JP4408296B2 - Ｎｍｒ装置 - Google Patents

Description

本発明は核磁気共鳴分光装置（ＮＭＲ装置）の試料温度管理に関するものである。

近年、ＮＭＲ装置の高感度化への研究・開発が盛んに行われている。これは、ＮＭＲ装置が高感度であると、複雑な分子構造の解明が可能となるためである。このため、創薬やタンパク質などの基礎、応用研究のために高感度ＮＭＲ装置が広く用いられている。ＮＭＲ信号を取得するためには、まず、外部磁場発生用超電導磁石により試料の核スピンを外部磁場方向に揃え、検出コイルにより試料へ外部磁場と垂直方向にパルス高周波磁場を照射する。そして、高周波磁場により核スピンが外部磁場と垂直方向に倒され、高周波磁場が切れた後に、外部磁場方向への緩和現象が起こる。この緩和現象を観測し、受信信号をフーリエ変換することにより核磁気共鳴周波数を中心とするＮＭＲスペクトルを取得することができる。

ＮＭＲスペクトルを取得する試料は、試料領域全体で温度勾配が０．１℃／ｃｍ程度となっている必要がある。これは、核磁気共鳴周波数には試料固有の温度係数があるために、試料領域内に温度勾配があると、位置により共鳴周波数が変化するからである。この結果、ＮＭＲスペクトルの線幅が拡がり、Ｓ／Ｎの悪化、すなわち感度低下を招くことになる。また、試料領域のまわりの構造体に渦電流が流れると、傾斜磁場を打ち消してしまい、傾斜磁場印加の効果を消失させる。さらに磁化率の大きな材料が設置されていると、試料領域に不正磁場を発生する。このような不正磁場の発生により、スペクトルの線幅が広がり、感度低下が生じる。

特開２００４−２１２３５４号公報 阿久津秀雄、嶋田一夫、鈴木栄一郎、西村善文 編「ＮＭＲ分光法」学会出版センター ２００３年

ＮＭＲスペクトルを取得する試料は、試料領域全体で温度勾配が０．１℃／ｃｍとなっている必要がある。しかし、不整磁場が大きくなり室温シムコイルの出力が大きくなった場合に、輻射と対流により試料管の温調ガスに温度勾配が発生する。この結果、試料管と温調ガスとの熱交換により試料領域に温度勾配が発生し、ＮＭＲスペクトル線幅が広がり、感度低下を招く。特許文献１のように、試料管をヒータで加温することにより温度勾配を抑制することができるが、この場合は、回転している試料管に電力を供給する構造が必要となり、構造がやや複雑となることや、試料管に設置したヒータが不整磁場の発生源となる恐れがある。

傾斜磁場を印加してＮＭＲ計測を実施する場合、室温シムコイル構成物に金属を用いると、傾斜磁場印加時に渦電流が流れ、傾斜磁場を打ち消し、傾斜磁場印加の効果を消失させる。さらに、室温シムコイル構成物の磁化により不正磁場を発生し、感度が低下する問題がある。

本発明の目的は、上記従来技術の問題点を克服し、磁場均一度の低下を抑制しながら、試料領域に温度勾配を発生させない構造のＮＭＲ装置を提供することにある。

上記課題を解決するために、外部磁場発生用超電導磁石と、前記外部磁場発生用超電導磁石の中心軸に対し垂直方向に設置された垂直管と、前記外部磁場発生用超電導磁石の中心軸に対し水平方向に設置された水平管と、前記垂直管に配置される試料管と、前記試料管からの核磁気共鳴信号を検出するため前記水平管内に設置されるＮＭＲプローブを備えるＮＭＲ装置において、磁場調整のために室温中で磁場を印加できる前記水平管内に設置される室温シムコイルと、前記垂直管内に設置される試料領域を温度調整するための温調ガスと、前記室温シムコイルに設けて前記室温シムコイルを温度調整するための熱伝導体と、を設けることを特徴とする。

また、熱伝導体材料として窒化アルミのなどの高熱伝導率絶縁体と金属を組み合わせたものを用いる。熱伝導体の金属部分は矩形状とする。

本発明の作用によれば、前記室温シムコイルに熱伝導率の高い熱伝導体を設置するので、室温シムコイルを温度調整可能とする。さらに試料管下方から室温シムコイル設定温度の±５℃以内に調節された温調ガスを流すことにより、試料領域における温度勾配の発生を抑える。

熱伝導率の高い金属を熱伝導体として用いると、傾斜磁場印加時に渦電流が流れ、傾斜磁場を打ち消してしまう。このため、熱伝導体材料として窒化アルミのなどの高熱伝導率絶縁体と金属を組み合わせたものを用いる。熱伝導体の金属部分は矩形状とし、円周方向に連続とならない構造として渦電流が流れることを抑制する。また、熱伝導体材料と反対符号の磁化率をもつ材料と組み合わせ、全体として磁化率ゼロとなるようにすれば、材料の磁化による不正磁場の発生を抑制することができる。

本発明によれば、磁場均一度の低下を抑制しながら、試料領域に温度勾配を発生させないように温度分布を均一化することができるので、ＮＭＲスペクトルが先鋭化し、ＳＮ感度が向上する。

以下本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。図１は本発明を適用するＮＭＲ装置の概略図を示す。外部磁場発生用超電導磁石１はスプリット型で、ＮＭＲ信号を得るために試料に対して静磁場を印加するための磁石である。静磁場の大きさは、核磁気共鳴周波数が３００ＭＨｚのときは７Ｔ、６００ＭＨｚのときは１４Ｔである。この外部磁場発生用電導磁石１は、断熱真空容器２に内包された液体ヘリウム槽３に設置され、４．２Ｋに冷却される。

断熱真空容器２には、温度が常温の外部磁場発生用超電導磁石１の中心軸と水平に設置された円筒状の水平管４と、中心軸と垂直に設置された円筒状の垂直管５からなる十字ボアと呼ばれる空間がある。この十字ボア水平管４内にＮＭＲ信号を検出するためのＮＭＲプローブ６が設置される。ＮＭＲプローブ６外側の十字ボア内に室温シムコイル１０が取り付けられる。

図２はＮＭＲ装置の十字ボア近傍の構成図を示す。ＮＭＲプローブ６先端部には試料管７を設置するための円筒状の貫通部がある。この貫通部の外側に検出コイル用ボビンが設置されており、検出コイル８が取り付けられる。検出された信号は、図２には示していない同調・整合回路を通過して断熱真空容器外の分光器へ送信される。

試料管７下方の垂直管５からは、試料領域を温度調整するための温調ガス９が流される。温調ガス９としては、試料領域に水滴が付着すると、ＮＭＲスペクトルに影響を与えるため乾燥窒素ガスや乾燥空気を用いることが好ましい。

図２には示していないが、ＮＭＲプローブ６の試料管貫通部上方の垂直管５内に、不整磁場を打ち消すための試料回転機構が設置されている。試料回転機構とは、試料管にロータを取り付け、このロータにガスを吹き付けることにより、試料管を回転させる機構である。

水平管４内にＮＭＲプローブ６と同心円状に室温シムコイル１０が設けてある。室温シムコイル１０は、軸対称の磁場を発生する軸対称磁場発生用コイル１１と、軸対称磁場発生用コイルボビン１２と、非軸対称の磁場を発生する非軸対称磁場発生用コイル１３から形成され、ＮＭＲプローブ６の外側に設置される。本実施例では、このコイルボビン１２を熱伝導体で形成している。

傾斜磁場を印加するための傾斜磁場コイル１４はＮＭＲプローブ６の筐体の内側に設置される。この傾斜磁場コイル１４は、水平管４と同軸としているが、垂直管と同軸であってもよく、用途に合わせた形状、配置としてよい。

室温シムコイル１０の軸対称磁場発生用コイル１１の線材は、円筒状のコイルボビン１２に巻きつけられている。コイルボビンは、室温シムコイル１０の温調を実施するために高熱伝導率材料から製作する必要がある。このことから、金属材料を用いてコイルボビンを製作することが考えられるが、円筒状の金属材料を用いると傾斜磁場印加時に渦電流が発生し、傾斜磁場の効果を消失させる。このため、軸対称磁場発生用コイルボビン１２の材料として、熱伝導率が大きく、電気抵抗の大きな絶縁体材料が適しており、例えば窒化アルミなどが用いられる。絶縁体から製作されたボビン単独での一様な温調は困難であるため、熱伝導率の大きな銅やアルミなどの金属を温調補助部品とする。

図３にコイルボビンを兼ねる熱伝導体の展開図を示す。渦電流を抑制するために熱伝導体１２は、高熱伝導率絶縁体１９上に高熱伝導率金属２０の材料を矩形状に設け、円周方向に連続とならない断続構造とする。コイルボビン１２の絶縁体１９と熱伝導率金属２０との熱接触は、室温シムコイル１０の含浸を兼ねてエポキシ樹脂により接着する。このような絶縁体のコイルボビンと矩形状の金属材料を組み合わせた熱伝導体１２により、室温シムコイル１０の温度を一様にすることができる。

図４に温度分布の模式図を示す。図４（a）に示す従来方式では、所望の試料温度に温調したガスを試料管下部から流すと、温調ガスの温度は輻射と対流により室温シムコイル１０温度に漸近し、この結果、試料領域の温度分布に０．１℃／ｃｍ以上の勾配が発生し、スペクトル線幅が広がる。

一方、本図４（ｂ）に示す本実施例の方式では、室温シムコイル１０の温調を実施し、これとほぼ同じ温度に温調されたガスを流すことにより、温調ガスに温度勾配がつかず、この結果、試料領域の温度勾配の発生を抑制することができる。

図２に示すように、熱伝導体１２は渦電流が流れても試料空間に影響を与えない位置まで延びており、端部でロウ付けや半田付けなどにより、熱伝導体１２の金属製温調補助部品２０と熱交換器１５との熱接触をとる。熱交換器１５は、銅やアルミなどの高熱伝導率金属から製作された円筒状の部品であり、ロウ付けや半田付けにより熱交換器配管部分１６と熱接触をとる。熱交換器配管部分１６と熱交換器１５との熱交換の高効率化を図るために、熱交換器配管部分１６をなるべく長く配管する。

熱伝導体１２の温調は、試料温度を氷点下とするために、温度調節された循環不凍液を用いる。温調された循環不凍液の流れる管の熱交換器１５との接触部分である熱交換器配管部分１６は熱伝導率が大きな銅管が適している。不凍液の温調と循環のために、ポンプを備えた温度制御装置１８を用いる。

温度制御装置１８としては、例えば、恒温水循環装置を用いればよい。温度制御装置１８で温度調節された循環不凍液は、断熱真空容器外の配管から熱交換器配管部分１６に導入され、熱交換後に温度制御装置１８に戻る。循環不凍液としては、不整磁場発生を抑制するために非磁性の不凍液を用いることがよい。このときの温度調整範囲は−３０℃〜８０℃にすることができる。温度調整装置１８と熱交換器配管部分１６との間の循環不凍液用配管１７としては、ビニールホースやテフロン（登録商標）のホースを用いればよい。ステンレス等の非磁性金属を用いてもよいが、外部磁場発生用超電導磁石１の漏洩磁場により材料が磁化し、磁気力を受けることにより循環不凍液のリークが発生する可能性もあるので金属の使用はなるべく避けたほうがよい。

非軸対称磁場発生用コイル１３は、発生させたい磁場のモードにもよるが、例えば、エッチングにより製作した銅プリント基板シートなどを熱伝導体１２内周に貼り付ければよい。

温調ガスの温度調整は、図２に示していない温調ガス用温度制御装置により温調ガス用不凍液を循環させ、垂直管５より下方の断熱真空容器２の外部に設置された温調ガス用熱交換器においてガスと熱交換することにより行う。温調ガス用温度制御装置は、温度制御装置１８と独立であってもよいし、同一であってもよい。同一であればさらに高い精度で室温シムコイル１０の温度と温調ガス９の温度とを近づけることができ、温度勾配を抑制できる。

温調方法としては、試料管７の温度と、室温シムコイル１０の温度を計測して、ＰＩＤ制御によるフィードバックをかける方法が適していると考えられるが、試料領域近傍に温度計を設置することは、磁場均一度を乱すという観点からあまり好ましくない。本実施例では、室温シムコイル１０の温度制御装置設定温度Ｔ１と温調ガス９の温度制御装置設定温度Ｔ２とが｜Ｔ１−Ｔ２｜＜５℃の関係であれば、ＮＭＲスペクトルに影響を与えないという、予め実施した調査の結果に基づき、常にＴ１、Ｔ２を一定とする。

室温シムコイル１０のコイルボビン１２、特に金属の温調補助部品２０の磁化により、試料空間に不整磁場を発生し、ＳＮ感度を悪化させる場合がある。これを防ぐために、熱伝導体１２を形成する絶縁体１９や高熱伝導率金属２０の温調補助部品の作る磁化を打ち消すように反対符号の磁化率をもつ材料を組み合わせる。コイルボビン材料として窒化アルミ、温調補助部品２０として銅を用いると反磁性となるため、常磁性体のシートを熱伝導体１２としての磁化率が銅の１０％以下となるように熱伝導体１２に貼り付ける。常磁性体としては、高純度アルミ、アルミ合金、チタン、タンタル、タングステン、ニオブなどがある。

このような複合体の材料の磁化率を高感度で測定できる超伝導量子干渉素子磁束計で測定し、得られた磁化率により断面積比を決定することが好ましい。さらに、複合体断片部分を超伝導量子干渉素子磁束計で測定し、銅の磁化率の１０％以下になっていることを確認すれば、試料領域における不整磁場の発生は、ほぼ完全に抑制できると考えられる。なお、窒化アルミや常磁性体はなるべく高純度の材料を用いた方がよい。これは純度が高ければ、窒化アルミや銅は軌道反磁性により、アルミ、タンタルなどはパウリ常磁性により、磁化の磁場依存性が線形となる。これに対して、不純物などが混入していると磁化曲線が直線とならず、キュリー常磁性や飽和磁化を示し、高磁場中での磁化の予測が困難となる。この結果、高磁場中での磁化の打ち消し合いが不可能となる。

常磁性体のシートは、渦電流が流れないように円周方向に連続とならないようにするために、矩形状の金属２０に貼り付ける。図５に一例の断面図を示す。高熱伝導率絶縁体１９上に矩形の高熱伝導率金属２０を貼り付け、さらにその上に常磁性金属２１を貼り付ける。コイルボビンを窒化アルミと銅、常磁性体にタンタルを用いる場合に窒化アルミと銅の体積比が２：１とすると、タンタルの比率を銅に対して0.２程度とすれば銅の磁化率の１０％以下にすることができる。

室温シムコイル１０の磁化が問題になるようであれば、軸対称磁場発生用コイル１１の線材に磁化率ゼロとなるよう製作した銅・アルミ線や銅・タンタル線を用いる。また、非軸対称磁場発生用コイル１３のシートには磁化率を打ち消す材料から製作したシートを貼り付ければよい。

試料管７は通常、熱伝導率があまり大きくないガラス管が使用されるため、温度勾配を発生させやすい。試料領域の温度分布をさらに均一化させるためには、熱の良導体を試料管の材料として用いる方がよい。金属の試料管であると磁場均一度を悪化させるため、試料管の材料としては、例えば、アルミと銅やタンタルと銅からなる磁化率ゼロの材料が適している。銅やアルミは熱の良導体であるため、試料領域の温度分布の均一化を図れる。

以上のように説明した本発明のＮＭＲ装置は、高感度核磁気共鳴分光装置、磁気イメージング装置に利用できる。

ＮＭＲ装置の概略図。 本発明の実施例１によるＮＭＲ装置十字ボア近傍の概略図。 熱伝導体の展開図。 試料領域の温度分布の模式図で、（a）は従来方式、（ｂ）は本発明における試料領域の温度分布。 熱伝導体の断面図。

符号の説明

１…外部磁場発生用超電導磁石、２…断熱真空容器、３…液体ヘリウム槽、４…水平管、５…垂直管、６…ＮＭＲプローブ、７…試料管、８…検出コイル、９…温調ガス、１０…室温シムコイル、１１…軸対称磁場発生用コイル、１２…熱伝導体、１３…非軸対称磁場発生用コイル、１４…傾斜磁場コイル、１５…熱交換器、１６…熱交換器配管部分、１７…循環不凍液用配管、１８…温度制御装置、１９…高熱伝導率絶縁体、２０…高熱伝導率金属、２１…常磁性金属。

Claims (6)

1. 外部磁場発生用超電導磁石と、前記外部磁場発生用超電導磁石の中心軸に対し垂直方向に設置された垂直管と、前記外部磁場発生用超電導磁石の中心軸に対し水平方向に設置された水平管と、前記垂直管に配置される試料管と、前記試料管からの核磁気共鳴信号を検出するために前記水平管内に設置されるＮＭＲプローブを備えるＮＭＲ装置において、
   前記水平管内に設置される室温シムコイルと、
   前記垂直管内に設置される試料領域を温度調整するための温調ガスと、
   前記室温シムコイルを温度調整するための熱伝導体と、
   前記温調ガスの温度の±５°Ｃ以内に、前記熱伝導体を介して前記室温シムコイルの温度を調整する温度制御装置を設け、
   温度制御装置により温度調節された不凍液を循環させ、この不凍液と前記熱伝導体との熱交換により前記室温シムコイルの温度調整を行うことを特徴とするＮＭＲ装置。
2. 請求項１記載のＮＭＲ装置において、
   前記熱伝導体の材料として窒化アルミと金属材料を組み合わせて用いることを特徴とするＮＭＲ装置。
3. 外部磁場発生用超電導磁石と、前記外部磁場発生用超電導磁石の中心軸に対し垂直方向に設置された垂直管と、前記外部磁場発生用超電導磁石の中心軸に対し水平方向に設置された水平管と、前記垂直管に配置される試料管と、前記試料管からの核磁気共鳴信号を検出するために前記水平管内に設置されるＮＭＲプローブを備えるＮＭＲ装置において、
   前記水平管内に設置される室温シムコイルと、
   前記垂直管内に設置される試料領域を温度調整するための温調ガスと、
   前記室温シムコイルを温度調整するための熱伝導体と、
   前記温調ガスの温度の±５°Ｃ以内に、前記熱伝導体を介して前記室温シムコイルの温度を調整する温度制御装置を設け、
   前記熱伝導体の金属部分が円周方向には断続し、連続となっていないことを特徴とするＮＭＲ装置。
4. 外部磁場発生用超電導磁石と、前記外部磁場発生用超電導磁石の中心軸に対し垂直方向に設置された垂直管と、前記外部磁場発生用超電導磁石の中心軸に対し水平方向に設置された水平管と、前記垂直管に配置される試料管と、前記試料管からの核磁気共鳴信号を検出するために前記水平管内に設置されるＮＭＲプローブを備えるＮＭＲ装置において、
   前記水平管内に設置される室温シムコイルと、
   前記垂直管内に設置される試料領域を温度調整するための温調ガスと、
   前記室温シムコイルを温度調整するための熱伝導体と、
   前記温調ガスの温度の±５°Ｃ以内に、前記熱伝導体を介して前記室温シムコイルの温度を調整する温度制御装置を設け、
   前記熱伝導体に、前記熱伝導体のもつ磁化率と反対符号の磁化率をもつ材料を組み合わせ、前記熱伝導体の磁化率が銅磁化率の１０％以下となっていることを特徴とするＮＭＲ装置。
5. 外部磁場発生用超電導磁石と、前記外部磁場発生用超電導磁石の中心軸に対し垂直方向に設置された垂直管と、前記外部磁場発生用超電導磁石の中心軸に対し水平方向に設置された水平管と、前記垂直管に配置される試料管と、前記試料管からの核磁気共鳴信号を検出するために前記水平管内に設置されるＮＭＲプローブを備えるＮＭＲ装置において、
   前記水平管内に設置される室温シムコイルと、
   前記垂直管内に設置される試料領域を温度調整するための温調ガスと、
   前記室温シムコイルを温度調整するための熱伝導体と、
   前記温調ガスの温度の±５°Ｃ以内に、前記熱伝導体を介して前記室温シムコイルの温度を調整する温度制御装置を設け、
   非磁性の不凍液を用いて前記熱伝導体の温度調整を実施することを特徴とするＮＭＲ装置。
6. 請求項１記載のＮＭＲ装置において、
   前記熱伝導体が前記室温シムコイルのボビンとなっていることを特徴とするＮＭＲ装置。

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