RUI: Towards Robust Sparsity in Nonuniform Sampling Multidimensional NMR

RUI:非均匀采样多维 NMR 中的鲁棒稀疏性

基本信息

  • 批准号:
    2305086
  • 负责人:
  • 金额:
    $ 15.38万
  • 依托单位:
  • 依托单位国家:
    美国
  • 项目类别:
    Standard Grant
  • 财政年份:
    2023
  • 资助国家:
    美国
  • 起止时间:
    2023-09-01 至 2026-08-31
  • 项目状态:
    未结题

项目摘要

With support from the Chemical Measurement and Imaging Program in the Division of Chemistry, Professor David Rovnyak and his group at Bucknell University are developing data sampling technology and principles to accelerate the discovery of complex molecular structures. Broadly, chemists are studying molecules of increasing complexity and size, such as complex natural products from which scientists can develop new bio-inspired drugs, where it is vital to discover the exact structures of these molecules. A central technique in chemistry that meets this need is nuclear magnetic resonance (NMR). However, the more complex and large a molecule is, the more difficult it is to solve its structure. Using statistical and related data science methods, the Rovnyak group is developing and disseminating next-generation data sampling methods that make advanced NMR analysis much faster and more accessible to chemists. The work is providing research opportunities to undergraduate students, including members of underrepresented groups. The team is also involved in outreach activities, including summer science camps for high school students and presentations at regional schools and museums. Advanced 2D-NMR experiments, often used for detecting long range atomic connectivities, are required to probe the structure of increasingly complex proton-poor natural products and bio-inspired molecules. The burden of indirect incrementation in powerful 2D-NMR spectroscopies leads to very long acquisition times and extremely low sensitivity. Solutions to the ‘incrementation problem’ of multidimensional NMR have been pursued for about three decades, through a broad family of techniques known as nonuniform sampling (NUS). In 2D-NMR, NUS is often not used at all or only conservatively, such as 50% data reduction. This fails to take advantage of the benefits NUS offers. This work is probing the barriers to sparser NUS and developing improved 1D-NUS schedules for advanced 2D-NMR experiments beyond the 50% threshold while ensuring high spectral fidelity. The work includes strategies for ‘super resolution’ NMR spectroscopy with ultra-high incrementation values. Intuitive and easy-to-use 1D-NUS schedules will be made widely available with potentially wide impact on the experimental chemical science community.This award reflects NSF's statutory mission and has been deemed worthy of support through evaluation using the Foundation's intellectual merit and broader impacts review criteria.
在化学划分的化学测量和成像计划的支持下,David Rovnyak教授及其Bucknell University的小组正在开发数据采样技术和原理,以加速发现复杂分子结构的发现。从广义上讲,化学家正在研究复杂性和大小增加的分子,例如科学家可以从中开发出新的生物启发的药物的复杂天然产物,在其中发现这些分子的确切结构至关重要。满足这种需求的化学中心技术是核磁共振(NMR)。但是,分子越复杂和较大,解决其结构就越困难。使用统计和相关的数据科学方法,Rovnyak组正在开发和传播下一代数据采样方法,从而使高级NMR分析更快,化学家更容易获得。这项工作正在为包括代表性不足的群体的成员在内的本科生提供研究机会。该团队还参与了外展活动,包括针对高中生的夏季科学训练营以及区域学校和博物馆的演讲。经常用于检测远距离原子连接性的高级2D-NMR实验需要探测日益复杂的质子贫乏天然产物和生物启发的分子的结构。在强大的2D-NMR光谱中,间接增量的燃烧导致了很长的获取时间和极低的灵敏度。多维NMR的“增量问题”解决方案已通过一种称为非均匀采样(NUS)的广泛技术来实现大约三十年。在2D-NMR中,通常根本不使用NUS或仅保守地使用NUS,例如减少50%的数据。这无法利用NUS提供的好处。这项工作正在探测较少稀疏的NUS的障碍,并为高级2D-NMR实验的一维NUS计划提供了改进的障碍,超过了50%的阈值,同时确保了高光谱保真度。这项工作包括具有超高增量值的“超级分辨率” NMR光谱的策略。直观且易于使用的1D-NUS时间表将被广泛使用,并可能对实验化学科学界产生广泛的影响。该奖项反映了NSF的法定任务,并通过使用基金会的智力优点和更广泛的影响审查标准来通过评估来诚实地获得支持。

项目成果

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