JP2009541761A - Measurement of homonuclear J-coupling in ultra-low magnetic field by high resolution NMR spectroscopy - Google Patents

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Abstract

本発明は、NMR分光法によって分子を検査する方法及び装置に関する。本発明の目的は、試料を高分解能で且つ包括的に特徴化することである。前記目的は、小磁場で等核性及び異核性J-カップリングを測定し、測定された等核性及び異核性J-カップリングを試料の特徴化のために使用する、核磁気分光法を用いて試料を検査する方法及び関連装置によって解決される。
【選択図】 図1
The present invention relates to a method and apparatus for examining molecules by NMR spectroscopy. An object of the present invention is to comprehensively characterize a sample with high resolution. The purpose is to measure homonuclear and heteronuclear J-couplings in a small magnetic field and to use the measured homonuclear and heteronuclear J-couplings for sample characterization. Solved by a method and related apparatus for inspecting a sample using the method.
[Selection] Figure 1

Description

本発明は、NMR分光法によって分子を検査する方法及び装置に関する。   The present invention relates to a method and apparatus for examining molecules by NMR spectroscopy.

核磁気共鳴分光法(NMR)及び磁気共鳴断層撮影法(MRT)は、分子構造の解明だけでなく、物質または生体システムのイメージ化のための、非常に成功的な非破壊的検査法である。去る20年間、NMR及びMRTの大きな成果は、3度のノーベル賞の受賞に反映されたことがある(Richard Ernst 1991, Kurt Wuethrich 2002, Paul Lauterbur及びPeter Mansfield, 2003)。特に、高分解能または多次元的なNMR分光法による巨大分子及び生体分子の構造の解明が非常に進歩してきた。基本的に、5つの相互作用をNMRにおいて観察することができる。それは、以下のものからなる:
1.核ゼーマン相互作用、
2.電気核の四重極相互作用、
3.双極子-双極子相互作用、
4.化学シフト、及び
5.J-カップリング。
Nuclear Magnetic Resonance Spectroscopy (NMR) and Magnetic Resonance Tomography (MRT) are highly successful non-destructive testing methods for imaging of materials or biological systems as well as elucidation of molecular structures. . Over the past 20 years, the great achievements of NMR and MRT have been reflected in three Nobel Prize winners (Richard Ernst 1991, Kurt Wuethrich 2002, Paul Lauterbur and Peter Mansfield, 2003). In particular, the elucidation of the structure of macromolecules and biomolecules by high-resolution or multidimensional NMR spectroscopy has advanced greatly. Basically, five interactions can be observed in NMR. It consists of:
1. Nuclear Zeeman interaction,
2. Quadrupole interaction of the electric nucleus,
3. Dipole-dipole interaction,
4. Chemical shift and 5. J-coupling.

最後の3つの相互作用は、分子構造の解明において重要な役割をする。例えば、異なる核の間の分極移動は、巨大分子の構造の解明のための双極子交差緩和のメカニズム(核のオーバーハウザー効果分光法;Nuclear Overhauser-effect spectroscopy, NOESY)を介して開拓された。刊行物である “Ernst, R. R., Bodenhausen, G. &Wokaun, A.1次元及び2次元における核磁気共鳴の原理(Principles of Nuclear Magnetic Resonance in One and Two Dimensions).(Clarendon Press,Oxford,UK,1987)”に明らかに示されているように、2D COSY方法は、化学シフトだけではなく、J-カップリングを採用して、J-カップリングされた核スピンのネットワーク及びそれによる分子構造を測定する。   The last three interactions play an important role in elucidating the molecular structure. For example, the polarization transfer between different nuclei was pioneered through a dipolar cross relaxation mechanism (Nuclear Overhauser-effect spectroscopy, NOESY) for elucidating the structure of macromolecules. Publication “Ernst, RR, Bodenhausen, G. & Wokaun, A. Principles of Nuclear Magnetic Resonance in One and Two Dimensions.” (Clarendon Press, Oxford, UK, 1987) ) ", The 2D COSY method employs not only chemical shifts but also J-coupling to measure the network of J-coupled nuclear spins and the resulting molecular structure. .

化学シフトは、磁場B0が、分子の電子を通じて円電流を生成し、それにより、観察される核スピンのすべての位置においてΔB=σB0の大きさの付加的な磁場を生成することによって引き起こされる。このような付加的な磁場は、磁場B0に比例し、γσB0量で観察された核スピンのラーモア周波数:
ω0=γB0
を変動させる。分子内における異なるプロトン化学種(例えば、CH2、CH3、OH)に対しては、化学シフトは0〜10ppmの範囲であり、すなわち、観察されるプロトン化学種のラーモア周波数は、ただラーモア周波数に掛けられる因数10-6乃至10-5程度だけ変動されるのみである。
The chemical shift is caused by the magnetic field B 0 generating a circular current through the molecular electrons, thereby generating an additional magnetic field of magnitude ΔB = σB 0 at all positions of the observed nuclear spin. It is. Such an additional magnetic field is proportional to the magnetic field B 0, and the Larmor frequency of the nuclear spin observed with the amount of γσB 0 :
ω 0 = γB 0
Fluctuate. Proton chemical species different in the molecule (e.g., CH 2, CH 3, OH ) with respect to the chemical shifts in the range of 0 to 10 ppm, i.e., the Larmor frequency of protons species observed is only Larmor frequency It is only changed by a factor of 10 −6 to 10 −5 multiplied by.

0が0に近付く場合、化学シフトは消失される。したがって、小さい磁場B0、例えば、地球磁場(5・10-5T)では、2つの異なるプロトン化学種の周波数の間の差は数mHzに過ぎない。1H-NMRスペクトル線の線幅が0.03Hzを超過するため、このようなわずかな差は、原則的に観察することができない。したがって、磁場B0がより大きくてより均一であるほど、化学シフトにおける差は、より良好に測定することができる。このような事実、及び、磁場が増大するにつれより大きくなる信号対ノイズの比率は、大きくて、より高価な超伝導性磁石を志向する傾向の理由となる。 When B 0 approaches 0, the chemical shift disappears. Thus, for small magnetic fields B 0 , for example the geomagnetic field (5 · 10 −5 T), the difference between the frequencies of two different proton species is only a few mHz. Such a slight difference cannot be observed in principle because the line width of the 1 H-NMR spectral line exceeds 0.03 Hz. Therefore, the larger and more uniform the magnetic field B 0 , the better the difference in chemical shift can be measured. This fact, and the signal-to-noise ratio that becomes larger as the magnetic field increases, is the reason for the trend towards larger and more expensive superconducting magnets.

小さい磁場では化学シフトの測定が不可能であるという法則の1つの例外、すなわち、地球磁場で過分極されたXe-原子の高分解能NMR分光法が、文献“地球磁場におけるな高分解能キセノン核磁気共鳴分光法[Appelt, S., Haesing, F.W., Kuehn, H., Perlo, J.& Bluemich, B. Mobile High Resolution Xenon Nuclear Magnetic Resonance Spectroscopy in the Earth’s Magnetic Field.Phys.Rev.Lett.94,197602(2005)]”に公知となっている。上記の例外の理由としては、Xe原子に対する化学シフトにおける差が、プロトンのそれよりも100倍大きく、同時に、Xe NMR線の線幅が非常に狭い(数mHz)ということが挙げられる。   One exception to the rule that chemical shifts cannot be measured with a small magnetic field, ie, high-resolution NMR spectroscopy of Xe-atoms hyperpolarized in the earth's magnetic field, is described in the literature “High-resolution xenon nuclear magnetism in the earth's magnetic field. Resonance spectroscopy [Appelt, S., Haesing, FW, Kuehn, H., Perlo, J. & Bluemich, B. Mobile High Resolution Xenon Nuclear Magnetic Resonance Spectroscopy in the Earth's Magnetic Field. Phys. Rev. Lett. 94, 197602 (2005)] ”. The reason for the above exception is that the difference in chemical shift for Xe atoms is 100 times larger than that of protons and at the same time the line width of the Xe NMR line is very narrow (several mHz).

ほとんどの核の場合、小さい磁場、特に10-4T未満では化学シフトの測定が不可能であるにもかかわらず、去る50年間、以下において低磁場NMR(low-field NMR)と称される、小さい磁場における核スピン共鳴の測定において、着実な改良がなされてきた。Packard及びVarianによる、地球磁場における最初のNMRスペクトル[参考文献は、Kaplan, J. Minutes of the Stanford Meeting December 28,29 and 30,1953.Phys.Rev.93,939-954(1954);941ページ:Packard, M.& Varian, R.地球磁場における自由核誘導 (Free Nuclear Induction in the Earth’s Magnetic Field)]から始まり、開発は、最初の異核性H-31P及びH-14NJ-カップリングの測定[参考文献は、Benoit, H., Hennequin, J.& Ottavi, H.(低磁場)における予備磁化法に対する分光法の応用(Les applications spectroscopiques de la methode de prepolarisation en R.M.N.(champs faibles)). Chimie Analytique 44,471-477(1962); Bene, G. J.地球磁場範囲における液体係の核磁気(Nuclear Magnetism Of Liquid Systems In The Earth Field Range.).Phys.Rep.58,213-267(1980)]、水の自己拡散の測定[参考文献は、Stepisnik, J., Kos, M., Planinsic, G. & Erzen, V.地球磁場におけるNMRによる自己拡散計測のための強い非均質磁場(Strong Nonuniform Magnetic Field FOR Self-Diffusion Measurement by NMR in the Earth’s Magnetic Field.). J.Magn. Reson. Series A 107,167-172(1994)]、南極氷の細孔における水の自己拡散の測定[参考文献は、Challaghan, P.T., Eccles, C.D. & Seymour, J.D.南極条件下での自己拡散のパルス勾配のスピンエコー計測に適した地球磁場核磁気共鳴機器(An earth’s field nuclear magnetic resonance apparatus suitable for pulsed gradient spin echo measurements of self-diffusion under Antarctic conditions.). Rev.Sci.Instrum.68,4263-4270(1997)]、地下水貯蔵庫の追跡[参考文献は、Planinsic, G., Stepisnik, J. & Kos, M.地球磁場における緩和時間の計測及びイメージ化(Relaxation-Time Measurement and Imaging in the Earth’s Magnetic Field.). J. Magn. Reson. Series A110,170-174(1994)]、地球磁場の磁気共鳴断層撮影[参考文献は、Shushakov, A.伝導性水における地下水NMR(Groundwater NMR in conductive water.).Geophysics 61,998-1006(1996)]、及び、最終的には、マイクロテスラからナノテスラ範囲におけるSQUID-追跡NMR[McDermott, R.ら、マイクロテスラ磁場における液体状態NMR及びスカラーカップリング(Liquid-State NMR and Scalar Couplings in Microtesla Magnetic Fields.).Science 295, 2247-2249(2002);Trabesinger, A. H.他、マイクロテスラ磁場におけるSQUID-検出液体状態NMR(SQUID-Detected Liquid State NMR in Microtesla Fields.). J.Phys.Chem.A108,957-963(2004);Burghoff, M., Hartwig, S., Trahms, L. & Bernarding, J.,ナノテスラ範囲における核磁気共鳴(Nuclear magnetic resonance in the nanotesla range.). Appl.Phys.Lett.87,054103(2005); Greenberg, Y. S. 核磁気共鳴に対する超伝導量子干渉装置の適用(Application of superconducting quantum interference devices to nuclear magnetic resonance.). Rev.Mod.Phys.70,175-222(1998); Clarke, J., SQUIDセンサー:原理、構成及び適用(in SQUID sensors:Fundamentals, Fabrication and Applications. Weinstock, H., Ed.(Kluwer Academic,Dordrecht,Nederlands,1996),1-62.]に到るまで進歩してきた。 In the case of most nuclei, the chemical shifts cannot be measured at small magnetic fields, especially below 10 −4 T, but for the last 50 years, in the following referred to as low-field NMR. Steady improvements have been made in the measurement of nuclear spin resonance in small magnetic fields. The first 1 NMR spectrum in the geomagnetic field by Packard and Varian [References are Kaplan, J. Minutes of the Stanford Meeting December 28, 29 and 30,1953. Phys. Rev. 93, 939-954 (1954); page 941: Packard, M. & Varian, R. Beginning with Free Nuclear Induction in the Earth's Magnetic Field, development is the first heteronuclear 1 H- 31 P and 1 H- 14 NJ-cup Measurement of the ring [References are the applications of spectroscopy to the pre-magnetization method in Benoit, H., Hennequin, J. & Ottavi, H. (Champs faibles) Chimie Analytique 44,471-477 (1962); Bene, GJ, Nuclear Magnetism Of Liquid Systems In The Earth Field Range. Phys. Rep. 58,213-267 (1980)], water Of self-diffusion [Reference: Stepisnik, J., Kos, M., Planinsic, G. & Erzen, V. Strong Nonuniform Magnetic Field for Self-Diffusion Measurement by NMR in the Earth's Magnetic Field. J.Magn. Reson. Series A 107,167- 172 (1994)], measurement of water self-diffusion in Antarctic ice pores [reference is suitable for spin-echo measurements of self-diffusion pulse gradients under Antarctic conditions in Challaghan, PT, Eccles, CD & Seymour, JD An earth's field nuclear magnetic resonance apparatus suitable for pulsed gradient spin echo measurements of self-diffusion under Antarctic conditions.) Rev. Sci. Instrum. 68, 4263-4270 (1997)] [References are Planinsic, G., Stepisnik, J. & Kos, M. Relaxation-Time Measurement and Imaging in the Earth's Magnetic Field.] J. Magn. Reson. Series A110,170-174 (1994)], Earth magnetism Magnetic resonance tomography of the field [reference is Shushakov, A. Groundwater NMR in conductive water. Geophysics 61,998-1006 (1996)], and finally from micro Tesla to nano Tesla SQUID-tracking NMR in Range [McDermott, R. et al., Liquid-State NMR and Scalar Couplings in Microtesla Magnetic Fields. Science 295, 2247-2249 (2002); Trabesinger , AH et al., SQUID-Detected Liquid State NMR in Microtesla Fields. J. Phys. Chem. A108, 957-963 (2004); Burghoff, M., Hartwig, S ., Trahms, L. & Bernarding, J., Nuclear magnetic resonance in the nanotesla range. Appl. Phys. Lett. 87,054103 (2005); Greenberg, YS Conducted quantum interference device Rev.Mod.Phys.70,175-222 (1998); Clarke, J., SQUID sensors: Principles, configurations and applications (in Fundamentals, Fabrication) and Weinstock, H., Ed. (Kluwer Academic, Dordrrecht, Nederlands, 1996), 1-62.].

小さい化学シフトは、測定不可能であるにもかかわらず、殆どの核の場合、小さい、例えば、10-4T未満の外部磁場に対しては、J-カップリングのメカニズムを開発することにより分子の構造に関する情報を求めることができる。2つの核スピンの間のJ-カップリング(スピン−スピンカップリングとしても知られている)[参考文献:幾つの安定した同位元素の核磁気モーメントについて(Proctor, W.G.&.Yu, F.C. On the Nuclear Magnetic Moments of Several Stable Isotopes.Phys.Rev.81,20-30(1951))]は、IaとIBとの間の化学結合内における電子を介して運搬される核スピンIaと第2の核スピンIBとの間の間接的な相互交信に起因する。下記のようなJ-カップリングの相互作用エネルギーの数学的な形態は:
H=2π・J・IA・IB
J-カップリングエネルギー(一般的に、プロトンに対しては0.1−200Hz)が2つの核スピン(B0磁場に対して平行または逆平行)の相対的な配向に左右されること、そしてJ-カップリングが、外部磁場B0とは独立であることを意味し、これは実際、非常に重要である。
Although small chemical shifts are not measurable, in the case of most nuclei, for small magnetic fields, eg, less than 10 -4 T, molecules can be developed by developing a J-coupling mechanism. Information on the structure of the can be obtained. J-coupling between two nuclear spins (also known as spin-spin coupling) [Reference: On the nuclear magnetic moments of several stable isotopes (Proctor, WG & .Yu, FC On the Nuclear Magnetic Moments of Several Stable Isotopes.Phys.Rev.81,20-30 (1951 ))] , the nuclear spin I a second being transported through the electrons in the chemical bonds between the I a and I B due to indirect mutual communication between nuclear spin I B. The mathematical form of the J-coupling interaction energy is as follows:
H = 2π ・ J ・ I A・ I B
The J-coupling energy (generally 0.1-200 Hz for protons) depends on the relative orientation of the two nuclear spins (parallel or antiparallel to the B 0 field), and This means that J-coupling is independent of the external magnetic field B 0 , which is actually very important.

aとIBとの間のJ-カップリングは、また、幾つかの化学結合にわたって発生することもある。経験則によると、結合距離が大きいほど(IAとIBとの間により多くの結合が位置すると)、J-カップリング定数またはJ-カップリングエネルギーは、より弱くなる。磁場B0からのJ-カップリングの独立性は、任意の小さい磁場であっても、J-カップリング定数が、非常に高い精度で測定可能であることを意味する。 J-coupling between I a and I B may also occur across several chemical bonds. As a rule of thumb, the longer the bond distance (the more bonds are located between I A and I B ), the weaker the J-coupling constant or J-coupling energy. The independence of J-coupling from the magnetic field B 0 means that the J-coupling constant can be measured with very high accuracy even with any small magnetic field.

量子力学的計算は、核スピンIA及びIBのラーモア周波数の差が観察されるべきJ-カップリングよりも大きな場合にのみ、J-カップリングによるNMRスペクトルにおける分裂が観察可能であることを示している。IA及びIBのラーモア周波数の差は、それらの異なる化学シフト、または異なる磁気回転比γa及びγBのいずれかによって存在する。 Quantum mechanical calculations show that splitting in the NMR spectrum due to J-coupling can be observed only if the difference between the Larmor frequencies of the nuclear spins I A and I B is greater than the J-coupling to be observed. Show. The difference between the Larmor frequencies of I A and I B are present either by their different chemical shifts or different gyromagnetic ratio gamma a and gamma B,.

核が、異なる磁気回転比γ及びγを有する異なる化学種である場合(例えば、1H及び19F)、J-カップリングは、異核性と呼ばれる。IA及びIBが同じタイプである場合(例えば、2個のプロトン)、カップリングは、等核性と呼ばれる。したがって、異核性J-カップリングは、非常に小さい磁場まで(約10-7Tまで)測定可能であるが、これは、IA及びIBのラーモア周波数の差が、たとえ10-7Tであっても、J-カップリングに比べて大きいからである。 When the nuclei are different species with different gyromagnetic ratios γ A and γ B (eg, 1 H and 19 F), J-coupling is called heteronuclear. If I A and I B are of the same type (e.g., two protons), coupling is called homonuclear. Therefore, heteronuclear J- couplings, to very small magnetic fields are possible (approximately 10 to -7 T) measurement, which is the difference between the Larmor frequencies of I A and I B are even 10 -7 T Even so, it is larger than the J-coupling.

等核性J-カップリングは別の場合である。地球磁場において、例えば、典型的なエタノールの1H-線幅は、約100mHzであるが、その一方で、CH2またはCH3基のプロトンの化学シフトは、数mHzである。したがって、エタノールのすべてのプロトンは、地球磁場において磁気的に等価である。等核性J-カップリングは、測定することが不可能である。このような事実が、図1にエタノール分子に対して示されている。以下、高磁場と称される、約1.5Tの高磁場の場合、化学シフトは、1H-線幅よりも遥かに大きい。したがって、1H-スペクトルは、一方では、OH、CH2及びCH3基の3種の化学シフトを、その他方では、CH2基(CH3基のプロトンとカップリング:−>四重項)及びCH3基(CH2基のプロトンとカップリング:−>三重項)の等核性J-カップリングを示す。OH基のプロトンは、他の2つの基との等核性J-カップリングを示さないが、これは、そのプロトンが、水素架橋結合によって自由に移動することができるためである。高磁場において、測定された化学シフトと等核性J-カップリングとの組み合わせは、エタノール分子の構造との関連を可能にする。それにより、このようなことは、高分解能高磁場NMRの基礎を形成する。 Isonuclear J-coupling is another case. In the geomagnetic field, for example, the typical ethanol 1 H-linewidth is about 100 mHz, while the chemical shift of the CH 2 or CH 3 group protons is a few mHz. Thus, all protons in ethanol are magnetically equivalent in the geomagnetic field. Homonuclear J-coupling cannot be measured. This fact is illustrated for ethanol molecules in FIG. Hereinafter, in the case of a high magnetic field of about 1.5 T, referred to as a high magnetic field, the chemical shift is much larger than the 1 H-line width. Thus, the 1 H-spectrum shows on the one hand three chemical shifts of the OH, CH 2 and CH 3 groups, and on the other hand the CH 2 group (coupling with protons of the CH 3 group:-> quartet). And the homonuclear J-coupling of the CH 3 group (coupling with protons of the CH 2 group:-> triplet). The proton of the OH group does not show homonuclear J-coupling with the other two groups, because the proton can move freely by hydrogen bridge bonds. In high magnetic fields, the combination of measured chemical shifts and homonuclear J-coupling allows an association with the structure of the ethanol molecule. This in turn forms the basis for high resolution high field NMR.

0磁場は、より小さくなって、OH、CH2及びCH3線が非常に低い磁場で併合されるまで、それらの線をより一層近くなるように移動させる。このような崩壊は、完全なエタノールスペクトルを用いた3つの磁場(1.5T、0.35T及び地球磁場の5・10-5T)に対する図1での例示により証明されており、地球磁場において完全なエタノールスペクトルは、どのような構造的な情報もなく単一線からなる。 The B 0 field becomes smaller and moves the lines closer together until the OH, CH 2 and CH 3 lines are merged with a very low magnetic field. Such decay is evidenced by the illustration in FIG. 1 for three magnetic fields (1.5T, 0.35T, and 5 · 10 −5 T of the geomagnetic field) using the complete ethanol spectrum, A complete ethanol spectrum consists of a single line without any structural information.

ここ数年、異核性J-カップリングのより正確な測定が、10-4Tよりも小さい外部磁場に対して成功的に行われた。何年か前に、McDermottら[参考文献: McDermott, R. et al.“マイクロテスラ磁場における液体状態NMR及びスカラーカップリング(Liquid-State NMR and Scalar Couplings in Microtesla Magnetic Fields.). Science 295, 2247-2249(2002)]は、nT範囲でSQUID装置を用いた異核性H-31PJ-カップリング定数の測定を証明した。 In recent years, more accurate measurements of heteronuclear J-coupling have been successfully performed for external magnetic fields smaller than 10 −4 T. Several years ago, McDermott et al. [Reference: McDermott, R. et al. “Liquid-State NMR and Scalar Couplings in Microtesla Magnetic Fields.” Science 295, 2247 -2249 (2002)] proved the measurement of heteronuclear 1 H- 31 PJ-coupling constants using a SQUID instrument in the nT range.

H-線幅は、上記実験ではB0磁場の非均質性に左右されているが、約1Hzである。最近には、地球磁場における高分解能1H、19F及び7LiNMR分光法の妥当性が、S. Appelt, H. Kuehn, W. Haesing und B. BluemichがNature Physics 2,105-109(2006)において1H-線幅を0.03Hzまで示したことにより証明された。各種の分子の異核性1H-19F及びH-29SiJ-カップリング定数が、数mHzの正確度で測定されることもできる。このような正確度は、測定される線幅がすでに(横断緩和時間Tの逆数で与えられる)固有の線幅であるため、これ以上改善することはできない。しかしながら、もっとも重要なのは、測定されたJ-カップリング定数の精度が、超伝導高磁場磁石によって得られる精度と比較するとき、10倍または100倍もより優れるということである。このような極めて高い分解能は、小さな分子はもちろん、巨大分子の化学的構造の正確な分類または識別を可能とする。将来的には、これは、例えば、高度の精度で化学的分析を行うためのな低磁場NMR装置の技術的具現を考慮した広範囲にわたる影響をもたらすだろう。 The 1 H-line width is about 1 Hz, although it depends on the inhomogeneity of the B 0 magnetic field in the above experiment. Recent validity of high-resolution 1 H, 19 F and 7 LiNMR spectroscopy in the Earth magnetic field, S. Appelt, H. Kuehn, W. Haesing und B. Bluemich is in Nature Physics 2,105-109 (2006) 1 This was proved by showing the H-line width to 0.03 Hz. The heteronuclear 1 H- 19 F and 1 H- 29 SiJ-coupling constants of various molecules can also be measured with an accuracy of a few mHz. Such accuracy cannot be improved any further since the measured line width is already the intrinsic line width (given by the reciprocal of the transverse relaxation time T 2 ). Most importantly, however, the accuracy of the measured J-coupling constant is 10 times or 100 times better when compared to the accuracy obtained with a superconducting high field magnet. Such extremely high resolution allows for the precise classification or identification of the chemical structure of macromolecules as well as small molecules. In the future, this will have a wide range of effects, for example considering the technical realization of low-field NMR devices for performing chemical analysis with high accuracy.

地球磁場における高分解能周波数の例示として、図2に、非常に均質な(〜3ppb)9.4T高磁場磁石で測定されたテトラメチルシラン(TMS)の異核性1H-29SiJ-カップリングと、地球磁場で測定された同じJ-カップリング定数との比較が示されている。地球磁場における1H-29SiJ-カップリングは、6.617+1mHzであり、高磁場磁石で測定されたJ-カップリング(J=6.6±0.1Hz)よりも約100倍も良好である(資料出処:Nature Physics 2,105-109(2006))。 As an illustration of the high resolution frequency in the geomagnetic field, Fig. 2 shows the heteronuclear 1 H- 29 SiJ-coupling of tetramethylsilane (TMS) measured with a very homogeneous (~ 3ppb) 9.4T high field magnet. And the same J-coupling constant measured in the geomagnetic field is shown. The 1 H- 29 SiJ-coupling in the geomagnetic field is 6.617 + 1 mHz, about 100 times better than the J-coupling measured with a high-field magnet (J = 6.6 ± 0.1 Hz). (Source: Nature Physics 2, 105-109 (2006)).

図3に、8個の異核性1H-19FJ-カップリングを有する、ノナフルオロヘキセン分子を用いた地球磁場NMRに対する別の例示が示されており、これらの全ては、スペクトルで同定することが可能である。これは、J-カップリングネットワークが、単一測定において、多くの結合の距離にわたって測定することができ、これにより、分子構造を修得することができることを証明する例示である。図3に示したノナフルオロヘキセン(NFH)の19F-スペクトルは、8個の異核性1H-19FJ-カップリングを特徴とする。19F-スペクトルは、4個の三重項と4個の二重項との重ね合わせからなる。上方の曲線は、この重ね合わせのシミュレーションであり、NFHの分子構造が、一度の測定で観察可能であることを示している。J-カップリング定数の左側上の数字は、観察された1Hと19F核との間の化学結合の数を示す(資料出処:Nature Physics 2,105-109(2006))。 FIG. 3 shows another illustration for geomagnetic field NMR using a nonafluorohexene molecule with 8 heteronuclear 1 H- 19 FJ-couplings, all of which are identified in the spectrum. It is possible. This is an example demonstrating that a J-coupling network can be measured over many bond distances in a single measurement, thereby learning the molecular structure. The 19 F-spectrum of nonafluorohexene (NFH) shown in FIG. 3 is characterized by eight heteronuclear 1 H- 19 FJ-couplings. The 19 F-spectrum consists of a superposition of 4 triplets and 4 doublets. The upper curve is a simulation of this superposition and shows that the molecular structure of NFH can be observed with a single measurement. The number on the left side of the J-coupling constant indicates the number of chemical bonds observed between 1 H and 19 F nuclei (source: Nature Physics 2,105-109 (2006)).

ところが、これまでの当業界の最新技術によると、超高分解能低磁場NMRによる分子の特性化は、異核性J-カップリングの補助を用いた場合でのみ可能となる。たとえ周波数の高分解能が成功的に達成されたとしても、異核性J-カップリング定数のみから得られた情報は、試料内で生じる分子グループに対するいずれの情報も含んでいない。   However, according to the latest technology in the industry so far, molecular characterization by ultra-high resolution low-field NMR is only possible with the aid of heteronuclear J-coupling. Even if high frequency resolution is successfully achieved, the information obtained from the heteronuclear J-coupling constant alone does not include any information for the molecular groups occurring in the sample.

本発明の目的は、試料を高分解能で且つ包括的に特徴化することである。   An object of the present invention is to comprehensively characterize a sample with high resolution.

上記の目的は、小磁場で等核性J-カップリングを測定し、測定された等核性カップリングを試料の特徴化に使用する、核磁気分光法を通じて試料を検査する方法によって解決される。   The above objective is solved by a method for inspecting a sample through nuclear magnetic spectroscopy that measures homonuclear J-coupling in a small magnetic field and uses the measured isonuclear coupling for sample characterization. .

当業者は、小磁場では、試料の異核性J-カップリングのみが測定可能であるという意見を持っていた(参考文献は、例えば、Applied Physics Letters 87,054103(2005),ナノテスラ範囲での核磁気共鳴(Nuclear magnetic resonance in the nanotesla range),第1ページ、左段の第2番目の段落文)。しかし、実際には、専門家たちは、すべての有機分子または生体分子は、主に炭素、水素及び酸素からなり、例えば、19Fまたは29Siのような核は相対的に珍しいということを考慮しなかった。炭素は、99%の12C(核スピンI=0)及び1%の13C(核スピンI=1/2)からなる。すべての有機分子の1H核の1%は、13C核と異核性方式でカップリングする。これにより、低磁場における1Hスペクトルは、主に、構造に対する情報のない単一の1H-線(すでに、図1の地球磁場において示唆されている)だけでなく、異核性1H-13CJ-カップリングから生じる非常に小さい周辺線(主線よりも約200倍小さい)からなる。専門家の意見とは反対に、現在の構造の決定は、少なくとも13C核(1%発生)もしくはその他の稀少な核(例えば、15N)と異核性方式でカップリングされた上記1H核に対しては可能である。これは、引き継いで、測定可能な高分解能の等核性J-カップリングされたH-スペクトルにつながり、前記スペクトルは、同時に、異核性カップリングに関する情報を含む。 The person skilled in the art had the opinion that only a heteronuclear J-coupling of the sample can be measured in a small magnetic field (see, for example, Applied Physics Letters 87,054103 (2005), in the nano Tesla range. Nuclear magnetic resonance in the nanotesla range, page 1, second paragraph on the left. In practice, however, experts consider that all organic or biomolecules are mainly composed of carbon, hydrogen and oxygen, and nuclei such as 19 F or 29 Si are relatively rare. I did not. Carbon consists of 99% 12 C (nuclear spin I = 0) and 1% 13 C (nuclear spin I = 1/2). 1% of the 1 H nuclei of all organic molecules couple with 13 C nuclei in a heteronuclear manner. Thus, 1 H spectra in low magnetic fields are mainly not only single 1 H-lines with no information about the structure (already suggested in the geomagnetic field of FIG. 1), but also heteronuclear 1 H- It consists of a very small peripheral line (approximately 200 times smaller than the main line) resulting from 13 CJ-coupling. Contrary to the expert opinion, the current structure determination is based on the above 1 H coupled in a heteronuclear manner with at least 13 C nuclei (1% occurrence) or other rare nuclei (eg 15 N). It is possible for the nucleus. This, in turn, leads to a measurable high resolution homonuclear J-coupled H-spectrum, which simultaneously contains information about heteronuclear coupling.

専門家の間での主流である予想とは異なり、試料で発生した等核性J-カップリングは、原則として、小磁場において実際に測定することができる。   Contrary to expectations, which are the mainstream among experts, isonuclear J-couplings generated in samples can in principle be measured in small magnetic fields.

実際に等核性J-カップリングのスペクトルを捕捉することができるためには、一実施態様において、例えば、好ましくは、少なくとも1テスラの強い磁場で、検査する試料の予備磁化を行う。一実施態様において、特に強磁石、好ましくは1乃至2テスラの永久磁石が、上記目的のために使用される。小磁場で測定が行われる場合、専門家は、原則として、予備磁化のために比較的弱い(電)磁石を使用したが、これを用いて、0.1乃至0.3テスラの大きさの磁場が生成された。実際に、予備磁化に使用したそのような弱い磁場は、普通、請求の範囲における方法を遂行するには不十分な測定結果をもたらす。より強い磁石を予備磁化を遂行するために使用して、それにより、当技術分野において通常に使用された経路から外れる。   In order to be able to actually capture the spectrum of homonuclear J-coupling, in one embodiment, for example, the sample to be examined is pre-magnetized, preferably in a strong magnetic field of at least 1 Tesla. In one embodiment, particularly strong magnets, preferably 1 to 2 Tesla permanent magnets, are used for this purpose. When measurements are performed in a small magnetic field, the specialists used, in principle, relatively weak (electro) magnets for pre-magnetization, but with this, the size of 0.1 to 0.3 Tesla A magnetic field was generated. In fact, such a weak magnetic field used for pre-magnetization usually results in measurement results that are insufficient to perform the claimed method. A stronger magnet is used to perform the pre-magnetization, thereby deviating from the path normally used in the art.

優れた周波数分解能を達成するために、測定の間に試料に作用する弱磁場のとりわけ優れた均質性に注意を払うことが、特に重要である。一実施態様において、試料の体積は、前記目的に近接するために、小さい方として選択される。特に、本発明の観点からは、2cm3未満の試料の体積が小さいものである。一般に、当業者は、弱磁場における測定には500cm3以上の体積を有する試料を選択する。このような側面からも、当技術分野における通常の測定から脱却している。 In order to achieve good frequency resolution, it is particularly important to pay attention to the particularly good homogeneity of the weak magnetic field acting on the sample during the measurement. In one embodiment, the volume of the sample is selected as the smaller one in order to be close to the purpose. In particular, from the viewpoint of the present invention, the volume of a sample of less than 2 cm 3 is small. In general, a person skilled in the art selects a sample having a volume of 500 cm 3 or more for measurement in a weak magnetic field. From this aspect as well, we are moving away from normal measurements in this technical field.

一実施態様において、試料は、実施することのできる改善された方法を保証するために、例えば、13C核で適切に富化される。その後に、測定された結果は、化学的特性化に使用される。それにより、相当高い精度で測定し、従って、試料、すなわち主に有機試料を非常に高い精度で地球磁場において特性化する能力が、成功的に修得される。しかしながら、一般に、本発明の方法はまた、そのような富化なしに行うこともできる。地球磁場での特性化は、特性化を簡単にするが、これは、地球磁場が、技術的努力を必要とせず、当然ながら自由に利用することができるからである。 In one embodiment, the sample is suitably enriched with, for example, 13 C nuclei to ensure an improved method that can be performed. Thereafter, the measured results are used for chemical characterization. Thereby, the ability to measure with considerably high accuracy and thus to characterize a sample, mainly an organic sample, in the geomagnetic field with very high accuracy is successfully mastered. In general, however, the process of the invention can also be carried out without such enrichment. Characterization with the geomagnetic field simplifies characterization, since the geomagnetic field does not require any technical effort and, of course, can be used freely.

図4に示されたように、例えば、試料は、骨格XM-A-B-XKを有する分子からなる。A及びBは、磁気的に等価なスピンXが結合された任意の分子の基である。m=以下、XMと称する、X型の1、2、...、M番目のスピンであり、これは、分子の基Aに結合されている。k=以下、Xkと称する、X型の1、2、...、K番目のスピンであり、これは、分子の基Bに結合されている。Xは、例えば、測定されるプロトンまたは別の核を表す。このような分子は、例えば、分子の部分Aに、自然発生率1%の13C原子を含む。 As shown in FIG. 4, for example, the sample consists of molecules having the skeleton X M -A-B-X K. A and B are groups of any molecule to which a magnetically equivalent spin X is bound. m = hereinafter referred to as X M, X type 1, 2, ..., M-th spin, which is bonded to the group A of the molecule. k = X-type 1, 2,..., K-th spin, hereinafter referred to as X k , which is bound to the group B of the molecule. X represents, for example, the proton to be measured or another nucleus. Such a molecule contains, for example, 13 C atoms with a naturally occurring rate of 1% in part A of the molecule.

例えば、M=3、及び、K=2とする。13Cを有するXMおよび13Cを有するXKの2つの1H−13C異核性カップリング定数が、JH-A及びJH-B-Aとして指定され、XMとXKとの間の1H等核性カップリング定数が、JH-Hとして指定される。XMとAとの間の結合距離がXKとAとの間よりも短いため、根本的に、JH-A>JH-B-A>JH-Hが適用される。その後、H-NMRスペクトルは、低磁場で定期的に測定し、最初のスペクトルは、典型的に、すべての磁気的に等価な、カップリングされていないスピンXM及びXKに起因する大きな中央線を含む。さらに、スペクトルは、中央線の強度に比べてその強度が約1000分の1である、2つの対称形多重項構造を含む。上記2つの多重項構造は、一般的に、それらの分裂パターンがX3とX2との間の等核性J-カップリングに起因する、2つの四重項及び2つの三重項からなる。強度比が一般的に1:3:3:1であり、周波数空間内の距離がJH-Hである四重項構造の4つの線が、X3基の3個のプロトンの8種類の可能な配列方式に対して等核性方式でカップリングするX2基の2個のプロトンのNMR信号に属する。逆に、一般的に強度比が1:2:1であり、同一の距離JH-Hの三重項構造の3つの線が、等核性方式でX2基の2個プロトンの4種類の可能な配列方式に対してカップリングするX3基の3個のプロトンのNMR信号に属する。四重項(または三重項構造)が、典型的に、中央線の近くで2つの同一の下位群に対称的に分裂されることは、異核性1H-13CJ-カップリングJH-B-A(またはJH-A)に起因している。このような場合、13C核スピンは、磁場BOに対して平行または逆平行であることができ、中央線から±JH-B-A/2(±JH-A/2)ほど離れるように四重項構造(三重項構造)を移動させる。この測定可能なスペクトルは、図3に示す。 For example, M = 3 and K = 2. Two 1 H- 13 C heteronuclear coupling constants of X K with X M and 13 C with a 13 C is specified as J HA and J HBA, 1 H or the like between the X M and X K The nuclear coupling constant is designated as JHH . Since the bond distance between X M and A is shorter than between X K and A, J HA > J HBA > J HH is fundamentally applied. Thereafter, the H-NMR spectrum is measured periodically in a low magnetic field, and the first spectrum is typically a large center due to all magnetically equivalent uncoupled spins X M and X K. Includes lines. In addition, the spectrum includes two symmetric multiplet structures whose intensity is about 1/1000 compared to the intensity of the center line. The two multiplet structures generally consist of two quartets and two triplets whose splitting pattern is due to homonuclear J-coupling between X 3 and X 2 . Four lines of a quartet structure with an intensity ratio of generally 1: 3: 3: 1 and a distance in the frequency space of J HH are eight possible X 3 groups of three protons. It belongs to the NMR signal of two protons in the X 2 group that are coupled in a homonuclear manner to the arrangement scheme. Conversely, three lines of triplet structure with an intensity ratio of 1: 2: 1 and the same distance J HH are typically four possible types of two protons of X 2 groups in a homonuclear manner. belonging to NMR signals of the three protons of the X 3 group for coupling to the array system. The quartet (or triplet structure) typically split symmetrically into two identical subgroups near the centerline indicates that the heteronuclear 1 H- 13 CJ-coupling J HBA ( Or J HA ). In such a case, the 13 C nuclear spin can be parallel or anti-parallel to the magnetic field B 2 O , and the quartet structure is separated from the center line by ± J HBA / 2 (± J HA / 2). (Triplet structure) is moved. This measurable spectrum is shown in FIG.

低磁場におけるXMとXKスピンとの間の等核性J-カップリングは、下記式が適合できれば、どのような場合でも、測定可能である。
|JX m −A−JX k −B−A|>|JX m X k
この場合、JXmXkは、核Xm(m=[1、...M])及び核Xk(k=[1、...K])の間の等核性J-カップリング定数として定義される。原則として、天然の試料では、分子の部分Aにおいて十分な濃度で、少なくともXと不等な1つの異核が存在し、そして2つの異核性J-カップリング定数JX-A及びJX-B-Aは、その量において異なる。上記式が適合できると、XmとXk核との間の磁性等価性が解消されるが、これは、カップリングJX-A≠JX-B-AがX核のNMRスペクトル線の不等な分裂を起こさせ、これによって、元々は等価であったXm及びXkの遷移周波数を異なる範囲に移動させるからである。
次いで、核Xmは、その遷移周波数(ωH+JXM/2で与えられる)が核Xkの遷移周波数(ωH+JXK/2で与えられる)と十分に離れているようになったとき、核Xkのスピンの配向とは独立に、磁気転移をすることができる。核XmとXkとの間の周波数の差は、核XmとXkとの間の等核性J-カップリングより大きくなければならないが、これは、そうではない場合、核Xkが、核Xmの磁気転移時に“さっと通過し”、根本的に等核性J-カップリングをこれ以上測定することができなくなるためである。実際、実際の試料は、これらの必要な境界条件を根本的に満足し、本発明の方法によって、各種試料を成功的に特性化することができるようになる。
The homonuclear J-coupling between X M and X K spins in a low magnetic field can be measured in any case as long as the following equation can be met.
| J X m −A −J X k −B−A | > | J X m X k
In this case, J XmXk is the homonuclear J-coupling constant between the nucleus X m (m = [1, ... M]) and the nucleus X k (k = [1, ... K]). Defined. In principle, in a natural sample, there is at least one heteronuclear that is unequal to X at a sufficient concentration in part A of the molecule, and the two heteronuclear J-coupling constants J XA and J XBA are The amount varies. If the above equation can be met, the magnetic equivalence between X m and X k nuclei is eliminated, but this causes coupling J XA ≠ J XBA to cause unequal splitting of the X nuclear NMR spectral lines. This is because the transition frequencies of X m and X k that were originally equivalent are moved to different ranges.
The nucleus X m then has its transition frequency (given by ω H + J XM / 2) sufficiently separated from the transition frequency of the nucleus X k (given by ω H + J XK / 2). Independent of the spin orientation of the nucleus X k , a magnetic transition can be made. If the difference in frequency between the core X m and X k is not to be larger than the homonuclear J- coupling between nuclei X m and X k, which is not the case, the nucleus X k However, this is because it “passes quickly” at the time of magnetic transition of the nucleus X m , and fundamentally no more homonuclear J-coupling can be measured. In fact, actual samples fundamentally satisfy these necessary boundary conditions, and the method of the present invention allows various samples to be successfully characterized.

一実施態様において、有機分子が試料として使用されるが、これは、有機試料が、ほとんどの場合、本発明の方法を実施することのできる必要条件を満たしているためである。本発明の方法は、主に、有機分子からなる試料の位置付けを行うか、或いは特性化する場合に使用される。   In one embodiment, an organic molecule is used as the sample because the organic sample in most cases meets the requirements under which the method of the invention can be performed. The method of the present invention is mainly used when positioning or characterizing a sample of organic molecules.

さらに改善した本発明の方法の操作能力を確実にするために、試料は、下記式を満たす少なくとも2つの異なる異核性J-カップリングが分子内に存在するように選択される:
|JX m −A−JX k −B−A|>|JX m X k
原則として、これは、有機試料の場合である。本発明の方法は、特に、上記試料の位置付けを行う場合に適用される。或いは、試料は、本発明の方法を遂行する前に、適切に富化される。
To ensure further improved operational capabilities of the method of the invention, the sample is selected such that there are at least two different heteronuclear J-couplings in the molecule that satisfy the following formula:
| J X m −A −J X k −B−A | >> | J X m X k |
In principle, this is the case for organic samples. The method of the present invention is applied particularly when positioning the sample. Alternatively, the sample is suitably enriched prior to performing the method of the present invention.

本発明の見地から、特に10-4Tより小さい場合は、小さい外部磁場B0が存在することとなる。好ましくは、地球磁場が小さい外部磁場として利用されるが、これは、地球磁場が基本的に特に均質であるからである。特に均質な外部磁場は、優れた測定結果を得る上で有利である。 From the standpoint of the present invention, a small external magnetic field B 0 is present, particularly when it is smaller than 10 −4 T. Preferably, the geomagnetic field is used as a small external magnetic field, because the geomagnetic field is basically particularly homogeneous. A homogeneous external magnetic field is particularly advantageous for obtaining excellent measurement results.

さらに改善された特性化能力を得るために、試料の異核性J-カップリングを付加的に測定して、特性化に使用する。これによって、全体的に、試料は、従来技術に比べて顕著に改善した方式で、完全に特性化することができる。   In order to obtain a further improved characterization capability, the sample's heteronuclear J-coupling is additionally measured and used for characterization. This overall allows the sample to be fully characterized in a manner that is significantly improved over the prior art.

さらに改善された方法で測定するために、一実施態様において、試料は、核スピンの過分極により予備磁化される。これによって、信号対ノイズ比が増強される。   In order to measure in a further improved way, in one embodiment the sample is pre-magnetized by hyperpolarization of the nuclear spins. This enhances the signal to noise ratio.

化学シフト情報の不在にもかかわらず、本発明の方法によって、詳細な構造の決定が可能となる。当業者は、詳細な分子構造の決定のためには、異核性J-カップリングだけでなく、化学シフト情報をも知らなければならないと考えていた。本発明による方法では、そのような考えは必要ではない。これは、等核性J-カップリングが観察されており、これが異核性J-カップリングと相まって、より一層改善された方式で詳細な分子の構造の決定を可能とするからである。   Despite the absence of chemical shift information, the method of the present invention allows for detailed structure determination. Those skilled in the art thought that in order to determine the detailed molecular structure, not only heteronuclear J-coupling but also chemical shift information had to be known. Such an idea is not necessary in the method according to the invention. This is because homonuclear J-coupling has been observed, which, coupled with heteronuclear J-coupling, allows detailed molecular structure determination in a much improved manner.

一方、スペクトルは読み取ることができる。その他方で、試料は、公知のスペクトルとそのスペクトルとを比較することにより、分析することができる。すでに公知となったスペクトルが試料において発見された場合、これは、試料が公知のスペクトルの物質を有していることを意味する。   On the other hand, the spectrum can be read. Otherwise, the sample can be analyzed by comparing the known spectrum with that spectrum. If an already known spectrum is found in the sample, this means that the sample has a known spectrum of material.

以下において、本発明を、図面及び実施態様によってさらに説明する。
図5に、分子XM-A-B-XK、すなわち、弱相関限界(|ωH−ωC|>>|JH-C|)の場合に、構造H3-C-B-H2を有する分子に対して低磁場において等核性カップリングされたスペクトルの構造を示す。13C核は、A基で1%の発生率を有する。低磁場におけるスペクトルの上記構造は、高磁場におけるそれとは完全に異なって見える。Xがプロトン(1H)を示す場合、図5は、さらに、M=3、K=2を示し、すべての分子XM-A-B-XKの1%に対して、A基内にI=1/2の13C核がある(13Cの自然発生率=1%)。13Cを有するXMおよび13Cを有するXKの2つの1H−13C異核性カップリング定数は、JH-A及びJH-B-Aとして指定され、JH-HωH(ωC)を有するXMとXKとの間の1H等核性カップリング定数は、1H(13C)核に対するラーモア周波数を意味する。XMとAとの間の結合距離は、XKとAとの間より短いため、下記式が適用される:
|JH-C−JH-B-C|>|JH-H
In the following, the invention is further illustrated by the drawings and embodiments.
FIG. 5 shows the structure H 3 —C—B—H 2 in the case of the molecule X M -A-B-X K , that is, the weak correlation limit (| ω H −ω C | >> | J HC |). The structure of the spectrum which carried out the isonuclear coupling in the low magnetic field with respect to the molecule | numerator which has is shown. 13 C nuclei have an incidence of 1% in the A group. The above structure of the spectrum in the low magnetic field looks completely different from that in the high magnetic field. When X represents a proton ( 1 H), FIG. 5 further shows M = 3, K = 2, with 1% of all molecules X M —A—B—X K in the A group. There are 13 C nuclei with I = 1/2 ( 13 C spontaneous rate = 1%). The two 1 H- 13 C heteronuclear coupling constants of X M with 13 C and X K with 13 C are designated as J HA and J HBA , and X M with J HH ω HC ). The 1 H isonuclear coupling constant between X 1 and X K refers to the Larmor frequency for 1 H ( 13 C) nuclei. Since the bond distance between X M and A is shorter than between X K and A, the following formula applies:
| J HC −J HBC | > | J HH

図5に示された弱相関限界(ωH−ωC>>JH-A)の場合の低磁場における1H−NMRスペクトルは、一方では、全てが磁気的に等価であり、且つカップリングされていないスピンXMおよびXKから生じる、そして、その他方では、中央線の強度に比べて1000分の1の強度を有する2つの対称型多重項構造から生じる、大きな中央線からなる。上記2つの多重項構造は、2つの四重項及び2つの三重項からなり、これらの分裂パターンは、X3とX2との間の等核性Jカップリングに起因するものである。強度比が1:3:3:1であり、周波数空間内の距離がJH-Hである四重項構造の4本の線は、X3基の3つのプロトンの8種類の可能な配列方式に対して等核性方式でカップリングする、X2基の2つのプロトンのNMR信号に属する。逆に、強度比が1:2:1であり、同一の距離JH-Hの三重項構造の3本の線は、等核性方式でX2基の2つのプロトンの4種類の可能な配列方式に対してカップリングする、X3基の3つのプロトンのNMR信号に属する。四重項構造(または三重項構造)が、中央線の周囲で対称的に2つの同一の下位群に分裂されることは、異核性1H-13CJ-カップリングJH-B-A(またはJH-A)に起因するものである。上記の場合、13C核スピンは、磁場B0に対して平行であってもまたは逆平行であってもよく、四重項構造(三重項構造)を中央線から±JH-B-A/2(±JH-A/2)だけ離れるように移動させる。 The 1 H-NMR spectrum in the low magnetic field in the case of the weak correlation limit (ω H −ω C >> J HA ) shown in FIG. 5, on the one hand, is all magnetically equivalent and coupled. It consists of a large centerline, resulting from two spin multiplet structures that result from no spins X M and X K and otherwise have a thousandth intensity compared to the intensity of the center line. The two multiplet structures consist of two quartets and two triplets, and these splitting patterns are due to the homonuclear J coupling between X 3 and X 2 . Four lines of a quartet structure with an intensity ratio of 1: 3: 3: 1 and a distance in the frequency space of J HH represent eight possible arrangements of three protons of X 3 groups. It belongs to the NMR signal of the two protons of the X 2 group, which are coupled in a homonuclear fashion. Conversely, three lines of triplet structure with an intensity ratio of 1: 2: 1 and the same distance J HH are four possible arrangements of the two protons of the X 2 group in a homonuclear manner. Belongs to the NMR signal of the three protons of the X 3 group that couple to The splitting of the quartet structure (or triplet structure) into two identical subgroups symmetrically around the central line indicates that the heteronuclear 1 H- 13 CJ-coupling J HBA (or J HA ). In the above case, the 13 C nuclear spin may be parallel or antiparallel to the magnetic field B 0 , and the quartet structure (triplet structure) is ± J HBA / 2 (± Move away by J HA / 2).

図6に、弱相関限界の場合におけるn-ブタノールのより複雑な場合に対する、低磁場で観察可能なすべての等核性1H-1HJ-カップリングを図式的に示す。 FIG. 6 schematically shows all isonuclear 1 H- 1 HJ-couplings observable at low magnetic fields for the more complex case of n-butanol in the weak correlation limit case.

n−ブタノール分子は、13C核スピンに対して4つの可能な位置(図6の1−4)を有する、線形配列の4個の炭素原子からなる。13C核スピンがブタノールの1位に位置する場合、CH2基の2つのプロトンの1位に対して、CH2基の複数個のプロトンは、等核性方式で2位および3位にカップリングするか、もしくはCH3基の複数個のプロトンは、4位にカップリングする。主線の付近に対称的に配列された、周波数距離2H-C3H-Cおよび4H-Cを有する三重項の組は、その結果である。J-カップリング定数の隣の左上側にある数字は、観察される核の間の化学結合の数を示す。個別の三重項は、順に、1位のCH2基のプロトンとCH2もしくはCH3基(2-4位)の等核性1H-1HJ-カップリング定数を反映する。異なる結合の距離のため、3つの異なる等核性カップリング定数3H-HC4H-HH-Hが存在する。複数のJ-カップリングされた線は、分子の構造同定を容易に可能とする。 The n-butanol molecule consists of a linear array of four carbon atoms with four possible positions (1-4 in FIG. 6) relative to the 13 C nuclear spin. If 13 C nuclear spins situated in the 1-position of the butanol, the cup for one of the two protons of the CH 2 groups, a plurality of proton of CH 2 groups, the 2 and 3 positions in the homonuclear method Ring, or a plurality of protons in the CH 3 group are coupled to the 4-position. The triplet set with frequency distances 2 J HC , 3 J HC and 4 J HC arranged symmetrically near the main line is the result. The number on the upper left side next to the J-coupling constant indicates the number of chemical bonds between the observed nuclei. The individual triplets, in turn, reflect the proton of the CH 2 group at position 1 and the isonuclear 1 H- 1 HJ-coupling constant of the CH 2 or CH 3 group (position 2-4). Because of different bond distances, there are three different isonuclear coupling constants 3 J H-HC > 4 J HH > 5 J HH . Multiple J-coupled lines allow easy structural identification of molecules.

13Cスピンが2位または3位にあれば、そのとき、3つの三重項の組で構成される同様のカップリングパターンがその結果として生じるが、J-カップリング定数は、以前に示されたものとは全部異なっていてもよい。13Cスピンが4位にあるとき、それによって、また異なる等核性及び異核性J-カップリング定数を有する3つの四重項の組がその結果として生じる。J-カップリングパターンは、その全体として、n-ブタノール分子に対して特徴的である。このような方式で、化学シフトの情報を使用せずに、低磁場における異核性及び等核性ネットワークの測定を用いて、n-ブタノール分子構造のフィンガープリントを修得するか、もしくは本発明によってフィンガープリントを測定することができる。一般に、本発明による方法は、さらに、複雑な高周波数電子システム、超伝導磁石もしくは精巧な冷却技術(SQUID)を用いずに、複合分子に適用することができる。 If the 13 C spin is in the 2nd or 3rd position, then a similar coupling pattern composed of 3 triplet sets will result, but the J-coupling constant has been shown previously All things may be different. When the 13 C spin is in position 4, it also results in a set of three quartets with different isonuclear and heteronuclear J-coupling constants. The J-coupling pattern as a whole is characteristic for n-butanol molecules. In this manner, without using chemical shift information, the measurement of heteronuclear and isonuclear networks in low magnetic fields can be used to acquire a fingerprint of the n-butanol molecular structure, or according to the present invention The fingerprint can be measured. In general, the method according to the invention can also be applied to complex molecules without the use of complex high-frequency electronic systems, superconducting magnets or sophisticated cooling techniques (SQUID).

弱相関限界の条件を満たさない場合、スペクトルは、より複雑になる。図5の実施例のように、強くカップリングされたCH基(ωH−ωC〜JH-C)の場合を懸念すると、4重項の組が8重項の組となり、3重線の組が9本の線の組となる。 If the weak correlation limit condition is not met, the spectrum becomes more complex. As in the embodiment of FIG. 5, if we are concerned about the case of a strongly coupled CH 3 group (ω H −ω C to J HC ), the quadruple group becomes an octet group. The set becomes a set of 9 lines.

MとXK核との間の等核性J-カップリング定数が非常に小さいことがあるため(普通、1Hz未満)、使用する分光計は、できる限り最高の周波数分解能で操作しなければならない。理想的には、分光計は、機器において無視できるほどごくわずかな線拡張を示さなければならず、スペクトル線の幅は、(可能な最小値で)固有の線幅に近い。 Because the homonuclear J-coupling constant between X M and X K nuclei can be very small (usually less than 1 Hz), the spectrometer used must be operated at the highest frequency resolution possible. Don't be. Ideally, the spectrometer should exhibit negligible line broadening in the instrument, and the spectral line width is close to the intrinsic line width (at the smallest possible).

同じ理由から、使用する低磁場NMR分光計が、非常に敏感であることに注意しなければならない。信号対ノイズ比は、主な線に対して1000を超過するようにして、稀少核(例えば、1%で発生する13C)に対して異核性方式でカップリングされる少数のX核が確実に観察されるようにしなければならない。稀少核が、例えば、15N(I=1/2)である場合、分光計の敏感度に関する必要条件はより一層高くなるが、これは、15N核の自然発生率が0.36%であるためである。 For the same reason, it must be noted that the low field NMR spectrometer used is very sensitive. The signal-to-noise ratio exceeds 1000 for the main line, so that a small number of X nuclei coupled in a heteronuclear fashion to rare nuclei (eg 13 C generated at 1%) You must ensure that it is observed. If the rare nuclei are, for example, 15 N (I = 1/2), the requirement on the sensitivity of the spectrometer is much higher, but this is because the natural incidence of 15 N nuclei is 0.36%. Because there is.

使用されるNMR分光計の感度が不十分な場合、検査する試料は、同位元素、例えば、13Cで富化することができる。そうすると、すべての等核性1H-1Hカップリング線の強度が2桁まで増加する。これは、分光計の感度に対する必要条件が、これ以上高くないことを意味する。しかし、富化は、非常に高価な方法であり、可動性のものに対する用途(例えば、石油分子のオンライン分析)には、ほとんど実施できない。 If the sensitivity of the NMR spectrometer used is insufficient, the sample to be examined can be enriched with isotopes, for example 13 C. Then, the intensity of all homonuclear 1 H- 1 H coupling line is increased to 2 orders of magnitude. This means that the requirements for the sensitivity of the spectrometer are not higher. However, enrichment is a very expensive method and is hardly feasible for mobile applications (eg, on-line analysis of petroleum molecules).

図7に、本発明によって決定されたテトラメチルシラン(TMS)分子の構造、及びXM-A-B-XK分子の一般的な配置に対するTMSの分子フラグメントの配分例を示す。上記例示では、X=1H、M=3、K=9、A=13C、及びB=(12C)3-Siである。 FIG. 7 shows an example of the distribution of TMS molecular fragments with respect to the structure of the tetramethylsilane (TMS) molecule determined according to the present invention and the general arrangement of X M —A—B—X K molecules. In the above examples, X = 1 H, M = 3, K = 9, A = 13 C, and B = (12 C) is 3 -Si.

すべてのTMS分子のうち約1%に対しては、スピンI=0である12C核が、スピンI=1/2である13C核に置換される。したがって、上記の場合、A基は、単なる13C核であり、B基は、中心Si原子に結合された3個の12C原子からなる。本来、ケイ素は、核スピンI=0である95%の28Si及び核スピンI=1/2である4.7%のSiからなる。測定されるX核は、プロトンであり、Mは、A基(=13C)に結合される3個の磁気的に等価なプロトンであり、Kは、B基に結合される9個の磁気的に等価なプロトンである。全体のSi原子の4.7%が、核スピンI=1/2を有する29Si原子であるため、12個のプロトンと29Siとの間のJH-Si=6.617Hzの異核性カップリングにより、1Hスペクトルが2つの線に分裂される。このようなJ-カップリングされた二重項(29Si核は、磁場B0に対して平行やまたは逆平行である)は、すでに図2に示されている。 For about 1% of all TMS molecules, 12 C nuclei with spin I = 0 are replaced with 13 C nuclei with spin I = 1/2. Thus, in the above case, the A group is simply a 13 C nucleus and the B group consists of three 12 C atoms bonded to a central Si atom. Naturally, silicon consists of 95% 28 Si with a nuclear spin I = 0 and 4.7% Si with a nuclear spin I = 1/2. The measured X nucleus is a proton, M is three magnetically equivalent protons bonded to the A group (= 13 C), and K is the nine magnetic bonds bonded to the B group. Are equivalent protons. Since 4.7% of the total Si atoms are 29 Si atoms with nuclear spin I = 1/2, the heteronuclearity of J H-Si = 6.617 Hz between 12 protons and 29 Si Coupling splits the 1 H spectrum into two lines. Such J-coupled doublets ( 29 Si nuclei are parallel or antiparallel to the magnetic field B 0 ) have already been shown in FIG.

ところで、100個のTMS分子のうちの唯一の1つにおいて、A基内に13C核があり(1%発生率)、これは、2つの異なる異核性1H-13Cカップリング(1JH-A〜120Hz及び3JH-B-A〜2Hz)を介して、12個のプロトンの磁気的な等価性を無効化にする。B基の9個の磁気的に等価なプロトンであるKは、4H-H<<1Hzの等核性カップリング定数を有するA基の3個の磁気的に等価なプロトンであるMに、等核性方式でカップリングされる。3個のプロトンMは、8種類の可能な配列方式を有するため(3つ全てのHが上向きまたは3つ全ての1Hが下向き、或いは、2つは上向きで1つは下向き、もしくは1つは上向きで2つは下向きであり、それぞれ1/3の縮重である)、2つの四重項構造は、図8に示されたように、周波数距離が3./h−b−a〜2Hzである。示されたのは、1H-NMRによる、地球磁場におけるTMSの等核性1H-1Hカップリングの測定である。同時に、異核性1H-29Si(JH-Si=6.617Hz)、1H-13CJ-カップリング(ここで、3JH-B-A=2.139Hz)及び4H-H=0.209Hzの四重項の組との等核性1H-1Hカップリングが、高い分解能で観察される。よって、きわめて小さい等核性J-カップリング(0.209Hz)を最高の精密度で測定することができ、それによって、分子の微細な構造的相違も捕捉することができる。したがって、全体の分子構造が、単一スペクトルで捕捉される。 By the way, in only one of the 100 TMS molecules, there is a 13 C nucleus in the A group (1% incidence), which means that two different heteronuclear 1 H- 13 C couplings (1J HA ~ 120Hz and 3J HBA ~ 2Hz), negating the magnetic equivalence of 12 protons. The nine magnetically equivalent protons of the B group are K, the M is the three magnetically equivalent protons of the A group having an isonuclear coupling constant of 4 J HH << 1 Hz, etc. Coupled in a nuclear manner. 3 protons M, all of the 1 H downward three upward or (all three of the 1 H to have the eight possible sequences method, or two one in upward downward or 1, The two quartet structures have a frequency distance of 3./h−b−a, as shown in FIG. 8. ~ 2 Hz. Was the is shown, according to 1 H-NMR, the measurement of homonuclear 1 H- 1 H coupling of TMS in the Earth magnetic field. At the same time, heteronuclear 1 H- 29 Si (J H-Si = 6.617 Hz), 1 H- 13 CJ-coupling (where 3J HBA = 2.139 Hz) and 4 J HH = 0.209 Hz. homonuclear 1 H- 1 H coupling with the triplet set is observed with a high resolution. Thus, very small homonuclear J-couplings (0.209 Hz) can be measured with the highest precision, thereby capturing even the fine structural differences of molecules. Thus, the entire molecular structure is captured in a single spectrum.

構造説明のための提案された方法のポテンシャルは、X=13Cが測定される核として利用される場合に、より一層高くなる。プロトンスペクトルと比較するとき、スペクトル分解能は、10倍以上優れているが、これは、13C核に対するT緩和時間を非常に長くすることができるためである(T〜3秒乃至3分)。しかしながら、非常に小さい信号対ノイズ比のため、強力な予備磁化、例えば、PHIP(パラ水素誘導性分極転移;Para Hydrogen Induced Polarization Transfer)、SEOP(スピン交換光ポンピング;Spin Exchange Optical Pumping)、またはSPINOE(スピン分極化誘導性核オーバーハウザー効果;Spin Polarized Induced Nuclear Overhauser Effect)方法のようなものを採用しなければならない[参考文献:Bowers, C.R.& Weitekamp, D.P.化学反応及び核磁気共鳴による、核-スピン磁化に対する対称化手順の変換(Transformation of symmetrization order to nuclear-spin magnetization by chemical reaction and nuclear magnetic resonance).Phys.Rev.Lett.57,2645-2648(1986);Goldman, M., Johannesson, H.,Axelsson, O.& Karlsson, M.パラ水素からのオーダートランスファーを通じた13Cの分極:MRIのための新規の造影剤(Hyperpolarization of 13C through order transfer from parahydrogen: A new contrast agent FOR MRI.).Magn.Reson.Imag.23,153-157(2005);Happer, W. Optical Pumping.Rev.Mod.Phys.44,169-249(1972);Appelt, S.ら.3He及び129Xeのスピン-交換光ポンピングの理論(Theory of Spin-Exchange Optical Pumping of 3He and 129Xe),Phys.Rev.A58,1412-1439(1998);Bouchiat, M.A., Carver, T.R. & Varnum, C.M.光ポンピング及び双極子交換に誘導されるHe気体における核分極(Nuclear Polarization in He3 Gas Induced by Optical Pumping and Dipolar Exchange).Phys.Rev.Lett.5,373-375(1960);Colegrove, F.D., Schearer, L.D. & Walters, G.K.光ポンピングによる3He気体の分極(Polarization of He3 Gas by Optical Pumping).Phys.Rev.132,2561―2572(1963)]。 The potential of the proposed method for structure description is even higher when X = 13 C is used as the nucleus to be measured. When compared with the proton spectrum, the spectral resolution is more than 10 times better because the T 2 relaxation time for 13 C nuclei can be very long (T 2 -3 seconds to 3 minutes). ). However, due to the very small signal-to-noise ratio, strong pre-magnetization, such as PHIP (Para Hydrogen Induced Polarization Transfer), SEOP (Spin Exchange Optical Pumping), or SPINOE (Spin Polarized Induced Nuclear Overhauser Effect) method should be adopted [Reference: Nuclear-spin by Bowers, CR & Weitekamp, DP chemical reaction and nuclear magnetic resonance Transformation of symmetrization order to nuclear-spin magnetization by chemical reaction and nuclear magnetic resonance. Phys. Rev. Lett. 57, 2645-2648 (1986); Goldman, M., Johannesson, H. , Axelsson, O. & Karlsson, M. Polarization of 13 C through order transfer from parahydrogen: a novel contrast agent for MRI (Hyperpolarization of 13 C through order transfer from parahydrogen: A new contrast agent FOR MRI.). Magn.Reson.Imag.23,153-157 (2005); Happer, W. Optical Pumping.Rev.Mod.Phys.44,169-249 (1972) ;. Appelt, S. et al. 3 He and 129 Xe spin - theory of exchange optical pumping (theory of spin-Exchange optical pumping of 3 He and 129 Xe), Phys.Rev.A58,1412-1439 (1998); Bouchiat , MA, Carver, TR & Varnum , nuclear polarization in 3 He gas to be induced in the CM optical pumping and dipole exchange (nuclear polarization in He 3 gas induced by optical pumping and dipolar exchange) .Phys.Rev.Lett.5,373- 375 (1960); Colegrove, FD , Schearer, LD & Walters, the polarization of the 3 He gas by GK optical pumping (polarization of He 3 gas by optical pumping) .Phys.Rev.132,2561-2572 (1963)].

現在までも、10-4T未満の磁場に対するNMR分光法の1次元の場合のみを取り扱っている。様々な多重項の組のあるNMRスペクトルにおいて、AまたはB基に結合された多数の測定核(例えば、1H、13C、....)の数を明白に推定することが可能である。たとえ、すべての異核性カップリング定数をスペクトルから決定することができるとしても、すべての場合において、測定した核がどの核とカップリングするかを推定することは不可能である。このような問題は、周波数空間内の第2次元をスペクトルに取り入れることによって解決される。2次元NMRと類似した方法で[参考文献:Ernst, R.R., Bodenhausen, G.& Wokaun, A.1次元及び2次元における核磁気共鳴の原理(Principles of Nuclear Magnetic Resonance in One and Two Dimensions).(Clarendon Press,Oxford,UK,1987)]、例えば、スペクトルの測定中に、低強度の無線周波数を持続的に放射することが可能である。放射される周波数は、測定する核のシグナル測定を妨害しないように、測定する核のラーモア周波数から十分遠くに離れていなければならない。無線周波数が、測定する核と異核性カップリングする未知の核と共鳴する場合、異核性J-カップリングは、平均して、対応する多重項の組がスペクトルから消える。放射周波数が既知であるため、核が、どのような類型であるかを断定することが可能である。多数の異なる無線周波数において、測定する核の1次元実験を繰り返す場合、測定する核のすべての異核性及び等核性J-カップリングが第1次元の周波数空間に散在し、そして異核性方式で測定する核とカップリングされているすべての類型の核(プロトンを除く)が第2次元の周波数空間に散在している2次元NMRスペクトルが修得される。 To date, only the one-dimensional case of NMR spectroscopy for magnetic fields below 10 −4 T is dealt with. In NMR spectra with various multiplet sets, it is possible to unambiguously estimate the number of numerous measurement nuclei (eg 1 H, 13 C,...) Bound to the A or B group. . Even though all heteronuclear coupling constants can be determined from the spectrum, in all cases it is not possible to estimate which nucleus the measured nucleus will couple to. Such a problem is solved by incorporating a second dimension in the frequency space into the spectrum. In a manner similar to two-dimensional NMR [Reference: Ernst, RR, Bodenhausen, G. & Wokaun, A. Principles of Nuclear Magnetic Resonance in One and Two Dimensions. Clarendon Press, Oxford, UK, 1987)], for example, during the measurement of a spectrum, it is possible to radiate low intensity radio frequencies continuously. The emitted frequency must be far enough away from the measuring Larmor frequency so as not to interfere with the measuring signal of the measuring nucleus. If the radio frequency resonates with an unknown nucleus that is heteronuclearly coupled to the nucleus being measured, the heteronuclear J-coupling on average causes the corresponding multiplet set to disappear from the spectrum. Since the radiation frequency is known, it is possible to determine what type the nucleus is. When repeating a one-dimensional experiment on a measuring nucleus at a number of different radio frequencies, all heteronuclear and homonuclear J-couplings of the measuring nucleus are scattered in the first-dimensional frequency space and are heteronuclear A two-dimensional NMR spectrum is acquired, in which all types of nuclei (except protons) coupled to the nuclei to be measured in the system are scattered in the second dimensional frequency space.

2000Hzでのプロトンの対応するラーモア周波数(γH=4.257kHz/G)を有する、地球磁場(4.698−10−5T)におけるTMS分子の場合、この時、13Cのラーモア周波数は、503Hz(γ13c=1.0708kHz/G)で、29Siののラーモア周波数は、397.7Hz(γ29Si=0.8465kHz/G)である。例えば、若し磁場強度B1で正確に503Hzで放射すると、13C磁化は、ラビ(Rabi)周波数 VR=γ13C1で振動し、異核性1H-13CJ-カップリングを平均する。
1次元の1HTMSスペクトルにおいて、図8に示された四重項の組は消えるが、これは、四重項の組の出現条件が、異核性1H-13Cカップリングが存在することであるためである。同様に、異核性1H-29SiJ-カップリングは、397.7Hzの放射を利用する場合に、平均する。これによって、多重項構造の一時的下落が、プロトン2Dスペクトルの異核が共鳴する箇所に正確に現われる。このことは、TMS分子に対して地球磁場でシミュレーションされた1H2Dスペクトルが示されている図9に説明している。1Dスペクトルに比べてより優れた分子構造のマッピングが可能である。これは、すべてのJ-カップリング定数とは別に、それらと関連するJ-カップリングを含む、すべての核の類型が2Dスペクトルから分かるためである。
In the case of a TMS molecule in the geomagnetic field (4.698-10 −5 T) with a corresponding Larmor frequency of protons at 2000 Hz (γ H = 4.257 kHz / G), then the 13 Larmor frequency is At 503 Hz (γ 13c = 1.0708 kHz / G), the Larmor frequency of 29 Si is 397.7 Hz (γ 29Si = 0.8465 kHz / G). For example, if radiated exactly at 503 Hz with a magnetic field strength B 1 , the 13 C magnetization oscillates at the Rabi frequency V R = γ 13 C B 1 and averages heteronuclear 1 H- 13 CJ-coupling. To do.
In the one-dimensional 1 HTMS spectrum, the quartet set shown in FIG. 8 disappears. This is because the appearance condition of the quartet set is the presence of heteronuclear 1 H- 13 C coupling. This is because. Similarly, heteronuclear 1 H- 29 SiJ-coupling averages when using 397.7 Hz radiation. As a result, a temporary fall of the multiplet structure appears accurately at the location where the heteronuclei in the proton 2D spectrum resonate. This is illustrated in FIG. 9, which shows a 1 H2D spectrum simulated in the geomagnetic field for TMS molecules. More excellent molecular structure mapping is possible compared to 1D spectra. This is because, apart from all J-coupling constants, all nuclear types, including their associated J-couplings, are known from the 2D spectrum.

一実施態様において、地球磁場の代わりにmT範囲のより大きい磁場を選択する場合、提案された2D低磁場NMR方法をより一層改善することができる。1mT(=10-3T)において、13C核のラーモア周波数は、約10kHzである。13C化学シフトの範囲が約100ppmであるため、多様な化学的環境による13C共鳴周波数の差は、約1Hzである。ただし、磁場B=1mTが非常に均質であって(ΔB/B〜10-6)、かつ一時的に安定する場合、1H2Dスペクトル(〜42kHzラーモア周波数)において、放射される13C無線周波数を変化させることにより(例えば、10mHz毎に)、各種の13C化学シフトの間を区分することが可能である。2Dスペクトルにおいて、これは、関連するJ-多重項の組を有するすべての測定された13C化学シフトの割り当てを可能とし、分子構造の最終的な解明ができるようにするものである。 In one embodiment, the proposed 2D low field NMR method can be further improved if a larger magnetic field in the mT range is selected instead of the geomagnetic field. At 1 mT (= 10 −3 T), the Larmor frequency of 13 C nuclei is about 10 kHz. Since the range of 13 C chemical shift is about 100 ppm, the difference in 13 C resonance frequency due to various chemical environments is about 1 Hz. However, if the magnetic field B 0 = 1 mT is very homogeneous (ΔB 0 / B 0 to 10 −6 ) and temporarily stable, 13 C emitted in the 1 H2D spectrum (˜42 kHz Larmor frequency) By changing the radio frequency (eg, every 10 mHz), it is possible to distinguish between various 13 C chemical shifts. In the 2D spectrum, this allows the assignment of all measured 13 C chemical shifts with an associated J-multiplet set, allowing final resolution of the molecular structure.

本願に記載された方法を用いて、例えば、可動性の石油分子の構造の解明が可能である。等核性及び異核性J-カップリングによって、例えば、(すでに、油井の近所または内部で)石油探査の間にヘプタン、オクタン、ベンゾール及びその他の石油成分を現場で区分し、それにより、もっとも正確な方法で石油の品質を等級分けすることが可能となる。   Using the methods described in this application, for example, the structure of mobile petroleum molecules can be elucidated. Isonuclear and heteronuclear J-coupling, for example, isolates heptane, octane, benzol and other petroleum components on-site during oil exploration (already in or near the oil well), so that most Oil quality can be graded in an accurate manner.

例えば、取り扱い難い条件(例えば、大規模のリアクションチャンバー)下で、技術的変化が起きる化学反応は、反応が進行する間に、本発明に準ずる(可動式)NMRによって特性化することができる。これは、例えば、プラスチック製造中の重合反応のオンライン特性化に対して重要である。   For example, chemical reactions in which technical changes occur under difficult conditions (eg, large-scale reaction chambers) can be characterized by (mobile) NMR according to the present invention while the reaction proceeds. This is important, for example, for on-line characterization of polymerization reactions during plastic manufacturing.

液状食品製品(例えば、アルコール飲物、エタノール、芳香族化合物水溶液の成分など)の品質管理は、本発明の方法の別の適用分野である。   Quality control of liquid food products (e.g., alcoholic beverages, ethanol, aromatics aqueous components, etc.) is another area of application of the method of the present invention.

最終的に、小型乃至中間度の大きさのタンパク質または生体分子の構造をマッピングする可動式NMR装置は、薬剤産業において非常に関心の高いものである。本発明で提案された方法は、超伝導磁石を用いた構造分析の性能に比べて、実質的により柔軟であり、且つ安価の可動式NMR装置の使用を可能とする。   Finally, mobile NMR devices that map the structure of small to medium sized proteins or biomolecules are of great interest in the pharmaceutical industry. The method proposed in the present invention is substantially more flexible compared to the performance of structural analysis using a superconducting magnet, and allows the use of an inexpensive mobile NMR apparatus.

以下において、可動式高分解能NMRの本発明方法を実施するための装置を説明する。   In the following, an apparatus for carrying out the inventive method of mobile high resolution NMR will be described.

図10に示された装置の中心ユニットは、できるだけ均質な磁場(5)(B0=0.2〜200G)を生成する2つのヘルムホルツコイル(4)からなる。このような場合、均質性ΔB/B0は、少なくとも1ppmでなければならない。B0磁場の十分な一時的な安定性を達成するために、電流安定装置(6)は、1時間以上にわたって、1ppm以上の一時的な安定性を備えていなければならない。必要であれば、上記均質性は、追加のシムコイルを使用して得なければならない。スクリーニング(10)は、測定位置における環境による磁場の変化または歪みを回避するために行われる。 The central unit of the device shown in FIG. 10 consists of two Helmholtz coils (4) that generate as homogeneous a magnetic field (5) as possible (B 0 = 0.2 to 200 G). In such a case, the homogeneity ΔB / B 0 must be at least 1 ppm. In order to achieve sufficient temporary stability of the B 0 field, the current stabilizer (6) must have a temporary stability of 1 ppm or more for over 1 hour. If necessary, the homogeneity must be obtained using an additional shim coil. Screening (10) is performed to avoid changes or distortions of the magnetic field due to the environment at the measurement location.

測定すべき試料(1)の所望の分極は、ハルバハ磁石(2)による予備磁化、または、測定コイル(7)への試料の移送(5)が後続される、その他の過分極技術(11)(SEOP、PHIP、SEOP+SPINOE)のいずれかによって達成される。縦緩和時間が短い(T1<1秒)試料の場合、ハルバハ磁石(2)から測定コイル(7)への移送は、圧縮空気を用いて約100ms内に行うことができる。   The desired polarization of the sample (1) to be measured may be pre-magnetized by a Halbach magnet (2) or other hyperpolarization technique (11) followed by sample transfer (5) to the measuring coil (7). (SEOP, PHIP, SEOP + SPINOE). In the case of a sample having a short longitudinal relaxation time (T1 <1 second), the transfer from the Halbach magnet (2) to the measuring coil (7) can be performed within about 100 ms using compressed air.

試料は、NMR電子システム(9)によって生成されるDCまたはACパルスのトランスミッタコイル(8)によって励起される。次いで、“自由誘導減衰”(FID)が受信コイル(7)及びNMR電子システム(9)で測定され、データ取得システムによって記録されて、その後、評価される。   The sample is excited by a DC or AC pulse transmitter coil (8) generated by an NMR electronic system (9). The “free induction decay” (FID) is then measured with the receive coil (7) and the NMR electronics system (9), recorded by the data acquisition system, and then evaluated.

図10に示した配列は、超高分解能NMR分光法の可動性能を可能にするものである。少なくとも5000のスクリーニング係数を用いた二重磁石スクリーニングとともに、カップリングされていないプロトンに関する、数千の信号対ノイズ比を有した高感度NMR電子システムが、特別な特徴である。   The arrangement shown in FIG. 10 enables the movable performance of ultra-high resolution NMR spectroscopy. A highly sensitive NMR electronic system with thousands of signal-to-noise ratios for uncoupled protons with double magnet screening using a screening factor of at least 5000 is a special feature.

超低磁場における等核性J-カップリングの測定の原理について、もう一度説明する。核スピンがなく、互いに結合されたプロトンHを有する、2つの化学基A及びBからなる単一分子について検討する(図11a、左側)。1H−AおよびB−1Hに対してそれぞれ遷移周波数ωH,AおよびωH,Bの2つ異なる化学シフト、および等核性J-カップリング定数Jhomがある。カップリング定数は、高磁場でほとんどいつも実行される弱相関限界|ωH,A−ωH,B|>>2π|Jhom|において容易に測定することができる。しかし、磁場強度B<10-4Tの超低磁場では、強相関限界は、|ωH,A−ωH,B|<<2π|Jhom|を適用する。
2つの限界が、図1a、右側の2つのカップリングされた振動子からの機械的アナロゴンによって説明されている。それぞれの振動子は、一つの化学基1H-A-B-1H分子の|位置|=H−A、H−Bを表し、バネ定数がDで、質量がmであるスプリングからなる。この2つの振動周波数は、ω=(D1/m)1/2である。このモデルにおいて、2つのプロトンの間の等核性J-カップリングは、2つの質量間の定数Dhomを有するスプリングに対応する。高磁場では、2つの基が磁気的に等価ではなく、ωH,A−ωH,B|>>(Dhom/m)1/2であり、そのため、ωH,A≠ωH,Bであり、スプリングは、周波数(Dhom/m)1/2のビートを取り入れる。保持スペクトル(図11b)は、2つの周波数の化学シフト及び等核性J-カップリングによって移動されたH線の分裂を示している。超低磁場において、2つのバネ定数が一致(DH,A=DH,B)するように、2つの基は、磁気的に等価である。2つの質量体は、以下の同一の変位の位相において振動すると予測され、バネ定数Dhomは、運動に影響を与えない。したがって、スペクトルは、周波数ωH=ωH,A=ωH,Bにおいてただ1つの線からなる(図11c)。この場合、等核性J-カップリング定数に対する情報は、有効ではない。
The principle of measurement of homonuclear J-coupling in an ultra-low magnetic field will be explained once again. Consider a single molecule consisting of two chemical groups A and B with no nuclear spin and proton 1 H bonded to each other (FIG. 11a, left). There are two different chemical shifts of transition frequencies ω H, A and ω H, B for 1 H-A and B 1 H, respectively, and a homonuclear J-coupling constant J hom . The coupling constant can easily be measured at the weak correlation limit | ω H, A −ω H, B | >> 2π | J hom | However, in the ultra-low magnetic field with the magnetic field strength B 0 <10 −4 T, the strong correlation limit applies | ω H, A −ω H, B | << 2π | J hom |.
Two limitations are illustrated by the mechanical analogologon from FIG. 1a, the two coupled transducers on the right. Each vibrator represents a | position | = HA, HB of one chemical group 1 HA—AB- 1 H molecule, and consists of a spring having a spring constant D i and a mass m. . These two vibration frequencies are ω 1 = (D 1 / m) 1/2 . In this model, a homonuclear J-coupling between two protons corresponds to a spring having a constant D hom between the two masses. In a high magnetic field, the two groups are not magnetically equivalent and ω H, A −ω H, B | >> (D hom / m) 1/2 , so ω H, A ≠ ω H, B And the spring incorporates a beat of frequency (D hom / m) 1/2 . The retention spectrum (FIG. 11b) shows the splitting of the 1 H line transferred by two frequency chemical shifts and homonuclear J-coupling. The two groups are magnetically equivalent so that the two spring constants coincide (D H, A = D H, B ) in an ultra-low magnetic field. The two masses are expected to oscillate at the following identical displacement phases, and the spring constant D hom does not affect the motion. Thus, the spectrum consists of a single line at frequencies ω H = ω H , A = ω H, B (FIG. 11c). In this case, the information for the homonuclear J-coupling constant is not valid.

図11dで、スプリングモデルは、DH,CおよびDH,Bのスプリングに並行する、定数Dhet H,C≠Dhet H,B,Cの2つの追加的なスプリングで拡張された。これは、たとえDH,C=DH,Bであっても、2つの質量体に対して異なる振動周波数を誘導し、Dhomによる観察可能なビートを誘導するものである。化学基のうち、他方にはないが一方には異核性スピンがある場合、2つのプロトンの間の磁気的な等価性は高くなる。単純化のために、ただ1つの炭素13C原子を基Aとして考える場合、1つは、分子構造1H-13C-B-1Hを得る(図11d、左側)。2つのプロトンは、2つの異なる異核性J-カップリング定数Jhet H,C、Jhet H,B,Cを示し、これらは、超低磁場における化学シフトの差が、ひいては消えるようにするために、2つのプロトン周波数を修正する。その結果、

Figure 2009541761
である場合、超低磁場において定数Jhomを有する等核性カップリングを見ることができる。量子力学的計算により、上記条件が、等核性及び異核性J-カップリングをすべて含めて、一般的に、マルチスピンシステムに対して有効であることが示される。予測スペクトル(図11e)は、多様な異核性J-カップリング定数を有する、周波数ωH周りの対称的にグループ化した、2つの組の二重項からなる。ここで、等核性及び異核性J-カップリング定数は、超低磁場において測定可能である。 In FIG. 11d, the spring model was extended with two additional springs of constant D het H, C ≠ D het H, B, C in parallel with the springs of D H, C and D H, B. This induces different vibration frequencies for the two mass bodies, even if D H, C = D H, B , and induces an observable beat by D hom . If one of the chemical groups is not in the other but has a heteronuclear spin, the magnetic equivalence between the two protons is high. For simplicity, if only one carbon 13 C atom is considered as group A, one obtains the molecular structure 1 H- 13 C-B- 1 H (FIG. 11d, left side). The two protons show two different heteronuclear J-coupling constants J het H, C , J het H, B, C, which cause the chemical shift difference in ultra-low magnetic fields to disappear accordingly. In order to correct the two proton frequencies. as a result,
Figure 2009541761
If so, a homonuclear coupling with a constant J hom can be seen in an ultra-low magnetic field. Quantum mechanical calculations show that the above conditions are generally valid for multi-spin systems, including all homonuclear and heteronuclear J-couplings. The predicted spectrum (FIG. 11e) consists of two sets of doublets symmetrically grouped around the frequency ω H with various heteronuclear J-coupling constants. Here, homonuclear and heteronuclear J-coupling constants can be measured in an ultra-low magnetic field.

ここから、調査した次の液体:13C及び天然存在比のケイ素29Siを有するテトラメチルシラン(TMS)、及び99%13C-富化されたメタノールについて論議する。試料の製造、地球磁場NMRの設定、予備磁化及び測定手順は、文献[41]に記載されている。 From this, the following liquids investigated: tetramethylsilane (TMS) with 13 C and natural abundance of silicon 29 Si, and 99% 13 C-enriched methanol are discussed. Sample preparation, setting of geomagnetic field NMR, pre-magnetization and measurement procedures are described in document [41].

J-カップリングされたN+1-スピン系(N個のプロトンスピン及び1個の13Cスピン)のNMRスペクトルをシミュレーションするために、N+1スピンのハミルトンマトリックス(Hamilton matrix)の影響下にある、初期密度マトリックスの経時的変化を数値的に計算した。2N+1×2N+1次元のJ-カップリングされたハミルトンマトリックスは、直接的な生産物接近法によって構築されるN個のプロトンスピン演算子及び1個の13Cスピン演算子によって形成される[42]。これは、自由誘導減衰(FID)は、密度マトリックスを掛けた全体の横軸プロトンスピンの跡(トレース)を計算して得られた。計算されたFIDをフーリエ変換した後、スペクトルを、位相補正した。横軸緩和時間は、本質的なスペクトルの特徴をよく解明して導入された。
等核性J-カップリングは、天然存在比のテトラメチルシラン(TMS)の地球磁場1H-NMRスペクトルにおいて、初めて観察された。TMSは、ケイ素同位体29Si(量f=0.047)、もしくは13C(量f=0.01)に対してJ-カップリングされた12個のプロトンを有している。図12において、そのTMSのJ-カップリングされた1H-NMRスペクトルは、1H-29Siカップリングで占められている。それは、正規化強度A0=1及び、2H、Si=6.607HzでJ-カップリングされた1H-29Si二重項(J-カップリング定数の左上の数値は、カップリングされた核の間の化学結合の数を意味している)で、2060.3Hzにおける隔離中央線を示している。
1-29Si二重項は、下部構造を有さないが、これは、すべての異核性1-29SiJ-カップリング定数が完全に同一であって、関係式|ωH−ωSi|>>2π|JH,Si|に従うためである。したがって、その12個のプロトンは、29Siに対して全て磁気的に等価であり、等核性J-カップリング定数4H、Hは、観察することができない。しかし、1%の13CH3−Si−(12CH33分子に対しては、状況が相当異なる。3個のプロトンは、異核性J-カップリング定数1Ha,C=118Hzで13Cにカップリングするが[41]、これは、3Hb,C=2.139Hzで13Cにカップリングされた9個のプロトンのカップリング定数とは異なる。異核性1H-13CJ-カップリング定数におけるこのような差は、13CH基の3個のプロトンと3個の12CH3基の9個のプロトンとの間の磁気的等価性を破壊する。
地球磁場で

Figure 2009541761
および|1Ha,C3Hb,C|>>|4Ha,Hb|であるため、予測されるH-TMSスペクトルは、1組の四重項及び1組の40本の線からなる。実際、TMSスペクトルの近景(図12)は、1:3:3:1の強度比を有する1組の四重項を示し、それは、カップリングされていないH-線の付近で対称的にグループ化されている。それぞれの四重項構造の2つの中心の間の周波数分離から、3Hb,C=2.139Hzが測定された。
2個の後続する四重項線の周波数の差は、4Ha,Hb=0.209Hzである。もっとも小さい四重項線の強度は、カップリングされていないプロトンの強度Aよりも、1,000倍以上小さい。 Initial density under the influence of an N + 1 spin Hamilton matrix to simulate the NMR spectrum of a J-coupled N + 1-spin system (N proton spins and one 13 C spin) The change over time of the matrix was calculated numerically. A 2 N + 1 × 2 N + 1 dimensional J-coupled Hamiltonian matrix is formed by N proton spin operators and one 13 C spin operator constructed by direct product approximation [42 ]. This was obtained by calculating the free transverse decay (FID) of the entire transverse proton spin multiplied by the density matrix. After Fourier transforming the calculated FID, the spectrum was phase corrected. The abscissa relaxation time was introduced by well elucidating essential spectral features.
Isonuclear J-coupling was first observed in the geomagnetic 1 H-NMR spectrum of natural abundance tetramethylsilane (TMS). TMS has 12 protons J-coupled to the silicon isotope 29 Si (amount f = 0.047), or 13 C (amount f = 0.01). In FIG. 12, the TMS J-coupled 1 H-NMR spectrum is dominated by 1 H- 29 Si coupling. It is a 1 H- 29 Si doublet J-coupled with normalized strengths A 0 = 1 and 2 J H, Si = 6.607 Hz (the number on the upper left of the J-coupling constant is coupled) The isolated centerline at 2060.3 Hz.
The 1 H -29 Si doublet has no substructure, which means that all heteronuclear 1 H -29 SiJ-coupling constants are completely identical and the relation | ω H −ω This is to comply with Si | >> 2π | J H, Si |. Therefore, the 12 protons are all magnetically equivalent to 29 Si, and the homonuclear J-coupling constants 4 J H and H cannot be observed. However, the situation is quite different for 1% of 13 CH 3 —Si— ( 12 CH 3 ) 3 molecules. 3 pieces of protons, heteronuclear J- coupling constant 1 J Ha, but coupling to 13 C with C = 118Hz [41], which, 3 J Hb, Cup 13 C with C = 2.139Hz It differs from the coupling constant of the nine protons that are ringed. Such differences in heteronuclear 1 H- 13 CJ-coupling constants indicate a magnetic equivalence between three protons of 13 CH 3 groups and nine protons of three 12 CH 3 groups. Destroy.
In the geomagnetic field
Figure 2009541761
And | 1 J Ha, C −3 J Hb, C | >> | 4 J Ha, Hb |, the predicted 1 H-TMS spectrum is one set of quartets and one set of 40 Consists of lines. In fact, the close view of the TMS spectrum (FIG. 12) shows a set of quartets with an intensity ratio of 1: 3: 3: 1, which is symmetrical around the uncoupled 1 H-line. Grouped. From the frequency separation between the two centers of each quartet structure, 3 J Hb, C = 2.139 Hz was measured.
The difference in frequency between two subsequent quartet lines is 4 J Ha, Hb = 0.209 Hz. Intensity of the smallest quartet line, than the strength A 0 of protons that are not coupled, small more than 1,000 times.

多重項線の強度は、推定可能である。Mをすべてのプロトンスピンの数、Nを1つの基のプロトンスピンの数、そしてM-Nを他の基のプロトンスピンの数と定義する。M-Nスピンが観察される場合、N+1多重項の最小線の強度は、AN+1=A0×f×(1/2)×((M−N)/M)/2Nで与えられる。M=12、N=3、f=0.01およびA=1のTMSに対して、最小四重項線の強度は、A4=5×10-4であり、これは、図12におけるTMSスペクトルの最小四重項線と一致する。 The intensity of the multiplet line can be estimated. Define M as the number of all proton spins, N as the number of proton spins in one group, and MN as the number of proton spins in the other group. When MN spin is observed, the intensity of the minimum line of the N + 1 multiplet is given by A N + 1 = A 0 × f × (1/2) × ((MN) / M) / 2 N It is done. For TMS with M = 12, N = 3, f = 0.01 and A 0 = 1, the intensity of the minimum quartet line is A 4 = 5 × 10 −4 , which is It coincides with the minimum quartet line of the TMS spectrum.

13CH3基の3個のプロトンの1H-スペクトルは、|ωH−ωC|=2π×1542Hz≒13×2π|1Ha,C|のような強いカップリングによって、最初に4本線の1組に分裂する。4本線への分裂の理由は、次のセクションで説明する。他の3つのメチル基の9個のプロトンに対する等核性J-カップリングによって、それぞれ上記4本線は、10本の線のある多重項にさらに分裂する。Nスピンが観察される場合、M-N+1多重項の最小線の強度は、AM-N+1=A0×f×(1/2)×(N/M)/2M-Nである。TMSの場合は、A10=2×10-6となる。40本線のうちの最小線の強度は、A40=(1/4)A10≒5×10-7で与えられ、これは、本発明の分光計では測定することができない。約1Hzの線幅を有する、対応するTMSの高磁場H-スペクトルでは、1H-29SiJ-カップリング定数はほとんど分解することができず、四重項の組は、カップリングされていないプロトンの広幅に隠される。高磁場において、1H,C=118Hzの1H−13CJ-カップリングされた二重項は観察されるが[41]、それぞれ0.209Hz間隔の10本線を有した1組の多重項からなる完全な構造は、分解されない。超低磁場H-スペクトルから化学シフト情報を抽出することができないにもかかわらず、地球磁場TMSスペクトルは、構造的な情報を高磁場スペクトルよりも多く提供することに留意されたい。 The 1 H-spectrum of the three protons of the 13 CH 3 group is initially four lines due to a strong coupling such as | ω H −ω C | = 2π × 1542 Hz≈13 × 2π | 1 J Ha, C | Split into one set. The reason for the split into four lines will be explained in the next section. Each of the four lines is further split into multiples with ten lines by homonuclear J-coupling to the nine protons of the other three methyl groups. When N spin is observed, the intensity of the minimum line of the MN + 1 multiplet is A M−N + 1 = A 0 × f × (½) × (N / M) / 2 MN . In the case of TMS, A 10 = 2 × 10 −6 . The intensity of the smallest of the 40 lines is given by A 40 = (1/4) A 10 ≈5 × 10 −7 , which cannot be measured with the spectrometer of the present invention. In the high-field 1 H-spectrum of the corresponding TMS with a line width of about 1 Hz, the 1 H- 29 SiJ-coupling constant can hardly be resolved, and the quartet set is not coupled. Hidden in the wide of protons. In high magnetic field, 1 J H, C = 1 H- 13 CJ- -coupled doublet of 118Hz is observed [41], a pair of multiplets having a 10 mains each 0.209Hz interval The complete structure consisting of is not decomposed. Note that the geomagnetic TMS spectrum provides more structural information than the high field spectrum, even though chemical shift information cannot be extracted from the ultra low magnetic field 1 H-spectrum.

図13には、2つの異なる温度で測定した13C富化メタノール(f=0.99)の地球磁場1H-スペクトルが示されている。T=60℃において、OH-プロトンが、異なる分子の間で迅速に交換されるため(滞留時間τ<<0.1s)、これらは、等核性または異核性J-カップリングを全く行わない。上記カップリングされていないプロトンは、1H-スペクトルにおいて、図13a上側の2061.29Hzでの中央線により見える。優勢である迅速な交換の下で、J-カップリングされた地球磁場スペクトルは、3個のプロトン及び1個の13Cのある、強くカップリングされた4-スピンシステムの一例であり、この場合、

Figure 2009541761

である。それぞれ4本の線のある1組の多重項が観察される(図13a、上側)。
非対称的なパターン及び可変的な線空間配置が、1H,C=140.6Hz44の強くカップリングされた4-スピン13CH3-ハミルトニアンの影響下に展開される横軸H-磁化の量子力学的計算と完全に一致する(図13a、下方)。分裂は、純粋に低磁場における強い異核性H-13CJ-カップリングに起因するものであり、この場合、対応する対角要素の差に比べて、ゼーマン(Zeeman)固有原則では、13CH-ハミルトンマトリックスにおける非対角要素がもはや小さくないことに留意する。これは、エネルギー固有値の多様な変動、及び、2つのJ-カップリングされた線の縮重の上昇の原因となる。それぞれのJ-カップリングされた線に対する4本線の数は、下記のように説明することができる:13CH3基の1つのプロトンを観察する場合、他の2つのプロトンスピンは、磁場に関して、3つの可能な配向の三重項状態及び1つの可能な配向の一重項状態のいずれかに分類することができる。これは、異なる周波数で合計1+3=4本の線をもたらす。プロトン化学シフト情報は、地球磁場スペクトルからは得られないが、13CH3基の化学構造は、4本線の1組に分裂されることにより、同定することができる。同様の現象が、低磁場で強くカップリングされたPH2基に対する2本線の1組を観察したBenoitらによって最初に報告された[39]。一般に、強くカップリングされたYXN基(Y=スピン1/2、X=測定されたスピン1/2、N=自然数)に対して、それぞれの多重項線の数Kが以下のように与えられる1組の多重項を測定するシミュレーションから発見した:

Figure 2009541761

式中、Uは、奇数の集合を示す。言い換えれば、N=1、2、3、4の強くカップリングされた13CHN基は、1、2、4及び6本のJ-カップリングされた線の1組として、それぞれ、超低磁場スペクトルにおいて同定することができる。 FIG. 13 shows the geomagnetic field 1 H-spectrum of 13 C enriched methanol (f = 0.99) measured at two different temperatures. At T = 60 ° C., since OH-protons are rapidly exchanged between different molecules (residence time τ << 0.1 s), they perform any homonuclear or heteronuclear J-coupling. Absent. The uncoupled proton is visible in the 1 H-spectrum by the center line at 2061.29 Hz on the top of FIG. 13a. Under the prevailing rapid exchange, the J-coupled geomagnetic spectrum is an example of a strongly coupled 4-spin system with 3 protons and 1 13 C, in this case ,
Figure 2009541761

It is. A set of multiplets, each with four lines, is observed (FIG. 13a, upper side).
Asymmetrical pattern and variable line space arrangement, 1 J H, C = 140.6Hz strongly-coupled 4-spin 13 CH 3 44 - horizontal axis 1 H- magnetization is expanded under the influence of Hamiltonian Is completely consistent with the quantum mechanical calculation of (Fig. 13a, bottom). The splitting is purely due to strong heteronuclear 1 H- 13 CJ-coupling in a low magnetic field, in which case the Zeeman eigenprinciple, compared to the corresponding diagonal element difference, is 13 Note that off-diagonal elements in the CH 3 -Hamiltonian matrix are no longer small. This causes various fluctuations in the energy eigenvalue and an increase in the degeneracy of the two J-coupled lines. The number of four lines for each J-coupled line can be explained as follows: When observing one proton of the 13 CH 3 group, the other two proton spins are There are three possible orientation triplet states and one possible orientation singlet state. This results in a total of 1 + 3 = 4 lines at different frequencies. Proton chemical shift information cannot be obtained from the geomagnetic spectrum, but the chemical structure of the 13 CH 3 group can be identified by splitting it into a set of four lines. A similar phenomenon was first reported by Benoit et al. Who observed a set of two lines for a PH 2 group strongly coupled in a low magnetic field [39]. In general, for a strongly coupled YX N group (Y = spin 1/2, X = measured spin 1/2, N = natural number), the number K of each multiplet line is given by Found from a simulation that measures a set of multiplets:

Figure 2009541761

In the formula, U represents an odd set. In other words, a strongly coupled 13 CH N group with N = 1, 2, 3, 4 is a very low magnetic field as a set of 1, 2, 4, and 6 J-coupled lines, respectively. Can be identified in the spectrum.

温度T=−80℃にて(図13b、上側)、OH-プロトンの滞留時間は、OH-基と13CH3基との間の等核性J-カップリングが平均に収まらないように十分長い(τ>1s)[45、46]。ここから、|ωH−ωC|≧2π|1H,C|および|1H,C2H,C|≧|3H,H|である2つの強相関限界の条件下で、H-O-13CH3に対して5スピン系が観察される。等核性J-カップリングが観察可能となりはじめ、そして図13aの線群のうちの4つの強くカップリングされたそれぞれのH-線は二重項に分裂され、それぞれ、8本線の外部組を生じる(図13a、上側)。二重項線の間の周波数分離は、およそ等核性カップリング定数3H,H=5.0Hz44である。観察される各8本線の外部組は、図13bの下方に示した量子力学的計算と完全に一致する。ここで、J-カップリング定数は、1H,C=140.6Hz、2H,C=−2.4Hzおよび3H,H=5.0Hzと仮定される[44、47]。図13bの下方に示されたように、また、計算により、2061.29Hzでカップリングされていない1H-線周辺で観察可能な6個1組の遷移が予測される。6本線の数は、強く異核性カップリングされた13CH分子と形式的に類似するが、1つのOH-プロトンが、13CH基の他の3つのプロトンに対して強く等核性J-カップリングされている(|1H,C2H,C|≧|3H,H|)ことが異なる。カップリングされていないH-線の周波数で小さなピークが、図13bの実験スペクトルにおいて見える(しかし、シミュレートされたスペクトルでは見えない)ことに留意されたい。これは、核スピンのない12Cを含むメタノール分子の1%のカップリングされていない1H-信号によるものである。 At a temperature T = −80 ° C. (FIG. 13b, upper side), the residence time of the OH-protons is sufficient so that the homonuclear J-coupling between the OH— group and the 13 CH 3 group does not fall on average. Long (τ> 1 s) [45, 46]. From here, | ω H -ω C | ≧ 2π | 1 J H, C | and | 1 J H, C - 2 J H, C | ≧ | 3 J H, H | a is two conditions strongly correlated limit Below, a 5 spin system is observed for H—O— 13 CH 3 . Isonuclear J-coupling begins to be observable, and each of the four strongly coupled 1 H-lines in the line group of FIG. 13a is split into doublets, each of which is an 8-line external pair. (FIG. 13a, upper side). The frequency separation between the doublets is approximately the homonuclear coupling constant 3 J H, H = 5.0 Hz 44 . The observed outer set of each eight lines is in complete agreement with the quantum mechanical calculations shown below in FIG. 13b. Here, the J-coupling constants are assumed to be 1 J H, C = 140.6 Hz, 2 J H, C = -2.4 Hz and 3 J H, H = 5.0 Hz [44, 47]. As shown at the bottom of FIG. 13b, the calculation also predicts a set of 6 transitions observable around the 1 H-line that is not coupled at 2061.29 Hz. The number of six lines is formally similar to the strongly heteronuclear coupled 13 CH 4 molecule, but one OH-proton is strongly isonuclear with respect to the other three protons of the 13 CH 3 group. is J- coupling (| 1 J H, C - 2 J H, C | ≧ | 3 J H, H |) is different. Note that a small peak at the frequency of the uncoupled 1 H-line is visible in the experimental spectrum of FIG. 13b (but not in the simulated spectrum). This is due to the 1% uncoupled 1 H-signal of methanol molecules containing 12 C without nuclear spin.

要約すると、本発明者は、有効な化学シフト情報を入手することができない超低磁場におけるNMRによって、分子構造に関する貴重な情報を修得することができることを明らかにした。これについては、2つの理由が考えられる:1)1組の多重項へのH-共鳴の特徴的な異核性分裂を誘導する異核性強相関限界(|ωH−ωC|≧2π|1H,C|)が作用することによって、ある一つの化学基(例えば、13CH3)が、超低磁場で同定することができる。2)2個以上の異なる化学基が分子を構成し、そしてこれらのうちの1つが、稀少スピン、例えば、13C核を含む場合、等核性及び異核性カップリングネットワークは多重項の組として観察される。多重項発生に対する根本的なメカニズムは、多様な化学基のプロトンの間の磁気的等価性が、稀少スピンに対する多様な化学基のプロトン由来の多様な異核性J-カップリング定数の存在によって上昇することである。低磁場において、天然存在比の稀少スピンを有する大きな分子のスペクトルの複雑さが高いとはいえ、スペクトルパターンを、分子構造のフィンガープリントとして使用することができる。その結果として、分子構造だけではなく、例えば、分子間のH-交換のような動的プロセスも、超低磁場において高精度で研究することができる。 In summary, the inventor has shown that valuable information regarding molecular structure can be acquired by NMR in ultra-low magnetic fields where no valid chemical shift information is available. There are two possible reasons for this: 1) The heteronuclear strong correlation limit (| ω H −ω C | ≧) that induces the characteristic heteronuclear splitting of 1 H-resonance into a set of multiplets. By the action of 2π | 1 J H, C |), one chemical group (for example, 13 CH 3 ) can be identified in an extremely low magnetic field. 2) If two or more different chemical groups constitute a molecule, and one of these contains a rare spin, eg, a 13 C nucleus, the homonuclear and heteronuclear coupling networks are multiplet sets. As observed. The underlying mechanism for multiplet generation is that the magnetic equivalence between protons of various chemical groups is increased by the presence of various heteronuclear J-coupling constants from protons of various chemical groups to rare spins. It is to be. At low magnetic fields, the spectral pattern can be used as a fingerprint of the molecular structure, even though the spectral complexity of large molecules with rare spins of natural abundance is high. As a result, not only the molecular structure, but also dynamic processes such as 1 H-exchange between molecules can be studied with high accuracy in an ultra-low magnetic field.

J-カップリングされた1H-NMRの機械的アナログを示した図である。 (a)化学基A及びBを介してカップリング定数Jhomの等核性J-カップリングを通じて相互作用する、2つのスピン1H-A-B-1H(左側)のビーズ−スプリングモデル(右側)。DH,A、DH,BおよびDhomは、対応バネ定数を表し、mは、2つのカップリングされた機械的振動子の質量である。DH,A=DH,Bの場合、Dhomは、測定不可能である。 対応する高磁場スペクトル(b)及び超低磁場スペクトル(c)を保持スペクトルとしてスケッチした。 (d)3-スピン系1H-13C-B-1H(左側)及び対応する機械的アナロゴン(右側)。Jhet H,CおよびJhet H,B,Cは、2つの異なる異核性J-カップリング定数であり、ビーズ−スプリングモデルでは、Dhet H,CおよびDhet H,B,Cに対応する。DH,C=DH,B.eの場合でも、Dhomを測定することができることに留意。 (e)全ての3つの等核性及び異核性J-カップリングを示す、超低磁場における対応の保持スペクトル。FIG. 2 shows a J-coupled 1 H-NMR mechanical analog. (A) A bead-spring model of two spins 1 H-A-B- 1 H (left side) interacting via a chemical group A and B through a homonuclear J-coupling with a coupling constant J hom Right). D H, A , D H, B and D hom represent the corresponding spring constants, and m is the mass of the two coupled mechanical oscillators. When D H, A = D H, B , D hom is not measurable. The corresponding high field spectrum (b) and ultra-low field spectrum (c) were sketched as retention spectra. (D) 3-spin system 1 H- 13 C-B- 1 H (left side) and corresponding mechanical analogologon (right side). J het H, C and J het H, B, C are two different heteronuclear J-coupling constants, corresponding to D het H, C and D het H, B, C in the bead-spring model To do. Note that D hom can be measured even if D H, C = D H, Be . (E) Corresponding retention spectra in very low magnetic fields showing all three homonuclear and heteronuclear J-couplings. テトラメチルシラン(TMS)のJ-カップリングされた地球磁場H-スペクトルを示した図である。T=60℃での9回のスキャンを平均した。遷移周波数2060.3Hz(B0=4.8391×10-5T)のカップリングされていないプロトンの線は、1つに正規化する。2H、Si=6.607Hzの二重項は、29Siを含有するが13Cは含有しないTMS分子に由来する異核性1-29SiJ-カップリングに対応する。異核性J-カップリング定数3Hb,C=2.139Hzにより分離した四重項の追加の組は、13Cを含有するが29Siを含有しないTMS分子に由来した等核性J-カップリング定数4Hb,Ha=0.209Hzと共に現われる。各四重項線の線幅は、約0.05Hzである。It is the figure which showed the 1 H-spectrum of the geomagnetic field by which J-coupled tetramethylsilane (TMS). Nine scans at T = 60 ° C. were averaged. The uncoupled proton line with transition frequency 2060.3 Hz (B 0 = 4.8391 × 10 −5 T) is normalized to one. The doublet of 2 J H, Si = 6.607 Hz corresponds to heteronuclear 1 H -29 SiJ-coupling derived from TMS molecules containing 29 Si but not 13 C. Heteronuclear J-coupling constant 3 An additional set of quartets separated by J Hb, C = 2.139 Hz is derived from a TMS molecule containing 13 C but not 29 Si. Coupling constant 4 appears with J Hb, Ha = 0.209 Hz. The line width of each quartet line is about 0.05 Hz. 99%13C富化メタノールの、実験的及び模擬実験シミュレートしたJ-カップリングされた地球磁場1H-スペクトルを示した図である。すべての実験スペクトルは、9回のスキャンの平均である。すべてのシミュレートした線の幅は、0.16Hzである(T2=2s)。 (a)T=60℃で測定された1H-スペクトル(上部)は、不規則な間隔の4本線の1組を示す。実験的J-カップリングされた線の幅は、約0.07Hzである。スペクトルのシミュレーションは、下部に示す。 (b)T=−80℃で測定された1Hスペクトル(上部)。OH-基及び13CH3-基のプロトンの間の等核性J-カップリングは、低速の分子間H-交換により観察可能である。J-カップリングされた線の線幅は、約0.6Hzである。5スピン系HO-13CH3の模擬スペクトルは、下部に示す。FIG. 6 shows experimental and simulated simulated J-coupled geomagnetic field 1 H-spectrum of 99% 13 C enriched methanol. All experimental spectra are the average of 9 scans. The width of all simulated lines is 0.16 Hz (T 2 = 2s). (A) The 1 H-spectrum (top) measured at T = 60 ° C. shows a set of four lines with irregular spacing. The width of the experimental J-coupled line is about 0.07 Hz. The simulation of the spectrum is shown at the bottom. (B) 1 H spectrum measured at T = −80 ° C. (top). Homonuclear J-coupling between OH-group and 13 CH 3 -group protons can be observed by slow intermolecular 1 H-exchange. The line width of the J-coupled line is about 0.6 Hz. The simulated spectrum of the 5-spin HO- 13 CH 3 is shown at the bottom.

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Claims (22)

核磁気分光法による試料の検査方法であって、等核性J-カップリングを小磁場で測定し、測定された等核性カップリングを前記試料の特性化に使用することを特徴とする方法。   A method for inspecting a sample by nuclear magnetic spectroscopy, characterized in that homonuclear J-coupling is measured in a small magnetic field and the measured isonuclear coupling is used for characterization of the sample. . 前記試料の体積が0.1〜4cm3、好ましくは1〜2cm3である、請求項1に記載の方法。 The method according to claim 1, wherein the volume of the sample is 0.1 to 4 cm 3 , preferably 1 to 2 cm 3 . 前記試料が、少なくとも0.1テスラの強度、好ましくは、少なくとも1テスラの強度を有する磁場で予備磁化される請求項1又は2に記載の方法。   3. A method according to claim 1 or 2, wherein the sample is pre-magnetized with a magnetic field having a strength of at least 0.1 Tesla, preferably at least 1 Tesla. 有機分子が試料として使用される請求項1乃至3のいずれか1項に記載の方法。   The method according to any one of claims 1 to 3, wherein an organic molecule is used as a sample. 構造XM-A-B-XKを有する分子を試料として検査することを特徴とする請求項1乃至4のいずれか1項に記載の方法。 The method according to any one of claims 1 to 4, wherein a molecule having the structure X M -A-B-X K is examined as a sample. 前記試料の1H-1HJ-カップリングを測定し、そして特性化に使用する請求項1乃至5のいずれか1項に記載の方法。 The method according to any one of claims 1 to 5, wherein 1 H- 1 HJ-coupling of the sample is measured and used for characterization. 前記試料内に少なくとも2つの異なる異核性J-カップリングが存在するように前記試料を提供または選択する請求項1乃至6のいずれか1項に記載の方法。   7. A method according to any one of the preceding claims, wherein the sample is provided or selected such that there are at least two different heteronuclear J-couplings in the sample. 前記磁場が10-3テスラより弱く、好ましくは10-4テスラより弱く、さらに好ましくは地球磁場であることを特徴とする請求項1乃至7のいずれか1項に記載の方法。 8. A method according to any one of the preceding claims, characterized in that the magnetic field is weaker than 10-3 Tesla, preferably weaker than 10-4 Tesla, more preferably a geomagnetic field. 前記試料の異核性J-カップリングをさらに測定して、特性化に使用する請求項1乃至8のいずれか1項に記載の方法。   The method according to any one of claims 1 to 8, wherein the heteronuclear J-coupling of the sample is further measured and used for characterization. 前記試料を、特に試料の核スピンを過分極することにより予備磁化する請求項1乃至9のいずれか1項に記載の方法。   10. A method according to any one of claims 1 to 9, wherein the sample is pre-magnetized, in particular by hyperpolarizing the nuclear spin of the sample. 無線周波数の放射をプロトンスペクトルの測定中に持続的に提供し、その放射される周波数は、好ましくは1Hラーモア周波数と顕著に異なる請求項1乃至10のいずれか1項に記載の方法。 11. A method according to any one of the preceding claims, wherein radio frequency radiation is provided continuously during measurement of the proton spectrum, and the emitted frequency is preferably significantly different from the 1 H Larmor frequency. 核磁気分光法による試料の検査方法であって、等核性及び異核性J-カップリングを小磁場(<5・10-3T)で測定し、前記試料内の分子構造を連関の多重項構造から決定可能であることを特徴とする方法。 A method for inspecting a sample by nuclear magnetic spectroscopy, in which homonuclear and heteronuclear J-couplings are measured with a small magnetic field (<5 · 10 −3 T), and the molecular structure in the sample is multiplexed in association. A method characterized in that it can be determined from a term structure. 0磁場を含む前記NMR分光計が、測定された核の固有線幅より遥かに小さい、計器による線幅拡張をもたらすことを特徴とする請求項12に記載の方法。 The method of claim 12, wherein the NMR spectrometer including the B 0 field is much smaller than the measured intrinsic linewidth of nuclei, and wherein the resulting line width extension by the instrument. 前記NMR分光計が、十分な信号対ノイズ比で多重項構造の小さい強度を測定することができるほどに非常に敏感であることを特徴とする請求項12および13に記載の方法。   14. Method according to claims 12 and 13, characterized in that the NMR spectrometer is very sensitive enough to measure the small intensity of the multiplet structure with a sufficient signal to noise ratio. 前記試料の体積が0.1〜4cm3、好ましくは1〜2cm3である請求項12乃至14のいずれか1項に記載の方法。 The volume of the sample is 0.1~4cm 3, preferably A process according to any one of claims 12 to 14 is 1 to 2 cm 3. 前記試料を少なくとも0.1テスラの強度を有する磁場で予備磁化する請求項12乃至15のいずれか1項に記載の方法。   16. A method according to any one of claims 12 to 15, wherein the sample is pre-magnetized with a magnetic field having an intensity of at least 0.1 Tesla. 少なくとも2つの異なる異核性J-カップリングを有する分子を使用する請求項12乃至16のいずれか1項に記載の方法。   17. A method according to any one of claims 12 to 16, wherein molecules having at least two different heteronuclear J-couplings are used. 前記構造XM-A-B-XKを有する分子を試料として使用することを特徴とする請求項12乃至17のいずれか1項に記載の方法。 The method according to any one of claims 12 to 17, wherein a molecule having the structure X M -A-B-X K is used as a sample. 前記磁場が10-3テスラより弱く、好ましくは10-4テスラより弱く、さらに好ましくは地球磁場であることを特徴とする請求項12乃至18のいずれか1項に記載の方法。 19. A method according to any one of claims 12 to 18, wherein the magnetic field is weaker than 10-3 Tesla, preferably weaker than 10-4 Tesla, more preferably a geomagnetic field. 測定される核スピンが、過分極化技法(スピン交換光ポンピング(spin-exchange opticalpumping, PHIP, DNP))により分極される、請求項12乃至19のいずれか1項に記載の方法。   20. The method according to any one of claims 12 to 19, wherein the nuclear spin to be measured is polarized by a hyperpolarization technique (spin-exchange optical pumping, PHIP, DNP). 前記J-カップリングが生じる核の類型を決定するために、X型核(1H、13C、19F、...)のNMRスペクトルを測定する間に無線周波数の放射を持続的に提供し、前記放射された周波数が、A基またはB基に属するカップリングされた異核性核と共鳴し、そして、測定を妨害しないように前記X核の周波数から遠く離れている請求項12乃至20のいずれか1項に記載の方法。 To determine the type of nucleus in which the J-coupling occurs, provide radio frequency radiation continuously while measuring the NMR spectrum of the X-type nucleus ( 1 H, 13 C, 19 F, ...) The radiated frequency resonates with a coupled heteronuclear nucleus belonging to group A or B and is remote from the frequency of the X nucleus so as not to interfere with the measurement. 21. The method according to any one of 20. 請求項1乃至21のいずれか1項に記載の方法を遂行する装置であって、前記試料の分極を行う手段と、前記試料を励起するためのトランスミッタコイル(8)と、好ましくは1時間以上、1cm3にわたって1ppm以上の均質性を有する均質な磁場を生成する手段と、少なくとも5000のスクリーニング係数を有する磁気スクリーニングとを用いる装置。 An apparatus for performing the method according to any one of claims 1 to 21, wherein means for polarizing the sample, a transmitter coil (8) for exciting the sample, and preferably for more than 1 hour. An apparatus using means for generating a homogeneous magnetic field having a homogeneity of 1 ppm or more over 1 cm 3 and a magnetic screening having a screening factor of at least 5000.
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