ES2967223T3 - Rotores esféricos y su uso en espectroscopia de NMR - Google Patents

Abstract

Entre los diversos aspectos de la presente divulgación se encuentra la provisión de sistemas y rotores esféricos adecuados para su uso en espectroscopia de resonancia magnética nuclear (RMN) de giro de ángulo mágico (MAS) y métodos de uso de los mismos. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)

Description

DESCRIPCIÓN

Rotores esféricos y su uso en espectroscopia de NMR

La presente descripción se refiere generalmente a dispositivos y métodos para usar en espectroscopia de resonancia magnética.

El documento US3681683 describe un espectrómetro de resonancia giromagnética que emplea una turbina fijada a un contenedor de muestra y que responde a un flujo de aire para hacer girar la muestra bajo investigación en el campo magnético, la turbina que flota sobre una columna de aire dentro de un estator fijo o estructura de carcasa.

El documento GB-A-2296094 muestra un rotor con un cilindro giratorio convencional.

Entre los diferentes aspectos de la presente descripción está la provisión de un rotor adecuado para usar en espectroscopia de NMR y métodos de uso del mismo.

En consecuencia, en un primer aspecto de la presente invención, se proporciona un sistema para usar en espectroscopia de resonancia magnética nuclear como se establece en la primera de las reivindicaciones independientes adjuntas. De acuerdo con otro aspecto de la presente invención, se proporciona un sistema para obtener una señal de resonancia magnética nuclear como se establece en la segunda de las reivindicaciones independientes adjuntas. Las funcionalidades de diferentes modalidades se establecen en las reivindicaciones dependientes adjuntas.

También se describen en la presente descripción ejemplos de un rotor esférico que comprende un eje del rotor esférico; una pluralidad de muescas, espaciadas ecuatorialmente en la superficie del rotor esférico, en donde las muescas espaciadas ecuatorialmente se espacian ecuatorialmente alrededor del eje del rotor esférico; o una cámara de muestra que comprende un eje de la cámara de muestra. Como un ejemplo, el eje de la cámara de muestra puede ser paralelo al eje del rotor esférico.

También se describen en la presente descripción ejemplos de un sistema para usar en espectroscopia de resonancia magnética nuclear (NMR). Como un ejemplo, el sistema comprende un rotor esférico, en donde el rotor esférico comprende un eje del rotor esférico y una pluralidad de muescas, espaciadas ecuatorialmente en la superficie del rotor esférico, en donde las muescas espaciadas ecuatorialmente se espacian ecuatorialmente alrededor del eje del rotor esférico; una cámara de muestra que comprende un eje de la cámara de muestra, en donde el eje de la cámara de muestra es paralelo al eje del rotor esférico; y un estator adecuado para la incorporación y el giro del rotor esférico, en donde el estator comprende al menos una entrada de gas y al menos una salida de gas de escape.

De acuerdo con la invención, el rotor esférico comprende una o más tapas de la cámara de muestra; el estator comprende una o más entradas de gas; el estator comprende una o más salidas de gas de escape; o el estator comprende orificios ciegos para la incorporación de un cable de fibra óptica.

También se describen en la presente descripción ejemplos de un método para obtener una señal de resonancia magnética nuclear (NMR). El método de acuerdo con la invención comprende proporcionar una muestra; insertar la muestra en un rotor esférico que comprende muescas espaciadas ecuatorialmente; colocar el rotor esférico sobre o dentro de un estator, en donde el estator está dentro de una sonda de NMR; hacer girar el rotor esférico a una frecuencia que oscila de aproximadamente 0 kHz a aproximadamente 130 kHz; y obtener una señal de NMR de la muestra.

Como un ejemplo, tras la aplicación de un fluido; un campo electro, magnético, o electromagnético que depende del tiempo; o luz (por ejemplo, luz polarizada circularmente), el rotor esférico es una turbina.

Como otro ejemplo, el rotor esférico tiene entre aproximadamente 1 micra y 20 micras, aproximadamente 20 micras o mayor en tamaño o entre aproximadamente 20 micras y 10 mm.

Como otro ejemplo, el rotor esférico o el estator son rotores o estatores impresos en 3D.

Como otro ejemplo, el sistema o método comprende una bobina de RF, en donde el sistema es adecuado para su incorporación en una sonda de NMR de estado líquido o una sonda de NMR de estado sólido.

De acuerdo con la invención, el rotor esférico comprende una pluralidad de muescas, al menos una muesca, o entre una y 20 muescas, en donde las muescas proporcionan torque al rotor esférico cuando se aplica un suministro de fluido al rotor esférico.

Como otro ejemplo, el estator comprende una entrada de gas, en donde la entrada de gas proporciona un suministro de fluido al rotor esférico.

Como otro ejemplo, el suministro de fluido proporciona el cojinete y la turbina.

Como otro ejemplo, el sistema o método comprende además una línea de fluido para enfriar el fluido y un rotor esférico que comprende una muestra a una temperatura de menos de aproximadamente 4,2 K, lo que da como resultado una fase de helio superfluida de viscosidad cero.

Como otro ejemplo, el sistema o método de una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que comprende además hacer girar el rotor esférico a aproximadamente 54,7356° (el ángulo mágico) con respecto a un campo magnético. Como otro ejemplo, el sistema o método comprende colocar el rotor esférico en un campo magnético.

Como otro ejemplo, el sistema o método comprende el giro de ángulo mágico de ángulo conmutado y un eje de giro, en donde el eje de giro se cambia durante un experimento de NMR.

Como otro ejemplo, el sistema o método comprende hacer girar el rotor esférico que comprende una muestra; retirar el rotor esférico del campo magnético; devolver un rotor esférico al campo magnético; o detectar una señal de resonancia magnética nuclear de la muestra.

Como otro ejemplo, el sistema o método comprende un sistema de intercambio de muestras mediante el uso del rotor esférico, en donde el sistema de intercambio de muestras comprende un tubo de intercambio de muestras y una línea de vacío o línea de aire para expulsar la muestra.

Como otro ejemplo, el sistema o método comprende un intercambio mecánico rápido de la esfera en otro imán para la detección de señales o para el almacenamiento de una magnetización de espín mejorada.

Como otro ejemplo, el sistema o método comprende colocar el rotor esférico en una sonda para la detección por NMR. Como otro ejemplo, el rotor esférico se imprime en 3D o comprende zirconia.

Como otro ejemplo, el sistema o método comprende que el gas se introduce debajo de la esfera a 35,3° del campo magnético,B:,suspende la esfera y alinea su eje de giro con el ángulo mágico (54,7° con respecto al campo magnético, B:).

Como otro ejemplo, la sonda es una sonda de NMR de estado sólido, una sonda de NMR de estado líquido, o una sonda de n Mr Ma S-DNP criogénica.

Como otro ejemplo, el sistema o método comprende una bobina de RF de transmisión-recepción, en donde la bobina de RF es un solenoide dividido de cuatro vueltas enrollado alrededor del estator o el rotor esférico.

Como otro ejemplo, el giro del rotor esférico puede comprender polarizar el rotor esférico, lo que permite la propulsión giratoria.

Como otro ejemplo, el rotor esférico comprende una composición que tiene un momento dipolar intrínseco (por ejemplo, un electreto, una cerámica).

Como otro ejemplo, los métodos o el sistema pueden comprender "bloqueo de fase" del sistema giratorio, lo que permite una estabilidad del giro mejorada en comparación con un sistema sin bloqueo de fase.

Como otro ejemplo, los métodos o el sistema pueden comprender un "baño" de enfriamiento capaz de alcanzar temperaturas criogénicas entre aproximadamente 1,2 K y aproximadamente 200 K y opcionalmente un vacío para lograr temperaturas criogénicas por debajo de 2,23 K.

Como otro ejemplo, los métodos o el sistema pueden comprender crear un dipolo eléctrico estático aplicando un campo eléctrico estático a una muestra que comprende iones móviles; y congelar la muestra, "atrapando" las cargas positiva y negativa separadas.

Otros objetos y características serán en parte evidentes y en parte se indicarán de aquí en adelante.

Los expertos en la técnica comprenderán que los dibujos, descritos más abajo, son solo para fines ilustrativos. La Figura 1A-la Figura 1D son una serie de imágenes que muestran el diseño de una modalidad del rotor esférico (molinete esférico). Escala 1:20.

La Figura 2 es una serie de imágenes que muestran capturas de pantalla de un vídeo que muestra el contenedor de muestra esférico (o rotor esférico) que gira a 0 Hz (A) y a aproximadamente 6 kHz (velocidad máxima 14,5 kHz) (B). Se sopla aire a través del tubo para hacer girar la esfera. La estabilidad indicada por una franja negra en el centro de la esfera (B).

La Figura 3A es una ilustración de un rotor cilíndrico (3,2 mm) con un volumen de muestra de 36 pl. Los rotores esféricos (9,5 mm) incluyen ranuras (o muescas) de turbina ecuatorial cortadas en la superficie para generar momento angular.

La Figura 3B-la Figura 3C son ilustraciones de dos cámaras de muestra mecanizadas: volumen de muestra (B) 36 |jl y (C) 161 |jl. Todas las dimensiones lineales están en milímetros.

La Figura 3D-la Figura 3F son espectros de NMR que muestran las bandas laterales de primer orden en los espectros 79Br de KBr usados para analizar la sensibilidad de NMR de (D) rotores cilindricos de 3,2-mm, (E) rotores esféricos de 36 jl, y (F) rotores esféricos de 161 jl. Cada espectro es un promedio de 256 transitorios.

La Figura 4A-la Figura 4D son dibujos e imágenes de una selección de los cuatro estatores impresos en 3D para rotores esféricos. (A) Diseño cerrado con múltiples corrientes de gas para hacer girar. (B) Diseño de cara abierta con una única corriente de gas y una trayectoria para guiar la salida de gas de escape. (C) Diseño completo con una única corriente de gas, trayectoria de escape, y pivotes para el ajuste del ángulo (por ejemplo, el ángulo mágico). (D) En comparación con (C), se agregó una extrusión vertical de 2 mm sobre la copa del estator, y se agregaron orificios ciegos para aceptar fibra óptica para la detección de la frecuencia de giro (i) Muestra una vista en perspectiva, (ii) muestra una vista lateral, y (iii) muestra la vista superior.

La Figura 5A-la Figura 5C son imágenes de una estación de prueba giratoria para rotores esféricos en estatores impresos en 3D. (A) Estación de prueba giratoria. El rotor esférico y el estator estaban conectados a las patas del estator por donde se introdujo el gas. El cabezal del sensor del tacómetro láser LT-880 se instaló desde arriba para detectar la frecuencia de giro. (B) Alambre de nicromo para el calentamiento del gas para la regulación del giro. (C) El alambre de nicromo se instaló en la entrada de gas.

La Figura 6 es una serie de imágenes fijas de una película que muestra un rotor esférico (9,5 mm) que gira de manera estable en un ángulo mágico en un estator impreso en 3D.

La Figura 7 es una imagen de estatores impresos en 3D para rotores esféricos. Esta figura muestra una selección de los 232 estatores diferentes que se diseñaron, imprimieron, y evaluaron experimentalmente para el giro óptimo en el ángulo mágico.

La Figura 8A-la Figura 8D son una serie de dibujos que describen el diseño del estator actual con una única corriente de gas. (A) El gas introducido debajo de la esfera a 35,3° de Bo suspende la esfera y alinea su eje de giro con el ángulo mágico. (B) Una vista en sección de (A) muestra la trayectoria de entrada de gas y cómo el gas se dirige hacia la copa impulsora mediante un plano tangente. (C y D) Trayectoria de flujo general del gas giratorio desde dos vistas isométricas separadas.

La Figura 9A-la Figura 9C es una serie de dibujos que muestran la implementación de las esferas giratorias (rotores esféricos) en una sonda de línea de transmisión usada previamente en MAS-DNP criogénico. (A) Los pivotes del estator impreso en 3D sirven como la entrada de gas y como punto de pivote para el ajuste del ángulo mágico. El cabezal de sonda de NMR completo incluye fibra óptica para la detección de frecuencia de giro, ajuste del ángulo mágico mediante un ensamble de ajuste roscado, guía de ondas para transmitir microondas a la muestra para DNP, tubo para intercambio de muestras, y un poste impreso en 3D para la conexión del estator al suministro de gas. Una vista isométrica (B) y una vista en sección (C) muestran la trayectoria para la introducción de microondas a la muestra para DNP en una vista en sección. RF, radio frecuencia.

La Figura 10A-la Figura 10F es una serie de gráficos que muestran el ajuste del ángulo mágico y la regulación de la estabilidad del giro de MAS con rotores esféricos. Resonancia magnética de79Br de un rotor esférico MAS lleno de KBr. (A) El deterioro de inducción libre de 64 transitorios con ecos rotacionales observados hasta 10 ms. (B) Las bandas laterales de giro en el dominio de la frecuencia indican un giro de 4,3 kHz de manera estable en el ángulo mágico. (C) La optimización del ángulo mágico a una frecuencia de giro de 2,5 kHz. La relación de altura(R)del pico de la banda central con relación a la segunda banda lateral disminuye a medida que el ángulo de rotación se acerca a 54,7° desde Bo (36). (D) La estabilidad de la frecuencia de giro durante 22 min con y sin regulación de giro controlada a través de un circuito de elemento de calentamiento resistivo. (E) La expansión de la frecuencia de giro muestra una excursión moderada en la frecuencia de giro de menos de 20 Hz sin regulación y una estabilidad de frecuencia mejorada con regulación. (F) El histograma de frecuencias de giro que muestra el rotor que gira a 4560 ± 1 Hz durante el 98% de los 22 minutos observados. a.u., unidades arbitrarias.

La Figura 11 es una imagen que muestra el rotor esférico girado a 10,6 kHz con gas helio.

La Figura 12 es un gráfico que muestra la correlación entre la temperatura y la frecuencia de giro del rotor esférico. La Figura 13 es una ilustración de un sistema que incluye dos bobinas de solenoide divididas colocadas en cada lado del ángulo mágico para permitir la propulsión giratoria con un ajuste fino concomitante del ángulo de giro del rotor esférico.

Descripción detallada de la invención

La presente descripción se basa, al menos en parte, en el descubrimiento de que las esferas giratorias (un rotor esférico giratorio) muestran un rendimiento superior en experimentos de giro de ángulo mágico (MAS) que los cilindros giratorios convencionales. Un rotor esférico puede ser un dispositivo esférico capaz de contener una muestra, un rotor esférico que comprende una muestra, o un contenedor de muestra esférico para espectroscopia de resonancia magnética nuclear (NMR) de giro de ángulo mágico (MAS). Los rotores esféricos tienen propiedades mejoradas (sensibilidad aumentada) en comparación con los contenedores de muestras cilíndricos usados actualmente.

Como se muestra en la presente descripción, se ha demostrado el giro exitoso de rotores esféricos con un radio grande (por ejemplo, 9,5 mm, 0,1875"). Incluso dado un diámetro relativamente grande, los rotores esféricos fueron capaces de girar fácilmente a más rápido de aproximadamente 10000 a aproximadamente 14000 rotaciones por segundo (o al menos de aproximadamente 10 kHz a aproximadamente 14 kHz). Esta demostración puede optimizarse aún más en términos de prácticas de ingeniería y fabricación y alcanzar frecuencias de giro mucho más altas.

Giro de ángulo mágico (MAS) / giro de ángulo variable (VAS)

El giro de ángulo mágico (MAS) se refiere a hacer girar las muestras en un ángulo de 54,7° con respecto al campo magnético. El giro promedia las interacciones anisotrópicas en el Hamiltoniano de NMR con una dependencia (3cos20-1) , lo que da como resultado líneas de NMR estrechas y espectros bien resueltos.

Los experimentos de resonancia magnética nuclear (NMR) de giro de ángulo mágico (MAS) promedian parcialmente las interacciones de espín anisotrópico en la resonancia magnética Hamiltoniana mediante la rotación mecánica de muestras alrededor del ángulo mágico (54,7° con respecto al campo magnético estático, S<0>). El promedio espacial extiende los tiempos de relajación del espín y mejora la resolución de la espectroscopia de NMR de estado sólido(1,2) . A menudo pueden asignarse resonancias únicas a espines nucleares químicamente distintos para producir firmas específicas del sitio que codifican información estructural y dinámicas moleculares (3-7). NMR de MAS es, por lo tanto, una técnica poderosa para caracterizar diversas arquitecturas moleculares que incluyen las proteínas de membrana8-15),fibrillas de amiloide(16-19),biopelículas bacterianas(20, 21),y materiales y superficies (22-25).

La rotación mecánica de la muestra debe ser comparable a, o mayor que, la frecuencia de la interacción del espín anisotrópico interno para producir un promedio significativo. Las frecuencias de giro menores que 3 kHz promediaron la anisotropía de desplazamiento químico y los acoplamientos dipolares débiles en la llegada de MAS. Las frecuencias de giro disponibles actualmente de >150 kHz son suficientemente altas para atenuar los acoplamientos homonucleares de protones y producir espectros de sólidos con una resolución cercana a la observada en la NMR en estado de solución(26-29).Durante los últimos 60 años de MAS, las muestras típicamente se han empaquetado en contenedores de muestras cilíndricos huecos (rotores), con insertos de turbina para suministrar la propulsión (FIGURA 3A).

Hacer girar los cilindros alrededor de sus ejes cortos, como en los experimentos de MAS actuales, es inherentemente inestable y limita la frecuencia máxima de giro en MAS. Los objetos en la naturaleza con un momento angular muy alto no son cilindros sino esferas o elipsoides (es decir, púlsares). Aquí, la presente descripción describe un diseño y una tecnología novedosos de un rotor esférico para hacer girar muestras alojadas en esferas a un ángulo (por ejemplo, el ángulo mágico). En la presente descripción se describen rotores esféricos para usar en espectroscopia de resonancia magnética nuclear (NMR).

Hay aproximadamente 200 laboratorios académicos y 100 laboratorios industriales que realizan experimentos de NMR de giro de ángulo mágico (NMR de MAS). Prácticamente todos y cada uno de estos laboratorios pueden adaptar la tecnología divulgada.

La espectroscopia de NMR puede dilucidar la estructura a nivel atómico y el movimiento de arquitecturas químicas que van desde la superficie de materiales hasta biomoléculas dentro de células intactas. Ya existe un amplio uso de la NMR en el diseño de productos farmacéuticos, con aún más promesa del empleo de la NMR para el diseño de fármacos en el futuro. Sin embargo, la NMR está plagada de una sensibilidad pobre-el promedio de la señal de NMR de estado sólido puede durar desde minutos hasta meses. Para aumentar la sensibilidad de la NMR en más de factores de 50000, en la presente descripción se describe una tecnología novedosa y una nueva metodología de física de giro. Para aumentar la sensibilidad, en la presente descripción se describe, un nuevo rotor que hace girar mecánicamente la muestra (por ejemplo, la muestra puede comprender un fármaco, una proteína o células) en el "ángulo mágico" dentro de los imanes de NMR. También se muestran en la presente descripción métodos para enfriar la muestra lo más fría posible.

Durante los últimos 60 años, las muestras de NMR-MAS típicamente se han empaquetado en contenedores de muestras cilíndricos, huecos con insertos de turbina para suministrar la propulsión. Es difícil escalar rotores cilíndricos a tamaños de micra para acceder a frecuencias de giro >150 kHz. Los cilindros también son difíciles de insertar y expulsar de los estatores dentro de los orificios magnéticos. Además, el MAS criogénico de cilindros requiere cantidades sustanciales de criógenos, especialmente en experimentos de polarización nuclear dinámica (DNP). Además, los rotores cilíndricos se rodean de solenoides que también complican las estrategias de acoplamiento de microondas que apuntan a maximizar las frecuencias de Rabi de espín de los electrones para el desacoplamiento de electrones y el DNP pulsado.

El giro de ángulo variable (VAS) es una técnica usada en experimentos de NMR de estado sólido para lograr la reintroducción controlada de acoplamientos dipolares variando el ángulo en el que se hace girar la muestra con relación al campo magnético aplicado. El VAS se usa para muchas aplicaciones, incluida la regulación de la orientación del cristal líquido con respecto al campo magnético. Los rotores esféricos también pueden usarse en el giro de ángulo conmutado (SAS)(38-40)y la rotación de doble ángulo (DOR). Por ejemplo, introducir un ajustador de ángulo variable o una segunda entrada de gas en el estator podría establecer una derivación del ángulo mágico.

Estatores, sondas, y rotores

Los componentes y el sistema como se describió en la presente descripción incluyen estatores, sondas, o rotores adecuados para usar en la espectroscopia de resonancia magnética nuclear (NMR) de giro de ángulo variable (VAS) o giro de ángulo mágico (MAS) y también la espectroscopia de resonancia paramagnética electrónica (EPR) VAS o MAS.

En la presente descripción se proporcionan modalidades que incluyen un rotor esférico, la integración de un sistema de intercambio de muestras mediante el uso de los rotores esféricos; la integración de giro de ángulo mágico, ángulo variable, o ángulo mágico ángulo conmutado, en el que el eje de giro puede cambiarse durante el experimento de NMR; el giro continuo mientras se mueve la esfera fuera del campo magnético y de regreso para un experimento de resonancia magnética; intercambio mecánico rápido de la esfera en otro imán para la detección de señales, o para el almacenamiento de una magnetización de espín mejorada; la integración de una única corriente de gas o línea de fluido para proporcionar cojinete y turbina; o la integración de una única línea de fluido para enfriar el fluido (por ejemplo, gas) y la muestra a <4,2 K, lo que conduce a una fase de helio superfluido de viscosidad cero.

Como un ejemplo, la Figura 1A-la Figura 1D son una serie de imágenes que muestran el diseño de una modalidad del rotor esférico. Como otro ejemplo, la Figura 2 demuestra un rotor esférico que comprende un contenedor de muestra que gira a aproximadamente 6 kHz (velocidad máxima medida 14,5 kHz). Se sopla aire a través de la línea de aire para hacer girar la esfera. La estabilidad se indica mediante una franja negra por el centro de la esfera (ver, por ejemplo, la Figura 2B). La esfera que se muestra en la Figura 2 es un rotor esférico impreso en 3D ((molinete esférico) que comprende zirconia. Como otro ejemplo, la Figura 3 y la Figura 8 describen rotores que comprenden un volumen de muestra, una muestra (o cámara de muestra) 302, una tapa superior 304, un inserto de turbina 306, un rotor cilíndrico 308, una tapa 310, y un rotor esférico 312, 802. Como otro ejemplo, la Figura 4, la Figura 8, y la Figura 9 muestran ejemplos de estatores 804 que comprende una entrada de gas (entrada de gas giratoria) 402, 806, 902 y escape de gases 808. Como otro ejemplo, la Figura 6 demuestra un rotor esférico que gira de manera estable a más de 10 kHz.

Como otro ejemplo, la Figura 9 muestra una sonda de NMR de DNP. La sonda de NMR de DNP comparte muchos de los mismos componentes que otras sondas de NMR. La sonda de NMR de DNP puede comprender una entrada de gas 902, un tubo de intercambio de muestras 904 (el rotor esférico se puede quitar a través de este tubo), una línea de gas giratoria 906, una bobina de transmisión-recepción 908, un rotor esférico 910, fibra óptica 912, un pivote 914, un ajuste de ángulo mágico 916, una guía de ondas 918, una lente de microondas 920, una bobina de<R f>922, un espejo 924, o una muestra/cámara de muestra 926. Cualquiera de una de estas características puede combinarse con cualquier otra característica descrita en la presente descripción para proporcionar un rotor esférico o un sistema de giro.

El dispositivo y los métodos descritos en la presente descripción pueden usarse con muestras en estado sólido, estado semisólido, estado líquido, o cristal líquido. Por ejemplo, pueden tratarse muestras de tejido o sangre de pacientes con agentes polarizantes de DNP y compuestos enriquecidos isotópicamente, y pueden determinarse estructuras biomoleculares clínicamente relevantes y/o ocupación de diferentes reservas de carbono dentro de las células. De esta manera, los rotores esféricos para experimentos de NMR de MAS pueden usarse en hospitales de todo el mundo.

Rotores Esféricos

Como se describió en la presente descripción, los rotores esféricos (ver, por ejemplo, la Figura 1, la Figura 2, la Figura 3) pueden hacer girar de manera estable a frecuencias más altas que sus contrapartes cilíndricas. Los rotores esféricos tienen una expulsión de muestra mejorada en comparación con los rotores cilíndricos. Además, puede usarse un tamaño de orificio magnético más pequeño para esferas (rotores esféricos) en comparación con los cilindros (una reducción en el tamaño del orificio puede permitir un aumento de la magnetización y mejorar la sensibilidad). La presente descripción proporciona rotores esféricos que giran a frecuencias al menos de 80000 Hz o mayores que 80 000 Hz. Los rotores esféricos también pueden girarse a menos de aproximadamente 5-6 Kelvin y mediante el uso de menos de 2 L de helio líquido por hora.

La presente descripción también proporciona rotores esféricos que pueden reducirse a diámetros periféricos de menos de 50 micras para acceder a frecuencias de giro mayores que 200 000 Hz (por ejemplo, durante el giro de ángulo mágico). Aunque actualmente se emplean ranuras de turbina junto con el flujo de fluido para impartir momento angular para suministrar energía a la turbina, los rotores esféricos para experimentos de NMR de MAS también pueden girarse mediante energía de turbina electromagnética u óptica.

La presente descripción también proporciona el giro criogénico de los rotores esféricos, y su iluminación con microondas para el experimento de polarización nuclear dinámica (DNP) para aumentar la señal a ruido en más de 100x. La presente descripción proporciona rotores esféricos que giran a menos de 5-6 Kelvin (la disminución de la temperatura puede aumentar la sensibilidad, especialmente en DNP) con menos de 2 litros por hora de helio líquido (el helio líquido es caro, por tanto, usar cantidades reducidas de helio líquido puede reducir costos).

Se encontró inspiración para mejorar la instrumentación del MAS en los planetas, las estrellas, y, sobre todo, los púlsares-todos que tienen un gran momento angular. Todos estos objetos comparten la característica común de que son esféricos. En consecuencia, se introdujeron rotores esféricos para MAS, demostrando con éxito la espectroscopia NMR-MAS de muestras empaquetadas dentro de rotores esféricos que giran de manera estable en el ángulo mágico. Estos rotores esféricos también tienen una resistencia mecánica superior a la de los rotores cilíndricos porque la pared del rotor puede reforzarse selectivamente en sitios de alta tensión centrífuga. En consecuencia, los rotores esféricos de diámetro exterior de 9,5 mm giraban de manera estable a 10400 ± 1 Hz en el ángulo mágico.

Materiales para el rotor esférico

El rotor esférico puede fabricarse de cualquier material adecuado para MAS. Los ejemplos en la presente descripción describen el uso de un rotor de esfera giratoria de Zirconia (por ejemplo, zirconia estabilizada con itria (ZrOz)), pero puede usarse cualquier material adecuado para su uso como un rotor en espectroscopia de NMR. Por ejemplo, otros materiales de rotores esféricos pueden comprender zafiro, cuarzo, polímeros (plástico), fotorresistentes, o diamante. Como otro ejemplo, el rotor esférico puede comprender Nitruro de Boro, carbono, Teflón™, Zirconia (por ejemplo, ZrOz), Nitruro de Silicio (por ejemplo, Si<3>N<4>), Macor, Kel-F, Torlon, Aurum, Vespel, o Torlon reforzado con fibra de vidrio (GFT).

Los rotores esféricos que comprenden diamantes pueden ser diamantes huecos cultivados sobre sustratos esféricos interiores, y seguidos de la eliminación del sustrato interior.

Los rotores esféricos que comprenden fotorresistentes o polímeros también pueden imprimirse directamente en 3D con la geometría adecuada para la carga de muestras y mecanismos para impartir energía a la turbina.

La presente descripción mostró éxito con rotores esféricos de zirconia. En la presente descripción se describen rotores esféricos huecos, rotores esféricos con un orificio por un eje para cargar muestras, y rotores esféricos en los que los rotores esféricos pueden comprender el material de interés (por ejemplo, la muestra). Como se describió en la presente descripción, los rotores esféricos pueden tener forma de esfera.

Por ejemplo, el material puede comprender diamante. El carbono cristalino tiene muchas ventajas como material de rotor que incluyen la resistencia mecánica, la conducción térmica, y la transparencia a microondas.

Cámara de muestra

Un aspecto de la presente descripción proporciona un rotor esférico de resonancia magnética que comprende un vacío o cámara de muestra adecuada para contener una muestra. Por ejemplo, el dispositivo puede incluir un contenedor de muestra o una o más tapas adecuadas para contener una muestra en una cámara de muestra. El volumen de muestra del rotor esférico puede aumentarse hasta el punto donde el rotor esférico es una carcasa hueca o una carcasa hueca delgada. La cámara de muestra puede aumentarse para mejorar el llenado de la muestra, sin embargo, también proporciona suficiente grosor de pared para mantener la integridad estructural bajo tensión centrífuga durante el giro. La cámara de muestra puede incluir un único puerto de entrada pequeño para la carga de la muestra. Un extremo de la cámara de muestra puede ser sólido para evitar la pérdida de muestra durante el giro o las estrategias de empaquetado de muestras basadas en centrífuga.

El vacío en el rotor esférico puede acomodar un rotor cilíndrico estándar. Por ejemplo, los rotores usados en espectroscopia de NMR pueden comprender materiales tales como el Teflón o Kel-F y pueden contener de aproximadamente 12 pl a 50 pl por volumen de muestra. Típicamente, el material elegido para el rotor esférico puede ser ese que mejor se adapte a la susceptibilidad magnética de la muestra de interés. Los rotores típicos pueden girar a aproximadamente 15 kHz. El rotor esférico descrito en la presente descripción puede girar en cualquier parte de entre aproximadamente 1 kHz a 500 kHz o más. Se entiende que la recitación de cada intervalo incluye valores discretos dentro del intervalo.

La cámara de muestra puede ser capaz de incorporar un volumen de muestra entre 0 y 10000 pi. Se entiende que la recitación de cada intervalo incluye valores discretos dentro del intervalo.

Tapa/separador de la cámara de muestra

El rotor esférico puede comprender una tapa o un separador para contener la muestra en la cámara de muestra. La(s) tapa(s) de la cámara de muestra o el(los) espaciador(es) pueden comprender cualquier material adecuado para su uso en espectroscopia de NMR. La tapa puede fabricarse de cualquier material conocido en la técnica que sea adecuado para espectroscopia de NMR. Por ejemplo, la tapa o el separador pueden fabricarse del mismo material que el rotor esférico o de un material que comprende epoxi, Aurum, plástico, Teflón, Vespel, Kel-F, Torlon reforzado con fibra de vidrio (GFT), Torlon, ZrO<2>, Nitruro de Boro, carbón o Macor.

Ranuras, muescas de turbina

Los rotores esféricos tienen distintas ventajas sobre los rotores cilíndricos. Por ejemplo, como se describió en la presente descripción, los rotores esféricos pueden contener cámaras de muestra cilindricas y ranuras de turbina ecuatoriales cortadas en la superficie del rotor esférico.

Como se describió en la presente descripción, el rotor esférico incluye una pluralidad de muescas o ranuras de turbina adecuadas para generar turbina cuando se introduce una corriente de gas en la superficie. Las muescas se cortan sobre la superficie del rotor esférico. Las muescas pueden cortarse ecuatorialmente sobre la superficie del rotor esférico. Las muescas en el exterior aseguran que la distribución de masa de la zirconia de alta densidad esté alejada del eje de giro, lo que permite lograr un gran momento de inercia y mejora la estabilidad del giro. Las ranuras se mecanizan directamente en la superficie del rotor esférico, convirtiendo de esta manera el cuerpo del rotor en una turbina robusta con un torque alto. Al convertir el cuerpo del rotor de zirconia en una turbina, en lugar de depender de insertos de turbina (o tapas como en un rotor cilíndrico convencional), suministra una plataforma de accionamiento extremadamente robusta con un torque alto.

Las muescas o ranuras cortadas en el rotor esférico pueden tener cualquier ángulo, longitud o profundidad adecuada para que el rotor actúe como una turbina cuando se introduce un gas fluido a la superficie del rotor esférico.

Como un ejemplo, la Figura 1 describe un rotor esférico con muescas equidistantes, con una muesca de 0,0138 mm de profundidad con un ángulo de muesca de 60°, y un radio de cámara de muestra de 0,1 mm. Este ejemplo muestra las muescas a 0,1870 mm de distancia. Como otro ejemplo, las muescas pueden comprender un ángulo entre 0° y 180°. Como otro ejemplo, las muescas pueden tener una profundidad entre 0 mm y el radio del rotor esférico menos el radio de la cámara de muestra. Como otro ejemplo, la distancia entre las muescas puede ser cualquier distancia entre dos o más muescas que se separan ecuatorialmente. Se entiende que la recitación de cada intervalo incluye valores discretos dentro del intervalo.

Tamaño del rotor esférico

El rotor esférico puede tener cualquier tamaño adecuado para la incorporación de una muestra. El rotor esférico puede tener cualquier tamaño adecuado para la incorporación de una muestra. Por ejemplo, el rotor esférico puede tener un diámetro entre aproximadamente 1 micra y aproximadamente 2 mm o entre aproximadamente 2 mm y aproximadamente 50 mm. Se entiende que la recitación de cada intervalo incluye valores discretos dentro del intervalo. Un tamaño de diámetro más pequeño (por ejemplo, diámetros exteriores de 4 mm y 2 mm) puede aumentar la frecuencia de giro (por tanto, aumentando la sensibilidad de la detección de espín nuclear).

El diámetro de la cámara de muestra puede ser de cualquier tamaño adecuado para la incorporación de una muestra. Como un ejemplo, el volumen de la muestra puede estar entre aproximadamente 1 pl y 300 pl. Como otro ejemplo, el volumen de la muestra puede estar entre aproximadamente 30 pl y 200 pl. Como otro ejemplo, el diámetro de la cámara de muestra puede estar entre aproximadamente 1 mm y aproximadamente 10 mm. Como otro ejemplo, la cámara de muestra puede tener un diámetro de aproximadamente 1 mm, aproximadamente 2 mm, aproximadamente 3 mm, aproximadamente 4 mm, aproximadamente 5 mm, aproximadamente 7 mm, aproximadamente 8 mm, aproximadamente 9 mm, o aproximadamente 10 mm. Se entiende que la recitación de cada uno de estos valores discretos incluye intervalos entre cada valor. Se entiende que la recitación de cada intervalo incluye valores discretos dentro del intervalo.

Estatores

Un estator (o platina) puede ser de cualquier tamaño o forma adecuada para la incorporación de un rotor esférico. El estator también puede comprender una o más entradas de gas y una o más salidas de gas de escape. El estator también puede incorporar un pivote para ajustar el ángulo del rotor esférico.

Las geometrías del estator para rotores esféricos también se simplifican enormemente en comparación con los equivalentes cilindricos disponibles actualmente. El diseño del estator descrito incorpora solo una única corriente de gas que proporciona simultáneamente gas de cojinete para reducir la fricción, propulsión para generar, y mantener el momento angular, y el control de temperatura variable. Introduciendo esta corriente de gas debajo de la esfera en un ángulo específico (por ejemplo, 35,3° fuera de B<0>) suspende la esfera y gira la muestra a un ángulo deseado (por ejemplo, el ángulo mágico de 54,7°). El estator puede comprender entre 1 y 256, o más, aberturas para introducir gas giratorio. Pueden usarse aberturas adicionales para controlar el ángulo de la fuerza agregada impartida sobre el rotor, y por tanto el ángulo de giro.

El estator también puede insertarse en tubos actualmente empleados en sondas de NMR en estado de solución. Por ejemplo, el estator puede caber dentro de un tubo, de NMR y permanecer conectado a líneas de gas para proporcionar fluido giratorio. Como tal, el sistema giratorio como se describió en la presente descripción puede usarse en sondas destinadas al estado de solución, no a experimentos de MAS. Como tal, la presente descripción proporciona un sistema y aparato capaz de cargarse en una sonda de NMR en estado líquido/solución convencional para actualizar/convertir cualquier sistema de NMR en estado de solución en un sistema de NMR de MAS.

Un plano al final de la entrada de gas, que es tangente a la copa impulsora hemisférica puede guiar el gas giratorio hacia el estator (ver, por ejemplo, la Figura 8B). El gas giratorio puede entonces salir a través de la salida de gas de escape opuesta a la entrada de gas. La entrada de gas y la salida de gas de escape pueden diseñarse en un plano común que es perpendicular al eje de giro del rotor (ver, por ejemplo, la Figura 8C y la Figura 8D que muestran la trayectoria del flujo del gas giratorio a través del estator).

Pueden hacerse muchas modificaciones a la orientación de la corriente de gas en las modalidades específicas que se describen y aún obtener un resultado parecido o similar, incluidas modificaciones para cambiar o variar el ángulo de giro. Este diseño simplificado del estator ha permitido la fabricación de más de 250 estatores utilizando fabricación aditiva (impresión 3D).

Puede agregarse una o más extrusiones (u orificios ciegos) al estator. Las extrusiones pueden incorporar sensores, por ejemplo, para aceptar fibra óptica para la detección de la frecuencia de giro.

Puede incorporarse un elemento de calentamiento, tal como un alambre de nicromo en la entrada de gas o en la corriente de gas de entrada para controlar la temperatura del aire.

También puede incorporarse un elemento de refrigeración al sistema. Por ejemplo, puede incorporarse una línea de fluido para enfriar el fluido (por ejemplo, gas) y el rotor esférico a una temperatura de menos de aproximadamente 4,22K o menos de aproximadamente 2,23 K, dando como resultado una fase de helio superfluida de viscosidad cero.

También puede incorporarse un sensor de temperatura al sistema.

Todo el estatory la sonda también pueden sumergirse en helio superfluido o fluido para enfriary para reducir la fricción.

También puede evacuarse todo el estator y el cabezal de la sonda, con la energía de la turbina que se suministra mediante un bajo flujo de gas, mediante energía electromotriz, o mediante energía óptica. Tamaño del Estator

El tamaño del estator puede ser cualquier tamaño adecuado para la incorporación del rotor esférico. Los estatores para los rotores esféricos pueden reducirse a <0,5 mm mediante el uso de la microfabricación. Por ejemplo, el estator puede alojar rotores entre los tamaños de 50 micras a 500 micras. En otro ejemplo, el estator puede alojar rotores entre 0,5 mm a 50 mm. Se entiende que la recitación de cada uno de estos valores discretos incluye intervalos entre cada valor. Se entiende que la recitación de cada intervalo incluye valores discretos dentro del intervalo.

Una impresora 3D "NanoScribe" tiene una resolución de 100 nM y es capaz de producir estatores ultrapequeños.

Materiales para el estator

El estator también puede fabricarse de cualquier material adecuado para usar como un estator. Por ejemplo, el estator puede comprender un polímero (por ejemplo, polímeros usados en impresión 3D tales como material de acrilonitrilobutadieno-estireno) o el mismo material que el rotor esférico (por ejemplo, Nitruro de Boro, carbono, Teflón™, Zirconia (por ejemplo, ZrO<2>), Nitruro de Silicio (por ejemplo, Si<3>N<4>), Macor, Kel-F, Torlon, Aurum, Vespel, Torlon reforzado con fibra de vidrio (GFT), diamante).

Sonda

El rotor esférico, como se describió en la presente descripción, puede incorporarse a una sonda de resonancia magnética nuclear (NMR). Las sondas de NMR son dispositivos adecuados para su inserción en un imán de NMR y equipados con una bobina de transmisión-recepción de radiofrecuencia (RF) para transmitir una señal de RF a una muestra y recibir una señal de RF resultante de los espines nucleares en la muestra. Por ejemplo, la sonda puede comprender una bobina de radio frecuencia (por ejemplo, una bobina de transmisión-recepción), capaz de transmitir y recibir una radiofrecuencia, y adecuada para incorporar un rotor esférico.

Como otro ejemplo, la sonda puede incluir una entrada de gas para usar como un fluido para hacer girar el rotor esférico. Una corriente de gas puede proporcionar gas de cojinete para reducir la fricción, impulsar la propulsión para generar y mantener el momento angular. La línea de gas también puede incorporar un elemento de calentamiento para controlar la temperatura.

Las sondas de NMR pueden equiparse con componentes auxiliares, tales como un ajustador de ángulo variable, un criostato para NMR criogénica, un tubo de intercambio de muestras, una guía de ondas para DNP, un lente de microondas, fibra óptica para medir la frecuencia de giro, o una unidad de control MAS/VAS.

Como otro ejemplo, el rotor esférico y el estator como se describió en la presente descripción pueden incorporarse a una sonda existente, tales como una sonda de estado sólido (SS), una sonda de estado líquido, una sonda de polarización nuclear dinámica (DNP) (ver, por ejemplo, la Figura 9), o una criosonda. La sonda también puede incorporar un pivote o un ajustador de ángulo variable para ajustar el ángulo del estator (platina) y el rotor esférico. En otro ejemplo, el rotor esférico y el estator, como se describió en la presente descripción, pueden incorporarse a una sonda existente, en donde la sonda puede diseñarse lo mismo para muestras líquidas (NMR en solución) o muestras sólidas (NMR en estado sólido).

Como se describió en la presente descripción, el proceso de intercambio de muestras para un rotor esférico simplifica enormemente el proceso de intercambio de muestras en comparación con el rotor cilíndrico estándar, en el que el ángulo necesita reajustarse o recalibrarse cada vez que se intercambia la muestra. El rotor esférico puede expulsarse y reemplazarse simplemente sin que requiera un ajuste de ángulo o recalibración. El sistema de intercambio de muestras puede comprender una línea de vacío o una línea de aire adecuada para extraer el rotor esférico de la sonda y el imán.

La bobina sonda puede seleccionarse entre cualquier bobina de transmisión-recepción de RF capaz de transmitir y recibir señales de NMR. Por ejemplo, la sonda puede incorporar un circuito de radio frecuencia de resonancia múltiple para implementar con los rotores esféricos. Por ejemplo, la bobina de transmisión-recepción de RF puede ser una bobina de muestra de solenoide dividida (por ejemplo, un solenoide dividido de cuatro vueltas enrollado alrededor del estator). El inductor de transmisión-recepción de Rf también puede ser, pero no se limita a, un solenoide estándar, un solenoide de paso variable, una bobina de desviación (de una o varias vueltas), una bobina de Helmholtz o, una bobina tipo jaula de pájaro. La bobina puede ser lo suficientemente grande para el acceso vertical del rotor esférico o más pequeña para incorporar el rotor esférico sin espacio para la expulsión para mejorar la sensibilidad. La sonda también puede incorporar irradiación de microondas para d Np .

Giro de rotor esférico

Puede usarse cualquier método conocido en la técnica para hacer girar el rotor esférico. Por ejemplo, el rotor esférico puede hacerse girar con un fluido (por ejemplo, gas); un campo electro, magnético, o electromagnético; o luz (por ejemplo, luz polarizada circularmente).

Hacer girar los cilindros alrededor de sus ejes cortos, como en los experimentos MAS actuales, pueden se inherentemente inestable y pueden limitar la frecuencia máxima de giro en MAS. Recientemente, se han implementado esferas de giro de ángulo mágico para mejorar la estabilidad del giro, aumentar la frecuencia máxima de giro, y disminuir la cantidad de corrientes de gas necesarias para el giro de ángulo mágico. En la presente descripción se describe una tecnología para hacer girar rotores esféricos en el ángulo mágico mediante el uso de un campo eléctrico (ver, por ejemplo, la Figura 13) a diferencia del giro convencional con gases nitrógeno o helio. Este sistema incluye dos bobinas de solenoide divididas ubicadas a cada lado del ángulo mágico para permitir la propulsión giratoria con un ajuste fino concomitante del ángulo de giro del rotor esférico.

El giro del rotor esférico puede comprender (i) una polarización simple de un rotor esférico, que permite la propulsión giratoria; (ii) "bloqueo de fase" del sistema giratorio para permitir una estabilidad giratoria sin precedentes; (iii) integración simple de un "baño" de enfriamiento para lograr el giro a temperaturas criogénicas entre aproximadamente 1,2 Kelvin y aproximadamente 200 Kelvin; o (iv) introducción simple de un vacío para (iii) alcanzar temperaturas criogénicas por debajo de 2,23 K.

Como un ejemplo, el aparato giratorio esférico como se describió en la presente descripción puede comprender giro de ángulo mágico impulsado por electrete. Por ejemplo, los rotores esféricos pueden emplearse en un aparato giratorio para experimentos de resonancia magnética que entrega energía a un dipolo electrostático (conocido como electrete) para proporcionar momento angular (también conocido como turbina o accionamiento) a los rotores en experimentos de resonancia magnética. Los electretes son un tipo de motor eléctrico que puede emplear un dipolo eléctrico estático (en lugar de un dipolo magnético) dentro de los rotores y un campo electromagnético fluctuante externo (corriente alterna, AC) para proporcionar energía para el movimiento mecánico. Los electretes son bien conocidos en la técnica y ahora se usan comúnmente en muchas aplicaciones y pueden proporcionar una rotación continua (ver, por ejemplo, Patentes de EE.UU. Nos. 3,696,258 y 7,196,521; Stong, 1968, Howto make electrets, devices that hold electrostatic charge, Scientific American). Por lo tanto, excepto que se indique de cualquier otra manera en la presente descripción, el proceso de la presente descripción puede llevarse a cabo de acuerdo con dichos procesos.

En los experimentos de resonancia magnética se prefieren los electretes en comparación con los dipolos magnéticos porque los rotores se colocan en campos magnéticos altos (> 1 Tesla) para los experimentos.

Dichos dipolos eléctricos estáticos ya se han empleado en experimentos de NMR de giro de ángulo mágico (MAS) para medir la frecuencia de giro (Patente de EE.UU. No. 7,196,521 a Doty). Mientras que la patente '521 emplea electretes para la medición de la frecuencia de giro con una antena, esta descripción prevé usar electretes y un campo magnético fluctuante externo impulsado para proporcionar energía de turbina para la propulsión angular.

El dipolo eléctrico estático del rotor puede crearse aplicando un campo eléctrico estático a una muestra que contiene iones móviles, seguido de congelar la muestra para "atrapar" las cargas positivas y negativas separadas. El dipolo eléctrico estático del rotor también puede ser un inserto de electrete de una cerámica, u otro material que tenga un momento dipolar intrínseco.

El campo electromagnético (AC) fluctuante puede generarse por dos, o más, elementos metálicos o conductores, que están en los alrededores o cerca del rotor. El potencial eléctrico de estos elementos puede controlarse en una forma dependiente del tiempo de modo que da como resultado un potencial eléctrico que acciona el rotor. El campo de AC también puede generarse mediante un solenoide u otro inductor en los alrededores o cerca del rotor, que se conecta a un suministro de energía de AC, lo que también da como resultado un potencial eléctrico dependiente del tiempo que ejerce un torque sobre el rotor.

La interacción del dipolo eléctrico estático con el potencial de AC externo también puede usarse para calentar la muestra.

La interacción del campo eléctrico también puede usarse para mantener el rotor en su lugar. En un ejemplo, el rotor puede tener un potencial eléctrico negativo neto, y un elemento debajo del rotor también puede tener un potencial negativo, lo que resulta en una fuerza repulsiva que mantiene el rotor en su lugar para experimentos de giro.

Kits

También se proporcionan kits. Dichos kits pueden incluir el dispositivo y los componentes descritos en la presente descripción y, en determinadas modalidades, instrucciones para el uso. Dichos kits pueden facilitar la realización de los métodos descritos en la presente descripción. Los componentes incluyen, pero no se limitan a, un rotor esférico, un estator, tapas, contenedores de muestras, una sonda, una bobina de RF, o herramientas de empaquetado de muestras.

En determinadas modalidades, los kits pueden suministrarse con materiales instructivos. Las instrucciones pueden imprimirse en papel u otro sustrato, y/o pueden suministrarse como un medio legible electrónicamente, tales como un disquete, mini-CD-ROM, CD-ROM,<D v D - R O M ,>disco Zip, cinta de vídeo, cinta de audio, y similares. Las instrucciones detalladas pueden no estar asociadas físicamente con el kit; en su lugar, puede dirigirse a un usuario a un sitio web de Internet especificado por el fabricante o el distribuidor del kit.

Las definiciones y los métodos descritos en la presente descripción se proporcionan para definir mejor la presente descripción y para guiar a los expertos en la técnica en la práctica de la presente descripción. A menos que se indique de cualquier otra manera, los términos deben entenderse de acuerdo con el uso convencional por los expertos en la técnica relevante.

En algunas modalidades, los números que expresan las cantidades de ingredientes, las propiedades tales como el peso molecular, las condiciones de reacción, etcétera, usadas para describir y reivindicar ciertas modalidades de la presente descripción deben entenderse como que se modifican en algunos casos por el término "aproximadamente." En algunas modalidades, el término "aproximadamente" se usa para indicar que un valor incluye la desviación estándar de la media para el dispositivo o método que se emplea para determinar el valor. En algunas modalidades, los parámetros numéricos establecidos en la descripción escrita y las reivindicaciones adjuntas son aproximaciones que pueden variar en dependencia de las propiedades deseadas que se pretenden obtener por una modalidad particular. En algunas modalidades, los parámetros numéricos deberían construirse a la luz del número de dígitos significativos reportados y aplicando técnicas de redondeo ordinarias. A pesar de que los intervalos y parámetros numéricos que exponen el amplio alcance de algunas modalidades de la presente descripción son aproximaciones, los valores numéricos expuestos en los ejemplos específicos se informan lo más exacto posible. Los valores numéricos presentados en algunas modalidades de la presente descripción pueden contener ciertos errores que resultan necesariamente de la desviación estándar encontrada en sus mediciones de prueba respectivas. La mención de los intervalos de valores en la presente descripción simplemente pretende servir como un método abreviado para referirse individualmente a cada valor separado que cae dentro del intervalo. A menos que se indique de cualquier otra manera en la presente descripción, cada valor individual se incorpora en la descripción como si se mencionara individualmente en la presente descripción.

En algunas modalidades, los términos "un" y "una" y "el/la" y referencias similares usadas en el contexto de describir una modalidad particular (especialmente en el contexto de algunas de las siguientes reivindicaciones) pueden interpretarse para cubrir tanto el singular como el plural, a menos que se indique específicamente de cualquier otra manera. En algunas modalidades, el término "o" como se usa en la presente, que incluye las reivindicaciones, se usa para significar "y/o" a menos que se indique explícitamente que se refiere a alternativas solamente o si las alternativas son mutuamente excluyentes.

Los términos "comprender", "tener" e "incluir" son verbos copulativos abiertos. Cualesquiera formas o tiempos de uno o más de estos verbos, como "comprende", "que comprende", "tiene", "que tiene", "incluye" y "que incluye", también son abiertos. Por ejemplo, cualquier método que "comprenda", "tenga" o "incluya" uno o más etapas no se limita a poseer sólo esas una o más etapas y también puede cubrir otras etapas no enumeradas. De manera similar, cualquier composición o dispositivo que "comprenda", "tenga" o "incluya" una o más características no se limita a poseer sólo esas una o más características y puede cubrir otras características no enumeradas.

Todos los métodos descritos en la presente descripción pueden llevarse a cabo en cualquier orden adecuado, a menos que se indique de otra forma en la presente descripción o de cualquier otra manera que se contradiga claramente por el contexto. El uso de cualquiera y de todos los ejemplos, o lenguaje ilustrativo (por ejemplo, "tales como") proporcionado con respecto a ciertas modalidades en la presente descripción pretende solamente iluminar mejor la presente descripción.

Las agrupaciones de elementos alternativos o las modalidades de la presente descripción descritas en la presente descripción no se han de interpretar como limitaciones. Cada miembro de un grupo puede referirse a y reivindicarse individualmente o en cualquier combinación con otros miembros del grupo u otros elementos encontrados en la presente descripción. Uno o más miembros de un grupo pueden incluirse en, o eliminarse de, un grupo por razones de conveniencia y/o patentabilidad. Cuando ocurra cualquiera de tal inclusión o eliminación, se considera en la presente descripción que la especificación contiene el grupo como modificado cumpliendo así la descripción escrita de todos los grupos de Markush usados en las reivindicaciones adjuntas.

Habiendo descrito la presente descripción en detalle, será evidente que son posibles modificaciones, variaciones, y modalidades equivalentes.

Ejemplos

Para ilustrar más la presente descripción, se proporcionan los siguientes ejemplos no limitantes. Los expertos en la técnica apreciarán que las técnicas descritas en los ejemplos siguientes representan enfoques que los inventores han encontrado que funcionan bien en la práctica de la presente descripción, y por lo tanto puede considerarse que constituyen ejemplos de modos para su práctica. Sin embargo, los expertos en la técnica deberían, a la luz de la presente descripción, apreciar que pueden realizarse muchos cambios en las modalidades específicas que se describen y aún obtener un resultado parecido o similar.

Ejemplo 1: molinete esférico dezirconia

El siguiente ejemplo describe un molinete esférico impreso en 3D a partir de zirconia (un rotor esférico). El rotor esférico se coloca en un estator (una platina). El estator (por ejemplo, un panel plano con un orificio o hendidura semicircular adecuada para el tamaño del rotor esférico) con una línea de aire acoplada a la platina facilitó el giro del rotor esférico. El aire fluyó a través de la línea de aire e hizo girar la muestra con estabilidad (en este ejemplo, al menos hasta 14,5 kHz).

La Figura 1 es una serie de imágenes que muestran el diseño de una modalidad del molinete esférico. La Figura 2 es una serie de imágenes que muestran imágenes fijas de un vídeo que muestra el contenedor de muestra esférico girando a 0 Hz (ver, por ejemplo, la Figura 2A) y a aproximadamente 6 kHz (con una velocidad máxima de 14,5 kHz) (B). Se sopla aire a través del tubo para hacer girar la esfera. La estabilidad se indica mediante una franja negra por el centro de la esfera (ver, por ejemplo, la Figura 2B).

Ejemplo 2: esferas giratorias (rotores esféricos)

El siguiente ejemplo describe el diseño de rotores esféricos y estatores y experimentos mediante el uso de los rotores esféricos y estatores en espectroscopia de NMR.

El giro de ángulo mágico (MAS) se usa comúnmente en la resonancia magnética nuclear de sólidos para mejorar la resolución espectral. En lugar de usar rotores cilíndricos para MAS, aquí se demuestra que los rotores esféricos pueden girarse de manera estable en el ángulo mágico. Los rotores esféricos conservan un espacio valioso en el cabezal de la sonda y simplifican el intercambio de muestras y el acoplamiento de microondas para la polarización nuclear dinámica (DNP). En esta implementación actual de rotores esféricos, una única corriente de gas proporciona gas de cojinete para reducir la fricción, impulsa la propulsión para generar y mantener el momento angular, y control de temperatura variable para termostatizar. Las ranuras se mecanizan directamente en esferas de zirconia, convirtiendo de esta manera el cuerpo del rotor en una turbina robusta con un torque alto. Demostrado aquí, los rotores esféricos de 9,5 mm de diámetro exterior pueden girarse a frecuencias de hasta 4,6 kHz con N<2>(g) y 10,6 kHz con He(g). La estabilidad angular del eje de giro se demuestra mediante la observación de ecos rotacionales de 79Br de hasta 10 ms desde el KBr empaquetado dentro de los rotores esféricos. La estabilidad de la frecuencia de giro de ±1 Hz se logra con control de retroalimentación de calentamiento resistivo. Puede acomodarse un tamaño de muestra de 36 |jl en esferas de 9,5 mm de diámetro con un orificio cilíndrico mecanizado a lo largo del eje de giro. Además, se mostró que las esferas pueden ahuecarse más ampliamente para acomodar 161 j l de la muestra, lo que proporciona una relación señal-ruido superior en comparación con los rotores cilíndricos tradicionales de 3,2 mm de diámetro.

La forma cilíndrica estrecha, larga de los rotores convencionales y la necesidad de que ellos giren en el ángulo mágico complican el proceso de intercambio de muestras. Los intercambios de muestras para rotores cilíndricos exigen un ajuste del ángulo del rotor o del estator para su inserción o expulsión dentro del orificio del imán. Esta alineación típicamente requiere un espacio considerable dentro del imán (30). Además, los rotores cilíndricos para la polarización nuclear dinámica (DNP) MAS criogénica es la técnica usada en estos experimentos, dirigido a mejorar la relación señal-ruido de NMR, y presentan desafíos significativos para el acoplamiento de microondas en la muestra (31-33).

Como se describe en la presente descripción hay métodos para mejorar la instrumentación MAS para simplificar el intercambio de muestras, mejorar la DNP, reducir el uso de criógeno, y acceder a frecuencias de giro > 150 kHz (34). Se han hecho girar rotores esféricos metálicos macroscópicos hasta 667 kHz mediante el uso de cojinetes electromagnéticos y energía motriz (35). Aunque esta tecnología no se traduciría directamente en MAS dentro de imanes superconductores (debido al desajuste de susceptibilidad magnética de las esferas giratorias metálicas), el hecho de que las esferas macroscópicas puedan girarse de manera efectiva es importante y explotable. Como tal, se concibieron rotores esféricos para MAS.

Los rotores esféricos tienen distintas ventajas sobre los rotores cilíndricos. La oscilación sobre el eje longitudinal de los rotores cilíndricos da como resultados colisiones de cojinetes que pueden destruir la muestra y el estator. El rotor esférico isotrópico alivia estos problemas, porque la oscilación alrededor de un eje distinto del eje de giro primario no da como resultado colisiones del estator. Además, esta implementación de un rotor esférico permite un intercambio de muestras vertical simplificado mientras que proporciona mejor acceso a la iluminación de microondas. Como se describió en la presente descripción hay los rotores esféricos para MAS y la demostración de espectroscopia de NMR MAS de muestras empaquetadas dentro de rotores esféricos que giran de manera estable en el ángulo mágico.

Materiales y métodos

Hay fuentes comerciales de esferas de alta precisión, costo relativamente bajo disponibles como lubricantes industriales y cojinetes de bolas. Las cámaras de muestra se mecanizaron con un volumen de cámara de muestra de 36 o 161 |jl en esferas sólidas de zirconia estabilizada con itria (ZrOz) con un diámetro de 9,525 mm (la Figura 3B y la Figura 3C). En el rotor esférico se cortaron longitudinalmente doce ranuras de turbina (O'Keefe Ceramics). Se usaron separadores Kel-F y epoxi para sellar las cámaras de muestra (la Figura 3 B y la Figura 3C). Los estatores para alojar los rotores esféricos se imprimieron tridimensionalmente (3D) a partir de un material de acrilonitrilo-butadieno-estireno (impresora Form 2 SLA, ClearV4 Resin, Formlabs).

Todos los experimentos se realizaron a una Bo = 7,05 T correspondiente a una frecuencia de Larmor 79Br de 75,214 MHz. Los espectros se registraron con una sonda de línea de transmisión, de dos canales, hecha a medida que hacía resonar una bobina de muestra de solenoide dividida. Para rotores esféricos se usó una caída de Bloch con una longitud de pulso de 20 js , con un retraso de reciclaje de 1 s. Las frecuencias de giro se midieron en un aparato de prueba fuera del imán con un tacómetro láser LT-880 (Terahertz Technologies Inc.), como se muestra en la Figura 5. Las frecuencias de giro durante los experimentos de NMR se midieron con fibra óptica y una unidad de control MAS (Tecmag).

Resultados y debate

Diseño del rotor esférico

Los rotores esféricos contienen cámaras de muestra cilíndricas y ranuras de turbina ecuatoriales cortadas en la superficie del rotor. Se logra un gran momento de inercia y una estabilidad del giro mejorada asegurando que la distribución de masa de la zirconia de alta densidad esté alejada del eje de giro. La cámara de muestra de 36 j l en rotores esféricos coincide con el rotor cilíndrico de 3,2 mm (la Figura 3A y la Figura 3B), y los rotores de 9,5 mm de diámetro periférico se ahuecaron aún más para acomodar 161 j l de la muestra (la Figura 3C). La conversión del cuerpo del rotor de zirconia en una turbina, en lugar de depender de insertos de turbina, proporciona una plataforma de accionamiento robusta con un torque alto. La combinación de cámaras de muestra cilíndricas y ranuras establece un eje de rotación preferido alrededor de un único eje (la Figura 3B y la Figura 3C). Esto permite insertar el rotor esférico en orientaciones arbitrarias dentro del estator (la Figura 6). Cuando se aplica gas giratorio, la esfera rápidamente muestrea diferentes orientaciones hasta que se establece la rotación alrededor del eje preferido.

Estator para rotor esférico

La creación de prototipos de geometrías de estator con impresión 3D aceleró enormemente la producción de un diseño de estator exitoso (la Figura 7). En este caso, se eligieron dimensiones relativamente grandes (9,5 mm de diámetro) para aprovechar la creación rápida de prototipos con una resolución fácilmente disponible para la impresión 3D. Por ejemplo, se imprimieron y probaron 232 estatores para hacer girar rotores esféricos. Se espera que el rendimiento de giro mejore a medida que el flujo de fluido se optimice aún más dentro de estatores fabricados con precisión.

La Figura 4 muestra una selección de cuatro diseños de estator que demuestran la progresión hacia la implementación actual. Inicialmente, el estator estaba cerrado, y se usaron múltiples corrientes de gas (la Figura 4A), comparables a cojinetes y copas de accionamiento dentro de estatores MAS cilíndricos. Sin embargo, estos diseños no eran tan estables debido a la pobre dinámica del flujo de fluidos. La simplificación del diseño a una sola corriente de gas dio como resultado el giro alrededor de un solo eje. La estabilidad del giro con el estator de corriente única mejoró enormemente al agregar una trayectoria para guiar el gas de escape (la Figura 4B). La colocación de la abertura de entrada de gas dentro del estator hemisférico en el complemento del ángulo mágico dio como resultado una MAS estable (la Figura 4C). Además, la Figura 4D muestra una extrusión vertical de 2 mm que mejora el flujo de fluido, lo que resulta en un giro más rápido. Los orificios ciegos para fibra óptica dejan pasar suficiente luz para permitir la detección de la frecuencia de giro sin afectar el flujo de fluido (la Figura 4D).

El diseño actual del estator (la Figura 4D y la Figura 8) incorpora solo una única corriente de gas, que proporciona simultáneamente gas de cojinete para reducir la fricción, propulsión para generar y mantener el momento angular, y control de temperatura variable para la termostatizar. Introduciendo esta corriente de gas debajo de la esfera a 35,3° de Bo suspende la esfera y genera la rotación de la muestra en el ángulo mágico de 54,7° (la Figura 8A). Un plano al final de la entrada de gas, que es tangente a la copa impulsora hemisférica, guía el gas giratorio hacia el estator (la Figura 8B). El gas giratorio sale luego a través de la salida de gas de escape opuesta a la entrada de gas. La entrada de gas y la salida de gas de escape se diseñaron en un plano común que es perpendicular al eje de giro del rotor. La Figura 8c y la Figura 8D muestran la trayectoria del flujo del gas giratorio a través del estator.

Sondas de NMR

La bobina de transmisión-recepción es un solenoide dividido de cuatro vueltas enrollado alrededor del estator. Este diseño permite el acceso vertical a la muestra, aunque con sensibilidad de NMR disminuida debido a un factor de llenado bajo. Los estatores fueron diseñados para ser compatibles con las sondas de NMR actuales en el laboratorio. El diseño interactúa con un aparato de ajuste para la optimización del ángulo mágico y también mejora la iluminación de microondas para DNP (la Figura 9). La implementación de rotores esféricos simplificó el intercambio de muestras al permitir el acceso vertical a la muestra. Esto eliminó la necesidad de girar lo mismo el rotor o el estator antes del intercambio de muestras, como es necesario para los rotores cilíndricos (30). El intercambio de muestras descrito en la presente descripción imita los sistemas usados típicamente en la instrumentación de NMR en solución. Se usó un tubo simple conectado a una aspiradora de húmedo/seco (modelo 3VE20, Dayton Electric Mfg. Co.) para extraer e insertar la esfera. Con ajustes menores, este nuevo diseño compacto de estator y rotor de NMR MAS puede implementarse en una amplia variedad de sondas de NMR tanto para imanes de diámetro estrecho y ancho.

Resultados con KBr

79Br produce bandas laterales giratorias cuadrupolares que se usan para optimizar el ángulo mágico (36). Se observaron ecos rotacionales a 10 ms en el dominio del tiempo (la Figura 10A). La transformada de Fourier de la señal mostró bandas laterales separadas por la frecuencia de giro de 4297 Hz (la Figura 10B). La resonancia central tenía un ancho de 123 Hz a media altura, mientras que la primera banda lateral tenía un ancho de 143 Hz a media altura, lo que indica que el giro coincide estrechamente con 54,7° con respecto al campo magnético Bo. La Figura 10C muestra las relaciones de altura de los picos de la banda central y las segundas bandas laterales contra la desviación del ángulo mágico, similar a la descripción de Frye y Maciel (36). La altura relativa de la banda central en comparación con las bandas laterales disminuye a medida que el ángulo de rotación se acerca al ángulo mágico. La Figura 10C indica la capacidad para optimizar el ángulo mágico en experimentos de NMR MAS. La Figura 10D y la Figura 10E muestran la frecuencia de giro regulada y no regulada durante 22 min. La regulación de la frecuencia de giro usó un elemento de calentamiento de alambre de nicromo de 12 ohmios para regular la temperatura del gas (la Figura 5) (37). La Figura 10F indica que el 98% de las frecuencias medidas caen dentro de 4560 ± 1 Hz. Este sistema de regulación de frecuencia puede mejorar la estabilidad del giro en las esferas.

Las bandas laterales de primer orden en el espectro de 79Br de KBr se usaron para comparar la sensibilidad de NMR de tres geometrías de rotor MAS: un rotor cilíndrico de 3,2 mm, un rotor esférico de 36 pl, y un rotor esférico de 161 pl (la Figura 3D a la Figura 3F). Cada espectro es un promedio de 256 transitorios. Aunque el factor de llenado de los rotores esféricos en una bobina de solenoide dividida no es ideal, el rotor esférico de 161 pl produce mejores relaciones señal-ruido que el rotor cilíndrico de 3,2 mm.

También se investigaron las ventajas mecánicas que facilita la forma esférica de los rotores al aumentar aún más las fuerzas centrífugas del giro. El gas helio a alta presión dio como resultado un giro de >10 kHz de los rotores esféricos de 9,5 mm de diámetro. Los rotores dentro del diseño del estator mostrado en la Figura 4D y la Figura 8 se hicieron girar a 10,6 kHz mediante el uso de He(g) de 11 bar en un aparato de prueba fuera del imán (la Figura 11). La esfera mantuvo una estabilidad de giro por encima de 10 kHz, similar a la demostrada en la Figura 10D. Esta observación proporciona la promesa que, con una mayor optimización del flujo de fluido y el escalado a tamaños más pequeños, pueden lograrse frecuencias de giro de >150 kHz.

Creación rápida de prototipos mediante impresión 3D

Los estatores que alojan los rotores esféricos y proporcionan una dinámica de fluidos adecuada para el giro de ángulo mágico (MAS) estable de alta frecuencia se imprimieron en 3D (impresora Form2 SLA, Formlabs, Somerville, MA). La impresión 3D permitió la creación rápida de prototipos y aceleró enormemente esta fase de diseño inicial. Se diseñaron, fabricaron y probaron 232 estatores como se muestra en la Figura 7, la que muestra varias etapas de los diseños. El objetivo de esta creación rápida de prototipos fue diseñar un estator que proporcione MAS estable, detección de frecuencia de giro, y expulsión de muestras para rotores esféricos.

Estación de prueba MAS para estatores impresos en 3D

Las frecuencias del rotor esférico se detectaron con un tacómetro láser LT-880 (Terahertz Technologies Inc., Oriskany, NY) que estaba conectado a un osciloscopio (Tektronix MDO3034). Para mejorar la regulación de la estabilidad del giro, se colocaron cuatro marcas en el rotor esférico en lugar de una (la Figura 5A). Se instaló un alambre de nicromo de 12 O en la entrada de gas para calentar el gas para la regulación del giro (37) (la Figura 5B-la Figura 5C).

MAS (10,6 kHz) con gas helio

Con el diseño actual del estator (la Figura 4D y la Figura 8) y la estación de prueba que se muestra en la Figura 5, se demostró una frecuencia de giro de 10,6 kHz fuera del imán mediante el uso de 160 psi de gas helio (la Figura 11).

Reproducibilidad de la frecuencia de giro

Para asegurar la reproducibilidad de la frecuencia de giro, se probaron múltiples rotores esféricos y múltiples copias del estator. Se probaron cuatro rotores esféricos diferentes con el mismo estator, como se muestra en la TABLA 1. La estabilidad de giro de menos de 5 Hz para los rotores probados demuestra que la frecuencia de giro y la estabilidad del giro no dependieron en gran medida de la inconsistencia del empaquetado. Se probaron once copias diferentes del mismo estator con un rotor esférico (TABLA 2). La estabilidad del giro de diez de las once copias del estator es menor que 2 Hz, lo que indica la excelente reproducibilidad del diseño impreso en 3D.

T l 1. Pr ir n l mi m r if r n r r f ri .

T l 2. Pr ir n l mi m r r f ri if r n i l r.

Correlación entre la temperatura y la frecuencia de giro.

La correlación entre la temperatura y la frecuencia de giro se registró a medida que el rotor esférico giraba hasta 5,5 kHz y de regreso hacia abajo hasta detenerse mediante el uso de aire (la Figura 12). Las temperaturas se registraron mediante el uso de un termómetro infrarrojo (IR) (Termómetro IR Fluke 62 MAX) a aproximadamente 6 pulg. de distancia del objeto a medir. La temperatura de la mesa con la estación de prueba de giro se midió como la temperatura ambiente para garantizar que las fluctuaciones de temperatura dentro de la habitación no afectaran la temperatura del rotor esférico. La fluctuación de la temperatura fue por debajo de 0,7 °C, lo que indica poca dependencia de la temperatura en las frecuencias MAS. Se observó una ligera disminución de la temperatura en el rotor cuando aumentó la frecuencia de giro. Este enfriamiento se atribuyó al aumento de la capacidad de enfriamiento del aire a mayor régimen de flujo. A frecuencias <10 kHz, el calor transferido por la fricción de la energía cinética de las moléculas de aire en la superficie del rotor no parece ser suficiente para inducir el calentamiento.

Conclusión

Se ha demostrado que las esferas MAS tienen ventajas prácticas sobre sus contrapartes cilindricas. Se espera que la implementación de rotores esféricos conduzca a frecuencias de giro más altas a través de la optimización de la geometría de la turbina y el estator. Con el diseño relativamente sencillo de los rotores esféricos y los estatores de soporte actuales, la implementación de las esferas MAS descritas aquí debería escalar bien a rotores de tamaño micrométrico. El acceso a rotores pequeños puede habilitar mejor MAS a frecuencias > 150 kHz (34), y actualmente se están diseñando esferas a < 2 mm para MAS DNP.

La abertura única en los estatores usados para hacer girar rotores esféricos podría facilitar la adopción de MAS DNP criogénico en imanes de calibre estrecho. Actualmente, se requieren líneas de transferencia con camisa de vacío para proporcionar gases de temperatura variable, de cojinete, y de transmisión separados. Las esferas MAS, como se demuestra en la presente descripción, solo requieren una única corriente de gas, lo que reduce el espacio requerido dentro de los orificios de los imanes superconductores de alto campo.

La sensibilidad de NMR de las muestras empaquetadas dentro de rotores esféricos puede mejorarse mediante modificaciones de la bobina de transmisión-recepción y los estatores. Por ejemplo, las geometrías de bobina, tales como las bobinas de desviación pueden producir mejores factores de llenado y aún están abiertas un intercambio vertical simplificado de muestras. Dichos inductores también pueden permitir un acoplamiento de microondas más eficiente a la muestra para experimentos MAS DNP mientras que mantiene la capacidad de intercambio de muestras.

Finalmente, los rotores esféricos para resonancia magnética también pueden tener una aplicación generalizada en giro de ángulo variable (VAS), giro de ángulo conmutado (SAS) (38-40), y rotación de doble ángulo (DOR) (41, 42). Por ejemplo, introducir una segunda entrada de gas en el estator puede establecer un giro fuera del ángulo mágico. Se espera que los rotores esféricos desempeñen un papel destacado en el futuro desarrollo de NMR MAS.

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Claims (15)

REIVINDICACIONES

1. Un sistema para usar en espectroscopia de resonancia magnética nuclear, NMR, el sistema que comprende un rotor esférico (902), el rotor esférico (902) que comprende:

una superficie de rotor esférico;

un eje de rotor esférico;

una pluralidad de muescas separadas ecuatorialmente en la superficie del rotor esférico, en donde la pluralidad de muescas separadas ecuatorialmente se separan ecuatorialmente alrededor del eje del rotor esférico; una cámara de muestra que comprende un eje de la cámara de muestra, en donde el eje de la cámara de muestra es paralelo al eje del rotor esférico; y

una o más tapas de cámara de muestra (310) para contener una muestra en la cámara de muestra.

2. El sistema de acuerdo con la reivindicación 1, que comprende además un estator (804) adecuado para la incorporación y el giro del rotor esférico (902), en donde el estator (804) opcionalmente comprende al menos una entrada de gas y al menos una salida de gas de escape.

3. El sistema de una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde:

el estator (804) comprende una o más líneas de fluido;

el estator (804) comprende una o más salidas de gas de escape; o

el estator (804) comprende orificios ciegos para la incorporación de un cable de fibra óptica.

4. El sistema de una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde el rotor esférico (902) está entre aproximadamente 1 micra y 20 micras en tamaño.

5. El sistema de una cualquiera de las reivindicaciones anteriores en donde:

el rotor esférico (902) es un rotor impreso en 3D, o el rotor esférico (902) comprende zirconia o una composición que tiene un momento dipolar intrínseco; o

el estator (804) es un estator impreso en 3D.

6. El sistema de una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que comprende además una bobina de transmisión-recepción de RF, la bobina de transmisión-recepción de RF que comprende un solenoide dividido de cuatro vueltas enrollado alrededor del estator (804) o el rotor esférico (902), en donde el sistema es adecuado para su incorporación en una sonda de NMR.

7. El sistema de una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde las muescas proporcionan torque al rotor esférico (902) cuando se aplica un suministro de fluido al rotor esférico (902).

8. El sistema de una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde el estator (804) comprende una entrada de gas para proporcionar un suministro de fluido al rotor esférico, el suministro de fluido se proporciona al cojinete y a la turbina.

9. El sistema de una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que comprende además una línea de fluido para enfriar un fluido y el rotor esférico (902) a una temperatura de menos de aproximadamente 4,2 K; y opcionalmente un vacío para alcanzar la temperatura por debajo de 2,23 K.

10. El sistema o método de una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que comprende además un sistema de intercambio de muestras mediante el uso del rotor esférico (902), en donde el sistema de intercambio de muestras comprende un tubo de intercambio de muestras y una línea de vacío o línea de aire para expulsar la muestra.

11. El sistema de una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde el rotor esférico (902) contiene la muestra (302).

12. El sistema de acuerdo con la reivindicación 6, en donde la sonda de NMR es una sonda de NMR de estado sólido, una sonda de NMR de estado líquido, o una sonda de NMR MAS-DNP criogénica.

13. Un método para obtener una señal de resonancia magnética nuclear, NMR, que comprende:

proporcionar una muestra (302);

insertar la muestra (302) en un rotor esférico (902) que comprende muescas separadas ecuatorialmente; colocar el rotor esférico (902) sobre o dentro de un estator (804), en donde el estator (804) está dentro de una sonda de NMR;

hacer girar el rotor esférico (902) a una frecuencia que oscila de aproximadamente 0 kHz a aproximadamente 130 kHz; y

obtener una señal de NMR de la muestra (302).

14. El método de la reivindicación 13, en donde, tras la aplicación de uno cualquiera de:

un fluido,

un campo eléctrico dependiente del tiempo,

un campo magnético dependiente del tiempo,

un campo electromagnético dependiente del tiempo, o

luz polarizada circularmente; el rotor esférico (902) actúa como una turbina.

15. El método de la reivindicación 13 o 14, que comprende además hacer girar el rotor esférico (902) a aproximadamente 54,7356°, es decir en el ángulo mágico, con respecto a un campo magnético.