DE69826742T2

DE69826742T2 - Gerät und Verfahren zur Erzeugung von Gradientenmagnetfeldern für hochauflösende NMR-Experimente im magischen Winkel

Info

Publication number: DE69826742T2
Application number: DE69826742T
Authority: DE
Inventors: David G. Boston Cory; Joel T. Oxford Lewandowski
Original assignee: Bruker Biospin Corp
Current assignee: Bruker Biospin Corp
Priority date: 1997-02-04
Filing date: 1998-02-04
Publication date: 2005-11-03
Anticipated expiration: 2018-02-05
Also published as: US5872452A; EP0856741B1; EP0856741A1; DE69826742D1

Description

`Hintergrund der Erfindung
1. Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Kernspinresonanz(NMR)-Spektroskopie und insbesondere auf NMR-Spektrometersonden, die einen Magnetfeldgradienten entlang der Achse einer Probe erzeugen können, die unter dem „magischen Winkel" rotiert wird.
2. Beschreibung des Stands der Technik
Alle Atomkerne mit einer ungeraden Atommasse oder einer ungeraden Kernladungszahl haben ein Kernspinmoment. Kernspinresonanz (NMR) ist ein Phänomen, das bei dieser ausgewählten Gruppe von Atomkernen auftritt („NMR aktive" Kerne genannt) und basiert auf der Wechselwirkung des Kerns mit einem angelegten externen Magnetfeld. Die magnetischen Eigenschaften eines Kerns werden in zweckmäßiger Weise in Bezug auf zwei Größen diskutiert: dem gyromagnetischen Verhältnis (y) und dem Kernspin (l). Wenn ein NMR aktiver Kern in einem Magnetfeld angeordnet wird, werden seine Kernspin-Energieniveaus in (2l + 1) nicht degenerierende Energieniveaus aufgespalten, die voneinander um einen Energieunterschied getrennt sind, welcher direkt proportional zu der Stärke des angelegten Magnetfeldes ist. Diese Aufspaltung wird „Zeeman"-Aufspaltung genannt und entspricht yhH₀2π, wobei h die Plank'sche Konstante und H₀ die Stärke des Magnetfeldes ist. Die Frequenz, die der Energie der Zeeman-Aufspaltung (w₀ = yH₀) entspricht, wird „Larmorfrequenz" genannt und ist proportional zu der Feldstärke des Magnetfeldes. Typische NMR aktive Kerne beinhalten ¹H (Protonen), ¹³C, ¹⁹F und ³¹p. Für diese vier Kerne ist l = 1/2 und jeder Kern hat zwei Kernspin-Energieniveaus.
Wenn eine Volumenprobe, die NMR aktive Kerne enthält, in einem Magnetfeld angeordnet wird, verteilen sich die Kernspins selbst auf die Kernspin-Energieniveaus entsprechend der Boltzmann-Statistik. Dies führt zu einem Populationsungleichgewicht zwischen den Energieniveaus und einer Netto-Kernmagnetisierung. Die NMR-Techniken untersuchen diese Netto-Kernmagnetisierung.
Im Gleichgewicht wird die Netto-Kernmagnetisierung parallel zu dem externen Magnetfeld ausgerichtet und ist statisch. Ein zweites Magnetfeld senkrecht zum ersten, das bei oder nahe der Larmorfrequenz rotiert, kann angelegt werden, um eine kohärente Bewegung der Netto-Kernmagnetisierung zu induzieren. Da bei herkömmlichen Feldstärken die Larmorfrequenz im Megaherz-Frequenzbereich ist, wird dieses zweite Feld „Hochfrequenz" oder HF-Feld genannt.
Die kohärente Bewegung der Kernmagnetisierung um das HF-Feld wird „Nutation" genannt. Um diese Nutation in geeigneter Weise handzuhaben, wird ein Bezugssystem verwendet, welches sich mit der Larmorfrequenz um die z-Achse dreht. In diesem „rotierenden System" ist das HF-Feld, welches sich in dem stationären „Labor"-Bezugssystem dreht, statisch. Folglich besteht die Wirkung des HF-Feldes darin, dass es die nun statische Kernmagnetisationsrichtung in einem Winkel in Bezug auf die statische Hauptfeldrichtung dreht. Herkömmlicherweise wird ein HF-Feldimpuls von ausreichender Länge für die Nutation der Kernmagnetisierung um einen Winkel von 90° oder π/2 Radians ein „π/2 Impuls" genannt.
Ein π/2 Impuls, der mit einer Frequenz nahe der Kernresonanzfrequenz angelegt wird, rotiert die Spinmagnetisierung von einer ursprünglichen Richtung entlang der statischen Hauptmagnetfeldrichtung in eine Ebene senkrecht zur Hauptmagnetfeldrichtung. Da das HF-Feld und die Kernmagnetisierung rotieren, präzediert die Komponente der Netto-Magnetisierung, die quer zum Hauptmagnetfeld ist, mit der Larmorfrequenz um das Hauptmagnetfeld. Dieses Präzedieren kann mit einer Empfangsspule detektiert werden, die bei der Präzessionsfrequenz resonant ist und so angeordnet ist, dass die Präzessionsmagnetisierung eine Spannung entlang der Spule induziert. Oft sind die „Sendespule", die zum Anlegen des HF-Felds an die Probe verwendet wird, und die „Empfangsspule", die zum Detektieren der Magnetisierung verwendet wird, ein und dieselbe Spule.
Zusätzlich zur Präzession bei der Larmorfrequenz wird die Kernmagnetisierung in Abwesenheit der angewandten HF-Energie auch zwei Relaxationsprozessen unterzogen: (1) die Präzessionen von verschiedenen einzelnen Kernspins, welche die Netto-Kernmagnetisierung erzeugen, werden in Bezug zueinander dephasiert, so dass die Magnetisierung in einer zugeordneten Relaxationszeit T₂ in der transversalen Ebene die Phasenkohärenz verliert (sogenannte „Spin-Spin-Relaxation") und (2) die einzelnen Kernspins zu ihrer Gleichgewichts-Population der Kernspin-Energieniveaus (sogenannte „Spin-Gitter-Relaxation") in einer zugeordneten Relaxationszeit T₁ zurückkehren.
Das Kernspinmoment nimmt ein externes Magnetfeld wahr, welches aufgrund einer Abschirmung von der Elektronenwolke kleiner als das tatsächliche Feld ist. Diese Abschirmung hat eine geringe Verschiebung der Larmorfrequenz zur Folge („chemische Verschiebung" genannt, da die Größe und Symmetrie der Abschirmung von der chemischen Zusammensetzung der Probe abhängt).
Da die Larmorfrequenz proportional zur Feldstärke ist, ist es generell erwünscht, sicherzustellen, dass das Hauptmagnetfeld und das HF-Magnetfeld räumlich homogen sind, zumindest in dem Probenbereich, so dass alle Teile der Probe ein NMR-Signal mit derselben Frequenz erzeugen. Es gibt jedoch einige bekannte Anwendungen von NMR-Techniken, bei welchen es erwünscht ist, einen Magnetfeldgradienten über die Probe hinweg zu erzeugen: Beispiele solcher Anwendungen beinhalten NMR-Bildgebung, Molekular-Diffusionsmessungen, Lösungsmittelunterdrückung, Kohärenzweg-Auswahl und Mehrfachquantenfilter.
Ein herkömmliches Verfahren zum Anlegen solcher Gradienten besteht darin, spezielle Gradientenspulen zusätzlich zu den Spulen, welche das statische Hauptfeld erzeugen und den Spulen, die das HF-Magnetfeld erzeugen, zu verwenden. Diese speziellen Spulen sind in der NMR-Sonde angeordnet und erzeugen einen Magnetfeldgradienten, der B₀-Gradient genannt wird und mindestens eine Feldkomponente hat, die eine Richtung parallel zur statischen Hauptfeldrichtung hat, jedoch eine Amplitude aufweist, die als Funktion der räumlichen Position variiert. Alle obengenannten NMR-Anwendungen wurden mit Verwendung eines B₀ Gradienten dargestellt. Die Spulen, die die B₀ Gradienten entlang der Kartesischen Achsen erzeugen, sind wohlbekannt.
Viele Proben von Feststoffen oder Gels zeigen ziemlich breite NMR-Resonanzen, wenn sie über Flüssig-Zustands-NMR-Verfahren gemessen werden, da die Moleküle nicht die Möglichkeit haben, schnell und isotrop durcheinander zu fallen. Diese zusätzlichen Verbreiterungen ergeben sich aus den Dipol-Dipol-Wechselwirkungen zwischen den Spins, der Anisotropie der chemischen Verschiebung und örtlichen Änderungen der magnetischen Suszeptibilität. Rotation der Probe unter dem magischen Winkel (magic angle sample spinning MAS) ist eine wohlbekannte Maßnahme zum Wiederherstellen der Spektren mit einer scheinbar hohen resultierenden Auflösung durch Einbringen einer physikalischen Rotation der Probe als Ganzes um den sogenannten magischen Winkel θ_m zur statischen Feldrichtung, wobei cosθ_m = √1/3. Dieser Winkel entspricht der Winkelhalbierenden eines Würfels (entlang der [1, 1, 1] Richtung relativ zu einem kartesischen Koordinatensystem x, y, z) und eine Rotation um diese Achse erzeugt eine gleiche Gewichtung der Entwicklung für die x, y und z Richtungen, wobei die örtlichen Variationen ausgemittelt werden. Vorausgesetzt, dass die Spinrate im Vergleich zur Linienbreite schnell ist, werden bei MAS-Experimenten scharfe Resonanzen beobachtet. Spinraten von 2 bis 10 kHz werden routinemäßig bei MAS-Sonden erzielt.
Für bestimmte Feststoff-Bildgebungsexperimente wurden Gradientenspulen mit MAS-Sonden verwendet, um ein rotierendes Bildgebungs-Bezugssystem zu erzeugen, welches relativ zu der Probe stationär erscheint. Dies unterscheidet sich von dem herkömmlichen Bezugssystem, das tatsächlich fixiert ist und in welchem sich die Probe relativ zu dem Bezugssystem mit der obengenannten Spinrate dreht. Bei allen Versuchen, ein solches modifiziertes Bezugssystem zu erzeugen, wurden die Gradientenfelder durch Modulieren der Ströme über speziell ausgebildete Gradientenspulen in synchrone Rotation mit der Probe versetzt. Um ein ∂Bz/∂θ_m Feld mit drei Gradientensätzen zu erzeugen, ist ein voller Satz von drei Gradientenspulen erforderlich, die jeweils ihren eigenen Audioverstärker haben. Die Spulen werden von einer sorgfältig abgestimmten Oszillatorschaltung angetrieben, die mit der Position der Probe phasengekoppelt sein muss. Dieses hohe Maß an Komplexität ist für die Bildgebung essentiell, wenn alle drei räumlichen Achsen verwendet werden, jedoch mehr als für die Spektroskopie erforderlich.
Bei einem anderen bekannten Aufbau wurde ein Satz Gradientenspulen verwendet, welcher ein Gradientenfeld erzeugt, welches entlang dem magischen Winkel ausgerichtet ist, indem eine komplexe Stromverteilung an einem Zylinder erzeugt wird, der entlang des statischen Feldes ausgerichtet ist. Diese Anordnung wurde vorgeschlagen, um Interferenzen von Bipolaren Entmagnetisationsfeldern zu verhindern und war nicht für den Betrieb mit einer MAS-Sonde vorgesehen. Bei dieser sind die Gradientenspulen an einen Zylinder gewickelt, der entlang der Hauptmagnetfeldrichtung ausgerichtet ist. Dieses Verfahren beinhaltet eine Anzahl an Schwierigkeiten. Zuerst würde die Anordnung den Raum einnehmen, welcher für den MAS-Stator erforderlich ist. Zweitens muss die Gradientenspule präzise mit der Spinnerachse ausgerichtet sein und, da die Gradientenspule und der Stator zwei getrennte Teile sind, muss die Ausrichtung der zwei Teile für jede Sonde ausgeführt werden. Auch kann die Gradientenspule den Ausstoß des Probenbehälters stören.
Das Dokument von Bowtell und Peters, „Magic-Angle Gradient Coil Design", Journal of Magnetic Resonance, series A, Band 115, S. 55–89 (1995) offenbart einen Gradientenspulenaufbau mit einer geschlossenen Stromflussstruktur entlang einer zylindrischen Umhüllung, deren Achse entlang der z-Achse ausgerichtet ist. Diese geschlossene Struktur macht die Anwendung dieses Gradientenspulenaufbaus für die Rotation unter dem magischen Winkel extrem schwierig, da der Stator und Rotor im magischen Winkel in Bezug auf die z-Achse ausgerichtet werden müssen, wodurch solche Gradientenspulen eine sehr große Geometrie haben müssen.
Beim Implementieren von Gradientenspektroskopie-Experimenten in einer MAS-Sonde wäre es wünschenswert, einen Gradientenaufbau zu haben, bei welchem der Gradient so ausgerichtet ist, dass die z-Komponente des Magnetfeldes entlang der Achse des Spinners zunimmt, und das Gradientenmagnetfeld in den Ebenen senkrecht zu der Spinnerachse gleichförmig ist. Es wäre auch erwünscht, ein Gradientenfeld zu haben, welches für einen Gleichstrom durch die Gradientenwicklung erhalten wird und für welches keine Synchronisation zur Spinnerbewegung erforderlich ist. Weiterhin wäre es vorteilhaft, wenn ein solcher Aufbau kompatibel mit dem mechanischen Layout von bekannten MAS-Statorstrukturen wäre, das Einsetzen/Auswerfen der Probe nicht stören würde und eine Gradientenstärke von herkömmlicher Stärke (im Bereich von 0.5 Vs/m³ (50 G/cm)) hätte.
Zusammenfassung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung stellt einen Gradientenfeldgenerator für eine NMR-Sonde bereit, welche aus einer Vielzahl von geradlinigen, leitenden Segmenten besteht, die einen Stator umgeben, in welchem ein Probenbehälter untergebracht ist. Die leitenden Segmente sind parallel zueinander und senkrecht zu einer Ebene, die eine Rotationsachse enthält, um welche der Probenbehälter drehbar ist. Vorzugsweise befinden sich die leitenden Segmente in gleichem Abstand von einem Mittelpunkt des Probenvolumens, und sind in einer zylindrischen Verteilung um den Probenbehälter angeordnet. Die Ströme durch die leitenden Segmente nähern sich einer zylindrischen Stromverteilung an und liefern ein Gradientenmagnetfeld über das Probenvolumen, bei dem die Feldstärke des Gradientenmagnetfeldes in im Wesentlichen linearer Weise entlang der Richtung der Rotationsachse variiert.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind die leitenden Segmente durch Wickeln eines leitenden Materials um den Körper des Stators geformt. Das leitende Material, vorzugsweise Draht, wird entlang den Außenflächen des Stators an den Stellen, Richtungen und Anzahl an Windungen gewickelt, welche es erlauben, dass ein Gleichstrom durch das leitende Material fließen kann, welcher die gewünschten Ströme in den geeigneten leitenden Segmenten erzeugt. Es können auch kleine Löcher in den Körper des Stators gebohrt werden und das leitende Material kann durch diese Löcher hindurchgeführt werden, um ein Wickeln des leitenden Materials an den gewünschten Stellen zu ermöglichen. Auch eine magnetische Abschirmung um die leitenden Abschnitte herum kann verwendet werden, um Wirbelströme in den umgebenden Materialien zu minimieren.
Sobald eine gewünschte Anzahl an leitenden Segmenten ausgewählt wurde, besteht ein Verfahren zum Bestimmen der entsprechenden Ströme darin, die Jacobische Determinante anzugeben, die das Magnetfeld im dreidimensionalem Raum, der den Probenbehälter umgibt, beschreibt. Diese Jacobische Determinante hat die Form:
wobei z die Richtung des statischen Magnetfelds der Sonde ist, die y-z Ebene diejenige, in welcher der Stator für den magischen Winkel eingestellt wird und x die Richtung ist, zu welcher die leitenden Segmente parallel verlaufen.
Für die Anwendung von MAS-Spektroskopie hat die Jacobische Determinante die folgenden Werte:
Mit dieser Zwangsbedingung kann die Anzahl an Lösungen weiter reduziert werden, indem die Lagen der leitenden Segmente auf diejenigen reduziert werden, die in ein zylindrisches Muster fallen, das den Stator umgibt. Wenn dann die einzige unabhängige Variable der Winkel zwischen der Position jedes leitenden Segments in der x-y Ebene und der z-Achse ist und wenn die erwünschte Anzahl an Leitern bekannt ist, können Positionen für die leitenden Segmente entlang des Zylinders ausgewählt werden, welcher den Stator umgibt, welche das gewünschte Gradientenfeld bereitstellen und Ströme erfordern, die am einfachsten bereitgestellt werden.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 ist eine Teil-Seitenansicht im Querschnitt einer MAS-Sonde und eines Stators mit einem Gradientenmagnetfeldgenerator entsprechend der vorliegenden Erfindung;
2 ist eine Teil-Draufsicht im Querschnitt der MAS-Sonde und des Stators der Ausführungsform von 1;
3 ist eine isometrische Ansicht des MAS-Stators der Ausführungsform von 1, die die geradlinigen Leiter zeigt, die verwendet werden, um das gewünschte Gradientenmagnetfeld zu erzeugen;
4 ist eine Seitenansicht des Stators von 3;
5 ist eine graphische Darstellung der Stromverteilung, bereitgestellt von den geradlinigen Leitern von 3;
6 ist eine graphische Darstellung der Gradientenfeldvariation für die Stormverteilung von 5;
7 ist eine graphische Darstellung der Stromverteilung, bereitgestellt von einer alternativen Ausführungsform der Erfindung, bei welcher acht geradlinige leitende Segmente verwendet werden;
8 ist eine graphische Darstellung der Gradientenfeldvariation für die Stromverteilung von 7.
Detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
1 zeigt eine Seitenansicht im Querschnitt eines Teils des Sondengehäuses 10 und einen Stator 12 einer Kernspinresonanz (NMR)-Sonde gemäß der vorliegenden Erfindung. Die Sonde ist zur Verwendung mit einem Feststoff-Probenmaterial vorgesehen und dreht deshalb die Probe unter dem wohlbekannten „magischen Winkel" relativ zur Richtung des Hauptmagnetfelds. In 1 ist ein zweidimensionales Kartesisches Koordinatensystem dargestellt, welches die gewählten Richtungsbezeichnungen relativ zu der Sonde zeigen. Bei dieser Ausführungsform ist die Sonde koaxial zu der zylindrischen Magnetbohrung und somit liegt das Hauptmagnetfeld in Richtung der z-Achse. Die Winkelposition des Stators 12 in der y-z-Ebene ist somit im „magischen Winkel" gesetzt (ungefähr 54,70 relativ zur z-Achse).
Die Sonde von 1 kann ein Gradientenmagnetfeld erzeugen, das entlang des magischen Winkels ausgerichtet ist. Zur Übersichtlichkeit ist ein mit gestrichelten Linien gezeigter Kartesischer Koordinatenachsensatz den y-z-Koordinaten von 1 überlagert. Die mit gestrichelten Linien gezeichneten Achsen werden mit z' und y' bezeichnet und stellen die y-z-Ebene dar, die unter dem magischen Winkel rotiert wird. Somit ist die gewünschte Richtung des Gradientenfelds die z'-Richtung. Dieses rotierte Koordinatensystem vereinfacht die folgende Beschreibung der vorliegenden Erfindung.
Die Sonde von 1 erzeugt das Gradientenfeld mittels geradliniger, leitender Segmente, die in x-Richtung ausgerichtet sind. Die leitenden Segmente (im folgenden „Leiter" genannt) sind relativ zu dem Stator 12 angeordnet und haben die erforderliche Stromverteilung, um das gewünschte Gradientenfeld zu erzeugen. Die Leiter werden hier generell mit Bezugszeichen 14 bezeichnet, wobei einzelne Leiter mittels Bezeichnungen 14a, 14b etc. gekennzeichnet sind. Bei der Ausführungsform von 1 werden vier Leiter verwendet, es wird jedoch klar werden, dass jegliche Anzahl an Leitern, die ein Vielfaches von vier ist, verwendet werden kann, um die Sonde zu bilden.
Die Leiter 14 sind neben der Oberfläche des Stators 12 angeordnet und physikalisch in die gewünschte Richtung ausgerichtet, um das Gradientenmagnetfeld zu erzeugen. Die Position der Leiter berücksichtigt auch die Anordnung der Probenauswurföffnung 15, so dass die Leiter das Laden und den Auswurf des Probenbehälters nicht beeinträchtigen. Die Position und Ausrichtung der Leiter 14 ist bezüglich eines aktiven Probenvolumens 16 des Probenbehälters oder „Spinners" 18. In 1 sind der Spinner 18 und das Probenvolumen 16 in Umrissform gezeigt, um ihre Anordnung anzuzeigen. Wie oben erwähnt, erzeugen die den Leiter 14 durchlaufenden Ströme ein gewünschtes Gradientenmagnetfeld in y- und z-Richtung über das aktive Volumen 16 hinweg. Bei der bevorzugten Ausführungsform sind die Leiter 14 parallel zueinander und in gleichem Abstand vom Mittelpunkt des Probenvolumens 16. Dies ist in 1 durch den Kreis 19 in der y-z-Ebene gezeigt, welcher um den Mittelpunkt des aktiven Volumens 16 zentriert ist und jeden der vier Leiter 14 schneidet. Der Kreis 19 zeigt die zylindrische Verteilung der geradlinigen Leiter 14 um den Mittelpunkt des Probenvolumens. Wie im folgenden erörtert wird, vereinfacht diese Ausrichtung der Leiter die Auswahl der Ströme, die für die vier Leiter 14 verwendet werden sollen. Ebenfalls (mit gestrichelten Linien) ist in 1 die zylindrische magnetische Abschirmung 17 gezeigt. Die Abschirmung kann verwendet werden, um zu verhindern, dass die von den leitenden Abschnitten 14a–14d erzeugten Magnetfelder Wirbelströme in umgebenden Materialien induzieren. Der Fachmann wird jedoch erkennen, dass eine komplette zylindrische Abschirmung nicht verwendet werden kann, wenn der Probenbehälter durch die Auswurföffnung 15 ausgeworfen werden soll.
Bei der bevorzugten Ausführungsform sind die Leiter 14 Abschnitte von leitendem Material, welches um den Stator 12 gewickelt ist, typischerweise ein Draht. 2 ist eine zweidimensionale schematische Ansicht des Stators in dem Sondengehäuse 10 relativ zur x-y-Ebene, wobei die Leiter 14 aus Draht geformt wurden, der um den Stator in zwei primären Schleifen 20,22 gewickelt wurde. Die zwei Schleifen sind jeweils im wesentlichen von rechteckiger Form und bestehen jeweils aus einem oder mehr Drahtsträngen. Wie gezeigt hat jede Schleife zwei lineare Abschnitte 14 parallel zur X-Achse (einen zu einer ersten Seite des Stators und den anderen zur gegenüberliegenden Seite). Die Schleife 20 beinhaltet Leiter 14a und 14b, während die Schleife 22 Leiter 14c und 14d beinhaltet. Jede Schleife hat auch zwei im Wesentlichen lineare Abschnitte 24, die senkrecht zur x-Achse liegen. Diese linearen Abschnitte werden hier allgemein mit Bezugszeichen 24 sowie auch einzeln mit Bezugszeichen 24a, 24b etc. bezeichnet.
Da die linearen Abschnitte 24 teils in z-Richtung ausgerichtet sind und weit von dem Probenbereich entfernt sind, tragen sie sehr wenig zu dem Gradientenfeld bei. Bei der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind die Schleifen 20, 22 sogar Teil desselben Leiters, welcher um den Stator gewickelt ist, um eine Schleife 20 in einer Position zu bilden und eine Schleife 22 in einer anderen Position zu bilden. Der Leiter hat zwei Abschnitte (die in 2 nicht gezeigt sind), welche die zwei Schleifen 20, 22 verbinden.
3 ist eine isometrische Ansicht des Stators 12, die die leitenden Schleifen 20, 22 zeigt, die aus linearen leitenden Segmenten 14a–14d und linearen Segmenten 24a–24d, die um den Stator 12 gewickelt sind, bestehen. Eine Seitenansicht des Stators 12 ist ebenfalls in 4 gezeigt, deren Ausrichtung durch die Schnittlinie IV-IV in 3 angedeutet ist. Wiederum in Bezug auf 3 verlaufen die leitenden Segmente 26, 28 senkrecht zur x-Achse und verbinden die Schleifen 20, 22 untereinander. Zum besseren Verständnis der in der Figur gezeigten Anordnung sind die versteckten äußeren Flächen des Stators sowie die versteckten Abschnitte der Schleifen mittels gestrichelten Linien gezeigt. Der Probenspinner 18 ist ebenfalls in gestrichelten Linien gezeigt. Die Darstellung des Probenspinners 18 in 3 soll die Anordnung des Spinners 18 relativ zu dem Stator 12 und den Leitern 14 andeuten. Der Fachmann wird erkennen, dass es eine zusätzliche Stützstruktur für den Spinner 18 in dem Körper des Stators 12 gibt, welche in 3 nicht gezeigt ist.
Der Strom durch das leitende Material, das den Stator 12 umgibt, folgt einem spezifischen Pfad für den Stator von 3. Der Strom tritt durch einen von zwei Leitern ein, welche das verdrehte Leiterpaar 30 bilden. Der Strom wandert dann um die Schleife 20 herum und gelangt zuerst durch den Leiter 14a, durch den Leiter 24a, zurück zum Leiter 14b und dann zurück durch den Leiter 24b zu dem Punkt, an welchem der Strom zuerst in die Schleife eintrat. In Abhängigkeit der Position und der Dicke des leitenden Materials, dem Pegel des verwendeten Stroms und dem gewünschten Magnetfeld kann die Schleife 20 aus einer Anzahl an angrenzenden Windungen bestehen, die demselben leitenden Pfad folgen, wie für Leiter 14a, 24a, 14b und 24b gezeigt ist, und schließlich zu dem Punkt zurückkehren, an welchem der Strom zuerst in die Schleife 20 eintritt. Nach der gewünschten Anzahl an Windungen um die Schleife 20 fließt der Strom von der Schleife 20 entlang des Leiters 26 zu der Schleife 22.
Der entlang des Leiters 26 wandernde Strom fließt zu dem Leiter 24d. Von dem Leiter 24d wandert der Strom durch den Leiter 14d, durch den Leiter 24c und kehrt entlang des Leiters 14c zu dem Punkt zurück, wo er in die Schleife 22 eingetreten ist. Wie bei der Schleife 20 kann die Schleife 22 tatsächlich aus einer Anzahl an Windungen aus leitendem Material bestehen, das um den Stator 12 gewickelt ist, und demselben Pfad wie oben beschrieben folgt und zurückkehrt zu dem Punkt, an welchem der Strom in die Schleife 22 eintrat. Der Strom wandert dann entlang des Leiters 28 und folgt dem entgegengesetzten Pfad als der Strom, der durch den Leiter 26 fließt. Der Strom folgt dann dem zweiten der zwei Leiter des verdrehten Paars 30 und kehrt zum Ausgangspunkt des Stroms zurück, der schematisch in 3 als Stromquelle 32 angedeutet ist. Somit werden durch geeignetes Einstellen der Stromquelle 32 die gewünschten Ströme für jeden der vier linearen Leiter 14 erzeugt.
Generell ist die Verwendung einer einzelnen Stromquelle zur Versorgung aller leitenden Segmente bevorzugt. Bei Verwendung einer einzelnen Stromquelle können Ströme von unterschiedlichen Größenordnungen in unterschiedlichen Segmenten durch Verwendung einer unterschiedlichen Anzahl an Windungen für die unterschiedlichen Segmente erzeugt werden. Somit stellt das Verhältnis von Windungen zwischen verschiedenen Segmenten ein gewünschtes Stromverhältnis her, wenn es nur eine Stromquelle gibt.
Eine einfache und allgemeine Lösung zum Bestimmen der geeigneten Ströme durch die leitenden Segmente 14 besteht darin, zuerst die Jacobische Determinante anzugeben, die die Variation des Magnetfeldes beschreibt und dann diese in eine ideale Stromverteilung zu übersetzen. Allgemein hat die Jacobische Determinante für den dreidimensionalen Raum in der Nähe der Probe die Form:
Bei NMR Experimenten ist die Dynamik des Spinsystems nur sensitiv für statische Felder entlang derselben Richtung wie das extern angelegte Magnetfeld, welches typischerweise die z-Richtung bezeichnet. Deshalb ist es für ein NMR-Gradientenexperiment ausreichend, die drei Komponenten
∂B_z/∂x, ∂B_z/∂y, ∂B_z/∂z
anzugeben.
Bei der vorliegenden Erfindung ist ein magnetisches Gradientenfeld erwünscht, das entlang der Richtung des magischen Winkels zunimmt. Der magische Winkel wurde in der y-z-Ebene angeordnet, obwohl die x-z-Ebene genauso gut hätte gewählt werden können, da die betreffenden NMR-Experimente eine zylindrische Symmetrie haben. Die Spinner-Achse (die nach dem magischen Winkel ausgerichtet ist) verläuft deshalb entlang dem Vektor
Bei der bevorzugten Ausführungsform soll die z-Komponente des Gradientenfelds auch in Richtung des obigen Vektors zunehmen und gleichförmig sein. Somit muss die räumliche Variation der z-Komponenten des Feldes die Bedingungen
∂B_z/∂X = 0, ∂B_z/∂y = sinΘ_m, ∂B_z/∂z = cos Θ_m erfüllen.
Beim magischen Winkel ist sin Θ_m = √2/3 Und cos Θ_m = √1/3. Diese Bedingungen definieren jedoch offensichtlich nicht vollständig die Jacobische Determinante. Es gibt in der Tat eine unbegrenzte Anzahl an Lösungen für die Maxwell Gleichungen, die konsistent mit den obigen Werten für diese drei Komponenten sind. Bei der vorliegenden Erfindung sind jedoch die zur Verfügung stehenden Lösungen durch die Bedingung begrenzt, dass die leitenden Segmente in den zur Verfügung stehenden Grenzen der Sonde angeordnet sind. Somit verwendet die vorliegende Erfindung geradlinige leitende Segmente 14, die in den verbleibenden Raum in dem Sondengehäuse passen. Da der Stator 12 bereits in der y-z-Ebene ausgerichtet ist (d. h. bezüglich der x-Achse) ist es vorteilhaft, die leitenden Segmente parallel zur x-Achse auszurichten. Dies ist in 1–4 gezeigt, in welchen die leitenden Segmente 14 bezüglich des Stators 12 gezeigt sind.
Die Ausrichtung der Leiter parallel zur x-Achse vereinfacht die Bestimmung der Werte der Jacobischen Determinante für das gewünschte Gradientenfeld, da
∂B_x/∂x = ∂B_x/∂y = ∂B_x/∂z = ∂B_y/∂x = ∂B_z/∂x = 0
Unter diesen zusätzlichen Einschränkungen ist die folgende Jacobische Determinante die einzige, die konsistent mit den Maxwell-Gleichungen ist:
Wobei, wenn Θ_m dem magischen Winkel entspricht, diese Jacobische Determinante umgeschrieben werden kann zu:
Die obige Jacobische Determinante definiert das Magnetfeld eindeutig. Jedoch ist eine Verteilung von Strömen, die dieses Feld erzeugt, ebenfalls erforderlich. Für die hier spezifizierte Geometrie besteht eine einfache Lösung darin, eine Verteilung des Stroms über der Oberfläche eines Zylinders zu definieren, der entlang der x-Achse ausgerichtet ist. Da die Ströme eingeschränkt sind, so dass sie entlang der Zylinderfläche verlaufen, gibt es nur eine unabhängige Variable, den Winkel zwischen dem Stromsegment am Zylinder und der z-Achse. Andere Verteilungen können ebenfalls in Rahmen der Erfindung verwendet werden, jedoch ist die zylindrische Verteilung aufgrund ihrer Einfachheit bevorzugt, und weil sie das Einbringen von Harmonischen höherer Ordnung in das Gradientenfeld minimiert.
Während die oben beschriebene kontinuierliche Stromverteilung im Prinzip das Problem löst, bestehen praktische Lösungen aus einzelnen Stromverteilungen. Auch würde die kontinuierliche Stromverteilung das Laden der Probe in den Stator stören. Somit wird die Anordnung von geradlinigen Segmenten 14 bei der vorliegenden Erfindung verwendet, um die gewünschte Stromverteilung bereitzustellen. Diese Verteilung behält die Symmetrie der obengenannten kontinuierlichen Stromverteilung bei, während die sechs Punkte des gewünschten Gradientenfelds erfüllt werden. Diese Punkte sind: 1) nur Gleichströme werden verwendet; 2) die Anordnung ist kompatibel mit existierenden Statoren; 3) keine Störung bei Probenauswurf, 4) ein starkes Gradientenfeld wird bereitgestellt; 5) die Anordnung ist kompatibel mit existierenden Gradienten-Verstärkeranordnungen; und 6) die Konstruktion ist relativ einfach herzustellen.
5 ist eine graphische Darstellung der Stromverteilung für die Ausführungsform von 1–4 relativ zur y-z-Ebene. Wie gezeigt ist, ist die Anordnung der Ströme (und somit die Anordnung der geradlinigen leitenden Segmente) in Rotationsrichtung um ca. 17,35° verschoben. Diese Rotationsposition ist erforderlich, jedoch können unterschiedliche Radien der Leiter um die Probe verwendet werden. Die Ströme bei dieser Ausführungsform sind in der Figur durch Bezugszeichen 34a, 34b, 34c und 34d gekennzeichnet. Bezüglich der Ausführungsform von 1–4 ist der Strom 34a derjenige, der durch den Leiter 14a fließt, der Strom 34b fließt durch den Leiter 34b, Strom 34c fließt durch den Leiter 14c und Strom 14d fließt durch den Leiter 34d. Die normalisierte Größe der Ströme für diese Verteilung ist ebenfalls gezeigt, welche +1 für Ströme 34b und 34c und –1 für Ströme 34a und 34d ist. Die Verteilung ergibt die einfache um den Leiter gewickelte Anordnung, gezeigt in 1–4, insbesondere angesichts der Tatsache, dass die Größe jedes Stroms dieselbe ist.
6 ist eine graphische Darstellung der Gradientenfeldverteilung für die bevorzugte Ausführungsform der Erfindung (d. h. für die in 5 gezeigten Ströme). 6 hat eine horizontale Achse entlang der y'-Richtung im Millimetermaßstab. Die vertikale Achse verläuft entlang der z'-Richtung und hat einen Maßstab für die magnetische Feldstärke. Die Einheiten für die vertikale Achse sind willkürlich. Die Darstellung ist jedoch mit horizontalen Linien überlagert, die jeweils die Magnetfeldstärke für einen bestimmten Wert von z' anzeigen. Die Erstreckung dieser Linien in der horizontalen Richtung zeigt die geringen Variationen in der Gradientenmagnetfeldstärke in y'-Richtung, jeweils für eine Anzahl an unterschiedlichen Werten von z' (d. h. z' = 1, z' = 2, etc.). Diese Variationen basieren auf der Verwendung der vier geradlinigen Leiter 14 zum Erzeugen des Gradientenfelds. Wie jedoch gezeigt ist, ist die Linearität der Feldlinien ziemlich gut und für die meisten Experimentierzwecke akzeptabel.
7 zeigt eine alternative Ausführungsform der Erfindung. Wie 5 ist 7 eine graphische Darstellung der Ströme, die verwendet werden, um ein gewünschtes Gradientenmagnetfeld zu erzeugen. Wie gezeigt ist, werden bei dieser Ausführungsform acht Ströme und nicht vier verwendet. Die Ströme werden in einem zylindrischen Muster in gleichem Abstand vom Mittelpunkt des Probenvolumens verteilt. Die Stärken der Ströme werden mit demselben Verfahren ermittelt wie oben für die vierstromige Ausführungsform beschrieben, und sind in 7 dargestellt. Die Stromverteilung ergibt ein Gradientenmagnetfeld, wie durch die graphische Darstellung von 8 gezeigt. Diese Darstellung hat dieselbe Form wie 6 und, wie gezeigt, liefert die Verwendung von acht Leitern eine etwas bessere Linearität als die Verwendung von vier Leitern. Jedoch ist die Ausführungsform mit vier Leitern ausreichend linear für die meisten Zwecke und wird aufgrund ihrer einfachen Konstruktion bevorzugt. Der Fachmann wird erkennen, dass jegliche Anzahl an Leitern, die ein Vielfaches von vier ist, verwendet werden kann.
Da die relativen Ströme in den leitenden Abschnitten den gewünschten Gradienten über der Probe bereitstellen, ist es dem Fachmann klar, dass die spezifischen angelegten Ströme nicht unbedingt Gleichströme sein müssen, solange die relativen Größen der Ströme der unterschiedlichen Abschnitte gleich bleiben.
Somit könnten auch Wechselströme verwendet werden, solange die Ströme in den unterschiedlichen Abschnitten sich proportional ändern und phasengleich miteinander sind. Jedoch sind bei der hier gelehrten bevorzugten Ausführungsform Gleichströme bevorzugt.
Obwohl nur wenige anschauliche Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung in der obigen Erörterung offenbart wurden, ergeben sich für den Fachmann andere Modifikationen und Verbesserungen, welche in den folgenden Ansprüchen enthalten sind. Jegliche Stromverteilung, die die Symmetrie der oben beschriebenen kontinuierlichen Stromverteilung beibehält, erzeugt z. B. das gewünschte Gradientenfeld unter dem magischen Winkel.
Ein Gradientenmagnetfeldgenerator ist vorgesehen, um ein räumlich variierendes Gradientenmagnetfeld zur Verwendung mit einer Kernspinresonanz-Spektroskopiesonde mit einem drehbaren Probenbehälter zu erzeugen. Der Gradientenfeldgenerator hat eine Vielzahl von geradlinigen leitenden Segmenten, die parallel zueinander und senkrecht zu einer Ebene sind, in welcher eine Rotationsachse liegt, um welche sich der Probenbehälter dreht. Die geradlinigen leitenden Segmente leiten jeweils einen Strom, welcher eine Komponente des gesamten Gradientenmagnetfeldes erzeugt. Die leitenden Segmente liegen vorzugsweise in einer zylindrischen Verteilung um einen Stator, in welchem der Probenbehälter sich dreht. Die geeigneten Ströme für die leitenden Segmente können bestimmt werden, indem eine Lösung für die Jacobische Determinante gefunden wird, welche die Magnetfeldvariationen in dem dreidimensionalen Raum des Stators definiert. Das Finden einer entsprechenden Lösung wird vereinfacht, indem die zylindrische Verteilung der leitenden Segmente angenommen wird und eine Einschränkung aufgrund der Größe und Form des Stators und dem physikalischen Raum zwischen dem Stator und einer Innenfläche des Sondengehäuses zugelassen wird.

Claims

Kernspinresonanz-Spektroskopie mit Rotation unter dem magischen Winkel (= MAS magic angle spinning) zum Analysieren einer Probe, die in einem Probenbehälter enthalten ist, wobei die Vorrichtung aufweist: einen Generator für ein statisches Magnetfeld zum Erzeugen eines statischen Magnetfeldes, welches die Probe beeinflusst, wobei das statische Magnetfeld in z-Richtung ausgerichtet ist; und einen Stator zur Aufnahme des Probenbehälters und Ermöglichen einer Rotation des Probenbehälters in diesem um eine Rotationsachse mit einem Winkel relativ zur z-Richtung von im Wesentlichen θ_m = cos^–1 √1/3; gekennzeichnet durch einen Gradienten-Magnetfeld-Generator mit einer Vielzahl von geradlinigen, leitenden Abschnitten, die jeweils zu einem Gradientenfeld beitragen, wenn einer aus einer Vielzahl von entsprechenden, vorbestimmten Strömen durch dieses fließt, wobei die geradlinigen, leitenden Abschnitte parallel zueinander und senkrecht zu einer die Rotationsachse und die Hauptmagnetfeldrichtung enthaltenden Ebene sind, wobei die vorbestimmten Ströme ein Gradientenfeld erzeugen und die Feldstärke des Gradientenfelds in z-Richtung sich linear entlang der Rotationsachse ändert.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die vorbestimmten Ströme Gleichströme (DC) sind.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei die leitenden Abschnitte alle Teil eines einzigen Leiters sind.
Vorrichtung nach Anspruch 3, wobei der einzige Leiter um den Stator gewickelt ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die leitenden Abschnitte in einer zylindrischen Verteilung so angeordnet sind, dass sie im Wesentlichen parallel zu und in gleichen Abständen von einer Achse, die durch die Probe verläuft, angeordnet sind, wobei die Achse durch den Mittelpunkt des Probenvolumens verläuft und wobei eine normierte Größe jedes der vorbestimmten Ströme im Wesentlichen gleich cos 2(θ – 45° + θ_m/2) ist, wobei θ eine Winkelposition eines gegebenen leitenden Abschnitts relativ zur z-Richtung ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, welche weiterhin eine magnetische Abschirmung aufweist, die die leitenden Segmente umgibt.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die leitenden Abschnitte körperlich von dem Stator gestützt sind und der Stator weiterhin eine Auswurföffnung aufweist, durch welche der Probenbehälter von dem Stator ausgeworfen werden kann, wobei die leitenden Abschnitte so angeordnet sind, dass sie den Auswurf des Probenbehälters durch die Probenöffnung nicht blockieren.
Vorrichtung nach Anspruch 7, wobei der vorbestimmte Strom durch jeden der leitenden Abschnitte nicht mit der Rotation der Probe synchronisiert ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die leitenden Abschnitte zwei leitende Abschnitte umfassen, die jeweils einen Strom von i₁ haben und entlang der zylindrischen Verteilung bei θ ≈ 17,65° bzw. θ ≈ 197,65° angeordnet sind, und zwei leitende Abschnitte, die jeweils einen Strom von –i₁ haben und entlang der zylindrischen Verteilung bei θ ≈ 107,65° bzw. θ ≈ 287,65° angeordnet sind.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die leitenden Abschnitte aufweisen: zwei leitende Abschnitte, die jeweils einen Strom von (√2/3)i₂ haben und entlang der zylindrischen Verteilung bei θ ≈ 0° bzw. θ ≈ 180° angeordnet sind; zwei leitende Abschnitte, die jeweils einen Strom von (–√2/3)i₂ haben und entlang der zylindrischen Verteilung bei θ ≈ –90° bzw. θ ≈ 90° angeordnet sind; zwei leitende Abschnitte, die jeweils einen Strom von (√1/3)i₂ haben und entlang der zylindrischen Verteilung bei θ ≈ –45° bzw. θ ≈ 135° angeordnet sind; und zwei leitende Abschnitte, die jeweils einen Strom von (–√1/3)i₂ haben und entlang der zylindrischen Verteilung bei θ ≈ 45° bzw. θ ≈ –135° angeordnet sind.
Verfahren zum Durchführen einer Kernspinresonanz-Spektroskopieanalyse mit Rotation unter dem magischen Winkel (= MAS magic angle spinning) einer Probe in einem drehbaren Probenbehälter, wobei das Verfahren aufweist: Anordnen des Probenbehälters in einem Stator; Anlegen eines statischen Magnetfeldes, welches die Probe beeinflusst, wobei das statische Magnetfeld in z-Richtung ausgerichtet ist; und Drehen des Probenbehälters um eine Rotationsachse mit einem Winkel relativ zur z-Richtung von im Wesentlichen θ_m = cos^–1 √1/3; gekennzeichnet durch Anlegen eines Gradienten-Magnetfelds mit einem Gradienten-Magnetfeld-Generator, der eine Vielzahl von geradlinigen, leitenden Abschnitten aufweist, die jeweils zum Gradientenfeld beitragen, wenn einer aus einer Vielzahl von entsprechenden vorbestimmten Strömen durch dieses hindurchfließt, wobei die geradlinigen, leitenden Abschnitte zueinander parallel und senkrecht zu einer die Rotationsachse enthaltenden Ebene sind, wobei die vorbestimmten Ströme ein Gradientenfeld erzeugen, wobei die Feldstärke des Gradientenfelds in z-Richtung sich linear entlang der Rotationsachse ändert.
Verfahren nach Anspruch 11, wobei die vorbestimmten Ströme Gleichströme (DC) sind.
Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 12, das weiterhin aufweist: Anordnen der leitenden Abschnitte in einer zylindrischen Verteilung im Wesentlichen parallel zu und im gleichen Abstand von einer Achse, die durch die Probe verläuft, wobei die Achse durch das Zentrum des Probenvolumens verläuft, und wobei eine normierte Größe jedes der vorbestimmten Ströme im Wesentlichen gleich cos 2(θ – 45° + θ_m/2) ist, wobei θ eine5 Winkelposition eines gegebenen leitenden Abschnitts relativ zur z-Richtung ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 13, das weiterhin das Bereitstellen der leitenden Abschnitte aufweist, so dass diese jeweils Teil eines einzigen Leiters sind, welcher um den Stator gewickelt ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 14, das weiterhin aufweist: Ausstatten des Stators mit einer Auswurföffnung zum Auswerfen des Probenbehälters und zur körperlichen Unterstützung der leitenden Abschnitte mit dem Stator, wobei die leitenden Abschnitte so angeordnet sind, dass sie den Auswurf des Probenbehälters durch die Auswurföffnung nicht blockieren.
Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 15, das weiterhin aufweist, dass die leitenden Segmente mit einer magnetischen Abschirmung umgeben sind.