Pulse Field Gradients.

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1 Pulse Field Gradients

2 1: 简介 2: 硬件配置 3: 软件 4: 梯度场的应用 1) 相干路径选择 2) 噪音 / 溶剂信号压制 3) 扩散实验 4) 梯度匀场
GRADIENTS 梯度场 1: 简介 2: 硬件配置 3: 软件 4: 梯度场的应用 1) 相干路径选择 2) 噪音 / 溶剂信号压制 3) 扩散实验 4) 梯度匀场

3 梯度场的优点 1. 减少相位循环的步数 2. 缩短二维和三维实验所需的时间 3. 降低噪音信号（如二维谱中的 t1噪音），提高谱图质量
4. 有效的压制溶剂信号 5. 利用扩散系数进行谱编辑

4 梯度场简介 在平衡状态下，核自旋绕Z轴进动， 其相位随机分布。 宏观磁化矢量位于Z轴方向 施加90ox脉冲 宏观磁化矢量在XY平面内进动
其相位相干。 y x

5 梯度场简介 通常在样品高度范围内磁场是均匀的 z y Bo x
在旋转坐标系中核磁距是静止的，旋转坐标系的运动频率为Larmor频率：w = g Bo

6 梯度场简介 在Z轴方向施加一个线性变化的梯度场 z y Bo x +zGz -zGz
g Bo + g z Gz g Bo 在Z轴方向施加一个线性变化的梯度场 当在Z轴方向施加一个梯度场后，在Z轴上不同位置的核自旋所感受到的实际磁场 强度是不同的，核自旋的进动频率也就不同（与位置相关）：w (z) = g Bo + g z Gz

7 梯度场简介 Gz 当梯度场施加一段时间（t）以后，核磁距在XY平面内会展开。 在不同位置核磁距的相位可表示如下：
f (z) = g Bo t + g z Gz t 当施加梯度场时，不同位置的核的进动频率会不同，有些会进动的快一些，有些 会慢一些。一旦停止施加梯度场，所以的核又会以同样的频率进动，但是它们的 相位会相互不同（dephased）。 z z Gz y y x x

8 梯度场简介 Gz - Gz Gz 梯度场可以选择性的使特定磁化矢量的相位散开/重聚，同时其它的磁化 矢量不受影响。 z z z y y y
x Gz - Gz y y x 相位散开 x 相位重聚 x y z 对于纵向磁化矢量无影响 Gz 梯度场可以选择性的使特定磁化矢量的相位散开/重聚，同时其它的磁化 矢量不受影响。

9 梯度场 硬件配置 GRASP II –z 轴梯度 GCU (梯度控制单元) AQS GAB (梯度功放板) BSMS or
GREAT 1/10 梯度功放 z- 轴梯度线圈的探头 GRASP III-x,y,z 轴梯度 Great 3/10梯度功放 x, y, z- 轴梯度线圈的探头

10 梯度场 硬件配置 GCU 产生梯度脉冲 GAB / GREAT 放大由 GCU 产生的信号
GREAT 梯度功放的预加强（Preemphasis）和直流偏置（DC offset）可以用软件调节 GAB 梯度功放的预加强（Preemphasis）和直流偏置（DC offset）不可以用软件调节

11 梯度场 软件 当施加梯度脉冲时，我们需要定义： p16 梯度脉冲的时间长度 gp(x,y,z)1 梯度脉冲的幅度
gpnam1 梯度脉冲的形状 d16 梯度恢复时间 在 Z 方向施加1ms sine 形状，幅度为10%，采样参数可以定义如下： p16 = 1ms gpz1=10, gpx1=0, gpy1=0 gpnam1=SINE.100

12 梯度场 软件 ;pl1 : f1 channel - power level for pulse (default)
;cosygpqf ;avance-version (00/04/28) ;2D homonuclear shift correlation ;using gradient pulses for selection #include <Avance.incl> #include <Grad.incl> "d0=3u" d13=4u" 1 ze 2 d1 3 p1 ph1 d0 50u UNBLKGRAD p16:gp1 d16 p0 ph2 d13 p16:gp2 4u BLKGRAD go=2 ph31 d1 mc #0 to 2 F1QF(id0) exit ph1=0 2 ph2= ph31=0 2 ;pl1 : f1 channel - power level for pulse (default) ;p1 : f1 channel degree high power pulse ;p16: homospoil/gradient pulse ;p0 : f1 channel to 90 degree high power pulse ;d0 : incremented delay (2D) [3 usec] ;d1 : relaxation delay; 1-5 * T1 ;d13: short delay [4 usec] ;d16: delay for homospoil/gradient recovery ;in0: 1/(1 * SW) = 2 * DW ;nd0: 1 ;NS: 1 * n ;DS: 16 ;td1: number of experiments ;FnMODE: QF ;use gradient ratio: gp 1 : gp 2 ; : 10 ;for z-only gradients: ;gpz1: 10% ;gpz2: 10% ;use gradient files: ;gpnam1: SINE.100 ;gpnam2: SINE.100

13 梯度场 软件 梯度场的幅度存在一个列表中“gp0-31”

14 梯度场 软件 所有使用梯度场的脉冲程序都必需在程序的开头包含一下语句： # include <Grad.incl>
Grad.incl 文件位于 pp 目录下 (~/exp/stan/nmr/lists/pp)，它含有一系列对硬件进行操作的命令

15 梯度场 软件 Grad.incl ;Grad2.incl - include file for Gradient Spectroscopy
; for TCU3 ; ;avance-version (00/07/27) ;gradient pulse for gs-syntax #define GRADIENT(ampl) p16:ngrad #define GRADIENT2(ampl) p19:ngrad ;blank/unblank gradient amplifier and turn lock-hold on/off #define BLKGRAD setnmr3^0 setnmr0^34^32^33 #define UNBLKGRAD setnmr3|0 setnmr0|34|32|33 ;blank/unblank gradient amplifier #define BLKGRAMP setnmr0^34^32^33 #define UNBLKGRAMP setnmr0|34|32|33 ;for RCB board (BSMS) #define RCB_INCR setnmr3|4 #define RCB_CONT setnmr3^4 define list<gradient> EA=<EA>

16 梯度场 软件 梯度场和 PROSOL 表

17 1. 相干路径选择 2. 噪音信号压制 3. 溶剂信号压制 4. 梯度匀场
梯度场的应用 1. 相干路径选择 2. 噪音信号压制 3. 溶剂信号压制 4. 梯度匀场

18 梯度场 相干选择 相干传递的路径可以用梯度脉冲进行选择，从而取代用相位循环进行相干传递路径选择。这可以降低： - 相位循环的步数
- 实验总的采样时间 - 二维谱中的 t1 噪音

19 梯度场 相干选择 如何利用梯度场实现相干选择? 在脉冲序列中，当磁化矢量位于 xy 平面内时，施加梯度脉冲，使磁化矢量的相位散开。
在采样前施加的最后一个梯度使经历了我们所需要相干路径的磁化矢量的相位得到重聚，产生核磁信号；不需要的磁化矢量的相位进一步散开，从而不被检测到。 在核磁实验中，受到脉冲序列中所有梯度脉冲作用效果总和为零的相干才会有核磁信号。这可以由如下公式来表示： S Gzi (S pigi) = 0 p ：相干级数 g ：旋磁比 假设梯度脉冲的时间和形状都相同

20 梯度场 相干选择 相干路径选择比较 相位循环 2D COSY 梯度场 2D COSY 1H 1H Gz 90 90 90 90 t1 t1
acq 1H acq gp1 gp2 d Gz N-type N-type 1 1 -1 -1 P-type

21 梯度场 相干选择 计算梯度脉冲的幅度 梯度 COSY Gz1 p1gH + Gz2 p2gH = 0
d gp1 90 gp2 acq t1 为了选择特定的相干路径，所有的梯度脉冲对此相干路径的作用应该为零： Gz1 p1gH + Gz2 p2gH = 0 Gz1 (+1)gH + Gz2 (-1)gH = 0 Gz1 = Gz2

22 梯度场 相干选择 梯度 COSY 实验 NS = 1 梯度 COSY 实验 NS = 1 P-type 数据 （gpz1 = - gpz2）
N-type 数据（gpz1 = gpz2） 非梯度 COSY 实验 NS = 1 不用相位循环的话，反对角线峰和轴峰都出现在谱图中。

23 梯度场 相干选择 梯度场可以很好的提高2D异核相关实验的质量。在反式2D异核
相关实验中，由于是检测H的信号，所以1H-12C 或 1H-14N 上H的 信号会干扰1H-13C 或 1H-15N 的相关信号。利用梯度场可以有效的 消除这种干扰。 梯度 HMQC 1H Gz d gp1 90 gp2 acq 180 13C t1 gp3 garp

24 梯度场 相干选择 梯度 HMQC 1H 13C Gz d gp1 90 gp2 acq 180 t1 gp3 garp H(0)X(0)
I+S+ I-S+ I-

25 梯度场 相干选择 梯度 HMQC 脉冲序列所选择的相干路径 I+S+ I-S+ I- 总的梯度作用结果必需为零：
Gz1 (p1gH + p1g13C) + Gz2 (p2gH + p2g13C) + Gz3 (p3gH + p3g13C) = 0 Gz1 (gH + g13C) + Gz2 (-gH + g13C) + Gz3 (-gH) = 0 已知： gH ~ 4g13C , 代入上式可得： 5Gz1 - 3Gz2 - 4Gz3 = 0 其中一个解为： G1= 5, G2 = 3, G3 = 4 另一个解为： G1 = 2, G2 = 2, G3 = 1

26 梯度场 相干选择 梯度 HMQC 梯度 HMQC gpz1 = 50 gpz1 = 20 gpz2 = 30 gpz2 = 20

27 梯度场 相干选择 梯度 HMQC 如果要做 1H –31P 梯度 HMQC 实验，可以设置如下：
在 edsp 中设 F1 =1H ； F2 = 31P 执行自动程序 ‘gradratio’ 自动程序会计算合适的梯度幅度 例如：对于梯度 1H –31P HMQC G1 = 60, G2 = 20, G3 = 72.4

28 梯度场 相干选择 使用梯度场的不利之处在于：与相位循环相比，梯度场只选择一个相 干路径，从而使得实验的灵敏度降低。 BUT
由于降低了噪音，信噪比的损失并不大。 AND 可以用不同的脉冲序列来提高灵敏度： Echo- antiecho 灵敏度增强（Sensitivity enhancement）

29 梯度场 相干选择 实验 灵敏度 HSQC 相位循环 1.0 梯度相干选择 0.5 梯度 echo-antiecho 0.7
实验 灵敏度 HSQC 相位循环 梯度相干选择 梯度 echo-antiecho 梯度 echo-anitecho 灵敏度增强 相位循环 D.R. Muhandiram and L.E. Kay, J. Magn. Reson., Series B, 103, 203 – 216 (1994)

30 梯度场 噪音压制 梯度场可以用来破坏那些可能导致噪音信号的磁化矢量。 怎样实现噪音信号的压制?
当我们所需的信号在 Z 轴方向时，施加梯度场可以把 xy 平面内 磁化矢量的相位完全打散，从而检测不到信号。 这一方法在许多脉冲序列中都有应用。

31 梯度场 噪音压制 使用净化（Purge）梯度脉冲的 DQF-COSY 净化梯度脉冲可以保证在实验开始前只存在磁化矢量 Iz 。 1H Gz
90 90 90 90 180 90 180 d1 t1 acq 1H gp2 gp0 gp0 gp1 d Gz 净化梯度脉冲可以保证在实验开始前只存在磁化矢量 Iz 。

32 梯度场 噪音压制 NOESY实验，在混合期施加“扰动”梯度脉冲 在混合期施加的梯度脉冲使水平方向（XY）磁化矢量相位散开（Z-filter)
90 90 90 t1 tmix 1H acq gp1 d Gz 在混合期施加的梯度脉冲使水平方向（XY）磁化矢量相位散开（Z-filter)

33 梯度场 噪音压制 IySz -IySz Iy -Iy 1H 1H 13C Gz Gz 消除180o 重聚脉冲的瑕疵 1H
90 180 90 D D 90 180 Iy Iy IySz IySz 1H 180 90 1H gp1 gp1 13C d Gz gp1 gp1 Gz 消除180o 重聚脉冲的瑕疵 1H Gz d 180 gp1 gp2 消除180o 反转脉冲的瑕疵

34 梯度场 溶剂峰压制 梯度场可以有效的对强的溶剂信号进行压制。 最常用的实验技术有： 水门（WATERGATE 选择性180度脉冲）
魔角梯度（Magic Angle Gradients）

35 梯度场 溶剂峰压制 利用梯度场和选择性激发进行水峰压制 第一个梯度脉冲使所有磁化矢量相位散开。选择
90sel 180 90sel 90 180 sel 180 sel 1H acq gp1 gp1 d Gz 3a 9a 19a 19a 9a 3a 第一个梯度脉冲使所有磁化矢量相位散开。选择 性180o 脉冲反转除了水峰外所有的磁化矢量。第 二个梯度脉冲重聚所有被反转的磁化矢量，水峰 的相位被进一步打散。 t t t t t 26a = 180

36 梯度场 魔角梯度 使用魔角梯度的DQF-COSY 利用魔角梯度进行相干路径的选择，可以更有效的压制水峰。 1H Gz 90 90 180
t1 1H acq gp2xyz gp1xyz Gz 利用魔角梯度进行相干路径的选择，可以更有效的压制水峰。

37 当匀场很好时，整个样品体积内磁场是均匀的
梯度场 梯度匀场 当匀场很好时，整个样品体积内磁场是均匀的 z y Bo x y x y x y Spectrum x y x

38 Spectra at various slices Sum of all spectra shows ‘hump’
梯度场 梯度匀场 匀场不好，磁场不均匀时 z Bo Spectra at various slices inhomogeneity Sum of all spectra shows ‘hump’

39 梯度场 梯度匀场 如果 Z1 匀场发生了偏离，则会有一个线性的磁场梯度施加在样品上。 信号峰会发生宽化。
Z3 和 Z5 等奇数项匀场的偏离都会导致峰形变宽。

40 梯度场 梯度匀场 如果 Z2 匀场发生了偏离，会有一个抛物线形磁场梯度施加在样品上。 信号峰的一侧会发生隆起。
Z4 和 Z6 等偶数项匀场的偏离也会导致同样的结果。

41 梯度场 梯度匀场 Z 方向室温匀场函数图。匀场是用来补偿样品体积范围内磁场的不均匀性。根据磁场强度的不同，Bruker 标准腔磁体有 20 组 (BOSS I) 或 34 组 (BOSS II) 室温匀场线圈。

42 梯度场 梯度匀场 实例： 由于 Z1 和 Z2 匀场偏离导致磁场的不均匀。
通过一个与磁场不均匀性大小相等、方向相反的匀场来补偿磁场的不均匀性。

43 梯度场 梯度匀场 当Bo 不均匀时，所得到的谱图是所有片层信号叠加的结果。 我们可以利用梯度场来确定Bo 不均匀的位置，以及那一个匀场
的设置有问题。 使用梯度我们可以在空间上分辨由于匀场不好而造成的磁场不均 匀性。

44 梯度场 梯度匀场 在Z 轴方向施加一个线性的梯度场 z y Bo x +zGz y x y x -zGz y x y x
g Bo + g z Gz Bo x +zGz y x y g Bo x -zGz y x y g Bo + g z Gz x

45 梯度场 梯度匀场 z-轮廓谱（z-Profile） z Bo +zGz -zGz
Spectra at various slices +zGz -zGz Sum of all spectra 当外加梯度场时，沿Z轴方向不同片层中核自旋所感受到的实际场强是不同的， 其共振频率也就不同。z- 轮廓谱就是不同片层信号叠加所得到的谱图。

46 梯度场 梯度匀场 由匀场不好导致的磁场不均匀总是存在的，由梯度场所导致的磁场不均匀是 可以人为控制的。梯度场可以安照要求被打开或关闭。
如果我们进行两次梯度实验，所得的实验结果相减，由梯度场所导致的磁场 不均匀性就会被除去。由匀场不好导致的磁场不均匀性会保留下来。 在梯度匀场中，我们进行两次梯度回波的实验，所用的回波时间分别为TE1 和TE2，其中TE2大于TE1。这两次实验的差减谱反映了由匀场不好导致的磁 场不均匀对信号相位的影响。 这一影响可以通过调节相应的匀场线圈得到补偿。通过对参考的maps进行最 小二乘拟合，我们就可以得到需要补偿的匀场线圈组及其数值。参考的maps 反映了单位匀场变化对相位的影响。

47 梯度场 梯度匀场 梯度回波实验 1H Gz 在梯度匀场中，进行两次梯度回波实验，回波的时间TE 不同 t 2t Pulse acq gp1
d TE Gz t 2t 在梯度匀场中，进行两次梯度回波实验，回波的时间TE 不同

48 梯度场 梯度匀场 梯度回波实验 FT MC

49 Topshim 简介 基本思想 方法 TopShim的使用 系统要求 故障排除

50 TopShimTM 基本思想 使匀场变得尽量简单 点击按钮完成匀场 易于使用 完全自动化 性能可靠 匀场快速 匀场结果好
替代 GradShim TopShimTM

51 梯度匀场 Zi(z) B0(z) Σa1Z1+a2Z2+… B0RESIDUAL(z) 测定磁场的不均匀性 匀场系统 补偿磁场的不均匀性
但是: 怎样才能最好的补偿磁场的不均匀性?

52  谱图优化 B0RESIDUAL(z) B1(z) B1(z) 假定匀场结果如下： 考虑到自然线宽 模拟线形 优化: 找出最好的线形
M. Weiger, T. Speck, M. Fey Gradient shimming with spectrum optimisation JMR 182, (2006) B0RESIDUAL(z) 考虑到自然线宽  B1(z) B1(z) 模拟线形 优化: 找出最好的线形 射频线圈的射频均匀性

53 TopShimTM 自动设置过程 溶剂 机柜 探头 匀场系统 数据 采样 匀场的核 脉冲 接受增益 优化方法 脉冲 样品大小 梯度场
不用做mapping! 脉冲 样品大小 梯度场 数据 溶剂 NMR 核 匀场的核 脉冲 接受增益 优化方法 TopShimTM 采样 参数 匀场选择 循环控制

54 自动校准 matrix 磁体核梯度场的极性 探头位置 射频的均匀性 匀场相关性 (on-axis)
每个探头只需要做一次校正 需要好的3D匀场（topshim 3D）! 查看结果: topshim calinfo 重新设定: topshim calreset matrix

55 Tune 自动匀场功能 优化锁场水平到最高 低阶匀场: Z, X, Y, XZ, YZ 在梯度匀场后运行 1D: 去除残余的磁场梯度
更换溶剂后 3D: 去除残余的 Y 匀场梯度 使匀场完全自动化

56 梯度匀场功能 方法 溶剂 匀场 时间 1H 1D 质子溶剂 on-axis 15 – 45 sec 2H 1D 氘代溶剂
on- and off-axis 5 – 30 min

57 命令行输入 1D shimming 3D shimming 停止 shimming 高级 shimming 打开图形界面 …

58 GUI 梯度匀场参数 Use all onaxis shims up to Z6 Tune 匀场参数 匀场过程信息 控制按钮

59 TopShim的使用 新建一个核磁实验（NEW） 旋转溶剂锁场（LOCK） 开始匀场（TOPSHIM）
在 TopGuide 和 Icon-NMR 中也同样使用TopShim

60 探头设置 选择探头（EDHEAD） 设定 1H 和 2H 的90度脉冲（EDPROSOL）
CryoFit: edhead > “use as flow probe” 第一次在新探头上使用TopShim 自动校准需要好的 3D 匀场! 样品： H2O+D2O (Sucrose) 3D shimming 1D shimming (自动校准)

61 系统要求 TOPSPIN 2.0, 2.1 Avance 谱仪 (AV, AVII, AVIII) 探头 RT and Cryo
HR 1-10 mm Z or XYZ gradient Flow, CryoFit 3D 匀场需要 RCB 功能 2H 匀场需要 2H 检测功能

62 故障排除 参考使用手册 进行如下检测 topshim calinfo
topshim map or topshim plot > topshimData 1D_maps_magnitude 1D_maps_field 1D_acquisition_data 访问 Bruker Knowledgebase 与 Bruker 工程师联系 发送 TopShim logfile $TOPSPINHOME/prog/curdir/<user>/topshim<date>.log 发送 topshimData (压缩以后) 远程诊断（WebEx or PC Anyware）

63 support.bruker.cn 63 63