JP3974588B2 - 核磁気共鳴装置及び方法 - Google Patents

Description

本発明は試料の形状が変更可能な試料管を用いる核磁気共鳴装置及び方法に関するものである。

図２に示すような核磁気共鳴装置（以下ＮＭＲ装置と略称する）における試料管および検出コイルの形状は、よく知られている。例えば、特許文献１（特開平６−２４９９３４号公報）の図２に示されている試料管は、一般の試験管と同じ形状をしており、測定の際には、強い静磁場を発生させるＮＭＲ用マグネットの中央部に挿入される。

挿入された試料管１０の周辺には検出装置(プローブ)の筐体１２と、測定用コイル１４が試料管１０を囲むように円筒状に配置される。また、試料管１０と検出装置の筐体１２との間にはガス１５が存在する。一般に試料溶液１８、試料溶液２０、試料管１０、ガス１６は各々透磁率が異なるため、静磁場に対し垂直な境界面が磁化され、その周辺の静磁場を乱す。

例えば、マグネットの静磁場が試料管３の軸方向を向いている場合、試料溶液１８および試料溶液２０の上下両端部、即ち境界より外側の部分では静磁場が乱れている。この静磁場の乱れがＮＭＲスペクトルに及ぼす悪影響を低減するために、試料管１０を満たしている試料溶液１８および２０の中で、静磁場の乱れてない部分である中央部の測定試料１８８から発信された信号だけが測定コイル１４によって検出される。試料溶液２０の部分から出た信号は、コイル１４に囲まれた空間の外に位置し、測定コイル１４の感度が低いため、到達できないようになっている。

図２に示す特許文献１に記載された装置は、静磁場の均一度が悪く、その静磁場の乱れによるＮＭＲスペクトルの劣化を防止するために、測定試料溶液１の他に余分の測定試料溶液２０を必要とし、微量試料の分析を困難にしていた。上述した特許文献１の問題点を改良するために、特許文献２（特開平５−２４９２１４号公報）が提案されている。この装置は、図３に示すように測定される試料溶液１８が入る球状（一般的には楕円体）の測定空間と、試料溶液を想定空間へ挿入するための細管孔２２を有している。

特開平６−２４９９３４号公報

特開平５−２４９２１４号公報 特開平７−８４０２３号公報 W. F. Reynolds, M. Yu, R. G. Enriquez, Investigating the sensitivity limits of the 13C-detected 1H-13C chemical shift correlation sequences with modern microprobe and microtube technology'、Magnetic Resonance in Chemistry, vol. 35, 614-618 (1997) L. D. Landau and E. M. Lifshitz, 「FLUID MECHANICS,」 2nd English Edition, (Pergamon, 1986) C. Pozrikidis, 「Introduction to Theoretical and Computational Fluid Dynamics」, (Oxford University Press, New York, 1997)

特許文献２によれば、試料溶液の形状は球体もしくは楕円体になり、空間的に均一な静磁場の中では、試料溶液１８と試料管１０および周辺ガス１６の透磁率とは関係なく試料溶液内の静磁場を均一にすることができる。電磁気学の法則により、楕円体の内外の透磁率の差は試料溶液１８の周辺における磁場を乱すが、試料溶液１の内部磁場は乱さないからである。従って、特許文献２では試料溶液の形状を楕円体にすることにより、静磁場の均一性を向上させることができる。しかし、図３に示された試料管１０と測定用コイル１６の幾何学的配置から明らかなように、測定用コイル１６と試料溶液１８の間の距離が遠くなり、測定感度が低下することとなる。

本発明の目的は、高い静磁場均一性と高い測定感度を同時に実現することにより、高感度のＮＭＲ装置を提供することである。

本発明のひとつの実施形態は楕円形状または球状の測定空間を持つプローブと、前記プローブに設けられた挿入口を通して前記測定空間へ延びる細管孔を有する試料管と、前記測定空間の外側に楕円形状または球状の測定空間に沿って配置された信号検出用コイルとを備え、前記細管孔を通して前記測定空間内へ試料を押しだし試料の表面張力により前記測定空間内に楕円形状あるいは球状に試料を維持することを特徴とする核磁気共鳴装置である。

試料を測定コイルの中に挿入した後に試料の形状を楕円体に変えることによりで、試料をマグネットが作る静磁場がより均一な空間に位置させると共に、試料による静磁場の乱れを防ぐことができ、試料に掛かる静磁場の均一性を向上させ高分解能でかつ高感度のＮＭＲスペクトルを得ることができる。

本発明は、高い静磁場均一性と高い測定感度を同時に実現するという目的を、試料を測定コイルの中に挿入した後で、試料の形状を変えることにより実現したものである。図１は本発明の一実施例のＮＭＲ用試料管および計測コイルを示す。

測定試料１８および非測定試料２０を収容する試料管本体１０は、その下方に細管孔２２を有する。細管孔２２の開口部外周には、支持盤２４ａが設けられている。支持盤２４ａと対向して支持盤２４ｂが設けられ、支持盤２４ｂを支持する支持軸２６を上下に移動することによって支持盤２４ａと支持盤２４ｂとの間隔が調整可能である。支持盤２４ａ、２４ｂは、いずれも試料１８とのぬれ性が小さな撥水性に富んだ材料で製作されている。

測定試料１８は、細管孔２２の下方から押し出され、直接周辺ガス１６と接触しており、その接触面の形状は、後述するように試料１８の表面張力により維持される。周辺ガス１６は、大気圧より高い圧力の滅菌ガスである。周辺ガス１６と接触しない測定試料１８の面は２つの支持盤２４ａと２４ｂに接しており、支持盤２４ａと２４ｂの間隔を変えることにより、測定試料１８の形状と体積を制御することができる。

試料管本体１０および細管孔２２、対向して設けられた支持盤２４ａ、２４ｂ、支持軸２６は、プローブ容器１２内に収容されている。プローブ容器１２は、球状部２８を備え、その中で細管孔２２から押し出された試料１８が表面張力によって球状、楕円形に形成される。

２つの支持盤２４ａ、２４ｂの中、試料管本体１０の先端部に位置する支持盤２４ａは、細管孔２２とつながる１つまたは複数の穴３０を持っている。細管孔２２は、測定試料１８と試料管本体１０の中にある非測定試料２０とを連結する通路として働く。

試料管本体１０から離れた支持盤２４ｂは、支持軸２６と結合され、測定試料１８の形状および体積制御に用いられる。支持軸２６は、上下方向に移動可能に支持されている。

プローブ１２は、測定試料１８および周辺ガス１６を囲むように配置され、測定コイル１６やその他の電気回路等が実装されるプローブ内部空間を試料やガスの侵入から守る。測定コイル１６は、試料管本体１０の長さ方向の中心軸を回転軸とした軸対称の回転曲面上に配置される。また、測定コイル１６は、プローブ４の球状の部分の外側に沿って設けられているので、球状に形成される試料１８の外形に沿うためにその表面との間隔がほぼ均等になるとともに間隔は小さくなっている。

図４に詳細に示しているように、試料管本体１０は、先端が細く細管孔２２となり、その先端部は鍔状に形成され試料支持盤２４ａになる。支持盤２４ａと対向する支持盤２４ｂは、細管孔２２に繋がる支持盤２４ａの穴８ｃに蓋をするように支持盤２４ａに接触可能である。支持盤２４ｂの支持盤２４ａと結合する側の反対面には支持軸２６と連結するためのナットの溝３２が構成されている。試料管１０の内部圧力の制御は、試料管１０内に設けられたピストン３４の移動を制御することによって行われる。

図５は本発明をスプリット型マグネットとを用いるＮＭＲ装置に適用した実施例を示す。スプリット型マグネットにおいては、マグネット３６は、２つ若しくはそれ以上に分離されたマグネットユニット３８，４０，４２，４４から構成される。プローブ４６は、マグネット３６の中央部にあるボアー４８に挿入され、プローブ４６の先端部には圧力制御器５０に連結された圧力伝達管５２と支持軸位置制御器５４に連結された支持軸２６が接続される。

図６はプローブ先端部における試料挿入孔と測定コイルを示している。図５ではスプリット型マグネットを示しているが、本実施例はソレノイド１体型マグネットである。図５はプローブ筐体の軸に直角に試料挿入孔を持つプローブを示したが、本実施例はプローブ筐体の軸と平行に試料挿入孔を持つプローブである。

図７は本発明を用いた試料管をＮＭＲ測定に用いる際の操作を説明するフロー図である。試料管３を上方から挿入すると、試料管はその先端にある支持盤２４ａが球形状あるいは楕円形状空間の一端に形成されている穴の入口位置で止まる(ステップＡ)。

試料管１０が止まったら、支持軸２６が上昇し支持盤２４ｂが支持盤２４ａに接触・結合する。この際に、支持軸２６の動きは図５で示した支持軸位置制御器１４により制御される。(ステップB)。支持盤２４ａと支持盤２４ｂの結合が完了したら、図５で示した圧力制御器１２が圧力伝達管１３を通じて図４に示したピストン１８を下降させ、試料管本体１０の中にある非測定試料２の内部圧力を増加させる。

同時に支持軸２６が下降する。内部圧力の増加と支持軸２６の下降により、支持盤２４ｂは支持盤２４ａから離れ、支持盤２４ａと２４ｂの間に測定試料１８が細管孔２２から出てくる（ステップC）。測定試料１８の体積が予め設定した目標値に達したら試料管内の圧力と支持軸２６の位置を一定に保ち、測定を開始する（ステップD）。

図７のステップC、Dにおいて、測定試料１８と周辺ガス１６との接触面が持つ形状は、表面張力以外の力が加わらなければ、非特許文献２に記載されているように、下記の式（１）と式（２）のラプラスの公式によって決まる。

ここでP₁とP₂は、それぞれ測定試料１８と周辺ガス１６の内部圧力であり、αは表面張力係数である。ΔPは接触面における圧力差を表しており、接触面が安定であるためには、ΔPが接触面上のすべての点で同じ値を持つことが必要、かつ充分条件である。

Ｒ_１とＲ_２は、幾何学上で主曲率半径（Principal radii of curvature）と呼ばれる量であり、（１／Ｒ_１＋１／Ｒ_２）／２は平均曲率と定義され、３次元曲面の形状を記述するために用いられる。微分幾何学によれば、3次元曲面上の全ての点(x、y、z)がF(x、y、z)=0の方程式を満たす場合、平均曲率は下式（３）で表される。

（式）３を式（１）に代入すれば式（４）となり、接触面の安定形状を表示する関数F(x、y、z)は、内部圧力P₁、P₂および表面張力係数αによって決めることができる。（例えば、非特許文献３参照）

表面張力以外の力が存在することを考慮しなければならない場合、式（４）の右辺に別項として足される。例えば、ｚ方向に加わる重力の影響を入れると、式（４）は以下のようになる。

式（５）において、ｇとρ₁、ρ₂は、それぞれ重力加速度常数、試料１８の密度、周辺ガス１６の密度である。式（５）で記述される表面張力と重力により決まる測定試料１８の形状の一例を図８に示している。

式（５）において、P₁は図1に示す測定試料１８の圧力である。定常状態ではパスカルの原理により、細管孔２２と通じて繋がっている非測定試料2の圧力と等しく、非測定試料2の圧力を調整することにより簡単に制御することができる。

それに比べ、ｇ、ρ₁、ρ₂、αはＮＭＲ測定を行う場所と、用いる試料およびガスにより決まるため、選択できる範囲が非常に狭く、制御因子として使うことは難しい。また、周辺ガス１６の圧力Ｐ_２も、周辺ガス１６が常にマグネット外部のチューブにより循環されるＮＭＲ装置の特性により、制御因子として適切ではない。従って、本発明の実施例では非測定試料２に加える圧力を制御することにより、測定試料１８の形状を変えている。

ＮＭＲ装置の試料管および測定コイルを上記の実施例１のように構成することにより、試料を測定コイルの中に挿入した後に試料の形状を楕円体形状に変えることができる。さらに、試料をマグネットが作る静磁場がより均一な空間に位置させると共に、試料による静磁場の乱れを防ぐことによって、試料に加わる静磁場の均一性を向上させＮＭＲスペクトルの分解能と感度を改善する。また、試料と測定コイルの間の距離を長くすることなく、測定コイルを楕円体表面に沿って配置することができ、一層測定感度を向上させることが可能である。

図９は本発明の他の実施例を示したものであって、測定試料１８は支持盤２４ａに接していて、支持盤２４ａは試料管本体１０の先端部にある細管孔２２に連結されている。図９は測定試料１８が支持盤２４ａの上部に位置している例を示したが、支持盤２４ａが測定試料１８の上部にあるか、若しくはその他の位置にあっても良い。図９中のその他の部分の説明は実施例１と等しいので省略する。

実施例２は実施例１に比べ、支持盤２４ｂと、支持盤２４ｂと連結される支持軸２６および支持軸位置制御器１４がなくなり、構成および操作がより簡単である。従って、NMR装置の試料管および測定コイルを上記の実施例２のように構成すると、より簡単な構成で実施例１の効果を同じく得ることができる。また、筐体１２の上方が解放しているので、光、レーザなどを投射し、測定することが可能であり、ピペットを挿入することもできる。

但し、実施例２の構成は支持盤２４ｂがないため、形状を安定に保つことができる測定試料１８の体積が実施例１に比べ少なくなり、測定試料体積の減衰に従って測定される信号強度が減衰する。

図１０は本発明の更に他の実施例を示している。実施例３は上記実施例１と２に比べ、測定試料１８と周辺ガス１６の間に、水素を含有しない弾性体で作られた弾性容器５６が入っている。水素非含有弾性容器５６を用いることにより、実施例２が持つ装置構成および操作の簡単さを損なうことなく、形状を安定に保つことのできる測定試料１８の体積を増やすことができる。

本発明の試料管および測定コイルを断面にして示す平面図である。 従来技術１の試料管および測定コイルを断面にして示す平面図である。 従来技術２の試料管および測定コイルを断面にして示す平面図である。 本発明の試料管を断面にして示す平面図である。 本発明を適用したＮＭＲ装置の一部を断面にして示す平面図である。 本発明の試料管および測定コイルを実装したプローブの先端部を断面にして示す平面図である。 本発明の試料管を用いるため行われる操作を示すフロー図である。 本発明の試料管の一部および測定試料の形状示す平面図である。 本発明の他の実施例に係わる試料管および測定コイルを断面にして示す平面図である。 本発明の他の実施例に係わる試料管および測定コイルを断面にして示す平面図である。

符号の説明

１０…試料管、１２…筐体、１４…測定用コイル、１６…ガス、１８、２０…試料溶液、２２…細管孔、２４ａ…細管孔先端の試料支持盤、２４ｂ…試料支持盤、２６…試料支持盤２４ｂと結合する支持軸、３６…ＮＭＲ用マグネット、４６…プローブ筐体、４８…ＮＭＲ用マグネット中央部のボアー、５０…圧力制御器、５２…圧力伝達管、５４…支持軸位置制御器、５６…水素非含有弾性容器。

Claims (8)

1. 楕円形状または球状の測定空間を持つプローブと、前記プローブに設けられた挿入口を通して前記測定空間へ延びる細管孔を有する試料管と、前記測定空間の外側に楕円形状または球状の測定空間に沿って配置された信号検出用コイルとを備え、前記細管孔を通して前記測定空間内へ試料を押し出し、試料の表面張力により前記測定空間内に楕円形状あるいは球状に試料を維持することを特徴とする核磁気共鳴装置。
2. 請求項１の核磁気共鳴装置において、前記細管孔の出口に第１の支持盤を設け、前記第１の支持盤に対向する第２の支持盤を設け、前記第２の支持盤は、前記第１の支持盤に対して移動可能に支持され、前記第１、第２の支持盤の間隔は調整可能である核磁気共鳴装置。
3. 請求項２において、前記第１、第２の支持盤は撥水性を持つ核磁気共鳴装置。
4. 請求項１または２において、試料に加える圧力を制御することにより試料形状を変える核磁気共鳴装置。
5. 請求項１または２において、計測空間中のガスを大気圧より高い圧力を持った滅菌ガスで充満させることによって、試料を滅菌状態で保つ核磁気共鳴装置。
6. 請求項１または２において、前記信号検出コイルを、試料管の長さ方向の中心軸を回転軸とした軸対称の回転曲面上に配置する核磁気共鳴装置。
7. 楕円形状または球状の測定空間を持つプローブと、前記プローブに設けられた挿入口を通して前記測定空間へ延びる細管孔を有する試料管と、前記細管孔の出口ぶに設けられた第１の支持盤と、前記第１の支持盤と対向して設けられた第２の支持盤と、前記第２の支持盤を可動的に支持する支持軸と、前記測定空間の外側に楕円形状または球状の測定空間に沿って配置された信号検出用コイルとを備え、前記細管孔を通して前記測定空間内へ試料を押し出し、試料の表面張力により前記測定空間内に楕円形状あるいは球状に試料を維持、前記支持軸を移動することによって試料の形状を変化させることを特徴とする核磁気共鳴装置。
8. プローブに設けた楕円形状または球状の測定空間へ、細管孔を通して試料を押し出し、試料の表面張力により前記測定空間内に楕円形状あるいは球状に試料を維持し、試料へ電磁波を照射し、前記測定空間の外側に楕円形状または球状の測定空間に沿って配置された信号検出用コイルにより信号を受信することを特徴とする核磁気共鳴測定方法。
   

Images