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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 ersten Mikroleiter mit einer Querschnittsverringerung zur Erzeugung und Detektion eines Radiofrequenzfeldes aufweist, wobei der erste Mikroleiter an beiden Enden jeweils mit einem Stromanschluss verbunden ist.
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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 keine planaren Probenanordnungen, wie z. B. Mikrofluidchips, als Proben verwenden kann.
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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, die unterschiedlich gestaltet sein kann. Dieser bekannte Probenkopf ist geeignet, um Messungen an planaren Proben, wie Mikrofluidikchips 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 Messungen an einem Kern durchführen kann.
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Es besteht das Bedürfnis, bei biologischen Untersuchungen mit der kernmagnetischen Resonanzspektroskopie das NMR-Signal des Wassers zu unterdrücken. Das Wassersignal begrenzt nämlich den dynamischen Bereich für NMR-Messungen, weil es bis zu 10.000 Mal intensiver ist als das Signal der interessierenden Probenkomponenten. Da die Vertikalauflösung eines Analog-Digital-Konverters 16 Bit beträgt, bleiben in extremen Fällen nur 3 Bit zur Quantifizierung des Signales der Probenkomponenten übrig, was zu Quantifizierungsartefakten führt.
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Für eine leistungsfähige Unterdrückung des Wassersignales kann ein Gradient des äußeren Magnetfeldes eingesetzt werden. Dazu wird bisher ein Helmholtz-Spulenpaar verwendet, das aus zwei Kreisringen besteht, in denen in entgegengesetzten Richtungen ein Strom kreist. Da die Länge der Probe jedoch nur wenige 100 μm beträgt, müssen zur Erzeugung eines Feldgradienten von typischerweise 0,5 T/m in den Kreisringen Ströme in der Größenordnung von 100 A fließen. Die hohen benötigten Ströme dissipieren viel Wärme und stellen ein Problem für die Probentemperierung dar.
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Aufgabe der Erfindung ist es, einen Probenkopf auf Mikrostreifenleiterbasis der eingangs bezeichneten Art so weiter zu entwickeln, dass er dazu geeignet ist, einen Gradienten des äußeren Magnetfeldes zu erzeugen, ohne die geometrischen Abmessungen des Probenkopfes wesentlich zu verändern und ohne viel Wärme zu dissipieren.
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Diese Aufgabe wird bei einem Probenkopf der eingangs bezeichneten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass in Stromflussrichtung gesehen vor und hinter der Querschnittsverringerung ein nicht mit dem ersten Mikroleiter in elektrischem Kontakt stehender zweiter Mikroleiter auf der Leiterplatte angeordnet ist, der an beiden Enden jeweils mit weiteren Stromanschlüssen verbunden ist, wobei der zweite Mikroleiter derart C-förmig ausgebildet ist, dass die Stromflussrichtung im ersten C-Schenkel des zweiten Mikroleiters vor der Querschnittsverringerung quer zur Stromflussrichtung durch die Querschnittsverringerung und die Stromflussrichtung im zweiten C-Schenkel des zweiten Mikroleiters hinter der Querschnittsverringerung entgegengesetzt zur Stromflussrichtung durch den ersten C-Schenkel ist.
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Erfindungsgemäß wird somit ein Probenkopf bereitgestellt, bei welchem die Mikroleiterstruktur einen zweiten Mikroleiter zur Erzeugung von Gradienten des äußeren Magnetfeldes aufweist. Dazu ist der zweite Mikroleiter so gestaltet, dass ein Strom in Stromflussrichtung gesehen vor und hinter der Querschnittsverringerung des ersten Mikroleiters, die zur Detektion des Signals dient, in jeweils entgegengesetzten Richtungen vorbeigeführt wird. Da die strominduzierten Magnetfelder in den beiden C-Schenkeln des C-förmigen zweiten Mikroleiters entgegengesetzte Vorzeichen tragen, bildet sich im Bereich dazwischen, d. h. dort, wo sich die Querschnittsverringerung des ersten Mikroleiters befindet, ein Gradient der Magnetfeldstärke aus. Der erzeugte Magnetfeldgradient weist dabei in die Richtung des äußeren Magnetfeldes, wie dies für eine effiziente Wasserunterdrückung erforderlich ist. Die Komponente senkrecht zur Ebene des Detektors verschwindet. Da der zweite Mikroleiter Bestandteil der Mikroleiterstruktur auf der Leiterplatte ist, verändern sich die geometrischen Abmessungen des Probenkopfes nicht. Außerdem hat sich herausgestellt, dass ein Strom in einer Größenordnung von 500 mA bis 2 A für den zweiten Mikroleiter zur Erzeugung des Gradienten des äußeren Magnetfeldes ausreicht, so dass nur eine vernachlässigbare Wärmeentwicklung entsteht.
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In besonders bevorzugter Ausgestaltung ist vorgesehen, dass der zweite Mikroleiter im Bereich der beiden C-Schenkel lamellenartig mit mehreren parallelen Leiterbahnen ausgebildet ist. Durch diese lamellenartige Struktur in beiden C-Schenkeln des zweiten Mikroleiters lässt sich der gewünschte Gradient des äußeren Magnetfeldes besonders gut realisieren, die strominduzierten Magnetfelder in der jeweiligen lamellenartigen Struktur, d. h. in einzelnen parallelen Leiterbahnen, addieren sich zu einem weitgehend linearen Feldgradienten auf.
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Um herstellungstechnisch auf möglichst einfache Weise die Anordnung der Querschnittsverringerung des ersten Mikroleiters zwischen den C-Schenkeln des zweiten Mikroleiters zu realisieren, ist vorgesehen, dass die Querschnittsverringerung als rechteckförmige Aussparung im Mikroleiter ausgebildet ist, welche zentral zwischen den beiden C-Schenkeln des zweiten Mikroleiters angeordnet ist.
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Dabei ist weiterhin bevorzugt vorgesehen, dass der erste Mikroleiter im Bereich der Aussparung zwei randseitige Leiterbahnen aufweist, die parallel zum C-Steg des zweiten Mikroleiters angeordnet sind und beidseitig jeweils in einen quer dazu angeordneten Leiterbahnabschnitt übergehen. Dieser jeweilige Leiterbahnenabschnitt erstreckt sich soweit nach außen, bis er sich seitlich außerhalb bzw. neben dem zweiten Mikroleiter befindet und geht dann bevorzugt quer in die weiteren Bereiche des ersten Mikroleiters über.
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In bevorzugter weiterer Ausgestaltung ist, wie an sich bekannt, vorgesehen, dass die Mikroleiterstruktur aus Kupfer, Gold oder Platin besteht.
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Die Erfindung ist nachstehend anhand der Zeichnung beispielhaft näher erläutert. Diese zeigt in
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1 in perspektivischer Darstellung einen Probenkopf mit eingesetzter Leiterplatte,
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2 eine Ansicht auf die Leiterplatte mit Mikroleiterstruktur,
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3 ein vergrößertes Detail der Mikroleiterstruktur und
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4 ein vergrößertes Detail der 3.
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Ein Probenkopf für die kernmagnetische Resonanzspektroskopie ist in 1 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 diesem Probenkopf 1 ist im Bereich seiner Spitze eine Leiterplatte 2 auswechselbar eingesetzt, und zwar in einer entsprechenden 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 2 bis 4 mm auf.
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Wesentlich für den Aufbau der Leiterplatte 2 ist, dass die Leiterplatte 2 auf ihrer in den 2 bis 4 dargestellten Vorderseite eine spezielle Mikroleiterstruktur aufweist. Diese Mikroleiterstruktur umfasst einen ersten Mikroleiter 6 und einen zweiten Mikroleiter 7. Der erste Mikroleiter 6 weist an seinen beiden Enden jeweils einen Stromanschluss 6a bzw. 6b und der zweite Mikroleiter einen Stromanschluss 7a und 7b auf. Beim Ausführungsbeispiel ist der Stromanschluss 6a mit einem Anschluss T für einen Tune-Kondensator und einem Anschluss M für einen Match-Kondensator und der Stromanschluss 6b mit einem Anschluss T für einen Tune-Kondensator verbunden. Ein Erdungsanschluss auf der Leiterplatte 2 ist mit G bezeichnet.
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Der erste Mikroleiter 6 ist zur Erzeugung der Hochfrequenzimpulse mit einer speziell gestalteten Querschnittsverringerung versehen, die vorzugsweise als rechteckförmige Aussparung 8 ausgebildet ist, deren genaue Gestaltung mit Bezugnahme auf die 3 und 4 nachfolgend erläutert wird.
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Wesentlich für den Aufbau der Leiterplatte 2 ist der zweite Mikroleiter 7. Dieser zweite Mikroleiter 7 ist auf der Leiterplatte 2 ohne elektrischen Kontakt mit dem ersten Mikroleiter 6 angeordnet und im Bereich der Querschnittsverringerung (Aussparung 8) des ersten Mikroleiters 6 derart C-förmig ausgebildet, dass in Stromflussrichtung des ersten Mikroleiters 6 gesehen (angedeutet durch einen Pfeil 9 in 3) vor und hinter der Querschnittsverringerung (Aussparung 8) jeweils ein C-Schenkel 10a, 10b des zweiten Mikroleiters 7 angeordnet ist, wobei beide C-Schenkel 10a, 10b durch einen quer dazu angeordneten C-Steg 10c miteinander verbunden sind. Die Anordnung des zweiten Mikroleiters 7 ist deshalb derart, dass die Stromflussrichtung im ersten C-Schenkel 10a vor der Querschnittsverringerung (Aussparung 8) quer zur Stromflussrichtung 9 durch die Querschnittsverringerung und die Stromflussrichtung im zweiten C-Schenkel 10b hinter der Querschnittsverringerung entgegengesetzt zur Stromflussrichtung durch den ersten C-Schenkel 10a ist.
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Bevorzugt ist dabei vorgesehen, dass der zweite Mikroleiter 7 im Bereich der beiden C-Schenkel 10a, 10b lamellenartig mit mehreren parallelen Leiterbahnen 11, 12 ausgebildet ist.
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Die Querschnittsverringerung des ersten Mikroleiters 6 ist, wie bereits erwähnt, bevorzugt als rechteckförmige Aussparung 8 im Mikroleiter 6 ausgebildet. Diese Aussparung 8 ist, wie am besten aus 4 hervorgeht, zentral zwischen den beiden C-Schenkeln 10a, 10b des zweiten Mikroleiters 7 angeordnet. Dabei weist der erste Mikroleiter 6 im Bereich der Aussparung 8 zwei randseitige Leiterbahnen 13 auf, die parallel zum C-Steg 10c des zweiten Mikroleiters 7 angeordnet sind und beidendseitig jeweils in einen quer dazu angeordneten Leiterbahnabschnitt 14, 15 übergehen. Diese beiden Leiterbahnabschnitte 14, 15 gehen jeweils über einen Eckabschnitt 16, 17 in die restlichen, in Längsrichtung der Leiterplatte 2 erstreckten Bereiche des ersten Mikroleiters 6 über.
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Der C-Steg 10c und die weiteren Bereiche des zweiten Mikroleiters 7 außer den C-Schenkeln 10a, 10b sind gegenüber den C-Schenkeln 10a, 10b bzw. den Leiterbahnen 11, 12 wesentlich breiter ausgebildet. Bei einem Stromfluss durch den zweiten Mikroleiter 7 in einer Größenordnung von ca. 500 mA bis 2 A entsteht in diesen breiteren Bereichen eine kleine Stromdichte, so dass kein störendes Magnetfeld erzeugt wird. Dagegen wird durch den Stromfluss durch die schmalen Leiterbahnen 11, 12 in den beiden C-Schenkeln 10a, 10b ein Magnetfeld induziert, und zwar derart, dass diese strominduzierten Magnetfelder in den beiden C-Schenkeln 10a, 10b entgegengesetzte Vorzeichen tragen, da die Stromflussrichtung umgekehrt ist. Dadurch bildet sich im Bereich dazwischen, also im Bereich der Aussparung 8 des ersten Mikroleiters 6 ein Gradient der Magnetfeldstärke aus. Die strominduzierten Magnetfelder um die einzelnen Leiterbahnen 11, 12 addieren sich dabei zu einem weitgehend linearen Feldgradienten auf. Wie Untersuchungen gezeigt haben, weist der erzeugte Magnetfeldgradient in die Richtung des äußeren Magnetfeldes, wie es für eine effiziente Wasserunterdrückung erforderlich ist. Die Komponente senkrecht zur Ebene des Detektors verschwindet.
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Beim ersten Mikroleiter 6 sind im Bereich der Aussparung 8 die beiden randseitigen Leiterbahnen 13 sehr schmal ausgebildet, so dass durch die Aussparung 8 die Hochfrequenzimpulse erzeugt werden, wenn der erste Mikroleiter 6 von Strom durchflossen wird, dieser Strom liegt im Bereich von wenigen mA. Beginnend mit den Eckabschnitten 16, 17 weist der erste Mikroleiter 6 bis zu den Stromanschlüssen 6a, 6b eine wesentlich größere Breite auf, damit die Stromdichte klein bleibt und durch den ersten Mikroleiter 6 ebenfalls kein störendes Magnetfeld erzeugt wird. Natürlich ist die Erfindung nicht auf die dargestellten Ausführungsbeispiele beschränkt. Weitere Ausgestaltungen sind möglich, ohne den Grundgedanken zu verlassen. Die Mikroleiterstruktur ist bevorzugt auf die Leiterplatte 2 aufgeätzt und besteht aus Kupfer, Gold oder Platin.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Probenkopf
- 2
- Leiterplatte
- 3
- Platte
- 4
- Öffnung
- 5
- Abstimmknöpfe
- 6
- erster Mikroleiter
- 6a, 6b
- Stromanschlüsse
- 7
- zweiter Mikroleiter
- 7a, 7b
- Stromanschlüsse
- 8
- rechteckförmige Aussparung
- 9
- Stromflussrichtung
- 10a, 10b
- C-Schenkel
- 10c
- C-Steg
- 11
- Leiterbahn
- 12
- Leiterbahn
- 13
- randseitige Leiterbahnen
- 14, 15
- Leiterbahnabschnitte
- 16, 17
- Eckabschnitte
- G
- Erdungsanschluss
- M
- Anschluss Match-Kondensator
- T
- Anschluss Tune-Kondensator
