基于分子间多量子相干不均匀场下一维和二维高分辨NMR谱技术及其应用

摘要

高分辨核磁共振谱学技术能够为分子结构和成份分析提供准确的化学位移，J偶合常数以及谱峰积分面积，是生物化学，材料科学以及生命科学研究中一个不可或缺的检测工具。然而高分辨谱往往对磁场均匀性提出了极高的要求，因为磁场不均匀性会引起谱峰相位和频率的变化从而最终导致谱线增宽和信噪比的损失。另外在活体组织样品实验等情况下，样品本征的磁化率差异和生理活动将不可避免地产生磁场的不均匀，并且这种磁场不均匀往往难以通过匀场和锁场等传统方法消除。分子间多量子相干(intermolecularMultiple-Quantum Coherence，iMQC)自1990年被发现以来，便在核磁共振领域引起了广泛的关注，由于其独特的性质在许多方面特别是不均匀场高分辨谱学中得到了广泛的应用。本论文主要内容是基于iMQC信号特性，研究不均匀磁场下一维和二维高分辨核磁共振谱学技术及其在生物组织的应用，主要研究成果有：
　　 一、本论文系统地对双偶极场调制下分子间多量子相干信号特性及其偶极场作用机理进行了定量的研究。通过偶极场理论和积算符公式相结合的分析方法给出了完整理论表达式，给出了相应的计算机模拟并用实验进行验证。这一完整的理论推导，计算机模拟以及实验结果能够很好帮助我们理解双偶极场甚至多偶极场调制的作用机制，对于复杂的化学和生物样品体系中谱的杂峰和伪信号研究具有一定的应用意义。
　　 二、本论文首次将分子间单量子相干应用到不均匀场高分辨谱中，提出了全新的有别于分子间零量子和双量子相干的iMQC高分辨一维谱学技术，IDEAL-Ⅲ脉冲序列。通过在故意调偏的不均匀磁场以及本征宏观磁化率引起的不均匀磁场下进行的实验，能够很好地验证这一序列的可行性和实用性。实验结果表明该序列对于活体in vivo和体外in situ组织样品具有广泛的应用前景。同时，该序列也能够进一步应用于高分辨率的分子间单量子定域谱，与传统的单量子定域谱结果相比具有很好的压制水峰能力和提高谱图分辨率的效果。
　　 三、基于分子间多量子相干和三维采样技术，提出了能够在不均匀场下获得高分辨二维COSY谱的iZQC-COSY序列和高分辨二维J分解谱的iSQC-JRES序列，这两个序列的提出把iMQC高分辨谱应用范围由一维推广到了二维。基于偶极场理论和积算符相结合的分析方法给出了完整的理论表达式。实验结果表明这两个序列能够在消除场不均匀增宽对二维谱的影响并且能够压制强大的水峰信号，能够应用于组织样品定域二维COSY谱以及定域二维J分解谱，为不均匀场下复杂化学和生物样品体系的应用提供了重要工具。由于需要三维采样，因此iZQC-COSY和iSQC-JRES序列的采样效率问题仍然是限制其应用的一个重要因素。一些相关的快速采样方法，如单次扫描技术，折叠校正技术等，或许能够和这两个序列相结合来进一步提高采样效率，相关的研究目前正在进行当中。
　　 四、基于远程偶极相互作用原理和折叠校正采样技术，设计了两个新的能够在不均匀场下快速获得高分辨一维质子去偶谱的脉冲序列，DDF-D1和DDF-D2。这两个序列在一定程度上能够实现互补，DDF-D1适用于小不均匀场到中度不均匀场，DDF-D2可适用于大不均匀场。实验结果和理论分析都证明了所设计方法的可行性和实用性，对于不均匀场下化学和生物材料的研究具有一定的应用意义。