适用于完整生物组织的新型高分辨核磁共振波谱新方法

In previous study, high-resolution spectra of biological tissues (such as, fruits, fish tissues, brain tissues, etc.) have been obtained by the intermolecular Multiple-Quantum Coherences (iMQC) based NMR method, which can remove the magnetic inhomogeneity of tissues. However, due to the fast relaxation rate for biological tissues and the narrow range of H-1 spectroscopy，linewidths are broaden that part of signals are overlapped with each other and disappeared, which prevent the identification and quantification of metabolites. Pure shift NMR (PS NMR) technique can remove the proton-proton scalar couplings, simplifying the spectra, thus the resolution of H-1 NMR spectra can be significantly enhanced. Based on our previous studies on iMQC, through the theoretical formulation and computer simulation of the characteristics of the PS NMR method and its efficient combination with iMQC, a novel high-resolution spectral method for biological tissues will be developed. In addition, the spin locking technique will also be introduced to overcome the fast signal attenuation of biological tissues. Moreover, the new developed method will be used for typical intact biological tissues, the results will be expected to provide the theoretical basis and technical support for the detection and analysis in biological tissues.

在前期研究中，我们利用分子间多量子相干（iMQC）克服生物组织不均匀性的影响，成功获得果肉、鱼类、脑组织等生物组织的高分辨谱。然而，由于生物组织的信号衰减快以及氢谱化学位移范围窄的原因，造成部分谱峰的增宽，重叠和消失，影响代谢物的归属和定量。纯化学位移核磁共振（Pure Shift NMR， PS NMR）技术能够消除H-H同核J偶合，从而简化谱图，极大地提高了H-1 NMR谱的分辨率。本项目拟在前期研究基础上，通过理论表述和计算机模拟，研究PS NMR方法的技术特点及其与iMQC方法的有效结合方式，针对生物组织信号衰减过快的特性，引入自旋锁定技术加以克服，从而建立一套具有更高灵敏度和分辨率的适用于完整生物组织不均匀体系的新型高分辨NMR谱方法，为生物组织的检测和分析提供新的理论依据和技术支持。

随着核磁共振(Nuclear Magnetic Resonance, NMR)硬件技术的不断进步，其造价和检测成本也不断降低，因此核磁共振技术目前正在由面向科学研究，医疗诊断拓展到食品、农业等多个应用领域。生物组织是复杂的不均匀体系，传统NMR方法只能通过繁琐的预处理，从组织中萃取出小分子和脂类代谢物，再进行研究，不能做到无损检测。同时对于植物组织，尤其是水果，其主要成分是糖类，糖类信号密集，与其他信号的重叠会影响代谢物的归属和定量。为了解决上面两个问题，本项目使用纯化学位移核磁共振技术能够消除H-H同核J耦合，极大地提高了H-1 NMR谱的分辨率。同时结合对不均匀场免疫的分子间多量子相干技术和魔角旋转技术直接对生物组织进行无损成分检测，无需预处理。项目成员使用纯化学位移结合多元统计分析进行真假蜂蜜鉴别和茶叶的产地溯源，相对于传统NMR，纯化学位移解决了信号拥挤的问题，从而为多元统计分析提供更加准确和具有分辨性的代谢数据基础，结果发表在《Food Research International》。项目成员使用魔角旋转和液态磁共振磷谱探究了光照与否以及添加生长激素与否对芝麻种子发芽过程中磷循环的影响，进行定量研究。光谱显示在开始阶段磷的代谢只有微小的变化，但是快速变化发生在发芽开始后48–96小时之间。研究发现磷的新陈代谢是温度依赖并受光照和激素的影响，结果发表在《Scientific Reports》。项目成员利用基于超快速空间编码的分子间单量子相干（Journal of the Chinese Chemical Society, 2018）和分子双量子相干技术（Journal of the Chinese Chemical Society, 2020），快速的获得食品样品的高分辨NMR谱，并进行了营养成分分析，这两项工作都表明分子间多量子相干技术在食品研究中的应用前景。通过本项目的研究，我们建立一套具有快速，无损，高分辨的适用于完整生物组织的NMR谱方法，结合代谢组学和感官分析的方法，能够提供食品质量评估，产地溯源等服务。同时我们积累大量适用于不同生物组织的NMR参数设置，不仅能够为我们后续的生物和食品研究提供基础，同时能够共享给同行做参考，共同推动核磁共振在食品和生物领域的研究和应用。