JP2012098159A

JP2012098159A - Ｎｍｒ装置の静磁場制御方法

Info

Publication number: JP2012098159A
Application number: JP2010246164A
Authority: JP
Inventors: Naoki Nishiogi; 尚記西萩
Original assignee: Jeol Resonance Inc
Current assignee: Jeol Resonance Inc
Priority date: 2010-11-02
Filing date: 2010-11-02
Publication date: 2012-05-24
Also published as: US8723520B2; US20120105062A1

Abstract

【課題】、試料管内に温度勾配が存在する場合であっても、均一な静磁場を実現することが可能な、ＮＭＲ装置の静磁場制御方法を提供すること。
【解決手段】試料管内の温度を所与の温度に設定し、校正用試料のＮＭＲスペクトルに存在する２つのピークそれぞれについての試料管内の共鳴周波数の分布をＮＭＲ測定により求め、前記２つのピークそれぞれについての共鳴周波数の分布の差分に基づき前記２つのピークについての試料管内のケミカルシフト差の分布を求め、前記２つのピークについてのケミカルシフト差の分布に基づいて、前記設定温度における前記試料管内の温度分布を求め、前記設定温度における前記試料管内の温度分布に基づいて、測定に用いられる溶媒の前記設定温度における試料管内のケミカルシフトの分布を求め、前記溶媒のケミカルシフトの分布に基づいて、磁場勾配を用いたシム調整を行う。
【選択図】図２

Description

本発明は、試料管内の温度を制御可能なＮＭＲ装置の静磁場制御方法に関する。

従来から、ＮＭＲ試料空間の磁場均一度を向上させる手法として、磁場勾配を用いたシム調整法（Field Gradient Shimming法：グラジエントシミング法）が知られている（例えば、非特許文献１）。この方法では、磁場勾配をかけてＮＭＲ信号を測定し、得られた静磁場の強度分布から静磁場を均一にするシム値を計算する。

さて、ＮＭＲ装置で試料温度を制御する手法として、加熱したガスを試料管の下部から上部に向けて吹き上げる手法が知られている。この手法により試料温度を制御すると試料管の高さ方向に温度勾配が生じる。この状態でグラジエントシミングを行うと、温度勾配によってケミカルシフトが試料管内の位置によって変化するため、均一な静磁場を実現することができない。特に、ケミカルシフトの温度依存性が大きい重水（Ｄ_２Ｏ）等の溶媒に対してグラジエントシミングを行うと、温度勾配の影響により不均一な静磁場を達成してしまう。

この問題を解決する方法として、試料管内の温度勾配を小さくする手法がある（例えば、特許文献１）が、他の性能低下を避けて試料管内の試料を均一な温度にすることは困難である。また、溶媒をケミカルシフトの温度依存性が小さいものに変える方法もあるが、溶媒が異なるとデータの直接比較が難しく、また観測対象が溶けない場合には使えない。また、室温でシミングした後、高温に温度制御して測定を行う方法もあるが温度変化に伴う磁場の変化を打ち消すことができない。

J. Magn. Reson. 125, 197-201(1997), A practical Method for Automated Shimming with Normal Spectrometer Hardware, H. Barjat, P.B. Chilvers, B.K. Fetler, T. J. Horne, and G. A. Morris

特開２００２−１６８９３２号公報

本発明は、以上のような問題点に鑑みてなされたものであり、本発明のいくつかの態様によれば、試料管内に温度勾配が存在する場合であっても、均一な静磁場を実現することが可能な、ＮＭＲ装置の静磁場制御方法を提供することができる。

（１）本発明は、試料管内の温度を制御可能なＮＭＲ装置の静磁場制御方法であって、
試料管内の温度を所与の温度に設定し、校正用試料のＮＭＲスペクトルに存在する２つのピークそれぞれについての試料管内の共鳴周波数の分布をＮＭＲ測定により求め、前記２つのピークそれぞれについての共鳴周波数の分布の差分に基づき前記２つのピークについての試料管内のケミカルシフト差の分布を求め、前記２つのピークについてのケミカルシフト差の分布に基づいて、前記設定温度における前記試料管内の温度分布を求め、
前記設定温度における前記試料管内の温度分布に基づいて、測定に用いられる溶媒の前記設定温度における試料管内のケミカルシフトの分布を求め、
前記溶媒のケミカルシフトの分布に基づいて、磁場勾配を用いたシム調整を行うことを特徴とするＮＭＲ装置の静磁場制御方法に関する。

本発明によれば、試料管内に温度勾配が存在する場合であっても、均一な静磁場を実現することができる。

（２）本発明に係るＮＭＲ装置の静磁場制御方法では、
前記校正用試料は、ケミカルシフトの温度による変化率が異なる２つのピークを有する試料であればよい。

本実施形態に係るＮＭＲ装置の構成を模式的に示す図。本実施形態に係るＮＭＲ装置の静磁場制御方法の手順の一例を示すフローチャート。図３（Ａ）、図３（Ｂ）、図３（Ｃ）、図３（Ｄ）は、校正用試料の共鳴周波数マップと、校正用試料のケミカルシフト差のマップと、温度マップを示す図。図４（Ａ）、図４（Ｂ）、図４（Ｃ）は、溶媒のケミカルシフトのマップと、シム値を示す図。共鳴周波数マップと温度マップの測定結果を示す図。ＮＭＲスペクトルの測定結果を示す図。

以下、本発明の好適な実施形態について図面を用いて詳細に説明する。なお、以下に説明する実施形態は、特許請求の範囲に記載された本発明の内容を不当に限定するものではない。また以下で説明される構成の全てが本発明の必須構成要件であるとは限らない。

１．構成
図１は、本実施形態に係るＮＭＲ（核磁気共鳴）装置の構成を模式的に示す図である。

超伝導磁石１の中心軸に沿って貫通された縦穴の内部には、シムコイル３が設けられている。シムコイル３は、超伝導磁石１が発生する静磁場の歪みを補正するためのコイルであり、シムユニット７により制御される。シムユニット７は、シムコイル３に電流を供給するシム電源８と、シム電源８を制御する制御部９とを含む。

シムコイル３の内側には、ＮＭＲプローブ２が装着されている。ＮＭＲプローブ２の内部には、試料を収容した試料管４を取り囲むようにして、検出コイル５と磁場勾配コイル６が設けられている。

検出コイル５は、試料にＲＦパルスを照射するとともに、試料から放出されるＮＭＲ信号を検出する。ＲＦパルスは発振器１１で生成され、パワーアンプ１２で増幅され、デュプレクサ１０を介して検出コイル５から試料に照射される。また、検出コイル５で検出されたＮＭＲ信号は、デュプレクサ１０を介してプリアンプ１３で増幅され、受信器１４でオーディオ周波数に変換され、更に、ＡＤ変換器１５でデジタル信号に変換される。このデジタル信号をコンピュータ１６に取り込んでフーリエ変換し、ＮＭＲスペクトルを得る。

磁場勾配コイル６は、パルス状の磁場勾配を試料に印加するコイルである。磁場勾配コイル６には磁場勾配電源１７から電流が供給され、磁場勾配電源１７は制御部１８により制御される。磁場勾配コイル６により磁場勾配をかけつつＮＭＲ信号を測定することで、静磁場の強度分布を得ることができ、この静磁場の強度分布から静磁場を均一にするためのシム値を得ることができる。

温度制御部１９は、ＮＭＲプローブ２内に設けられた温度センサ（図示省略）によって計測された計測値に基づいて、ＮＭＲプローブ２内に設けられたヒーター（図示省略）に流す電流を制御して、試料管４の温度を可変制御する。ヒーターによって加熱された不活性ガス等の流体は、ＮＭＲプローブ２内の流路を通って試料管４に吹き付けられ、試料管４は高温に加熱される。ここで、加熱された流体は試料管４の下部から上部に向けて吹き上げられるため、試料管４の底部の温度が最も高くなり、試料管４の上部に行くほど温度が低下して、試料管４の高さ方向に温度勾配が生じる。

２．本実施形態の手法
本実施形態に係るＮＭＲ装置の静磁場制御方法の手順の一例について図２のフローチャートを用いて説明する。

まず、校正用試料が入った試料管４をＮＭＲプローブ２に挿入する（ステップＳ１）。

次に、温度制御部１９を制御して試料管４内の温度を所与の温度ｔに設定する（ステップＳ１０）。

次に、校正用試料のＮＭＲスペクトルに存在する２つのピークそれぞれについて、試料管４内の共鳴周波数の高さ方向の分布（共鳴周波数マップ）をＮＭＲ測定により求める（ステップＳ１２、ステップＳ１４）。校正用試料としては、エチレングリコール、メタノール、アセトニトリルと水の混合物等の、ケミカルシフトの温度による変化率の差が大きい２つのピークがある試料を用いることが好ましい。

本実施形態では、校正用試料としてエチレングリコールを用い、ケミカルシフトの温度依存性が大きいOH基（ピークＡ）と、ケミカルシフトの温度依存性が小さいCH₂基（ピークＢ）のそれぞれについて、共鳴周波数マップを測定する。

図３（Ａ）は、ピークＡについて測定した共鳴周波数マップf_A(z)を示し、図３（Ｂ）は、ピークＢについて測定した共鳴周波数マップf_B(z)を示す。図３（Ａ）、図３（Ｂ）において、横軸は試料管４における高さ位置ｚを示す。図３（Ａ）に示すように、ケミカルシフトの温度依存性が大きいピークＡについては、試料管４内の温度勾配によって共鳴周波数が位置によって大きく変化している。一方、図３（Ｂ）に示すように、ケミカルシフトの温度依存性が小さいピークＢについては、共鳴周波数の位置による変化は小さい。

目標となる静磁場をB₀、静磁場の歪みの分布をΔB(z)とし、ピークＡについての温度によるケミカルシフトの分布をσ_A(z)とすると、ピークＡについての共鳴周波数マップf_A(z)は、次式により表すことができる。

f_A(z)=γ/2π*B₀(1+ΔB( z)/B₀)(1+σ_A(z))
=γ/2π*B₀(1+ΔB(z)/B₀+σ_A(z)) (1)
式（１）において、γは、核磁気回転比である。なお、ΔB(z)/B₀とσ_A(z)の値は、通常10^-8未満であるから、式（１）ではΔB(z)/B₀*σ_A(z)の項を無視している。

同様に、ピークＢについてのケミカルシフトの分布をσ_B(z)とすると、ピークＢについての共鳴周波数マップf_B(z)は、次式により表すことができる。

f_B(z)=γ/2π*B₀(1+ΔB(z)/B₀)(1+σ_B(z))
=γ/ 2π*B₀(1+ΔB(z)/B₀+σ_B(z)) (2)
次に、ピークＡ、Ｂの共鳴周波数マップf_A(z)、f_B(z)の差分を計算し、ピークＡ、Ｂのケミカルシフト差のマップ（試料管４内のケミカルシフト差の分布）を求める（図２のステップＳ１６）。

ピークＡ、Ｂの共鳴周波数マップの差分Δf(z)は、式（１）、（２）から、次式により表すことができる。

Δf(z)=f_A(z)-f_B(z)
＝γ/2π*B₀(σ_A(z)-σ_B(z))
＝γ/2π*B₀(Δσ_AB(z)) (3)
従って、ピークＡ、Ｂの共鳴周波数マップf_A(z)、f_B(z)の差分Δf(z)を計算し、式（３）に代入することで、図３（Ｃ）に示すようなピークＡ、Ｂのケミカルシフト差のマップΔσ_AB(z)を求めることができる。

次に、ピークＡ、Ｂのケミカルシフト差のマップΔσ_AB(z)に基づいて、ステップＳ１０で設定した温度ｔにおける試料管４内の実際の温度マップ（温度分布、温度勾配）を求める（図２のステップＳ１８）。校正用試料における２つのピークのケミカルシフト差Δσ_ABと温度Ｔとの関係は既知の関数T=F(Δσ_AB)で表すことができる。従って、ピークＡ、Ｂのケミカルシフト差のマップΔσ_AB(z)を次式に代入することで、図３（Ｄ）に示すような温度マップT(z)を求めることができる。

T(z)=F(Δσ_AB(z)) (4)
なお、本実施形態の校正用試料である濃度100%のエチレングリコールにおけるOH基（ピークＡ）とCH₂基（ピークＢ）のケミカルシフト差Δσ_AB（単位ｐｐｍ）と、温度Ｔ（単位ケルビン）との関係は、次式により表すことができる。

T=466.5-102.00Δσ_AB (5)
このように、設定温度を変えながら図２のステップＳ１０〜Ｓ１８の手順を繰り返して、複数の異なる設定温度t₁、t₂、t₃・・・毎に、試料管内４の実際の温度マップT₁(z)、T₂(z)、T₃(z)・・・を測定しておく。

次に、校正用試料が入った試料管４をＮＭＲプローブ２から取り出し、測定する試料とＮＭＲ測定用の溶媒が入った試料管４をＮＭＲプローブ２に挿入する（ステップＳ２０）。次に、温度制御部１９を制御して試料管４内の温度を所与の温度ｔに設定する（ステップＳ２２）。

次に、設定温度ｔにおける温度マップT(z)に基づいて、ＮＭＲ測定に用いられる溶媒の設定温度ｔにおけるケミカルシフトのマップ（試料管４内のケミカルシフトの分布）を求める（ステップＳ２４）。溶媒のケミカルシフトσ_Cと温度Ｔとの関係は既知の関数T=F(σ_C)で表すことができる。従って、設定温度ｔにおける温度マップT(z)を次式に代入することで、図４（Ａ）に示すような溶媒のケミカルシフトのマップσ_C(z)を求めることができる。

T(z)=F(σ_C(z)) (6)
なお、本実施形態では、ＮＭＲ測定用の溶媒として重水（Ｄ_２Ｏ）溶媒を用いるため、設定温度ｔにおける重水素核（²H）のケミカルシフトのマップを求める。

次に、溶媒のケミカルシフトのマップσ_C(z)をターゲット関数としてグラジエントシミング（磁場勾配を用いたシム調整）を行う（図２のステップＳ２６）。すなわち、図４（Ｂ）に示すように、溶媒の共鳴周波数マップ（ΔB(z)/B₀+σ_c(z)の関数）を、ターゲット関数である溶媒のケミカルシフトのマップσ_C(z)に一致させるようにグラジエントシミングを行う。これにより、静磁場歪みの項（ΔB(z)/B₀）のみを消すようなシム値を求めることができ、求めたシム値（-ΔB(z)/B₀）を用いて静磁場を均一化することができる（図４（Ｃ）参照）。

以上のように本実施形態では、複数の設定温度で試料管内の温度マップ（温度勾配）を予め測定しておき、その設定温度での温度勾配から溶媒のケミカルシフトの分布を求め、このケミカルシフトの分布をターゲット関数として静磁場歪みのみを補正するシミングを行って静磁場を調整する。このようにすると、ケミカルシフトの温度依存性が大きい重水溶媒を用いてＮＭＲ測定を行う場合であっても、高温のまま静磁場を均一にするシミングを行うことができる。

３．測定結果
設定温度を室温（２５℃）、３０℃、５０℃、８０℃と変化させ、校正用試料としてエチレングリコールを用いて、共鳴周波数マップと温度マップの測定を行った。図５に、各設定温度におけるピークＡ（エチレングリコールOH基の水素核（¹H））の共鳴周波数マップf_A(z)と、ピークＢ（エチレングリコールCH₂基の水素核（¹H））の共鳴周波数マップf_B(z)と、共鳴周波数マップから求めた温度マップT(z)の測定結果を示す。なお、図５において各横軸は高さ位置を示し、左側がコイル上端位置を示し、右側がコイル下端位置を示す。また温度マップT(z)の縦軸上側は低温を示し、縦軸下側は高温を示す。

図５に示すように、室温では温度勾配が生じていないため、各ピークの共鳴周波数は位置によらず一定である。また、設定温度が高くなるにつれて温度勾配が大きくなり、その影響により、特にケミカルシフトの温度依存性が大きいピークＡについて共鳴周波数が位置によって大きく変化している。

図６は、Ｄ_２Ｏ溶媒を用いてグラジエントシミングを行った場合のＮＭＲスペクトルの測定結果を示す。なお、図６（Ａ）は、設定温度５０℃において本実施形態の手法によりターゲット関数σ_C(z)を用いてグラジエントシミングを行った場合のＮＭＲスペクトルであり、図６（Ｂ）は、設定温度５０℃において従来の手法によりグラジエントシミングを行った場合のＮＭＲスペクトルであり、図６（Ｃ）は、室温においてグラジエントシミングを行った場合のＮＭＲスペクトルである。

図６（Ｃ）に示すように、室温においてグラジエントシミングを行った場合には、温度勾配が生じておらずグラジエントシミングによって静磁場が均一となっているため、Ｄ_２ＯのピークＳ１と試料のピークＳ２について共にシャープな信号になっている。

また図６（Ｂ）に示すように、従来の手法により高温状態でグラジエントシミングを行った場合には、Ｄ_２ＯのピークＳ１についてはシャープな信号となっているものの、観測対象である試料のピークＳ２については、図６（Ｃ）の室温の場合と比較して線幅が広がってブロードな信号となっている。これは、試料管内の温度勾配によりＤ_２Ｏのケミカルシフトの分布が均一でない状態で、Ｄ_２Ｏの共鳴周波数分布が一定となるようにグラジエントシミングを行っているため、結果として不均一な静磁場を達成してしまうためである。このため、ケミカルシフトの温度依存性が小さい試料のピークＳ２がブロードな信号となっている。

一方、図６（Ａ）に示すように、本実施形態の手法により高温状態でグラジエントシミングを行った場合には、Ｄ_２ＯのピークＳ１についてはブロードな信号となっているものの、観測対象である試料のピークＳ２については、図６（Ｃ）の室温の場合と同様にシャープな信号となっている。これは、温度勾配T(z)から求めたＤ_２Ｏのケミカルシフトの分布σ_C(z)をターゲット関数として、Ｄ_２Ｏの温度勾配によるケミカルシフトの影響を考慮してグラジエントシミングを行うことで、静磁場歪みのみを補正して均一な静磁場を実現しているからである。このため、ケミカルシフトの温度依存性が小さい試料の信号についてはシャープなスペクトルを得ることができる。

このように本実施形態の手法によれば、温度可変測定において試料管内に温度勾配が存在する場合であっても、グラジエントシミングを用いて均一な静磁場を実現することができる。

なお、本発明は、上述の実施の形態に限定されるものではなく、種々の変形が可能である。本発明は、実施の形態で説明した構成と実質的に同一の構成（例えば、機能、方法及び結果が同一の構成、あるいは目的及び効果が同一の構成）を含む。また、本発明は、実施の形態で説明した構成の本質的でない部分を置き換えた構成を含む。また、本発明は、実施の形態で説明した構成と同一の作用効果を奏する構成又は同一の目的を達成することができる構成を含む。また、本発明は、実施の形態で説明した構成に公知技術を付加した構成を含む。

１超伝導磁石、２ＮＭＲプローブ、３シムコイル、４試料管、５検出コイル、６磁場勾配コイル、７シムユニット、８シム電源、９制御部、１０デュプレクサ、１１発振器、１２パワーアンプ、１３プリアンプ、１４受信器、１５ＡＤ変換器、１６コンピュータ、１７磁場勾配電源、１８制御部、１９温度制御部

Claims

試料管内の温度を制御可能なＮＭＲ装置の静磁場制御方法であって、
試料管内の温度を所与の温度に設定し、校正用試料のＮＭＲスペクトルに存在する２つのピークそれぞれについての試料管内の共鳴周波数の分布をＮＭＲ測定により求め、前記２つのピークそれぞれについての共鳴周波数の分布の差分に基づき前記２つのピークについての試料管内のケミカルシフト差の分布を求め、前記２つのピークについてのケミカルシフト差の分布に基づいて、前記設定温度における前記試料管内の温度分布を求め、
前記設定温度における前記試料管内の温度分布に基づいて、測定に用いられる溶媒の前記設定温度における試料管内のケミカルシフトの分布を求め、
前記溶媒のケミカルシフトの分布に基づいて、磁場勾配を用いたシム調整を行うことを特徴とするＮＭＲ装置の静磁場制御方法。
請求項１において、
前記校正用試料は、ケミカルシフトの温度による変化率が異なる２つのピークを有する試料であることを特徴とするＮＭＲ装置の静磁場制御方法。