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Die
Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Präparieren und
Vermessen einer Kernspinresonanz(=NMR)-Messprobe, umfassend einen
Durchfluss-NMR-Probenkopf.
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Kernspinresonanz(=NMR)-Spektroskopie
ist ein Verfahren der instrumentellen Analytik, mit dem insbesondere
die chemische Zusammensetzung von Messproben bestimmt werden kann.
Dabei werden Hochfrequenz(=HF)-Pulse in die Messprobe, die sich in
einem starken statischen Magnetfeld befindet, eingestrahlt, und
die elektromagnetische Reaktion der Probe wird vermessen.
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Flüssige
Messproben werden üblicherweise in NMR-Probenröhrchen
gefüllt, und das befüllte NMR-Probenröhrchen
wird zum Messort im NMR-Spektrometer verbracht, meist unter Nutzung einer
automatischen (beispielsweise pneumatischen) Transporteinrichtung.
Nach der Vermessung wird das NMR-Probenröhrchen wieder
entfernt.
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Alternativ
ist es möglich, eine flüssige Messprobe über
ein Leitungssystem in einen so genannten Durchfluss-NMR-Probenkopf
zu fördern. Im Durchfluss-NMR-Probenkopf befindet sich
eine typischerweise gegenüber einer Zu- und einer Ableitung verbreiterte
Messzelle. Die flüssige Messprobe wird einem Vorrat entnommen
und durch das Leitungssystem gepumpt, typischerweise unter Einsatz
einer Transportflüssigkeit, die die flüssige Messprobe
im Leitungssystem anschiebt. Nach Durchführung der Messung
wird die Messprobe ausgefördert. Durchflusszellen für
ein NMR-Spektrometer werden beispielsweise in der
DE 10 2006 029 496 A1 beschrieben;
eine Vorrichtung zum Fördern von flüssiger Probe
für eine Durchfluss-NMR-Messung ist bekannt geworden aus
der
DE 10 2006
023 223 B3 . Die Vermessung von flüssigen NMR-Proben
im Durchfluss-Verfahren vereinfacht den automatischen Transport
der Messprobe zum Messort.
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Nach
der Vermessung im Durchflussverfahren wird eine flüssigen
Messprobe ausgefördert. Dazu wird Transportflüssigkeit
(und/oder eine nächste flüssige Messprobe) durch
eine Zuleitung der Messzelle in die Messzelle eingepumpt, und die
vermessene Messprobe wird über eine Ableitung aus der Messzelle ausgespült
und in einen Ausguss geleitet. Nachteilig an diesem Vorgehen ist,
dass die Messprobe bei dieser Vermessung verbraucht wird.
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Aus
dem Stand der Technik ist es bekannt, die Signalausbeute bei NMR-Experimenten
durch eine vorgelagerte Probenpräparation, genannt para-Wasserstoff
induzierte Polarisation (para-Hydrogen induced polarization, auch
PHIP abgekürzt) zu verstärken. Die
WO 99/24080 beschreibt dabei einen PHIP-Prozess,
bei dem para-Wasserstoff (pH2) an eine symmetrische Kohlenstoff-Kohlenstoff-Doppelbindung,
die einen C13-Kern enthält addiert wird, wobei die Spinordnung
von pH2 auf den C13-Kern übergeht. Da bei der Addition
des pH2 die chemische Struktur der Messsubstanz verändert
wird, kann diese vorgelagerte Präparation nur einmalig
stattfinden, und die Messsubstanz wird entsprechend nach der Messung
verworfen.
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In
der nachveröffentlichten internationalen Patentanmeldung
PCT/EP2008/004865 wurde
ein Verfahren entwickelt, mit dem eine Nicht-Gleichgewichts-Spinordnung
von einem symmetrischen Molekül, insbesondere para-Wasserstoff,
mit Hilfe eines Katalysators mit Stellen geordneter Umgebung, insbesondere
mit Hilfe eines Metallkomplexes, mit einfachen Aktivierungsmaßnahmen
auf einen hyperpolarisierbaren Kern einer Messsubstanz übertragen werden
kann. Die Aktivierungsmaßnahmen können beispielsweise
ein mechanisches Durchmischen der Gesamtheit von symmetrischem Molekül,
Messsubstanz und Katalysator, oder die Beaufschlagung eines magnetischen
Wechselfeldes auf diese Gesamtheit umfassen. Die katalytische Spinordnungs-Übertragung
verändert die chemische Struktur der Messsubstanz nicht.
An den hyperpolarisierten Kernen können NMR-Experimente
mit verbessertem Signal-zu-Untergrundverhältnis durchgeführt
werden.
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Nach
den Aktivierungsmaßnahmen baut sich die übertragene
Spinordnung in der Messsubstanz jedoch in kurzer Zeit wieder ab,
so dass durch das Verbringen der Messprobe in das Spektrometer bereits
Signal verloren geht. Weiterhin wird die Spinordnung im Rahmen von
anschließenden NMR-Experimenten verbraucht, so dass jede
Probe nach Aktivierung nur einmal vermessen werden kann.
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Durch
eine Vermessung von aktivierter, flüssiger Messprobe im
Durchflussbetrieb kann die Zeit zwischen Aktivierung der Messprobe
und Beginn der NMR-Messungen verkürzt werden und somit
mehr Signal erhalten werden. Auch kann eine Messprobe, die die ihr übertragene
Spinordnung infolge eines NMR-Experiments wieder verloren hat, schnell
durch eine frische Messprobe ersetzt werden, so dass durch schnelle,
wiederholte NMR-Messungen das Signal-zu-Rausch-Verhältnis
verbessert werden kann.
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Allerdings
wird durch einen schnellen Ersatz der Messprobe in einem solchen
Durchflussbetrieb viel flüssige Messprobe verbraucht, wodurch
ein solches Vorgehen recht teuer wird.
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Aufgabe der Erfindung
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei der NMR-spektroskopischen
Vermessung von flüssigen Messproben, auf die katalytisch
eine Spinordnung übertragen werden kann, insbesondere wie in
der
PCT/EP2008/004865 beschrieben,
den Verbrauch an Messprobe zu reduzieren.
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Kurze Beschreibung der Erfindung
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Diese
Aufgabe wird gelöst durch eine Vorrichtung zum Präparieren
und Vermessen einer Kernspinresonanz(=NMR)-Messprobe, umfassend
- – einen Durchfluss-NMR-Probenkopf,
mit einer ersten und einer zweiten Zuleitung jeweils zum Zu- und
Ableiten einer flüssigen NMR-Messprobe,
- – mindestens eine Kammer, wobei die Kammer an eine
der Zuleitungen angeschlossen ist,
- – einen Probenzuführungsanschluss zum Einbringen
der flüssigen Messprobe in die Vorrichtung,
wobei
mindestens eine Kammer mindestens einen Anschluss zur Druckgasbeaufschlagung
und zur Druckgasentlastung aufweist, und wobei mindestens eine Kammer
Mittel zum Durchmischen von in dieser Kammer enthaltener flüssiger
Messprobe mit einem Gas aufweist.
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Die
erfindungsgemäße Vorrichtung ermöglicht
eine einfache Wiederverwendung und schnelle Reaktivierung einer
Messsubstanz in einer flüssigen Messprobe, wobei auf die
Messsubstanz katalytisch Spinordnung von einem Gas übertragbar
ist, nachdem die Messsubstanz durch ein NMR-Experiment die ihr übertragene
Spinordnung wieder verloren hat.
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Die
erfindungsgemäße Vorrichtung verfügt über
mindestens eine Kammer, in der die katalytische Übertragung
von Nicht-Gleichgewichts-Spinordnung von einem symmetrischen Molekül,
welches als ein Gas oder in einem Gasgemisch vorliegt, auf einen hyperpolarisierbaren
Nukleus der Messsubstanz erfolgen kann. Die Messsubstanz liegt dabei
flüssig oder in einer flüssigen Lösung
vor (”flüssige Messprobe”). Die flüssige
Messprobe kann in der Kammer mit dem das symmetrische Molekül
enthaltenden Gas (”Reaktionsgas”) durchmischt
werden, um die Übertragung der Spinordnung vorzubereiten
(oder im Einzelfall auch bereits zu bewirken). Geeignete Mittel zum
Durchmischen können beispielsweise ein Rührer,
oder auch eine Gaseinleitungsöffnung im unteren Kammerbereich
sein. Zusätzlich kann die Kammer mit Vorrichtungen zur
Optimierung der Spinübertragung und der Selektion eines
bevorzugten Spinzustandes (”Aktivierungmittel”)
ausgestattet sein, etwa magnetischen Wechselfeldgeneratoren. In
der Kammer wird auch der Katalysator vorgelegt; der Katalysator
kann in der flüssigen Messprobe gelöst sein, oder
auch als ein Festkörper in der Kammer installiert sein.
Die Auswahl des Gases, das die symmetrischen Moleküle enthält,
des Katalysators und der Messsubstanz sowie die Verfahren bei der Übertragung
der Spinordnung können wie in der
PCT/EP2008/004865 beschrieben
erfolgen, deren Offenbarung hiermit in die vorliegende Beschreibung vollinhaltlich
aufgenommen wird.
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Durch
Ausnutzen eines relativen Überdrucks in der Kammer kann
flüssige Messprobe in den Durchfluss-NMR-Probenkopf gefördert
werden. Nach Abschluss der Vermessung kann durch Nutzung eines relativen
Unterdrucks in der Kammer die flüssige Messprobe zurück
in die Kammer gefördert werden. Insbesondere im Falle von
einfachen Ausführungsformen der erfindungsgemäßen
Vorrichtung kann die Druckgasbeaufschlagung und Druckgasentlastung
der Kammer durch den Probenkopf, d. h. über die erste und
zweite Zuleitung, erfolgen. Im Mehrkammersystemen hingegen erfolgt
typischerweise die Druckgasbeaufschlagung oder Entlastung an einer
Kammer unmittelbar (ohne Zwischenschaltung des Probenkopfs).
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Druckgasbeaufschlagung
und Druckgasentlastung erfolgen erfindungsgemäß über
einen oder mehrere Anschlüsse, die direkt oder indirekt
in die Kammer führen. Die Druckgasbeaufschlagung erfolgt
typischerweise durch Öffnen einer Verbindung zu einer Druckgasquelle
(z. B. eine Druckgasflasche oder ein lokales Druckgasversorgungssystem
innerhalb eines Laborgebäudes), die unter Überdruck
(> 1 bar, meist 1,5
bar oder mehr) steht; die Druckgasentlastung erfolgt typischerweise
durch Öffnen einer Verbindung zur Umgebung (mit Luftdruck
ca. 1 bar), insbesondere innerhalb eines Abzugs.
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Die
erfindungsgemäße Vorrichtung erlaubt somit ein
Pendeln von flüssiger Messprobe zwischen der mindestens
einen Kammer und dem Probenkopf, insbesondere um eine zwischenzeitliche
Reaktivierung der Messsubstanz in der Kammer zu ermöglichen.
Im Falle mehrerer Kammern kann die flüssige Messprobe auch
von Kammer zu Kammer, insbesondere unter Zwischenschaltung des Probenkopfes, pendeln.
In einer oder beiden Kammern kann dann eine Reaktivierung erfolgen.
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Im
Rahmen dieser Reaktivierung kann somit dieselbe Messsubstanz, die
kurz zuvor die ihr übertragene Nicht-Gleichgewichts-Spinordnung
verloren hat, erneut eine Nicht-Gleichgewichts-Spinordnung übertragen
bekommen. Die Messsubstanz wird somit nicht endgültig verbraucht,
sondern rezykliert; insbesondere braucht Messsubstanz nicht verworfen
werden. Für die Reaktivierung der Messsubstanz kann, falls
nötig, erneut Gas, das die symmetrischen Moleküle
enthält, zugemischt werden, oder noch in der Kammer und/oder
der Messprobe vorhandenes oder gelöstes Gas, das seine
Nicht-Gleichgewichts-Spinordnung noch nicht übertragen
hat, aufgebraucht werden.
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Man
beachte, dass zur Aufbringung von Gasdruck für Transportzwecke
ein anderes Gas (insbesondere ein inertes Gas) eingesetzt werden
kann als zur Spinübertragung. In diesem Fall sind typischerweise
zwei Anschlüsse zur Druckgasbeaufschlagung der Kammer vorgesehen,
für das Transportgas (oft Stickstoff, Argon oder ein anderes
Edelgas, oder ein Gemisch dieser Gase) und das Gas zur Spinübertragung
(meist para-Wasserstoff). Die Druckgasbeaufschlagungsanschlüsse
für Transportgas und Reaktionsgas münden dann
typischerweise in verschiedene Kammern.
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Die
erfindungsgemäße Vorrichtung gestattet über
das pendelnde Verbringen der flüssigen Messprobe und die
damit mögliche mehrmalige Aktivierung und Vermessung derselben
Messprobe eine deutliche Reduktion des Verbrauchs an Messprobe.
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Bevorzugte Ausführungsformen
der Erfindung
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Bei
einer besonders bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen
Vorrichtung sind zwei Kammern vorhanden, wobei eine erste Kammer an
die erste Zuleitung angeschlossen ist, und wobei eine zweite Kammer
and die zweite Zuleitung angeschlossen ist. Zwischen den beiden
Kammern kann die flüssige Messprobe pendeln. Nach einer
Aktivierung von flüssiger Messprobe in einer der Kammern kann
je nach Probenvorrat (bei ausreichend langer Spinrelaxationszeit)
auch mehrfach in den Probenkopf und die nachgeschaltete zweite Kammer
gefördert und im Probenkopf gemessen werden, ohne erneut
die restliche Messprobe aktivieren zu müssen. Die zweite
Kammer kann ebenfalls zum Aktivieren von flüssiger Messprobe
genutzt werden, wodurch Umpump-Prozesse vermieden werden können.
Die zweite Kammer kann schließlich als Überdruckbehälter
(Druckspeicher) fungieren, um die Förderung (insbesondere
Rückförderung) der Messprobe mit Gasdruck zu vereinfachen.
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Besonders
bevorzugt ist eine Weiterbildung dieser Ausführungsform,
bei der die erste und die zweite Kammer jeweils einen Anschluss
zur Druckgasbeaufschlagung und Druckgasentlastung aufweisen. Dadurch
wird die Förderung der Messprobe zwischen den Kammern erleichtert;
insbesondere braucht dann keine der Kammern Gasdruck zu speichern,
etwa über eine zwischenzeitliche NMR-Messung hinweg.
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Bei
einer anderen, bevorzugten Weiterbildung sind die erste Kammer und
die zweite Kammer über eine Gasdruckausgleichsleitung miteinander verbunden,
welche ein schaltbares Ventil enthält. Die Gasdruckausgleichsleitung
mit Ventil vereinfacht die Handhabung der Vorrichtung. Im Einzelfall
kann durch die Druckgasleitung die Zahl der Anschlüsse für
Druckgasbeaufschlagung und Entlastung oder auch der Verbrauch an
Druckgas reduziert werden.
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Bei
einer bevorzugten Ausführungsform ist eine Ventileinrichtung
vorgesehen, die in einer geschlossenen Stellung die erste Zuleitung
und die zweite Zuleitung unterbricht. Dadurch können stabile Verhältnisse
für die NMR-Messung im Durchfluss-NMR-Probenkopf erreicht
werden.
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Eine
Weiterbildung dieser Ausführungsform sieht vor, dass in
der geschlossenen Stellung der Ventileinrichtung probenkopfseitig
die erste und zweite Zuleitung miteinander kurzgeschlossen sind. Dadurch
kann mit einem einzigen Ventil (etwa einem 4-Port-2-Positionen Drehventil
mit Verbindung von jeweils zwei benachbarten Ports) die Unterbrechung der
ersten und zweiten Zuleitung erfolgen, und für die NMR-Messung
der Durchfluss-NMR-Probenkopf verschlossen werden.
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Alternativ
oder zusätzlich ist bei einer anderen Weiterbildung vorgesehen,
dass in der geschlossenen Stellung der Ventileinrichtung kammerseitig die
erste und zweite Zuleitung miteinander kurzgeschlossen sind. Die
erste und zweite Zuleitung können in so weit als Druckausgleichsleitung
genutzt werden; ein im Bereich der zweiten Zuleitung eingerichteter
Anschluss (oder Anschlüsse) zur Druckgasbeaufschlagung
und Druckgasentlastung können dann auch für die
an der ersten Zuleitung angeschlossene Kammer verwendet werden.
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Besonders
bevorzugt ist eine Ausführungsform, bei der die erste Zuleitung
und/oder die zweite Zuleitung einen Flüssigkeitssensor
aufweist, insbesondere im Bereich des Eingangs des Probenkopfes oder
innerhalb des Probenkopfes. Dadurch kann auf einfache Weise die
ausreichende Befüllung (oder auch die vollständige
Entleerung) des Probenkopfes bestimmt werden. Es wird ein sparsamer
Umgang mit der flüssigen Messprobe, und eine rasche und
zuverlässige Einstellung der korrekten Messbedingungen ermöglicht.
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Besonders
bevorzugt ist eine Ausführungsform, bei der ein Anschluss
zur Druckgasbeaufschlagung mit einem Reservoir von para-Wasserstoff
verbunden ist. Para-Wasserstoff ist eine vergleichsweise kostengünstige
und experimentell erprobte Quelle von Nicht-Gleichgewichts-Spinordnung
eines symmetrischen Moleküls, zur katalytischen Übertragung auf
hyperpolarisierbare Kerne in der Messsubstanz. Man beachte, dass
der para-Wasserstoff auch als Transportgas eingesetzt werden kann.
Die Kern-Spinordnung in Para-Wasserstoff ist über viele
Monate gut stabil und daher auch für Praxisanwendungen
gut geeignet.
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Bevorzugt
ist weiterhin eine Ausführungsform, bei der zumindest die
Innenflächen der Zuleitungen und der mindestens einen Kammer
aus nichtmetallischem Material bestehen.
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Bei
einer vorteilhaften Ausführungsform ist vorgesehen, dass
ein Anschluss zur Druckgasbeaufschlagung einer Kammer in einem unteren
Teil dieser Kammer mündet und eine Fritte aufweist. Dies
ermöglicht eine feinperlige Gaseinleitung, insbesondere
für para-Wasserstoff, so dass gleichzeitig eine gute Durchmischung
mit der (überstehenden) flüssigen Messprobe beim
Einleiten erreicht werden kann. Bevorzugt weist der Anschluss noch
ein Rückschlagventil auf, um das Eindringen von flüssiger
Messprobe in die Gasleitung zu verhindern.
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Besonders
bevorzugt ist auch eine Ausführungsform, bei der mindestens
eine Kammer einen Katalysator enthält, der den beiden Protonen
von para-Wasserstoff eine geordnete Umgebung bietet, die die beiden
Protonen chemisch oder magnetisch unterscheidet. Der Katalysator
kann dann die Spinordnungsübertragung von para-Wasserstoff
an den hyperpolarisierbaren Kern der Messsubstanz gewährleisten.
Im einfachsten Fall ist der Katalysator ein in der Kammer angeordneter
Feststoff (insbesondere eine Befüllung mit Zeolithkugeln,
oder eine Beschichtung der Innenoberfläche der Kammer).
Der Katalysator kann auch in der flüssigen Messprobe gelöst sein.
Man beachte, dass die Auswahl eines geeigneten Katalysators auch
von der Messsubstanz abhängen kann.
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Bei
einer bevorzugten Weiterbildung dieser Ausführungsform
enthält der Katalysator einen Metallkomplex, insbesondere
einen Iridiumkomplex, oder ein Zeolith. Diese Katalysatoren haben
sich in der Praxis bewährt.
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Besonders
bevorzugt ist eine Ausführungsform, bei der mindestens
eine Kammer mit einer Einrichtung zur Erzeugung eines kontrollierten
Magnetfeldes, insbesondere eines magnetischen Wechselfeldes, im
Inneren dieser Kammer versehen ist. Ein kontrolliertes Magnetfeld
vermag die Übertragung von Nicht-Gleichgewichts-Spinordnung
vom symmetrischen Molekül (etwa para-Wasserstoff) auf den
hyperpolarisierbaren Kern der Messsubstanz zu optimieren. Die Einrichtung
selbst ist in der Regel außerhalb der Kammer angeordnet.
Die Einrichtung kann insbesondere bewegliche Permanentmagnete umfassen,
oder auch Spulen mit Wechselstrombeaufschlagung.
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Bevorzugt
ist dabei eine Weiterbildung dieser Ausführungsform, bei
der das von der Einrichtung erzeugte und kontrollierte Magnetfeld
im Inneren der Kammer räumlich inhomogen ist, insbesondere
wobei das kontrollierte Magnetfeld Feldstärken im Bereich
zwischen 0,2 μT und 0,1 T umfasst oder Teilbereiche davon.
Gradienten im Wechselfeld können die Spinübertragung
zusätzlich verbessern.
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Bei
einer anderen Weiterbildung der obigen Ausführungsform
umfasst das von der Einrichtung erzeugte und kontrollierte Magnetfeld
ein Wechselfeld mit einer Wechselfeldfrequenz zwischen 10 mHz und
10 kHz, insbesondere zwischen 1 Hz und 1 kHz. Diese Frequenzbereiche
haben sich in bisherigen Versuchen bewährt.
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Bei
einer weiteren, bevorzugten Ausführungsform ist mindestens
eine der Kammern mit einer Rüttelvorrichtung versehen.
Durch Rütteln (wiederholtes Verschwenken) der Kammer samt
ihren Inhalts kann nicht nur die Durchmischung der flüssigen Messprobe
mit überstehendem Gas verbessert werden, sondern auch die
Spinordnungsübertragung verbessert werden. Dies gilt insbesondere
dann, wenn das Rütteln in einem inhomogenen Hintergrund-Magnetfeld
erfolgt.
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Erfindungsgemäße Verfahren
zur Durchführung eines NMR-Experiments unter Verwendung
einer erfindungsgemäßen Vorrichtung
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In
den Rahmen der vorliegenden Erfindung fällt auch ein Verfahren
zur Durchführung eines NMR-Experiments mit erhöhter
Messempfindlichkeit an einer Messsubstanz, die hyperpolarisierbare Atomkerne
enthält, unter Verwendung einer erfindungsgemäßen
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit
folgenden Schritten:
- a) Bereitstellen eines
Gases mit einer Temperatur TF, das räumlich symmetrische
Moleküle mit jeweils zwei Hälften enthält,
mit einer Kernspin-Zustandsverteilung der symmetrischen Moleküle, die
bei dieser Temperatur TF nicht einer Bolzmannverteilung entspricht;
- b) Bereitstellen der Messsubstanz mit einer definierten chemischen
Zusammensetzung;
- c) Bereitstellen eines Katalysators, der Stellen einer geordneten
Umgebung für die zwei Hälften des symmetrischen
Moleküls und die Messsubstanz bereitstellt, die sich an
jeder dieser Stellen anlagern können, und wobei die geordnete
Umgebung die beiden Hälften des angelagerten, symmetrischen
Moleküls chemisch oder magnetisch unterscheidet, und wobei
die geordnete Umgebung eine Wechselwirkung über skalare
oder dipolare Kopplung zwischen den zwei Hälften des symmetrischen
Moleküls und der angelagerten Messsubstanz erlaubt,
- d) Zusammenbringen des bereitgestellten Gases, der bereitgestellten
Messsubstanz und des bereitgestellten Katalysators, wodurch die
Kernspin-Ordnung des symmetrischen Moleküls auf die hyperpolarisierbaren
Kerne der Messsubstanz übertragen wird, während
einer zeitweiligen Anlagerung der symmetrischen Moleküle,
der Messsubstanz und des Katalysators, wobei letztendlich die chemische
Zusammensetzung der Messsubstanz unverändert bleibt, und
- e) Durchführung einer NMR-Messung an der Messsubstanz,
die in Schritt d) präparierte, hyperpolarisierte Kerne
enthält,
die dadurch gekennzeichnet, ist
i) dass
Schritt d) in einer Kammer der Vorrichtung durchgeführt
wird,
ii) dass anschließend zumindest ein Teil der Messsubstanz
durch Gasdruck über eine der Zuleitungen in den Durchfluss-NMR-Probenkopf
gefördert wird,
iii) dass anschließend Schritt
e) an der im Durchfluss-NMR-Probenkopf befindlichen Messsubstanz
erfolgt,
iv) und dass anschließend die sich im Durchfluss-NMR-Probenkopf
befindende Messsubstanz durch Gasdruck in eine Kammer der Vorrichtung
gefördert wird.
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Die
erfindungsgemäße Vorrichtung kann besonders vorteilhaft
dazu eingesetzt werden, bei einem NMR-Präparations- und
Messverfahren nach der
PCT/EP2008/004865 mitzuwirken.
Besagte PCT-Anmeldung enthält detaillierte Erläuterungen
zu den Schritten a) bis e) sowie Verfahrensvarianten und Ausführungsbeispiele,
die im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens
genutzt werden können; diese Erläuterungen, Verfahrensvarianten
und Ausführungsbeispiele werden hiermit in die Offenbarung der
vorliegenden Erfindung eingeschlossen.
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Im
Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens wird katalytisch
auf die Messsubstanz eine Nicht-Gleichgewichts-Spinordnung übertragen
und in einem NMR-Experiment ausgemessen. Danach kann dieselbe Messsubstanz,
da sie zuvor bei der Übertragung der Spinordnung keine
Veränderung ihrer chemischen Struktur erfahren hat, ohne
weiteres erneut für eine NMR-Messung bereitgehalten werden.
Dies erfolgt erfindungsgemäß in einer Kammer der
erfindungsgemäßen Vorrichtung, und die Messprobe
kann in einer Kammer der Vorrichtung auch rasch erneut eine Nicht-Gleichgewichts-Spinordnung übertragen
bekommen. Die Messsubstanz (in Gestalt einer flüssigen
Messprobe) wird somit nicht verbraucht und kann daher kostensparend
rezykliert werden. Dabei hat sich das Transportsystem über Gasdruck
besonders bewährt.
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Bevorzugt
ist eine Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens,
die vorsieht, dass für das Verfahren eine Vorrichtung umfassend
zwei Kammern eingesetzt wird, und dass nach Schritt iv) zunächst die
Schritte ii), iii) und iv) wenigstens einmal für einen weiteren
Teil der Messsubstanz wiederholt werden. Mit anderen Worten, in
Schritt i) wird eine größere Menge an Messsubstanz
präpariert, die für mehrere Befüllungen
des NMR-Durchfluss-Probenkopfs ausreicht, und nach Vermessung einer
Probenkopffüllung wird der Probenkopf aus der restlichen
präparierten Messsubstanz erneut befüllt und eine NMR-Messung
durchgeführt. Dadurch können besonders schnell
hintereinander eine Vielzahl von NMR-Messungen ohne erneute Probenpräparation durchgeführt
werden. Die bereits vermessene Messsubstanz wird in einer zweiten
Kammer zwischengelagert, typischerweise bis die Messsubstanz der
ersten Kammer vollständig verbraucht ist.
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Ganz
besonders bevorzugt ist eine Verfahrensvariante, die vorsieht, dass
anschließend an Schritt iv) in einem Schritt
- v) die ausgeförderte Messsubstanz in der Kammer gerüttelt
oder einem kontrollierten Magnetfeld, insbesondere magnetischen
Wechselfeld, ausgesetzt wird,
und anschließend
die Schritte ii) und iii), und bevorzugt auch noch Schritt iv),
an der in Schritt v) behandelten Messsubstanz erneut vorgenommen
werden. In Schritt v) wird eine erneute Aktivierung der soeben vermessenen
Messsubstanz vorgenommen, d. h. es wird erneut eine Spinordnungsübertragung
vom Gas mit den räumlich symmetrischen Molekülen
(meist para-Wasserstoff, pH2) auf die Messsubstanz vorgenommen bzw.
unterstützt. In Schritt v) erfolgt dabei typischerweise
meist und bevorzugt keine erneute Zuführung von Gas mit
symmetrischen Molekülen aus einem Reservoir, sondern es
wird restliches, unverbrauchtes, in der Vorrichtung bereits vorhandenes Gas
genutzt. Nach den Schritten v), ii) iii) und iv) können
ein oder mehrere weitere Zyklen mit den Schritten v), ii), iii),
iv) eingeleitet werden. Falls die Messsubstanz in mehreren Teilen
vermessen wird, so erfolgt die Behandlung gemäß Schritt
v) typischerweise nach dem Schritt iv) der letzten Wiederholung
der Schritte ii), iii), iv). Die in Schritt v) behandelte Messsubstanz
kann dann wiederum in mehreren Teilen vermessen werden.
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Bei
einer vorteilhaften Weiterentwicklung dieser Verfahrensvariante
finden Schritt i) und Schritt v), und gegebenenfalls wiederholte
Schritte v), in der identischen Kammer statt. Dann braucht nur eine Kammer
mit Aktivierungsmitteln (wie einem Rüttler oder einem magnetischen
Wechselfeldgenerator) ausgestattet zu sein. Nötigenfalls
kann die Messsubstanz für einen Schritt v) zunächst
von einer Kammer in eine andere Kammer durch Gasdruck umgefördert werden.
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Bei
einer alternativen, ebenfalls vorteilhaften Weiterentwicklung der
obigen Verfahrensvariante finden Schritt i) und Schritt v) und gegebenenfalls
aufeinander folgende, wiederholte Schritte v), in verschiedenen
Kammern statt. In diesem Fall wird Messsubstanz in derjenigen Kammer,
in die sie nach erfolgter Vermessung gefördert wurde, erneut
aktiviert und steht schnell wieder für eine erneute NMR-Messung
zur Verfügung. Ein Umfördern ist dann nicht erforderlich.
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Bei
einer anderen, bevorzugten Verfahrensvariante wird in Schritt i)
und/oder in Schritt v) die Messsubstanz in der Kammer einem statischen
Magnetfeld zwischen 0,1 mT und 0,5 T ausgesetzt. Das statische Magnetfeld
kann die Spinübertragung vom Gas mit den symmetrischen
Molekülen auf die Messsubstanz (bzw. deren hyperpolarisierbare
Kerne) verbessern.
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Besonders
bevorzugt ist noch eine Verfahrensvariante, bei der zur Förderung
der Messsubstanz durch Gasdruck zumindest teilweise ein Puffergas,
insbesondere N2 oder ein Edelgas, verwendet wird.
Das Puffergas kann insbesondere ein inertes Gas sein. Das kostengünstige
Puffergas kann zum Transport der Messsubstanz verwendet werden,
so dass diese Aufgabe nicht vom in der Regel teuren, die symmetrischen
Moleküle enthaltenden Gas (etwa pH2) zu übernommen
werden braucht. Somit können Kosten gespart werden.
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Weitere
Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der
Zeichnung. Ebenso können die vorstehend genannten und die
noch weiter ausgeführten Merkmale erfindungsgemäß jeweils einzeln
für sich oder zu mehreren in beliebigen Kombinationen Verwendung
finden. Die gezeigten und beschriebenen Ausführungsformen
sind nicht als abschließende Aufzählung zu verstehen,
sondern haben vielmehr beispielhaften Charakter für die
Schilderung der Erfindung.
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Detaillierte Beschreibung
der Erfindung und Zeichnung
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Die
Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird anhand von Ausführungsbeispielen
näher erläutert. Es zeigen:
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1a–1f eine
erste Ausführungsform einer erfindungsgemäßen
Vorrichtung, mit einer einzigen Kammer, in verschiedenen Stadien
des erfindungemäßen Verfahrens;
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2a–2d eine
zweite Ausführungsform einer erfindungsgemäßen
Vorrichtung, mit einer zweiten Kammer als Ausgleichsbehälter,
in verschiedenen Stadien des erfindungsgemäßen
Verfahrens;
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3a–3f eine
dritte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen
Vorrichtung, mit einer zweiten Kammer zur Aktivierung der Messsubstanz, in
verschiedenen Stadien des erfindungsgemäßen Verfahrens;
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4a–4e eine
vierte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen
Vorrichtung, mit Ausgleichsleitung, in verschiedenen Stadien des
erfindungsgemäßen Verfahrens;
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5a eine
schematische Darstellung einer Aktivierungsvorrichtung mit beweglichen
Permanentmagneten für eine Kammer einer erfindungsgemäßen
Vorrichtung;
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5b eine
schematische Darstellung einer Aktivierungsvorrichtung mit Magnetspulen
für eine Kammer einer erfindungsgemäßen
Vorrichtung;
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5c eine
schematische Darstellung einer Aktivierungsvorrichtung mit einem
Rüttler für eine Kammer einer erfindungsgemäßen
Vorrichtung.
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Die 1a zeigt
schematisch eine erste Ausführungsform einer erfindungsgemäßen
Vorrichtung zum Präparieren und Vermessen einer flüssigen NMR-Messprobe.
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Die
Vorrichtung 1 umfasst einen NMR-Durchfluss-Probenkopf 2,
in dem eine Messzelle 2a ausgebildet ist, und der in einem
nicht dargestellten, typischerweise supraleitenden Magneten angeordnet
ist. Der Probenkopf 2 ist über eine erste Zuleitung 3 mit
einer Kammer 4 verbunden. Die Kammer 4 verfügt über
einen Probenzuführungsanschluss 5, der mit einem
Probenventil 5a gesichert ist, und an das ein Probenreservoir 5b angeschlossen
ist. Im Probenreservoir 5b ist eine flüssige Messprobe 10 (gepunktet
dargestellt) enthaltend eine Messsubstanz eingefüllt. Die
Messsubstanz enthält hyperpolarisierbare Kerne für
eine NMR-Messung. Die Kammer 4 verfügt weiterhin über
einen Gasablass 6 mit einem Gasablassventil 6a.
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Der
Innenraum der Kammer 4 kann über eine Einrichtung 7 zur
Erzeugung eines magnetischen Wechselfeldes (hier eine mit Wechselstrom beaufschlagbare
Magnetspulenanordnung) einem magnetischen Wechselfeld ausgesetzt
werden. In der Kammer 4 ist weiterhin ein Katalysator angeordnet,
hier in Form einer (nicht näher dargestellten) Beschichtung
der Kammer-Innenwand. Die Kammer 4 ist somit als eine Präparationskammer
(mit Aktivierungseinrichtung und Katalysator) ausgebildet.
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Der
Probenkopf 2 ist weiterhin an eine zweite Zuleitung 14 angeschlossen,
die zu einem Druckgasentlastungsanschluss 8 mit einem Entlastungsventil 8a und
einem Druckgasbeaufschlagungsanschluss 9 mit einem Beaufschlagungsventil 9a und
einem Druckgasreservoir 9b führt. Im Druckgasreservoir 9b ist
hier para-Wasserstoff unter Überdruck bevorratet. Der Gasdruck
in der Kammer 4 kann über den Druckgasentlastungsanschluss 8 und
den Druckgasbeaufschlagungsanschluss 9 indirekt über
den zwischengeschalteten Probenkopf 2 beeinflusst bzw.
eingestellt werden.
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In
der ersten Zuleitung 3 ist ein erster Flüssigkeitssensor 11 angeordnet,
und die zweite Zuleitung 14 enthält einen zweiten
Flüssigkeitssensor 12.
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In
der in 1a gezeigten Situation ist die Kammer 4 noch
nicht mit der flüssigen Messprobe 10 befüllt.
Die Zuleitungen 3, 14 sind ebenfalls noch nicht
mit Messprobe 10 befüllt, erkennbar an den durchgezogenen
Linien.
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Die
Befüllung der Kammer 4 ist in 1b illustriert.
Das Probenventil 5a wird geöffnet, so dass die
Messprobe 10 aus dem Probenreservoir 5b in die Kammer 4 einströmen
kann (hier im Rahmen einer Injektion). Um einen Widerstand gegen
das Einströmen infolge eines sich in der Kammer 4 aufbauenden Gasdrucks
zu vermeiden, ist auch das Entlastungsventil 6a geöffnet
(Dies ist nicht nötig, wenn der Probenzuführungsanschluss 5 beim
Einfüllen der Messprobe nicht dicht gegen die Umgebung
schließt).
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Es
schließt sich die Begasung der Messprobe 10 durch
(hier) para-Wasserstoff aus dem Druckgasreservoir 9b an,
dargestellt in 1c. Dazu wird das Gasdruckbeaufschlagungsventil 9a geöffnet.
Para-Wasserstoff strömt dann durch den Probenkopf 2 und
die Zuleitungen 3, 14 von unten in die Messprobe 10 in
der Kammer 4 ein, wobei die Messprobe 10 und der
para-Wasserstoff (der symmetrische Moleküle mit nicht-Gleichgewichts-Spinordnung
enthält) durchmischt. Die erste Zuleitung 3 mündet
zu diesem Zweck in einem Teil der Kammer 4, über
dem noch Messprobe 10 steht (hier am tiefsten Punkt der
Kammer 4). Um zunächst noch keinen Gasdruck in
der Kammer 4 aufzubauen, ist das Entlastungsventil 6a geöffnet
(Alternativ kann auch schon bei der Befüllung ein Gasdruck
aufgebaut werden).
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Anschließend
erfolgt der Druckaufbau in der Kammer 4, dargestellt in 1d.
Nach Verschluss des Entlastungsventils 6a sammelt sich
einströmender para-Wasserstoff in der Kammer 4 oberhalb
der Messprobe 10 unter Aufbau eines Gasdrucks an, bis ein
Gleichgewicht mit dem Gasdruck des Druckgasreservoirs 9b erreicht
ist. Dann kann das Druckgasbeaufschlagungsventil 9a wieder
geschlossen werden. Danach (oder auch schon während des
Druckaufbaus) wird die Einrichtung 7 unter Wechselstrom gesetzt,
so dass die in der Kammer 4 zusammengebrachte Gesamtheit
von Messprobe 10 (enthaltend die Messsubstanz mit den hyperpolarisierbaren
Kernen), der Katalysator und der para-Wasserstoff die Spinordnungsübertragung
vollziehen.
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Der
in der Kammer 4 aufgebaute Gasdruck wird nun zur Förderung
der Messprobe 10 in den Probenkopf 2 genutzt,
vgl. 1e. Nach Verschluss des Gasdruckbeaufschlagungsventils 9a wird
das Gasdruckentlastungsventil 8a geöffnet. Das
unter Überdruck stehende Gas in der Kammer 4 drückt
die Messprobe 10 durch die erste Zuleitung 3 in
den Probenkopf 2, und insbesondere in die Messzelle 2a,
und auch darüber hinaus in die zweite Zuleitung 14 (vgl. die
mit Messprobe 10 gefüllten, gepunkteten Abschnitte
der Zuleitungen 3, 14).
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Sobald
am zweiten Flüssigkeitssensor 12 in der zweiten
Zuleitung 14 flüssige Messprobe 10 festgestellt
wurde, wird das Gasdruckentlastungsventil 8a unverzüglich
geschlossen, vgl. 1f, so dass keine Messprobe
mehr fließt. In diesem Zustand kann die in der Messzelle 2a des
Probenkopfs 2 vorhandene Messprobe 10 in einem
NMR-Experiment vermessen werden.
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In
dem Zustand von 1f hat sich bevorzugt auch der
Gasdruck in der Kammer 4 wieder normalisiert. Nach Abschluss
der NMR-Messung an der Messprobe 10 kann dann, entsprechend
wiederum 1d, die Messprobe 10 durch Öffnen
des Gasdruckbeaufschlagungsventils 9a wieder zurück
in die Kammer 4 gefördert werden, und das Verfahren
wie bereits beschrieben fortgesetzt werden: Insbesondere kann dann
erneut Gasdruck in der Kammer 4 aufgebaut werden und die
Messprobe 10 mit noch vorhandenem (und teilweise ersetztem)
para-Wasserstoff erneut aktiviert werden. Sodann kann die Messprobe 10 durch Öffnen
des Druckentlastungsventils 8a wieder in die Messzelle 2a gefördert
und vermessen werden, und so fort.
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Die 2a zeigt
eine zweite Ausführungsform einer erfindungsgemäßen
Vorrichtung 21 zum präparieren und Vermessen einer
flüssigen NMR-Messprobe. Im folgenden werden vor allem
die Unterschiede zur Vorrichtung von 1a–1f erläutert.
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Die
Vorrichtung 21 verfügt über eine erste Kammer 4,
die als Präparationskammer insbesondere mit der Einrichtung 7 ausgebildet
ist, und eine zweite Kammer 22, die als Ausgleichsbehälter
ausgebildet ist. Die erste Kammer 4 verfügt über
einen lokalen Druckgasentlastungsanschluss 23 mit einem Druckgasentlastungsventil 23a,
und über einen lokalen Druckgasbeaufschlagungsanschluss 24,
mit einem Druckgasbeaufschlagungsventil 24a und einem Druckgasreservoir 24b für
ein unter Überdruck stehendes inertes Transportgas, hier
Argon. Die zweite Kammer 22 verfügt ebenfalls über
einen lokalen Druckgasentlastungsanschluss 27, mit einem
Druckgasentlastungsventil 27a, und einem Druckgasbeaufschlagungsanschluss 25,
mit einem Druckgasbeaufschlagungsventil 25a und einem Druckgasreservoir 25b,
in dem als Reaktionsgas mit symmetrischen Molekülen und
Nicht-Gleichgewichts-Spinordnung para-Wasserstoff unter Überdruck
gelagert ist.
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Die
beiden Kammern 4, 22 sind über die erste
Zuleitung 3, den Probenkopf 2 und die zweite Zuleitung 14 miteinander
verbunden. In die Zuleitungen 3, 14 ist eine Ventileinrichtung 26 integriert.
In einer ersten, in 2a gezeigten Stellung, schließt
die Ventileinrichtung 26 die Zuleitungen 3, 14 miteinander
sowohl probenkopfseitig als auch kammerseitig kurz.
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Die 2a illustriert
zunächst die Begasung der Messprobe 10 in der
ersten Kammer 4 mit para-Wasserstoff bei geöffnetem
Druckgasbeaufschlagungsventil 25a der zweiten Kammer 22 und
geöffnetem Druckgasentlastungsventil 23a der ersten
Kammer 4. Anschließend wird die Messprobe 10 in
der ersten Kammer 4 mit der Einrichtung 7 aktiviert
(nicht gesondert dargestellt).
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Daraufhin
wird ein Teil der Messprobe 10 durch Gasdruckbeaufschlagung
mit Transportgas über das geöffnete Gasdruckbeaufschlagungsventil 24a der
ersten Kammer 4 in den Probenkopf 2 geleitet,
vgl. 2b. Dazu ist die Ventileinrichtung 26 in einer
zweiten Stellung, in der die erste Zuleitung 3 von der
ersten Kammer 4 zum Probenkopf 2 ununterbrochen
geschaltet ist, und auch die zweite Zuleitung 14 vom Probenkopf 2 zur
zweiten Kammer 22 ununterbrochen geschaltet ist. In der
Illustration von 2b ist dabei das Gasdruckentlastungsventil 27a der
zweiten Kammer 22 geöffnet, so dass in der zweiten
Kammer 22 kein Druck aufgebaut wird (Alternativ könnte
auch, zur Einsparung von Reaktionsgas, in dieser Phase das Gasdruckentlastungsventil 27a geschlossen
sein, und ein Gasdruck in der zweiten Kammer 22 aufgebaut
werden).
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Sobald
eine ausreichende Menge an Messprobe 10 in den Probenkopf 2 geflossen
ist, was mittels des zweiten Flüssigkeitssensors 12 erkannt
werden kann, oder auch als Gleichgewichtszustand durch eine Höherlagerung
der zweiten Kammer 22 gegenüber der ersten Kammer 4 eingerichtet
werden kann, wird die Ventileinrichtung 26 in die erste
Stellung zurückgestellt, vgl. 2c. Durch
den probenkopfseitigen Kurzschluss der Zuleitungen 3, 14 werden
die Strömungsverhältnisse im Probenkopf 2 (strömungslos)
stabil gehalten, und die NMR-Messung kann an der in der Messzelle 2a befindlichen flüssigen Messprobe 10 erfolgen.
Gleichzeitig erfolgt in der Illustration von 2c ein
Druckausgleich der beiden Kammern 4, 22 über
die kammerseitig kurzgeschlossenen Zuleitungen 3, 14.
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Zur
Rückförderung der Messprobe aus der zweiten Kammer 22 und
dem Probenkopf 2 kann das Druckgasbeaufschlagungsventil 25a der
zweiten Kammer 22 bei geöffnetem Druckgasentlastungsventil 23a der
ersten Kammer 4 geöffnet werden, vgl. 2d.
Dabei wird Reaktionsgas (pH2) aus dem Druckgasreservoir 25b zur
Förderung der Messprobe 10 eingesetzt (Falls in
der zweiten Kammer 22 zuvor ein Überdruck durch
Transportgas eingerichtet und bei der Messung nicht entlastet wurde,
kann auch dieser Überdruck zum Rücktransport der
Messprobe 10 genutzt werden; dafür kann die Ventileinrichtung 26 durch
ein einfaches Sperrventil in einer der Zuleitungen 3, 14 oder
auch zwei einfache Sperrventile jeweils in der ersten und zweiten
Zuleitung 3, 14 ersetzt werden).
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Die 3a beschreibt
eine dritte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen
Vorrichtung zum Präparieren und Vermessen einer NMR-Messprobe.
Es werden wiederum vor allem die Unterschiede zur Ausführungsform
von 2a–2d erläutert.
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Die
Vorrichtung 31 weist eine erste Kammer 4 und eine
zweite Kammer 32 auf, die beide mit einer Einrichtung 7 zur
Erzeugung eines magnetischen Wechselfeldes und mit einem (nicht
dargestellten) Katalysator ausgestattet sind und somit als Präparationskammern
ausgebildet sind. Beide Kammern 4, 32 verfügen
jeweils über Gasdruckentlastungsanschlüsse 27, 23 und
Gasdruckbeaufschlagungsanschlüsse 24, 25.
Allerdings sind beide Gasdruckreservoirs 24c, 25b mit
para-Wasserstoff unter Überdruck bevorratet.
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3a zeigt
zunächst die Begasung von Messprobe 10 in der
ersten Kammer 4 mit para-Wasserstoff, der aus dem Druckgasreservoir 25b der zweiten Kammer 32 durch
die kammerseitig kurzgeschlossenen Zuleitungen 3, 14 strömt.
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Anschließend
wird ein erster Teil der Messprobe 10 aus der ersten Kammer 4 mittels
Gasdruck des Druckgasreservoirs 24c der ersten Kammer 4 in den
Probenkopf 2 und (zu einem geringen Teil) in die zweite
Kammer 32 gefördert, vgl. 3b.
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Wenn
genügend Messprobe 10 in den Probenkopf 2 gefördert
wurde, was durch den Flüssigkeitssensor 12 erkannt
werden kann, wird die Druckbeaufschlagung unterbrochen und die Ventileinrichtung 26 verstellt,
so dass der Probenkopf 2 abgetrennt wird. Bei probenkopfseitigem
Kurzschluss der Ventileinrichtung 26 wird die in der Messzelle 2a enthaltene
flüssige Messprobe 10 einer NMR-Messung unterzogen,
vgl. 3c. Dabei wird der Druck in den Kammern 4, 32 durch
den kammerseitigen Kurzschluss der Zuleitungen 3, 14 ausgeglichen,
wobei die Gasdruckentlastungsventile 23a, 27a geschlossen
sind.
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Sodann
wird ein zweiter Teil der Messprobe 10 aus der ersten Kammer 4 mittels
Gasdruck des Druckgasreservoirs 24c der ersten Kammer 4 in
den Probenkopf 2 gefördert, vgl. 3d.
Dabei wird gleichzeitig die gerade vermessene Messprobe 10 aus
der Messzelle 2a in die zweite Kammer 32 weitergefördert.
Nach erneuter Abtrennung des Probenkopfes 2 durch die Ventileinrichtung 26 kann
eine weitere Messung an der nunmehr in der Messzelle 2a befindlichen
Messprobe 10 durchgeführt werden (Vermessung der
Messprobe 10 in Teilen, nicht gesondert dargestellt). Man
beachte, dass ausreichende Fördermengen von Messprobe für
eine neue Befüllung der Messzelle 2a mittels Durchflusszählern
in einer Zuleitung 3, 14 oder auch durch Füllstandsmessungen
in den Kammern 4, 32 bestimmt werden können.
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Nachdem
die gesamte Messprobe 10 (nach gegebenenfalls abschnittweiser
Vermessung im NMR-Probenkopf 2) in die zweite Kammer 32 gefördert
worden ist, wird in der zweiten Kammer 32 die Messprobe 10 erneut
mit der Einrichtung 7 der zweiten Kammer 32 aktiviert.
Zusätzlich kann eine erneute Begasung der Messprobe mit
para-Wasserstoff aus dem Druckgasreservoir 24c der ersten
Kammer 4 stattfinden, vgl. 3e.
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Die
Messprobe 10 kann anschließend wieder von der
zweiten Kammer 32 in die erste Kammer 4 durch
Druckgasbeaufschlagung aus dem Druckgasreservoir 25b der
zweiten Kammer 32 überführt werden, vgl. 3f,
wobei die im Probenkopf 2 nach jedem Förderschritt
im Probenkopf 2 enthaltene Messprobe 10 wiederum
vermessen werden kann, und so fort.
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Die 4a beschreibt
eine vierte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen
Vorrichtung zum Präparieren und Vermessen einer NMR-Messprobe.
Es werden wiederum vor allem die Unterschiede zur Ausführungsform
von 3a–3f erläutert.
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Die
Vorrichtung 41 verfügt wiederum über zwei
Kammern 4, 32, die jeweils als Präparationskammern
mit Einrichtungen 7 zur Erzeugung eines magnetischen Wechselfeldes
im Inneren der jeweiligen Kammern 4, 32 ausgebildet
sind.
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Die
erste Kammer 4 verfügt über einen unteren
Gasdruckbeaufschlagungsanschluss 42, der über
eine Fritte 44 und ein Rückschlagventil (nicht eingezeichnet)
in die Kammer 4 unterhalb des Flüssigkeitsspiegels
der (vollständig) eingefüllten Messprobe 10 führt.
Weiterhin ist ein oberer Gasdruckbeaufschlagungsanschluss 43 für
die Kammer 4 vorgesehen, der oberhalb des Flüssigkeitsspiegels
mündet (und teilweise über eine Ausgleichsleitung 48 verläuft).
Beide Anschlüsse 42, 43 sind über
Gasdruckbeaufschlagungsventile 42a, 43a gegenüber
einem Druckgasreservoir (mit para-Wassserstoff) 24c absperrbar.
Zusätzlich ist an der ersten Kammer 4 ein ventilgesicherter
Ablass 45 zu einem Ausguss oder Abfallbehälter
vorgesehen. In ähnlicher Weise verfügt die zweite
Kammer 32 über einen unteren Gasdruckbeaufschlagungsanschluss 46 mit
Fritte 49 und einen oberen Gasdruckbeaufschlagungsanschluss 47,
Gasdruckbeaufschlagungsventile 46a, 47a und einen
ventilgesicherten Ablass 50.
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Die
erste und zweite Zuleitung 3, 14 führen von
den Kammern 4, 32 direkt (ohne Ventileinrichtung)
an den Probenkopf 2.
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Beide
Kammern 4, 32 sind über die Ausgleichsleitung 48 und über
ein Ausgleichsventil 51 miteinander verbindbar. Über
das Ausgleichsventil 51 kann auch eine Druckentlastung
der Kammern 4, 32 ausgeübt werden, so
dass die Anschlüsse der Ausgleichsleitung 48 an
den Kammern 4, 32 als Druckgasentlastungsanschlüsse 48a, 48b angesehen
werden können.
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4a zeigt
zunächst das Befüllen der ersten Kammer 4 mit
der Messprobe 10 aus dem Probenreservoir 5b. Dabei öffnet
das Ausgleichsventil 51 den Druckgasentlastungsanschluss 48a der
ersten Kammer 4. Man beachte, dass der (normale) Gasdruck
in der zweiten Kammer 32 einem Überströmen von
Messprobe 10 durch den Probenkopf 2 entgegenwirkt.
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4b illustriert
die Begasung der Messprobe 10 in der ersten Kammer 4 durch
die Fritte 44 des unteren Gasdruckbeaufschlagungsanschlusses 42. Dabei
wird der aus dem Druckgasreservoir 24c einströmende
para-Wasserstoff feinperlig in die flüssige Messprobe 10 eingeblasen,
wodurch eine gute Durchmischung von Messprobe 10 und pH2-Gas
einritt. Das Ausgleichsventil 51 bleibt dafür
in der bisherigen Stellung. Dabei oder danach wird die Messprobe 10 durch
die Einrichtung 7 der ersten Kammer 4 aktiviert.
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4c illustriert
den Transfer von Messprobe 10 aus der ersten Kammer 4 in
den Probenkopf 2 und (durch den Probenkopf 2)
auch in die zweite Kammer 32. Dazu wird in der ersten Kammer 4 über den
oberen Druckgasbeaufschlagungsanschluss 43 die erste Kammer 4 mit
Gasdruck beaufschlagt (dies wäre auch über den
unteren Gasdruckbeaufschlagungsanschluss 42 möglich).
Das Ausgleichsventil 51 verschließt dabei den
Druckgasentlastungsanschluss 48a der ersten Kammer 4.
Hingegen ist die zweite Kammer 32 über den Druckgasentlastungsanschluss 48b und
das Ausgleichsventil 51 druckentlastet.
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Zum
Vermessen der Messprobe 10 im Probenkopf 2 wird
der Gaszustrom abgestellt, und das Ausgleichsventil 51 ganz
geschlossen (bzw. kammerseitig kurzgeschlossen), vgl. 4d.
Dadurch wird eine weitere Strömung von flüssiger
Messprobe 10 verhindert.
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Wie
bereits zu 3a–3f beschrieben, kann
auch in der zweiten Kammer 32 Messprobe begast und aktiviert
werden, und von der zweiten Kammer 32 wieder in die erste
Kammer 4 durch den Probenkopf 2 zurückgefördert
werden.
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Zusätzlich
zeigt 4e, dass durch Druckgasbeaufschlagung
durch (hier) nur eines der Druckgasreservoirs (hier 24c)
die beiden Kammern 4, 32 über die Ablässe 45, 50 entleert
werden könne; dabei schließt das Ausgleichsventil 51 die
Kammern 4, 32 über die Ausgleichsleitung 48 kurz.
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5a zeigt
beispielhaft eine Methode der Aktivierung von Messprobe 10 in
einer Kammer 4 im Rahmen der Erfindung, indem in der näheren
Umgebung außerhalb der Kammer 4 Permanentmagnete 61 bewegt
werden, insbesondere oszillierend mit einer Frequenz zwischen 1
Hz und 1000 Hz. Dadurch wird effektiv ein magnetisches Wechselfeld
im Inneren der Kammer 4 erzeugt, was den Spinordnungstransfer
zwischen para-Wasserstoff und den hyperpolarisierbaren Kernen der
Messsubstanz in der Messprobe 10 verbessert. Man beachte,
dass der dabei eingesetzte Katalysator, der Stellen geordneter Umgebung
bereitstellt, dabei auch in der Messprobe 10 gelöst
vorliegen kann.
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5b illustriert
eine Aktivierung der Messprobe 10 für die vorliegende
Erfindung durch ein magnetisches Wechselfeld, welches durch eine
Einrichtung 7 erzeugt wird, in der Magnetspulen enthalten sind,
die mit einer Wechselspannung beaufschlagt werden. Auch dadurch
ist ein magnetisches Wechselfeld im inneren der Kammer 4 erzeugbar. 5b zeigt
zusätzlich einen Rührer 63, mit dem die
Durchmischung von Messprobe 10 und über der Messprobe 10 stehendem
Gas verbessert oder induziert werden kann, insbesondre wenn das
Gas nicht oder nicht feinperlig unter dem Flüssigkeitsspiegel
der Messprobe 10 eingeleitet werden kann.
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Schließlich
zeigt 5c eine Rüttelvorrichtung 62,
mit dem die Kammer 4 samt ihrem Inhalt, insbesondere der
Messprobe 10, zur erfindungemäßen Aktivierung
in verschiedene Richtungen beschleunigt und wieder abgebremst (”gerüttelt”)
werden kann. Diese mechanische Behandlung kann für sich
schon eine Spinübertragung begünstigen. Auch ist
es möglich, die Kammer 4 in einem Hintergrundmagnetfeld
anzuordnen, was ebenfalls die Aktivierung verbessern kann. Ist das
Hintergrundfeld im Bereich der Kammer 4 inhomogen, so kann
auch das Rütteln effektiv ein magnetischen Wechselfeld
in der Kammer 4 bewirken. Man beachte, dass zum Rütteln die
Kammer 4 über flexible Leitungen, etwa Kunststoffschläuche
oder biegsame Glaskapillaren, mit den übrigen Bauteilen
der erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Präparieren
und Vermessen einer NMR-Messprobe verbunden sein sollte.
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Erläuterungen von
Begriffen zur erfindungsgemäßen Spinordnungsübertragung
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Eine
Stelle einer geordneten Umgebung eines Katalysators wirkt als Vermittler
zwischen einem symmetrischen Molekül (oder dessen Hälften)
und der Messsubstanz. Eine Stelle (ein Ort) geordneter Umgebung
erlaubt vor allem eine Anordnung von sowohl dem symmetrischen Molekül
und der Messsubstanz an der Stelle (dem Ort), d. h. sie erlaubt
eine Art von Bindung des symmetrischen Moleküls und der Messsubstanz
zu der Stelle (zu dem Ort). Typischerweise ist die Bindung relativ
lose, und kann insbesondere von koordinativem Typus sein.
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Wenn
ein symmetrisches Molekül bzw. seine zwei Hälften
an einer Stelle geordneter Umgebung angelagert sind, werden die
beiden Hälften des symmetrischen Moleküls chemisch
oder magnetisch unterscheidbar. Mit anderen Worten, die Symmetrie
des symmetrischen Moleküls wird gebrochen. Wenn ein symmetrisches
Molekül (bzw. dessen beide Hälften) und die Messsubstanz
an einer Stelle geordneter Umgebung angeordnet sind, führt
die Stelle geordneter Umgebung weiterhin eine Kopplung der Kernspins
der Hälften des symmetrischen Moleküls und der
Messsubstanz (bzw. deren hyperpolarisierbaren Kernen) herbei. Der
Kopplungsmechanismus kann insbesondere skalare Kopplung oder dipolare
Kopplung sein. In der Regel bewirkt die Stelle geordneter Umgebung
eine enge räumliche Nachbarschaft zwischen den spintragenden
Atomen des symmetrischen Moleküls und den hyperpolarisierbaren
Kernen der Messsubstanz auf atomarer Ebene.
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Im
Rahmen des Polarisationstransfers kommt es netto zu keiner chemischen
Reaktion. Die chemische Identität, also die chemische Summenformel
und die chemische (räumliche) Struktur, der Messsubstanz
sind vor und nach dem Spinordnungstransfer identisch.
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Die
geordnete Umgebung kann in der Form eines homogenen oder heterogenen
Katalysators vorliegen. Beispielsweise kann ein heterogenes System
umfassen ein unterstütztes Übergangsmetall-Zentrum,
einen mikroskopischen Kanal in einem Material, etwa in einem Zeolith,
einem Nanoröhrchen oder einem Nanopartikel, ein Lösungsmittel
mit Flüssigkristall- Eigenschaften, oder etwas anderes,
was eine kurzreichweitige magnetische Differenzierung in Hinblick
auf das ansonsten symmetrische Molekül und die zu polarisierende
Messsubstanz schafft.
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Die
Messsubstanz ist typischerweise ein Molekül, kann aber
auch ein Ion, ein Polymer, ein Nanopartikel, eine supermolekulare
Verbindung, ein Peptid, ein Protein, oder etwas anderes mit einer
chemischen Identität sein.
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Beispiele
für Kombinationen von symmetrischen Molekülen,
Messsubstanzen und Katalysatoren mit Stellen geordneter Umgebung
können der
PCT/EP2008/004865 entnommen
werden.
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Zusammenfassend
beschreibt die vorliegende Erfindung eine NMR-Messapparatur mit
mindestens einer Präparationskammer, in der, insbesondere bei
Raumtemperatur, ein Gas wie para-Wasserstoff als Träger
einer Nicht-Gleichgewichts-Spinordnung mit einem Katalysator, insbesondere
einem Iridium-Metall-Komplex, und mit einer in einer flüssigen Messprobe
vorliegenden Messsubstanz, die hyperpolarisierbare Kerne enthält,
zusammengebracht und aktiviert werden können, so dass die
Spinordnung von dem Gas auf die hyperpolarisierbaren Kerne der Messsubstanz
katalytisch und ohne chemische Veränderung der Messsubstanz übertragen wird.
Die hyperpolarisierten Kerne sind in NMR-Experimenten mit höherer
Signalausbeute vermessbar, etwa in PH-INEPT-Experimenten. Die Messsubstanz kann
als hyperpolarisierbare Kerne insbesondere H, D, 29Si, 13C, 15N,
31P oder 19F enthalten, und weiter insbesondere als Elektronendonatoren
zur Anlagerung am Katalysator N, NH, S, P oder O enthalten. Neben
der Präparationskammer weist die NMR-Messapparatur auch
einen Durchfluss-NMR-Probenkopf auf, in den mittels Gasdruck die
aktivierte Messsubstanz eingefördert, vermessen und in
dieselbe oder eine weitere Kammer, die ebenfalls eine Präparationskammer
oder auch nur eine Ausgleichskammer sein kann, wieder ausgefördert
werden kann. Die ausgeförderte Messsubstanz kann erneut – und
ohne die NMR-Messapparatur verlassen zu müssen – mit dem
Gas (pH2) aktiviert und mittels Gasdruck erneut in den Probenkopf
eingefördert werden, um weitere NMR-Messungen an der aktivierten
Messsubstanz vornehmen zu können. Die Messapparatur weist
in so fern einen oder mehrere Gasdruckbeaufschlagungs- und Gasdruckentlastungsanschlüsse
auf, die eine pendelnde Förderung der flüssigen
Messprobe zwischen dem Probenkopf und mindestens einer Kammer mittels
Gasdruck ermöglichen. Mit der erfindungsgemäßen
NMR-Messapparatur kann zum einen Messsubstanz auch bei schneller
Messfolge eingespart werden, da gerade vermessene Messsubstanz schnell
in der Messapparatur erneut aktiviert werden kann und insbesondre
nicht verworfen zu werden braucht; zum anderen kann auch Gas (pH2) eingespart
werden, denn die weiteren Aktivierungen können auch mit
noch in der Messapparatur vorhandenem, noch nicht verbrauchtem Gas
(pH2) durchgeführt werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 102006029496
A1 [0004]
- - DE 102006023223 B3 [0004]
- - WO 99/24080 [0006]
- - EP 2008/004865 [0007, 0011, 0014, 0038, 0101]