DE102007002440B4

DE102007002440B4 - Suszeptiblitätskompensierte Detektoreinrichtung für Kernspinresonanz-Messungen kleiner Probenvolumen

Info

Publication number: DE102007002440B4
Application number: DE200710002440
Authority: DE
Inventors: Stefan Leidich; Lutz Hofmann; Christian Kaufmann; Thomas Gessner; Thomas Riemer
Original assignee: Universitaet Leipzig; Technische Universitaet Chemnitz
Current assignee: Universitaet Leipzig; Technische Universitaet Chemnitz
Priority date: 2007-01-11
Filing date: 2007-01-11
Publication date: 2008-09-25
Anticipated expiration: 2027-01-12
Also published as: DE102007002440A1

Abstract

Suszeptibilitätskompensierte Detektoreinrichtung für Kernspinresonanz-Messungen kleiner Probenvolumen, enthaltend eine Kompensations-Detektoranordnung mit einer Mikrospule und eine daran angeschlossene Resonanzschaltung, wobei die Kompensations-Detektoranordnung zum Einsatz in ein magnetisches B₀-Feld vorgesehen ist und von dem magnetischen B₀-Feld durchflutet wird,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Kompensations-Detektoranordnung aus mindestens drei zusammengesetzten gleichermaßen diamagnetischen oder paramagnetischen und einen Kreiszylinder ausbildenden Substratelementen (3, 4, 5) mit der dazwischen befindlichen Mikrospule (41) besteht,
wobei die Mikrospule (41) aus zwei Spulenlagen (1, 2) eines Spulenleiters von jeweils einer spiralförmigen Planarwicklung (45, 46) besteht, die verschaltet sind und zusammen eine Spule in Helmholtzkonfiguration bilden, wobei die planaren Spulenlagen (1, 2) sich in einem vorgegebenen Abstand gegenüberliegend zumindest im Bereich eines mittleren Substratelements (3, 4) befinden, das in einem zentralen, senkrecht zu den Spulenlagen (1, 2) vorgegebenen Bereich (42) eine eingebrachte kapillarartige Bohrung (43) zur Aufnahme einer Probe in dem Probenvolumen (10) aufweist, und
wobei die Spulenlagen (1,...

Description

Die Erfindung betrifft eine suszeptibilitätskompensierte Detektoreinrichtung für Kernspinresonanz-Messungen (engl. Nuclear Magnetic Resonance – NMR) kleiner Probenvolumen, enthaltend eine Kompensations-Detektoranordnung mit einer Mikrospule und eine daran angeschlossene Resonanzschaltung, wobei die Kompensations-Detektoranordnung zum Einsatz in ein magnetisches B₀-Feld vorgesehen ist und von dem magnetischen B₀-Feld durchflutet wird.
Ein bislang wesentlicher Nachteil der NMR-Spektroskopie bei der Untersuchung sehr kleiner Probenvolumina, die im Nanoliter- bis Pikoliterbereich liegen, besteht in der zu geringen Empfindlichkeit der zur Verfügung stehenden NMR-Probenköpfe. Daraus resultiert ein geringes Signal-Rausch-Verhältnis (engl. Signal to Noise Ratio – SNR).
Das Signal-Rausch-Verhältnis SNR einer NMR-Detektoreinrichtung ist in der Druckschrift E. Rapp: Miniaturisierte Trennverfahren und ihre Online-Kopplung mit der NMR-Spektroskopie: Entwicklung und Anwendungen, Diss., Eberhard-Karls-Universität Tübingen, 2004, S. 78, nach folgender Gleichung (I) direkt proportional zum Füllfaktor f einer Spule angegeben worden, wobei der Füllfaktor f als Verhältnis aus Detektionsvolumen V_S und dem Volumen V_C innerhalb der Spule definiert ist:
Ein primäres Ziel der technischen Entwicklung ist es, wie in der Druckschrift T. L. Peck, R. L. Magin, et. al.: Design and Analysis of Microcoils for NMR Microscopy. Journal of Magnetic Resonances. Series B, 1995, S. 114–124 beschrieben ist, einen an kleine Probenvolumen angepassten Detektor mit großem Füllfaktor zu konstruieren und dadurch das Signal-Rausch-Verhältnis SNR, bezogen auf das Probenvolumen, zu maximieren. Für die Konstruktion solcher Spulen sind mehrere Spulenanordnungen bekannt, die sich grundsätzlich voneinander unterscheiden:

a. eine Solenoidspule, bei der die Spule direkt auf die Detektionskapillare gewickelt wird, wie in der Druckschrift T. L. Peck, R. L. Magin, et. al.: Design and Analysis of Microcoils for NMR Microscopy. Journal of Magnetic Resonances. Series B, 1995, S. 114–124 beschrieben ist,
b. eine Doppelsattelspule, wie in der Druckschrift E. Rapp: Miniaturisierte Trennverfahren und ihre On-line-Kopplung mit der NMR-Spektroskopie: Entwicklung und Anwendungen, Diss. Eberhard-Karls-Universität Tübingen, 2004, S. 78, beschrieben ist,
c. eine mikrotechnologisch hergestellte Oberflächenspule, wie in der Druckschrift C. Massin, F. Vincent, et al.: Planar microcoils-based microfluidic NMR probes. Journal of Magnetic Resonance 2003, S. 242–255, beschrieben ist, und
d. eine mikrotechnologisch hergestellte Helmholtzspule, wie in der Druckschrift K. Ehrmann, N. Saillen, et al.: Microfabrication of Helmholtz Coils with Integrated Channels for NMR Spectroscopy. IEEE Int. Conf. an MEMS, 2006, S. 366–369 beschrieben ist.

Unabhängig von der Spulenanordnung ist es allen Detektionseinrichtungen gemein, dass die Verkleinerung zu einer Annäherung der Detektorkonstruktionsmaterialien an das Probenvolumen führt und somit an Materialgrenzen entstehende, durch Suszeptibilitätssprünge verursachte Inhomogenitäten des statischen B₀-Feldes zu sehr breiten Spektrallinien (> 0,1 ppm) führen, wie in der Druckschrift C. Massin, F. Vincent, et al.: Planar microcoils-based microfluidic NMR probes. Journal of Magnetic Resonance, 2003, S. 242–255 beschrieben ist.
Der Einsatz der Mikrotechnologie erlaubt die Fertigung kleiner, angepasster Spulen mit hoher Empfindlichkeit. Es sind zur Kompensation des Einflusses der Spulenwicklung auf die Homogenität des B₀-Feldes allgemein drei verschiedene Möglichkeiten bekannt:
Eine erste Möglichkeit ist die Herstellung von leitfähigen Materialien mit magnetischer Suszeptibilität, die im Folgenden lediglich als Suszeptibilität χ bezeichnet wird, mit χ = 0 und somit gleich der des Vakuums bzw. jener der Umgebungsluft durch Legieren bzw. Beschichten von para- und diamagnetischen Metallen, die vor allem für makroskopische Spulen oder manuell gewickelte Mikrospulen anwendbar ist und in der Druckschrift F. D. Doty, G. Entzminger, et al.: Magnetism in high-resolution NMR probe design. I: General Methods. Concepts in Magnetic Resonance, 1998, S. 133–156 beschrieben ist. Das Verfahren ist auf wenige Metalle begrenzt und für mikrotechnologische Abscheideprozesse nicht praktikabel.
Eine zweite Möglichkeit stellt die Anpassung des umgebenden Feldraumes an den verwendeten Leiterwerkstoff dar, die in der Druckschrift T. L. Peck, D. L. Olson, et. al.: Susceptibility Matched NMR Microscopy Microcoils bzw. auch in der Druckschrift WO97/28465 A1 beschrieben ist, wobei bestimmte fluorierte Kohlenwasserstoffe, wie z. B. Fluorinert FC-43, eine sehr ähnliche Suszeptibilität wie Kupfer aufweisen. Das zugehörige Verfahren und eine Einrichtung zur Kompensation einer magnetischen Suszeptibilitätsänderung in für die Mikrospektroskopie vorgesehene Mikrospulen sind in der oben genannten Druckschrift WO 97/28465 A1 beschrieben. Die NMR-Detektionsmikrospulen sind mit benachbarten Wicklungen ausgebildet, um sich an eine gleichmäßige zylindrische Mantelspule anzunähern. Der Wicklungsdraht kann eine dünne Isolationsschicht haben, um einen Kurzschluss zwischen den benachbarten Windungen zu verhindern. Zusätzlich ist ein suszeptibilitätskompensierendes Medium vorhanden, z. B. perfluorierter Kohlenwasserstoff, das die Mikrospule umgibt, um die suszeptibilitätsinduzierten Änderungen in dem homogenen B₀-Feld zu minimieren.
Ein Problem besteht darin, dass die Platzierung des gesamten Detektors in einer Flüssigkeit hinsichtlich der Handhabung unvorteilhaft ist.
Eine dritte Möglichkeit stellt die makroskopisch homogene Verteilung des leitenden Materials wie in der Druckschrift DE 102 05 625 C1 beschrieben ist dar, wobei der NMR-Resonator mit mindestens einem HF-Resonator zum Aussenden und/oder Empfangen von HF-Signalen auf einer oder mehreren gewünschten Resonanzfrequenzen in eine und/oder aus einer Messprobe in einem um einen Koordinatensprung (x, y, z = 0) angeordneten Untersuchungsvolumen einer NMR-Apparatur mit einer Einrichtung zur Erzeugung eines homogenen Magnetfeldes B₀ in Richtung einer z-Achse versehen ist, wobei zwischen z = – |z₁| und z = + |z₂| normalleitende induktiv und zum Teil auch kapazitiv wirkende Leiterstrukturen des HF-Resonators im Wesentlichen auf einer in z-Richtung translationsinvarianten, der z-invarianten Fläche im radialen (x, y) Abstand senkrecht zur z-Achse angeordnet sind, wobei auf der z-invarianten Fläche zusätzlich eine Kompensations-Anordnung vorgesehen ist, die sich mindestens bis zu Werten z < –|z₁| – 0,5|r| und z > +|z₂| + 0,5|r| erstreckt, wobei der kleinste vorkommende Abstand zwischen der Messprobe und der Kompensations-Anordnung bedeutet, dass die Kompensations-Anordnung weitere normalleitende Leiterstrukturen umfasst, welche HF-mäßig vom HF-Resonator weitgehend entkoppelt sind, dass die Leiterstrukturen der Kompensations-Anordnung und des HF-Resonators ihrerseits aus einzelnen, normalleitende Strukturen enthaltenden Flächenabschnitten (= "Z-Strukturen") zusammengesetzt sind, die in der z-invarianten Fläche liegen, jeweils über die ganze Länge in z-Richtung der Leiterstrukturen der Kompensations-Anordnung und des HF-Resonators verlaufen, und deren Strukturen so angeordnet sind, dass bei einer geeigneten mathematischen Zerlegung der Fläche Z-Strukturen in eine Vielzahl kleinere, gleich großer Flächenelemente, in allen Flächenelementen, die sich nur in ihrer z-Position unterscheiden, eine weitgehend gleiche Masse von normalleitendem Material enthalten ist.
Neben der Kompensation der Spulenwicklung verursacht die Probe selbst B₀-Feldinhomogenitäten in ihrem Inneren. Es ist auch bekannt, dass nur ellipsoidförmige Körper, welche einem homogenen Magnetfeld ausgesetzt sind, in ihrem Inneren auch ein homogenes Magnetfeld aufweisen. Da die Herstellung kleiner ellipsoidförmiger Probenbehälter als unpraktikabel gilt, werden zylindrische Geometrien mit großen Ausdehnungen in der Zylinderhöhe h bzw. im Zylinderradius r bevorzugt. Planarspulengestützte, mit Mikrokanälen versehene NMR-Detektoren sind in der Druckschrift C. Massin, F. Vincent, et al.: Planar microcoils-based microfluidic NMR probes. Journal of Magnetic Resonance, 2003, S. 242–255 beschrieben, wobei die Proben in sehr flacher Zylinderform (r >> h) weniger Linienverbreiterung hervorrufen als solche mit weniger flachem Profil (r/h ≈ 1). Die Verwendung von Proben in flacher Zylinderform steht jedoch allgemein im Kontrast zur angestrebten Miniaturisierung, welche kompakte Körper wie z. B. Kugeln bevorzugt. Bei der Verwendung von langen (h > r) kapillarförmigen Probenbehältern muss, um B₀-Feldinhomogenitäten zu unterdrücken, das Probenvolumen beidseitig mindestens um das Drei- bis Fünffache der Länge des eigentlichen Messvolumen mit einer Substanz mit gleicher Suszeptibilität wie die Probe verlängert werden.
Dies gilt für mikroskopische wie für makroskopische Proben und wird in der Regel durch sogenannte Anpassstifte (engl. matching plugs) realisiert, wie sie in der Druckschrift F. D. Doty, G. Entzminger, et al.: Magnetism in high-resolution NMR probe design. I: General Methods. Concepts in Magnetic Resonance, 1998, S. 133–156 beschrieben sind. Dabei handelt es sich um stabförmige Körper mit sehr ähnlicher bzw. gleicher Suszeptibilität wie die zu untersuchende Probensubstanz, welche beidseitig in die Kapillare eingebracht werden. Idealerweise sollten die Anpassstifte aus einem Material bestehen, von welchem kein Beitrag zum NMR-Messsignal ausgeht. Für NMR-Messungen mit in Wasser gelösten Proben weist bspw. Zirkonoxid diese Eigenschaften auf, wie in der Homepage der Firma Doty Scientific: Produktübersicht. Columbia, S. C., USA: Internet 2006-06-02 (http://www.dotynmr.com/acc/acc_susplugspg.htm) angegeben ist.
Es ist eine Detektoreinrichtung für Kernspinresonanz-Messungen kleiner Probenvolumen in der Druckschrift Syms, R. R. A. u. a.: Micro-Coils for MR-Spectroscopy by deep silicon etching, Journal of Physics, Conference Series, Sensors & their application XIII, 2005, Vol. 25, S. 13–18 beschrieben, in der eine Mikrospule und eine daran angeschlossene Resonanzschaltung vorhanden sind, wobei die Detektoranordnung zum Einsatz in ein magnetisches B₀-Feld vorgesehen ist und von dem magnetischen B₀-Feld durchflutet wird, wobei die Detektoranordnung aus zusammengesetzten, gleichermaßen diamagnetischen oder paramagnetischen Substratelementen mit der darauf befindlichen Mikrospule besteht, wobei die Mikrospule aus zwei planaren Spulenlagen eines Spulenleiters von jeweils einer Wicklung besteht, die verschaltet sind und zusammen eine Spule in Helmholtzkonfiguration bilden, wobei sich die planaren Spulenlagen in einem vorgegebenen Abstand gegenüberliegen und die Substratelemente in einem zentralen, senkrecht zu den planaren Spulenlagen vorgegebenen Bereich eine eingebrachte Aussparung zur Aufnahme einer Probe in einem Probenvolumen aufweist.
Ein Problem besteht darin, dass mit der Detektoranordnung keine Kompensation möglich ist. Es wird eine auf klassischer Siliziumtechnologie basierende Mikrospule angegeben, deren Herstellungsverfahren mit der der rezensierten Druckschrift K. Ehrmann et al.: Microfabrication of Helmholtz Coils with Integrated Channels for NMR Spectroscopy, IEEE Int. Conf. an MEMS, 2006, S. 366–369, vergleichbar ist. Es werden Kupferleiter galvanisch auf einem Siliziumsubstrat abgeschieden. Diese werden in einem photostrukturierbaren Polymer SU-8 eingebettet. Das Einbetten der Leiter in ein als Umgebungsmedium interpretierbares Material dient dabei nicht dem Erschaffen eines Körpers mit einer von seinen Komponenten abweichenden effektiven Suszeptibilität, sondern dem Schutz der Kupferleiter vor dem Angriff beim Reaktiven Ionenätzen des Siliziumsubstrats. Die Auswahl des Materials, in diesem Fall SU-8, kann dabei nicht beliebig erfolgen, sondern muss den Anforderungen der Technologie genügen. SU-8 ist dabei als extrem stabiles, in der Regel nicht entfernbares, technologiekompatibles Polymer bekannt und wird auch in der rezensierten Druckschrift K. Ehrmann et al. eingesetzt. Aufgrund beschriebener Zwänge kann keine Anpassung der Suszeptibilität an das Substratelementmaterial bzw. Baugruppen untereinander erreicht werden. In der Detektoranordnung ist außerdem eine große Inhomogenität des B₀-Feldes vorhanden. Die Linienbreite ist konkret mit 0,26 ppm (17 Hz/63,6 MHz = 0,26 ppm) angegeben. Dies entspricht einem Wert deutlich oberhalb eines für hochauflösende NMR-Experimente akzeptablen Grenzwerts von 0,1 ppm.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine suszeptibilitätskompensierte Detektoreinrichtung für Kernspinresonanz-Messungen kleiner Probenvolumen anzugeben, die derart geeignet ausgebildet ist, dass im Messvolumen keine bzw. nur minimale B₀-Feldinhomogenitäten hervorgerufen und dadurch NMR-Messungen mit hoher spektraler Auflösung von sehr kleinen Probenvolumen ermöglicht werden. Zur Erhöhung der spektralen Auflösung sollen die Einflüsse der verwendeten Konstruktionsmaterialien (Kupfer, Glas, Silizium) und die zur Probe hinsichtlich der verursachten B₀-Feldinhomogenitäten kompensiert bzw. insgesamt minimiert werden. Verbunden damit soll auch das Signal-Rausch-Verhältnis SNR maximiert werden.
Die Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.
Die suszeptibilitätskompensierte Detektoreinrichtung für Kernspinresonanz-Messungen kleiner Probenvolumen, enthält eine Kompensations-Detektoranordnung mit einer Mikrospule und eine daran angeschlossene Resonanzschaltung, wobei die Kompensations-Detektoranordnung zum Einsatz in ein magnetisches B₀-Feld vorgesehen ist und von dem magnetischen B₀-Feld durchflutet wird,
wobei gemäß dem Kennzeichenteil des Patentanspruchs 1
die Kompensations-Detektoranordnung aus mindestens drei zusammengesetzten gleichermaßen diamagnetischen oder paramagnetischen und einen Kreiszylinder ausbildenden Substratelementen mit der dazwischen befindlichen Mikrospule besteht,
wobei die Mikrospule aus zwei Spulenlagen eines Spulenleiters von jeweils einer spiralförmigen Planarwicklung besteht, die verschaltet sind und zusammen eine Spule in Helmholtzkonfiguration bilden, wobei die planaren Spulenlagen sich in einem vorgegebenen Abstand gegenüberliegend zumindest im Bereich eines mittleren Substratelements befinden, das in einem zentralen, senkrecht zu den Spulenlagen vorgegebenen Bereich eine eingebrachte kapillarartige Bohrung zur Aufnahme einer Probe in dem Probenvolumen aufweist, und
wobei die Spulenlagen sich in einem Medium innerhalb von ringförmigen Aussparungen des mittleren Substratelements befinden und wobei die Spulenleiter eine Spulenleiterbreite mit b_Cu und einen Spulenleiterabstand mit b_Medium aufweisen, die die Gleichung
erfüllen, wobei χ_Medium die Suszeptibilität des Mediums innerhalb der ringförmigen Aussparungen zwischen den Spulenleitern der Spulenlagen, χ_Si die Suszeptibilität des Materials der Substratelemente und χ_Cu die Suszeptibilität des Spulenleitermaterials sind.
Durch die vorgesehene Ausbildung der Spulenleiterbreite und Spulenleiterabstände des Spulenleiters werden zur Suszeptibilitätsanpassung an das umge bende Material des Substratelements folgende Gleichungen (II) und (III) zwischen den Geometrien und den Suszeptibilitäten erfüllt:
und χeff = χSi (III),wobei durch Umformen das Verhältnis der Geometrien in Abhängigkeit von den Suszeptibilitäten vorgegeben ist:
wobei die Dimensionierung von Spulenleiterbreite und Spulenleiterabstand in der Aussparung in einer effektiven Suszeptibilität χ_eff resultiert, die der Suszeptibilität χ_Si des Materials der Substratelemente mit χ_eff = χ_Si entspricht.
Die Anpassung der Suszeptibilitäten führt die Kompensations-Detektoranordnung zu einem homogen wirkenden Körper, wobei die Güte der Anpassung der Suszeptibilitäten hinsichtlich der Wirkung als homogener Körper einerseits vom Abstand zwischen dem Probenvolumen und der Mikrospule und andererseits von der Windungszahl bzw. der Leiterbreite der Planarwicklungen abhängt.
Dabei können die beiden Spulenlagen der Mikrospule in Serie oder parallel verschaltet sein und zusammen eine Spule in Helmholtzkonfiguration bilden.
Die planaren Spulenlagen auf den Substratelementen können mittels mikrotechnologischer Metallabscheidungs- und Strukturierungsprozesse hergestellt sein.
Die Verschaltung der Spulenlagen kann durch Bonddrähte erfolgen, welche die Spulenlagen an dafür vorgesehen Bondpads verbinden.
Die elektrische Verbindung von den Spulenlagen aus ist über Zuleitungen zur Resonatorschaltung auf einer Leiterplatine durch Bonddrähte an den Bondpads vorgesehen.
Die mittleren Substratelemente sind, abgesehen von dem für die elektrische Kontaktierung notwendigen Ansatz, rund ausgeführt und weisen in ihrem geometrischen zentralen Bereich eine Bohrung auf, wobei die die Kompensations-Detektoranordnung halternden mittleren Substratelemente mit einer Leiterplatine verbunden sind.
Die kapillarartige Bohrung kann entweder mit einem kapillarartigen Probenbehälter einschließlich des Probenmaterials in einem festgelegten Probenvolumen mit verschließenden Anpassstiften füllbar sein oder selbst als Probenbehälter zur Füllung von Probenmaterial in einem festgelegten Probenvolumen mit verschließenden Anpasselementen dienen.
Der mit Probenmaterial gefüllte kapillarartige Probenbehälter kann in den aus den mittleren Substratelementen und den scheibenförmigen Substratelementen durch die zentralen Bohrungen gebildeten, langen Hohlzylinder gesteckt und mit Anpassstiften verlängert und durch endseitige Verschlüsse verschlossen sein.
Zur Ausbildung der Form eines langen Kreiszylinders der Kompensations-Detektoranordnung können weitere scheibenförmige Substratelemente aus dem gleichen Material wie die die Mikrospule halternden mittleren Substratelemente an den Substratelementen angebracht sein, wobei die scheibenförmigen Substratelemente vollständig rund sein und jeweils wahlweise die gleiche Bohrung im zentralen Bereich aufweisen können.
Ein mittleres Substratelement und ein benachbartes mittleres Substratelement oder scheibenförmiges Substratelement können jeweils auf der Unterseite die ringförmige Aussparung aufweisen, welche die spiralförmigen planaren Spulenlagen enthalten.
Wenn auf die kapillarartigen Probenbehälter verzichtet wird, können die Anpassstifte in dem kapillarartigen Probenbehälter durch ein in der Suszeptibilität dem Probenmaterial angepassten Material, durch Anpasselemente, ersetzt sein, welche in das benachbarte mittlere Substratelement und in die benachbarten scheibenförmigen Substratelemente eingearbeitet sind, wobei die Bohrung des Substratelements selbst einen durch die Anpasselemente beidseitig begrenzten Probenbehälter für das Probenvolumen bildet.
Der kapillarartigen Bohrung können somit für die Ausbildung des Probenvolumens im Probenbehälter beidendseitig zwei Anpasselemente zugeordnet sein, die zu mindestens einem der beidseitig benachbarten Substratelemente gehören und die das Probenvolumen zwischen den beiden Spulenlagen im zentralen Bereich festlegen und haltern.
Die Verbindung zwischen dem scheibenförmigen Substratelement und dem mittleren Substratelement kann zum Befüllen des Probenbehälters lösbar ausgebildet sein.
Durch die Form eines langen Kreiszylinders der Kompensations-Detektoranordnung und durch die Ausbildung der Spulenleiterbreite und der Spulenleiterabstände sowie die Einpassung der Spulenlagen in die dafür vorgesehene Aussparung ist eine Anpassung der Suszeptibilitäten erreichbar und es können somit die B₀-Feldgradienten innerhalb des Probenvolumens verkleinert werden.
Die planaren Spulenlagen können in einer weiteren Ausführung auch an der Oberseite und an der Unterseite in die Aussparungen eines einzigen Substratelements durch die Durchführung mikrotechnologischer Prozesse vorhanden sein.
Die dem mit den beiden Spulenlagen versehenen mittleren Substratelement benachbarten Substratelemente können bei Übereinstimmen der Suszeptibilität der Probe und der benachbarten Substratelemente ohne mittige Bohrungen ausgebildet sein, und die benachbarten Substratelemente können an dem beidseitig mit Spulenlagen versehenen und mit Probenmaterial im Probenvolumen – der Bohrung – gefüllten mittleren Substratelement sowohl halternd als auch lösbar verschließend angebracht sein.
Das Material der Substratelemente und das Material der scheibenförmigen Substratelemente können wahlweise Silizium und das Spulenleitermaterial kann wahlweise Kupfer sein.
Die wesentlichen Merkmale der Erfindung sind somit:

1. Ausbildung der Kompensations-Detektoranordnung als langen Kreiszylinder, wobei ein weitgehend homogenes B₀-Feld innerhalb des Substratelementmaterials und des im kapillarartigen Hohlzylinder der Substratscheiben befindlichen Messvolumens erreicht werden kann,
2. In dem kapillarartigen Hohlzylinder der Substratscheiben ist das Probenmaterial eingesetzt, wobei der zugehörige Probenbehälter bzw. der Hohlzylinder selbst mit feinwerktechnisch gefertigten Anpassstiften oder Anpasselementen verschlossen sein kann, wobei in letzterer Ausführung das Substratelementmaterial einen zylinderförmigen Probenbehälter (h/r = 1) bildet, der axial um die drei- bis fünffache Zylinderhöhe durch ein Material verlängert ist, welches die gleiche Suszeptibilität wie die Probe aufweist,
3. In den kapillarartigen Hohlzylinder ist gemäß dem ersten Fall der kapillarartige Probenbehälter einsetzbar, der ebenfalls durch Anpassstifte oder Anpasselemente verschließbar ist,
4. Als Spulenwicklungen werden in Mikrosystemtechnik gefertigte Mikrospulen verwendet, wobei eine Mikrospule aus zwei Spulenlagen mit Planarwicklungen (Spiralspulen) in Helmholtzspulenkonfiguration besteht,
5. Die Spulenlagen sind in je einer um das Zentrum der Scheiben vorhandenen ringförmigen Aussparung ins Substratelementmaterial eingepasst,
6. Die Spulenleiterbreite b_Cu, wobei das Spulenleitermetall vorzugsweise diamagnetisch ist, und der Spulenleiterabstand b_Medium bei Luft bzw. bei einem Umgebungsmedium mit χ_Medium = 0 sind in einem derartigen Verhältnis zueinander dimensioniert, dass
6.1 der Bereich der ringförmigen Aussparung, der den Spulenleiter aufnimmt, eine resultierende, effektive Suszeptibilität erhält, die der des Substratelementmaterials entspricht, wobei das Dielektrikum vorzugsweise diamagnetisch ist,
6.2 die Mikrospule ist somit magnetisch ideal an das Substratelementmaterial angepasst,
7. Die Kompensations-Detektoranordnung kann aus mehreren zylinderförmigen Substratscheiben zur Ausbildung des Kreiszylinders gebildet sein,
8. Die Spulenlagen werden auf den zylinderförmigen Substratscheiben mittels mikrotechnologischer Metallabscheidungs- und Strukturierungsprozesse ein- bzw. aufgebracht.

Als Vorteile der Erfindung können angegeben werden:

a) Die Kompensations-Detektoranordnung stellt einen langen Kreiszylinder dar, wodurch ein weitgehend homogenes B₀-Feld innerhalb des Substratelements und des Messvolumens entsteht,
b) Die magnetische Anpassung der Mikrospule an das Substratelementmaterial, durch die erfindungsgemäße Ausführung von Spulenleiterbreite b_Cu und Spulenleiterabständen b_Medium sowie Einpassung der Spulenlagen in dafür vorgesehene ringförmige Aussparungen, wodurch eine höhere Spulenleiterdicke für eine höhere elektrische Güte und ein höherer Füllfaktor für ein besseres Signal-Rausch-Verhältnis SNR vorgesehen sind, ohne dabei die Breite der Spektrallinien wesentlich zu erhöhen,
c) Kleinere Gesamtabmessungen der Kompensations-Detektoranordnung durch Ausbildung eines langen Zylinders; wobei rechtwinklig geformte Substratelemente in der Regel größer als 1 cm sind, um keine zu großen B₀-Feldgradienten im Probenvolumen zu erzeugen,
d) Kleinere Gesamtabmessungen erleichtern die Rotation der Probenkapillare durch einen externen Antrieb, da die Länge des nicht gelagerten Kapillarstückes begrenzt ist und somit höhere Rotationsfrequenzen möglich sind,
e) Die Kompensation-Detektoranordnung ist für die Mikroanalysesysteme geeignet,
f) Durch die Ausführung als zylindrische Probe wird der B₀-Feldinhomogenitäten hervorrufende Effekt finiter, nicht ellipsoider Probenvolumen neutralisiert,
g) Neben der Verbesserung der B₀-Feldhomogenität führt die erfindungsgemäße Ausbildung zu einer Vereinfachung des anspruchsvollen Handlings kielner Probenvolumen sowie
h) Einfacheres Befüllen des zylindrischen, einseitig geöffneten Probenbehälters ohne Probenkapillare.

Die Erfindung ist an Probenköpfen für NMR-Spektroskopiegeräte, insbesondere für kleinste Proben mengen, anwendbar.
Die Erfindung wird anhand mehrerer Ausführungsbeispiele mittels mehrerer Zeichnungen näher erläutert:
Es zeigen:
1 eine schematische Querschnittsform der suszeptibilitätskompensierten Detektoreinrichtung für Kernspinresonanz-Messungen kleiner Probenvolumen,
2 eine schematische Draufsicht der suszeptibilitätskompensierten Detektoreinrichtung für Kernspinresonanz-Messungen kleiner Probenvolumen,
3 eine vergrößerte Teildarstellung bezüglich einer Aussparung in den Substratelementen mit einer Anordnung einer Spulenlage nach 1 und ohne eine Spulenlage, wobei
3a mit Bezugszeichen und
3b mit Suszeptibilitäten versehen sind,
4 eine schematische Querschnittsform der Detektoreinrichtung für Kernspinresonanz-Messungen kleiner Probenvolumen ohne kapillaren Probenbehälter innerhalb des Hohlzylinders.
Im Folgenden werden die 1 und 2 gemeinsam betrachtet.
In 1 ist in einer Querschnittsform und in 2 ist in einer Draufsicht die erfindungsgemäße suszeptibilitätskompensierte Detektoreinrichtung für Kernspinresonanz-Messungen kleiner Probenvolumen 10 dargestellt, die eine Kompensations-Detektoranordnung mit einer Mikrospule 41 und eine daran angeschlossenen Resonanzschaltung 21 enthält, wobei die Kompensations-Detektoranordnung zum Einsatz in ein magnetisches B₀-Feld vorgesehen ist und von dem magnetischen B₀-Feld durchflutet wird.
Erfindungsgemäß besteht die Kompensations-Detektoranordnung aus mindestens drei zusammengesetzten gleichermaßen diamagnetischen oder paramagnetischen und einen Kreiszylinder ausbildenden Substratelementen 3, 4, 5 mit der dazwischen befindlichen Mikrospule 41,
wobei die Mikrospule 41 aus zwei Spulenlagen 1, 2 eines Spulenleiters von jeweils einer spiralförmigen Planarwicklung 45, 46 besteht, die verschaltet sind und zusammen eine Spule in Helmholtzkonfiguration bilden, wobei die planaren Spulenlagen 1, 2 sich in einem vorgegebenen Abstand gegenüberliegend zumindest im Bereich des mittleren Substratelements 3, 4 befinden, das in einem zentralen, senkrecht zu den Spulenlagen 1, 2 vorgegebenen Bereich 42 eine eingebrachte kapillarartige Bohrung 43 zur Aufnahme einer Probe in dem Probenvolumen 10 aufweist, und
wobei die Spulenlagen 1, 2 sich in einem Medium innerhalb von ringförmigen Aussparungen 32, 36 des Substratelements 3, 4 befinden und wobei die Spulenleiter eine Spulenleiterbreite 30 mit b_Cu und einen Spulenleiterabstand 31 mit b_Medium aufweisen, die die Gleichung
erfüllen, wobei χ_Medium die Suszeptibilität des Mediums innerhalb der ringförmigen Aussparungen 32, 36 zwischen den Spulenleitern der Spulenlagen 1, 2, χ_Si die Suszeptibilität des Materials der Substratelemente 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9 und χ_Cu die Suszeptibilität des Spulenleitermaterials sind.
Die beiden Spulenlagen 1, 2 können in Serie oder parallel verschalten sein und zusammen eine Spule in Helmholtzkonfiguration bilden. Die Spulenlagen 1, 2 mit den Planarwicklungen 45, 46 werden auf den Substratelementen 3 und 5 mittels mikrotechnologischer Metallabscheidungs- und Strukturierungsprozesse hergestellt. Die Verschaltung der Spulenlagen 1, 2 erfolgt durch Bonddrähte 16, 17, welche die Spulenlagen 1, 2 an den dafür vorgesehen Bondpads 22, 23, 24, 25 verbinden, wie auch in 2 gezeigt ist. Die Verbindung zu den Zuleitungen 28, 29 der Resonatorschaltung 21 auf der Leiterplatine 20 erfolgt ebenfalls durch Bonddrähte 18, 19 an den Bondpads 26, 27. Die zur Leiterplatine 20 führenden und mit ihr fest verbundenen Substratelemente 3, 4 sind, abgesehen von dem für die elektrische Kontaktierung notwendigen Ansatz 47, 48, rund ausgeführt und weisen in der geometrischen Mitte 42 eine Bohrung 43 auf, die der Aufnahme der mit dem Probenmaterial gefüllten Kapillare 15 dient. Zur Ausbildung der Form eines langen Hohlzylinders werden weitere scheibenförmige Substratelemente 5 bis 9 aus dem gleichen Material wie die Substratelemente 3, 4 auf die durch die beiden Substratelemente 3, 4 gebildete Struktur der Kompensations-Detektoranordnung aufgesetzt. Die Elemente 5, 6, 7, 8, 9 sind vollständig rund und weisen die gleiche zentrale Bohrung 43 in der Mitte bzw. im zentralen Bereich 42 auf.
Das Substratelement 3 und das scheibenförmige Substratelement 5 weisen, wie in 1 und 3 gezeigt ist, jeweils auf der Unterseite eine Aussparung 32, 36 auf, welche zur Aufnahme der Spulenlagen 1, 2 dienen.
Entsprechend 3 und 3a resultiert die erfindungsgemäße Dimensionierung von Spulenleiterbreite 30 und Spulenleiterabstand 31 in einer Aussparung 32 mit einer effektiven Suszeptibilität χ_eff in 3b, die der Suszeptibilität χ_Si des Materials der Substratelemente 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9 entspricht. Die maximal zu errei chende Qualität der Anpassung hinsichtlich der Beeinflussung der Spektrallinienbreite wird von der Anzahl der Spulenleiter-Spulenabstands-Paarungen (Windungszahl), von dem Unterschied der Suszeptibilitäten zwischen Spulenleitermaterial und Substratelementmaterial, sowie von dem Abstand des Probenmaterials in dem Probenvolumen 10 von den Spulenlagen 1, 2 als Füllfaktor bestimmt.
Ziel ist es, durch geringe Ausbildung der Spulenleiterbreite 30 und -abstände 31 eine Anpassung der Suszeptibilitäten an das umgebende Material, das hier z. B. ein Siliziumsubstrat darstellt, zu erhalten. Das wird dadurch erreicht, wenn folgende Gleichungen (II) und (III) zwischen den Geometrien und den Suszeptibilitäten erfüllt werden:
und χeff = χSi (III),
Durch Umformen ergibt sich eine Gleichung (IV), die das Verhältnis der Geometrien in Abhängigkeit von den Suszeptibilitäten beschreibt:
Wie in 1 gezeigt ist, wird das Probenmaterial 10 in die Kapillare 15 gefüllt und mittels feinwerktechnisch hergestellter Anpassstifte 11, 12 verlängert bzw. durch die Verschlüsse 13, 14 verschlossen. Die gefüllte Kapillare 15 wird in die zentralen Bohrungen 43 des aus den Substratelementen 3, 4 und aus den scheibenförmigen, aus gleichem Substratelementmaterial bestehenden Substratelementen 5 bis 9 gebildeten Hohlzylinders gesteckt.
In der Kompensations-Detektoranordnung nach 4 kann alternativ auf die Kapillare 15 verzichtet werden. Die vorhandene Bohrung 43 stellt den kapillarartigen Hohlzylinder dar, der durch die obere und die untere Anbringung weiterer mittig gelochter scheibenförmiger Substratelemente 5 bis 9 zu einem langen Hohlzylinder ausgebildet werden kann. Die Anpassstifte 11, 12 für die Bohrungen 43 werden dabei durch ein in der Suszeptibilität dem Probenmaterial 10 angepassten Material, das sind die Anpasselemente 33, 34 ersetzt, welches in das Substratelement 4 bzw. in die scheibenförmigen Substratelemente 5 bis 9 eingearbeitet wird. Das Substratelement 3 wird nicht mit diesem Material der Anpasselemente 33, 34 gefüllt und bildet somit einen durch die Anpasselemente 33, 34 beidseitig begrenzten Probenbehälter 35 mit dem Probenvolumen 10. Die Verbindung zwischen dem scheibenförmigen Substratelement 5 und dem Substratelement 3 kann dazu lösbar ausgeführt sein, damit das Befüllen des Probenbehälters 35 mit Probenmaterial leicht möglich ist.
In einer anderen Ausführung können die Spulenlagen 1, 2 sowohl an der Oberseite als auch an der Unterseite desselben scheibenförmigen, mit der zentralen, mittigen Bohrung 43 versehenen Substratelements 3 in die zugehörigen Aussparungen durch die mikrotechnologischen Prozesse vorhanden sein, wobei jeweils mindestens ein scheibenförmiges Substratelement 4, 5 dem Substratelement 3 benachbart kontaktierend angeordnet ist.
Darauf aufbauend ist es auch möglich, dass die dem mit den beiden Spulenlagen 1, 2 versehenen Substratelement 3 benachbarten Substratelemente 4, 5 bei Übereinstimmen der Suszeptibilitäten des Probenmaterials und der benachbarten Substratelemente 4, 5 ohne zentrale Bohrungen 43 ausgebildet und die benachbarten Substratelemente 4, 5 an dem das beidseitig mit Spulenlagen 1, 2 versehenen Substratelement 3 und mit Probenmaterial im Probenvolumen 10 – in der zentralen Bohrung 43 – gefüllten Substratelement 3 sowohl halternd als auch lösbar verschließend angebracht sind.
Durch die Ausbildung der Detektoreinrichtung wird ein weitgehend homogenes B₀-Feld innerhalb des Substratelementmaterials erreicht. Die erfindungsgemäße Ausbildung der Spulenleiterbreite 30 und der Spulenleiterabstände 31 sowie die Einpassung der Spulenlagen 1, 2 in eine dafür vorgesehene Aussparung 32, 36 resultiert in einer magnetischen Suszeptibilitätsanpassung der Mikrospule 41 an das Substratelementmaterial. Dies ermöglicht eine gegenüber nicht kompensierten Ausführungen höhere Spulenleiterdicke (höhere elektrische Güte) und einen höheren Füllfaktor f, ohne dabei die Breite der Spektrallinien drastisch zu erhöhen.
Die Ausbildung in Form eines Kreiszylinders ermöglicht außerdem kleinere Gesamtabmessungen der Kompensations-Detektoranordnung, da rechtwinklig geformte Substratelemente in der Regel größer als 1 cm sein müssen, um keine zu großen (< 0,1 ppm) B₀-Feldgradienten im Probenvolumen 10 zu erzeugen. Kleinere Kompensations-Detektoranordnungen sind vor allem für Mikroanalysesysteme (engl. Micro Total Analysis Systems – μTAS) von Interesse.
Die Erfindung eröffnet die Möglichkeit, dass die Verwendung von zylindrischen Probenvolumen 10 in einer Kapillare 15 den B₀-Feldinhomogenitäten hervorrufenden Effekt finiter, nicht ellipsoidförmiger Probenvolumen neutralisiert. Die Ausführung mit den in die Substratelemente 4, 5 eingearbeiteten Anpasselementen 33, 34 führt neben der Verbesserung der B₀-Feldhomogenität zusätzlich zu einer Vereinfachung des anspruchsvollen Handling kleiner Probenvolumen 10, da das Befüllen eines zylindrischen, einseitig geöffneten Probenbehälters 35, wie in 4 gezeigt ist, einfacher ist, als das Befüllen der Kapillare 15.
Die Funktionsweise der erfindungsgemäßen Detektoreinrichtung wird im Folgenden nach den 1 und 2 erläutert:
Das Probenmaterial wird in eine Mikrokapillare 15 gefüllt und mit feinwerktechnisch gefertigten Anpassstiften 11, 12 verschlossen oder die Kompensations-Anordnung stellt einen abgeschlossenen zylinderförmigen Probenbehälter (h/r ≈ 1) bereit, welcher axial um die drei- bis fünffache Zylinderhöhe durch ein Material verlängert wird, welches die gleiche Suszeptibilität wie die Probe aufweist. Weiterhin werden die Wicklungen 45, 46 der aus zwei Lagen 1, 2 von Planarspulen bestehenden Helmholtzspule in die Substratelemente 3, 5 eingebettet. Bei geeigneter Dimensionierung von Spulenleiterbreite 30, z. B. eines metallischen Spulenleiters, der vorzugsweise diamagnetisch ist, und von Spulenleiterabstand 31, wobei die Suszeptibilität von Luft bzw. des Umgebungsmediums χ_Medium ≈ 0 beträgt, resultiert eine effektive Suszeptibilität χ_eff, die der dem Substratelementmaterial entspricht, das als Dielektrikum vorzugsweise diamagnetisch ist. Die Substratelemente 3, 5 sind rund ausgeführt und können in sich einen langen Hohlzylinder enthalten. Die Helmholtzkonfiguration der Spulenwicklungen 45, 46 bietet dabei gleichzeitig die Vorteile einer Struktursymmetrie und einer B₁-Feldhomogenität, wobei, wie in 1 und 2 gezeigt ist, das magnetische B₁-Feld beispielsweise senkrecht zum B₀-Feld und parallel zur zentralen Bohrung 43 gerichtet ist.
In einer materialbezogen detaillierten Ausführung können die Substratelemente 3, 4 und die scheibenförmigen Substratelemente 5 bis 9 aus nicht dotiertem Silizium mit einer Suszeptibilität χ_Si ≈ –4 × 10^–6 bestehen und werden mittels des Prozesses des Reaktiven Ionen Ätzens (engl. Reactive Ion Etching – RIE) strukturiert, Die Spulenlagen 1, 2 können mittels Kupfer-Mikrogalvanik, wobei die Suszeptibilität von Kupfer χ_Cu = –9.8 × 10^–6 beträgt, gefertigt sein und eine Leiterdicke von 10–50μm haben. Die Kapillare 15 kann aus Borosilikatglas mit einer Suszeptibilität χ_BG = –11 × 10^–6 gefertigt sein und ist bei in Wasser gelösten Proben mit Anpassstiften 11, 12 aus Polyetherimide, das eine Suszeptibilität χ_PE = –8,9 × 10^–6 aufweist, oder Zirkonoxid mit einer Suszeptibilität χ_Zk = –8,8 × 10^–6 und mit Verschlüssen 13, 14 aus Teflon kraftschlüssig verschlossen. Für die Herstellung der integrierten Anpasselemente 33, 34 kann ebenfalls Polyetherimide oder Zirkonoxid verwendet werden.
Die Erfindung ermöglicht folgende Vorteile:

a) Die Kompensations-Detektoranordnung weist einen langen Kreiszylinder auf, wodurch ein weitgehend homogenes B₀-Feld innerhalb der Substratelemente 3 bis 9 und insbesondere des Messvolumens 10 entsteht,
b) Durch die magnetische Anpassung der Mikrospule 41 an das Substratelementmaterial des Substratelements 3, 5, durch die erfindungsgemäße Ausführung von Spulenleiterbreite 30 und Spulenleiterabständen 31 sowie durch die Einpassung der Spulenlagen 1, 2 in dafür vorgesehene Aussparungen wird eine höhere Spulenleiterdicke für eine höhere elektrische Güte und ein höherer Füllfaktor f für ein besseres Signal-Rausch-Verhältnis SNR ermöglicht, ohne dabei die Breite der Spektrallinien wesentlich zu erhöhen,
c) Kleinere Gesamtabmessungen der Kompensations-Detektoranordnung durch Ausführung in Form eines langen Zylinders; wobei rechtwinklig geformte Substratelemente in der Regel größer als 1 cm sind, um keine zu großen B₀-Feldgradienten im Probenvolumen zu erzeugen, sind möglich,
d) Die Kompensations-Detektoranordnung ist für Mikroanalysesysteme geeignet,
e) Durch die Ausführung als zylindrische Probe wird der B₀-Feldinhomogenitäten hervorrufende Effekt finiter, nicht ellipsoidförmiger Probenvolumen neutralisiert,
f) Neben der Verbesserung der B₀-Feldhomogenität führt die erfindungsgemäße Ausführung zu einer Vereinfachung des anspruchsvollen Handlings kleiner Probenvolumen 10 sowie
g) Einfacheres Befüllen des zylindrischen, einseitig geöffneten Probenbehälters 35 bei alternativer Ausführung zur Kapillare.

Bei der erfindungsgemäßen Detektoranordnung kann der Einfluss der magnetischen Suszeptibilität der Spulenwicklung 45, 46, des Substratelementes 3 bis 9 und der Probengeometrie auf die Spektrallinienbreite kompensiert und somit die Spektralauflösung bei sehr kleinen Probenvolumen 10 verbessert werden.

1: erste Spulenlage
2: zweite Spulenlage
3: mittleres Substratelement
4: mittleres Substratelement
5: Scheibenförmiges Substratelement
6: Scheibenförmiges Substratelement
7: Scheibenförmiges Substratelement
8: Scheibenförmiges Substratelement
9: Scheibenförmiges Substratelement
10: Probenvolumen
11: Anpassstift
12: Anpassstift
13: Verschluss
14: Verschluss
15: Kapillare
16: Bonddraht
17: Bonddraht
18: Bonddraht
19: Bonddraht
20: Leiterplatine
21: Resonatorschaltung
22: Bondpad
23: Bondpad
24: Bondpad
25: Bondpad
26: Bondpad
27: Bondpad
28: Zuleitung
29: Zuleitung
30: Spulenleiterbreite b_Medium
31: Spulenleiterabstand b_Cu
32: Aussparung
33: Anpasselement
34: Anpasselement
35: Probenbehälter
36: Aussparung
41: Mikrospule
42: zentraler Bereich
43: zentrale Bohrung
45: Planarwicklung
46: Planarwicklung
47: Ansatz
48: Ansatz
B₀: homogenes Feld
B₁: magnetisches Feld
χ_Medium: die Suszeptibilität des Mediums in der Aussparung
χ_Si: die Suszeptibilität des Substratelements
χ_Cu: die Suszeptibilität des Spulenleitermaterials
b_Medium: Spulenleiterabstand
b_Cu: Spulenleiterbreite

Claims

Suszeptibilitätskompensierte Detektoreinrichtung für Kernspinresonanz-Messungen kleiner Probenvolumen, enthaltend eine Kompensations-Detektoranordnung mit einer Mikrospule und eine daran angeschlossene Resonanzschaltung, wobei die Kompensations-Detektoranordnung zum Einsatz in ein magnetisches B₀-Feld vorgesehen ist und von dem magnetischen B₀-Feld durchflutet wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Kompensations-Detektoranordnung aus mindestens drei zusammengesetzten gleichermaßen diamagnetischen oder paramagnetischen und einen Kreiszylinder ausbildenden Substratelementen (3, 4, 5) mit der dazwischen befindlichen Mikrospule (41) besteht, wobei die Mikrospule (41) aus zwei Spulenlagen (1, 2) eines Spulenleiters von jeweils einer spiralförmigen Planarwicklung (45, 46) besteht, die verschaltet sind und zusammen eine Spule in Helmholtzkonfiguration bilden, wobei die planaren Spulenlagen (1, 2) sich in einem vorgegebenen Abstand gegenüberliegend zumindest im Bereich eines mittleren Substratelements (3, 4) befinden, das in einem zentralen, senkrecht zu den Spulenlagen (1, 2) vorgegebenen Bereich (42) eine eingebrachte kapillarartige Bohrung (43) zur Aufnahme einer Probe in dem Probenvolumen (10) aufweist, und wobei die Spulenlagen (1, 2) sich in einem Medium innerhalb von ringförmigen Aussparungen (32, 36) des mittleren Substratelements (3, 4) befinden und wobei die Spulenleiter eine Spulenleiterbreite (30) mit b_Cu und einen Spulenleiterabstand (31) mit b_Medium aufweisen, die die Gleichung
erfüllen, wobei χ_Medium die Suszeptibilität des Mediums innerhalb der ringförmigen Aussparungen (32, 36) Zwischen den Spulenleitern der Spulenlagen (1, 2), χ_Si die Suszeptibilität des Materials der Substratelemente (3, 4, 5, 6, 7, 8, 9) und χ_Cu die Suszeptibilität des Spulenleitermaterials sind.
Detektoreinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass durch eine geringe Ausbildung der Spulenleiterbreite (30) und Spulenleiterabstände (31) des Spulenleiters zur Suszeptibilitätsanpassung an das umgebende Material des Substratelements (3, 4, 5) folgende Gleichungen (II) und (III) zwischen den Geometrien und den Suszeptibilitäten erfüllt werden:
und χeff = χSi (III),wobei durch Umformen das Verhältnis der Geometrien in Abhängigkeit von den Suszeptibilitäten vorgegeben ist:
wobei die Anpassung der Suszeptibilitäten einerseits vom Abstand zwischen dem Probenvolumen (10) und der Mikrospule (41) und andererseits von der Windungszahl der Planarwicklungen (45, 46) abhängt, wobei die Dimensionierung von Spulenleiterbreite (30) und Spulenleiterabstand (31) in der Aussparung (32, 36) in einer effektiven Suszeptibilität χ_eff resultiert, die der Suszeptibilität χ_Si des Materials der Substratelemente (3, 4) mit χ_eff = χ_Si entspricht.
Detektoreinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Spulenlagen (1, 2) der Mikrospule (41) in Serie oder parallel verschaltet sind und zusammen eine Spule in Helmholtzkonfiguration bilden.
Detektoreinrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die planaren Spulenlagen (1, 2) auf den Substratelementen (3, 4) mittels mikrotechnologischer Metallabscheidungs- und Strukturierungsprozesse hergestellt sind.
Detektoreinrichtung nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Verschaltung der Spulenlagen (1, 2) durch Bonddrähte (16, 17) erfolgt, welche die Spulenlagen (1, 2) an dafür vorgesehen Bondpads (22, 23, 24, 25) verbinden.
Detektoreinrichtung nach einem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Verbindung von den Spulenlagen (1, 2) über Zuleitungen (28, 29) zur Resonatorschaltung (21) auf einer Leiterplatine (20) durch Bonddrähte (18, 19) an den Bondpads (26, 27) vorgesehen ist.
Detektoreinrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die mittleren Substratelemente (3, 4), abgesehen von dem für die elektrische Kontaktierung notwendigen Ansatz (47, 48), rund ausgeführt sind und in ihrem geometrischen zentralen Bereich (42) eine Bohrung (43) aufweisen, wobei die die Kompensations-Detektoranordnung halternden mittleren Substratelemente (3, 4) mit einer Leiterplatine (20) verbunden sind.
Detektoreinrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die kapillarartige Bohrung (43) entweder mit einem kapillarartigen Probenbehälter (15) einschließlich des Probenmaterials in einem festgelegten Probenvolumen (10) mit verschließenden Anpassstiften (11, 12) füllbar ist oder selbst als Probenbehälter (35) zur Füllung von Probenmaterial in einem festgelegten Probenvolumen (10) mit verschließenden Anpasselementen (33, 34) dient.
Detektoreinrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der mit Probenmaterial gefüllte kapillarartige Probenbehälter (15) in den aus den mittleren Substratelementen (3, 4) und den scheibenförmigen Substratelementen (5, 6, 7, 8, 9) durch die zentralen Bohrungen (43) gebildeten, langen Hohlzylinder gesteckt und mit Anpassstiften (11, 12) verlängert und durch endseitige Verschlüsse (13, 14) verschlossen ist.
Detektoreinrichtung nach einem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass zur Ausbildung der Form eines langen Kreiszylinders der Kompensations-Detektoranordnung weitere scheibenförmige Substratelemente (5, 6, 7, 8, 9) aus dem gleichen Material wie die die Mikrospule (41) halternden mittleren Substratelemente (3, 4) an die Substratelemente (3, 4) angebracht sind, wobei die scheibenförmigen Substratelemente (5 bis 9) vollständig rund sind und jeweils wahlweise die gleiche Bohrung (43) im zentralen Bereich (42) aufweisen.
Detektoreinrichtung nach Anspruch 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass ein mittleres Substratelement (3) und ein benachbartes mittleres Substrat oder scheibenförmiges Substratelement (5) jeweils auf der Unterseite die ringförmige Aussparung (32, 36) aufweisen, welche die spiralförmigen planaren Spulenlagen (1, 2) enthalten.
Detektoreinrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Anpassstifte (11, 12) durch ein in der Suszeptibilität dem Probenmaterial (10) angepassten Material, durch Anpasselemente (33, 34), ersetzt sind, welches in das mittlere Substratelement (4) oder in die scheibenförmigen Substratelemente (5 bis 9) eingearbeitet ist, wobei das mittlere Substratelement (3) einen durch die Anpasselemente (33, 34) beidseitig begrenzten Probenbehälter (35) für das Probenvolumen (10) bildet.
Detektoreinrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der kapillarartigen Bohrung (43) für die Ausbildung des Probenvolumens (10) im Probenbehälter (35) beidendseitig zwei Anpasselemente (33, 34) zugeordnet sind, die zu mindestens einem der beidseitig benachbarten Substratelemente (4, 5, 6, 7, 8, 9) gehören und die das Probenvolumen (10) zwischen den beiden Spulenlagen (1, 2) im zentralen Bereich (42) festlegen und haltern.
Detektoreinrichtung nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindung zwischen mindestens einem benachbarten scheibenförmigen Substratelement (5) und dem mittleren Substratelement (3) zum Befüllen des Probenbehälters (35) lösbar ausgebildet ist.
Detektoreinrichtung nach einem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass durch die Form eines langen Kreiszylinders der Kompensations-Detektoranordnung und durch die Ausbildung der Spulenleiterbreite (30) und der Spulenleiterabstände (31) sowie die Einpassung der Spulenlagen (1, 2) in die dafür vorgesehene Aussparung (32, 36) eine Anpassung der Suszeptibilitäten erreichbar ist und somit B₀-Feldgradienten innerhalb des Probenvolumens (10) verkleinerbar sind.
Detektoreinrichtung nach einem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die planaren Spulenlagen (1, 2) auch an der Oberseite und an der Unterseite in die Aussparungen (32, 36) eines einzigen scheibenförmigen, mit einer zentralen Bohrung (43) versehenen mittleren Substratelements (3) durch die Durchführung mikrotechnologischer Prozesse vorhanden sind, wobei jeweils mindestens ein weiteres scheibenförmiges Substratelement (5) dem mittleren Substratelement (3) beidseitig benachbart angeordnet ist.
Detektoreinrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die dem mit den beiden Spulenlagen (1, 2) versehenen mittleren Substratelement (3) benachbarten Substratelemente (4, 5) bei Übereinstimmen der Suszeptibilitäten des Probenmaterials und der benachbarten Substratelemente (4, 5) ohne zentrale Bohrungen (43) ausgebildet und die benachbarten Substratelemente (4, 5) an dem beidseitig mit Spulenlagen (1, 2) versehene und mit Probenmaterial im Probenvolumen (10) – in der zentralen Bohrung (43) – gefüllten mittleren Substratelement (3) sowohl halternd als auch lösbar verschließend angebracht sind.
Detektoreinrichtung nach Anspruch 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass das Material der Substratelemente (3, 4) und das Material der scheibenförmigen Substratelemente (5 bis 9) wahlweise Silizium und das Spulenleitermaterial wahlweise Kupfer sind.