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Die Erfindung betrifft einen Probenkopf für die kernmagnetische Resonanzspektroskopie mit einer Leiterplatte aus einem dielektrischen Material, welche eine Mikroleiterstruktur trägt, wobei die Mikroleiterstruktur einen Mikroleiter mit einer Querschnittsverringerung zur Erzeugung und Detektion eines Radiofrequenzfeldes aufweist.
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Probenköpfe für die kernmagnetische Resonanzspektroskopie, die für kleine Probenmengen geeignet sind, werden hauptsächlich mit Solenoid-Spulen aufgebaut. Diese Spulen haben den Nachteil, dass man kann keine planaren Probenanordnungen, wie z. B. Mikrofluidchips, als Proben verwenden kann. Für die Durchführung von Doppelresonanzexperimenten benötigt man darüber hinaus eine weitere Solenoid-Spule für die zweite Kernsorte, die innerhalb der ersten Solenoid-Spule für die erste Kernsorte angeordnet werden muss. Diese Anordnung führt zu einem geringen Füllfaktor für die erste Spule, was sich in einer verminderten Nachweisstärke für eine der beiden Kernsorten niederschlägt.
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Aus
US 7 560 927 B2 ist ein Probenkopf mit den Merkmalen des Oberbegriffes des Patentanspruches 1 bekannt. Dieser Probenkopf auf Mikrostreifenleiterbasis weist eine Leiterplatte auf, welche eine Mikroleiterstruktur mit einem Mikroleiter trägt, wobei der Mikroleiter eine Querschnittsverringerung zur Erzeugung und Detektion eines Radiofrequenzfeldes aufweist, der unterschiedlich gestaltet sein kann. Dieser bekannte Probenkopf ist geeignet, um Messungen an planaren Proben, wie Mikrofluidchips und damit auch für kleine Probenmengen, zu ermöglichen. Dabei ist die Querschnittsverringerung auf die zu detektierende Kernsorte abgestimmt, so dass man mit einem solchen Probenkopf an massen- und volumenbegrenzten Proben nur die Messung an einem Kern durchführen kann.
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Aus
US 2013/0 328 564 A1 ist ein ist ein Probenkopf für die kernmagnetische Resonanzspektroskopie bekannt, die eine Leiterplatte aus einem dielektrischen Material aufweist, welche Mikroleiterstrukturen zur Erzeugung und Detektion eines Radiofrequenzfeldes trägt, wobei bei einer Ausführungsform die Leiterplatte auf beiden Seiten jeweils eine Mikroleiterstruktur mit einem Mikroleiter zur Anregung und Detektion zweier verschiedener Kernsorten aufweist. Dabei sind die Mikroleiterstrukturen spulenförmig ausgebildet.
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Aufgabe der Erfindung ist es, einen Probenkopf für die kernmagnetische Resonanzspektroskopie zu schaffen, mit dem an massen- und volumenbegrenzten Proben an zwei Kernsorten gleichzeitig Messungen durchgeführt werden können, ohne einen reduzierten Füllfaktor für eine der Kernsorten in Kauf nehmen zu müssen.
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Diese Aufgabe wird bei einem Probenkopf der eingangs bezeichneten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Leiterplatte auf beiden Seiten jeweils eine Mikroleiterstruktur mit einem Mikroleiter aufweist, wobei die Querschnittsverringerungen der beiden Mikroleiter zur Anregung und Detektion zweier verschiedener Kernsorten unterschiedlich dimensioniert sind.
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Erfindungsgemäß wird somit ein Probenkopf auf Mikrostreifenleiterbasis zur Verfügung gestellt, bei dem auf beiden Seiten der Leiterplatte jeweils eine Mikroleiterstruktur vorgesehen ist. Dabei sind die Querschnittsverringerungen der beiden Mikroleiter unterschiedlich dimensioniert und entsprechend auf zwei zu detektierende Kernsorten abgestimmt. Es können somit mit einem Probenkopf Messungen an zwei Kernen gleichzeitig durchgeführt werden. Ein solcher Probenkopf ermöglicht die Aufnahme von Spektren von zwei verschiedenen Kernsorten ohne Probenwechsel und ermöglicht ferner die Messung zweidimensionaler kernmagnetischer Resonanzspektren zwischen diesen beiden Kernsorten. Diese Spektren liefern wertvolle Hinweise zur Identität, Struktur und Konzentration von organischen Molekülen, wie z. B. Metaboliten. Somit können zweidimensionale kernmagnetische Resonanzspektren aufgenommen werden, an denen beide Kernsorten beteiligt sind. Allerdings ist es nicht möglich, simultane Hochfrequenzpulse für beide Kernsorten zu erzeugen. Diese Einschränkung hat jedoch keine Auswirkungen auf kernmagnetische Resonanzexperimente, da Hochfrequenzimpulse für verschiedene Kernsorten in Experimenten an Flüssigkeiten grundsätzlich auch nacheinander auf die Probe gegeben werden können.
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Dieser Probenkopf ermöglicht neuartige Metabolismusstudien an sehr geringen Probenmengen mit der kernmagnetischen Resonanzspektroskopie. So ist der Probenkopf sehr gut für die Quantifizierung von Phospholipiden in Feinnadelbiopsieproben geeignet. Derartige Messungen liefern wertvolle Hinweise bei der Diagnose und bei therapiebegleitenden Untersuchungen von Karzinomen. Der Probenkopf ermöglicht darüber hinaus die Aufnahme zweidimensionaler Korrelationsspektren von Protonen und Phosphor, um damit z. B. Studien an phosphorylierten Peptiden im Picomolbereich ohne Isotopenanreicherung. Metabolismusstudien an kleinen Ensembles lebender Zellen oder an Sphäroiden können ebenfalls mit diesem Probenkopf realisiert werden, da die Energiemetabolite in den Zellen einfacher zugänglich werden.
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Die Querschnittsverringerungen der beiden Mikroleiterstrukturen können unterschiedlich realisiert werden. Nach einer ersten Ausgestaltung ist vorgesehen, dass die Querschnittsverringerung jeweils als Einschnürung des jeweiligen Mikroleiters der Mikroleiterstruktur ausgebildet ist. Alternativ ist nach einer zweiten Ausgestaltung vorgesehen, dass die Querschnittsverringerung jeweils als Aussparung im jeweiligen Mikroleiter der Mikroleiterstruktur ausgebildet ist.
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In ganz besonders bevorzugter Ausgestaltung ist vorgesehen, dass innerhalb der Leiterplatte eine rohrförmige Probenaufnahme ausgespart ist. Die Leiterplatte selbst dient dann zur Aufnahme der Probe, ein zusätzlicher Mikrofluidchip oder dgl. ist nicht erforderlich. Die Probe kann entweder in einem Probenröhrchen oder direkt in die Probenaufnahme gegeben werden.
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Dabei ist bevorzugt weiterhin vorgesehen, dass die rohrförmige Probenaufnahme parallel zu den beiden Mikroleitern angeordnet ist.
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Ferner ist vorgesehen, dass die beiden Mikroleiterstrukturen aus Kupfer, Gold oder Platin bestehen, die Leiterplatte besteht z. B. aus glasfaserverstärktem PTFE oder aus glasfaserverstärktem Epoxidharz (FR4). Die Mikroleiterstrukturen können bevorzugt durch Ätzen auf die Leiterplatte aufgebracht werden.
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Die Leiterplatte des Probenkopfes ist bevorzugt rechteckig und weist z. B. eine Breite in der Größenordnung von 30 mm und einer Länge in der Größenordnung von 100 bis 120 mm auf.
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Die Erfindung ist nachstehend anhand der Zeichnung beispielhaft näher erläutert. Diese zeigt in
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1 einen Probenkopf mit noch nicht eingesetzter Leiterplatte,
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2 in perspektivischer Darstellung den Probenkopf mit eingesetzter Leiterplatte,
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3 eine erste perspektivische Darstellung der Leiterplatte mit Mikroleiterstruktur,
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4 eine weitere perspektivische Darstellung der Leiterplatte nach 3 in vereinfachter Darstellung ohne Mikroleiterstruktur,
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5 in vergrößertem Maßstab eine Draufsicht auf die erste Seite der Leiterplatte nach einer ersten Ausführungsform,
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5a das zugehörige elektrische Abstimmnetzwerk,
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6 die zweite Seite der Leiterplatte nach 5,
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6a das zugehörige elektrische Abstimmnetzwerk,
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7 ein vergrößertes Detail der 5 bzw. 6 mit Darstellung der Querschnittsverringerung in Form einer Einschnürung,
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8 die erste Seite der Leiterplatte nach einer zweiten Ausführungsform,
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8a das zugehörige elektrische Abstimmnetzwerk,
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9 die zweite Seite der Leiterplatte nach 8,
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9a das zugehörige Abstimmnetzwerk und
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10 ein vergrößertes Detail der 8 bzw. 9 mit einer Querschnittsver-Ringerung in Form einer Aussparung.
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Ein Probenkopf für die kernmagnetische Resonanzspektroskopie ist in den 1 und 2 allgemein mit 1 bezeichnet. Der Probenkopf 1 ist im Einzelnen von seinem Gesamtaufbau her so gestaltet, wie er in eine entsprechende Aufnahmebohrung eines nicht dargestellten NMR-Magneten eingeführt wird. In diesen Probenkopf 1 ist im Bereich seiner Spitze eine Leiterplatte 2 auswechselbar eingesetzt, und zwar in eine entsprechende Aufnahme, die endseitig mit einer Platte 3 verschließbar ist. Diese Platte 3 weist beim Ausführungsbeispiel in der Mitte eine Öffnung 4 auf. Am anderen Ende des Probenkopfes 1 sind Abstimmknöpfe 5 angedeutet.
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Wesentlich für die erfindungsgemäße Ausgestaltung des Probenkopfes 1 ist deren Leiterplatte 2. Die Leiterplatte 2 selbst besteht aus einem dielektrischen Material, z. B. aus glasfaserverstärktem PTFE oder glasfaserverstärktem Epoxidharz. Sie ist beim Ausführungsbeispiel quaderförmig ausgestaltet und weist eine Breite in der Größenordnung von 30 mm, eine Länge in der Größenordnung von 100 bis 120 mm und eine Dicke in der Größenordnung von 3,15 mm auf. Beim Ausführungsbeispiel nach 3 und 4 ist innerhalb der Leiterplatte 2 zentral parallel zur Längsrichtung derselben eine rohrförmige Probenaufnahme 6 ausgespart, die z. B. einen Durchmesser zwischen 0,2 bis 3 mm aufweist. In dieser Probenaufnahme 6 kann die Probe in einem Probenröhrchen oder auch direkt aufgenommen werden. Dabei ist die Probenaufnahme 6 durch die Öffnung 4 in der Platte 3 zugänglich.
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Wesentlich für den Aufbau der Leiterplatte 2 ist, dass die Leiterplatte 2 auf beiden Seiten jeweils eine Mikroleiterstruktur aufweist, welche jeweils unterschiedlich gestaltet sind, und zwar zur Anregung und Detektion zweier verschiedener Kernsorten. Die jeweilige Mikroleiterstruktur weist jeweils einen Mikroleiter 7, 8 mit einer jeweiligen Querschnittsverringerung 9 auf, diese Querschnittsverringerung ist nach dem Ausführungsbeispiel nach 5 bis 7 als Einschnürung ausgebildet, wie aus der vergrößerten Darstellung der 7 zu erkennen ist. Die Länge dieser Querschnittsverringerung 9 in Form einer Einschnürung beträgt z. B. 100 μm.
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5 zeigt die Mikroleiterstruktur für die niedrigere Frequenz (z. B. für Phosphor) auf der einen Seite 2a der Leiterplatte 2, in 5a ist das zugehörige elektrische Abstimmungs- und Anpassungsnetzwerk dargestellt.
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6 zeigt auf der anderen Seite 2b der Leiterplatte 2 die Mikroleiterstruktur für die höhere Frequenz, z. B. für Wasserstoff, in 6a ist das dazu gehörige elektrische Abstimmungs- und Anpassungsnetzwerk dargestellt.
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In den 5 und 6 ist jeweils der Erdungsanschluss für die Mikroleiterstruktur mit G bezeichnet, Anschlüsse für einen Tune-Kondensator sind mit T und Anschlüsse für einen Match-Kondensator sind mit M bezeichnet.
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Dementsprechend sind in den 5a und 6a die Kapazitäten des jeweiligen Tune-Kondensators mit CT und des jeweiligen Match-Kondensators mit CM bezeichnet, L bezeichnet die Induktivität und r den Widerstand.
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In den 8 bis 10 ist eine zweite Ausführungsform der Leiterplatte 2 dargestellt. Dabei sind dieselben Bezugszeichen wie vorangehend verwendet mit der einzigen Ausnahme, dass die dortige Querschnittsverringerung in den beiden Mikroleiterstrukturen mit 9' bezeichnet ist. Diese Querschnittsverringerung 9' ist, wie am besten aus 10 hervorgeht, als Aussparung im jeweiligen Mikroleiter 7 bzw. 8 ausgestaltet. Die Fläche dieser Aussparung beträgt z. B. 400 μm × 100 μm.
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In den 8 und 8a ist auf der ersten Seite 2a der Leiterplatte 2 die Mikroleiterstruktur für die niedrigere Frequenz (z. B. Phosphor) gezeigt, das zugehörige elektrische Abstimmungs- und Anpassungsnetzwerk ist in 8a dargestellt.
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In 8 ist auf der Leiterplatte 2 ist die Mikroleiterstruktur für die höhere Frequenz (z. B. Wasserstoff) dargestellt und in 9a das zugehörige elektrische Abstimmungs- und Anpassungsnetzwerk.
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Die jeweiligen Mikroleiterstrukturen bestehen aus einem geeigneten Metall, z. B. Kupfer, Gold oder Platin und sie sind vorzugsweise auf die Leiterplatte 2 aufgeätzt.
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Wie den 5a, 6a, 8a und 9a zu entnehmen ist, weist das jeweilige elektrische Abstimmungs- und Anpassungsnetzwerk die folgenden Charakteristiken auf:
Für die höhere Frequenz (6a, 9a):
CT = 1 bis 35 pF
CM = 1 bis 35 pF
L = 0,2 bis 0,5 μH
r = 0,2 bis 0,45 Ω.
Für die niedrigere Frequenz (5a, 8a):
CT = 5 bis 75 pF
CM = 5 bis 75 pF
L = 0,2 bis 0,5 μH
r = 0,2 bis 0,45 Ω.
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Wenn, wie in den 3 und 4 dargestellt, die Leiterplatte 2 vorzugsweise mit einer rohrförmigen Probenaufnahme 6 in Längsrichtung der Leiterplatte 2 ausgestattet ist, ist diese rohrförmige Probenaufnahme 6 parallel zu den beiden Mikroleitern 7, 8 angeordnet. Die Probe kann dann entweder direkt in die Probenaufnahme 6 oder innerhalb eines Röhrchens in dieselbe eingegeben werden, und zwar durch die Öffnung 4 der Platte 3 des Probenkopfes 1.
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Alternativ kann die Probe auch in einem ebenen Mikrofluidchip aufgenommen sein, welcher parallel zur Leiterplatte 2 im Probenkopf 1 angeordnet wird.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Probenkopf
- 2
- Leiterplatte
- 2a
- Seite
- 2b
- Seite
- 3
- Platte
- 4
- Öffnung
- 5
- Abstimmknöpfe
- 6
- Probenaufnahme
- 7
- Mikroleiter
- 8
- Mikroleiter
- 9, 9'
- Querschnittsverringerung
- G
- Erdungsanschluss
- M
- Anschluss Match-Kondensator
- T
- Anschluss Tune-Kondensator
- CM
- Kapazität Match-Kondensator
- CT
- Kapazität Tune-Kondensator
- L
- Induktivität
- r
- Widerstand
