基于PSYCHE多级对称化HR-TOCSY核磁检测方法及装置

本发明属于液态核磁共振（nmr）波谱分析，具体涉及一种三维脉冲序列结合多级几何对称化后处理的高分辨同核全相关谱检测方法及核磁检测装置；适用于有机小分子、甾体、多肽、天然产物等氢谱峰严重重叠的复杂样品分子结构解析、分子间相互作用表征与化学反应机理分析。

背景技术：

1、二维核磁共振（2d nmr）脉冲序列通过调控混合期时序，可使交叉峰承载不同分子自旋偶合信息，通过解析二维谱交叉峰能够获取化合物分子骨架、分子间弱相互作用、化学反应路径等关键信息，是连接微观分子结构与宏观理化性质的核心表征手段。传统二维全相关谱（tocsy）可采集化学键传递的长程同核偶合关联，相比cosy仅能观测邻位直接偶合，tocsy可完整解析连续化学键构成的自旋偶合网络，在有机、医药、生物样品结构鉴定中应用广泛。

2、为解决常规tocsy谱峰裂分重叠问题，纯化学位移（pure shift）核磁技术被逐步开发，其中foroozandeh等人于2014年在《journal of the american chemical society》（j. am. chem. soc. 2014, 136, 1189411897）公开了主流双维纯化学位移tocsy方案（psyche-ztocsy），该方案在间接维

t1嵌入psyche模块实现

f1维同核去偶，再依托协方差数学后处理消除直接维

f2的

j偶合裂分，理论上可在两个维度得到单峰高分辨谱图，配套dipsi2自旋锁定单元实现长程偶合传递，可兼容500mhz商用液态核磁谱仪，也常以小分子、甾体化合物作为标准测试样品，同时采用tppi正交检测模式完成

t1维数据采集。现有技术虽实现基础双维去偶效果，但仍存在三类难以克服的固有缺陷：

3、1、常规tocsy天然存在谱峰重叠、分辨率大幅衰减问题：同核核磁共振体系中原子核标量

j偶合会在两个维度同时产生多重裂分；对于偶合位点多、结构复杂的样品，多重裂分直接造成谱峰展宽、拥挤重叠，大幅降低谱图分辨率与信噪比。该问题在tocsy谱中尤为突出，tocsy长程偶合会生成大量交叉峰，进一步加剧谱峰拥挤，极大阻碍谱峰指认与结构解析，甾体、多肽等氢信号密集的生物样品中该缺陷会被显著放大。

4、2、协方差型psyche-ztocsy存在伪峰干扰缺陷：psyche结合协方差双维去偶方案依靠谱峰强度相关性消除直接维

j裂分，理想条件下可将多重峰压缩为单峰，但实际检测存在不可规避的缺陷：（1）直接维残留

j偶合裂分会改变谱峰真实强度，破坏协方差相关性判断，生成大量无偶合关联的伪峰；一维氢谱峰重叠样品中伪峰问题会急剧恶化；（2）对于四重峰等偶数重裂分体系，多重峰中心信号强度极低，协方差计算时中心信号相关性弱，裂分残留信号强度与中心真实峰接近，极易将伪峰误判为真实偶合交叉峰；（3）甾体等复杂生物样品氢谱密集重叠区域，协方差伪峰大量堆叠，完全无法区分真实偶合信号，极易造成分子骨架、偶合网络的误判，现有后续研究也证实协方差数学处理在低信噪比、多重裂分体系下假阳性信号无法彻底抑制；且现有辅助手段仅采用单级对称化辅助降噪，无法从根源消除偶数重裂分带来的伪峰基底。

5、3、现有纯化学位移tocsy方案普遍存在灵敏度损耗大、检测耗时久的短板：若仅依靠多层级psyche脉冲模块叠加实现双维去偶，会多次重聚自旋磁化矢量，带来极大信号灵敏度损失，难以应用于低浓度生物、天然产物样品；而常规三维纯化学位移tocsy方案无采样加速策略，间接维

t1采样点数巨大，完整采集一套三维谱图耗时可达数小时，检测效率极低。虽现有研究提出sps（sine-weighted poisson-gap sampling，正弦加权泊松间隙采样）非均匀采样、ist-d压缩感知重建等加速算法，但尚未将其与三维psyche-tocsy脉冲序列一体化配套，无法兼顾采样速度与谱图保真度。

6、纵观液态核磁共振纯化学位移检测技术的发展脉络，本领域已形成两套原理相互独立的基础技术体系，并由此衍生出双维纯化学位移tocsy领域通行的标准化研发路径。现有技术的客观局限及行业固有改进路径约束如下：

7、第一类为后置几何去偶技术，以二维

j分解谱为典型实现形式，其核心在于通过变长自旋回波模块采集偶合信息，该模块在回波过程中重聚化学位移演化，仅保留

j偶合调制，随后借助离线45°旋转与轴对称数值运算剥离

j裂分。该类方案的优点在于仅需通用脉冲序列，无需对射频及梯度时序进行定制改造。然而，变长自旋回波的化学位移重聚特性决定了其无法直接引入tocsy的某一维度：若将其置于直接维或间接维，该维度的化学位移信息将被消除，交叉峰因此无法出现，从而无法反映自旋间的偶合关联信息。即便尝试通过增加维度（

f2）的方式将化学位移与

j偶合信息分离编码，亦需配套专属数据重构与非均匀采样协同体系。目前公开文献及专利中尚未见该完整一体化适配方案的落地记载，本领域尚未形成将变长自旋回波模块用于tocsy直接维去偶的成熟改进思路。

8、第二类为脉冲主动重聚去偶体系，以psyche、zs脉冲序列为代表，其通过定制射频脉冲实现原位

j偶合重聚。该类方案客观上存在灵敏度衰减问题：无论将psyche类脉冲设置于间接维还是直接维，若在两个维度分别设置两套同类去偶脉冲，都将在磁化矢量多次重聚过程中产生信号过度衰减，难以满足样品有效检测的信噪比要求。基于上述信号衰减规律，本领域形成如下设计共识：仅可在单一维度布置psyche类脉冲实现单维纯化学位移去偶，不宜在两个维度同时叠加同类主动去偶脉冲。

9、受上述两类基础技术的客观性能局限及行业设计共识的双重约束，目前公开文献与专利中仅记载了一条成熟的双维纯化学位移tocsy标准化改进路径：即在单一维度布置psyche/zs主动去偶脉冲，并辅以协方差数值运算完成另一维度的去偶。无论将psyche模块设置于

f1间接维还是

f2直接维，现有技术均统一配套协方差算法消除剩余维度的

j裂分。基于此，本领域技术人员容易形成相对固定的改进思路，即认为tocsy第二维度仅能依靠协方差算法实现去偶，尚未形成放弃协方差、转而采用后置几何对称化替代去偶的改进方向。

10、综上，现有公开技术（例如psyche-ztocsy、常规三维纯化学位移tocsy、单级对称化后处理、独立压缩感知加速算法）均无法同时兼顾高分辨率、无伪峰、高检测效率三大核心需求，暂未出现可适配小分子、甾体、多肽等全类型重叠样品的一体化双维去偶tocsy完整解决方案。因此亟需开发一种新型hr-tocsy检测方法，克服协方差后处理带来的伪峰缺陷，适配各类复杂化学、生物样品的高精度结构分析。

技术实现思路

1、在下文中给出了关于本发明实施例的简要概述，以便提供关于本发明的某些方面的基本理解。应当理解，以下概述并不是关于本发明的穷举性概述。它并不是意图确定本发明的关键或重要部分，也不是意图限定本发明的范围。其目的仅仅是以简化的形式给出某些概念，以此作为稍后论述的更详细描述的前序。

2、针对现有技术协方差型二维纯化学位移tocsy存在偶数重裂分伪峰、复杂重叠谱区解析困难等缺陷，同时弥补现有技术加速算法、对称化处理无法与三维核磁序列配套的空白，本发明通过创新三维脉冲序列设计与配套四级标准化数据后处理流程，采用两级递进对称化彻底消除

j偶合裂分、规避伪峰；同时引入sps非均匀采样结合ist-d压缩感知一体化加速策略，实现复杂重叠样品无伪峰、高分辨全偶合关联检测。

3、根据本技术的一个方面，提供一种基于psyche多级对称化hr-tocsy核磁检测方法及装置，包含hr-tocsy三维脉冲序列采集步骤与四级标准化数据后处理步骤两大核心部分，具体如下：

4、所述hr-tocsy三维脉冲序列分为三段核心功能模块：内嵌

t1演化期的psyche纯化学位移去偶模块、带可开关z滤波单元的自旋锁定混合模块、采样前置变长自旋回波模块，整套序列相干选择路径为0→±1→±1→0→±1→0→+1→-1，配套梯度、相位、脉冲时序参数统一配置；所述采集步骤依次包括：

5、s1、自旋激发后通过psyche单元完成

f1维同核

j偶合重聚去偶演化；

t1维采用tppi（time proportional phase increment，时间比例相位增量）正交检测结合sps非均匀采样，记录该演化期信号；

6、s2、采用dipsi2自旋锁定实现长程偶合关联编码，z滤波单元滤除无效杂相干；

7、s3、经变长自旋回波编码生成独立承载

j偶合信息的

f2维度，

f3为直接检测维；输出

t1-

t2-

t3三维时域数据矩阵；

8、所述四级后处理步骤依次执行、不可调换，全程不采用协方差去偶算法：

9、步骤(i)对

t1维tppi采样数据做正交重构；

10、步骤(ii)采用ist-d迭代软阈值算法重建

t1维欠采样数据；

11、步骤(iii)对

f2-

f3平面执行坐标旋转剪切，以

f2=0hz横轴做对称化预处理，以保留多重峰中心信号；

12、步骤(iv)对

f1-

f3二维投影谱沿对角轴线做二次对称化，输出双维纯化学位移去偶、无伪峰hr-tocsy二维谱。

13、现有二维psyche-tocsy采用单维去偶结合协方差后处理，本方法基于psyche纯化学位移模块实现

f1维去偶，搭配自旋锁定完成长程偶合关联采集。其中采集步骤的s1依托psyche纯化学位移去偶模块完成

f1维去偶演化；s2依托带z滤波单元的自旋锁定混合模块实现长程偶合编码与杂相干滤除；s3依托采样前置变长自旋回波模块生成独立

f2偶合维度并完成三维数据采集。

14、进一步地，所述psyche单元包含非选择性

π脉冲、一对反向扫频小翻转角脉冲、空间编码梯度与相干选择梯度，所述小翻转角

β=20°；脉冲相位、接收相位采用固定配置：

φ1=

x,-

x；

φ2=

φ4=

φ5=

φ6=

φ7=

φ8=

x；

φ3=

x,

x,

y,

y,-

x,-

x,-

y,-

y；接收相位

φrec=-

x,

x,

x,-

x,-

x,

x,

x,-

x。

15、进一步地，适配500mhz液态核磁谱仪的梯度参数为：

g1=8.45g/cm，

g2=14.08g/cm，

g3=0.94g/cm，

g5=6.57g/cm，

g7=4.69g/cm，

g8=9.16g/cm；梯度持续时间：

gt1=

gt2=2.5ms，

gt5=

gt7=

gt8=1.5ms。

16、所述z滤波单元为可选模块，根据样品信噪比需求开启或关闭。

17、进一步地，所述坐标旋转剪切为45°旋转剪切；步骤(iii)、步骤(iv)的对称化处理均采用同一信号赋值规则：对比对称坐标两点信号强度，将较小幅值同步赋值至两个对称坐标点位。

18、进一步地，步骤(ii)ist-d迭代软阈值算法重建流程为：①输入原始fid信号，一维傅里叶变换提取全局最大强度作为初始输出谱x；②逆傅里叶变换回时域，按照sps采样模板对未采样

t1点位置零；③原始fid与置零后fid做差值，差值信号傅里叶变换更新频谱；④循环迭代至信号收敛，输出完整高分辨

t1频谱；所述sps非均匀采样采样率为25%。

19、进一步地，适用于有机小分子、甾体化合物、多肽、天然产物中氢谱峰重叠样品的分子结构解析、分子间相互作用与化学反应机理表征。

20、进一步地，配套四级数据后处理程序基于matlab平台编写，脉冲序列参数适配商用液态核磁共振谱仪，无需改造核磁硬件设备即可直接使用。

21、根据本技术的第二方面，提供一种基于psyche多级对称化hr-tocsy核磁检测装置，包括液态核磁谱仪主机、脉冲序列控制模块、梯度发生模块、信号采集模块、数据处理终端；

22、所述脉冲序列控制模块用于加载并输出三段式hr-tocsy三维脉冲序列，序列包含psyche去偶子单元、可切换z滤波子单元、dipsi2自旋锁定子单元、变长自旋回波编码子单元，配置专属相干选择路径：0→±1→±1→0→±1→0→+1→-1；

23、所述梯度发生模块输出包含一组匹配psyche序列的空间编码梯度与多组相干选择梯度；

24、所述信号采集模块配置tppi正交检测通道，搭载sps非均匀采样控制单元，采集输出

t1-

t2-

t3三维时域原始数据；

25、所述数据处理终端内置matlab处理程序，依次执行tppi正交重构、ist-d压缩感知重建、

f2-

f3平面对称化预处理、

f1-

f3对角线二次对称化四级运算，输出无伪峰双维去偶hr-tocsy二维谱。

26、进一步地，所述脉冲序列控制模块输出的psyche子单元翻转角

β=20°，内置预设固定脉冲相位与接收相位参数；所述梯度发生模块存储500mhz谱仪标准梯度幅值与持续时间参数。

27、进一步地，所述数据处理终端内置ist-d迭代重建算法模块与两级对称化运算模块；所述两级对称化运算模块执行对称点低值同步赋值规则，支持

f2-

f3平面45°旋转剪切预处理。

28、进一步地，所述核磁谱仪主机为500mhz商用液态核磁共振谱仪，配备¹h/¹³c双探头、z轴梯度系统，无需硬件改造即可匹配所述脉冲序列控制模块。

29、与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

30、1、本发明摒弃现有psyche-ztocsy依赖的协方差强度匹配算法，采用三维序列自旋回波预编码结合两级递进对称化处理，先通过

f2-

f3平面45°旋转剪切预处理锁定多重峰中心高强度信号，再经过

f1-

f3对角线二次对称完成全局去偶，对三重峰、四重峰等奇数、偶数重

j裂分体系均适配；在甾体类氢信号密集重叠区域不会生成杂散伪峰，能够精准区分真实长程偶合交叉峰，杜绝分子骨架、偶合网络误判问题。

31、2、实现无协方差参与的真正双维纯化学位移去偶，谱图分辨率显著提升：

f1维依靠内嵌

t1演化期的psyche模块重聚同核

j偶合裂分，

f3维度依靠两级递进对称化彻底消除残余裂分，全部自旋多重峰均可压缩为尖锐单峰，极大减少谱峰占用平面空间，从根源解决小分子、多肽、天然产物复杂样品谱峰拥挤重叠难题。

32、3、

t1维配套25%采样率sps非均匀采样结合ist-d迭代软阈值压缩感知重建，在不损失分辨率的前提下大幅减少间接维采样点数；本发明仅在

t1维引入psyche磁化矢量损耗，相比在两个维度依次执行psyche脉冲的双序列纯化学位移方案，自旋信号双重衰减问题被规避，信号信噪比提升明显，适配低浓度生物、药物样品。

33、本发明的方案可用于简单有机小分子、多环手性甾体、多肽、天然产物等各类氢谱重叠样品，完整获取全区间长程同核偶合关联网络，为化学、生物医药领域分子结构解析提供标准化检测方案，具有很好的实用性。此外，本发明兼容性强，适配主流商用核磁设备脉冲序列梯度、脉冲时序、相位参数适配500mhz商用液态核磁共振谱仪，配套数据处理程序基于通用matlab平台编写，无需改造核磁硬件，易于行业推广应用。