JP4340318B2 - インビトロｄｎｐ−ｎｍｒ測定を行うための装置及び方法 - Google Patents

Description

本発明は、サンプルにインビトロでＤＮＰ−ＮＭＲ測定を実施するための装置及び方法に関する。

ＮＭＲ（核磁気共鳴）分光法の広く公知の商用用途は、その技術が本質的に低感受性であることによって幾分制限されている。これは、¹³Ｃ及び¹⁵Ｎ核が¹Ｈに比較して磁気モーメント及び自然存在比が小さいために、これらに対しては特にそうである。ＮＭＲのＳＮ比（ＳＮＲ）は、熱ノイズを低減するか又は信号を増強することによって改善することができる。前者の手法は、理想的な環境下で恐らく係数５のＳＮＲ利得しかもたらさないという事実にも関わらず、極低温に冷却されたＲＦプローブが広く市販されているので近年では使用の増加が見られる。ＮＭＲ信号は、磁場強度が大きくなると増大し、それは、これまでよりも強い磁場の磁石を開発する傾向の背景にある理由の１つであるが、これは、ＳＮＲを改善する例外的に費用のかかる解決法である。

信号を増強する代替的な方法は、動的核分極（ＤＮＰ）である。磁場が印加されなければ、磁気モーメントμを有する核（すなわち、非整数スピン）は、ランダムに整列することになる。磁場に配置されると、核は、（磁束密度Ｂの）場と平行（スピンアップ）又は逆平行（スピンダウン）に整列することになる。サンプルのバルク分極Ｐは、スピンアップ及びスピンダウン占有数の比率から判断することができ、これは、磁気及び熱エネルギの比率に関係する。

ここで、Ｔは温度であり、ｋは、ボルツマン定数である。

熱平衡分極は、強力な磁場内でも非常に弱い。例えば、¹Ｈ分極は、室温、９．４Ｔの磁場で僅か３２ｐｐｍであり、¹³Ｃは、僅か８ｐｐｍである。過分極の大きな魅力は、一時的に分極を実質的に平衡レベルよりも大きく増大させ、増大した分極が減衰して平衡に戻る前にＮＭＲ測定を行う機能である。過分極を達成するためのいくつかの技術が報告されているが、殆どは、技術的制約を有し、その用途が特定のすき間市場（例えば、過分極¹²⁹Ｘｅガス肺撮像）に限定される。Ｊ．Ｈ．Ａｒｄｅｎｋｊａｅｒ−Ｌａｒｓｅｎ他著「液体状態ＮＭＲでのＳＮ比の＞１００００倍の増大」、ＰＮＡＳ、第１００巻、第８号、２／９／０３は、広い範囲の小さな分子化合物を液体溶液中で過分極させ、それから増強ＮＭＲスペクトルを得ることができる処理を明らかにしている。この処理は、大体次の段階に従っている。
１．分極剤（フリーラジカル、すなわち、不対電子を含有する化合物）をサンプルと混ぜる段階。通常は、グリコールのような凍結保護物質も加える。
２．通常１〜２Ｋまで注入した液体ヘリウム浴を用い、電子スピン分極が十分（＞５０％）になる低温まで混合物を冷却する。
３．サンプルを強力で均一な磁場（サンプル冷却装置と同じ低温槽を共有する超伝導磁石により生じる一般的に数テスラ）に入れる。この温度及び磁場で、電子分極は１００％に近づく。
４．スピン交換過程（例えば、「核オーバーハウザー」効果、「固体効果」、及び「熱混合」）の複合的な組合せにより、電子スピン共鳴（ＥＳＲ）を励起させて核と電子スピン系の間でエネルギの交換を引き起こすように選択された周波数で凍結サンプルにマイクロ波放射を照射する。数分〜数時間の期間にわたって、照射は、平衡レベル（例えば、数％）よりも大幅に改善されたレベルまでの核分極の蓄積をもたらす。本質的に、分極は、電子スピン系から核スピン系に移される。
５．マイクロ波放射を止める。
６．依然として強力な（しかし、今度は必ずしも均一でなくてよい）磁場に置いて、典型的に高温溶媒に溶解することによってサンプルを迅速に解凍する。解凍が約１秒又はそれ未満以内に行われる場合には、５０％を超える過分極を液体状態で保持することができることが明らかにされている。これは、分極の大きさが室温平衡よりも３〜４桁改善することを示している。
７．液体サンプルを従来のＮＭＲ磁石に迅速に移送し、単発測定でスペクトルを得る（例えば、従来のパルス取得実験により）。

凍結及び溶解の代替法として、サンプルを溶融することができると考えられる。
時間ｔにわたる照射後に達成されたターゲット核の過分極Ｐ_DNPは、ほぼ以下のようになる。

ここで、ηは、電子分極（モーメントμ_eを有する）のターゲット核（μ_n）への移送効率を定めるＤＮＰ効率係数であり、τは、過分極蓄積時間定数である（η及びτは、Ｔ及びＢのような多くの因子に依存する）。

有意に信号増強するために、サンプルの解凍及びＮＭＲ測定段階が非常に迅速に起こることが重要である。また、データの良好な反復性を達成する必要がある場合には、この処理は、非常に十分に制御されるべきである。この理由は、以下の通りである。マイクロ波照射を止めると（時間ｔ₀で）、過分極は、減衰してその熱平衡レベルに向って戻る。平衡分極が過分極に比較すると非常に小さいために、次の表現は、マイクロ波照射を中止した後の過分極の減衰を適切に表すものである。

減衰の時間定数（Ｔ１）は、主にサンプルの温度及びそれが露出される磁場によって判断される［Ｔ１はまた、双極子−双極子結合効果のために核の化学環境にも依存する］。固体状態では、Ｔ１は、以下のようにＴ及びＢに関連する。

ここで、αは、約２．５であり、βは、ほぼ２である。サンプルが比較的強力な磁場内で凍結されて低温に維持される場合には、緩和速度は、比較的長い（一般的に数分〜数時間）のままである。
溶解後、液体状態でのＴ１は、凍結状態におけるよりも遥かに短いが、温度及び磁場に対する感受性はより小さい。過分極は、地球の磁場では室温でも数秒持続することになることが明らかにされている。

従って、ＤＮＰ−ＮＭＲハードウエアには、２つの基本的な任意選択肢が存在し、すなわち、サンプルを固体として又は液体として分極領域からＮＭＲ測定領域に移動することである。後者の場合には、移送ができるだけ速い場合に限り（数秒）、上で参照したＪ．Ｈ．Ａｒｄｅｎｋｊａｅｒ−Ｌａｒｓｅｎ他の論文に説明するように溶解したサンプルを専用分極磁石から従来のＮＭＲ磁石まで移送することができる。しかし、その論文に説明されている装置では、液体サンプルを分極装置からＮＭＲ磁石に手動で移送することによって引き起こされる有意な遅延及び変動性が存在する。

サンプルが固体として移送される場合には、それを低温（一般的に＜１０Ｋ）で比較的強力な磁場（一般的に＞０．１Ｔ）内に保持することが必要である。これには、これらの領域が非常に隣接して、例えば単一の磁石の内腔内に位置決めされて分極及びＮＭＲ磁場領域の両方をもたらすか、又は絶縁移送磁石を設けて凍結サンプルを別の分極磁石からＮＭＲ磁石に運ぶかのいずれかが必要である。これらの解決法は、以下に説明する従来技術に示されている。

ＷＯ−Ａ−０３／０２３４３２及びＷＯ−Ａ−０２／３７１３２は、性能及び信頼性が改善されたＤＮＰ−ＮＭＲ処理を実行するための装置に対するいくつかの任意選択肢を説明しており、これには、過分極が行われた装置と同じ装置内でＮＭＲ測定を行うことが含まれる。この手法は、分極したサンプルを分極領域から測定領域まで移送するのにかかる時間を最小にするという利点を有する。
最も高速で実行可能な「移送」は、過分極及びＮＭＲ測定が同じ位置、すなわち、同じ一様な磁場領域内で起こる場合に達成することができると考えられる。この手法は、固体状態ＮＭＲに対して一研究グループにより採用されてきたが（Ｃ．Ｔ．Ｆａｒｒａｒ、Ｄ．Ａ．Ｈａｌｌ、Ｇ．Ｊ．Ｇｅｒｆｅｎ、Ｓ．Ｊ．ｌｎａｔｉ、及びＲ．Ｇ．Ｇｒｉｆｆｉｎ著「高磁場内での動的核分極の機構」、Ｊ．Ｃｈｅｍ．Ｐｈｙｓｉｃｓ、第１１４巻、４９２２〜４９３３頁、２００１年）、それは、一般的に、以下の２つの理由のために特に望ましいわけではない。
１．ＮＭＲに必要な磁場強度は、一般的に７Ｔ又はそれよりも大きいが（¹Ｈスペクトル中の十分な周波数分散を達成するためには）、ＤＮＰに必要とされる磁場強度は、一般的に３．５Ｔ未満である（十分なマイクロ波パワーを供給するためのハードウエアは、１００ＧＨｚよりも高い、ＥＳＲ周波数３．５Ｔでは一般的に入手可能でないか又は費用効率がよくないため）。
２．サンプル冷却のパッケージ化、単一の一様磁場領域内へのマイクロ波空洞及び高解像度ＮＭＲプローブの装着、及びそれらが良好な性能を維持しながら決して互いに干渉しないことの保証は実際的に困難である。

従って、分極及びＮＭＲ磁場領域は、その機能に個々に調整した特性を有するが、好ましくは同じ装置内の近くに位置決めされることが望ましい。この事実は、従来のＮＭＲ磁石の縁辺磁場に必要な均一性までシムを入れることが示唆されているＷＯ−Ａ−０２３７１３２で認識されている。しかし、これは、以下のいくつかの理由で実際的ではない。
・局所的に縁辺磁場をシムするために必要なアンプ回転を従来の超伝導シムで生成することができない。
・超伝導シムと主磁石の間に生じる力は容認し難いと考えられる。
・超伝導シムにより、ＮＭＲ磁場領域の均一性が破壊されると考えられる。

ＵＳ−Ａ−６５１５２６０はまた、同じ磁石内腔内に２つの別々の磁場領域がある装置も説明している。サンプルは、１つの磁場領域内で過分極され、ＮＭＲ測定のために迅速に第２の磁場領域に移動される。この装置では、サンプルは、分極領域から移動した後に熱を加えることによって溶融し、溶解は起こらない。しかし、ＵＳ６５１５２６０には、実際にどのようにこの装置を達成するのか、すなわち、どのように２つの一様な磁場領域を非常に近くに生成するのかが説明されていない。
従って、効率的で商業的に実現可能な方法でインビトロＤＮＰ−ＮＭＲ処理を行うことができる改良装置を構成する必要性が存在する。

ＷＯ−Ａ−０３／０２３４３２ ＷＯ−Ａ−０２／３７１３２ ＵＳ−Ａ−６５１５２６０ 特許出願ＷＯ０４／０２９６４５ Ｊ．Ｈ．Ａｒｄｅｎｋｊａｅｒ−Ｌａｒｓｅｎ他著「液体状態ＮＭＲでのＳＮ比の＞１００００倍の増大」、ＰＮＡＳ、第１００巻、第８号、２／９／０３ Ｃ．Ｔ．Ｆａｒｒａｒ、Ｄ．Ａ．Ｈａｌｌ、Ｇ．Ｊ．Ｇｅｒｆｅｎ、Ｓ．Ｊ．ｌｎａｔｉ、及びＲ．Ｇ．Ｇｒｉｆｆｉｎ著「高磁場内での動的核分極の機構」、Ｊ．Ｃｈｅｍ．Ｐｈｙｓｉｃｓ、第１１４巻、４９２２〜４９３３頁、２００１年

本発明の第１の態様によれば、サンプルにインビトロＤＮＰ−ＮＭＲ測定を行うための装置は、低温槽に位置して内腔を取り囲み、それぞれのＮＭＲ及びＤＮＰ作業域を形成する磁場発生装置と、ＤＮＰ作業域内の適切に調製されたサンプルにＤＮＰを行うためのシステムと、ＮＭＲ作業域内のサンプルにＮＭＲ処理を行うためのシステムと、内腔に挿入して、次にサンプルを作業域の各々にもたらすことができるサンプル位置決め機構とを含み、磁場発生装置は、ＤＮＰ作業域内の磁場がサンプルにＤＮＰを行うのに適する均一性又はプロフィールを有し、ＮＭＲ作業域内の磁場がサンプルにＮＭＲ処理を行うのに適する均一性又はプロフィールを有するように適切に構造化されており、磁場発生装置が、対応するＮＭＲ及びＤＮＰ作業域を同軸内腔に形成するために低温槽に位置してそれぞれの同軸内腔を取り囲む一対の磁石アセンブリを含み、磁石アセンブリは、ＤＮＰ作業域の磁場がＤＮＰを行うのに適する均一性又はプロフィールを有し、ＮＭＲ作業域内の磁場がサンプルにＮＭＲ処理を行うのに適する均一性又はプロフィールを有するように適切に遮蔽されていることを特徴とする。

本発明の第２の態様によれば、本発明の第１の態様による装置を用いてサンプルにインビトロＤＮＰ−ＮＭＲ測定を行う方法は、ＤＮＰ処理のためのサンプルを調製する段階と、サンプル位置決め機構を用いてサンプルをＤＮＰ作業域に挿入する段階と、サンプルにＤＮＰを行う段階と、サンプル位置決め機構を用いて迅速にサンプルをＮＭＲ作業域に移送する段階と、サンプルを溶媒に溶解するか、又はサンプルを溶融する段階と、サンプルにＮＭＲ測定を行う段階とを含む。

本発明者は、分極等の損失を最小にするために２つの作業域をできるだけ互いに近づけて配置することが重要であることを認めている。作業域内には高磁場強度が必要であるという事実にも関わらず、適切な遮蔽を用いることによって２つの磁石アセンブリを互いの近くに配置することができる。特に、適切な遮蔽を用いると、磁石アセンブリ間の反応力、一方の磁石アセンブリからの漂遊又は外部縁辺磁場が他方の中心磁場のマグニチュードに及ぼす影響、及び一方の磁石アセンブリからの漂遊又は外部縁辺磁場内の勾配が他方の磁場一様性（均一性）に及ぼす影響が最小になる。

主磁石からの漂遊又は外部縁辺磁場を低減するために、２つの遮蔽方法、すなわち、強磁性材料による受動的方法又は個々の磁石コイルアセンブリ内に位置決めした逆励磁コイルの組による能動的方法が利用可能である。これらのコイルは、一方の他方に対する磁気の影響を低減するために非常に近くにある２つ（又はそれよりも多く）の磁石の間に存在する縁辺磁場を成形すると考えることができる。能動遮蔽は、それがアセンブリの重量を低減し、磁石アセンブリにより生じる様々な磁場を遮蔽することができるために好ましいものである。

本発明者は、特に、２つの磁石アセンブリが互いに及ぼす影響を低減するために、殆どの場合で能動的端部遮蔽コイルを設ける必要があることを見出した。端部遮蔽コイルは、磁気軸付近に最も影響を有し、比較的短い軸線方向距離にわたって作用する。これと対照的に、従来の外側遮蔽コイルは、磁石から更に離れた領域にわたって作用する。端部及び外側遮蔽コイルの組合せは、正しい組合せで適用すると漂遊磁場を有意に低減する。

本発明者はまた、２つの磁石アセンブリの互いに対する影響が許容可能である時の条件を判断する重要な因子は、逆励磁能動遮蔽コイルを所定位置に置いて、各磁石アセンブリにより生じる外部縁辺磁場が、理想的には他の磁石アセンブリによって形成される作業域の中心で０．０００５Ｔよりも大きくないことであると理解した。
一般的に、２つの磁石アセンブリは、電気的に分離されて別々に電力供給されることになるが、いくつかの場合では、単一の磁石であるが２つの作業域を備えたものを実質的に形成するように電気的に直列に接続することができるであろう。
殆どの実施形態では、２つの作業域のみを用いるが、磁場発生装置を適切に設計することによって２つよりも多い作業域を設けることができると考えられる。

本発明の重要な態様は、サンプルが、溶解する前に冷たい分極領域から比較的暖かい（好ましくは室温の）領域に移動することができるということである。従って、サンプルは、凍結している間に移動される。上述のように、サンプルが低温に、かつ比較的強力な磁場（＞０．１Ｔ）内に保持されて迅速に（〜数秒）移動される場合は、相当な割合の過分極は維持されることになる。これは、本発明の好ましい実施形態（サンプルが２つの磁石の間の最小磁場〜０．３Ｔを通して移動する）の場合である。

繰り返してサンプルを移動させる最も簡単な方法は、磁石内腔に沿って磁石低温槽の外側のアクチュエータまで延びる硬質ロッド又は管に取り付けられた容器内にそれを入れることである。サンプルは、ＤＮＰ処理の全ての段階で容器に入ったままである。
ＤＮＰ作業域のサンプルを十分に冷却するために、装置は、ＤＮＰ作業域を形成する内腔に液体ヘリウムのような冷却剤を更に含むことが好ましい。それにより、サンプルは、液体ヘリウムの非常に近くに取り囲まれ、従って、その温度を液体ヘリウムの温度近くまで下げることができる。
ＤＮＰ作業域のサンプルを冷却するための様々な異なる方法は、以下に説明する。
ここで、本発明による方法及び装置の一部の例を添付図面を参照して以下に説明する。

図１を参照すると、複合ＤＮＰ−ＮＭＲ装置は、ＮＭＲ磁石１ｂの下、低温槽２内に位置決めされた分極磁石１ａを含み、同軸内腔３ｂ内に分極チャンバ４へのアクセスポート３ａを収容する室温内腔３を有する。サンプル位置決めアセンブリ５は、内腔３、３ｂに位置決めされる。これは、サンプル６が配置された容器７を含み、容器は、位置決めロッド８の端部に取り付けられる。ロッドは、内腔内を垂直に移動し、サンプルを分極チャンバ４、ＮＭＲ用ＲＦプローブ４２内に位置決めするか、又は内腔から除去してサンプル交換装置９内に入れることができる。磁石の他の配向も可能であることは認識されるであろう。

低温槽２は、従来の形であり、放射遮蔽２ｂに取り囲まれた内側ヘリウム缶２ａ、窒素缶２ｃ、及び外側真空壁２ｄを有する。
サンプルが分極チャンバ４内にある時は、液体ヘリウム４ａに浸漬される。分極チャンバは、主低温槽の内腔３に接続したネック部１０を有する。内腔は、理想的にはヘリウムで充填され、サンプル位置決めアセンブリが出入りする時に分極チャンバが空気で汚染されることを防ぐ。分極チャンバ４は、分極セル１１を収容する。その分極セルは、サンプルを照射するマイクロ波空洞と、過分極（図示せず）の増大をモニタするＮＭＲ偏光計とを含む。
明確にするために、ＤＮＰ及びＮＭＲ処理を行うのに必要な様々な構成要素を励磁するのに必要な制御配置は、これらが従来の形であるために省略していることは理解されるであろう。

図２に示す代替的な実施形態では、分極チャンバ４は、それ自体の真空絶縁体及び熱遮蔽体を有し、すなわち、これは、磁石低温槽の室温の内腔内の別々の挿入低温槽４ｂである。この実施形態は、保守及び修理を容易にするのに好ましいと考えられる。挿入低温槽４ｂは、別々の充填管（図示せず）によるか、又は主低温槽２からのバルブ及び移送管１２を通じて補充することができる。主低温槽は、従来のネック部１３を通じて補充される。図１、図２、及び図３に示す実施形態の低温槽は、任意的に、付加的に熱遮蔽するための液体窒素ジャケット６０を有する。

図１〜図３に示す実施形態の不利な点は、時折低温槽を液体ヘリウムで補充する必要があることである。パルス管冷凍機を用いて、従来技術に説明されているように煮沸して蒸発したヘリウムを再凝結させることができる。過冷却システムで最凝結作業を実施するのは、過冷却冷凍機内のガスが低圧であるために困難である可能性がある。この解決法には、吸着ポンプを用いて分極チャンバを過冷却することを伴う。これは、図４に示している。強力に吸着性の材料５１（例えば、微炭素末）を収容する付加的なチャンバ５０が、主低温槽の真空空間５２に位置決めされる。このチャンバは、熱スイッチ５５により、熱遮蔽体５３又は磁石ヘリウム容器５４のいずれかに熱的に接続することができる。熱スイッチは、単に、ガス（例えば、ヘリウム）を排出又は充填することができ、従って、低度又は高度熱伝導性を有するチャンバである。ＰＴＲ５７の第１段５６は、熱遮蔽体（５３、約４０Ｋに保持）に接続され、第２段５８は、磁石ヘリウム容器の蒸気空間内にあり、煮沸して蒸発させた蒸気を再凝結させる。

この装置により、分極相の間に分極チャンバを過冷却することができる。この作動方法は、以下の通りである。サンプル分極期間中に、スイッチ（熱遮蔽体に接続した一方のスイッチはオフ、他方のスイッチはオン）により吸着材料５１を熱的にヘリウム容器に連結し、ヘリウム蒸気を冷却して強力に吸着することによって分極チャンバを過冷却するようにする。分極期間の終わりに、熱スイッチを両方とも切り換え、再利用のために吸着材料を加温して吸着されたヘリウムを放出するようにする。この期間中に、分極チャンバは、徐々に加温されることになるが、熱遮蔽体は、強力に冷却されることになる。サンプル溶解及びＮＭＲ測定を都合よく行うことができる短期間（低温槽設計の熱効率及びＰＴＲの冷却力に依存する）の後には、単発冷凍システムは、別のサンプルに分極期間を繰り返す準備ができることになる。この配列は、外部ポンプ（熱スイッチを作動させるのに必要な小さなポンプ以外）必要でないという大きな利点を有する。

図５は、図１〜図４に示す例のいずれにも用いることができる一対の磁石アセンブリの特定の例を示している。磁石アセンブリ１ａは、直径７８ｍｍの内腔７２の周りに内側コイル対７０Ａ、７０Ｂを含む。コイル対７０Ａ、７０Ｂは、能動遮蔽ソレノイド７４によって取り囲まれ、端部遮蔽コイル７６、７８は、コイル７０Ａ、７０Ｂ、７４と同軸に配置され、軸線方向遮蔽を達成する。
同様に、磁石アセンブリ１ｂは、内腔７２と同軸に内腔８２の周りに配置された内腔と同じ直径の主コイル対８０Ａ、８０Ｂを含む。能動遮蔽ソレノイド８４は、コイル８０Ａ、８０Ｂの周りに延び、能動遮蔽端部コイル８６、８８は、軸線方向遮蔽をもたらす。
ＤＮＰ作業容積９０及びＮＭＲ作業容積９２は、それぞれアセンブリ１ａ、１ｂの中心に設けられる。

上述のように、２つの磁石アセンブリ１ａ、１ｂの間の相互作用を考慮することが重要である。考慮する必要がある主な相互作用は、作動中の磁石間の静止力、他方の均一性に及ぼす各々の影響、及び一方がクエンチして動的電流を誘発する影響及び続いて他方に及ぼす力である。最初の２つの相互作用は、個々のアセンブリ１ａ、１ｂが両方とも能動的に遮蔽されるという事実により減少する。クエンチ相互作用は、一方（又は両方）の磁石を単一の保護抵抗器（図示せず）で保護し、他方の磁石から又はその構成要素コイルからこのように保護された磁石を通る正味磁束がゼロに近くなるようにすることによって減少する。従って、この磁束連係を最小にすることにより、誘発動的電流及びそれに続く力が最小になる。この例では、磁石アセンブリ１ｂは、９．４Ｔの磁場を生じ、内腔が７８ｍｍのＮＭＲ磁石であり、磁石アセンブリ１ａは、３．３５Ｔ過分極磁石である。この例では、磁石間の正味の力は、数十ニュートンまで減少し、均一性相互作用は、超伝導シムコイルの範囲（一般的に均一な容積にわたって数ｐｐｍ）内に良好に維持される。

図６に見られるように、磁石アセンブリ１ａの０．０００５０Ｔの値に対応する縁辺磁場等高線は、半径方向に約０．６メートル及び軸線方向に約同じ距離だけ延びる。ＮＭＲ磁石アセンブリ１ｂ（図７）では、同じ等高線は、半径方向に約０．７メートル、軸線方向に０．６メートル延びる。これは、同じ等高線が半径方向に約１メートル、軸線方向に１．５メートル延びる従来の能動的に遮蔽された４００／５４ＡＳ磁石に対比される。端部能動的遮蔽コイル７６、７８、８６、８８を用いると、縁辺磁場が有意に減少する。図８は、磁石アセンブリ１ａ、１ｂを組み合わせて得られる縁辺磁場を示している。

図１及び図２に示す装置では、サンプルは、ヘリウムの大気圧沸点である４．２Ｋまで冷却される。十分に過分極させて望ましいＳＮＲターゲットに達するように、この温度よりも低くサンプルを冷却することが必要であろう。Ａｒｄｅｎｋｊａｅｒ−Ｌａｒｓｅｎ他は、分極チャンバに直接注入し、飽和蒸気圧を低減し、従って、温度を典型的には約１．２Ｋまで低減することによってこれを達成した。しかし、分極領域の圧力を大気圧に維持すると、分極チャンバネック部１０内の圧力固定の要件がなくなるために望ましい。これは、図３に示すように都合よく達成することができる。

図３では、別々の蒸発チャンバ１４が分極チャンバ４内のヘリウムに浸漬される。ヘリウムは、主低温槽リザーバ２ａ又は分極チャンバヘリウム４ａのいずれかからバルブ（図示せず）を介し、熱移送効率を最大にするために一般的にコイル管から形成されたこのチャンバ１４内に流れ出る。蒸発チャンバ１１は、外部ポンプ１７を用いて注入し、熱交換によりサンプル分極チャンバを過冷却する。この配列は、従来技術から公知であり、ラムダ点凍結機と呼ばれる。一般的に、これを用いて高磁場磁石を過冷却する。
図３に示す装置は、都合よく、約１Ｋ〜４．２Ｋの範囲のあらゆる温度までサンプルを冷却することができる。分極温度の選択に影響を及ぼす問題は、後により詳細に説明する。

スペクトルが測定される化学物質を調製し（例えば、適切な溶媒に溶解し、分極剤及び凍結保護物質と混合することによる）、調製したサンプル６を容器７に入れ、実験の継続期間にわたってそれに入れたままにする。理想的には、この容器は、ＮＭＲサンプル管の特性を有する（すなわち、ＲＦ誘電特性を確実に良好にし、ＮＭＲ測定中に均一な磁場に及ぼす摂動効果を最小にするために低磁化率ガラスで作られる）。サンプル容器７は、次に、位置決め管８に取り付けて密封する。これは、磁石低温槽の上部の自動サンプル処理機器９を用いて都合よく達成することができる。理想的には、サンプル調製／交換装置は、ヘリウムガスでパージした密封チャンバ９ａ内に存在する。それにより、空気が凍結して妨害物になる可能性がある磁石内腔及び／又は分極チャンバに空気が浸入する全ての可能性が避けられる。更に、不活性ヘリウム雰囲気により、調製中にサンプル及び／又はフリーラジカル分極剤が酸化することが避けられる。

次に、サンプル運搬管８に取り付けられた磁石低温槽（図示せず）の外側の線形アクチュエータにより、アセンブリ５全体を移動してサンプルを低下させて分極チャンバ４に入れる。アクチュエータは、必要に応じて空気圧、水圧、又は電気により動力を得ることができるが、磁場内で作動するのに適するべきである。
理想的には、分極相の間の熱の漏れを最小にするために、サンプル位置決めロッド８の熱伝導性は小さい。分極中に、サンプルは、均一な磁場分極領域４０（図３）内に位置決めされる従来技術に説明するものと同様のマイクロ波空洞１１内に位置決めされる。〜３．３５Ｔの磁気磁束密度が好ましいが、これよりも低い磁場及び高い磁場（０．１Ｔ〜６Ｔの範囲）も適切とすることができる。分極磁場領域４０は、サンプルが確実にラジカルのＥＳＲ線幅内になるように（一般的に１０ｋＨｚ）、サンプル容積にわたって〜１０ｐｐｍの均一性が必要である。マイクロ波照射は、適切に過分極にするために十分な時間にわたって行われる。固体状態ＮＭＲ偏光計（図示せず）を任意的に用い、従来技術に説明するように、分極の増大をモニタすることができる。過分極の適切なレベルに達すると（一般的に飽和分極の７０〜９０％であるが、以下に説明するようにこれよりも低いレベルも適切である場合がある）、サンプルプラス担体の管アセンブリ５は、サンプル容器７がＲＦアンテナ４３内になるまで分極チャンバから迅速に引込められる。従って、固体過分極サンプルは、依然としてその容器内に存在しながら低温領域から磁石の低温槽２まで渡される。上述のように、サンプルが低温（＜１０Ｋ）のままであれば、０．１Ｔ未満の磁場になることは決してなく、移送は、迅速に（１秒又はそれ未満）で行われ、過分極の損失は殆ど起こらない。上述の装置は、これらの目的を達成し、２つの磁石間の最小磁場は、〜０．３Ｔである。
ＲＦアンテナ４３は、ＮＭＲの均一な磁場領域４４内に位置決めされる。ＮＭＲ磁石は、サンプル寸法にわたって均一性が一般的に１ｐｐｍであり、一般的に７Ｔと１６Ｔの間の磁場を発生する。従来技術から公知のように、室温シムコイルを用いて磁場均一性を微調整することができる。

この処理の次の段階は、サンプルの溶解である。熱溶媒は、サンプル担体管８内の注入管４５を通じてサンプルに供給される。必要な熱溶媒の量を最小にし、反復性を改善するために、内側管４５は、理想的には、外側管８から熱的に隔離される。これは、例えば、管の間の容積を空にすることによって達成される。また、分極相の間に内側管が冷却され過ぎないように、内側管４５は、高い熱インピーダンス（例えば、ベローズ）との連結によりもたらされるサンプル容器７に対する低い熱伝導も必要である。任意的に、内側管４５は、サンプル位置決めアセンブリ５が電気加熱器（図示せず）により分極低温槽から抜き出された直後に室温（又はそれよりも高い）まで迅速に加熱することができる。これらの予防措置により、予備加熱容器４７からバルブ４８を通じてサンプル管に注入される加熱熱溶媒が失う熱が最小になる。次に、それによってサンプル６及びその容器７の温度を上昇させ、サンプルを溶解して室温の液体を作るのに必要な溶媒の量が最小になる。サンプルが「雪状」又は小さなペレットの形である場合には、表面積を最大にし、乱流を促進することによって容易に溶解するようにすることが恐らく望ましい。更に、サンプル管７の壁厚みを最小にしてその熱容量を低減し、熱衝撃に耐える機能と両立するようにすることが好ましい。

熱溶媒に溶解する代わりに、サンプルは、例えば、赤外線熱源、レーザ、マイクロ波加熱、化学発熱等から直接熱を印加することによって溶融することができる。この方法は、サンプルの希釈が小さくなるという利点を有するが、実際には、サンプルを十分速く溶融するのは困難であることが確認されている。
サンプルが溶解すると直ぐに、ＮＭＲ測定を行う。例えば、単純パルス取得実験は、関連の化学種のＮＭＲ周波数のＲＦパルスを与え、バルク磁化を傾けて横断面にし、次に、その自由誘導減衰（ＦＩＤ）を測定する段階を含む。一般的に、送信及び受信に同じアンテナを用いるが、当業者に公知の多くの他の任意選択肢と同様に別々のアンテナも可能である。従来技術から公知のようなＲＦパルスを与えてＮＭＲ信号を取得するためのＲＦ電子技術が必要であるが、図には示していない。ＦＩＤは、次にコンピュータを用いてフーリエ変換され、スペクトルの各ピークが試験中の化合物の異なる化学シフト及び構造的結合に対応するスペクトルを得ることができる。スペクトルを解釈し、分子構造に関する情報を明らかにすることができる。しかし、ＤＮＰ−ＮＭＲスペクトルは、従来のＮＭＲに比較して測定の非平衡性質に伴う特徴を含むことになり、新しい解釈技術が必要であることに注意すべきである。例えば、過分極の減衰率（Ｔ１）は、核の化学環境に依存し、従って、様々なスペクトル線の相対振幅は、溶解、サンプル移送、及びその後の測定が行われる速度に依存することになる。この影響により、本発明により提供されるような再現可能な測定を行う装置の必要性が強調される。これらの違いにも関わらず、ＤＮＰ−ＮＭＲデータは、化学構造を確認及び解明するのに大きな価値がある。多くの環境下で、この情報は、以下に説明するように、従来のＮＭＲでは同じ時間枠で同じサンプルからは収集することができなかったものである。

ＮＭＲを測定した後、サンプル担体アセンブリ５は、磁石内腔から完全に引込められてサンプル調製領域９に入れられ、サンプル担体ロッド８からサンプル容器７を外し、新しいサンプルを調製するのに廃棄又は洗浄のいずれかを行う。次に、この処理を繰り返す。
ＤＮＰ−ＮＭＲ計器の設計者は、サンプル処理量のようないくつかの他の因子に対してＳＮＲの増大の要件と、計器の費用／複雑さ等との均衡をとる必要がある。増大したＳＮＲは、以下のようないくつかの方法で用いることができる。
・従来のＮＭＲに比較してサンプルの最小必要量を低減する、
・総測定時間を低減する、
・低濃度サンプルの測定を可能にする（例えば、体液中の微量物質を研究する）、及び
・以上の組合せ。

例えば、従来の「１４Ｔ」ＮＭＲ磁石は、数百マイクログラムの小さな分子有機サンプルから時間の桁の時間尺度（例えば、凍結プローブに適合する現代システムに対する１５〜３０分から、古い電子機器のシステムに対する数時間まで）で¹³Ｃスペクトルを収集することができる。同じサンプルから¹⁵Ｎスペクトルを収集するには、自然存在比の窒素の感受性が本質的に低いために（陽子よりも５６８０倍小さい炭素よりも約４４倍小さい）、同じハードウエアで数日又は数週間必要とすることになる。この理由で、炭素スペクトルは、まれにしか得られず、窒素スペクトルは、ほぼ得られることはない。測定時間は、非整数スピン核が自然存在比（炭素が〜１％、窒素が〜０．３７％）よりも高い割合になるようにサンプルを冨化させることによって低減することができるが、これは非常に高価であり、殆ど行われない。市販のＤＮＰ−ＮＭＲハードウエアでは、遥かに少量のサンプル（１０〜１００倍少ない）から同様の品質の¹³Ｃスペクトルを数分以内に、¹⁵Ｎスペクトルを数時間以内に得ることができることが必要である。

性能を予測するために、理論及び実験観察に基づいて、ＤＮＰ−ＮＭＲ処理の数学的モデルを開発することができる。このモデルは、実際に達成される大体のＳＮＲを予測する。これは、分極時間、分極温度、与えたマイクロ波出力、サンプル移動遅延、サンプル特性などを含む多くの因子に関連する。設計を最適にするには、これらの因子及びその相互作用を良く理解することが必要である。従来のＮＭＲシステムでは、サンプルの磁化は、室温平衡にある（磁化は、一般的にバルク分極に用いられる用語）。弱い熱磁化は、ＮＭＲ測定によって破壊される。しかし、熱分極は、各パルス取得測定後急速に（数秒以内に）回復し、従って、従来のＮＭＲでは、多数の連続測定の平均化が日常的に用いられる。平均するとＳＮＲが増大し、これは、平均の数の二乗根に比例して大きくなる（信号は測定間で相関するが、ノイズはそうでないため）。

これと対照的に、ＤＮＰ−ＮＭＲ実験の総測定時間は、過分極期間の持続時間に依存し、これは、従来技術では、一般的に数十分と数十時間の間である。これは、信号平均は、実用的には用いることができず、ＮＭＲデータは、単一パルスシーケンス（又は「単発」実験）で取得する必要があることを意味する。従って、過分極のレベルは、単発ＳＮＲが、同じサンプルを従来のＮＭＲシステムに入れ、総ＤＮＰ測定時間と同じ持続時間にわたって信号平均することによって達成された時間平均ＳＮＲよりも依然として有意に高くなるほど十分大きくすべきである。

従来技術では、分極は、約１．２Ｋで行い、サンプルの過分極を最大にする。これは、開発システムに、及び特にこの用途がインビボＤＮＰ−ＭＲＩの時に有用である（過分極液体を生きているヒト又は動物に注入し、それを次に従来のＭＲＩ磁石で撮像し、信号コントラストを提供する。この用途では、最大分極では、可能な撮像時間が最も長くなることになる）。本発明では、小さなサンプルをインビトロで測定することになっている場合には、最終スペクトルで最小の単発ＳＮＲが必要である。これは、一般的に、スペクトルの最小ピーク（すなわち、最も希少な結合）に対して約５：１である。いずれかの「過剰な」ＳＮＲを他の因子に対してトレードオフし、システムを最適にすることができる。例えば、サンプルを短時間分極させ、次のサンプルの処理量を加速することが可能なこともある。
上述の実施形態の全てで、サンプルは、４．２Ｋで分極することができる。これは、従来技術で用いられる分極温度よりも温かい。

従来技術で明示的に説明されていない好ましいトレードオフは、〜１Ｋから約４．２Ｋまで分極温度を上昇させることである。いずれかの所定の間隔後に達成される絶対分極の比率は、以下のように飽和分極（Ｐ_sat）及び蓄積時間定数（τ）の温度（Ｔ）に対する正確な依存関係に依存することになる。
Ｐ_sat∝１／Ｔ^a と τ∝１／Ｔ^b
ｂ＞ａであれば、高温での正味の分極は、初期には低温での分極に優ることになるが、総分極時間が十分に長ければ、最終的には低温実験により常に追い越されることになる。これは、図９に示している。素朴な理論からは、ａ〜１及びｂ〜２であり（τがＴ１に比例すると考えられるため）、従って、ｂ＞ａと考えられる。上述のように、分極時間を短く維持することが望ましい（例えば、＜１５分）。この短時間の後、図５に示すように、４．２Ｋでの分極（１００）は、恐らく実質的に１．２Ｋでの分極１０１よりも大きいと考えられるが、いずれも飽和レベル（４．２Ｋ、１０２）ではない。過分極が、特定のサンプルを測定するのに十分なＳＮＲが得られるレベルまで増大すれば（その後はそれ以上長く分極する意味は殆どない）、低温で作動させるよりも４．２Ｋで作動させる付加的な利点がある。この理論的結果が実際に支持されるか否かは、依然として確かめる必要がある。４．２Ｋ及び１．２Ｋでの過分極の比率を時間の関数として測定する実験では、係数ａ及びｂの値を明らかにすべきである。

まとめると、上述の本発明の例は、従来技術のＤＮＰ−ＮＭＲハードウエアを以下の点で改良している。
１）領域間を迅速に移動させる時に凍結サンプルが有意に脱分極しないように十分に近くに間隔を空けて配置されて最小磁場の値＞０．１Ｔとした、ＤＮＰ及びＮＭＲ処理に適切な大きさ及び磁束密度の均一な磁場領域を生じさせるために非常に近くに位置決めすることができる一対のきつく能動的に遮蔽された磁石。
２）溶解する前にサンプルを分極低温槽から磁石システム内腔内の室温領域に移動させるが、依然として強力な磁場領域に配置させることによって極低温効率の実質的な改善が達成される。
３）低温ではなく４．２Ｋでサンプルを分極させるという可能な利点がある。それによって低温凍結機に対する要件を排除し、高度サンプル処理量を得るのに好ましい短い分極時間で達成される過分極を増大させる可能性がある。

上述の例では、２つの別々の磁石アセンブリを用いてＤＮＰ及びＮＭＲ作業域をそれぞれ生成した。また、単一の磁石アセンブリを用いて、アセンブリの外囲器内に２つ又はそれよりも多い作業容積を生成することも可能である。本発明者の特許出願ＷＯ０４／０２９６４５は、１つの中心均一区域及び内腔の端部の外側に２つの区域を備えた磁石アセンブリを設計する方法を提供している。以下の表１に、内腔に５つの鞍点を有する例を示す。

（表１）

図１０は、磁石内の内腔に沿う磁場を示す（ｚ＝０〜ｚ＝３０ｃｍ）。
この設計により、小さな容積にわたって必要な均一性がもたらされ、すなわち、中心領域は、サンプルにＮＭＲを実施するのに非常に均一である。２つの外側ＤＳＶ又は作業容積は小さいが（ｚ〜１７ｃｍで−２．６Ｔ、及びｚ〜２４ｃｍで−２．９Ｔ）、分極に用いることができる。

複合ＤＮＰ−ＮＭＲ分極、溶解、及びＮＭＲ測定装置の第１の例を示す断面図である。 複合ＤＮＰ−ＮＭＲ分極、溶解、及びＮＭＲ測定装置の第２の例を示す断面図である。 複合ＤＮＰ−ＮＭＲ分極、溶解、及びＮＭＲ測定装置の第３の例を示す断面図である。 複合ＤＮＰ−ＮＭＲ分極、溶解、及びＮＭＲ測定装置の第４の例を示す断面図である。 全体的な寸法をミリメートルで示す典型的なＤＮＰ−ＮＭＲ磁石配列の図である。 図１の例のＤＮＰ磁石アセンブリ単独で生成される縁辺磁場の等高線図である。 図１の例のＮＭＲ磁石アセンブリ単独で生成される縁辺磁場の等高線図である。 図１の例の複合磁石アセンブリで生成される縁辺磁場の等高線図である。 異なる温度での過分極蓄積曲線を示す図である。 更に別の例の内腔に沿う磁場の変形を示す図である。

符号の説明

１ａ、１ｂ 磁場発生装置
２ 低温槽
３ 内腔
５ サンプル位置決め機構

Claims (17)

1. 低温槽に位置して内腔を取り囲み、それぞれのＮＭＲ及びＤＮＰ作業域を形成する磁場発生装置と、該ＤＮＰ作業域内の適切に調製されたサンプルにＤＮＰを行うためのシステムと、該ＮＭＲ作業域内のサンプルにＮＭＲ処理を行うためのシステムと、該内腔に挿入して、次に、サンプルを該作業域の各々の中にもたらすことができるサンプル位置決め機構とを含む、サンプルにインビトロＤＮＰ−ＮＭＲ測定を行うための装置であって、
   前記磁場発生装置が、対応するＮＭＲ及びＤＮＰ作業域を同軸内腔に形成するために低温槽に位置してそれぞれの該内腔を取り囲む第１および第２の磁石アセンブリを含み、
   前記ＮＭＲ作業域に係る前記内腔を取り囲む前記第１の磁石アッセンブリは、前記内腔の周りに配置された内側コイル、および内側コイルと同軸に配置され、軸線方向遮蔽を達成する端部遮蔽コイルを含み、
   前記ＤＮＰ作業域に係る前記内腔を取り囲む前記第２の磁石アッセンブリは、前記内腔の周りに配置された主コイル、および軸線方向遮蔽を達成する端部遮蔽コイルを含み、
   これによって、前記磁石アセンブリは、前記ＤＮＰ作業域内の磁場が、サンプルにＤＮＰを行うのに適する均一性又はプロフィールを有し、前記ＮＭＲ作業域内の磁場が、該サンプルにＮＭＲ処理を行うのに適する均一性又はプロフィールを有するように適切に遮蔽されている、
   ことを特徴とする装置。
2. 各磁石アセンブリは、能動的又は受動的のいずれかで遮蔽されていることを特徴とする請求項１に記載の装置。
3. 磁石アセンブリの一方又は両方は、端部遮蔽コイルを有することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の装置。
4. 前記ＤＮＰ作業域に冷却剤を更に含むことを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の装置。
5. 前記冷却剤は、液体ヘリウムを含むことを特徴とする請求項４に記載の装置。
6. 前記ＤＮＰ作業域は、前記低温槽の冷却剤含有容器と冷却剤連通するように連結されていることを特徴とする請求項４又は請求項５に記載の装置。
7. 前記冷却剤含有容器と前記ＤＮＰ作業域の間の冷却剤の流れを制御するためのバルブを更に含むことを特徴とする請求項６に記載の装置。
8. 前記ＤＮＰ作業域は、前記磁場発生装置の前記内腔内に位置した付加的な低温槽内に形成されていることを特徴とする請求項４から請求項７のいずれか１項に記載の装置。
9. 前記付加的な低温槽に位置するラムダ点凍結機を更に含むことを特徴とする請求項８に記載の装置。
10. 前記ＮＭＲ作業域は、実質的に室温の内腔に位置していることを特徴とする請求項１から請求項９のいずれか１項に記載の装置。
11. 前記磁場発生装置は、前記ＤＮＰ作業域に４Ｔまでの磁場を発生させることを特徴とする請求項１から請求項１０のいずれか１項に記載の装置。
12. 前記磁場発生装置は、前記ＤＮＰ作業域に３．５Ｔまでの磁場を発生させることを特徴とする請求項１１に記載の装置。
13. 前記磁場発生装置は、前記ＮＭＲ作業域に５Ｔを超える磁場を発生させることを特徴とする請求項１から請求項１２のいずれか１項に記載の装置。
14. 前記磁場発生装置は、前記ＮＭＲ作業域に７〜１０Ｔの磁場を発生させることを特徴とする請求項１３に記載の装置。
15. 前記作業域の中心は、１ｍ未満離間していることを特徴とする請求項１から請求項１４のいずれか１項に記載の装置。
16. 前記作業域の中心は、０．５ｍだけ離間していることを特徴とする請求項１５に記載の装置。
17. 請求項１から請求項１６のいずれか１項に記載の装置を用いてインビトロＤＮＰ−ＮＭＲ実験を行う方法であって、
    ＤＮＰ処理のためのサンプルを調製する段階と、
    サンプル位置決め機構を用いて前記サンプルをＤＮＰ作業域に挿入する段階と、
    前記サンプルにＤＮＰを行う段階と、
    前記サンプル位置決め機構を用いて該サンプルをＮＭＲ作業域に迅速に移送する段階と、
    前記サンプルを溶媒に溶解するか又は該サンプルを溶融して、該サンプルにＮＭＲ測定を行う段階と、
    を含むことを特徴とする方法。

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