JP4933352B2

JP4933352B2 - Ｎｍｒ装置

Info

Publication number: JP4933352B2
Application number: JP2007143280A
Authority: JP
Inventors: 高橋豊; 櫻井智司
Original assignee: Jeol Resonance Inc
Current assignee: Jeol Resonance Inc
Priority date: 2006-07-24
Filing date: 2007-05-30
Publication date: 2012-05-16
Anticipated expiration: 2027-05-30
Also published as: US7463032B2; DE602007010553D1; JP2008051799A; EP1884792B1; US20080150534A1; EP1884792A1

Description

本発明は、ＮＭＲ装置およびＮＭＲ測定方法に関し、特にロック用重水素化溶媒を節約でき、しかも試料交換の都度、分解能調整を行なう必要のないＮＭＲ装置およびＮＭＲ測定方法に関する。

ＮＭＲ装置は、静磁場中に置かれた被測定試料に対し、静磁場と直交する向きの高周波（ＲＦ）磁場を照射し、その後、被測定試料から出る微小な高周波磁場信号（ＮＭＲ信号）を検出し、そのなかに含まれている分子構造の情報を抽出し、被測定試料の分子構造を解析する装置である。

ＮＭＲを測定する際には、ｐｐｍオーダーの化学シフトを検出する必要があるため、測定中に静磁場のドリフトが起こらないように、「ＮＭＲロック」と呼ばれる手法で静磁場のドリフト補正を行なっている。「ＮＭＲロック」は、観測核以外の核、通常は重水素核（²Ｄ）由来のＮＭＲ信号を観測し、静磁場のドリフトによって重水素核由来のＮＭＲ信号位置がずれる量を検出し、静磁場に補正磁場を重畳させるためのシムコイルを流れる電流量にそのずれ分をフィードバックさせ、静磁場のドリフトを補正させる技術である。従って、ＮＭＲ測定では、「ＮＭＲロック」を行なうために、試料中に重水素化合物、通常は重水素化溶媒を添加して測定を行なっている。

また、ＮＭＲ測定では、一般に試料の磁化率に起因する静磁場強度の不均一が原因となって分解能が低下する。そこで、試料交換を行なうたびに、その試料に合わせて静磁場強度の不均一を補正するために、「シム」の微調整を行なっている。

実開昭５７−７５５５８号公報発明協会公開技報２００４−５０２５４７

「ロック」の問題点は、高価な重水素化合物を多量に使わなければならない点にある。この問題を解決するために、Co-axial試料管が考案されている。これは、図１に示すように、試料管内部が外管と内管の２重管構造になっていて、どちらか一方に試料を入れ、他方に重水素化合物を入れて使用するものである。この方法によれば、試料と重水素化合物を混合しなくて済むので、高価な重水素化合物を再利用でき、測定にかかるコストを抑えることができる。ただし、試料交換時には試料管の出し入れを行なわなければならないので、その都度、装置の分解能調整が必要となるという問題点は残されている。

また、ＮＭＲマグネットの上部あるいは側部に複数本のＮＭＲ試料管を置くことができる装置を備え、測定部に連続的に試料管を出し入れして、連続測定を行なうＮＭＲ用オートサンプルチェンジャーを使用した測定も、測定の手間を省く上で有効な方法の一つである。ところが、この方法では、試料交換時に試料管の出し入れを行なわなければならないので、その都度、装置の分解能調整が必要となるという問題点がある。また、「ロック」のために、すべての試料管に対して重水素化合物を加える必要があり、厖大なランニングコストが必要となるという問題点がある。

また、液体クロマトグラフ装置で使用するようなオートサンプラーを用い、連続送液対応のフローＮＭＲプローブを用いる図３のような測定方法もあるが、この方法だと試料管の出し入れが不要なので、装置の分解能調整は最初に１回行なうだけで良いものの、「ロック」や洗浄のため、多量の重水素化溶媒を必要とするという問題点がある。しかも、高価な専用のプローブが必要になる。

本発明の目的は、上述した点に鑑み、ロック用重水素化溶媒を節約でき、しかも試料交換の都度、分解能調整を行なう必要のないＮＭＲ装置およびＮＭＲ測定方法を提供することにある。

この目的を達成するため、本発明にかかるＮＭＲ装置は、
ＮＭＲ測定用の静磁場を発生するマグネットと、
該マグネットの静磁場内に設置され、重水素化溶媒を注入された試料管と、
該試料管の内側に挿入されたマイクロチップと
を備え、該マイクロチップは、
複数の試薬を複数の流路から導入する導入部と、
該導入部と切り離し可能に接続され、該導入部から導入された試薬または反応液を更に別の試薬と混合し反応させる反応部と
から成り、
前記導入部は、
外部から導入された試薬を前記反応部に導入する導入流路と、
前記反応部から排出される反応液を外部に排出する排出流路と
を備え、
前記反応部は、
前記導入流路と連通し、該導入流路から送られてくる複数の試薬を混合し反応させる反応流路と、
該反応流路で生成する反応液を前記導入部に戻すために、該反応流路と前記排出流路とを連通する排出流路と
を備えたことを特徴としている。

また、前記導入部は、耐薬品性樹脂の基板に微小流路を配設したマイクロチップであることを特徴としている。

また、前記導入部には、試薬を導入するための孔と、反応液を排出するための孔とが、同じ側面上にあることを特徴としている。

また、前記反応部は、ガラスまたは石英の基板に微小流路を配設したマイクロチップであることを特徴としている。

本発明のＮＭＲ装置によれば、
ＮＭＲ測定用の静磁場を発生するマグネットと、
該マグネットの静磁場内に設置され、重水素化溶媒を注入された試料管と、
該試料管の内側に挿入されたマイクロチップと
を備え、該マイクロチップは、
複数の試薬を複数の流路から導入する導入部と、
該導入部と切り離し可能に接続され、該導入部から導入された試薬または反応液を更に別の試薬と混合し反応させる反応部と
から成り、
前記導入部は、
外部から導入された試薬を前記反応部に導入する導入流路と、
前記反応部から排出される反応液を外部に排出する排出流路と
を備え、
前記反応部は、
前記導入流路と連通し、該導入流路から送られてくる複数の試薬を混合し反応させる反応流路と、
該反応流路で生成する反応液を前記導入部に戻すために、該反応流路と前記排出流路とを連通する排出流路と
を備えているので、
ロック用重水素化溶媒を節約でき、しかも試料交換の都度、分解能調整を行なう必要のないＮＭＲ装置を提供することができる。

以下、図面を参照して、本発明の実施の形態を説明する。

図４は、本発明に使用するマイクロチップの一実施例である。図中２は、試薬導入・反応部である。試薬導入・反応部２は、接触部４において、接続用治具３を介して延長反応部１と接続される。

延長反応部１は、厚さ１〜５ｍｍのガラス板の両表面にウェットエッチング法やドリル加工法によって微細流路を作製し、表面の流路から裏面の流路に試薬溶液を流すための貫通孔１２を開ける。

流路の幅、深さは５０〜５００μｍである。流路のデザインや加工方法などは、使用目的に応じて変更できる。

その後、２枚のガラス板で流路を作製したガラス板を挟み込み、熱圧着によって接着し、切削加工などによって全体を円柱状に仕上げる。あるいは、最初から半円柱状に加工したガラスに微細流路などを作製しても良い。円柱の直径は２〜１０ｍｍが好ましい。

また、試薬導入・反応部２は、配管接続用のねじ穴加工と流路加工を施す。延長反応部１と試薬導入・反応部２を接続すると、両者の流路位置が合い、試薬溶液を通液することが可能になる。

接続用治具３は、延長反応部１と試薬導入・反応部２を容易に位置合わせできるよう、ガイド付の構造とする。また、接触部４は、液漏れを起こさないよう、表面処理やシール材を併用する。

試薬導入・反応部２には、３つの試薬導入孔５が設けられ、そのうちの２つは、試薬導入・反応部２内に設けられた第１反応部７の直前で交差し、１つの流路となって屈曲流路の第１反応部７を通り、ここで試薬間の１番目の反応が行なわれる。この流路は、延長反応部１内に設けられた第１反応液流路８に連通する。

残りの１つの試薬導入孔５から延びる試薬導入部流路６は、延長反応部１内に設けられた第２反応混合部９で前記第１反応液流路８と交差して１つの流路になり、屈曲流路の第２反応部１０に連通し、ここで試薬間の２番目の反応が行なわれる。

第２反応部１０は、さらに屈曲流路の検出部流路１１に連通し、縦方向に穿設された貫通孔１２を通って延長反応部１の裏側に移行し、反応液排出用流路１３を通って反応液排出孔１４に連通する。

単一試料を測定する場合、２つの試薬導入孔に密栓し、第３の試薬導入孔から試料溶液を導入して使用する。

なお、３つの試薬導入孔５と反応液排出孔１４は、試薬導入・反応部２の同じ側面側に設けられている。

このように、本実施例では、マイクロチップの微細流路が、試薬導入・反応部２と延長反応部１の上面側と下面側の両面に設けられ、流路配置が２層構造となっている点に特徴がある。

マイクロチップの材質は、−７０℃〜＋２００℃の温度範囲で使用できることが望ましい。試薬導入・反応部２の材質は、成形加工による量産を考えて、ポリエーテル・エーテル・ケトン樹脂（ＰＥＥＫ）やテフロン（登録商標）、ダイフロンなどの耐薬品性樹脂、延長反応部１の材質は、ガラスや石英が望ましい。

粘度の高い試薬を使用する場合、試薬導入・反応部２内部の流路が特に目詰まりを起こしやすいため、この部分を延長反応部１の外付けにして交換可能とすることで、装置使用の際のランニングコストを低減させる効果が期待できる。

図５は、本発明に使用するマイクロチップの別の実施例である。図中２２は、試薬導入部である。試薬導入部２２は、接触部２４において、接続用治具２３を介して試薬反応部２１と接続される。

試薬反応部２１は、厚さ１〜５ｍｍのガラス板の両表面にウェットエッチング法やドリル加工法によって微細流路を作製し、表面の流路から裏面の流路に試薬溶液を流すための貫通孔３３を開ける。

流路の幅、深さは５０〜５００μmである。流路のデザインや加工方法などは、使用目的に応じて変更できる。

また、試薬導入部２２は、配管接続用のねじ穴加工と流路加工を施す。試薬反応部２１と試薬導入部２２を接続すると、両者の流路位置が合い、試薬溶液を通液することが可能になる。

接続用治具２３は、試薬反応部２１と試薬導入部２２を容易に位置合わせできるよう、ガイド付の構造とする。また、接触部２４は、液漏れを起こさないよう、表面処理やシール材を併用する。

試薬導入部２２には、３つの試薬導入孔２５が設けられ、試薬反応部２１内に設けられた３本の反応液流路８に連通する。

そのうちの２本は、第１反応混合部２８で交差し、１つの流路となって屈曲流路の第１反応部２９に連通し、ここで試薬間の１番目の反応が行なわれる。その後、第２反応混合部３０においてもう１本の反応液流路２７と交差し、１つの流路となって屈曲流路の第２反応部３１に連通し、ここで試薬間の２番目の反応が行なわれる。

第２反応部３１は、さらに屈曲流路の検出部流路３２に連通し、縦方向に穿設された貫通孔３３を通って試薬反応部２１の裏側に移行し、反応液排出用流路３４を通って反応液排出孔３５に連通する。

なお、３つの試薬導入孔２５と反応液排出孔３５は、試薬導入部２２の同じ側面側に設けられている。

このように、本実施例では、マイクロチップの微細流路が、試薬導入部２２と試薬反応部２１の上面側と下面側の両面に設けられ、流路配置が２層構造となっている点に特徴がある。

マイクロチップの材質は、−７０℃〜＋２００℃の温度範囲で使用できることが望ましい。試薬導入部２２の材質は、成形加工による量産を考えて、ＰＥＥＫやテフロン（登録商標）、ダイフロンなどの耐薬品性樹脂、試薬反応部２１の材質は、ガラスや石英が望ましい。

粘度の高い試薬を使用する場合、試薬導入部２２内部の流路が特に目詰まりを起こしやすいため、この部分を試薬反応部２１の外付けにして交換可能とすることで、装置使用の際のランニングコストを低減させる効果が期待できる。

図６は、本発明に使用するマイクロチップの別の実施例である。図中５２は、試薬導入部である。試薬導入部５２は、接触部５４において、接続用治具５３を介して試薬反応部５１と接続される。接続にはネジ５５が用いられる。

試薬反応部５１は、厚さ１〜５ｍｍのガラス板の両表面にウェットエッチング法やドリル加工法によって微細流路を作製し、表面の流路から裏面の流路に試薬溶液を流すための貫通孔６４を開ける。

その後、２枚のガラス板で流路を作製したガラス板を挟み込み、熱圧着によって接着し、細長く且つ片方の端部をＴ字型に切断する。試薬反応部５１の端部をＴ字型に加工するのは、接続用治具５３でＴ字部分を試薬導入部５２に圧着させて接続させるためである。また、試薬反応部５１と試薬導入部５２とを接続する際、両者の向きを間違えないよう、試薬反応部５１端部のＴ字加工は、左右非対称の構造としている。また、接続用治具５３に、その非対称部分を認識する構造（非対称の嵌め合い部）を設けている。

また、試薬導入部５２には、配管接続用のネジ穴加工と流路加工を施す。試薬反応部５１と試薬導入部５２を接続すると、両者の流路位置が合い、試薬溶液を通液することが可能になる。

接触部５４は、液漏れを起こさないよう、表面処理やシール材を併用する。

試薬導入部５２には、３つの試薬導入孔５６が設けられ、３本の試薬導入部流路５７を介して、試薬反応部５１内に設けられた３本の反応液流路５８に連通する。

そのうちの２本は、第１反応混合部５９で交差し、１つの流路となって屈曲流路の第１反応部６０に連通し、ここで試薬間の１番目の反応が行なわれる。その後、第２反応混合部６１においてもう１本の反応液流路と交差し、１つの流路となって屈曲流路の第２反応部６２に連通し、ここで試薬間の２番目の反応が行なわれる。

第２反応部６２は、さらに屈曲流路の検出部流路６３に連通し、縦方向に穿設された貫通孔６４を通って試薬反応部６２の裏側に移行し、反応液排出用流路６５を通って反応液排出孔６６に連通する。

なお、３つの試薬導入孔５６と反応液排出孔６６は、試薬導入部５２の同じ側面側に設けられている。

このように、本実施例では、マイクロチップの微細流路が、試薬導入部５２と試薬反応部５１の上面側と下面側の両面に設けられ、流路配置が２層構造となっている点に特徴がある。

マイクロチップの材質は、−７０℃〜＋２００℃の温度範囲で使用できることが望ましい。試薬導入部５２の材質は、成形加工による量産を考えて、ＰＥＥＫやテフロン（登録商標）、ダイフロンなどの耐薬品性樹脂、試薬反応部５１の材質は、ガラスや石英が望ましい。

粘度の高い試薬を使用する場合、試薬導入部５２内部の流路が特に目詰まりを起こしやすいため、この部分を試薬反応部５１の外付けにして交換可能とすることで、装置使用の際のランニングコストを低減させる効果が期待できる。

このようなマイクロチップ（反応装置）をＮＭＲ装置に実装した一実施例を示したのが図７である。マイクロチップ１００はマグネットの縦穴軸（Ｚ軸）に沿って挿入され、ＸＹ方向に回転しないよう、ＸＹ軸固定ガイド１０１により固定されている。これにより分解能調整が容易になる。

マイクロチップ１００の検出部はＮＭＲ試料管１０２内に挿入されている。ＮＭＲ試料管１０２の内壁とマイクロチップ１００の外壁の隙間には、ＮＭＲロック用の重水素化溶媒１０３が注入されている。試料溶液１０４はマイクロチップの流路内を流れ、重水素化溶媒１０３はマイクロチップの外側に置かれているので、試料溶液１０４と重水素化溶媒１０３は混じり合うことがない。このため、測定の進行につれて重水素化溶媒１０３を追加したり交換したりする必要がなく、重水素化溶媒１０３の節約になる。また、試料溶液１０４とは別に重水素化溶媒１０３が用意されているので、試料を重水素化溶媒に溶かす必要もない。このため、試料は通常の溶媒に溶かしたもので良く、コストが大幅に抑えられる。

マイクロチップ１００には、２本以上のキャピラリーチューブ１０５が接続されている。キャピラリーチューブ１０５の先端に、ピペットチップやシリンジ針にフィットする治具を取り付け、ピペッターやシリンジから試料溶液１０４をマグネット内のマイクロチップ１００に注入し、ＮＭＲスペクトルを測定する。図の例はシリンジを用いた場合である。ＮＭＲの測定は、試料溶液１０４の流れが止まった状態で行なわれる。

測定が終了したら、順次同じ方法でシリンジから試料溶液をマイクロチップ１００内に注入すれば、連続した測定が可能になる。マイクロチップ１００をマグネット内に固定した状態で試料交換が可能であるため、最初に１回分解能調整をしておけば、たとえ試料を交換しても、分解能を再調整する必要はない。これは、分解能を左右する磁化率の静磁場への影響がマイクロチップ１００のガラス（または石英）により支配されているため、試料溶液を取り換えても分解能への影響がほとんど出ないためである。また、マイクロチップ１００の流路は微小流路であり、該微小流路内では試料溶液の拡散が抑えられるため、本発明によればスピニングなしで高分解能ＮＭＲスペクトルが得られる。

マイクロチップ１００には、複数の試料溶液を導入できる導入孔と、それにつながる微細流路がある。マイクロチップ１００に注入した試料溶液を回収する場合には、試料溶液を注入した導入孔とは異なる導入孔から洗浄溶媒を注入すれば良い。

図８は、マイクロチップ（反応装置）をＮＭＲ装置に実装した別の実施例を示したものである。このＮＭＲ装置では、試料導入用のシリンジやピペッターの代わりに、高速液体クロマトグラフィー（ＨＰＬＣ）で使用されているオートサンプラー１０６をマイクロチップ１００のキャピラリーチューブ１０５に接続し、自動的かつ連続的に試料をマイクロチップに導入し、ＮＭＲスペクトルの測定を行なう。試料は、オートサンプラー附属のポンプによって、キャピラリーチューブ１０５を介してマイクロチップに導入され、ポンプを停止させて試料溶液の流れをいったん止めた後に、測定が行なわれる。試料を導入しながら、流れを止めずに測定を行なっても良い。測定のタイミングは、オートサンプラー１０６の試料導入のタイミングと連動させることもできる。

図９は、実施例４の変形例を示したものである。本実施例では、実施例４と同様に、シリンジを用いて試料溶液をマイクロチップ（反応装置）１００に導入する。ただし、実施例４とは異なり、試料溶液の流れを止めず、連続的に流しながらＮＭＲスペクトルのフロー測定を行なう。

図１０は、実施例６の変形例を示したものである。本実施例では、実施例６と同様に、シリンジを用いて試料溶液をマイクロチップ（反応装置）１００に導入し、試料溶液の流れを止めず、連続的に流しながらＮＭＲスペクトルのフロー測定を行なう。ただし、実施例６とは異なり、シリンジポンプとマイクロチップとの間にマニュアルインジェクター１０７を配置し、それらをキャピラリーチューブ１０５で接続している。

シリンジポンプからメタノールやクロロホルムなど任意の溶媒を連続的に送液し、溶媒の流れの中に割り込ませるように、試料溶液をマニュアルインジェクター１０７から注入する。マニュアルインジェクター１０７から注入された試料は、セグメントの状態でマイクロチップ１００に導入され、ＮＭＲスペクトルの測定が行なわれる。マニュアルインジェクター１０７から試料が注入されたタイミングをトリガーにして、測定が開始されるようプログラムしても良い。ポンプから送液されている溶媒と試料溶液が不均一な混合状態にあると、分解能が安定しないという問題があるので、マニュアルインジェクター１０７から注入した試料が拡散しないよう系内のチューブ類の内径を細くすることが重要である。

図１１は、実施例５の変形例を示したものである。本実施例では、ＨＰＬＣ用ポンプ１０８とマイクロチップ（反応装置）１００との間にオートサンプラー１０６を配置し、それらをキャピラリーチューブ１０５で接続している。

ＨＰＬＣ用ポンプ１０８からメタノールやクロロホルムなど任意の溶媒を連続的に送液し、溶媒の流れの中に割り込ませるように、試料溶液をオートサンプラー１０６から注入する。オートサンプラー１０６から注入された試料は、セグメントの状態でマイクロチップ１００に導入され、ＮＭＲスペクトルの測定が行なわれる。オートサンプラー１０６から試料が注入されたタイミングをトリガーにして、測定が開始されるようプログラムしても良い。ＨＰＬＣ用ポンプ１０８から送液されている溶媒と試料溶液が不均一な混合状態にあると、分解能が安定しないという問題があるので、オートサンプラー１０６から注入した試料が拡散しないよう系内のチューブ類の内径を細くすることが重要である。

有機合成反応の研究に広く利用できる。

従来のCo-axial 試料管の一例を示す図である。従来のＮＭＲ用オートサンプルチェンジャーの一例を示す図である。従来のフローＮＭＲプローブの一例を示す図である。本発明にかかるマイクロチップの一実施例を示す図である。本発明にかかるマイクロチップの別の実施例を示す図である。本発明にかかるマイクロチップの別の実施例を示す図である。本発明にかかるＮＭＲ装置の一実施例を示す図である。本発明にかかるＮＭＲ装置の別の実施例を示す図である。本発明にかかるＮＭＲ装置の別の実施例を示す図である。本発明にかかるＮＭＲ装置の別の実施例を示す図である。本発明にかかるＮＭＲ装置の別の実施例を示す図である。

符号の説明

１：延長反応部、２：試薬導入・反応部、３：接続用治具、４：接触部、５：試薬導入孔、６：試薬導入部流路、７：第１反応部、８：第１反応液流路、９：第２反応混合部、１０：第２反応部、１１：検出部流路、１２：貫通孔、１３：反応液排出流路、１４：反応液排出孔、２１：試薬反応部、２２：試薬導入部、２３：接続用治具、２４：接触部、２５：試薬導入孔、２６：試薬導入部流路、２７：反応部流路、２８：第１反応混合部、２９：第１反応部、３０：第２反応混合部、３１：第２反応部、３２：検出部流路、３３：貫通孔、３４：反応液排出流路、３５：反応液排出孔、５１：試薬反応部、５２：試薬導入部、５３：接続用治具、５４：接触部、５５：ネジ、５６：試薬導入孔、５７：試薬導入部流路、５８：反応液流路、５９：第１反応混合部、６０：第１反応部、６１：第２反応混合部、６２：第２反応部、６３：検出部流路、６４：貫通孔、６５：反応液排出用流路、６６：反応液排出孔、１００：マイクロチップ（反応装置）、１０１：ＸＹ軸固定ガイド、１０２：ＮＭＲ試料管、１０３：重水素化溶媒、１０４：試料溶液、１０５：キャピラリーチューブ、１０６：オートサンプラー、１０７：マニュアルインジェクター、１０８：ＨＰＬＣ用ポンプ

Claims

ＮＭＲ測定用の静磁場を発生するマグネットと、
該マグネットの静磁場内に設置され、重水素化溶媒を注入された試料管と、
該試料管の内側に挿入されたマイクロチップと
を備え、該マイクロチップは、
複数の試薬を複数の流路から導入する導入部と、
該導入部と切り離し可能に接続され、該導入部から導入された試薬または反応液を更に別の試薬と混合し反応させる反応部と
から成り、
前記導入部は、
外部から導入された試薬を前記反応部に導入する導入流路と、
前記反応部から排出される反応液を外部に排出する排出流路と
を備え、
前記反応部は、
前記導入流路と連通し、該導入流路から送られてくる複数の試薬を混合し反応させる反応流路と、
該反応流路で生成する反応液を前記導入部に戻すために、該反応流路と前記排出流路とを連通する排出流路と
を備えていることを特徴とするＮＭＲ装置。
前記導入部は、耐薬品性樹脂の基板に微小流路を配設したマイクロチップであることを特徴とする請求項１記載のＮＭＲ装置。
前記導入部には、試薬を導入するための孔と、反応液を排出するための孔とが、同じ側面上にあることを特徴とする請求項１または２記載のＮＭＲ装置。
前記反応部は、ガラスまたは石英の基板に微小流路を配設したマイクロチップであることを特徴とする請求項１記載のＮＭＲ装置。