JP2020034481A - 核磁気共鳴装置、及び微結晶構造解析方法 - Google Patents

Abstract

【課題】従来では結晶構造の解析に有効な核磁気共鳴信号を検出できない試料であっても、前記有効な核磁気共鳴信号を検出することができる核磁気共鳴装置及び微結晶構造解析方法を提供する。【解決手段】静磁場内に配置された試料にパルス状の電磁波を照射して核磁気共鳴を励起し、当該核磁気共鳴によって発生する核磁気共鳴信号を検出する核磁気共鳴装置１は、静磁場を発生させる静磁場源４と、電磁波を照射させるとともに核磁気共鳴信号を検出するための発信受信部５と、前記静磁場内で微結晶３を懸濁させた試料容器２を変速回転させることで時間的に変動する磁場を印加して微結晶３を三次元配向させるように、試料容器２を変速回転させる回転機構１０と、試料容器２の変速回転と同期して電磁波を照射させるように発信受信部５を制御する制御部７とを備える。【選択図】図１

Description

本発明は、核磁気共鳴装置、及び微結晶構造解析方法に関する。

物体の結晶構造を解析するものとして、ＭＡＳ（Magic Angle Spinning）法を用いた核磁気共鳴装置（ＮＭＲ装置）が知られている。この核磁気共鳴装置は、試料を静磁場に対してマジック角度に傾けた状態で、例えば５ＫＨｚ〜２０ＫＨｚで高速回転させ、回転中の試料に電磁波を照射したときに発生する核磁気共鳴（ＮＭＲ；Nuclear Magnetic Resonance）信号を検出することで、試料の結晶構造を解析するものである（例えば特許文献１参照）。また、物体の結晶構造を解析するものとして、試料中に懸濁した微結晶に時間的に変動する磁場を印加し、三次元配向（擬単結晶化）させた微結晶にＸ線を照射して解析を行うＸ線構造解析装置も知られている（例えば特許文献２参照）。

特開平０５−２０００１３号公報 特開２０１２−１７３０４２号公報

上記核磁気共鳴装置では、結晶構造の解析に有効な核磁気共鳴信号を検出できる試料は、通常、数ｍｍ程度の大きさの単結晶に限られる。このため、前記大きさ未満の単結晶又は微結晶粉末（以下、単に「微結晶」という）や、タンパク質などの壊れやすい微結晶等については、前記有効な核磁気共鳴信号を検出することができず、結晶構造を解析することが困難であった。

本発明は、前記問題点に鑑みてなされたものであり、従来では結晶構造の解析に有効な核磁気共鳴信号を検出できない試料であっても、前記有効な核磁気共鳴信号を検出することができる核磁気共鳴装置及び微結晶構造解析方法を提供することを目的としている。

（１）本発明の核磁気共鳴装置は、静磁場内に配置された試料にパルス状の電磁波を照射して核磁気共鳴を励起し、当該核磁気共鳴によって発生する核磁気共鳴信号を検出する核磁気共鳴装置であって、前記静磁場を発生させる静磁場源と、前記電磁波を照射させるとともに前記核磁気共鳴信号を検出するための発信受信部と、前記静磁場内で微結晶を懸濁させた前記試料を変速回転させることで、前記試料に時間的に変動する磁場を印加して前記微結晶を三次元配向させる回転機構と、前記試料の変速回転と同期して前記電磁波を照射させるように前記発信受信部を制御する制御部と、を備える。

本発明の核磁気共鳴装置によれば、静磁場内で微結晶を懸濁させた試料を変速回転させて前記試料に時間的に変動する磁場を印加させることで、試料中の微結晶を三次元配向（擬単結晶化）させることができる。そして、試料の変速回転と同期して当該試料にパルス状の電磁波を照射させることで、試料の回転方向の一部である特定部位が所望の方向を向いたときにのみ試料に対して電磁波が断続的に照射されるので、この特定部位が所望の方向を向いた状態における核磁気共鳴信号を精度良く検出することができる。これにより、例えばタンパク質などの壊れやすい微結晶であっても、その微結晶を懸濁させた試料を用いることで、結晶構造の解析に有効な核磁気共鳴信号を検出することができる。従って、本発明の核磁気共鳴装置は、従来では結晶構造の解析に有効な核磁気共鳴信号を検出できない試料であっても、有効な核磁気共鳴信号を検出することができる。

（２）前記制御部は、前記試料の変速回転と前記電磁波の照射とを同期させるタイミングを調整可能であるのが好ましい。
この場合、制御部により前記タイミングを調整することで、試料における特定部位の所望の方向を変更することができる。これにより、試料の特定部位が任意の方向を向いた状態における核磁気共鳴信号を精度良く検出することができる。

（３）前記回転機構は、前記試料を１８０×ｎ°（ｎは任意の自然数）回転させるたびに、その回転を一時的に停止させるものであるのが好ましい。
この場合、試料の回転を一時的に停止させることで、安定した静磁場を形成することができるので、微結晶を三次元配向させる際の配向精度を高めることができる。

（４）前記回転機構は、前記試料を前記静磁場の磁場方向に対して垂直方向に延びる回転軸回りに変速回転させるものであり、前記核磁気共鳴装置は、前記回転軸を前記磁場方向に対して垂直以外の任意の角度に傾斜させる傾斜機構をさらに備え、前記制御部は、前記電磁波を前記試料に照射させる直前に、前記回転軸を前記任意の角度に傾斜させるように前記傾斜機構を制御するのが好ましい。

この場合、回転機構により試料を磁場方向に対して垂直方向に延びる回転軸回りに変速回転させることで、試料中の微結晶を三次元配向させることができる。そして、傾斜機構により回転軸を磁場方向に対して垂直以外の任意の角度に傾斜させた状態で試料に電磁波が照射されるので、回転軸を磁場方向に対して垂直以外の角度に傾斜させずに電磁波を照射する場合に比べて、電磁波を照射したときに発生する核磁気共鳴信号から化学シフトの異方性の情報を詳細に得ることができる。従って、傾斜機構により回転軸を前記任意の角度に傾斜させることで、さらに有効な核磁気共鳴信号を検出することができる。

（５）本発明の微結晶構造解析方法は、静磁場内で微結晶を懸濁させた試料を変速回転させることで時間的に変動する磁場を印加して前記微結晶を三次元配向させる工程と、前記試料の変速回転と同期して前記試料にパルス状の電磁波を照射して核磁気共鳴を励起し、当該核磁気共鳴によって発生する核磁気共鳴信号を検出する工程と、を含む。
本発明の微結晶構造解析方法によれば、上記核磁気共鳴装置と同様の作用効果を奏する。

本発明によれば、従来では結晶構造の解析に有効な核磁気共鳴信号を検出できない試料であっても、前記有効な核磁気共鳴信号を検出することができる。

本発明の実施形態に係る核磁気共鳴装置の概略構成を示す平面図である。 図１のＩ−Ｉ矢視断面図である。 微結晶の磁化軸を示す斜視図である。 図２の回転機構及び傾斜機構を上方から見た斜視図である。 回転機構により試料容器を回転させている状態を示す斜視図である。 制御部による駆動部の制御例を示す模式図である。 微結晶の三次元配向を説明する斜視図である。 傾斜機構により試料容器を傾斜させている状態を示す斜視図である。 制御部による発信受信部の制御例を示す説明図である。 検証実験の結果を示す図である。 結晶座標系における遮蔽テンソルの理論式の説明図である。 微結晶の磁化軸を磁場方向に対して垂直方向に向けて回転させる状態を示す説明図である。 微結晶の磁化軸を磁場方向に対して垂直以外の角度に向けて回転させる状態を示す説明図である。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
［核磁気共鳴装置の全体構成］
図１は、本発明の実施形態に係る核磁気共鳴装置の概略構成を示す平面図である。図２は、図１のＩ−Ｉ矢視断面図である。図１及び図２において、核磁気共鳴装置１は、静磁場内に配置された試料容器２にパルス状の電磁波を照射して核磁気共鳴を励起し、当該核磁気共鳴によって発生する核磁気共鳴信号を検出することで、試料容器２内の試料の結晶構造を解析する装置である。試料容器２は、例えば密閉された円筒状の容器であり、医薬分野、バイオテクノロジー分野、高分子材料分野等における有機化合物、無機化合物、生体物質等の微結晶３（図３参照）を懸濁させた試料が収容されたものである。

核磁気共鳴装置１は、静磁場を発生させる静磁場源４と、電磁波を照射させるとともに前記核磁気共鳴信号を検出するための発信受信部５と、電磁波を試料容器２に照射するとともに試料容器２からの核磁気共鳴信号が流れるコイル６と、発信受信部５等を制御する制御部７とを備えている。
静磁場源４は、例えば、円筒状のソレノイドコイルを有する超電導磁石からなる。超電導磁石は、静磁場の磁場方向Ｂが図２の下から上方向となるように配置されている。なお、図１では静磁場源４の図示を省略している。

発信受信部５は、例えば、電磁波を照射させるためにパルス状の高周波を発生する高周波発生器を有し、試料容器２の周囲に配置されたコイル６に電気的に接続されている。これにより、発信受信部５から発信したパルス状の高周波がコイル６に通電されることによって、コイル６から静磁場内の試料容器２にパルス状の電磁波（ラジオ波）が照射される。そして、静磁場内の試料容器２に電磁波が照射されると、核磁気共鳴が励起され、この核磁気共鳴により発生する核磁気共鳴信号を示す微小電流がコイル６に流れる。発信受信部５は、前記微小電流を受信することで、試料容器２からの核磁気共鳴信号を検出し、検出した核磁気共鳴信号を制御部７に渡す。制御部７は、発信受信部５を制御するとともに、後述する回転機構１０の駆動部１６及び傾斜機構２０の駆動部２６を駆動制御する機能を有している。

図３は、微結晶３の磁化軸を示す斜視図である。微結晶３は、互いに直交する三方向の磁化率がそれぞれ異なる二軸結晶からなり、磁気的に二軸異方性を有する。微結晶３は、図３に示すように、三軸方向それぞれに３つの異なる磁化率χ１、χ２及びχ３を有し、χ１＞χ２＞χ３の大小関係にある。以下、磁化率χ１の軸を磁化容易軸、磁化率χ２の軸を中間軸、磁化率χ３の軸を磁化困難軸という。

図１及び図２に戻り、核磁気共鳴装置１は、回転機構１０と傾斜機構２０とをさらに備えている。回転機構１０は、試料容器２を磁場方向Ｂに対して垂直方向に延びる不傾回転軸Ｐ２回りに変速回転させる機構である。傾斜機構２０は、不傾回転軸Ｐ２と直交して前記垂直方向に延びる不傾回転軸Ｐ３回りに試料容器２を回転させる機構である。

［回転機構］
図４は、図２の回転機構１０及び傾斜機構２０を上方から見た斜視図である。図２及び図４において、回転機構１０は、回転軸部１１、ガイド部１２、摺動部１３、支持部１４、伝達部１５、及び駆動部１６等を備えている。

回転軸部１１は、不傾回転軸Ｐ２の方向に互いに離反して配置された第１ブラケット１７及び第２ブラケット１８に対して不傾回転軸Ｐ２回りに回転自在に支持されている。本実施形態の回転軸部１１は、第１ブラケット１７に対して不傾回転軸Ｐ２回りに回転自在に支持された駆動軸１１ａと、第２ブラケット１８に対して不傾回転軸Ｐ２回りに回転自在に支持された従動軸１１ｂとを有している。

駆動軸１１ａの一端（図２の右端）、及び従動軸１１ｂの一端（図２の左端）には、それぞれガイド部１２が固定されている。各ガイド部１２は、側面視において、不傾回転軸Ｐ２と不傾回転軸Ｐ３との交点Ｃを中心として円弧状に形成されている。そして、各ガイド部１２の内周には、周方向全体にわたって凹溝１２ａが形成されている。

各ガイド部１２の凹溝１２ａには、摺動部１３が当該ガイド部１２の周方向に摺動自在に嵌め込まれている。摺動部１３は、交点Ｃを中心として円弧状に形成されており、かつガイド部１２よりも周方向に長く形成されている。これにより、摺動部１３は、ガイド部１２に対して交点Ｃを中心として摺動自在とされている（図８参照）。

各摺動部１３の内周面における周方向の中央部には、交点Ｃに向かって延びる支持部１４が固定されている。これらの支持部１４の間には、試料容器２が配置される空間が形成されており、両支持部１４により前記空間に配置された試料容器２の軸方向両端部を着脱自在に支持している。

両支持部１４の長手方向の中心線は、同軸上に配置されており、試料容器２の回転軸となる可傾回転軸Ｐ１である。図２及び図４に示す状態では、可傾回転軸Ｐ１は、不傾回転軸Ｐ２上に配置されており、摺動部１３がガイド部１２に対して摺動することで不傾回転軸Ｐ２に対して磁場方向Ｂに傾斜するようになっている（図８参照）。なお、ガイド部１２及び摺動部１３は、傾斜機構２０の一部としても機能する。

駆動軸１１ａの他端（図２の左端）には、伝達部１５が設けられている。伝達部１５は、駆動部１６に接続された駆動プーリ１５ａと、駆動軸１１ａの他端に接続された従動プーリ１５ｂと、駆動プーリ１５ａと従動プーリ１５ｂとの間に掛け渡された無端状のベルト１５ｃとによって構成されている。なお、伝達部１５は、歯車等の他の回転伝達機構により構成されていてもよい。

駆動部１６は、例えばステッピングモータからなり、その出力軸１６ａの先端に伝達部１５の駆動プーリ１５ａが接続されている。これにより、駆動部１６の回転駆動力は、伝達部１５の駆動プーリ１５ａ、ベルト１５ｃ及び従動プーリ１５ｂを介して駆動軸１１ａに伝達される。なお、駆動部１６は、ステッピングモータ以外に、サーボモータ等の他のアクチュエータであってもよい。

以上の構成により、図２及び図４に示す状態から駆動部１６を駆動させると、伝達部１５を介して駆動軸１１ａが不傾回転軸Ｐ２回りに回転する。そして、駆動軸１１ａの回転により、図５に示すように、第１ブラケット１７側に配置されたガイド部１２、摺動部１３及び支持部１４と共に、試料容器２が不傾回転軸Ｐ２（可傾回転軸Ｐ１）回りに回転する。そして、試料容器２の回転により、第２ブラケット１８側に配置された支持部１４、摺動部１３及びガイド部１２と共に、従動軸１１ｂが不傾回転軸Ｐ２回りに回転する。

駆動部１６は、制御部７により駆動制御されている（図１参照）。具体的には、制御部７は、所定時間ｔ_ｒをかけて試料容器２を１８０×ｎ°（ｎは任意の自然数）回転させるたびに、静磁場を形成するのに必要な所定時間ｔ_ｓの間、その回転を一時的に停止させるように、駆動部１６を駆動制御する。

図６は、制御部７による駆動部１６の制御例を示す模式図である。図６に示すように、本実施形態では、制御部７によってｘｙ平面上に時間的に変動する磁場（以下、時間変動磁場という）を印加するようになっている。以下、例えばｚ軸より見て図６の紙面上側のｘ軸を基準（０°）として、ｚ軸（不傾回転軸Ｐ２）を中心に試料容器２を図６の時計回り方向に１８０°ずつ回転させる場合について説明する。なお、ｘ軸は、磁場方向Ｂと平行に配置されている。

まず、制御部７は、０°の位置から１８０°の位置までの１８０°の範囲（回転角度αｑ）では、所定の角速度ωｑ（好ましくは６０ｒｐｍ）により試料容器２を回転させる。そして、制御部７は、ｘ軸上である１８０°の位置では、試料容器２を所定時間ｔ_ｓ（好ましくは１秒〜１０秒、さらに好ましくは１秒）の間、完全に停止させる。

その後、制御部７は、１８０°の位置から０°（３６０°）の位置までの１８０°の範囲（回転角度αｑ）では、前記角速度ωｑにより試料容器２を再び回転させる。そして、制御部７は、０°の位置であるｘ軸上では、試料容器２を所定時間ｔ_ｓ（好ましくは１秒）の間、完全に停止させる。これにより、試料容器２は、磁場方向Ｂに対して垂直方向に延びるｚ軸（不傾回転軸Ｐ２）回りに変速回転する。

以上のように、試料容器２が１８０°回転するたびにその回転を一時的に停止させるように、制御部７が駆動部１６を駆動制御することにより、時間変動磁場が印加される。そうすると、試料容器２の回転中に回転磁場が形成されることにより、試料容器２内において懸濁された微結晶３の磁化困難軸χ３は、ｘｙ平面（回転面）に対して垂直なｚ軸方向に配向される。

そして、試料容器２の停止中に静磁場が形成されることにより、微結晶３の磁化容易軸χ１が、磁場方向Ｂと平行に配置されたｘ軸方向に配向されるとともに、残りの中間軸χ２も自動的にｙ軸方向に配向される。これにより、微結晶３は、図７（ａ）に示すようにランダムに配置された状態から、図７（ｂ）に示すように三次元配向された状態、すなわち擬単結晶化した状態となる。その際、試料容器２の回転を一時的に停止させることで、安定した静磁場を形成することができるので、微結晶３を三次元配向させる際の配向精度を高めることができる。

なお、本実施形態では、試料容器２を１８０°回転させるたびにその回転を一時的に停止させているが、３６０°（１回転）毎や５４０°（１回転半）毎など複数回転毎に試料容器２の回転を停止させてもよいし、毎回異なる回転角度で試料容器２の回転を停止させてもよい。要するに、１８０°の任意の自然数倍まで相対回転させたときに試料容器２の回転を停止させるようにすればよい。また、本実施形態では、試料容器２を完全に停止させているが、静磁場を形成できる範囲でゆっくりと回転させてもよい。

［傾斜機構］
図１及び図４において、傾斜機構２０は、不傾回転軸Ｐ３回りに試料容器２を回転させることで、試料容器２の回転軸である可傾回転軸Ｐ１を不傾回転軸Ｐ２に対して磁場方向Ｂに傾斜させる機構である。換言すれば、傾斜機構２０は、可傾回転軸Ｐ１を磁場方向Ｂに対して垂直以外の任意の角度に傾斜させる機構である。傾斜機構２０は、回転軸部２１、ガイド部２２、摺動部２３、連結部２４、伝達部２５、及び駆動部２６等を備えている。

回転軸部２１は、不傾回転軸Ｐ３の方向に互いに離反して配置された第３ブラケット２７及び第４ブラケット２８に対して不傾回転軸Ｐ３回りに回転自在に支持されている。本実施形態の回転軸部２１は、第３ブラケット２７に対して不傾回転軸Ｐ３回りに回転自在に支持された駆動軸２１ａと、第４ブラケット２８に対して不傾回転軸Ｐ３回りに回転自在に支持された従動軸２１ｂとを有している。

駆動軸２１ａの一端（図１の上端）、及び従動軸１１ｂの一端（図１の下端）には、それぞれガイド部２２が固定されている。各ガイド部２２は、交点Ｃを中心として円弧状に形成されている。そして、各ガイド部２２の内周には、周方向全体にわたって凹溝２２ａが形成されている。

各ガイド部２２の凹溝２２ａには、摺動部２３が当該ガイド部２２の周方向に摺動自在に嵌め込まれている。摺動部２３は、交点Ｃを中心として円環状に形成されており、摺動部２３の内周側の空間は、試料容器２が配置される空間とされている。摺動部２３の第１ブラケット１７側には連結部２４が固定されている。連結部２４は、回転機構１０の第１ブラケット１７側の支持部１４に外嵌して固定された円板２４ａと、円板２４ａの外周部と摺動部２３とを連結する複数の連結板２４ｂとを有している（図８参照）。

これにより、試料容器２が、回転機構１０の第１ブラケット１７側の支持部１４と共に、不傾回転軸Ｐ２回りに回転すると、傾斜機構２０の連結部２４および摺動部２３も、ガイド部２２に対して不傾回転軸Ｐ２回りに回転するようになっている（図５参照）。従って、ガイド部２２、摺動部２３及び連結部２４は、回転機構１０の一部としても機能する。なお、本実施形態の連結部２４は、第１ブラケット１７側の支持部１４と摺動部２３とを連結しているが、第２ブラケット１８側の支持部１４と摺動部２３とを連結してもよい。

図１及び図２において、回転軸部２１の駆動軸２１ａの他端（図１の下端）には、伝達部２５が設けられている。伝達部２５は、駆動部２６に接続された駆動プーリ２５ａと、駆動軸２１ａの他端に接続された従動プーリ２５ｂと、駆動プーリ２５ａと従動プーリ２５ｂとの間に掛け渡された無端状のベルト２５ｃとによって構成されている。なお、伝達部２５は、歯車等の他の回転伝達機構により構成されていてもよい。

駆動部２６は、例えばステッピングモータからなり、その出力軸２６ａの先端に伝達部２５の駆動プーリ２５ａが接続されている。これにより、駆動部２６の回転駆動力は、伝達部２５の駆動プーリ２５ａ、ベルト２５ｃ及び従動プーリ２５ｂを介して駆動軸２１ａに伝達される。なお、駆動部２６は、ステッピングモータ以外に、サーボモータ等の他のアクチュエータであってもよい。

以上の構成により、図２及び図４に示す状態から駆動部２６を駆動させると、伝達部２５を介して駆動軸２１ａが不傾回転軸Ｐ３回りに回転する。そして、駆動軸２１ａの回転により、図８に示すように、第３ブラケット２７側に配置されたガイド部２２と共に、摺動部２３及び連結部２４と、回転機構１０の両支持部１４及び両摺動部１３とが、不傾回転軸Ｐ３回りに回転する。そして、摺動部２３及び連結部２４の回転により、第４ブラケット２８側に配置されたガイド部２２と共に、従動軸２１ｂが不傾回転軸Ｐ３回りに回転する。これにより、可傾回転軸Ｐ１が、試料容器２と共に不傾回転軸Ｐ２に対して磁場方向Ｂに傾斜する。

［発信受信部の制御］
図１において、制御部７は、上記のように微結晶３を擬単結晶化した状態で核磁気共鳴信号を精度良く検出するために、試料容器２の変速回転と同期してコイル６から電磁波を照射させるように発信受信部５を制御する。具体的には、制御部７は、試料容器２の回転方向の一部である特定部位が所望の方向を向いているときにのみコイル６から電磁波を照射させるように、発信受信部５で高周波を発生させるタイミングを制御する。

試料容器２の特定部位が所望の方向を向いているか否かを判定する手法としては、例えば、試料容器２の回転方向の位置をセンサで直接検出して判定してもよいし、試料容器２の角速度及び回転時間から試料容器２の回転方向の位置を算出して判定してもよい。

このように、制御部７により試料容器２の変速回転と同期してコイル６から電磁波を照射させるように発信受信部５を制御することで、試料容器２の回転方向の一部である特定部位が所望の方向を向いたときにのみ試料容器２に対して電磁波が断続的に照射される。これにより、試料容器２の特定部位が所望の方向を向いた状態における核磁気共鳴信号を精度良く検出することができる。従って、本実施形態の核磁気共鳴装置１は、従来では結晶構造の解析に有効な核磁気共鳴信号を検出できない試料であっても、有効な核磁気共鳴信号を検出することができる。

制御部７は、前記特定部位の所望の方向を変更できるように、試料容器２の変速回転と電磁波の照射とを同期させるタイミングを調整する制御を行う。具体的には、制御部７は、試料容器２の特定部位が所望の方向を向いている状態が所定回数に達すると、試料容器２の変速回転と電磁波の照射とを同期させるタイミングが所定時間だけずれるように、発信受信部５で高周波を発生させるタイミングをずらす制御を行う。

図９は、制御部７による発信受信部５の制御例を示す説明図である。図９（ａ）では、試料容器２が不傾回転軸Ｐ２回りに変速回転しているときに、試料容器２の特定部位が所望の方向を向いている状態を示している。図例では、試料容器２内で擬単結晶化した微結晶３の磁化容易軸χ１が磁場方向Ｂに対して所定角度α１に傾いた方向を向いている状態を、前記特定部位が所望の方向を向いている状態としている。

図９（ａ）において、制御部７は、試料容器２の変速回転により、磁化容易軸χ１が磁場方向Ｂに対して所定角度α１に傾いた方向を向いている状態が所定回数（図例ではｎ回）に達するまで、この状態になったときにのみコイル６から電磁波を照射させるように発信受信部５を制御する。その後、制御部７は、磁化容易軸χ１が磁場方向Ｂに対して所定角度α１に傾いた方向を向いている状態が所定回数に達すると、図９（ｂ）に示すように、磁化容易軸χ１が磁場方向Ｂに対して所定角度α２（＞α１）に傾いた方向を向いている状態になったときにのみコイル６から電磁波を照射させるように、発信受信部５で高周波を発生させるタイミングをずらす制御を行う。

このように、制御部７により試料容器２の変速回転と電磁波の照射とを同期させるタイミングを調整することで、試料容器２における特定部位の所望の方向を変更することができる。これにより、試料容器２の特定部位が任意の方向を向いた状態における核磁気共鳴信号を精度良く検出することができる。

本発明者らは、制御部７が上記のように制御することによって得られる効果を検証するために、図９の制御例を実際に行い、電磁波を照射して検出された核磁気共鳴信号からＮＭＲスペクトル（振動スペクトル）を測定する検証実験を行った。この検証実験の測定条件は、以下の通りである。
微結晶：Ｌ−アラニン微結晶
測定法：交差分極（ＣＰ）
磁場強度：７．０５Ｔ
試料の変速回転：１８０°毎に１秒停止

図１０は、前記検証実験の結果を示す図である。図１０では、擬単結晶化した微結晶の磁化容易軸χ１が磁場方向Ｂに対して、０°、３６°、７２°、９０°、１０８°、及び１４４°にそれぞれ傾いた方向を向いている状態で測定（実測）したＮＭＲスペクトルと、単結晶データからシミュレーションしたＮＭＲスペクトルとを示している。

図１０に示すように、実測された各ＮＭＲスペクトルは、対応するシミュレーションのＮＭＲスペクトルと一致しており、共鳴ピークが先鋭化しているのが分かる。また、実測された複数のＮＭＲスペクトルを比較すると、共鳴ピークの位置が、磁化容易軸χ１の磁場方向Ｂに対する傾斜角度に応じて連続的に変化しており、前記傾斜角度が９０°のときを境として対称に変化（３６°と１４４°が一致し、７２°と１０８°が一致）しているのが分かる。以上より、前記検証実験の結果から、制御部７が発信受信部５を制御することによって、核磁気共鳴信号を精度良く検出できるのが分かる。

［傾斜機構の制御］
図１において、制御部７は、上記のように発信受信部５を制御しながら、傾斜機構２０を制御する。具体的には、制御部７は、試料容器２の特定部位が所望の方向を向いたときに、発信受信部５により電磁波を試料容器２に照射させる直前に、試料容器２と共に可傾回転軸Ｐ１を不傾回転軸Ｐ２に対して磁場方向Ｂへ任意の角度に傾斜させるように、傾斜機構２０の駆動部２６を駆動制御する。そして、制御部７は、発信受信部５により電磁波を試料容器２に照射させた後、試料容器２と共に可傾回転軸Ｐ１を元の位置（不傾回転軸Ｐ２上の位置）に戻すように、駆動部２６を駆動制御する。

これにより、可傾回転軸Ｐ１を磁場方向Ｂに対して垂直以外の任意の角度に傾斜させた状態で試料容器２に電磁波が照射されるので、可傾回転軸Ｐ１を磁場方向Ｂに対して垂直以外の角度に傾斜させずに電磁波を照射する場合に比べて、電磁波を照射したときに発生する核磁気共鳴信号から化学シフトの異方性の情報を詳細に得ることができる。

化学シフトの異方性の情報を得るためには、下記式（１）に示す遮蔽テンソル（化学シフトテンソル）の理論式が用いられる。遮蔽テンソルは、原子核周りの電子環境を反映しており、局所構造の解析や構造の精密化に極めて有用なものである。

式（１）は、図１１に示す結晶座標系における遮蔽テンソルの理論式を示している。式（１）の左辺における遮蔽テンソルは、２階の対称テンソルであり、σ_ａｂ＝σ_ｂａ、σ_ａｃ＝σ_ｃａ、σ_ｂｃ＝σ_ｃｂとなるため、当該遮蔽テンソルの９成分のうち６成分を決定することができれば、詳細な異方性の情報である遮蔽の程度（σ_１１，σ_２２，σ_３３）と方向（φ，θ，ψ）が分かる。

図１２に示すように、擬単結晶化させた微結晶の結晶軸（図例ではｂ軸）を磁場方向Ｂに対して垂直方向に向けた状態で、当該結晶軸回りに微結晶を角度θｒ回転させ、電磁波を照射して核磁気共鳴信号を測定した場合、化学シフトのθｒ依存性は、上記式（１）から導かれた下記式（２）で与えられる。

式（２）に示すように、磁場方向Ｂに対して垂直なｂ軸回りに微結晶を回転させるだけでは、上記遮蔽テンソルの９成分のうちの３成分であるσ_ａａ、σ_ａｃ、σ_ｃｃしか決定することができない。従って、本実施形態において、試料容器２の回転軸である可傾回転軸Ｐ１を不傾回転軸Ｐ２に対して傾斜させずに試料容器２を回転させた場合、すなわち傾斜機構２０により可傾回転軸Ｐ１を傾斜させずに、磁場方向Ｂに対して垂直な可傾回転軸Ｐ１回りに試料容器２を回転させるだけでは、異方性の情報を十分に得ることができない。

これに対して、図１３に示すように、試料中の擬単結晶化させた微結晶の結晶軸（図例ではｃ軸）を、磁場方向Ｂに対して垂直以外のθaxisに傾斜させた状態で、当該結晶軸回りに微結晶を角度ψｒ回転させ、電磁波を照射して核磁気共鳴信号を測定した場合、化学シフトのψｒ依存性は、上記式（１）から導かれた下記式（３）で与えられる。

式（３）に示すように、磁場方向Ｂに対して垂直以外に傾斜したｃ軸回りに微結晶を回転させた場合、詳細な異方性の情報である遮蔽の程度（σ_１１，σ_２２，σ_３３）と方向（φ_ｃｒ，θ_ｃｒ，ψ_ｃｒ）が一度に分かる。

以上より、本実施形態において、傾斜機構２０により試料容器２の回転軸である可傾回転軸Ｐ１を磁場方向Ｂに対して垂直以外の任意の角度に傾斜させて試料容器２を回転させることで、磁場方向Ｂに対して垂直な可傾回転軸Ｐ１回りに試料容器２を回転させる場合に比べて、異方性の情報を詳細に得ることができる。従って、傾斜機構２０により可傾回転軸Ｐ１を前記任意の角度に傾斜させることで、さらに有効な核磁気共鳴信号を検出することができる。

［その他］
上記実施形態の核磁気共鳴装置１は、傾斜機構２０を備えているが、傾斜機構２０を備えていなくてもよい。この場合、回転機構１０は、試料容器２を支持する一方の支持部１４と駆動軸１１ａとを直接接続するとともに、試料容器２を支持する他方の支持部１４と従動軸１１ｂとを直接接続した構成にすれば、ガイド部１２と摺動部１３を備える必要はない。

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した意味ではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味、及び範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

１ 核磁気共鳴装置
２ 試料容器
３ 微結晶
４ 静磁場源
５ 発信受信部
７ 制御部
１０ 回転機構
２０ 傾斜機構
Ｂ 磁場方向
Ｐ１ 可傾回転軸（回転軸）

Claims (5)

1. 静磁場内に配置された試料にパルス状の電磁波を照射して核磁気共鳴を励起し、当該核磁気共鳴によって発生する核磁気共鳴信号を検出する核磁気共鳴装置であって、
   前記静磁場を発生させる静磁場源と、
   前記電磁波を照射させるとともに前記核磁気共鳴信号を検出するための発信受信部と、
   前記静磁場内で微結晶を懸濁させた前記試料を変速回転させることで、前記試料に時間的に変動する磁場を印加して前記微結晶を三次元配向させる回転機構と、
   前記試料の変速回転と同期して前記電磁波を照射させるように前記発信受信部を制御する制御部と、を備える核磁気共鳴装置。
2. 前記制御部は、前記試料の変速回転と前記電磁波の照射とを同期させるタイミングを調整可能である、請求項１に記載の核磁気共鳴装置。
3. 前記回転機構は、前記試料を１８０×ｎ°（ｎは任意の自然数）回転させるたびに、その回転を一時的に停止させるものである、請求項１又は２に記載の核磁気共鳴装置。
4. 前記回転機構は、前記試料を前記静磁場の磁場方向に対して垂直方向に延びる回転軸回りに変速回転させるものであり、
   前記回転軸を前記磁場方向に対して垂直以外の任意の角度に傾斜させる傾斜機構をさらに備え、
   前記制御部は、前記電磁波を前記試料に照射させる直前に、前記回転軸を前記任意の角度に傾斜させるように前記傾斜機構を制御する、請求項１〜３のいずれか１項に記載の核磁気共鳴装置。
5. 静磁場内で微結晶を懸濁させた試料を変速回転させることで時間的に変動する磁場を印加して前記微結晶を三次元配向させる工程と、
   前記試料の変速回転と同期して前記試料にパルス状の電磁波を照射して核磁気共鳴を励起し、当該核磁気共鳴によって発生する核磁気共鳴信号を検出する工程と、を含む微結晶構造解析方法。