ES2242378T3 - Analisis industrial en linea por espectroscopia por resonancia magnetica nuclear. - Google Patents

Abstract

Un método de espectroscopia por resonancia magnética nuclear incluyendo los pasos de: transportar un objeto (2) a analizar a través de un módulo RNM (4) a una velocidad predeterminada, v; generar, dentro del módulo RNM (4), un campo magnético temporalmente constante B0 sustancialmente paralelo a la dirección de la velocidad, v, y de carácter espacial conocido; generar, dentro del módulo RNM (4), un campo de radiofrecuencia pulsado B1 transversal al campo B0 usando una bobina (20) que tiene geometría cilíndrica cuyo eje de cilindro está alineado a lo largo de la dirección de velocidad, utilizando una primera serie de bucles (22) en dicha bobina (21) en la que el plano de cada bucle se bascula con respecto al eje de cilindro para generar un campo con un componente perpendicular al eje de cilindro, y usando una segunda serie de bucles (23) en dicha bobina que generan un campo que elimina sustancialmente el componente longitudinal del campo RF generado por dicha primera serie de bucles; proporcionar una longitud continua suficiente, en la dirección de v, de dicha bobina RF (20) dentro de dicho módulo RNM según la velocidad v de objetos que pasan a su través y el tiempo de adquisición de datos requerido, para permitir el paso de detectar señales de resonancia magnética nuclear ponderadas con al menos un parámetro de resonancia magnética nuclear seleccionado de dicho objeto mientras dicho objeto se está moviendo a dicha velocidad predeterminada; y generar un espectro resuelto por desplazamiento químico del objeto transportado dentro del módulo RNM.

Description

Análisis industrial en línea por espectroscopia por resonancia magnética nuclear.

La presente invención se refiere a fenómenos de resonancia magnética nuclear y en particular a su uso en análisis espectroscópico.

El análisis en línea de la composición química de muestras que experimentan movimiento traslacional continuo, por ejemplo a través de tubos o en cintas transportadoras, es importante en las industrias alimentaria, química y farmacéutica. Hasta la fecha, se utilizan varios métodos espectroscópicos y físicos para análisis composicional en línea, incluyendo espectroscopia del infrarrojo cercano (NIR), sensores de microondas y ultrasonido.

Sin embargo, la Resonancia Magnética Nuclear (RNM) no ha sido explotada hasta ahora en dicho modo en línea en objetos continuamente móviles, a pesar de su función analítica consolidada en el laboratorio analítico fuera de línea. Una posible excepción a esta afirmación es su uso en el análisis en línea de líquidos y pastas que fluyen lentamente (C. Tellier y F. Mariette, Online applications in Food Science, Annual Reports in NMR spectroscopy, Vol. 31, 1995, 105-122).

Sin embargo, tales aplicaciones usan metodología y equipo físico RNM convencional y, por lo tanto, la velocidad del fluido está limitada por el volumen limitado sobre el que el campo magnético y/o el campo de radiofrecuencia son homogéneos.

Otra aplicación analítica en línea previa es en el análisis de polvos por RNM (C. I. Nicholls y A. De Los Santos, Hydrogen transient NMR for industrial moisture sensing, Drying Technology, vol 9, 1991, 849-873). Pero ésta se basa en sacar una muestra de polvo (por ejemplo con un conjunto de pistón) para análisis mientras está fija, usando métodos RNM convencionales. Hay varias razones del fallo en explotar la RNM de forma general para análisis en línea de muestras continuamente móviles.

En primer lugar, la mayor parte de la información se obtiene en un espectro RNM cuando se resuelven bien los picos espectrales que surgen de diferentes especies moleculares. Entonces, el espectro es más fácil de interpretar y las zonas picos espectrales, que están relacionadas con el número de espines que contribuyen al pico, se pueden obtener de cada pico resuelto por integración simple. Esto ha significado que, en laboratorios analíticos fuera de línea, es preferible trabajar con campos magnéticos altos (es decir, intensos), puesto que la separación de picos aumenta con la intensidad de campo creciente. Por desgracia, crear altos campos magnéticos espacialmente uniformes (por ejemplo, por encima de las frecuencias de resonancia protónica de 100 MHz) requiere el uso de imanes superconductores. Estos imanes son muy caros y requieren el relleno regular con nitrógeno líquido y helio líquido y por lo tanto no son adecuados para explotación y uso rutinarios en la factoría. Si se utilizan campos magnéticos más bajos, tal como los disponibles con imanes permanentes robustos de bajo costo (con frecuencias de resonancia protónica inferiores a aproximadamente 20 MHz), los picos espectrales de diferentes especies moleculares no se resuelven generalmente en el espectro RNM, haciendo más complicado el análisis composicional del espectro. Probablemente ésta es una razón por la que todavía no se han explotado los espectros RNM de campo bajo para análisis composicional.

Otra razón de la lenta explotación de RNM convencional en un modo en línea es el requisito de la homogeneidad del campo, tanto en el campo magnético principal, B_{0}, como en el campo de radiofrecuencia, B_{1}. El equipo físico convencional para generar campos de radiofrecuencia espacialmente uniformes basados, por ejemplo, en bobinas Helmholtz, bobinas de desviación y bobinas de jaula, crea radiación de radiofrecuencia uniforme solamente sobre un volumen limitado. Por lo tanto, el espectro RNM de la muestra móvil debe ser adquirido mientras la muestra reside dentro de este volumen limitado. Esto limita severamente la velocidad de la muestra y significa que la mayor parte del análisis RNM se lleva a cabo en un modo de línea lateral donde la velocidad de la muestra está ralentizada, o en un modo fuera de línea en muestras estacionarias.

K Carr-Brion, "Radio and microwave frequency techniques for on-line analysis", Transactions of the Institute of Measurement and Control, Jan-Mar 1987, describe brevemente aplicaciones para análisis RNM en línea. US 5371464 describe un aparato para el análisis en línea de corrientes circulantes de líquidos y/o sólidos en la producción de alimentos. US 5363042 describe un espectrómetro de flujo con referencia a su figura 8. US 3693071 describe una técnica RNM para determinar octanajes de gasolinas. ZA 880732 y EP 0726458 describen técnicas RNM para la detección de diamantes. El último documento propone excitación por microondas ESR (resonancia de espín de electrones) y DNP (polarización nuclear dinámica) para acortar el tiempo de relajación longitudinal de núcleos de diamante 13C y magnetizarlos en pastel en rocas, de manera que se puedan analizar en un módulo RNM convencional cuando las rocas caen a su través en un cojín de aire en un flujo continuo. El documento no menciona específicamente el tipo de bobina rf usado.

Un objeto de la presente invención es proporcionar un método de obtener datos espectroscópicos de resonancia magnética y derivar datos de composición química a partir de ellos.

Otro objeto de la presente invención es proporcionar un aparato que pueda mantener campos (RF) homogéneos B_{0} y B_{1} en una longitud suficiente de avance de un objeto que experimenta movimiento traslacional para permitir la reco-
gida de datos espectroscópicos por resonancia nuclear magnética para determinar la composición química del objeto.

Según un aspecto, la presente invención proporciona un método de espectroscopia por resonancia magnética nuclear según la reivindicación 1.

Según otro aspecto, la presente invención proporciona un aparato para recoger datos espectroscópicos por resonancia nuclear magnética según la reivindicación 23.

Ahora se describirán realizaciones de la presente invención, a modo de ejemplo, y con referencia a los dibujos anexos en los que:

La figura 1 muestra un diagrama esquemático que representa principios de un aparato o módulo de resonancia magnética nuclear según la presente invención.

La figura 2 muestra un diagrama esquemático de una unidad generadora de campo RF ejemplar adecuada para ser utilizada en la presente invención.

La figura 3 muestra un diagrama esquemático de una unidad generadora de campo G_{X} ejemplar adecuada para ser utilizada en la presente invención.

La figura 4 muestra ejemplos de espectros protónicos pobremente resueltos para determinar la composición química según principios de la presente invención.

La figura 5 muestra una disposición para ponderar ecos mocionales con relajación T_{1} (campo bajo) según la presente invención.

La figura 6 muestra una simulación de la dirección de campo magnético y resistencia en función de coordenadas espaciales x y z para una unidad G_{X}.

La figura 7 muestra una simulación de la intensidad de campo magnético B_{Z} a lo largo del eje de un bucle de corriente en función de z, a x=0, para la unidad G_{X} de la figura 6.

La figura 8 muestra una simulación de la intensidad de campo magnético B_{Z} en el plano de un bucle de corriente en función de x, a z=0, para la unidad G_{X} de la figura 6.

La figura 9 muestra una simulación de la raíz cuadrada de intensidad de campo magnético B_{Z}-1 en el plano de un bucle de corriente en función de x, a z=0, para la unidad G_{X} de la figura 6.

Un diseño de bobina de radiofrecuencia que permite la creación de campos de radiofrecuencia uniformes sobre volúmenes extendidos permite realizar RNM en volúmenes espaciales mucho más grandes, y en particular sobre una longitud extendida de un recorrido de un objeto que experimenta movimiento traslacional. Esto permite usarla para análisis composicional RNM en línea.

Esta memoria descriptiva describe el desarrollo de un espectrómetro de resonancia nuclear magnética (RNM) en línea rápido, resistente y de bajo costo (y protocolos asociados) adecuado para adquirir espectros RNM de bajo campo, pobremente resueltos de muestras sólidas (es decir, no fluidas) que experimentan movimiento traslacional continuo, aunque el aparato también se puede utilizar para el análisis de muestras semisólidas, fluidas o en polvo que experimentan igualmente movimiento traslacional continuo. También muestra que, como NIR, un espectro RNM bien resuelto no es un requisito esencial para el análisis composicional de manera que se puede usar imanes permanentes (o electroimanes) de campo bajo, resistentes y de bajo costo. Además, explota una nueva bobina RF modificada, junto con un imán de forma cilíndrica y bajo costo, para ampliar el volumen sobre el que el campo es espacialmente uniforme eliminando por ello una restricción importante de la velocidad de la muestra.

Supongamos que un objeto a analizar está avanzando con una velocidad instantánea, v(t), que no tiene que ser constante. Entonces, en el tiempo mínimo que tarda en adquirir una señal RNM, AQ (tiempo de adquisición), avanza una distancia de al menos L_{min} dada por la integral

L_{min} = \int_{0}{}^{AQ} \ dt \ v(t)

Esto significa que, para que RNM convencional tenga éxito, el campo magnético B_{0} y el campo de radiofrecuencia B_{1} son preferiblemente espacialmente homogéneos sobre una distancia de al menos L_{min}. Esto limita severamente el rango de velocidades y tiempos de adquisición que se puede usar con protocolos RNM convencionales. La única característica geométrica del aparato de la presente invención como se describe más adelante, para generar B_{0}, y el campo de radiofrecuencia B_{1}, es que ambos son cilindros cuya longitud se puede extender indefinidamente, al menos en principio. Por lo tanto, pueden crear campos B_{0} y B_{1} espacialmente homogéneos sobre cualquier longitud deseada, quitando por ello las limitaciones de acercamientos anteriores.

Suponemos que los objetos a analizar bajan por un tubo de cinta transportadora, tubo neumático, correa u otros medios adecuados, mostrados esquemáticamente en la figura 1 como cinta transportadora 1. La cinta transportadora 1 y todos los objetos 2 situados en ella se mueven preferiblemente con una velocidad constante v.

El equipo físico necesario para obtener un espectro RNM consta de unidades de forma cilíndrica separadas que encierran la cinta transportadora 1 y que se pueden colocar en varias posiciones a lo largo de la cinta transportadora. La cinta transportadora que transporta los objetos, avanza después por el eje central de las unidades cilíndricas. La naturaleza modular del equipo físico garantiza mayor adaptabilidad a una pluralidad de aplicaciones.

Dado que los objetos a analizar avanzan con velocidad v y tardan un tiempo finito de AQ en adquirir la(s) señal(es) RNM, es necesario que el campo B_{0} y el campo de radiofrecuencia B_{1} sean espacialmente homogéneos en una distancia de al menos vxAQ, a lo largo de la cinta transportadora. Según la realización preferida ilustrada, todos los dispositivos del equipo físico descritos más adelante para generar el campo B_{0} y el campo de radiofrecuencia B_{1} son de forma cilíndrica con longitudes que se pueden extender indefinidamente, al menos en principio. Esto los distingue de los dispositivos RNM convencionales, tal como imanes en forma de U, bobinas Helmholtz de radiofrecuencia, bobinas de jaula, etc, que crearían campos homogéneos solamente en una distancia limitada a lo largo de la cinta transportadora.

La unidad polarizadora

Se ilustra en la figura 1. Consideramos un objeto 2 que se mueve con velocidad, v(t). El primer paso al obtener una imagen del objeto es inducir magnetización longitudinal dentro de él mediante aplicación de un campo magnético externo constante. Esto se realiza en una unidad que hemos llamado el polarizador 3. Si el objeto tiene un T_{1} corto, el polarizador 3 consta de un solo imán permanente, recto, hueco, cilíndrico de longitud L, o un electroimán de bobina de solenoide de longitud L. El objeto se mueve en la cinta transportadora 1 por el eje central dentro del polarizador cilíndrico. El tiempo que pasa dentro del polarizador es L/v y para polarización al 100% éste deberá ser al menos 5T_{1}. Sin embargo, la polarización a 100% no es un requisito esencial del analizador en línea y se puede considerar grados de polarización más bajos. Si T_{1} es largo (varios segundos), L puede ser inviablemente grande, en cuyo caso se puede disponer una serie de solenoides o imanes permanentes, por ejemplo, en una disposición espiral y pasar la cinta transportadora a lo largo del espiral.

Una vez que el objeto está suficientemente polarizado, pasa con velocidad v al módulo detector que crea y detecta una señal RNM del objeto móvil.

El módulo detector

Dependiendo de la aplicación, el módulo detector 4 consta de dos unidades físicas diferentes. Éstas se denominan la unidad B_{0} y la unidad RF.

La unidad B_{0}

Ésta se ilustra en la figura 1. El objeto polarizado 2 que emerge del polarizador 3 en la cinta transportadora 1 pasa a un campo magnético constante espacialmente uniforme B_{0} dentro del módulo detector 4. Como la unidad polarizadora 3, el campo B_{0} del módulo detector 4 se puede crear por un imán permanente cilíndrico hueco o por un electroimán de solenoide cilíndrico hueco, llamado, por razones de conveniencia, la unidad B_{0}.

La cinta transportadora que transporta la muestra polarizada baja después por el medio del cilindro en una dirección paralela al eje de cilindro, y preferiblemente, a lo largo del eje de cilindro. La dirección de la magnetización longitudinal polarizada en la muestra que sale del polarizador, deberá estar en la misma dirección que B_{0} en la unidad B_{0}. El imán puede ser de cualquier longitud deseada a condición de que el campo B_{0} en cualquier lugar en el objeto sea espacialmente uniforme. Si el objeto T_{1} es suficientemente corto, el polarizador y las unidades B_{0} se pueden combinar en una sola unidad continua. Esto es importante para objetos fluidos para garantizar que la magnetización sea paralela a B_{0}.

La unidad RF

Ésta se ilustra en la figura 2. El campo de radiofrecuencia en resonancia, B_{1}, que debe ser transversal a B_{0}, se puede generar por una bobina en forma de solenoide de radiofrecuencia, cilíndrica, de diseño especial, que denominaremos la "unidad RF". Preferiblemente, ésta también hace de una bobina receptora y se describe completamente en la referencia "A solenoid-like coil producing transversal radiofrequency fields for MR imaging" por E. K. Jeong, D. H. Kim, M. J. Kim, S. H. Lee, J. S. Suh y Y. K. Kwong en J. Magn. Reson. 127 (1997) 73-79, Artículo número MN971172.

La unidad RF 20 aquí descrita incluye un par de bobinas cilíndricas: una primera bobina exterior 21 que tiene el plano de cada bucle 22 basculado con respecto al eje de cilindro (z) para generar un campo RF con una componente perpendicular al eje de cilindro. Una segunda bobina interior 23 hace de una bobina de corriente parásita que elimina la componente longitudinal del campo RF, dejando un campo RF totalmente perpendicular al eje de cilindro.

Una característica especial de este dispositivo es la generación de un campo de radiofrecuencia uniforme en una distancia z larga. Esto lo distingue de generadores RF más convencionales tal como la bobina de desviación estándar, jaula o resonador de cavidad. La bobina de unidad RF en forma de solenoide 20a supera esta limitación y se puede situar fácilmente dentro y concéntrica con la bobina de solenoide de la unidad B_{0} o imán permanente. La unidad RF 20 está en interface con equipo electrónico y ordenadores convencionales para el control, adquisición y tratamiento de la información.

La unidad G_{X}

Ésta se ilustra esquemáticamente en la figura 3. Donde se requiere espectroscopia en línea ponderada por difusión, se puede usar un tercer tipo opcional de unidad física que incluye una sola bobina de campo magnético 40 que rodea la unidad B_{0} 41. La unidad G_{X} crea un gradiente magnético constante, espacialmente localizado, no uniforme G_{X} transversal a B_{0}. La bobina se bobina alrededor del gradiente de la unidad de solenoide RF en una sola posición. Los campos magnéticos generados por la bobina 40 se simulan en las figuras 6 a 9.

Disparar una secuencia de pulsos RNM

Con referencia adicional a la figura 1, esto se puede hacer electrónicamente haciendo que el objeto a analizar corte un haz láser o infrarrojo que atraviesa la cinta transportadora 1 cuando el objeto 2 entre en la unidad detectora 4. Esto lo realiza una fuente de luz convencional adecuada 5 y una unidad receptora 6 acoplada a un circuito de control 7. Un retardo electrónico puede disparar entonces una secuencia apropiada de pulsos según requiera el método de análisis usado. Si se utilizan dos haces láser espaciados a lo largo de la cinta transportadora, la velocidad v del objeto también se puede medir y usar para calcular automáticamente el tiempo de pulsos de radiofrecuencia.

Protocolos de análisis en línea A) El dominio de frecuencia: espectroscopia RNM en línea

La simple combinación del polarizador, unidades B_{0} y RF permite adquirir una decadencia de inducción libre (FID), eco de espín o eco estimulado "al vuelo" de una muestra móvil. Por lo tanto, una simple transformada de Fourier de la FID, eco de espín o eco estimulado creará un espectro resuelto por desplazamiento químico de la muestra móvil. A bajas intensidades de campo B_{0} y/o con muestras que tienen tiempos de relajación transversales cortos, la resolución espectral puede no ser suficiente para resolver todos los picos espectrales de diferentes constituyentes químicos en la muestra. En este caso hay varios protocolos que se pueden usar para analizar la composición química de la muestra móvil:

1) Métodos de calibración

La dependencia de la intensidad espectral a varias frecuencias en composición química se puede usar, con análisis multivariante, para determinar la composición del objeto móvil. Ya se usa comercialmente un procedimiento análogo en sensores RNM en línea NIR (Infrarrojo cercano). El Apéndice 2 esboza una metodología ejemplar.

Un ejemplo de un espectro protónico pobremente resuelto se representa en la figura 4. Los espectros corresponden a tres muestras de ratón diferentes de contenido variable de grasa y almidón. No se pueden resolver picos separados de grasa, agua y protones de almidón, pero aparecen como salientes en el espectro. Por análisis multivariante de las intensidades a tres (o más) frecuencias espectrales (preferiblemente correspondientes al pico máximo de cada componente) es posible crear una curva de calibrado que permite deducir la composición del espectro.

2) Métodos de ponderación espectral

Los diferentes constituyentes químicos en el objeto pueden distinguirse frecuentemente no sólo por diferencias de sus desplazamientos químicos sino también por diferencias de otras propiedades RNM intrínsecas. Estas propiedades RNM incluyen, por ejemplo los tiempos de relajación T_{2}*, T_{2}, T_{1}, T_{1p}, velocidades de transferencia de magnetización o el coeficiente de autodifusión, D. Los protocolos siguientes describen cómo se puede usar FIDs y/o ecos de espín o ecos estimulados para crear espectros ponderados por cada uno de estos parámetros. El método de calibración antes descrito se puede utilizar después con los espectros ponderados por parámetro.

Espectroscopia de eco de espín ponderada por T_{2}

Se puede realizar espectroscopia ponderada por T_{2} usando ecos de espín creados por pulsos duros de 180º con una secuencia de pulsos estándar de eco Hahn o CPMG (Carr Purcell Meiboom Gill) aplicada al objeto móvil. La espectroscopia ponderada por T_{2} es importante porque los diferentes constituyentes químicos en unos alimentos suelen tener diferentes tiempos de relajación transversales intrínsecos. Por lo tanto, los espectros de adquisición con diferente ponderación por T_{2} permiten distinguir diferentes constituyentes.

Ponderación T_{2}* en un espectro

En algunas muestras, la señal se atenúa a una tasa más rápida que la producida por simple relajación transversal (T_{2}). Esto se produce por inhomogeneidades de campo locales y da origen a relajación con una constante de tiempo, T_{2}*. Una FID creada por un solo pulso de 90º se pondera por el tiempo de relajación T_{2}*, de manera que el espectro obtenido procesando la FID será ponderado por T_{2}*.

Ponderación T_{1} en el espectro

Hay varias formas posibles de introducir ponderación T_{1} en los espectros. La más simple es utilizar la secuencia de recuperación de inversión por la que la magnetización polarizada, M(0), se invierte por un pulso duro de 180º y puede recuperar durante un tiempo fijo, T_{1}, ajustado para cada aplicación. Después del retardo de tiempo T_{1}, se crea una FID por un pulso duro de 90º en la unidad RF. Una secuencia de pulsos alternativa que tiene la ventaja de permitir obtener y comparar dos espectros, uno con ponderación T_{1} y el otro sin ella, implica la secuencia de pulsos de eco estimulado.

Ponderación T_{1} (campo bajo) en el espectro

Entre la unidad polarizadora 3 y el módulo detector 4, los objetos 2 que se analizan contienen magnetización longitudinal que se relaja en el campo magnético de la tierra. Variando la duración del tiempo pasado entre el polarizador 3 y el módulo detector 4, se puede introducir varias cantidades de relajación T_{1} (campo bajo). Se representa un dispositivo adecuado en la figura 5. Como se representa, el grado de magnetización residual en el tiempo t viene dado por la expresión M_{Z}(t) = M(0) exp[-t/T_{1}(\omega = 0)], donde M(0) es la magnetización inicial inducida por la unidad polarizadora 3. El tiempo t entre el objeto que sale de la unidad polarizadora 3 y que llega al módulo detector 4 se determina, naturalmente, por la longitud L = vT.

Ponderación de difusión en el espectro

Se puede crear ponderación de difusión, explícitamente, usando dos o más unidades G_{X}. Cada unidad G_{X} crea un gradiente constante, localizado, no uniforme G a través del eje de solenoide y transversal al campo B_{0}. El movimiento del objeto mediante estos gradientes estáticos G_{X} es equivalente a imponer gradientes de campo variables en el tiempo (pulsados). Las secuencias de pulsos de eco estimulado o eco de espín de gradiente pulsado estándar se pueden utilizar después para ponderar el espectro, que se obtiene sometiendo a transformada de Fourier el eco de espín o eco estimulado.

3) Análisis composicional en línea en un objeto móvil por espectroscopia de diferencia usando ecos de espín y/o estimulados

En algunas aplicaciones la adquisición de un solo espectro ponderado por parámetro es insuficiente para determinar la composición química. En tales casos puede ser necesario tomar la diferencia entre un espectro (llamado el primer espectro) adquirido con una ponderación de atenuación que no es sensible a la presencia de un componente particular, y un segundo espectro ponderado con un parámetro (tal como T_{2}*, T_{2}, T_{1}, o D) que es más sensible a la presencia del componente químico. La toma adecuada de diferencias de procesado entre los espectros primero y segundo se puede utilizar después para determinar la cantidad del componente en el alimento.

El primer espectro se puede calcular a partir de la FID generada por el primer pulso de 90º en las secuencias de pulsos enumeradas anteriormente. El segundo espectro se puede calcular a partir de uno (o más) ecos de espín o ecos estimulados generados después.

El protocolo de diferencia se puede combinar, si es necesario, con software de registro de espectro y/o software de procesado de señal, tal como filtración Wiener. Todas estas operaciones se pueden realizar en el menor tiempo posible usando un ordenador rápido, tal como un PC a 233 MHz.

B) El dominio de tiempo

En algunas aplicaciones, no hay que someter a transformada de Fourier la señal de dominio de tiempo. Por ejemplo, se puede determinar relaciones sólido/líquido convencionales a partir de la decadencia de inducción libre en el dominio de tiempo. Igualmente, también es posible una determinación en línea de la distribución del tamaño de gotitas en emulsión del eco estimulado ponderado por difusión. Estos protocolos son técnicas estándar en análisis RNM fuera de línea, pero se ha reconocido que también se pueden aplicar en el modo en línea con el equipo físico descrito previamente.

La presente invención se ha descrito hasta ahora con referencia a realizaciones específicas. Se entenderá, sin embargo, que se puede realizar en ella varias modificaciones. Por ejemplo, aunque la realización preferida requiere que un objeto esté experimentando un movimiento traslacional continuo, uniforme, de hecho el objeto puede estar experimentando cualquier velocidad no cero o aceleración finita.

Esto tiene especial significado donde los objetos a analizar caen del final de una cinta transportadora, por ejemplo. En esa situación, el movimiento de un objeto se puede caracterizar exactamente donde está experimentando aceleración continua. La llegada del objeto al sistema RNM y/o la determinación de su movimiento traslacional se pueden determinar por haces ópticos, como se ha explicado anteriormente.

Ejemplos específicos

Ahora se exponen varios ejemplos de aplicaciones comerciales del espectrómetro en línea RNM descrito anteriormente. Esta lista es puramente ilustrativa y dista mucho de ser exhaustiva.

Ejemplo 1 Análisis de relaciones grasa/agua

A una frecuencia de resonancia protónica de 20 MHz, un desplazamiento químico de 3 ppm (correspondiente, aproximadamente, a la diferencia de desplazamiento químico entre protones CH de lípidos y agua) es equivalente a 60 Hz, de modo que, a condición de que el campo B_{0} sea suficientemente homogéneo para dar anchuras de línea de menos de 60 Hz, los picos de grasa y agua separados se resuelven normalmente. Aunque no son resolvibles, las señales de grasa y agua se pueden eliminar frecuentemente por el método T_{1}-nulo usando la secuencia de recuperación de inversión o mediante el uso de ponderación T_{2} creada con un eco de Hahn y una espaciación de pulsos elegida para reducir o eliminar uno u otro de los componentes químicos. La intensidad de señal se puede utilizar después como un monitor en línea de la relación grasa/agua.

Ejemplo 2

Supervisión en línea de la composición de proteínas/polisacáridos/agua/azúcar/lípidos de materiales alimenticios.

Ejemplo 3

Detección en línea del grado de madurez de fruta, especialmente si la maduración está asociada con cambios de la composición química, tales como el mayor contenido de azúcar (dulzura) y el reducido contenido de almidón (ablandamiento de la textura).

Ejemplo 4

Supervisión en línea de los tamaños de partícula en polvos. Los diferentes tamaños de partícula están asociados con diferentes gradientes de susceptibilidad y por lo tanto diferentes valores T_{2}*. Esto produce diferente ensanchamiento espectral.

Ejemplo 5

Supervisión en línea de la composición de mezclas químicas fluidas en las industrias química y farmacéutica.

Ejemplo 6

Mediciones en línea de relaciones sólido/líquido a partir de la decadencia de inducción libre.

Ejemplo 7

Mediciones en línea del tamaño de las distribuciones de gotitas en emulsiones.

Apéndice 1

Cálculo de los gradientes de campo creados por un solo bucle de corriente (la unidad G_{X})

Se ha escrito un programa MATLAB para calcular el campo magnético debido a un bucle de corriente circular o bobina centrada en el origen en el plano xy. Incluye la "unidad G_{X}". Los resultados se muestran en las figuras 6 a 9. Obsérvese los gradientes G_{X} y G_{Z} no lineales creados por esta unidad.

Apéndice 2

Metodología ejemplar para análisis composicional usando un espectro RNM en línea pobremente resuelto

Aquí mostramos cómo es posible, en principio, analizar una mezcla de especies químicas usando un espectro RNM de campo bajo en línea pobremente resuelto tal como el ilustrado en la figura 4.

1. Considérese una mezcla de N especies químicas, marcándose cada especie por el subíndice, i, de tal manera que i = 1, 2... N.

2. Supóngase que cada especie química se caracteriza por un espectro RNM, Ii(\omega), donde \omega es la frecuencia de observación RNM. I_{i}(\omega) se puede medir para cada especie química pura en el espectrómetro en línea RNM descrito en esta patente. I_{i}(\omega) sería típicamente una forma de línea espectral Lorentziana o Gaussiana, pero éste no es un supuesto necesario.

3. Supongamos además, para simplicidad ilustrativa, que la forma funcional de Ii(\omega) no depende de presencia de otra especie, j, ni la misma que i. En otros términos, suponemos la simple acitividad de espectros de componentes en la mezcla.

4. El espectro RNM general, S(\omega), observado para una mezcla de especies N es entonces la suma simple de los espectros de componentes:

S(\omega) = \sum _{i} \ x_{i} \ I_{i}(\omega)

\hskip1.5cm

i = 1, \ 2 \ ... \ N,

\hskip1.5cm

\varepsilon \sum_{i} \ x_{i} = 1.

Para analizar la composición de la mezcla, x_{1}, x_{2},... x_{N}, necesitamos medir solamente S(\omega) a N frecuencias diferentes, \omega_{j} para j = 1, 2... N. Entonces

S(\omega _{j}) = \sum _{i} \ x_{i} \ I_{i}(\omega _{j})

Esto puede escribirse en forma de matriz:

S = I.x donde I_{ij} es el elemento de matriz, I_{j}(\omega_{j}))

La composición de la mezcla se obtiene entonces por simple solución de matriz:

x = \Gamma^{1} \cdot s

Esto muestra que para analizar la composición de la mezcla de un espectro RNM pobremente resuelto solamente es necesario medir los coeficientes intrínsecos I_{ij}. Esto se puede hacer midiendo el espectro, I_{i}(\omega), para una cantidad conocida de cada especie pura, i, bajo idénticas condiciones del espectrómetro RNM.

El supuesto de simple aditividad se puede quitar a costa de una complejidad incrementada, y requiere calibración adicional de mezclas interactuantes. Un método analítico típico donde hay no aditividad sería el de Principle Component Analysis descrito, por ejemplo, en el libro "Factor Analysis in Chemistry", 2ª Edición, John Wiley and Sons, por E.R. Malinowski.

Claims (25)

1. Un método de espectroscopia por resonancia magnética nuclear incluyendo los pasos de:

transportar un objeto (2) a analizar a través de un módulo RNM (4) a una velocidad predeterminada, v;

generar, dentro del módulo RNM (4), un campo magnético temporalmente constante B_{0} sustancialmente paralelo a la dirección de la velocidad, v, y de carácter espacial conocido;

generar, dentro del módulo RNM (4), un campo de radiofrecuencia pulsado B_{1} transversal al campo B_{0} usando una bobina (20) que tiene geometría cilíndrica cuyo eje de cilindro está alineado a lo largo de la dirección de velocidad, utilizando una primera serie de bucles (22) en dicha bobina (21) en la que el plano de cada bucle se bascula con respecto al eje de cilindro para generar un campo con un componente perpendicular al eje de cilindro, y usando una segunda serie de bucles (23) en dicha bobina que generan un campo que elimina sustancialmente el componente longitudinal del campo RF generado por dicha primera serie de bucles;

proporcionar una longitud continua suficiente, en la dirección de v, de dicha bobina RF (20) dentro de dicho módulo RNM según la velocidad v de objetos que pasan a su través y el tiempo de adquisición de datos requerido, para permitir el paso de detectar señales de resonancia magnética nuclear ponderadas con al menos un parámetro de resonancia magnética nuclear seleccionado de dicho objeto mientras dicho objeto se está moviendo a dicha velocidad predeterminada; y

generar un espectro resuelto por desplazamiento químico del objeto transportado dentro del módulo RNM.

2. El método según la reivindicación 1, donde dicho paso de detección incluye detectar una señal de desintegración de inducción libre del objeto que pasa por el módulo RNM.

3. El método según la reivindicación 1, donde dicho paso de detección incluye detectar un eco de espín o eco estimulado del objeto que pasa por el módulo RNM.

4. El método según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3 en el que el campo magnético constante B_{0} de carácter espacial conocido es sustancialmente espacialmente uniforme.

5. El método según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3 incluyendo además el paso de proporcionar dichos campos B_{0} y B_{1} como campos espacialmente homogéneos sobre una longitud de módulo, en la dirección de v, de al menos L_{min} = \int_{0}^{AQ} dt v(t), donde AQ es el tiempo de adquisición de datos requerido para determinar las mediciones de resonancia magnética y v(t) es la velocidad instantánea.

6. El método según la reivindicación 1, donde el paso de generar el pulso de campo de radiofrecuencia B_{1} incluye el paso de disparar un primer pulso con referencia a la llegada del objeto en el módulo.

7. El método según la reivindicación 6 incluyendo además el paso de determinar el tiempo de sucesivos pulsos RF B_{1} según una determinación en tiempo real de la velocidad del objeto v.

8. El método según la reivindicación 1 incluyendo además el paso de inducir una magnetización longitudinal en el objeto paralela o antiparalela a su dirección de movimiento antes de su entrada al módulo RNM.

9. El método según la reivindicación 8, en el que el paso de inducir magnetización longitudinal en el objeto incluye el paso de pasar el objeto a través de un módulo polarizante (3), durante un período de tiempo predeterminado, proporcionando el módulo polarizante un campo magnético paralelo a la dirección de movimiento del objeto.

10. El método según la reivindicación 9, en el que el período de tiempo predeterminado es al menos 5 x T_{1}, donde T_{1} es el tiempo de relajación longitudinal.

11. El método según la reivindicación 1 incluyendo además el paso de evitar sustancialmente el movimiento rotativo del objeto.

12. El método según la reivindicación 1 incluyendo además el paso de evitar sustancialmente el movimiento del objeto en cualquier dirección transversal a la velocidad predeterminada, v.

13. El método según la reivindicación 1, en el que el objeto es un elemento de un fluido que es transportado a través del módulo RNM (4).

14. El método según la reivindicación 1, en el que el paso de generar un espectroresuelto por desplazamiento químico incluye el paso de realizar una transformada de Fourier en una señal de desintegración de inducción libre, una señal de eco de espín o una señal de eco estimulado.

15. El método según la reivindicación 1 incluyendo además el paso de generar dicho espectro químico del objeto transportado a partir de una señal de desintegración de inducción libre adquirida, y ponderar dicho espectro con otro parámetro de resonancia magnética nuclear.

16. El método según la reivindicación 15, donde dicho parámetro adicional es uno o más de T_{2}*, T_{2}, T_{1}, T_{1p}, D, o velocidad de transferencia de magnetización, donde T_{2}* es el tiempo de desfase de espín transversal; T_{2} es el tiempo de relajación transversal; T_{1} es el tiempo de relajación longitudinal; y D es el coeficiente de autodifusión.

17. El método de la reivindicación 16, donde dicho parámetro adicional es T_{1} y donde dicho paso de generación de pulso RF incluye inversión de la magnetización polarizada del objeto por dicho campo B_{0} por un pulso duro de 180º seguido de recuperación durante un tiempo predeterminado, T_{1}, antes de dicho pulso RF transversal.

18. El método de la reivindicación 9 incluyendo además el paso de generar dicho espectro químico del objeto transportado a partir de una señal de desintegración de inducción libre adquirida, y ponderar dicha señal con otro parámetro de resonancia magnética nuclear, T_{1}, y donde se introduce una cantidad predeterminada de relajación T_{1} variando un retardo de tiempo entre el objeto transportado que sale de dicho módulo polarizador y que entra en dicho módulo RNM.

19. El método de la reivindicación 16, donde dicho parámetro adicional es D, incluyendo además el paso de generar, dentro del módulo RNM, un gradiente de campo magnético no uniforme, espacialmente localizado G_{X} sustancialmente transversal a B_{0}.

20. El método de la reivindicación 16, donde dicho parámetro adicional es T_{2}, donde dicho paso de generación de pulso RF incluye generar una serie de pulsos duros de 180º en un eco de Hahn, o secuencia de pulsos Carr Purcell Meiboom Gill.

21. El método de la reivindicación 16, donde dicho parámetro adicional es T_{2}*, donde dicho paso de generación de pulso RF incluye un pulso único de 90º.

22. El método de la reivindicación 1 incluyendo además el paso de transportar una serie de objetos discretos a analizar a través de dicho módulo RNM a intervalos predeterminados.

23. Aparato para recoger datos espectroscópicos por resonancia nuclear magnética incluyendo:

unos primeros medios generadores de campo (4) para generar un campo magnético temporalmente constante B_{0} de carácter espacial conocido en un volumen de módulo RNM que tiene una longitud predeterminada a lo largo de su eje longitudinal, siendo el campo B_{0} paralelo a dicho eje longitudinal;

unos segundos medios generadores de campo (20) para generar, dentro del volumen de módulo RNM, pulsos de campo de radiofrecuencia B_{1} transversales al campo B_{0}, incluyendo los segundos medios generadores de campo una bobina que tiene geometría cilíndrica cuyo eje de cilindro se alinea a lo largo de dicho eje longitudinal, incluyendo la bobina (21) una primera serie de bucles (22) en la que el plano de cada bucle se bascula con respecto al eje de cilindro para generar un campo con un componente perpendicular al eje de cilindro, y una segunda serie de bucles (23) que genera un campo que elimina sustancialmente el componente longitudinal del campo RF generado por dicha primera serie de bucles;

medios (1) para transportar una serie de objetos a una velocidad predeterminada a lo largo de dicho eje longitudinal mediante los primeros y segundos medios generadores de campo;

medios receptores para detectar señales de resonancia magnética nuclear ponderadas con al menos un parámetro de resonancia magnética nuclear seleccionado de dichos objetos mientras dichos objetos se están moviendo a dicha velocidad predeterminada a través de dicho volumen de módulo RNM; y

medios para generar un espectro resuelto por desplazamiento químico de los objetos transportados dentro del módulo RNM.

24. Aparato según la reivindicación 23, en el que dichos primeros y segundos medios generadores de campo tienen una geometría cilíndrica coaxial uno con otro.

25. Aparato según la reivindicación 23 ó 24, en el que dichos primeros medios generadores de campo incluyen un imán permanente cilíndrico hueco.