JP2005274427A

JP2005274427A - 核磁気共鳴用磁場固定装置

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Publication number: JP2005274427A
Application number: JP2004089445A
Authority: JP
Inventors: Nobuaki Nemoto; 根本暢明; Ryoji Tanaka; 田中良二
Original assignee: Jeol Ltd
Current assignee: Jeol Ltd
Priority date: 2004-03-25
Filing date: 2004-03-25
Publication date: 2005-10-06

Abstract

【課題】試料温度に依存してロック信号の化学シフト値が変化することに由来する測定誤差を無くすことのできるＮＭＲ用磁場固定装置を提供する。
【解決手段】静磁場中に配置される試料の中または試料の近傍に配置されたロック用試料に、ロック核の共鳴周波数を持つロック用高周波を照射し、それにより発生したロック用試料由来のロック信号に基づいて、静磁場強度をフィードバック制御することにより、静磁場を安定化する核磁気共鳴用磁場固定装置において、前記ロック用高周波の周波数を、試料の温度情報に基づく化学シフト値に基づいて補正するようにした。
【選択図】図３

Description

本発明は、核磁気共鳴（ＮＭＲ）装置の検出器に用いられるＮＭＲ用磁場固定装置に関する。

ＮＭＲ装置は、静磁場中に置かれた被測定試料にＲＦパルスを照射すると共に、照射したＲＦパルスにより励起された被測定試料から放出されるＮＭＲ信号をスペクトルとして記録するようにした磁気共鳴装置の一種である。被測定試料中に核スピンを持った核が存在すると、ＲＦパルスの印加に伴って核スピンの励起が起こり、被測定試料の分子構造を反映したＮＭＲ信号が放出されて記録計に記録される。このＮＭＲ信号を解析することにより、被測定試料の分子構造に関する情報を得ることができる。

図１は、従来のＮＭＲ装置の構成例である。図中１は、測定試料４に印加する静磁場を発生するためのＮＭＲ共鳴磁場発生用主コイルである。主コイル１の内側には、主コイル１が発生する静磁場強度を補正するための補正磁場発生コイル２、測定試料４に核スピン励起用ＲＦパルスを印加すると共に、測定試料４から発生するＮＭＲ信号を検出するＮＭＲ検出コイル３が同心円状に配置されている。

従来のＮＭＲ装置には、ＮＭＲ信号を測定中、試料に印加されている静磁場の強度が、ドリフトなどによって変化しないように、磁場強度を一定に保つための磁場固定装置が設けられている。静磁場の固定は、ロックと呼ばれ、測定試料溶媒中の所定のロック核に対して、ロック核の共鳴周波数を持つロック用ＲＦパルスを印加した後、ロック核から放出されるＮＭＲ信号（以下、ロック信号と呼ぶ）を検出し、そのロック信号の周波数が常に一定の値に安定化されるように、静磁場強度をフィードバック制御する。これを、図１に基づいて説明する。

まず、ロック信号共鳴周波数値１０ａに基づいて、中間周波信号を低周波発生器１０で発生させる。これを、中間周波増幅器７で増幅した後、ローカル高周波オシレータ８で発生された高周波信号と高周波ミキサー６で混合して、最終的なロック共鳴高周波信号を生成させる。そして、このロック共鳴高周波信号を、高周波スイッチ５を通して検出コイル３に印加することにより、測定試料溶媒中のロック核を励起させる。

次に、高周波スイッチ５が高周波ミキサー９側に切り換わると、ＮＭＲ信号測定用試料管４から放出されたロック信号は、高周波ミキサー９に導かれ、高周波ミキサー９でローカル高周波オシレータ８からの局部発信信号と混合されて、中間周波信号を生成する。この中間周波信号は、中間周波増幅器１１で増幅された後、位相検波器１３を用いて、中間周波発生器１０からの参照信号により、９０゜の位相で位相検波される。位相検波後の信号（ＮＭＲ分散信号が直流成分として出力されたもの）は、磁場補正電流発生器１６で補正磁場オフセット値１６ａと加算されて、その出力信号で、補正磁場発生コイル２の励磁を制御することにより、ＮＭＲ共鳴磁場発生用主コイル１と補正磁場発生コイル２とで重畳・発生される静磁場を安定化している。この動作をフローチャートに示したものが、図２である。

特開平３−１５６３９４号公報。

特開平６−１４８３０３号公報。

特開平７−４９３６９号公報。

C. Amman et al., Journal of Magnetic Resonance, vol. 46, pp. 319-321 (1982). G. C. Levy et al., Journal of Magnetic Resonance, vol. 37, pp. 353-356 (1980).

この磁場固定のためのロック信号を発生する溶媒をロック化合物と呼ぶ。一般に、ＮＭＲ測定では、測定試料の化学的性質により、種々のロック化合物（溶媒）を使い分ける必要がある。しかも、ロック信号の共鳴周波数は、測定温度に依存して、ロック化合物毎に異なる特性で変化することが知られている。

ところが、従来技術においては、ロック化合物に由来するロック信号の化学シフト値は、温度に対しては変化しない、という前提で取り扱われてきたため、異なる温度で測定したＮＭＲスペクトル同士を比較すると、ロック信号の温度依存性に伴って測定誤差を生じ、見かけ上、測定温度毎に、測定試料由来のＮＭＲ信号の化学シフト値が変化しているように見える場合がある。

本発明の目的は、上述した点に鑑み、試料温度に依存してロック信号の化学シフト値が変化することに由来する測定誤差を無くすことのできるＮＭＲ用磁場固定装置を提供することにある。

この目的を達成するため、本発明にかかるＮＭＲ用磁場固定装置は、
静磁場中に配置される試料の中または試料の近傍に配置されたロック用試料に、ロック核の共鳴周波数を持つロック用高周波を照射し、それにより発生したロック用試料由来のロック信号に基づいて、静磁場強度をフィードバック制御することにより、静磁場を安定化する核磁気共鳴用磁場固定装置において、
前記ロック用高周波の周波数を、試料の温度情報に基づく化学シフト値に基づいて補正するようにしたことを特徴としている。

また、前記化学シフト値は、前もって表として保持している値、あるいは、計算式により計算された値に基づいて補正することを特徴としている。

また、前記温度情報は、試料温度可変装置に設定された設定温度であることを特徴としている。

また、前記温度情報は、試料近傍に設置された温度センサーの温度であることを特徴としている。

また、前記温度情報は、試料中、または試料近傍の¹Ｈ−ＮＭＲ情報に基づいて決定された温度であることを特徴としている。

また、前記¹Ｈ−ＮＭＲ情報は、メタノールのメチルプロトンと水酸基プロトンとの間の化学シフト値の差の値であることを特徴としている。

また、前記温度情報は、試料中、または試料近傍の⁵⁹Ｃｏ−ＮＭＲ情報に基づいて決定された温度であることを特徴としている。

また、前記⁵⁹Ｃｏ−ＮＭＲ情報は、⁵⁹Ｃｏ錯体の０℃における⁵⁹Ｃｏの絶対周波数からのずれ周波数であることを特徴としている。

また、前記⁵⁹Ｃｏ錯体は、ヘキサシアノコバルト酸（III）カリウム、またはコバルトトリスアセチルアセトナトであることを特徴としている。

本発明のＮＭＲ用磁場固定装置によれば、静磁場中に配置される試料の中または試料の近傍に配置されたロック用試料に、ロック核の共鳴周波数を持つロック用高周波を照射し、それにより発生したロック用試料由来のロック信号に基づいて、静磁場強度をフィードバック制御することにより、静磁場を安定化する核磁気共鳴用磁場固定装置において、前記ロック用高周波の周波数を、試料の温度情報に基づく化学シフト値に基づいて補正するようにしたので、試料温度に依存してロック信号の化学シフト値が変化することに由来する測定誤差を無くすことのできるＮＭＲ用磁場固定装置を提供することが可能になった。

以下、図面を参照して、本発明の実施の形態を説明する。図３は、本発明にかかるＮＭＲ用磁場固定装置の一実施例である。図中２１は、測定試料２７に印加する静磁場を発生するためのＮＭＲ共鳴磁場発生用主コイルである。主コイル２１の内側には、主コイル２１が発生する静磁場に補正磁場を重畳して、静磁場強度を安定に制御するための補正磁場発生コイル２２、測定試料２７に核スピン励起用ＲＦパルスを印加すると共に、測定試料４から発生するＮＭＲ信号を検出するロック用送受信コイル２４と観測核用送受信コイル２５を内蔵したプローブ２３が、同心円状に配置されている。

プローブ２３の内部に置かれたＮＭＲ試料管２６中には、観測すべき測定試料２７（例えば１ｍＭショ糖溶液）とロック化合物（例えばＤ₂Ｏ）が入っている。観測用信号励起回路３５で発生された励起信号は、プローブ２３内の観測核用送受信コイル２５から試料管２６へ発信され、励起後、試料管２６内の測定試料から放出されるＮＭＲ信号は、同じ観測用送受信コイル２５で受信され、観測用信号受信回路３６を介して、スペクトル処理コンピュータ３７により、ＮＭＲスペクトルとして取り出される。

また、ロック信号励起回路２９で発生された励起信号は、プローブ２３内のロック用送受信コイル２４から試料管２６へ発信され、励起後、試料管２６内のロック化合物２７から放出されるロック信号は、同じロック用送受信コイル２５で受信され、ロック信号受信回路３０を介して、ロック信号として取り出される。ロック信号は、アナログないしデジタルの補正磁場演算回路３１で、補正に必要な磁場補正回路に流す電流値に換算され、磁場補正電流発生回路３２から、補正磁場発生コイル２２に電流を流すことにより、主コイル２１が発生する静磁場強度を補正し、所定の値に安定化する。

一方、測定試料２７の温度は、プローブ２３内の試料管２６の近傍に設けられた熱電対などの温度センサー２８で測定され、その値が温度可変制御回路３４に渡され、予め温度可変制御回路３４に設定された設定温度との差に基づいて、温度可変制御回路３４がプローブ２３内に設けられたヒータ３３に流す電流量を決定し、ヒータ３３を加熱して、測定試料２７の温度を目的の温度に到達させる。目的の温度が室温近辺ないしはそれ以下の場合は、冷却した空気、窒素ガスなどで測定試料２７を冷却する。

このようなＮＭＲ装置において、温度可変制御回路３４に予め設定された温度は、測定試料温度のごく近傍であることを期待して良い。そこで、この設定値の温度情報を、温度可変制御回路３４からアナログないしデジタルの補正磁場演算回路３１に渡し、この設定温度におけるロック化合物（例えばＤ₂Ｏ）の正確な化学シフト値を、前もって表として保持している値、あるいは、計算式により計算された値として求める。ロック信号の正確な化学シフト値が決まれば、ロック周波数も自動的に決まる。これをロックの目標周波数、すなわち、図１で言うところのロック信号共鳴周波数値１０ａとして使用し、ロック信号の共鳴周波数が、その目標周波数に一定に保たれるように、補正磁場発生コイル２２に補正電流を流し、主コイル２１が発生する静磁場に補正磁場発生コイル２２が発生する補正磁場を重畳させて、測定試料２７に印加される静磁場の強度を、所定の値にフィードバック制御する。この動作をフローチャートに示したものが、図４である。

本実施例には、変形例が可能である。例えば、上記実施例では、測定試料の温度情報として、温度可変制御回路３４に予め設定された設定温度を利用したが、設定温度の代わりに、温度センサー２８によって測定された試料管２６の近傍の温度測定値を利用しても良い。この動作をフローチャートに示したものが、図５である。

更に、ある種の化合物の、ＮＭＲ信号の化学シフト値は、温度変化に対して敏感である。例えば、非特許文献１に述べられているように、ニートなメタノールの温度は、メタノールの¹Ｈ−ＮＭＲ信号のメチルプロトンと水酸基プロトンとの間の、化学シフト値の差の値Δδから、
Ｔ（Ｋ）＝ 409.0 − 36.54Δδ − 21.85（Δδ）²
のように表わされる。ここで、Ｔは、メタノールの絶対温度である。従って、ロック系の測定、観測核系の測定に加えて、メタノールの¹Ｈ−１次元ＮＭＲ測定を行なえば、メタノールのＮＭＲ信号から、試料の温度を直接求めることができる。

尚、観測核系の測定が、¹Ｈ−１次元ＮＭＲの測定であるような場合は、メタノールのＮＭＲ測定は、目的の観測核系の測定と同一になり、別途測定を行なう必要はない。

この温度情報を、図６に示すように、スペクトル処理コンピュータ３７から、前記補正磁場演算回路３１に渡すようにすれば良い。そして、その場合、その温度におけるロック化合物（例えばＤ₂Ｏ）の化学シフト値を、前もって表として保持している値、あるいは、計算式により計算された値として求めれば、ロック周波数はこの化学シフト値から自動的に決まるので、これをロックの目標周波数として使用することができる。ロックがかかっている状態では、ロック化合物の共鳴周波数は、この目標周波数の値に一定に維持されるように、静磁場強度がフィードバック制御される。この動作をフローチャートに示したものが、図７である。

尚、上記実施例は、いずれも、ロック系と観測核系の、２つの測定系の存在を前提としているが、それらに加えて、第３の測定系を設けても良い。

例えば、図８に示すように、プローブ２３の内部に置かれたＮＭＲ試料管２６中には、観測すべき測定試料２７（例えば１ｍＭショ糖溶液）とロック化合物（Ｄ₂Ｏ）が入っている。また、温度基準物質として、例えば、⁵⁹Ｃｏ錯体であるヘキサシアノコバルト酸（III）カリウム（K₃Co(CN)₆）、あるいは、コバルトトリスアセチルアセトナト（Co(acac)₃）が用意されている。これらの⁵⁹Ｃｏ錯体は、溶液にして、測定試料中に加えても良いし、化学反応等を避けるため、ガラス管に封入した上で、試料管２６に加えても良い。この場合、温度計測用送受信コイル３８が別途用意される。また、図９に示すように、試料管２６の近傍に、温度計測用試料管４２と温度計測用送受信コイル３８を別途用意して、温度計測用試料管４２に前記⁵⁹Ｃｏ錯体を封入して用いても良い。

観測用信号励起回路３５で発生された励起信号は、プローブ２３内の観測用送受信コイル２５から試料管２６へ発信され、励起後、試料管２６内の測定試料２７から放出されるＮＭＲ信号は、同じ観測用送受信コイル２５で受信され、観測用信号受信回路３６を介して、スペクトル処理コンピュータ３７により、ＮＭＲスペクトルとして取り出される。

また、ロック信号励起回路２９で発生された励起信号は、プローブ２３内のロック用送受信コイル２４から試料管２６へ発信され、励起後、試料管２６内の測定試料２７中のロック化合物から放出されるロック信号は、同じロック用送受信コイル２５で受信され、ロック信号受信回路３０を介して、ロック信号として取り出される。ロック信号は、アナログないしデジタルの補正磁場演算回路３１で、補正に必要な磁場補正回路に流す電流値に換算され、磁場補正電流発生回路３２から、補正磁場発生コイル２２に電流を流すことにより、主コイル２１が発生する静磁場強度を補正し、所定の値に安定化する。

また、温度計測用信号励起回路３９で発生された励起信号は、プローブ２３内の温度計測用送受信コイル３８から温度計測用試料管４２へ発信され、励起後、温度計測用試料管４２内の測定試料から放出されるＮＭＲ信号は、同じ温度計測用送受信コイル３８で受信され、温度計測用信号受信回路４０を介して、温度計測信号処理コンピュータ４１により、温度情報を含んだＮＭＲスペクトルとして取り出される。

一方、測定試料２７の温度は、前記コバルト錯体の⁵⁹Ｃｏ−ＮＭＲ測定により求められる。非特許文献２によれば、⁵⁹Ｃｏ−ＮＭＲの信号は、温度変化に対して、きわめて敏感である。前記コバルト錯体の０℃における⁵⁹Ｃｏの絶対周波数からのずれ値δ_Coは、
Ｔ（℃）＝ δ_Co ／ 1.504 （K₃Co(CN)₆の場合）
Ｔ（℃）＝ δ_Co ／ 3.153 （Co(acac)₃の場合）
のように表わされる。

従って、ロック系と観測核系の２つの測定系に加えて、上述のような温度計測用の第３の測定系を設け、⁵⁹Ｃｏ−１次元ＮＭＲ測定を行ない、前記コバルト錯体の０℃における⁵⁹Ｃｏの絶対周波数からのずれ値δ_Coを求めれば、測定試料そのものの温度、ないしは、測定試料近傍の温度を知ることができる。

この温度情報を、図８及び図９に示すように、温度計測信号処理コンピュータ４１から、補正磁場演算回路３１に渡すようにすれば良い。そして、その場合、その温度におけるロック化合物（例えばＤ₂Ｏ）の化学シフト値を、前もって表として保持している値、あるいは、計算式により計算された値として求めれば、ロック周波数はこの化学シフト値から自動的に決まるので、これをロックの目標周波数として使用することができる。ロックがかかっている状態では、ロック化合物の共鳴周波数は、この目標周波数の値に一定に維持されるように、静磁場強度がフィードバック制御される。この動作をフローチャートに示したものが、図７である。

このような方法を取ることにより、広い温度領域において、化学シフト値が、従来に較べて正確になるほか、測定試料の温度が時々刻々と変化する場合でも、ロック化合物の温度変化に起因する化学シフトの変動を補正することができ、より正確な化学シフト情報を与えることが可能になった。

ＮＭＲ装置に、広く利用できる。

従来のＮＭＲ用磁場固定装置を示す図である。従来のＮＭＲ用磁場固定方法を示す図である。本発明にかかるＮＭＲ用磁場固定装置の一実施例を示す図である。本発明にかかるＮＭＲ用磁場固定方法の一実施例を示す図である。本発明にかかるＮＭＲ用磁場固定方法の別の実施例を示す図である。本発明にかかるＮＭＲ用磁場固定装置の別の実施例を示す図である。本発明にかかるＮＭＲ用磁場固定方法の別の実施例を示す図である。本発明にかかるＮＭＲ用磁場固定装置の別の実施例を示す図である。本発明にかかるＮＭＲ用磁場固定装置の別の実施例を示す図である。

符号の説明

１：主コイル、２：補正磁場発生コイル、３：検出コイル、４：測定試料、５：高周波スイッチ、６：高周波ミキサー、７：中間周波増幅器、８：ローカル高周波オシレータ、９：高周波ミキサー、１０：低周波発生器、１０ａ：ロック信号共鳴周波数値、１１：中間周波増幅器、１３：位相検波器、１６：磁場補正電流発生器、１６ａ：補正磁場オフセット値、２１：主コイル、２２：補正磁場発生コイル、２３：プローブ、２４：ロック用送受信コイル、２５：観測核用送受信コイル、２６：試料管、２７：測定試料、２８：温度センサー、２９：ロック信号励起回路、３０：ロック信号受信回路、３１：補正磁場演算回路、３２：磁場補正電流発生回路、３３：ヒータ、３４：温度可変制御回路、３５：観測用信号励起回路、３６：観測用信号受信回路、３７：スペクトル処理コンピュータ、３８：温度計測用送受信コイル、３９：温度計測用信号励起回路、４０：温度計測用信号受信回路、４１：温度計測用処理コンピュータ、４２：温度計測用試料管

Claims

静磁場中に配置される試料の中または試料の近傍に配置されたロック用試料に、ロック核の共鳴周波数を持つロック用高周波を照射し、それにより発生したロック用試料由来のロック信号に基づいて、静磁場強度をフィードバック制御することにより、静磁場を安定化する核磁気共鳴用磁場固定装置において、
前記ロック用高周波の周波数を、試料の温度情報に基づく化学シフト値に基づいて補正するようにしたことを特徴とする核磁気共鳴用磁場固定装置。
前記化学シフト値は、前もって表として保持している値、あるいは、計算式により計算された値に基づいて補正されることを特徴とする請求項１記載の核磁気共鳴用磁場固定装置。
前記温度情報は、試料温度可変装置に設定された設定温度であることを特徴とする請求項１記載の核磁気共鳴用磁場固定装置。
前記温度情報は、試料近傍に設置された温度センサーの温度であることを特徴とする請求項１記載の核磁気共鳴用磁場固定装置。
前記温度情報は、試料中、または試料近傍の¹Ｈ−ＮＭＲ情報に基づいて決定された温度であることを特徴とする請求項１記載の核磁気共鳴用磁場固定装置。
前記¹Ｈ−ＮＭＲ情報は、メタノールのメチルプロトンと水酸基プロトンとの間の化学シフト値の差の値であることを特徴とする請求項５記載の核磁気共鳴用磁場固定装置。
前記温度情報は、試料中、または試料近傍の⁵⁹Ｃｏ−ＮＭＲ情報に基づいて決定された温度であることを特徴とする請求項１記載の核磁気共鳴用磁場固定装置。
前記⁵⁹Ｃｏ−ＮＭＲ情報は、⁵⁹Ｃｏ錯体の０℃における⁵⁹Ｃｏの絶対周波数からのずれ周波数であることを特徴とする請求項７記載の核磁気共鳴用磁場固定装置。
前記⁵⁹Ｃｏ錯体は、ヘキサシアノコバルト酸（III）カリウム、またはコバルトトリスアセチルアセトナトであることを特徴とする請求項８記載の核磁気共鳴用磁場固定装置。