y,-y,y,-y)和(x,-x,x,-x)。在超快速实验中，第一个1/2脉冲、1/4脉冲（如图2.4所示）和接收机相位分别为(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间编码期间回复的弛豫信号。

为测试序列的可行性，我们人为的通过调偏Z1和X1线圈设计不均匀磁场，采用纯溶液三溴丙酸乙酯(BrCH2bCH2cCOOCH2aCH3d)作为样品。为方便比较，我们在同样的实验下获取传统的ZQC谱。传统ZQC实验中的参数设置是相同的，d1=2s，nt=256，90°硬脉冲的时间是9.75µs，

功率是58dB，F1维和F2维的谱宽分别是5000Hz和 4000Hz。TE=35.71ms，GA=2.93G/cm,Gs=13.67G/cm。获取2D谱的时间是56分钟。在超快速ZQC实验中，d1=5s，TE=35.71 ms。在均匀磁场中，实验参数分别是：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绝热脉冲的扫频宽度为200kHZ，持续时间是30ms，np1=900，其中np1是时间tD的采样点数，ND=200。在通过调整Z1线圈产生2000Hz的不均匀磁场中，实验参数分别是：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。绝热脉冲的扫频宽度是200kHz，持续时间是30ms。np1=700，ND=200。在通过调整X1线圈产生1000Hz的不均匀磁场中，实验参数分别是：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。 绝 热脉冲的扫频宽度是160kHz，持续时间是20ms。np1 =500，ND=130。采集2D谱的时间是44s。

所有采样到的时域数据首先按采样梯度场+GD和-GD分成独立的两组，我们这里只使用+GD采样梯度场中获得的数据。所有的数据处理借助于MATLAB2010。

4 结果与讨论

从谱图分析，直接维（F2）信息为核的Larmor频率信息，而间接维（F1）信息为耦合自旋的化学位移差。在均匀磁场下，传统一维高分辨1H谱的线宽为3Hz（如图2.5A），常规2D ZQC波谱沿着F1维投影的一维高分辨谱的平均线宽为5Hz（如图2.5B），超快速2D ZQC波谱沿着F1维投影的一维高分辨谱的不均线宽为20Hz（如图2.5C）。这表明空间编码方法在均匀磁场下无法获得传统的一维H谱那么高的分辨率。类似地，在不均匀磁场下（如图2.5D和2.5G），沿着F1维投影的一维谱的线宽分别为45Hz（如图2.5E）、15Hz（如图2.5H）、23Hz（如图2.5F）和 22Hz（如图2.5I）。这些结果充分表明耦合核的化学位移差可以在不均匀磁场下获取高分辨信息。实验中，可以通过增大GE，GD，tD和tad的值或者减少Δωad的值来进一步提高分辨率。由于F2维无法提供有用的信息，为进一步提高F1维的分辨率，只采集沿着F1维的半谱信息，然后通过镜像的方法恢复出一张完整的谱图（如图2.5C，F和I）。

图2 .5 三溴丙酸乙酯的2D ZQC 1H NMR 谱图和沿着F1维的1D谱图

从图2.5可以看出，该序列获取的谱信噪比（SNR）很低。这有几个方面的原因。除传统t1噪声以及产生和检测ZQC信号的效率最多只有SQC信号的25%外，空间编码技术具有低SNR的缺陷，其SNR与成反相关，而GD由直接维和间接维的谱宽SW1和SW2决定，即GD=这个关系同时表明间接维的谱宽与直接维的谱宽相互制约，所以当间接维谱宽很大时，直接维的谱宽就受到限制了。最后，用来清除空间编码阶段的纵向磁化和所有恢复的纵向弛豫信号的破坏梯度会进一步降低SNR。图2.5H和2.5I的间接维投影谱的SNR分别为395和115，计算方法是位于0ppm处的最高峰同-2.5ppm和-1ppm直接噪声的平方根的比值。

该序列实验证明，空间编码方法可以很好地运用于快速获取高分辨NMR谱，显著减少实验时间，良好的抵抗不均匀磁场，但谱图信噪比很低，而且从谱图质量上看，同样的样品在不同不均匀磁场下的峰高比存在较大的差异，这说明空间编码方法进行精确量化上还需要进一步研究。

5 结论

本文实例分析空间编码技术特点及其在高分辨NMR谱技术中的运用，通过基于分子内零量子相干超快速高分辨1D NMR谱序列，探讨了空间编码技术的优缺点，与传统的NMR方法相比，空间编码方法最显著的优点是在非常短的时间（秒级）获得高分辨谱。但是低SNR以及量化上的不精确仍是关键性问题，实验在更高磁场的谱仪、利用低温探头或动态核极化技术能部分解决SNR低的问题。