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1. WO2020108592 - METHOD FOR SELECTIVELY DETECTING DOPAMINE BASED ON MAGNETIC RESONANCE NUCLEAR SPIN SINGLET STATE

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说明书

发明名称 0001   0002   0003   0004   0005   0006   0007   0008   0009   0010   0011   0012   0013   0014   0015   0016   0017   0018   0019   0020   0021   0022   0023   0024   0025   0026   0027   0028   0029   0030   0031   0032   0033   0034   0035   0036   0037   0038   0039   0040   0041   0042   0043   0044   0045   0046   0047   0048   0049   0050   0051   0052   0053   0054   0055   0056   0057   0058   0059   0060   0061   0062   0063   0064   0065   0066   0067   0068   0069   0070   0071   0072   0073   0074   0075   0076   0077   0078   0079   0080   0081   0082   0083   0084   0085   0086   0087   0088   0089   0090   0091   0092   0093   0094   0095   0096   0097   0098   0099   0100   0101   0102   0103   0104   0105   0106   0107   0108   0109   0110   0111   0112   0113   0114   0115   0116   0117   0118   0119   0120   0121   0122   0123   0124   0125   0126   0127   0128   0129   0130   0131   0132   0133   0134   0135   0136   0137   0138   0139   0140   0141   0142   0143   0144   0145   0146   0147   0148   0149   0150   0151   0152   0153   0154   0155   0156   0157   0158   0159   0160  

权利要求书

1   2   3   4   5   6   7   8   9   10   11  

附图

1   2   3   4   5   6   7   8   9  

说明书

发明名称 : 一种基于磁共振核自旋单态选择性检测多巴胺的方法

技术领域

[0001]
本发明涉及磁共振技术领域,尤其涉及一种基于磁共振核自旋单态选择性检测多巴胺的方法,实现对多巴胺核磁 1H信号选择性观测。

背景技术

[0002]
多巴胺是大脑中一种重要的神经递质,它参与生理和病理条件下人和哺乳动物的许多活动,尤其在运动调节、学习和记忆以及药物成瘾过程中起着关键作用。产生多巴胺这一神经递质的神经元(即多巴胺能神经元)对所释放的多巴胺采取了类似于"返回式卫星"的管理方式,即根据大脑活动需要释放多巴胺,同时又利用多巴胺转运体作为多巴胺的"回收泵",将释放出去的多巴胺适时、适量地予以回收,这样既达到调节细胞外多巴胺浓度,适应生理活动需要的目的,又能使多巴胺得到重复再利用,节能增效。一旦多巴胺"回收泵"系统发生功能障碍,就会发生多种中枢神经系统疾病,例如药物成瘾等。
[0003]
目前其检测方法主要有流动注射化学发光法、高效液相色谱法及荧光法。这些方法都需要复杂的前处理过程,同时无法实现对生物活体中多巴胺的在线检测。
[0004]
发明内容
[0005]
本发明的目的是提供一种基于磁共振核自旋单态选择性检测多巴胺的方法,具有很好地精确度、灵敏度和选择性,能够准确的从组成成分复杂的体系中检测得到多巴胺的信号,同时很好地消除其它物质信号的干扰。
[0006]
实现本发明目的的具体技术方案是:
[0007]
步骤A:获取待测样品中多巴胺分子苯环上三个 1H的化学位移和J耦合数值;
[0008]
步骤B:根据多巴胺分子自旋特征,设计利用核自旋单态实现对多巴胺信号选择的脉冲序列;
[0009]
步骤C:利用所设计的脉冲序列,通过制备多巴胺分子苯环上三个 1H所形成的自旋耦合体系的核自旋单态,并在单态存在期间利用脉冲梯度场弥散样品中非单态的其他信号,最终实现对多巴胺分子信号的选择。
[0010]
步骤A的目的为获得多巴胺分子的核自旋耦合特征,可通过分析样品的核磁共振谱图获得。例如,图1和2为多巴胺分子的氢谱,通过对谱图的分析,本发明可以获取多巴胺分子苯环上三个氢的化学位移和J耦合数值。本发明中所涉及的脉冲序列需要基于这些核自旋耦合特征进行设计。
[0011]
步骤B所设计的脉冲序列中应包含多巴胺核自旋耦合体系自旋单态的制备模块和自旋单 态转化可观测信号模块,以及包含在核自旋单态演化过程中施加梯度场以弥散除核自旋单态外的所有其他信号。图3为多巴胺分子自旋单态制备脉冲序列:先施加x方向的90度硬脉冲,等待τ 1时间后施加x方向的180度硬脉冲,等待τ 12后施加y方向的90度硬脉冲,随后等待τ 3时间。从τ 4开始,而后施加y方向的90度硬脉冲,然后等待τ 5时间。在该脉冲序列中,τ 1,τ 2,τ 3的取值影响多巴胺分子苯环上三个 1H构成三自旋体系单态的产生效率,为了使得单态效率达到最大值,需要优化τ 1,τ 2,τ 3的取值;τ 4,τ 5的取值与最后多巴胺的检测信号相关。为使最后多巴胺的检测信号最大,需要优化τ 4,τ 5的取值。图4为利用图3脉冲序列获得的谱图。样品为多巴胺水溶液。
[0012]
图5所示脉冲序列中展示了本发明中在核自旋单态演化过程中施加脉冲梯度场的一种方式。图5中,从脉冲序列开始到τ 3时间结束为止为单态制备模块。在该制备模块后为第一个梯度脉冲g 1,随后为单态演化阶段。在此单态演化阶段,可加入去耦脉冲。去耦脉冲能尽可能减少环境因素对单态演化的影响。为更好的弥散非单态信号,在该阶段可施加第二个梯度脉冲g 2
[0013]
步骤C针对多巴胺分子苯环上三个 1H所形成的自旋耦合体系制备核自旋单态。多巴胺分子中存在多个自旋体系。多巴胺分子苯环上三个 1H所形成的自旋耦合体系能够有效的被制备为核自旋单态。多巴胺的乙基胺也存在自旋耦合体系,但单态制备效率不高。
[0014]
本发明一种基于磁共振核自旋单态选择性检测多巴胺的方法,该方法具体包括以下步骤:
[0015]
步骤1:将已配好质量分数为2%-5%多巴胺的氘水溶液放置于磁共振仪中,对多巴胺的氘水溶液施加90度硬脉冲,使得 1H信号被激发,获取多巴胺分子的氢谱,得到多巴胺分子苯环上三个 1H的化学位移和相互之间J耦合的大小;
[0016]
步骤2:根据弱耦合体系下制备二自旋系统单态的脉冲形式,针对多巴胺分子苯环上的三个氢构成的三自旋系统,由步骤1得到的化学位移和相互之间J耦合的大小,利用MATLAB软件,计算三自旋系统下制备多巴胺单态和检测多巴胺单态所需的脉冲参数,得到多巴胺苯环上三个氢构成三自旋系统的单态效率达到最大值的脉冲序列;
[0017]
步骤3:将弱耦合体系下制备二自旋系统单态的脉冲形式和步骤2计算所得三自旋系统下制备多巴胺单态和检测多巴胺单态所需的脉冲参数进行组合得到的完整脉冲,施加到多巴胺氘水溶液上,制备获得苯环上三个氢组成的三自旋系统的单态,并检测其单态;
[0018]
步骤4:在步骤3制备和检测多巴胺单态的基础上,在制备单态脉冲和检测单态脉冲之间,增加cw去耦脉冲和两个不同强度的梯度场,组成新的脉冲;新脉冲的作用分为三个阶段,第一个阶段制备多巴胺分子苯环上三个氢的单态;第二个阶段,由于单态不受梯度场和cw 去耦脉冲的影响,因此将非单态信号滤掉,只保留多巴胺分子苯环上三个氢的单态;第三个阶段,检测多巴胺分子苯环上三个氢的单态;最终达到选择性滤波的目的,只保留苯环上的三个 1H信号;整个过程中,需要不断优化cw脉冲的作用时间,使得滤波效果达到最优。
[0019]
步骤1所述多巴胺分子的氢谱,左边三个信号代表苯环上三个 1H的信号,中间单峰为水信号,最右边是多巴胺分子乙基信号;由多巴胺分子的氢谱,获取多巴胺分子苯环上三个氢之间的J耦合和化学位移。
[0020]
所述步骤2具体为:先施加相位处于x方向的90度硬脉冲,而后等待τ 1时间,再施加相位处于x方向的180度硬脉冲,再等待τ 12时间,接下来施加一个相位处于y方向的90度硬脉冲,等待 时间即等待τ 3时间;这段脉冲的作用是制备多巴胺分子苯环上三个 1H构成三自旋体系的单态,简称为制备脉冲;而单态信号无法直接观测,需要另外一段脉冲检测多巴胺分子苯环上三个 1H构成三自旋体系的单态,简称为检测脉冲;检测脉冲形式为,先经过τ 4时间的等待,再施加一个相位处于y方向的90度硬脉冲,再等待τ 4的时间,直接ADC采样,直到采样信号衰减完;在这个过程中,τ 1,τ 2的取值影响多巴胺分子苯环上三个 1H构成三自旋体系单态的产生效率,为了使得单态效率达到最大值,利用MATLAB软件进行设计τ 1,τ 2的取值;首先,在MATLAB脚本里先构建三自旋体系的64个基算符,再写出多巴胺分子苯环上三个氢组成三自旋体系的哈密顿量,最后得到90度硬脉冲和180度硬脉冲所对应的操作算符;接下来,体系由热平衡信号不断在硬脉冲的操作算符和哈密顿量下进行演化,不断优化τ 1,τ 2演化时间,使得单态转化率都达到最大值;同理,在产生单态的基础上,设计检测脉冲中τ 4,τ 5的取值,使得检测信号的达到最优值;最后,弱耦合体系制备二自旋系统单态的脉冲形式与计算所得脉冲参数组合将得到制备和检测多巴胺分子三自旋体系单态的完整脉冲。
[0021]
步骤3所述制备获得苯环上三个氢组成的三自旋系统的单态,并检测其单态,具体为:将步骤2所得到的完整脉冲,用核磁共振仪器的语言写入计算机,再将多巴胺氘水溶液放入磁体中,然后进行锁场、调谐及匀场操作,最后将发射机的射频中心对准多巴胺苯环上三个 1H分子中间,施加已写入计算机的完整脉冲,制备并检测多巴胺分子的单态。
[0022]
步骤4所述在制备单态脉冲和检测单态脉冲之间,增加cw去耦脉冲和两个不同强度的梯度场,组成新的脉冲,具体为:cw脉冲的施加时间在50ms到1s之间,功率为1瓦特到 15瓦特;两个不同强度的梯度场要求施加时间在1ms到5ms之间,强度为5到10Gauss/cm,方向处于z方向;将增加cw去耦脉冲和两个不同强度的梯度场后组成的新脉冲用核磁共振仪器的语言写入计算机,接着进行锁场、调谐及匀场操作,最后将发射机的射频中心对准多巴胺苯环上三个 1H分子中间,施加已写入增加cw去耦脉冲和两个不同强度的梯度场后组成的新脉冲。
[0023]
与现有技术相比,本发明的有益效果是:
[0024]
本发明具有很好地精确度、灵敏度和选择性,能够准确的从组成成分复杂的体系中检测得到多巴胺的信号,同时很好地消除其它物质信号的干扰。同时,还具有操作简单、非介入的优势,可用于监控活体内多巴胺的含量和分布,在生物学、医学领域具有重要的应用价值。
[0025]
相对于现有技术,本发明具有以下优势:
[0026]
(1)现有磁共振技术无法实现对多巴胺分子信号的选择性观测的同时压制样品内所有其他信号;
[0027]
(2)可以应用于活体,不需要向生物体内注射探针分子,可在不损害组织的细胞的基础上,实时、在体检测多巴胺分子;
[0028]
(3)无需对待测样品中多巴胺进行分离,可以应用于混合样品多巴胺的检测;
[0029]
(4)对场强没有依赖性,只要利用巴胺分子的氢谱得到苯环上三个氢之间的J耦合大小和化学位移差值,就可以通过MATLAB计算得到所需要的脉冲参数,对多巴胺选择型检测;
[0030]
(5)方法简单,无需破坏多巴胺分子,只需利用核磁共振仪器施加特定的脉冲即可选择性检测多巴胺分子。

附图说明

[0031]
图1:多巴胺的分子结构及液体核磁氢谱。
[0032]
图2:多巴胺液体核磁氢谱,为制备多巴胺单态所用体系 1H谱(苯环上三个 1H)图,谱图范围为6.61ppm–6.89ppm。
[0033]
图3:本发明制备单态的脉冲序列示意图。多巴胺单态制备脉冲序列示意图。其中黑色长方形代表90度脉冲,白色方框代表180度脉冲。x,y代表脉冲相位,τ 15为自旋演化时间。该图中从第一个脉冲开始到τ 3时间结束为止为多巴胺核自旋耦合体系自旋单态的制备模块。从τ 4时间开始到τ 5时间结束为止为自旋单态转化可观测信号模块。
[0034]
图4:本发明实施例1中制备并检测多巴胺单态的核磁氢谱图。所用脉冲序列为图3所示脉冲序列。
[0035]
图5:本发明制备并检测单态的基础上加入梯度场与强功率cw去耦脉冲后的脉冲图。利用核自旋单态实现对多巴胺信号选择的脉冲序列。其中黑色长方形代表90度脉冲,白色方框代表 180度脉冲。x,y代表脉冲相位,τ 15为自旋演化时间,τ m为去耦脉冲作用时间,g 1和g 2表示梯度场脉冲。
[0036]
图6:多巴胺氘水溶液的核磁氢谱图。为本发明实施例1中在原来脉冲基础上,加入梯度场与强功率cw去耦脉后,制备并检测多巴胺单态的核磁氢谱图;所用脉冲序列为图5所示脉冲序列。谱图中水峰信号被极大压制。
[0037]
图7:多巴胺、肌酸、肌醇以及谷氨酰胺混合溶液的核磁氢谱图。
[0038]
图8:多巴胺、肌酸、肌醇以及谷氨酰胺混合溶液的核磁氢谱。在原来脉冲基础上,加入梯度场与强功率cw去耦脉后,制备混合体系多巴胺单态并检测多巴胺单态的核磁氢谱图。所用脉冲序列为图5所示脉冲序列。该谱图中除多巴胺苯环信号以外,所有其他信号都被极大压制。
[0039]
图9:本发明实施例2中制备混合体系多巴胺单态并检测多巴胺单态的核磁氢谱图。

具体实施方式

[0040]
结合以下具体实施例和附图,对本发明作进一步的详细说明。
[0041]
实施例1
[0042]
仪器:Bruker AVANCE III 500核磁共振仪。
[0043]
该实施例按如下步骤进行:
[0044]
步骤A:分析多巴胺 1H NMR谱图并归属信号。在多巴胺的 1H NMR谱图中(见图1,2),以1号与3号信号峰之间的中心频率为零点,1,2和3号信号峰的共振频率和J耦合值为:
[0045]
ω 1=36.5Hz,ω 2=-7.8Hz,ω 3=-36.5Hz;
[0046]
J 12=0Hz,J 13=8.14Hz,J 23=2.18Hz.
[0047]
步骤B:设计利用核自旋单态实现对多巴胺信号选择的脉冲序列。根据多巴胺的自旋性质,本发明设计了图5所示脉冲序列。该脉冲的设计主要步骤和思路如下:首先利用泡利算符构建三自旋体系的基算符,然后根据步骤A所得多巴胺苯环上三个 1H的共振频率与J耦合数值,该三自旋体系的哈密顿,以及哈密顿下演化算符如下所示:
[0048]
[0049]
[0050]
[0051]
其中:ω 1ω 2、ω 3分别代表苯环上三个氢原子的共振频率。 是三自旋体系下z 方向的基算符表达式,τ为演化时间, 为经过τ时间的演化算符, 的转置复共轭, 为体系哈密顿。
[0052]
x方向 度硬脉冲操作算符如下所示:
[0053]
[0054]
[0055]
其中: 是三自旋体系下x方向的基算符表达式, 的转置复共轭。
[0056]
三自旋体系在常温下处于热平衡态,密度算符如下所示:
[0057]
[0058]
以下为图5脉冲序列对应的密度算符的演化过程:
[0059]
1.加相位处于x方向的90度硬脉冲,利用基算符可以写成:
[0060]
[0061]
2.经过τ 1时间的演化:
[0062]
[0063]
3.施加相位处于x方向的180度硬脉冲:
[0064]
[0065]
4.经过τ 12时间的演化:
[0066]
[0067]
5.施加一个相位处于y方向的90度硬脉冲:
[0068]
[0069]
6.演化τ 3时间:
[0070]
[0071]
在哈密顿和硬脉冲的操作算符下演化,单态的目标算符设为:
[0072]
[0073]
与目标算符 相乘求迹,即可得到单态的转化率:
[0074]
[0075]
为使得单态转化率取得最大值,需要优化τ 1,τ 2,τ 3的取值。
[0076]
7.在τ 3时间演化后,施加脉冲梯度场g 1,其作用为弥散样品中所有非单态的磁共振信号。单态不受脉冲梯度场g 1作用。
[0077]
8.脉冲梯度场g 1后,施加时间为τ m的去耦脉冲,该脉冲作用是使样品中的单态得到保持。
[0078]
9.去耦脉冲后,施加脉冲梯度场g 2,其作用为进一步弥散样品中所有非单态的磁共振信号。
[0079]
因为单态无法直接检测,需要将其转化为可观测信号。脉冲梯度场g 2后体系的演化过程如下:
[0080]
10.经过τ 4时间的演化:
[0081]
[0082]
11.施加y方向的90度硬脉冲:
[0083]
[0084]
12.经过τ 5时间的演化:
[0085]
[0086]
在单态效率达到最优值的基础上,以制备单态后的量子态为初态,其目标量子态设为
[0087]
[0088]
与目标量子态 相乘后求迹即可得到末态在目标量子态上的投影:
[0089]
[0090]
R代表由单态转化的可观测信号,为了使得其取得最大值,需要不断优化τ 4,τ 5的取值。
[0091]
步骤C:利用步骤B设计的脉冲实现对多巴胺信号的选择。实验中需对实验参数进行优化。优化后,本实验取τ 1=30.9ms,τ 2=6.8ms,τ 3=3.4ms,τ 4=6.8ms,τ 5=3.3ms.脉冲梯度场g 1施加时间1ms,强度为5Gauss/cm,方向处于z方向。脉冲梯度场g 2与g 1相同。去耦脉冲为连续波(cw)去耦,施加时间100ms,功率为3瓦特。利用上述参数,本发明获得了图6中的核磁谱图。样品为多巴胺氘水溶液。
[0092]
即,本实施例包括以下具体步骤:
[0093]
由制备多巴胺单态到实现多巴胺信号滤波(所用仪器为AVANCE III 500核磁共振仪(Bruker))具体步骤为:
[0094]
步骤1:本实施例为多巴胺溶于D 2O的体系,配制质量分数为3%多巴胺的氘水溶液,施加90°脉冲,获得图1所示的多巴胺 1H谱各信号峰,其中,多巴胺苯环上的三个 1H处于最左边,水峰处于谱图中间信号,右边为多巴胺分子乙基信号。选择多巴胺结构中苯环上的三个氢(如图2所示 1H谱上标记的1,2,3号峰)的谱峰作为目标峰,定标至1号与3号峰中间,读出该体系各个氢之间的J耦合值及其对应的化学位移:
[0095]
ω 1=36.5Hz,ω 2=-7.8Hz,ω 3=-36.5Hz;
[0096]
J 12=0Hz,J 13=8.14Hz,J 23=2.18Hz.
[0097]
步骤2:首先利用泡利算符构建三自旋体系的基算符,然后根据步骤1所得多巴胺苯环上三个 1H的化学位移与相互之间J耦合的大小,写出三自旋体系的哈密顿量,以及哈密顿量下演化算符如下所示:
[0098]
[0099]
[0100]
[0101]
其中:ω 1、ω 2、ω 3分别代表苯环上三个氢原子的化学位移大小。 是三自旋体系下z方向的基算符表达式,τ为演化时间, 为经过τ时间的演化算符, 的转置复共轭, 为体系哈密顿量。
[0102]
再写出90度硬脉冲和180硬脉冲所对应的操作算符,以相位处于x方向的90度硬脉冲为例,如下所示:
[0103]
[0104]
[0105]
其中: 是三自旋体系下x方向的基算符表达式, 的转置复共轭。
[0106]
三自旋体系再常温下处于热平衡态,如下所示:
[0107]
[0108]
根据弱耦合体系下制备二自旋系统单态的脉冲形式,如图3b所示:
[0109]
1.加相位处于x方向的90度硬脉冲,利用基算符可以写成:
[0110]
[0111]
2.经过τ 1时间的演化:
[0112]
[0113]
3.施加相位处于x方向的180度硬脉冲:
[0114]
[0115]
4.经过τ 12时间的演化:
[0116]
[0117]
5.施加一个相位处于y方向的90度硬脉冲:
[0118]
[0119]
6.演化 时间即演化τ 3时间
[0120]
[0121]
这段脉冲的作用是制备多巴胺分子苯环上三个 1H构成三自旋体系的单态,简称为制备脉冲。
[0122]
在哈密顿量和硬脉冲的操作算符下演化,单态的目标算符设为:
[0123]
[0124]
经过硬脉冲的操作算符和哈密顿量下的演化,得到最后的末态 与目标算符 相乘求迹,即可得到单态上的投影:
[0125]
[0126]
S代表单态的转化率,为了使得单态取得最大值,需要利用MATLAB拟合,首先将上述公式分别写入MATLAB脚本,再利用编程不断优化τ 1 τ 2的取值,使得单态项(S的绝对值)达到最优值。经过优化,本实验取τ 1=30.9ms,τ 2=6.8ms,此时单态效率可以取最优值。
[0127]
因为单态不为单量子信号,因此无法直接检测单态信号,需要施加一段检测脉冲,其形式为:
[0128]
1.经过τ 4时间的演化:
[0129]
[0130]
2.施加一个相位处于y方向的90度硬脉冲:
[0131]
[0132]
3.经过τ 5时间的演化:
[0133]
[0134]
在单态效率达到最优值的基础上,以制备单态后的量子态为初态,其目标量子态设为
[0135]
[0136]
同理,经过检测脉冲的作用,将最后的末态 与目标量子态 相乘后求迹即可得到末态在目标量子态上的投影:
[0137]
[0138]
R代表目标量子态的转化率,为了使得其取得最大值,需要利用MATLAB拟合,不断优 化τ 4 τ 5的取值,使得R的绝对值达到最大值。经过优化,本实施例取τ 4=3.3ms,τ 5=6.8ms。
[0139]
经过上述计算,将弱耦合体系下制备二自旋系统单态的脉冲形式与上述计算所得脉冲参数组合,可得到制备多巴胺苯环上 1H组成三自旋系统单态的完整脉冲序列。
[0140]
步骤3:将步骤2最终所得到的完整脉冲,用核磁共振仪器的语言写入计算机,再将多巴胺氘水溶液放入磁体中,然后进行锁场、调谐及匀场操作,最后将发射机的射频中心对准多巴胺苯环上三个 1H分子中间,施加已写入计算机的完整脉冲,制备并检测多巴胺分子的单态。检测后的多巴胺核磁氢谱图如图4所示,左边三个信号来源于多巴胺苯环上三个 1H,右边为氘水中的水信号,可以看出,制备单态并检测单态后,氘水中水的信号强度仍旧远大于多巴胺分子的信号,未能实现选择性滤波,因此,再制备单态的基础上需要改进。
[0141]
制备多巴胺单态的脉冲序列可根据实际需求进行不同设计,可利用不同的制备单态脉冲序列实现多巴胺的单态制备。
[0142]
步骤4:在步骤3制备单态并检测单态的基础上,在制备单态和检测单态中间新增强功率的cw脉冲和两个不同强度的梯度场,脉冲形式如图5所示,b之前的脉冲为制备多巴胺单态,b到c为新增的cw脉冲和两个不同强度的梯度场,c之后的为检测多巴胺分子的单态,其中cw脉冲的施加时间取100ms,功率为3瓦特。两个不同强度的梯度场要求施加时间取1ms,强度为5Gauss/cm,方向处于z方向。在这个过程中,要不断优化cw的是施加时间与功率,使得滤波效果达到最优,即:滤掉非单态成分,只保留多巴胺分子苯环上三个氢的信号。实验结果如图6所示,左边三个信号来源于多巴胺苯环上三个 1H,右边为氘水中的水信号,可以看出,在制备单态和检测单态之间增加cw去耦脉冲和梯度场后,氘水中水的信号强度远小于多巴胺分子的信号,实现了选择性滤波。
[0143]
实施例2
[0144]
仪器:Bruker AVANCE III 500核磁共振仪。
[0145]
该实施例按如下步骤进行:
[0146]
步骤A:配置质量分数均为1.5%的多巴胺、肌酸、肌醇以及谷氨酰胺氘水溶液,采集该样品的 1H NMR谱(图7)。分析图7核磁谱图并归属信号:最左边为多巴胺分子苯环上 1H的信号,中间4.7ppm处为水的信号,右边为多巴胺乙基、肌酸、肌醇以及谷氨酰胺的 1H信号。如果以1号与3号信号峰之间的中心频率为零点,1,2和3号信号峰的共振频率和J耦合值为:
[0147]
ω 1=36.5Hz,ω 2=-7.8Hz,ω 3=-36.5Hz;
[0148]
J 12=0Hz,J 13=8.14Hz,J 23=2.18Hz.
[0149]
步骤B:由于混合体系下,多巴胺分子苯环上三自旋系统的J耦合与化学位移值并未发生变化,体系的哈密顿也没有发生变化。该实例中直接采用了图5所示脉冲序列。
[0150]
步骤C:与实施例1中的步骤C类似。该实例中使用了实施例1中的实验参数。最终获得图8中所示谱图。
[0151]
即,本实施例包括以下具体步骤:
[0152]
由制备混合体系下多巴胺单态到实现多巴胺信号滤波(所用仪器为AVANCE III 500核磁共振仪(Bruker))具体步骤为:
[0153]
步骤1:配置质量分数均为1.5%的多巴胺、肌酸、肌醇以及谷氨酰胺氘水溶液,将其放置核磁共振仪器中,施加90°脉冲,获得图7所示的多巴胺 1H谱各信号峰,最左边为多巴胺分子苯环上H的信号,中间4.7ppm处为水的信号,右边为多巴胺乙基、肌酸、肌醇以及谷氨酰胺的H信号。读出该体系各个氢之间的J耦合值及其对应的化学位移:
[0154]
ω 1=36.5Hz,ω 2=-7.8Hz,ω 3=-36.5Hz;
[0155]
J 12=0Hz,J 13=8.14Hz,J 23=2.18Hz.
[0156]
步骤2:由于混合体系下,多巴胺分子苯环上三自旋系统的J耦合与化学位移值并未发生变化,体系的哈密顿量也没有发生变化。可直接采用实施例1的步骤2中,弱耦合体系下制备二自旋系统单态的脉冲形式与计算所得脉冲参数,两者组合即得完整脉冲。
[0157]
步骤3:与实施例1中的步骤3类似,施加已写入计算机的完整脉冲,制备并检测多巴胺分子的单态。检测后的多巴胺核磁氢谱如图9所示,最左边多巴胺分子苯环上H的信号强度几乎没有发生变化,只是相位发生了变化。中间4.7ppm处为水的信号,可以看出信号强度大幅度衰减。最右边为多巴胺乙基、肌酸、肌醇以及谷氨酰胺的H信号,其信号强度发生了变化,但与多巴胺分子的信号相比,还较高。总的来说,相较于氢谱(图7),图谱中其它非单态信号强度得到一定的压制,但除水信号外的其它效果都不明显。
[0158]
步骤4:在步骤3制备单态并检测单态的基础上,在制备单态和检测单态中间新增强功率的cw脉冲和两个不同强度的梯度场,脉冲形式如图5所示,b之前的脉冲为制备多巴胺单态,b到c为新增的cw脉冲和两个不同强度的梯度场,c之后的为检测多巴胺分子的单态,其中cw脉冲的施加时间取100ms,功率为3瓦特。两个不同强度的梯度场要求施加时间取1ms,强度为5Gauss/cm,方向处于z方向。结果如图8所示,最左边多巴胺分子苯环上H的 信号强度有了一定的衰减,而且相位发生了变化;中间4.7ppm处为水的信号,可以看出信号强度几乎为0,经过计算,与氢谱水的信号相比,水信号高度剩下不到0.1%;最右边为多巴胺乙基、肌酸、肌醇以及谷氨酰胺的 1H信号,其信号强度发生了明显的变化,与多巴胺分子的信号相比,可以几乎忽略不计。总的来说,相较于氢谱(图9),图谱中其它非单态信号强度几乎完全受到压制,特别是水的信号强度几乎衰减至0,仅保留多巴胺的单态信号,实现在该混合体系中对多巴胺信号的选择性检测。
[0159]
本发明公开了的基于磁共振核自旋单态选择性检测多巴胺的方法。该方法利用多巴胺苯环上三个氢的核自旋单态实现在复杂体系中对多巴胺信号的选择性检测。本发明基于磁共振技术检测多巴胺,具有很好地精确度、灵敏度和选择性,能够准确的从组成成分复杂的体系中检测得到多巴胺的信号,很好地消除其它物质信号的干扰。同时,本发明还具有操作简单、非介入的优势,可用于监控活体内多巴胺的含量和分布,在生物学、医学领域具有重要的应用价值。
[0160]
以上所述仅为本发明的较佳实施例,本领域的技术人员可以在本发明精神内进行修改或者等同替换,凡依本发明精神所做的变化,皆应属本发明所要求保护的涵盖范围。

权利要求书

[权利要求 1]
一种基于磁共振核自旋单态选择性检测多巴胺的方法,其特征在于,该方法包括以下具体步骤: 步骤A:获取待测样品中多巴胺分子苯环上三个 1H的化学位移和J耦合数值; 步骤B:根据多巴胺分子自旋特征,设计利用核自旋单态实现对多巴胺信号选择的脉冲序列; 步骤C:利用所设计的脉冲序列,通过制备多巴胺分子苯环上三个 1H所形成的自旋耦合体系的核自旋单态,并在单态存在期间利用脉冲梯度场弥散样品中非单态的其他信号,最终实现对多巴胺分子信号的选择。
[权利要求 2]
根据权利要求1所述的基于磁共振核自旋单态选择性检测多巴胺的方法,其特征在于,步骤A的目的为通过分析样品的核磁共振谱图获得多巴胺分子的核自旋耦合特征。
[权利要求 3]
根据权利要求1所述的基于磁共振核自旋单态选择性检测多巴胺的方法,其特征在于,所述步骤B所设计的脉冲序列中包含多巴胺核自旋耦合体系自旋单态的制备模块和自旋单态转化可观测信号模块。
[权利要求 4]
根据权利要求3所述的基于磁共振核自旋单态选择性检测多巴胺的方法,其特征在于,多巴胺核自旋单态的制备模块和自旋单态转化为可观测信号模块:该序列模块中,首先施加x方向90度硬脉冲,等待τ 1时间后施加x方向180度硬脉冲,等待τ 12后施加y方向90度硬脉冲,随后等待τ 3时间;到τ 3时间为止,这段部分脉冲组合是多巴胺分子苯环上三个 1H所构成三自旋体系核自旋单态的制备模块;τ 3时间后为τ 4演化时间;τ 4演化时间后施加y方向90度硬脉冲,然后等待τ 5时间;这部分脉冲组合是核自旋单态转化为可观测信号的模块;该序列模块中,τ 1,τ 2,τ 3的取值影响多巴胺分子苯环上三个 1H构成三自旋体系单态的产生效率,为了使得单态效率达到最大值,需要优化τ 1,τ 2,τ 3的取值;τ 4,τ 5的取值与最后多巴胺的检测信号相关;为使最后多巴胺的检测信号最大,需要优化τ 4,τ 5的取值。
[权利要求 5]
根据权利要求1所述的基于磁共振核自旋单态选择性检测多巴胺的方法,其特征在于,步骤B所设计的脉冲序列中包含:核自旋单态演化过程中通过施加脉冲梯度场以弥散除核自旋单态外的所有其他信号;所述脉冲序列开始到τ 3时间结束为止为单态制备模块;在该制备模块后为第一个梯度脉冲g 1,随后为单态演化阶段;在此单态演化阶段,可加入去耦脉冲;去耦脉冲能尽可能减少环境因素对单态演化的影响;为更好的弥散非单态信号,在该阶段可施加第二个梯度脉冲g 2
[权利要求 6]
根据权利要求1或5所述的基于磁共振核自旋单态选择性检测多巴胺的方法,其特征在于,该方法具体包括以下步骤: 步骤1:将已配好质量分数为2%-5%多巴胺的氘水溶液放置于磁共振仪中,对多巴胺的氘水 溶液施加90度硬脉冲,使得 1H信号被激发,获取多巴胺分子的氢谱,得到多巴胺分子苯环上三个 1H的化学位移和相互之间J耦合的大小; 步骤2:根据弱耦合体系下制备二自旋系统单态的脉冲形式,针对多巴胺分子苯环上的三个氢构成的三自旋系统,由步骤1得到的化学位移和相互之间J耦合的大小,利用MATLAB软件,计算三自旋系统下制备多巴胺单态和检测多巴胺单态所需的脉冲参数,得到多巴胺苯环上三个氢构成三自旋系统的单态效率达到最大值的脉冲序列; 步骤3:将弱耦合体系下制备二自旋系统单态的脉冲形式和步骤2计算所得三自旋系统下制备多巴胺单态和检测多巴胺单态所需的脉冲参数进行组合得到的完整脉冲,施加到多巴胺氘水溶液上,制备获得苯环上三个氢组成的三自旋系统的单态,并检测其单态; 步骤4:在步骤3制备和检测多巴胺单态的基础上,在制备单态脉冲和检测单态脉冲之间,增加cw去耦脉冲和两个不同强度的梯度场,组成新的脉冲;新脉冲的作用分为三个阶段,第一个阶段制备多巴胺分子苯环上三个氢的单态;第二个阶段,由于单态不受梯度场和cw去耦脉冲的影响,因此将非单态信号滤掉,只保留多巴胺分子苯环上三个氢的单态;第三个阶段,检测多巴胺分子苯环上三个氢的单态;最终达到选择性滤波的目的,只保留苯环上的三个 1H信号;整个过程中,需要不断优化cw脉冲的作用时间,使得滤波效果达到最优。
[权利要求 7]
根据权利要求6所述的基于磁共振核自旋单态选择性检测多巴胺的方法,其特征在于,步骤1所述多巴胺分子的氢谱,左边三个信号代表苯环上三个 1H的信号,中间单峰为水信号,最右边是多巴胺分子乙基信号;由多巴胺分子的氢谱,获取多巴胺分子苯环上三个氢之间的J耦合和化学位移。
[权利要求 8]
根据权利要求6所述的基于磁共振核自旋单态选择性检测多巴胺的方法,其特征在于,所述步骤2具体为:先施加相位处于x方向的90度硬脉冲,而后等待τ 1时间,再施加相位处于x方向的180度硬脉冲,再等待τ 12时间,接下来施加一个相位处于y方向的90度硬脉冲,等待 时间即等待τ 3时间;这段脉冲的作用是制备多巴胺分子苯环上三个 1H构成三自旋体系的单态,简称为制备脉冲;而单态信号无法直接观测,需要另外一段脉冲检测多巴胺分子苯环上三个 1H构成三自旋体系的单态,简称为检测脉冲;检测脉冲形式为,先经过τ 4时间的等待,再施加一个相位处于y方向的90度硬脉冲,再等待τ 5的时间,直接ADC采样,直到采样信号衰减完;在这个过程中,τ 1,τ 2的取值影响多巴胺分子苯环上三个 1H构成三自旋体系单态的产生效率,为了使得单态效率达到最大值,利用MATLAB软件进行设计τ 1,τ 2的取值; 首先,在MATLAB脚本里先构建三自旋体系的64个基算符,再写出多巴胺分子苯环上三个氢组成三自旋体系的哈密顿量,最后得到90度硬脉冲和180度硬脉冲所对应的操作算符;接下来,体系由热平衡信号不断在硬脉冲的操作算符和哈密顿量下进行演化,不断优化τ 1,τ 2演化时间,使得单态转化率都达到最大值;同理,在产生单态的基础上,设计检测脉冲中τ 4,τ 5的取值,使得检测信号的达到最优值;最后,弱耦合体系制备二自旋系统单态的脉冲形式与计算所得脉冲参数组合将得到制备和检测多巴胺分子三自旋体系单态的完整脉冲。
[权利要求 9]
根据权利要求6所述的基于磁共振核自旋单态选择性检测多巴胺的方法,其特征在于,步骤3所述制备获得苯环上三个氢组成的三自旋系统的单态,并检测其单态,具体为:将步骤2所得到的完整脉冲,用核磁共振仪器的语言写入计算机,再将多巴胺氘水溶液放入磁体中,然后进行锁场、调谐及匀场操作,最后将发射机的射频中心对准多巴胺苯环上三个 1H分子中间,施加已写入计算机的完整脉冲,制备并检测多巴胺分子的单态。
[权利要求 10]
根据权利要求6所述的基于磁共振核自旋单态选择性检测多巴胺的方法,其特征在于,步骤4所述在制备单态脉冲和检测单态脉冲之间,增加cw去耦脉冲和两个不同强度的梯度场,组成新的脉冲,具体为:cw脉冲的施加时间在50ms到1s之间,功率为1瓦特到15瓦特;两个不同强度的梯度场要求施加时间在1ms到5ms之间,强度为5到10Gauss/cm,方向处于z方向;将增加cw去耦脉冲和两个不同强度的梯度场后组成的新脉冲用核磁共振仪器的语言写入计算机,接着进行锁场、调谐及匀场操作,最后将发射机的射频中心对准多巴胺苯环上三个 1H分子中间,施加已写入增加cw去耦脉冲和两个不同强度的梯度场后组成的新脉冲。
[权利要求 11]
根据权利要求1所述的基于磁共振核自旋单态选择性检测多巴胺的方法,其特征在于,步骤C针对多巴胺分子苯环上三个 1H所形成的自旋耦合体系制备核自旋单态;多巴胺分子中存在多个自旋体系;多巴胺分子苯环上三个 1H所形成的自旋耦合体系能够有效的被制备为核自旋单态。

附图

[ 图 1]  
[ 图 2]  
[ 图 3]  
[ 图 4]  
[ 图 5]  
[ 图 6]  
[ 图 7]  
[ 图 8]  
[ 图 9]