超快速二维和多维高分辨核磁共振波谱新技术及其应用

高分辨多维核磁共振(NMR)谱可直观地揭示核自旋之间化学键的连接及空间距离等重要信息。然而，其实验时间随着维度的增加而急剧延长，从而其应用领域受到严重限制。本课题旨在建立一套基于超快速采样技术的高分辨多维NMR新方法。拟在我们已达到国际水平的研究基础上开展如下三方面的研究：(1)基于对单扫描空间编码、Hadamard编码、分子间多量子相干技术以及谱图重建等物理机理深刻理解的基础上，通过理论表述、计算机模拟和实验验证的综合运用，研究影响高快速多维高分辨NMR谱的采集时间、谱图分辨率以及信噪比的主要内在因素和外在条件。(2)建立和发展既适用于常规液态样品在匀场良好的情况，也适用于因环境或样品磁化率差异引起的磁场不均匀情况的超快速高分辨多维NMR谱方法。(3)将所建立的方法应用于典型化学反应和生物组织等实际体系的化学组成、分子结构以及动力学过程的研究，促进NMR技术更深层次和更广泛的应用。

二维及多维核磁共振（NMR）波谱可将核自旋体系的谱学信息从单一轴扩展到二维平面甚至多维空间，不仅实现复杂谱图峰的分离，而且可直观地揭示核自旋之间化学键的连接及空间距离等重要信息。然而多维NMR谱的实验时间随着维度的增加而急剧增加，严重限制了其应用。此外，磁场不均匀对谱图分辨率的影响也是多维NMR在实际应用中必须克服的重要问题。针对这些问题，本课题开展基于超快速采样技术的高分辨多维NMR新方法的研究。在本项目的支持下，我们通过理论表述、计算机模拟和实验验证的综合运用，系统研究了影响快速多维高分辨NMR的采集时间、谱图分辨率以及信噪比的主要内在因素和外在条件。在采样时间方面，我们利用单扫描空间编码方法改变传统的多次串行采样为一次并行采样，辅以Hadamard编码的多色脉冲实现多通道激发，以实现超快速获得多维NMR谱。在谱图分辨率方面，利用分子间多量子相干信号的特性，实现不均匀磁场下的高分辨多维NMR谱。在信噪比方面，利用压缩传感和小波降噪等信号处理方法解决分子间多量子相干超快速采样过程中信噪比较低的问题。本课题建立和发展了一套超快速高分辨多维NMR谱方法，并开发了相应的信号处理算法和软件。这些方法既适用于常规液态样品在匀场良好的情况，也适用于因环境或样品磁化率差异引起磁场不均匀的情况。。我们将所建立的方法应用于一些典型化学反应体系的化学组成、分子结构以及动力学过程的研究，也将其应用到活体组织定域谱和成像的研究。本项目的研究率先在国际上实现在不均匀磁场下快速获得高分辨多维NMR谱，从理论上解决了一些重要的科学问题，得到国际同行的重视和肯定。这些工作不仅提升了我们在国际学术界的影响力，而且进一步促进NMR技术更深层次和更广泛的应用。.在本基金项目的资助下，我们已发表的论文中有37篇为SCI收录(含国际科研专著的1个专章)，另有2篇论文已被SCI源刊物接受；应邀为国际磁共振专著Annual Reports on NMR Spectroscopy撰写了1个专章（2013），为国际最权威磁共振刊物Progress in Nuclear Magnetic Resonance Spectroscopy撰写了长篇综述（2015）；相关研究成果还获得3项中国发明专利的授权；3位研究生获得博士学位，1位研究生获得硕士学位。本项目的研究成果超过了预期的研究目标。