JP2008209291A

JP2008209291A - Ｎｍｒ装置

Info

Publication number: JP2008209291A
Application number: JP2007047218A
Authority: JP
Inventors: Tsugutoshi Tsuchiya; 貢俊土屋; Hideo Tsukamoto; 英雄塚本; Fumio Iida; 文雄飯田; Toshiyuki Shiino; 俊之椎野; Hideki Tanaka; 秀樹田中
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2007-02-27
Filing date: 2007-02-27
Publication date: 2008-09-11
Also published as: US7570057B2; US20080204026A1

Abstract

【課題】ＮＭＲ用プローブと室温シムコイルの撓みを解決し、それらの位置決めを容易にする。
【解決手段】スプリット型マグネットと十字ボアを備えるＮＭＲ装置において、ＮＭＲ用プローブ１と室温シムコイル２を一体物として取り付ける剛性の高い直管３を備える。直管３の外径は、室温シムコイル２およびプローブ１を挿入する水平ボア１３の内径よりも小さい。室温シムコイル２とＮＭＲプローブ１を直管３にボルト４でそれぞれ取り付けた後に、ＮＭＲ装置の水平ボア（室温空間）１３に挿入する。室温シムコイル２およびプローブ１はそれぞれ別の直管３０、３０’に取り付けてもよい。
【選択図】図１

Description

本発明は、スプリット型マグネットと多軸ボアを有するＮＭＲ装置に関し、特にＮＭＲ用プローブと室温シムコイルの位置決めに関する。

近年、ＮＭＲ装置は複雑な分子構造を持つタンパク質のようなものでも、ＮＭＲ信号によって構造解析ができるように高感度化が図られている。高感度化の方法として、測定試料を設置する均一磁場空間の磁場強度を強くする方法とプローブコイルの形状を変更する方法が知られている。前者は磁場を発生するマグネットに超電導線材を使用し、その特性を向上させることによって高感度化を実現させるものである。後者は従来の鞍型や鳥籠型からソレノイド型に変更することで、形状効果によりＮＭＲ信号の検出効率が高まり、感度向上が期待できるものである。

しかし、ソレノイド型プローブコイルを用いてＮＭＲ信号を測定するためには、プローブコイルの軸方向と均一磁場空間の方向が垂直でなければならない。しかし、プローブコイルの中にサンプル管を挿入することも考えると、ソレノイド型マグネットを用いたＮＭＲ装置では均一磁場の方向とサンプル管挿入方向が同軸であるため、実現することが非常に困難である。

超電導マグネットの構成やプローブコイル形状によらず、ＮＭＲ信号を高感度で測定するためには、超電導マグネットと磁場調整を行うシムコイルによって作る均一磁場空間にプローブコイルとサンプル管を精度良く設置することが重要である。ソレノイド型マグネットを用いたＮＭＲ装置では、マグネットの軸方向とほぼ同一である垂直方向に室温空間が備えられており、この室温空間の下方からＮＭＲプローブ、上方からサンプル管を挿入して設置する構成となっている。そのため、サンプル管に関しては、サンプル管に取り付けるスピナの形状や装置治具によって軸方向の正確な位置に設置し、ＮＭＲプローブに関しては、交換や抜き差しを何度行ってもほぼ同じ位置に設置する方法が考えられている。この技術に関する例として特許文献１、２がある。

特開２０００−２９２５１５号公報特開２００２−３１１１１８号公報

スプリット型マグネットを備えたＮＭＲ装置においても、均一磁場空間にプローブコイルとサンプル管を精度良く設置することが必要である。一般的に、スプリット型マグネットを備えたＮＭＲ装置では、水平ボアの片端から室温シムコイルを、もう片端からＮＭＲプローブを挿入し、垂直ボア上方よりサンプル管を挿入する。室温シムコイルならびにＮＭＲプローブの先端部にはサンプル管挿入用の穴が備えられている。

図２に示すように、室温シムコイルのサンプル管挿入用穴とＮＭＲプローブのサンプル管挿入用穴、さらにはサンプル管が十字ボア中心の均一磁場空間で嵌め合っている状態に配置して、ＮＭＲ信号を測定する。しかしながら、実際のＮＭＲプローブや室温シムコイルは、外径が数十mm程度であるのに対して、長さが数十cmから数mあるような非常に細長い円筒形状であり、また、サンプル管挿入用の穴の径は数mm程度と細い。そのため、ＮＭＲ装置と取り合うフランジ部でこれらの位置や角度の調整を行うことは、目視で確認することができない。このように、位置や角度の調整は目視で確認できない、ＮＭＲプローブや室温シムコイルが撓む、ＮＭＲプローブや室温シムコイル自体が僅かな曲がりを持つといった問題があり、位置決めが非常に難しい。

本発明の目的は、上記課題を解決し、スプリット型マグネットを備えるＮＭＲ装置において、容易にＮＭＲプローブと室温シムコイルを位置決めすることができるＮＭＲ装置を提供することにある。

上記目的を達成するための本発明は、スプリット型マグネットと複数の向きに室温空間を備えるＮＭＲ装置において、剛性の高い直管に、該直管と室温シムコイルとＮＭＲプローブのサンプル管挿入用穴が一致するように一体に取り付け、この一体物を前記室温空間の内部に備えることを特徴とする。前記室温シムコイルと前記ＮＭＲプローブを前記直管に取り付けた後に、前記室温空間に挿入する。また、前記直管は前記室温シムコイルと前記ＮＭＲプローブに別々に設けることを特徴とする。また、前記室温シムコイルと前記ＮＭＲプローブが取り付けられた前記直管と、該直管を挿入する前記室温空間がほぼ同軸になるような位置決め機構（台形回転体）を、ＮＭＲ装置のフランジ部に備える。

本発明においては、スプリット型マグネットの室温空間に、室温シムコイルとＮＭＲプローブを取り付ける剛性の高い直管を、位置決め機構として備えているので、ＮＭＲ用プローブと室温シムコイルの撓みの問題を解決できる。また、ＮＭＲ用プローブと室温シムコイルをＮＭＲ装置に挿入する前に、目視によりお互いの相対位置を決定することもできる。

本発明のＮＭＲ装置によれば、剛性の高い直管を備えることで、容易にかつ短時間でＮＭＲプローブと室温シムコイルの位置決めをすることができる。

以下に、本発明の複数の実施例について図面を参照しながら説明する。

図２は、スプリット型マグネットを備える一般的なＮＭＲ装置の部分構成図である。静磁界を発生するスプリット型マグネット７は、水平ボア１３（水平方向の室温空間）と垂直ボア１４（垂直方向の室温空間）を構成し、その外部をクライオスタット６により冷却し超電導マグネットとしている。水平ボア１３内には、ＮＭＲプローブ１と室温シムコイル２が配置され、垂直ボア１４からサンプル管９がサンプル管挿入用穴５に挿入されている。ＮＭＲプローブ１と室温シムコイル２の双方が持つサンプル管挿入穴５は位置決めによって合わせられる。ＮＭＲプローブ１のサンプル管挿入穴５の周りにはサンプル管９の試料からのＮＭＲ信号を検出するプローブコイル１０が設けてある。

ＮＭＲ信号を高感度で測定するためには、超電導マグネット７と磁場調整を行うシムコイル２によって作る均一磁場空間に、プローブコイル１０とサンプル管９を精度よく設置する必要がある。ＮＭＲプローブ１は、先端部に備えられたコイル１０に信号を送信、受信する回路を備えなければならず、これらの回路を調整するための機構を、回路部からプローブ後端部までプローブ内部に備えなければならない。そのため、プローブ内径はできる限り大きくとることが望ましい。一方、ＮＭＲプローブ１は室温シムコイル２の内側に設置されるため、ＮＭＲプローブ１の外径が大きくなると室温シムコイル２の径も大きくなり、室温シムコイル２の磁場補正能力が低下する。従って、ＮＭＲプローブ１の外径は小さい方が望ましい。これらのことから、ＮＭＲプローブは薄肉であることが望ましい。しかし、ＮＭＲプローブ１は外径が数十mm程度のものに対して長さが数十cmから数mあり、特に先端部では、測定感度に強く影響する磁場均一度向上の観点から強磁性材料（例えば鉄）は使うことができないため、剛性が低くなり、撓みが生じる。

図1は実施例１によるＮＭＲ装置の一部構成で、水平ボアの内部の構造を示す部分構成図である。ＮＭＲプローブ１とシムコイル２は鋼性の直管３に、ボルト４で取り付けられている。直管３は剛性の高い材料で、例えばＳＵＳなど弾性率が２００GPa程度以上の材質で、肉厚が数mmの直管である。これによって、ＮＭＲプローブ１の剛性を等価的に高くすることができ、プローブの撓みの問題を低減することができる。また室温シムコイル２は、磁場補正能力の効率を上げるためにコイル径は小さい。特に、先端部はコイル通電時の渦電流と発熱の問題があることから、コイルボビンは導電率が低く熱伝導率の良いセラミック材料を用いることが望ましく、剛性が低いため撓みが生じる。本実施例では、室温シムコイル２もＳＵＳなどの剛性の高い直管３とボルト４を用いて固定することによって、撓みの問題を低減することができる。

図1では、ＮＭＲプローブ１、室温シムコイル２共に直管３との固定に、ボルト４を使用しているが、直管に対して固定するものであればどのような構造でもよく、ネジ留めなどであっても構わない。また、直管３の例としてＳＵＳなど弾性率の大きい材質としているが、剛性が高いものであれば、例えば弾性率がＳＵＳよりも小さいＣｕやＡｌ、真鍮などであってもよい。例えば肉厚１０mm程度以上にするなど、ＮＭＲプローブ１や室温シムコイル２の数mmの肉厚と比べて十分厚いものであればよい。

図1で示した構造を組み立てる際は、まず直管３の内側に室温シムコイル２を挿入して固定し、次にＮＭＲプローブ１を室温シムコイル２の内側に挿入して、直管３とＮＭＲプローブ１を固定する。組み立て作業がＮＭＲ装置に挿入する前に行うことができるので、室温シムコイル２およびＮＭＲプローブ１を固定する際に、それぞれのサンプル管挿入用穴と直管のサンプル管挿入用穴の位置および角度を目視やゲージなどを用いて合わせることが可能になる。

その後、図３に示すように、組み立てた一体物は水平ボア１３の一方向からボア内に挿入され、ＮＭＲプローブ１のフランジ１’でボルト２０により、クライオスタット６にボルト２０で固定される。これにより、ＮＭＲプローブ１と室温シムコイル２のサンプル管挿入用穴５の軸ずれを０．１mm程度に抑えることができ、サンプル管挿入用穴とサンプル管の位置合わせが非常に容易になる。室温シムコイル側（水平ボアに挿入する側）は、押しネジで水平ボア１３に対して固定する構造を備えていることが望ましい。ただし、これらの固定方法は、ＮＭＲプローブ１と室温シムコイル２と直管３の一体物がクライオスタット６に対して固定されるものであればよい。例えば、図４の変形例に示すように、ＮＭＲプローブ１のフランジ１’ではなく、直管３に備えたフランジ３’をクライオスタット６にボルト２０’で固定してもよい。また、室温シムコイル側は押しネジではなく、室温シムコイル２あるいは直管３にフランジを取り付け、このフランジとクライオスタット６をボルト止めするような構造であっても構わない。

図５は実施例２による水平ボアの内部の構造を示す部分構成図である。実施例１ではＮＭＲプローブ１と室温シムコイル２を同一の直管３に固定しているが、実施例２では別々の直管３０、３０’に固定する構造である。実施例２では、ＮＭＲプローブ１と室温シムコイル２をそれぞれ別の端部から片端固定する支持構造になるため、両端支持の構造であった実施例１に比べ剛性は低くなる。しかし、サンプル管挿入用穴５の軸合わせを行う対象が、図1ではＮＭＲプローブ１、室温シムコイル２、直管３であるのに対して、ＮＭＲプローブ１と室温シムコイル２になるため、サンプル管挿入用穴５の軸合わせが容易になる。

このようにＮＭＲプローブ１と室温シムコイル２を別々の直管３０、３０’に固定する場合は、ＮＭＲプローブ１と直管３０、室温シムコイル２と直管３０’をそれぞれボルト４で固定するだけでも構わない。しかし、一体物の剛性を上げるために、さらにＮＭＲプローブ１と室温シムコイル２それぞれの先端部をボルト４’で固定するようにしてもよい。

図６は実施例３による水平ボアの内部の構造を示す部分構成図である。図６では、図1で示した位置決め機構に加えて、ＮＭＲプローブ１と室温シムコイル２と直管３の一体物の軸と水平ボア１３の軸を同軸にするような位置決め機構（台形回転体）１２を備えている。

例えば、図３のように、室温シムコイル２の側からクライオスタット６の形成する水平ボア１３に一体物を挿入する場合、図６のように台形回転体１２を直管３の片端（ＮＭＲプローブ１側）に取り付け、ＮＭＲプローブ１と室温シムコイル２と直管３の一体物を挿入する。一体物が挿入された後に、直管のもう一端（室温シムコイル２側）に台形回転体の部品１２を室温シムコイル２側から取り付ける。このように、台形回転体１２を直管の両端に備え、さらに台形回転体１２を室温空間（水平ボア）３の内壁と接する位置で固定することによって、室温空間１３に対して受動的にほぼ同軸に設置することができる。これにより、サンプル管９を挿入する室温空間（垂直ボア）１４の軸と、一体物のサンプル管挿入用穴５の軸のプローブ挿入方向に対する左右方向および上下方向のズレをほぼ無くすことができる。

なお、図６では位置決め機構を台形回転体１２としているのは、室温空間１３の内壁と接する構造が必要となるためであり、これに相当する構造であれば台形回転体以外の形状であっても構わない。

図７はＮＭＲプローブと直管の固定方法を示す断面図である。図７（ａ）はサンプル測定空間から近い位置での引きボルト１６による固定方法、図７（ｂ）はサンプル測定空間から遠い位置での押しボルト１７による固定方法である。このような固定方法を組み合わせることで、室温シムコイル２や傾斜磁場コイルへの通電による発熱によってＮＭＲ用プローブ１に温度変化が生じた場合に、それによって生じる軸方向の伸縮をサンプル測定空間から遠い位置に逃すことができる。これにより、サンプル管挿入用穴位置の軸方向ズレが殆ど生じない。

図７（ａ）では、引きボルト１６のみによる固定方法を示しているが、径方向および軸方向に固定されていれば良いため、例えば押しボルトと引きボルトの組み合わせで固定する方法であっても構わない。また、ここではＮＭＲプローブ１と直管３の固定方法を示したが、室温シムコイル２と直管３の固定方法についても同様の方法を用いることができる。また、図７では、それぞれ３箇所で固定しているが、それ以上の箇所で固定する方法でも構わない。

従来のスプリット型ＮＭＲ装置では、ＮＭＲプローブ１にサンプル回転機構２１やサンプル温調機構２２との嵌め合い機構を備えることで、サンプルをプローブに備えられたサンプル管挿入用穴５に設置するとともに、サンプル温度の調整を行っていた。しかし、この嵌め合い部分は磁場印加方向から見た軸対称性を悪化させるため、磁場均一度を低下させる原因となっていた。そこで、この嵌め合い機構をプローブではなく直管に備えることで、磁場均一度を乱す部分がサンプル測定空間から遠ざかるため、磁場均一度が向上し、高感度化につながる。

図８は実施例５による部分構成図で、図1で示した位置決め機構において、直管３にサンプル回転機構先端２１およびサンプル温調機構先端２２との嵌め合い機構としてテーパ部１８を備えたものを示している。スプリット型ＮＭＲ装置ではテーパ部１８を介して、垂直方向上方の室温空間（垂直ボア）１４からサンプルの導出入と回転を行うサンプル回転機構先端２１、垂直方向下方の室温空間１４からサンプルの温度を一定に調整するサンプル温調機構先端２２を挿入する。これにより、高感度、高分解能でのＮＭＲ計測に必要なサンプルの回転やサンプル温度の調整を行う。

図９は実施例６によるＮＭＲ装置の一部構成で、直管の内部の構造を示す部分断面図ある。図1で示した位置決め機構の直管３の内壁に、磁場印加方向とほぼ同一方向に溝１９を備えている。直管３は剛性が高いため、材質としては金属であることが望ましい。このとき、直管３に溝１９を備えることで、プローブ１に備えられた傾斜磁場コイルによって傾斜磁場を印加した際の渦電流による影響を低減することができる。渦電流は金属表面に流れるので、溝の深さとしては１mmもあれば十分であるが、内壁にのみ溝加工を施すことは難しいため、加工性を考えて溝ではなく穴であっても構わない。さらに、図９では直管の軸方向にのみ溝を備えたものを示しているが、周方向に流れる渦電流を断ち切るような溝が備えられていてもよい。すなわち、溝の方向は磁場印加方向に垂直でなければ良く、さらに複数の方向に溝が備えられていても構わない。

以上のように、本発明はスプリット型ＮＭＲ装置用のＮＭＲプローブと室温シムコイルの位置決めを容易にするものである。なお、本発明の技術思想はＮＭＲのみならず、長さが数十cm以上の細長い形状のものを０．１mmのオーダーの精度で嵌め合うことが必要な装置全般に適用できるものである。

実施例１によるＮＭＲ装置の一部構成で、水平ボア内部のプローブ、室温シムコイル、直管の位置決めを示す部分構成図。一般的なスプリット型マグネットを備えたＮＭＲ装置の構成を示す部分構成図。実施例１のＮＭＲ装置で、プローブ、室温シムコイル、直管の一体物をクライオスタットに挿入する方法を示す組立図。実施例１によるＮＭＲ装置の変形例で、直管にクライオスタットとの取り合いフランジを備えた構成を示す部分構成図。実施例２によるＮＭＲ装置の一部構成で、ＮＭＲプローブと室温シムコイルで別々の直管を備えた部分構成図。実施例３によるＮＭＲ装置の一部構成で、図1で示した位置決め機構に室温空間と同軸にする構造を付加した部分構成図。実施例４による直管とＮＭＲプローブの固定方法を示す部分断面図。実施例５によるＮＭＲ装置の一部構成で、ＮＭＲ装置にサンプル回転機構およびサンプル温調機構との嵌め合い構造を示す部分構成図。実施例６による直管の部分断面図。

符号の説明

１…ＮＭＲプローブ、１’…プローブのフランジ、２…室温シムコイル、２’…シムコイルのフランジ、３…直管、３’…直管のフランジ、４，４’…ボルト、５…サンプル管挿入用穴、６…クライオスタット、７…スプリット型マグネット、８…サンプル回転機構（スピナ）、９…サンプル管、１０…プローブコイル、１２…台形回転体、１３…水平方向の室温空間（水平ボア）、１４…垂直方向の室温空間（垂直ボア）、１６…引きボルト、１７…押しボルト、１８…嵌め合い機構、１９…渦電流を抑制するための溝、２０…ＮＭＲプローブとクライオスタットを固定するボルト、２０’…直管とクライオスタットを固定するボルト、２１…サンプル回転機構の先端部、２２…サンプル温度調整機構の先端部、３０、３０’…直管。

Claims

スプリット型マグネットと複数の向きに室温空間を備えるＮＭＲ装置において、
剛性の高い直管に、該直管と室温シムコイルとＮＭＲプローブのサンプル管挿入用穴が一致するように一体に取り付け、この一体物を前記室温空間の内部に備えることを特徴としたＮＭＲ装置。
請求項1に記載のＮＭＲ装置において、
前記室温シムコイルと前記ＮＭＲプローブを前記直管に取り付けた後に、前記室温空間に挿入することを特徴としたＮＭＲ装置。
請求項１又は２記載のＮＭＲ装置において、
前記直管は前記室温シムコイルと前記ＮＭＲプローブに別々に設けることを特徴としたＮＭＲ装置。
請求項1から３のいずれかに記載のＮＭＲ装置において、
前記ＮＭＲプローブと前記直管は前記サンプル管挿入用穴に近い位置で固定され、さらに前記サンプル管挿入用穴から遠い位置で固定されていることを特徴としたＮＭＲ装置。
請求項1から４のいずれかに記載のＮＭＲ装置において、
前記室温シムコイルと前記直管が前記サンプル管挿入用穴に近い位置で固定され、さらに前記サンプル管挿入用穴から遠い位置で固定されていることを特徴としたＮＭＲ装置。
請求項１から５のいずれかに記載のＮＭＲ装置において、
前記室温空間の外側の壁と前記直管の両端側との間に位置調整可能に設けられ、前記直管と該直管を挿入する室温空間がほぼ同軸になるような位置決め機構（台形回転体）を備えることを特徴としたＮＭＲ装置。
請求項1から６のいずれかに記載のＮＭＲ装置において、
前記直管の前記サンプル管挿入用穴の上方部に、サンプル管を設置するための嵌め合い機構を備えていることを特徴としたＮＭＲ装置。
請求項1から７のいずれかに記載のＮＭＲ装置において、
前記直管の前記サンプル管挿入用穴の下方部に、サンプル管内のサンプル温度を一定制御する温調手段を設置するための嵌め合い機構を備えていることを特徴としたＮＭＲ装置。
請求項1から８のいずれかに記載のＮＭＲ装置において、
前記直管の内壁に溝、あるいは内壁から外壁までの貫通穴を備えていることを特徴としたＮＭＲ装置。