针对耦合自旋体系的核磁共振多脉冲优化及其应用

Accurate manipulation of spin systems can be achieved by radio-frequency pulse, which plays a key role in the signal detection of nuclear magnetic resonance (NMR). With the development of NMR technique in quantum computing, biology, medicine, etc., multiple-pulse is routinely used for numerous experiments, such as pseudo-pure state preparation and quantification of metabolite signals. Being restricted to simple and uncoupled spin systems, the existing multiple-pulse optimization method is unable to optimize the above experiments. In response to this problem, based on spin dynamics and the optimal control theory, our project aims at studying the numerical optimization of multiple-pulse for coupled spin systems, thus imperfections between pulses will be compensated. Then, we will reveal the underlying mode of action of optimized multiple-pulse (cooperative pulses) and explore their physical limits of performance. Furthermore, to verify the cooperative pulses, optimized metabolite quantification experiment is demonstrated. Compared with the conventional phase cycling method, the approach proposed in this project would efficiently increase both sensitivity and accuracy for scans with a higher degree of automation. The study would be a beneficial extension for existing multi-pulse optimization methodology. Moreover, it is conducive to the understanding of manipulation mechanism for complex and coupled spin systems, and also provides scientific basis for further application of cooperative pulses in relevant areas of magnetic resonance.

射频脉冲可实现自旋体系的精确操控，在核磁共振信号探测中起到关键作用。随着核磁共振在量子计算、生物学和医学等领域的不断发展，许多实验如伪纯态制备、代谢物浓度定量等往往需由多脉冲完成。现有的多脉冲优化方法仅适应于简单、非耦合自旋体系，无法应用于上述相关实验。针对这一问题，本项目拟基于自旋动力学和优化控制原理，利用数值计算方法开展适应于复杂耦合自旋体系的多脉冲优化控制研究，实现脉冲之间的缺陷补偿；在此基础上，揭示优化多脉冲（协作脉冲）对耦合自旋体系的作用机理，并探索协作脉冲性能的物理极限；进一步地，通过代谢物浓度定量的优化实验来验证协作脉冲的有效性。与传统相位循环方式相比，本项目的研究方法将有效提高扫描实验的灵敏度、准确性和自动化程度。该研究将是对核磁共振多脉冲优化方法的有益拓展，有助于加强对复杂耦合自旋体系的操控机制的认识，同时为协作脉冲在相关领域的深入应用提供科学依据。

射频脉冲是实现自旋体系有效操控的极重要手段，因而射频脉冲设计始终是核磁共振领域的前沿和热点之一。随着核磁应用的不断推进，磁共振脉冲序列也日益复杂，为实现特定的实验目标，往往需要依赖多组或多次射频脉冲组合而实现。因此，研究核磁共振多脉冲的优化设计理论和方法可为新技术应用提供科学依据。（1）本项目选取耦合自旋体系这一典型体系作为研究对象，基于自旋动力学理论和优化控制原理，开展了多脉冲优化控制方法研究，建立了通用自旋体系的多脉冲优化模型，并完成算法实现，分别在双自旋、三自旋等体系完成实验验证。（2）为进一步探寻优化多脉冲的作用机理，项目开发了基于短时傅里叶变换、连续小波变换和维格纳-威利分布的多脉冲频谱分析方法，实现了对协作多脉冲的高效时频域特征分析。（3）项目开发了可用于磁共振波谱和成像模拟的开源可编程环境Spin-Scenario，集成了通用自旋体系构建、脉冲序列设计语法和脉冲优化控制等核心功能，该模拟系统的通用性强，未来不仅可用于科普演示、培训教育，还可作为研究工具用于新型脉冲序列开发，其脉冲序列语法编程模块甚至可移植于磁共振谱仪控制台。（4）基于本项目的射频脉冲优化控制方法，项目开展了多脉冲的实际应用探索。一是与合作单位开展了用于量子计算的多量子位的伪纯态制备实验研究。选取碳13标记的丙氨酸体系作为研究对象，优化设计了18.5ms的7步协作多脉冲，500MHz波谱仪实验表明其伪纯态制备效率达到100%。二是面向代谢物耦合体系（13C-1H）优化设计了宽带J耦合双共振射频脉冲序列，仿真实验表明，该优化脉冲可实现常见的不同代谢物体系的大范围耦合常数（90-230Hz）内的高均匀性极化转移，从而显著改善传统HSQC序列的不足。本项目的实施，拓展了射频脉冲优化控制理论和方法，加强了对复杂耦合自旋体系操控的机制认识，将为协作多脉冲的后续应用提供有益参考。