李 毅，辛家祥，王嘉琛，魏達(dá)秀，姚葉鋒

上海市磁共振重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，物理與電子科學(xué)學(xué)院，華東師范大學(xué)，上海 200062

引 言

核磁共振（NMR）技術(shù)主要包括NMR波譜和磁共振成像（MRI），其作為一種有效的檢測手段，在石油探測[1]、食品分析[2,3]、藥品鑒定[4]、醫(yī)療診斷[5,6]等不同領(lǐng)域都具有廣泛的應(yīng)用.NMR波譜是分子中原子核自旋能級(jí)的躍遷產(chǎn)生的吸收光譜，是分析物質(zhì)微觀化學(xué)結(jié)構(gòu)、構(gòu)象和弛豫現(xiàn)象的有效手段之一.在弛豫現(xiàn)象發(fā)生的過程中，磁化矢量逐漸由非平衡態(tài)恢復(fù)到外磁場作用下的熱平衡狀態(tài)，同時(shí)發(fā)生著自旋-晶格弛豫（T1）和自旋-自旋弛豫（T2）[7].T1主要由核自旋和晶格間發(fā)生能量交換的方式來決定.液體體系中，在外加磁場作用下的核自旋，其T1往往遠(yuǎn)大于T2.在實(shí)驗(yàn)操作過程中，為保證施加射頻脈沖期間，目標(biāo)原子核自旋狀態(tài)不受T2弛豫影響，因此，實(shí)際施加脈沖的時(shí)間應(yīng)遠(yuǎn)小于目標(biāo)原子核自旋的T1時(shí)間.基于這一原因，對(duì)于某些弛豫時(shí)間很短的核自旋體系，NMR技術(shù)的應(yīng)用往往存在著一定的局限性.

長壽命核自旋單重態(tài)[8]作為一種特殊的量子態(tài)，由于具有自旋對(duì)稱性，不受偶極-偶極相互作用的影響，因此通常具有較長的弛豫時(shí)間[9,10].一般情況下，分子結(jié)構(gòu)中某一位點(diǎn)核自旋單重態(tài)的壽命（Ts）會(huì)明顯長于其T1.基于這一特性，核自旋單重態(tài)能有效解決一些研究對(duì)象因常規(guī)弛豫時(shí)間過短而難以進(jìn)行NMR觀測的問題，因而在磁共振檢測領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用價(jià)值和廣闊的應(yīng)用前景[8].自被發(fā)現(xiàn)以來，國內(nèi)外許多研究者對(duì)于核自旋單重態(tài)這一特殊狀態(tài)及相關(guān)應(yīng)用開展了一系列研究[11]，多項(xiàng)研究表明其存在于多種二自旋[12]和多自旋體系[13]的分子中.早期研究[12,14]顯示，分子內(nèi)含有的核自旋數(shù)量越多，核自旋單重態(tài)產(chǎn)生的條件就越苛刻，同時(shí)實(shí)驗(yàn)上制備單重態(tài)的難度也更高.而分子結(jié)構(gòu)中孤立耦合體系的單重態(tài)制備效率高于非孤立體系[15,16].目前，1H、13C和15N核是長壽命核自旋單重態(tài)研究中最常見的三種研究對(duì)象.在合適的物理?xiàng)l件下，通過設(shè)計(jì)脈沖序列，1H核的核自旋單重態(tài)的Ts相比T1，可提高數(shù)十倍，達(dá)到約10 min[17]；15N核的核自旋單重態(tài)的Ts能達(dá)到25 min以上[14]；而13C核的核自旋單重態(tài)的Ts能夠超過1 h[12].除Ts較長外，核自旋單重態(tài)也不受梯度場脈沖的影響[12]，因此在混合體系成分分析[18]、分子運(yùn)動(dòng)[19]、MRI[20]等領(lǐng)域都具有巨大的應(yīng)用潛力.但是目前，對(duì)于不同分子單重態(tài)的制備與研究，仍處于初步的認(rèn)知階段.

單重態(tài)的制備受到多種因素的影響，包括自旋體系內(nèi)相關(guān)原子的J耦合值、化學(xué)位移、制備的脈沖序列等.其中，脈沖序列的影響非常重要.基于不同脈沖的作用原理，在相似自旋體系內(nèi)實(shí)現(xiàn)單重態(tài)的制備可以采取不同的脈沖序列組合.SLIC脈沖[9]常用于制備強(qiáng)耦合二自旋體系的單重態(tài)，本課題組在以往的研究[21]中利用SLIC脈沖成功制備了二自旋體系的單重態(tài)；M2S脈沖可用于制備同核二自旋系統(tǒng)，例如甘氨酸（Gly）中二自旋體系的單重態(tài)[9]；本文作者所在課題組利用了基于不同原理的優(yōu)化脈沖序列（OC）[22]，在多種自旋體系內(nèi)成功獲得了1H核的單重態(tài)；絕熱通道自旋順序轉(zhuǎn)換（APSOC）脈沖[23]可用于制備雙自旋強(qiáng)耦合體系和弱耦合體系的單重態(tài)，并且制備效率較高，但是該脈沖為雙通道實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)過程復(fù)雜，并且脈沖施加時(shí)間長；另外，還有一些脈沖序列可用于二自旋[11]或多自旋[24]的弱耦合體系的單重態(tài)制備.但是目前，對(duì)于脈沖序列影響單重態(tài)制備的規(guī)律，及其與其他因素之間的關(guān)系尚缺乏明晰統(tǒng)一的認(rèn)識(shí)，而正確認(rèn)識(shí)這些規(guī)律和關(guān)系，對(duì)進(jìn)一步理解核自旋單重態(tài)的內(nèi)在機(jī)理、拓展其應(yīng)用領(lǐng)域，具有至關(guān)重要的意義.

本文以三肽分子 AGG（Ala-Gly-Gly）的氘水溶液為研究對(duì)象，針對(duì)其中一組核自旋體系，首先分別使用SLIC、M2S和OC三種脈沖序列，制備了體系內(nèi)兩個(gè)1H核的核自旋單重態(tài)；然后測定了其Ts，并比較了三組脈沖制備核自旋單重態(tài)的效率；最后，我們進(jìn)一步探究了脈沖序列影響1H核自旋單重態(tài)制備效率的機(jī)理.

1 理論部分

AGG分子中包含Hb、Hb'和Hc、Hc'兩組二自旋體系（圖1）.經(jīng)理論計(jì)算，這兩組自旋體系中的1H核，均可在一定條件下成功制備核自旋單重態(tài).本文以Hc、Hc'二自旋體系為研究對(duì)象，分別將SLIC、M2S和OC三種脈沖序列用于制備核自旋單重態(tài)，并通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了其可行性.

圖1 AGG在氘水溶液中的分子結(jié)構(gòu)Fig.1 The molecular structure of AGG in the deuterium water

1.1 制備選定體系核自旋單重態(tài)的三組脈沖序列

圖2所示是制備AGG分子中選定二自旋體系的核自旋單重態(tài)的三種脈沖序列.

圖2 針對(duì)AGG中的二自旋Hc、Hc'制備單重態(tài)的(a) SLIC脈沖序列[9]；(b) M2S脈沖序列[9]；(c) OC脈沖序列[22]，優(yōu)化脈沖的相位也繪制在脈沖序列方案下方Fig. 2 Pulse sequences of (a) SLIC[9], (b) M2S[9], and (c) OC pulse sequence[22] used for preparing nuclear singlet states in two spin systems of selected Hc, Hc' in AGG. The phase of optimal control pulse sequence is also plotted below the pulse sequence scheme

SLIC脈沖常用于制備強(qiáng)耦合二自旋體系的單重態(tài)，完整的脈沖施加過程圖2(a)所示：先在y方向上施加一個(gè)90°的硬脈沖；然后在x方向上施加時(shí)間為τSL的自旋鎖定，其覆蓋的功率范圍為二自旋體系的J耦合大??；然后施加梯度場g1，經(jīng)過較長時(shí)間的連續(xù)波（cw）脈沖去耦后，再次施加梯度場g2；最后再經(jīng)過一次x方向的自旋鎖定后，對(duì)信號(hào)進(jìn)行采樣檢測.

M2S技術(shù)可用于研究同核二自旋系統(tǒng)和近等效異核系統(tǒng)，這種技術(shù)基于緩慢切換自旋鎖定激發(fā)場來實(shí)現(xiàn)橫向磁化強(qiáng)度和單重態(tài)之間互相高效地轉(zhuǎn)化.M2S序列能夠?qū)⒋呕瘡?qiáng)度轉(zhuǎn)化為單重態(tài)，而S2M序列則能夠?qū)沃貞B(tài)轉(zhuǎn)化為可觀測的橫向磁化強(qiáng)度.基于M2S技術(shù)的脈沖序列的完整施加過程如圖2(b)所示：先施加一組M2S組合脈沖，然后施加梯度場g1，經(jīng)過較長時(shí)間的cw去耦后，經(jīng)過梯度場g2，再施加一組S2M組合脈沖后，最后對(duì)信號(hào)進(jìn)行采樣檢測.M2S模塊形式為：先在y方向上施加一個(gè)90°硬脈沖，隨后施加n1個(gè)180°脈沖，然后在x方向上施加一個(gè)90°硬脈沖；經(jīng)τe/2時(shí)間后，再施加n2個(gè)180°脈沖.以相反的時(shí)間順序運(yùn)行M2S序列，就可以獲得S2M序列.

我們的計(jì)算表明，利用OC脈沖也可以實(shí)現(xiàn)對(duì)AGG分子內(nèi)Hc、Hc'二自旋體系的單重態(tài)制備.優(yōu)化控制的脈沖施加過程如圖2(c)所示：先施加一組OC脈沖，然后經(jīng)過梯度場g1，經(jīng)過較長時(shí)間的cw去耦脈沖作用后，經(jīng)過梯度場g2，再施加與之前相同的OC脈沖后，最后對(duì)信號(hào)進(jìn)行采集.OC脈沖技術(shù)的基本原理是基于數(shù)值計(jì)算的GRAPE方法[22]，其主要思路是：將整個(gè)脈沖分成若干個(gè)小脈沖片段，通過不斷改變各個(gè)小脈沖的幅度和相位，不斷提高初始態(tài)轉(zhuǎn)移到目標(biāo)態(tài)的轉(zhuǎn)移效率.考慮一個(gè)自旋量子為1/2的二自旋耦合體系，其哈密頓量可以表示為：

這里Hint(t)為自旋體系的內(nèi)部哈密頓量，Hrf(t)代表射頻脈沖的作用，在時(shí)刻為tN時(shí)，自旋體系的密度算符能夠從最初的初始態(tài)ρ(0)演化為中間態(tài)：

自旋體系內(nèi)相關(guān)核自旋的相互作用、樣品的狀態(tài)以及射頻脈沖的不均勻性等因素都能被考慮到脈沖序列的優(yōu)化過程中.目前，GRAPE優(yōu)化算法[22]已經(jīng)在SIMPSON核磁共振模擬軟件中實(shí)現(xiàn)[25].在利用SIMPSON模擬程序計(jì)算OC脈沖時(shí)，我們?cè)O(shè)定整個(gè)OC脈沖的寬度為220 ms，將脈沖的功率固定為100 Hz，但是脈沖的相位在不斷的變化.整個(gè)OC脈沖被分成了1 100個(gè)小脈沖，該組脈沖的作用是將熱平衡態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槟繕?biāo)態(tài)計(jì)算得到的OC脈沖的相位隨時(shí)間變化圖繪制于脈沖序列下方[圖2(c)].

根據(jù)以上三種脈沖的形式可知：M2S主要包含多個(gè)延時(shí)與180°硬脈沖組成的片段，這些片段的個(gè)數(shù)以及每個(gè)片段內(nèi)的延時(shí)需要進(jìn)行優(yōu)化；SLIC脈沖主要包含一個(gè)低功率的自旋鎖定脈沖，其鎖定的時(shí)間決定了脈沖的轉(zhuǎn)化效率；而OC脈沖并沒有固定的形式，其單個(gè)脈沖單元的幅度和相位都是可變的.

1.2 使用三組脈沖序列制備核自旋單重態(tài)效率的理論模擬

在分別施加三種核自旋單重態(tài)制備脈沖之前，當(dāng)待測樣品置于磁場中時(shí)，AGG分子中選定的二自旋體系Hc、Hc'處于熱平衡狀態(tài)：

理論上轉(zhuǎn)變?yōu)榈哪繕?biāo)態(tài)為：

在實(shí)際SLIC脈沖的作用下，經(jīng)過一系列演化后，體系的狀態(tài)最終變?yōu)椋?/p>

在用MATLAB進(jìn)行理論模擬時(shí)，我們先將SLIC脈沖用MATLAB軟件構(gòu)造出來，以劉維爾方程的形式逐漸施加到熱平衡態(tài)上，熱平衡態(tài)在哈密頓量和脈沖的作用下進(jìn)行演化，可以得到體系最終狀態(tài)的算符，將和目標(biāo)狀態(tài)的算符相乘求跡即可得到末態(tài)在目標(biāo)態(tài)上的投影.不斷改變SLIC脈沖中自旋鎖定部分的時(shí)間τSL（0~200 ms），重復(fù)上述模擬操作，獲得求跡結(jié)果與施加時(shí)間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，并對(duì)其進(jìn)行歸一化，即可以得到通過理論模擬獲得的SLIC脈沖轉(zhuǎn)化效率隨τSL變化的方程：

模擬計(jì)算結(jié)果如圖3(a)所示，當(dāng)SLIC脈沖中自旋鎖定部分的時(shí)間τSL為126 ms時(shí)，單重態(tài)的理論轉(zhuǎn)化效率達(dá)到最大，為64.57%.

在實(shí)際M2S脈沖的作用下，AGG分子中的二自旋體系經(jīng)過相應(yīng)演化后，體系的最終狀態(tài)變?yōu)椋?/p>

同樣用MATLAB軟件進(jìn)行理論模擬，不斷改變M2S脈沖中M2S模塊部分的時(shí)間τe/2（0~30 ms），獲得終態(tài)算符和目標(biāo)算符的求跡結(jié)果與施加時(shí)間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，通過理論模擬獲得的M2S脈沖轉(zhuǎn)化效率隨時(shí)間 τe/2變化的方程為：

模擬計(jì)算結(jié)果如圖3(b)所示，當(dāng)M2S脈沖中M2S模塊部分的時(shí)間τe/2為13.3 ms時(shí)，單重態(tài)的理論轉(zhuǎn)化效率達(dá)到最大，為70.95%.

在實(shí)際OC脈沖的作用下，經(jīng)過類似的演化后，最終體系的狀態(tài)變?yōu)椋?/p>

圖3 MATLAB理論模擬得到的(a)使用SLIC序列制備核自旋單重態(tài)的理論效率與τSL的關(guān)系；(b)使用M2S序列制備核自旋單重態(tài)的理論效率與τe/2的關(guān)系；(c)使用優(yōu)化序列制備核自旋單重態(tài)的理論效率與脈沖時(shí)間t的關(guān)系Fig. 3 (a) The relationship between the theoretical singlet preparation efficiency and τSL simulated by MATLAB using SLIC pulse sequence; (b) The relationship between the theoretical singlet preparation efficiency and τe/2 simulated by MATLAB using M2S pulse sequence; (c)The relationship between the theoretical singlet preparation efficiency and pulse time t simulated by MATLAB using the optimal control pulse sequence

我們利用MATLAB計(jì)算了一次施加各個(gè)OC脈沖單元后核自旋的狀態(tài)演化圖，獲得了OC脈沖理論制備效率隨脈沖單元變化的趨勢.不斷改變OC脈沖時(shí)間（t0～220 ms），獲得終態(tài)算符和目標(biāo)算符的求跡結(jié)果與施加時(shí)間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，通過理論模擬獲得的OC脈沖轉(zhuǎn)化效率隨時(shí)間t變化的方程為：

模擬計(jì)算結(jié)果如圖3(c)所示，當(dāng)OC脈沖時(shí)間t為220 ms時(shí)，單重態(tài)的理論轉(zhuǎn)化效率達(dá)到最大，為97.12%.

理論模擬計(jì)算結(jié)果不僅證明使用上述三種脈沖序列都能夠?qū)崿F(xiàn) AGG分子中二自旋體系 Hc、Hc'的單重態(tài)制備，還有利于初步確定實(shí)驗(yàn)的相關(guān)參數(shù)；同時(shí)，通過理論模擬計(jì)算得到，對(duì)于同一目標(biāo)體系內(nèi)的1H核，由于不同脈沖序列作用機(jī)制的差異，引起體系中用于描述系統(tǒng)總能量的哈密頓量的演化過程不同，最終他們制備核自旋單重態(tài)的理論效率也會(huì)有所差異.另外，此處理論模擬的轉(zhuǎn)化效率暫未考慮弛豫因素的影響以及單重態(tài)向單量子態(tài)轉(zhuǎn)化引起的效率變化.本文中使用的三種脈沖序列的總時(shí)間均較長，在整個(gè)脈沖施加過程中，如果考慮到自旋弛豫的影響，實(shí)驗(yàn)制備效率與理論制備效率相比會(huì)有所降低；而單重態(tài)向單量子態(tài)轉(zhuǎn)化后，理論制備效率的最高點(diǎn)也有可能會(huì)發(fā)生改變.

2 實(shí)驗(yàn)部分

2.1 儀器與試劑

儀器：AVANCE III 500型NMR波譜儀（Bruker）、Norell 5 mm高通量NMR樣品管.

試劑：AGG三肽分子購于杰貝歐生物試劑有限公司，純度為98%；D2O（CIL）購于青島騰龍微波科技有限公司，純度為99.9%.

配制濃度為4 mg/mL的AGG氘水溶液.

2.2 NMR實(shí)驗(yàn)

NMR實(shí)驗(yàn)均在Bruker AVANCE III 500型NMR波譜儀上完成.

在測試溫度為25 ℃時(shí)，用常規(guī)單脈沖序列得到AGG溶液的1H NMR譜圖.并用反轉(zhuǎn)恢復(fù)法測定 AGG 中 Hc、Hc'的T1.

測試溫度為25 ℃時(shí)，分別采用圖2所示的三種脈沖序列對(duì)AGG中的Hc、Hc'體系進(jìn)行核自旋單重態(tài)的制備和觀測.

在所有實(shí)驗(yàn)中，90°脈沖寬度設(shè)置為10 μs，循環(huán)等待時(shí)間（D1）為5 s，去耦功率等其他相關(guān)實(shí)驗(yàn)參數(shù)通過理論計(jì)算初步確定，并在實(shí)際實(shí)驗(yàn)操作中進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整.

3 結(jié)果與討論

3.1 使用三種脈沖制備二自旋體系Hc、Hc'的核自旋單重態(tài)的效率

針對(duì)AGG分子中的二自旋體系Hc、Hc'，我們使用SLIC、M2S和OC脈沖這三組基于不同原理的單重態(tài)制備脈沖序列，都成功實(shí)現(xiàn)了對(duì)該體系1H核的單重態(tài)制備.另外，從1.2節(jié)理論計(jì)算不同脈沖序列制備核自旋單重態(tài)的效率可以看出，三組脈沖中施加脈沖的時(shí)間對(duì)單重態(tài)的制備效率影響較大.我們?cè)陔S后的實(shí)驗(yàn)中，通過改變?nèi)M脈沖中的脈沖施加時(shí)間，進(jìn)一步對(duì)制備效率進(jìn)行了檢測.

圖4為AGG氘水溶液使用常規(guī)單脈沖序列測得的1H NMR譜圖，累加次數(shù)為1.我們對(duì)其譜峰進(jìn)行了歸屬，因Hc、Hc'出峰位置相近，在1H NMR譜圖中只顯示為一個(gè)單峰，化學(xué)位移為δH3.92.兩個(gè)氫核屬于強(qiáng)耦合體系，它們之間的化學(xué)位移差值及準(zhǔn)確的J耦合值無法在譜圖上進(jìn)行直接讀取，通過計(jì)算可獲得兩質(zhì)子間的化學(xué)位移差值為5.6 Hz，J耦合為18.24 Hz.

圖4 AGG氘水溶液的1H NMR譜圖Fig. 4 1H NMR spectrum of AGG in deuterium water

將射頻中心O1定于Hc、Hc'的共振頻率，約1 962 Hz處，施加SLIC脈沖序列，對(duì)Hc、Hc'自旋體系進(jìn)行單重態(tài)制備并檢測，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖5(b)所示.在SLIC脈沖序列中梯度場脈沖的影響下，其他的非單重態(tài)信號(hào)被散相，基本消失，而 Hc、Hc'的單重態(tài)不受外加梯度場的影響，得以保留.在本文中，我們定義單重態(tài)制備脈沖獲得的Hc、Hc'信號(hào)的積分強(qiáng)度與1H NMR譜圖中Hc、Hc'信號(hào)的積分強(qiáng)度的比值為單重態(tài)的制備效率.核自旋單重態(tài)的實(shí)驗(yàn)制備效率和理論制備效率與SLIC脈沖序列自旋鎖定部分的時(shí)間τSL（分別為90、100、110、120、130和140 ms）的關(guān)系如圖5(c)所示：在90~140 ms的范圍內(nèi)，當(dāng)脈沖時(shí)間τSL從90 ms增加到130 ms時(shí)，單重態(tài)的實(shí)驗(yàn)制備效率逐漸增加；當(dāng)τSL從130 ms增加到140 ms時(shí)，單重態(tài)的實(shí)驗(yàn)制備效率又開始減??；在130 ms時(shí)，實(shí)驗(yàn)制備效率最高，約為39.5%.在SLIC脈沖的最終檢測中，考慮到單重態(tài)轉(zhuǎn)化為單量子態(tài)后引起的效率變化，理論效率的最高點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的時(shí)間為131 ms.實(shí)驗(yàn)制備效率的整體趨勢與理論制備效率較為符合.

與SLIC方法類似，將射頻中心O1定于約1 962 Hz處，施加M2S脈沖序列，得到的二自旋體系Hc、Hc'單重態(tài)的NMR譜圖如圖6(b)所示.在M2S脈沖序列中梯度場脈沖的影響下，同樣只有Hc、Hc'的單重態(tài)信號(hào)得以保留.核自旋單重態(tài)的實(shí)驗(yàn)制備效率和理論制備效率與M2S脈沖序列M2S模塊部分的時(shí)間 τe/2（分別為10.3、11.3、12.3、13.3和14.3 ms）的關(guān)系如圖6(c)所示，當(dāng)τe/2為13.3 ms（最高理論制備效率對(duì)應(yīng)的時(shí)間）時(shí)，利用M2S脈沖制備自旋體系Hc、Hc'的單重態(tài)的效率最高，約為17.2%.但是由于M2S脈沖的覆蓋范圍較寬，序列中脈沖參數(shù)不準(zhǔn)確或者延時(shí)產(chǎn)生的誤差可能是實(shí)驗(yàn)制備效率明顯低于理論制備效率的原因.

最后，我們對(duì)自旋體系Hc、Hc'施加OC脈沖，得到的二自旋體系Hc、Hc'單重態(tài)的NMR譜圖如圖7(b)所示.在OC脈沖的作用下，與前兩組實(shí)驗(yàn)結(jié)果類似，譜圖中包含Hc、Hc'的單重態(tài)信號(hào).核自旋單重態(tài)的實(shí)驗(yàn)制備效率和理論制備效率與所使用的不同OC脈沖的時(shí)間τ（取值為 100、130、150、170和220 ms）的關(guān)系如圖7(c)所示：考慮弛豫作用后，最高理論制備效率對(duì)應(yīng)的τ在170 ms附近；隨著τ的增加，實(shí)驗(yàn)制備效率也逐漸增加，在我們?cè)O(shè)置的 OC脈沖時(shí)間范圍內(nèi)，最高實(shí)驗(yàn)制備效率（約為43.3%）對(duì)應(yīng)的τ為220 ms.我們認(rèn)為這與OC脈沖的功率設(shè)置的準(zhǔn)確性有一定的關(guān)系.另外，OC脈沖雖然在理論上能夠?qū)崿F(xiàn)狀態(tài)的最大轉(zhuǎn)化，但因?yàn)樾蛄兄械拿}沖片段較多，實(shí)驗(yàn)上實(shí)現(xiàn)時(shí)會(huì)因?yàn)閱蝹€(gè)小脈沖的不準(zhǔn)確而累計(jì)產(chǎn)生較大的誤差，可能導(dǎo)致τ不同時(shí)，理論制備效率與實(shí)際制備效率偏差較大.

上述實(shí)驗(yàn)除考慮了單重態(tài)轉(zhuǎn)化為單量子態(tài)后會(huì)引起最終檢測時(shí)的效率變化外，由于 AGG分子的T1較短，約為866 ms，而實(shí)驗(yàn)所用的三種脈沖序列的總時(shí)間（包括單重態(tài)的制備和觀測）分別為：SLIC脈沖約262 ms，M2S脈沖452 ms，OC脈沖約440 ms.與分子本身的T1相比，脈沖時(shí)間較長，脈沖施加期間自旋弛豫不可忽略.在考慮弛豫的影響后，脈沖序列的理論制備效率會(huì)進(jìn)一步下降.例如：考慮弛豫因素后，SLIC、M2S和OC脈沖的信號(hào)強(qiáng)度分別衰減為expSLIC(-262/866)≈0.739、expM2S(-452/866)≈0.594和expOC(-440/866)≈0.602.經(jīng)折算后，在我們?cè)O(shè)定的時(shí)間范圍內(nèi)獲得三種脈沖的最高理論制備效率分別約為38.9%、40.8%和65.3%.而且這三種脈沖的理論效率是通過對(duì)各自的脈沖時(shí)間進(jìn)行優(yōu)化后得到的，如果改變施加脈沖的時(shí)間，則其理論效率會(huì)發(fā)生變化，如圖5(c)、6(c)和7(c)中的方塊折線.值得注意的是，圖7(c)中的折線展示的是不同的OC脈沖（時(shí)間不同，形狀也不同）所制備的單重態(tài)的效率；而圖3(c)的曲線展示的是選定某一個(gè)OC脈沖后（此處為220 ms對(duì)應(yīng)的OC脈沖形狀），單重態(tài)的算符隨脈沖的形狀（即時(shí)間）的變化.因此圖7(c)中的方塊折線不能直接從圖3(c)中截取.

3.2 二自旋體系Hc、Hc'的T1及三種脈沖作用下核自旋單重態(tài)的Ts

通過改變90°脈沖和180°脈沖之間的時(shí)間間隔T，我們利用反轉(zhuǎn)恢復(fù)法測定了AGG分子中選定二自旋體系Hc、Hc'的T1.圖8(a)所示為Hc、Hc'的T1衰減曲線，通過反轉(zhuǎn)恢復(fù)法測得的不同演化時(shí)間T（范圍為0~6 s）時(shí)，對(duì)Hc、Hc'的積分面積進(jìn)行歸一化處理，實(shí)線為用公式y(tǒng)=A1-A2*exp(-x/T1)擬合得到的曲線，擬合得到目標(biāo)自旋體系Hc、Hc'的T1為（0.87±0.03）s.

核自旋單重態(tài)的一項(xiàng)重要特征為其Ts較長，而且通常長于T1.不斷改變?nèi)N單重態(tài)制備序列中cw去耦脈沖時(shí)間t（范圍均為1~80 s），可以采集到一系列核自旋單重態(tài)的NMR譜圖，對(duì)二自旋體系Hc、Hc'的相應(yīng)信號(hào)進(jìn)行積分并進(jìn)行歸一化處理，最終可以得到使用每種脈沖序列制備得到的核自旋單重態(tài)的Ts.SLIC序列中自旋鎖定部分的時(shí)間為131 ms，功率為49.5 dB；cw去耦脈沖的功率為35 dB.M2S序列中M2S模塊部分的時(shí)間τe/2為13.3 ms，n1=5，n2=3；cw去耦脈沖的功率為35 dB.OC脈沖中的脈沖時(shí)間為220 ms，相位如圖2(c)所示變化；cw去耦脈沖的功率為20 dB.

利用 SLIC脈沖序列制備的 Hc、Hc'核自旋單重態(tài)的Ts衰減曲線如圖 8(b)所示.黑點(diǎn)為改變SLIC脈沖序列中的 cw去耦時(shí)間t時(shí)，自旋體系 Hc、Hc'對(duì)應(yīng)的歸一化積分面積，實(shí)線為使用公式y(tǒng)=A*exp(-x/Ts)擬合得到的曲線，擬合得到利用SLIC脈沖序列制備的核自旋單重態(tài)Hc、Hc'的Ts為（17.56±0.40）s，是T1的20.28倍.同樣，利用M2S脈沖序列制備的Hc、Hc'核自旋單重態(tài)的Ts衰減曲線如圖8(c)所示，擬合得到Ts為（18.31±0.21）s，是T1的21.14倍.利用OC脈沖序列制備的Hc、Hc'核自旋單重態(tài)的Ts衰減曲線如圖8(d)所示，擬合得到Ts為（17.24±0.26）s，是T1的19.91倍.

由以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，我們通過三種不同方法獲得的二自旋體系 Hc、Hc'的單重態(tài)的Ts均明顯長于其T1，且差異不大，這與單重態(tài)弛豫的基本原理一致.單重態(tài)的弛豫過程是分子的內(nèi)稟屬性，與分子自身的性質(zhì)和所處的化學(xué)環(huán)境有關(guān)，對(duì)于AGG分子的目標(biāo)自旋體系Hc、Hc'來說，理論上轉(zhuǎn)變?yōu)榈哪繕?biāo)態(tài)均為我們通過施加三種不同的制備脈沖希望獲得的均為這一量子態(tài)，因此所制備的單重態(tài)的Ts不取決于測量脈沖.由此也證明采用三種不同的脈沖序列，我們都成功地制備了目標(biāo)二自旋體系Hc、Hc'的單重態(tài).

圖8 (a) AGG分子Hc、Hc'自旋體系的T1衰減曲線，T1=0.87±0.03 s；(b)利用SLIC脈沖獲得的AGG分子Hc、Hc'單重態(tài)的Ts衰減曲線，Ts=17.56±0.40 s；(c)利用M2S脈沖獲得的的AGG分子Hc、Hc'單重態(tài)的Ts衰減曲線，Ts=18.31±0.21 s；(d)利用OC脈沖獲得的AGG分子Hc、Hc'單重態(tài)的Ts衰減曲線，Ts=17.24±0.26 sFig. 8 (a) The T1 decay curve of Hc, Hc' in AGG, T1=0.87±0.03 s; (b) The Ts decay curve of Hc、Hc' singlet state in AGG using SLIC pulse sequence, Ts=17.56±0.40 s; (c) The Ts decay curve of Hc、Hc' singlet state in AGG using M2S pulse sequence, Ts=18.31±0.21 s;(d) The Ts decay curve of Hc, Hc' singlet state in AGG using OC pulse, Ts=17.24±0.26 s

3.3 討論

上述一系列實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，使用3種脈沖序列都可以成功實(shí)現(xiàn)對(duì)同一自旋體系核自旋單重態(tài)的有效制備；而且最終獲得的單重態(tài)的Ts幾乎沒有差別，且均明顯大于其T1.采用 SLIC、M2S和OC脈沖獲得的單重態(tài)的Ts分別為17.56 s、18.31 s和17.24 s，分別為其T1的20.28、21.14和19.91倍，符合單重態(tài)的基本弛豫規(guī)律.使用3種脈沖序列獲得的單重態(tài)的Ts存在微小差異，可能與實(shí)驗(yàn)過程引起的誤差有關(guān).

對(duì)于諸如AGG此類的小分子，也有研究者對(duì)可能影響其內(nèi)部自旋體系單重態(tài)Ts的相關(guān)因素進(jìn)行了研究.研究[21]結(jié)果顯示，待測樣品的濃度和觀測磁場的不均一性對(duì)獲得的單重態(tài)的Ts沒有顯著影響；但是，在一定溫度范圍內(nèi)，隨著樣品溫度的升高，原子核自旋單重態(tài)的Ts會(huì)逐漸增加.同時(shí)，射頻脈沖的發(fā)射中心在偏置過大時(shí)會(huì)引起單重態(tài)Ts的顯著減?。涣硗釰耦合值的精確與否也會(huì)明顯影響單重態(tài)的Ts.還有研究[26]結(jié)果顯示，對(duì)于同一自旋體系來說，體系內(nèi)不同1H核在整個(gè)體系內(nèi)的單重態(tài)占比也會(huì)造成單重態(tài)Ts的不同.

但是，采用不同脈沖序列獲得單重態(tài)的制備效率出現(xiàn)比較明顯的差異.在我們使用的3種脈沖序列中，通過OC脈沖獲得AGG分子中Hc、Hc'單重態(tài)的實(shí)驗(yàn)制備效率最高，能夠達(dá)到43.3%；其次為SLIC脈沖，約為39.5%，而M2S脈沖實(shí)驗(yàn)制備效率最低，僅為17.2%.

除考慮了單重態(tài)轉(zhuǎn)化為單量子態(tài)后會(huì)引起最終檢測時(shí)的效率變化外，由于AGG分子的T1較短，與分子本身的弛豫時(shí)間相比，實(shí)驗(yàn)所用的三種脈沖序列的脈沖時(shí)間相對(duì)較長，因而脈沖施加期間自旋的弛豫因素不可忽略.如果考慮脈沖期間弛豫的影響，脈沖序列的理論制備效率還會(huì)有所下降.SLIC、M2S和OC脈沖觀測信號(hào)強(qiáng)度衰減分別為0.739、0.594和0.602，最終計(jì)算獲得的SLIC、M2S和OC脈沖最高理論制備效率分別約為38.9%、40.8%和65.3%.另外，原子核自旋單重態(tài)的J耦合值是單重態(tài)制備中所必需的重要參數(shù)，該值的測量精確度會(huì)明顯影響單重態(tài)制備的效率.在我們的實(shí)際研究體系中，AGG分子內(nèi)二自旋體系Hc、Hc'是一組強(qiáng)耦合體系，而強(qiáng)耦合體系由于存在roof效應(yīng)，會(huì)導(dǎo)致體系內(nèi)相關(guān)原子核自旋J耦合值的準(zhǔn)確測量比較困難.此外在實(shí)驗(yàn)操作中，90°硬脈沖的功率是否完全準(zhǔn)確，射頻中心是否精準(zhǔn)，梯度場能否把非單重態(tài)信號(hào)完全散相，制備過程中可能還存在一些雙量子信號(hào)等，以上這些因素的綜合影響下，導(dǎo)致了實(shí)驗(yàn)制備效率與理論制備效率的差異.

此外，引起不同脈沖制備單重態(tài)效率差異的來源除了三組脈沖序列對(duì)體系哈密頓量的演化不同外，還與脈沖的復(fù)雜度有關(guān).OC脈沖因?yàn)槊}沖的可變量比傳統(tǒng)脈沖多，理論上能夠?qū)崿F(xiàn)狀態(tài)的最大轉(zhuǎn)移，但因?yàn)槊}沖片段較多，實(shí)驗(yàn)中會(huì)因?yàn)閱蝹€(gè)小脈沖的不準(zhǔn)確而累計(jì)產(chǎn)生較大的誤差；SLIC脈沖具有強(qiáng)選擇性，脈沖本身覆蓋的范圍較小，實(shí)現(xiàn)起來更加簡單并且高效；而 M2S脈沖覆蓋范圍較寬，其中的90°和180°脈沖的不準(zhǔn)確或者當(dāng)中的延時(shí)有誤差時(shí)會(huì)引起效率顯著下降.

4 結(jié)論

本文以AGG分子中一組二自旋體系的1H核為研究對(duì)象，利用三種脈沖序列均成功制備了該自旋體系的單重態(tài)；并通過實(shí)驗(yàn)測定比較了采用不同脈沖序列所獲得單重態(tài)的制備效率和Ts.在脈沖序列的模擬計(jì)算中，由于自旋體系中的哈密頓量的演化在不同脈沖序列的作用下會(huì)出現(xiàn)差異，會(huì)導(dǎo)致不同脈沖序列理論計(jì)算的單重態(tài)制備效率不同.而在實(shí)際實(shí)驗(yàn)操作中，同一方法獲得的單重態(tài)制備效率一般會(huì)低于相應(yīng)的理論計(jì)算值，這一差異取決于實(shí)驗(yàn)過程中相關(guān)參數(shù)測定、儀器精度、弛豫影響、后期實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理等多種因素.我們的實(shí)驗(yàn)結(jié)果還證明，采用不同單重態(tài)制備脈沖序列獲得的同一體系內(nèi)原子核自旋單重態(tài)的Ts基本一致，且明顯長于T1，而不同脈沖制備的AGG分子的單重態(tài)制備效率相對(duì)差異較大.這一系列結(jié)果有助于我們更好地了解自旋體系的相關(guān)弛豫機(jī)制；在核自旋單重態(tài)的開發(fā)利用中，正確認(rèn)識(shí)單重態(tài)制備脈沖序列這一影響因素，對(duì)于核自旋單重態(tài)在磁共振領(lǐng)域的實(shí)際應(yīng)用具有積極重要的參考意義.

利益沖突

無