快速实现具有扩散和弛豫维的广义高分辨核磁共振多维谱新方法及其应用

NMR spectroscopy shows powerful ability in molecular structure elucidation as well as in dynamic analyses (such as molecular diffusion and spin relaxation). However, the applications of NMR spectroscopy in these two aspects are usually independent and are also subjected to the influence of inhomogeneous magnetic fields or heterogeneous samples. This project aims at establishing a new set of general high-resolution multidimensional NMR spectroscopy with both diffusion and relaxation dimensions via spatiotemporally encoding fast acquisitions and high-efficiency spectral reconstruction, achieving the combination of the multidimensional spectral information on molecular structure and the dynamic information on diffusion and relaxation. According to our previous studies, we will focus on the following work in this project. (1) On the basis of the comprehensive understanding of spatiotemporal encoding technique, intermolecular multiple-quantum coherence signal, evolution of diffusion and relaxation and so on, and spectral reconstruction, we carefully analyze all internal factors which are related to spectral resolution, acquisition efficiency, dynamic parameter calculations, and signal-to-noise ratio in the multidimensional dynamic spectra by theoretical characterization, computer simulation, and experimental verification. (2) Then we establish and develop a new method of fast high-resolution multidimensional NMR spectroscopy with dynamic information of diffusion and relaxation, which is suitable to homogeneous fields in liquid samples and inhomogeneous fields originating from different factors in samples. (3) Finally, we apply the established dynamic NMR method to some practical systems in typical chemical reactions, biological, and medical fields for studies of composition, molecular structure, and dynamic process, expanding the application fields of the NMR spectroscopy.

核磁共振(NMR)波谱在分子结构解析和动力学分析（如扩散和弛豫过程）具有强大功能。然而NMR谱方法在这两方面应用通常是分离且都容易受到非均匀磁场或非均匀样品的影响。本课题旨在建立一套基于时空编码快速信号采样和高效谱图重建的具有扩散和弛豫维的广义高分辨多维NMR谱新方法，实现任意磁场环境下结构解析多维谱信息与扩散弛豫相关动力学信息的有机结合。拟开展如下三方面研究：(1)基于对时空编码、分子间多量子相干及扩散弛豫演化等物理机理的理解，通过理论表述、计算机模拟和实验验证，研究影响谱图分辨率、采样效率、扩散和弛豫参数灵敏度和信噪比的各种内在因素。(2)建立和发展适用于任意磁场环境(包括磁场均匀和各种因素引起的磁场不均匀)具有扩散和弛豫维参数的快速高分辨多维谱方法。(3)所建立方法应用于典型化学反应、生物和医药等实际体系中化学组成、结构表征以及动力学过程的研究，促进NMR更深层次和更广泛的应用。

核磁共振波谱(NMR Spectroscopy)作为一种重要的检测分析手段，以其准确、高效、无损检测等优点在化学、生物和材料等应用领域有着广泛的应用。通过化学位移和J偶合等信息的获取，NMR波谱可用于化合物成分鉴定及其分子结构解析。而基于扩散和弛豫信息的检测，NMR波谱可用于化学反应体系分子动力学分析。然而，现有NMR波谱方法在分子结构解析和动力学分析上的应用通常是分离，且均受非均匀磁场环境或非均相样品的影响。如何实现非均匀磁场环境下分子结构解析多维谱信息与扩散弛豫动力学信息结合的检测应用是NMR波谱领域前沿热点问题之一。基于此，本项目提出了一套基于时空编码快速信号采样和高效谱图重建的具有扩散和弛豫维的广义高分辨多维NMR谱新方法，解决现有NMR波谱综合检测技术应用难点。主要研究内容包括：（1）基于对时空编码、分子间多量子相干信号、扩散和弛豫演化机制等物理机理深刻理解的基础上，发展完善具有扩散和弛豫维参数的快速多维NMR谱信号演化的理论表述，并分析影响谱图分辨率的因素；（2）建立和发展适用于任意磁场环境下(包括磁场均匀和各种因素引起的磁场不均匀)具有扩散和弛豫维参数的快速高分辨多维NMR谱方法，并开发一套完整高效的数据处理和谱图重建方法；（3）利用计算机模拟和实验对所建立的新方法进行实际验证，进一步优化数据处理和谱图重建算法，从而提高谱图质量；（4）将所建立的新方法应用于一些典型的化学反应、生物和医药等实际体系中，研究其化学组成、分子结构以及动力学过程，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，本项目进展顺利并超额完成各项研究内容，相关成果已在国际权威刊物上发表15篇研究论文。同时，我们还申请并获得了9项授权发明专利。本项目的成果超过了预期的研究目标，部分研究成果达到国际一流水平，相关技术为复杂化合物结构解析以及化学反应动力学分析提供一种重要应用工具，进一步扩展了NMR波谱的应用领域。