JP5132247B2 - Ｎｍｒ装置 - Google Patents

Description

本発明は、超電導磁石、ＮＭＲ分光計（１３）、及びフロースルー微量流体ＮＭＲチップが取り付けられたプローブヘッド（１４）を備え、前記ＮＭＲチップが、前記超伝導磁石（１５）から発生されるｚ軸上の静磁場（Ｂ０）に沿うように配置され、前記ＮＭＲチップは、さらに、内部に試料チャンバを有するｙｚ面内が平面である基板であって、前記試料チャンバは細長く、ｚ方向と平行に走る壁を有し、５０μｍから２ｍｍまでの間のｘｙｚ直角座標系のｘ方向の厚さを有する基板と、導体区間を有する少なくとも１つの平面型受信および／または送信コイルであって、前記コイルは前記基板の１つの平面上にの少なくとも配置され、前記試料チャンバの前記ｚ方向に沿った伸展部が前記コイルの前記ｚ方向に沿った伸展部を超えるコイルと、を備えるＮＭＲ装置に関する。

こうしたフロースルー微量流体ＮＭＲチップは非特許文献４から知られる。

核磁気共鳴（ＮＭＲ）分光のための小容積試料は、例えば数マイクロリットル未満の溶液の状態の検体から成る。好適には、こうした小試料は、管、ポンプ、および他の小型化された試料作成および輸送手段と共に、異なるタイプの基板内に作られた微量流体流路を使用して扱われる。いわゆるラブオンチップ（ｌａｂ−ｏｎ−ａ−ｃｈｉｐ）またはマイクロ全分析システム（ｍｉｃｒｏＴＡＳ）におけるＮＭＲ分析は非常に大きな関心が寄せられている。しかしながら、ＮＭＲは本来的に感度が低く、また、ＮＭＲ信号は試料容積に比例するので、こうした小試料に対するＳＮ比は極めて弱くなる。小容積試料に対するＮＭＲ実験の感度を増加させる手段の１つは、信号検出のために小型化された無線周波数（ＲＦ）コイルを使用することである。数ミリメートルから数十マイクロメートル程度の大きさのコイルは、フォトリソグラフィによって微量流体基板の上に直接製造することができる。しかしながら、今までのところ、微量流体ＮＭＲチップ中に含まれる試料から得られるＮＭＲスペクトルの特性は依然としてかなり悪く、ＮＭＲ検出性能を改善するために適切なコイルと試料の配置設計が今後の課題である。

特許文献１においては、基板上にエッチングまたは溝切りされ、分析用化合物が流れるキャピラリの役割を果たす流路を有する基板の上に、平面的なリソグラフマイクロコイルが製造されるＮＭＲ装置が開示される。特許文献２には、液相試料の処理およびＮＭＲ検出のための集積化小型デバイスが記載されている。ＮＭＲプローブの本質的な性能基準は、そのスペクトル分解能と、感度と、マイクロコイルのＲＦ磁場の均一性（すなわち、Ｂ１均一性）とである。ＮＭＲ検出性能はＮＭＲコイルと試料との配置設計によって主として決定されるが、上述の文献のいずれも良好なＮＭＲ性能をもたらす構成についての記載はない。実際、現在までのところ、平面的なマイクロコイルのＮＭＲ性能、特にスペクトル分解能に関しては、かなり貧弱のままである。

非特許文献１において、図１７（ｃ）に示すようにＢ１均一性を改善することを目的として長方形のヘルムホルツコイル形状が提案されている。コイル１０２は、このコイル１０２の寸法よりも小さい寸法の、試料封じ込めのための長方形の閉じたキャビティ２０２と併用されている。本文献の著者らは、ビニルプラスチゾル材料のプロトンスペクトルを６３．５ＭＨｚで取得したが、それは極めて広いスペクトルとなった。

非特許文献２において、フロースルー微量流体ＮＭＲチップが、大きく伸ばされた試料チャンバと平面状の円形コイルと共に開示されている。この従来技術の微量流体ＮＭＲチップの配置構成から得られたサッカロース（ｓｕｃｒｏｓｅ）のプロトンスペクトルが図１８（ａ）に示される。スペクトルは３００ＭＨｚでＤ_２Ｏ中の１Ｍサッカロース試料濃度で取得された。マイクロコイルは、内径が２ｍｍの２回巻き円形螺旋であった。アクティブな試料容積（ａｃｔｉｖｅ ｓａｍｐｌｅ ｖｏｌｕｍｅ）は４７０ｎＬであった。測定された線幅は２０Ｈｚであり、アノマープロトンピークのスプリッティング（ｓｐｌｉｔｔｉｎｇ）は観測されなかった。本文献の微量流体ＮＭＲチップの配置構成におけるＢ１均一性の性能が図１８（ｂ）に示される。２７０度パルスに対して測定された信号振幅は、９０度パルスに対して得られた信号振幅の５４％であった。従来のＮＭＲプローブに関する代表的な仕様は、８１０度パルスに対して少なくとも５０％の信号振幅を要求する。この従来技術の配置構成はこれらの仕様を満たすには程遠いものであった。

非特許文献３において、ウォルトンらは球形の試料チャンバ２００と組合せた円形コイル形状１００（図１７（ａ））を使用した。本文献の著者らは^１Ｈスペクトルを得ていないが、３００ＭＨｚで^３１Ｐ測定から２０Ｈｚ程度の定性的プロトン線幅を得た。標準的なシムコイルでは分解能をさらに改善する効果が無いことが指摘される。２０Ｈｚの線幅では、プロトンスペクトルの精細な特性（Ｊ−カップリング（Ｊ−ｃｏｕｐｌｉｎｇ）などの）は解像されえない。それらの設計のさらなる欠点は小さな充填率のために感度が低いことである。

スペクトル分解能を改善するために、図１７（ｂ）に示された配置構成が非特許文献４において、ベンジンクらによって提案された。この配置構成は、流路の中央領域に配置された円形マイクロコイル１０１と組み合わされた、静磁場に沿った直線状の流路２０１から成る。この配置構成で、本文献の著者らは６０ＭＨｚで１．３Ｈｚの線幅を測定した。この値は３００ＭＨｚにおける６．５Ｈｚのプロトン線幅に対応するであろう。これでは高分解能ＮＭＲ分光を実行するにはまだ不十分である。こうした配置構成ではＢ１均一性の性能が不十分あろうと思われる。

要約すれば、いずれの従来技術の配置構成も良好なスペクトル分解能と、高い感度と、大きなＢ１均一性とを同時にもたらすことはなかった。
米国特許第５６５４６３６号公報 米国特許第６１９４９００号公報 シムズら、Ｊ．Ｍｉｃｒｏｍｅｃｈ．Ｍｉｃｒｏｅｎｇ．１５巻（２００５年）、Ｓ１−Ｓ９ マッシンら、Ｊ Ｍａｇ Ｒｅｓ、１６４巻（２００３年）２４２−２５５頁 ウォルトンら、Ａｎａｌ．Ｃｈｅｍ．、７５巻（２００３年）５０３０−５０３６頁 ベンジンクら、Ｌａｂ Ｃｈｉｐ、５巻（２００５年）、２８０−２８４頁

本発明の目的は、微量流体ＮＭＲチップ内部の良好なＮＭＲ性能を達成するために、改善された分解能と、感度と、Ｂ１均一性とを備えたフロースルー微量流体ＮＭＲチップを備えたＮＭＲ装置を提案することにある。

本発明は、ｚ方向に沿ったコイルの伸展部がｙ方向に沿ったそのコイルの伸展部よりも大きいことを特徴とする。このコイルは主にｚ方向に走るコイル導体区間を備える。好適には、ｘ方向の基板の厚さは１００μｍと２ｍｍとの間であり、特に２００μｍと２ｍｍとの間であり、最も好適には２００μｍと１ｍｍとの間である。

本発明の基本的なアイデアは、Ｂ０磁場歪を回避する一方で、Ｂ１均一性を改善させるコイルの形状および試料チャンバの形状を整備することである。

スペクトル分解能には、ＮＭＲプローブによって試料内に導入された静磁場Ｂ０の歪が直接的に影響する。微量流体ＮＭＲチップの場合は、Ｂ０歪は試料チャンバの形状ならびにコイル形状と、試料チャンバに対するワイヤの位置決めとによって主に決定される。感度およびＢ１均一性は、ＮＭＲコイルによって試料容積内に発生されるＢ１磁場の特性によって主に決定される。Ｂ１磁場の空間的依存性はコイル形状および試料チャンバに対する配置に依存する。

細長い試料チャンバによって、試料チャンバの中央領域の静磁場の均一性の歪は回避され、または少なくとも最小化される。本発明のＮＭＲチップはｚ方向に同様に細長い形状のコイルを備える。好適には、試料チャンバの中心とコイルの中心とは同一のｚ値に配置される。試料チャンバの端部における負の効果を避けるには、試料チャンバのｚ方向の伸展部がコイルのｚ方向の伸展部を超えることが有利である。細長い試料チャンバはその試料の中央部分ではＢ０歪を最小化するので、ｚ軸が静磁場Ｂ０に平行である場合、試料チャンバならびにコイルの大部分がｚ方向に向けられている本発明の配置構成において、Ｂ０均一性が改善される。導体ワイヤの大部分をｚ方向に置くことにより、試料容積内のＢ０磁場の有意な歪が発生せず、それによりスペクトル分解能が改善できる。導体ワイヤをｚ方向に置くことによってｚ軸に沿った均一なＢ１磁場が発生する。本発明の試料とコイルとの配置関係はＳＮ比を改善し、ひいてはＮＭＲチップの感度を増加させる。

従来技術に比べて、本発明のコイルと試料の配置構成は高い感度とＢ１均一性とを達成しつつ同時にスペクトル分解能を改善することを可能とする。コイルとチップとを貫く小規模の歪は本発明では無視できプローブの大規模歪だけが残るので、この新しい配置構成は、従来技術のシムシステムを使用して試料をシム調整（ｓｈｉｍ）することを可能にする。

好適な実施形態においてコイルは長方形の形状を有する。この場合に、導体区間は最大限、ｚ方向に向けられるので、試料チャンバ内の磁場Ｂ０は乱されない。この議論は５０μｍから数ｍｍの範囲に及ぶコイルの全ての寸法に関して当てはまることに留意されたい。しかし、従来のシムシステムは固定されておりコイルに合わせて縮尺変更しない。小さなコイル（例えば、５０μｍ）には大きな影響はないが、より大きなコイル（例えば、数ｍｍ）に対してはいくらかの影響を有する可能性がある。このため、例えば楕円の形をしたコイルなどの細長い形状を有するコイルも、大型のコイルの形状としては適しているといえることに留意すべきである。この場合に導体区間の大部分はｚ方向に平行に走らない。しかし、理論上は、各導体区間を平行部分（ｚ方向への投影）と垂直部分（ｚ方向に垂直な投影）とに分けることができる。もしも大部分の導体区間ついて、その平行部分がその垂直部分を上回るならば、本発明の目的は達成される。

好適には、ｚ方向に沿ったコイルの伸展部とｙ方向に沿ったコイルの伸展部との比は１．１〜５までの間にある。

ヘルムホルツ配置を形成するように接続されている１つのコイルを基板の両外面の上に配置するのが好ましい。この配置構成によってＢ１均一性をさらに改善することができる。好適にはヘルムホルツ配置は２つの鏡面対称な平面コイルから成る。

本発明のＮＭＲチップの好適な実施形態は、少なくとも２つからなる、複数のコイルを備え、その各コイルが複数の異なる周波数に同調される。これにより異なる原子核からの信号を受信することができる。

本実施形態の変形例としては、コイルを誘導的に減結合させるのが好ましい。これにより多核ＮＭＲ実験の性能を改善することができる。磁化率の差を少しでも減少させることが好ましいが、「完全に」一致させる必要はないことに留意すべきである。

さらに好適であるのは、コイルの導体区間が多層に配置された実施形態である。好適には、また、マイクロコイルの十字線も多層に配置される。この結果、誘導的に減結合したコイルを基板の１つの面の上に同一の製造プロセスで製造することができる。

特に好適な実施形態において、コイルの１つが長方形であり他のコイルがバタフライ配置を形成する。ｘｙ面内にあるこのバタフライコイルによって発生されたｘ成分のｒｆ磁場の奇対称性により、両方のコイルを効率的に減結合させることができる。

静磁場の歪を最小化するためには、コイルの導体区間の磁化率をそれらのそれぞれの周囲環境、例えばコイルワイヤを囲んでいる窒素ガスの磁化率に適合させることが好ましい。また、したがって、マイクロコイルの十字線もそのそれぞれの周囲環境の磁化率と適合する。

上記コイルには一体化された遮蔽板が装備されていることが有利である。この遮蔽板はＲＦ磁場Ｂ１がコイルの外側の領域で試料に浸透するのを防ぐので、磁場の分布が改善する。遮蔽板は渦電流遮蔽として作用する銅の層を備えてもよい。

好適にはコイルの材料は銅、金および／または銀を含む。

ｚ方向に沿った試料チャンバの伸展部とｚ方向に沿ったコイルの伸展部との比が１．５より大きことが好ましい。試料チャンバはコイルの伸展部をｚ方向において上回り、それによって、試料チャンバの長さ（ｚ方向における伸展部）が増加するにつれて減少するＢ０歪を減少させる。

本発明のＮＭＲチップの好適な実施形態において、基板は互いに接合する２つの基板部分を備える。上記２つの基板部分の少なくとも１つにおいて細長い流路がエッチングされ、２つの基板部分が互いに接合されたときに試料チャンバが形成される。

好適には、基板は誘電性で電気的に絶縁されており、特にガラス、石英、またはシリカで作られる。特にホウケイ酸ガラスが基板材料として適している。

好適な実施形態においては、基板の磁化率を溶媒の磁化率、特に水の磁化率に適合させる。したがって、基板と試料の溶媒との境界面で磁化率の変化は生じない。しかし、これは１つの選択された試料（好ましくは最も頻繁に検査される試料）に対してだけ可能であり、または、その磁化率が最も一般的な試料の平均的磁化率である仮想的な「平均的」試料に対してだけ可能である。

試料チャンバの中心と、コイルの中心と、基板の中心とがｙｚ面内で一致することが好ましい。これにより、Ｂ０歪を最小化でき、且つシミングを容易にする。

好適な実施形態において、ＮＭＲチップはｚ方向に沿った長さが５０ｍｍ未満、特に２５ｍｍ未満、最も好適には２０ｍｍ未満であって、ｙ方向に沿った幅が３０ｍｍ未満、特に１５ｍｍ未満である。

特別な実施形態において２以上の試料入口が試料チャンバの上流に用意される。異種の試料を本発明のＮＭＲチップの内部で直接混合することができる。

本発明はまた、超伝導磁石と、ＮＭＲ分光計と、上述したようなＮＭＲチップを有するプローブとを備えたＮＭＲ装置に関するものであって、このＮＭＲチップは、作動中の超伝導磁石から発生される静磁場に沿ってｚ方向に並べられる。

さらなる利点が詳細な説明および同封された図面から導かれることができる。本発明による上述のおよび以下に述べる特徴は、単独でまたは任意に組合せて用いることができる。言及された実施形態は網羅的列挙として理解されるべきではなく、むしろ、本発明の説明のための例示的性質を有する。

図１は、検査対象の試料内で達成されるべき理想的なＢ０静磁場プロファイル３と、Ｂ１ＲＦ磁場プロファイル４とを示す図である。本発明のＮＭＲチップの使用によりこれらの理想的なプロファイルに近づけることができ、したがって、微量流体ＮＭＲチップを使用した状態で良好な性能を得ることができる。

本発明のＮＭＲチップの断面が図２に開示される。平坦な基板５内の試料チャンバ２は細長く、ｚ方向と平行に走る壁を有する。同様にｚ方向と平行に走る導体区間１１を有する長方形の平面コイル１を備える。但し、ここでいうｚ方向と平行に走るとは、導体区間１１のｚ軸上への投影がそのｙ軸上への投影より大きいという意味である。破線で示される形状は導体区間１１の形状であって、上記直線で示される形状から変形可能なものの１つを示す。簡単のため、および普遍性を喪失させないため、以降の図面では直線の場合だけを示す。コイル１および試料チャンバ２の閉じた区間は、後述するため図２には図示していない。本発明のＮＭＲチップがＮＭＲ分光計の中で使用される間、静磁場Ｂ０はｚ方向に調節される（図３参照）。また、細長い試料チャンバ２もｚ方向に並べられるので、試料チャンバ２の中央部分の中ではＢ０歪が最小化される。導体区間１１では、試料容積内でＢ０磁場の有意な歪が生じず、均一なＢ１磁場がｚ軸に沿って生じる。

図３および図４は、図２に示す配置構成から得られる本発明の好適な実施形態の上面図と斜視図とをそれぞれ示す。

基板５は長さＬ１、幅Ｗ１を有し、好ましくはガラス材料または石英で作られる。この基板は、互いに接合される厚さｔ１、ｔ２の２つの基板部分５１、５２を備える。細長い流路は、第１の平面状の基板部分５１の下面の上、および第２の基板部分５２の上面の上にエッチングされる。また、試料チャンバ２は、図１１に示されるように、基板部分５１、５２の一方のみをエッチングすることによって形成することもできる。本発明のＮＭＲチップの寸法は以下の基板の寸法によって主に規定される：
基板表面：（Ｌ１×Ｗ１）＜１５ｃｍ^２
基板の長さ：５ｍｍ＜Ｌ１＜５０ｍｍ
基板の幅：３ｍｍ＜Ｗ１＜３０ｍｍ（Ｗ１＜Ｌ１）
基板の厚さ：１００μｍ＜（ｔ１＋ｔ２）＜２ｍｍ
ＮＭＲ試料チャンバ２は、平面状のガラス基板からなる第１の基板部分５１および第２の基板部分５２の中にキャビティをエッチングし、その基板部分５１、５２を互いに対向させた状態で組み立てることによって作成される。試料チャンバ２は、好ましくは以下の寸法を備えた有限の長さＬ２、幅Ｗ２、および流路深さｄ１を有する：
試料チャンバ長さ：２００μｍ＜Ｌ２＜１６ｍｍ
試料チャンバの幅：５０μｍ＜Ｗ２＜２ｍｍ（８×Ｗ２＜Ｌ２）
流路深さ：５０μｍ＜（２×ｄ１）＜１ｍｍ
試料チャンバ容積：４ナノリットル＜Ｖ２＜３０マイクロリットル
コイル１はｚ軸に垂直な閉じた十字線区間１２を有する。コイル１の長さＬ３はコイル１の幅Ｗ３よりも大きいので、コイル１は細長い形状となる。好適にはコイル１は長方形の形状であるが、また、楕円などの他の細長い形状であってもよい。コイル１をプロトンコイル、すなわち、^１Ｈ原子核を励起するためのコイルとして使用する場合には、コイルのワイヤは銅（Ｃｕ）、銀（Ａｇ）または金（Ａｕ）で作られるのが好ましい。磁化率のオプションの補償のために、他の材料が加えられても良い。１回巻きと多重巻きコイルのいずれも、ＮＭＲ分光の目的に適している。長方形コイル１の好適な寸法は以下のとおりである：
コイルワイヤ厚さ：５μｍ＜ｈ１＜５０μｍ（ｈ１＞２×表皮厚さ）
コイルワイヤ幅：１０μｍ＜ｈ２＜８００μｍ
コイル表面：（Ｌ３×Ｗ３）＜４０ｍｍ^２
コイル長さ：１００μｍ＜Ｌ３＜１０ｍｍ（１．５×Ｌ３＜Ｌ２）
コイル幅：１００μｍ＜Ｗ３＜５ｍｍ（Ｗ２＜Ｗ３＜２×Ｗ２およびＷ３＜Ｌ３）
図５は、図３に開示された実施形態における実際のＢ０磁場プロファイル３１とＢ１磁場プロファイル４１とを示す。試料チャンバ２の有限の長さＬ２がｚ^２に比例したＢ０歪３１を発生させる。しかし、大きなコイル（ミリメートル単位の大きさのもの）については、市販の磁石の標準的室温シムを使用すればこのｚ^２歪を補償することができる。小さなコイル（１００μｍ単位の大きさのもの）についてはこの歪をシムすることができず、試料チャンバがコイルの長さを超えることが重要である。コイル１で発生させたＢ１磁場プロファイル４１は、コイルの十字線１２によって引き起こされた負の磁場領域は別にして、理想的な長方形の磁場プロファイル４に似ている。

コイルの十字線１２が発生させたそれらの負のＢ１磁場の値を取り除くことを可能とする構成が図６に開示される。ＮＭＲチップ５は一体化された遮蔽板６を備える。遮蔽板６はコイル１のｚ方向の上部および下部に配置され、これにより、試料チャンバ２のコイル１によって覆われていない部分を覆って、ＲＦ磁場Ｂ１がコイル１の外側の領域で試料に浸透するのを防ぐ。好適には、コイル１および遮蔽板６は同じ面内に配置される。この場合のＢ１磁場プロファイル４２は、図５に示すように、図１の理想的な長方形の磁場プロファイル４に極めて近くなっている。遮蔽板は、渦電流遮蔽として作用する銅の層を備えても良い。この銅の遮蔽板６としては、厚さ１０μｍ（動作周波数において少なくとも表皮厚さの２倍、好適にはコイル厚さｈ１に等しい）および３ｍｍの長さＬｓ（Ｌｓ＞（Ｌ２−Ｌ３）／２）のものが例示できる。遮蔽板６の幅Ｗｓは試料チャンバの幅Ｗ２よりも大きくなくてはならない。

有限長さＬ２を有する試料チャンバが発生させたＢ０歪３１に加えて、反磁性のコイル十字線１２が発生させたＢ０歪３２が図７に示される。こうしたＢ０歪３２はシムすることが困難であり高い静磁場Ｂ０での全体的なスペクトル分解能を限定する。図８に示されるように基板５とコイル十字線１２のコイル導体１２１との間に補償層１２２を加えることによって、静磁場Ｂ０の歪３２をさらに減らすことができる。補償層１２２の磁化率は、コイル導体１２１の磁化率に対して反対の符号を有するべきである。こうした補償層１２２のＢ０歪への効果が図７（プロファイル３３）に示される。これより、反磁性のコイル十字線１２により発生したＢ０歪３２をかなり減少できることがわかる。

基板５の両外面の上に夫々配される２つのコイル１を有することを特徴とする本発明の実施形態が図９に開示される。コイル１はヘルムホルツ構成７を形成するように接続される。コイル幅Ｗ３が基板の厚さ（ｔ１＋ｔ２）の２倍にほぼ等しい場合に、高いＢ１均一性の性能が得られることができる。

図１０は、２つの誘導的に減結合されたコイル１、１’であって、その１つであるコイル１’がバタフライコイルの形状を成すものを備えたフロースルー微量流体ＮＭＲチップ５の実施形態を開示する。この実施形態の断面図が図１１に示される。コイル１は、試料チャンバ２の内部で主にｘ軸に沿ってＲＦ磁場Ｂ１を発生させ、好適にはプロトン周波数に同調される。コイル１’は、試料チャンバ２の内部で主にｙ軸に沿ってＲＦ磁場Ｂ２を発生させ、例えば炭素であるより低い周波数の原子核に同調される。２つのコイル１、１’は基板５の同一表面上にフォトリソグラフィによって製作することができ、図１１に示されるように電気的絶縁層８により分離されている。

２つの試料入口２１ａ、２１ｂを試料チャンバ２の上流に備えた本発明の実施形態が図１２に示される。こうしたＮＭＲチップでは、各試料入口２１ａ、２１ｂを通して２つの異なる流体試料Ａ、Ｂを導入し、試料をＮＭＲチップを通して出口２２に流しながら試料Ａと試料Ｂとの間の相互作用をＮＭＲによってモニタすることができる。

図１３は、ＮＭＲ分光計１３に使用するために超伝導磁石構成の中に配置された本発明の微量流体ＮＭＲチップを示す図である。ＮＭＲチップはプローブ１４の上に取り付けられる。試料チャンバ２の端部は入口キャピラリ９および出口キャピラリ１０にそれぞれ連結される。プローブ１４は、ｚ軸に沿った細長い試料チャンバ２が超伝導磁石１５の静磁場Ｂ０に沿うように超伝導磁石１５の内部に配置される。試料は、試料ポート１６を通り、入口キャピラリ９を介してＮＭＲチップの中に導入することができ、出口キャピラリ１０を介し出口ポート１７を通って試料チャンバから取り出すことができる。

従来技術に比較して、本発明は、多くの点で微量流体ＮＭＲチップ内のＮＭＲ検出性能が改善する。その改善点を、実施可能な２つの実施例について示す。

第１の実施例は、図９に示すように、一体化されたヘルムホルツマイクロコイルを備えたフロースルー微量流体ＮＭＲチップを取り扱うものです。微量流体ＮＭＲチップは、厚さｔ１、ｔ２が共に５００μｍであって、夫々がエッチングによる半分の流路を備える２つのガラス基板５１、５２を互いに接合することによって形成された。この結果得られた基板５の厚さは１ｍｍであった。試料チャンバの深さｄ１は３００μｍ、幅Ｗ２が１．２ｍｍ、長さＬ２が１１．２ｍｍであった。長方形のコイルがフォトリソグラフィによってＮＭＲチップの両面の上にパターン形成された。コイル幅Ｗ３は２ｍｍ、長さＬ３は２．８ｍｍであった。コイルワイヤは幅８０μｍ、厚さｈ１が１５μｍを備えた銅で作られた。アクティブ容積（ａｃｔｉｖｅ ｖｏｌｕｍｅ）は１μＬで、ＮＭＲチップの全容積は４．８μＬであった。ガラスＮＭＲチップの寸法は２２ｍｍ（Ｌ１）×１０ｍｍ（Ｗ１）であった。

図１４は、この実施例のＮＭＲチップを用いて３００ＭＨｚで得られたサッカロースのプロトンＮＭＲスペクトルを示す図である。試料はＤ_２Ｏ中の５０ｍＭのサッカロースであった。アノマープロトンに対して測定されたスプリッティング（ｓｐｌｉｔｔｉｎｇ）は２０％であった。アノマープロトン（ａｎｏｍｅｒｉｃ ｐｒｏｔｏｎ）に対して４８０スキャン（０．７Ｈｚの線広がりで）後に測定されたＳＮ比（ＳＮＲ）値は９０であり、これは１スキャンあたり４．１のＳＮＲに相当する。このスペクトルは図１８（ａ）の従来技術のスペクトルと比較されるべきである。銅線の磁化率がこの例では補償されていないけれども、本発明の形態の結果として得られたスペクトル分解能は極めて優れていることに留意されたい。

また、この実施例は図１５に示されるように極めて優れたＢ１均一性の性能も備える。励起電力は１６Ｗであり、パルス期間は開始の値を２μｓとして１μｓづつ増加された。４５０°および８１０°パルスに対して測定された信号振幅は、９０°パルスに対して得られた信号振幅のそれぞれ９６％および８６％であった。これは図１８（ｂ）に示された従来技術の性能に比較して大幅に改善したことを意味する。

第２の実施例は、図１０および図１１に示すように、２つの異なる周波数に同調された２つの磁気的に減結合されたコイルを備えたフロースルー微量流体ＮＭＲチップを取り扱うものです。１５０μｍの深さの流路が５００μｍ厚さの第１のガラス基板５１の底面の上にエッチングされた。この第１のガラス基板５１が５００μｍ厚さの第２のガラス基板５２と接合されて１ｍｍ厚さの微量流体基板５が形成された。試料チャンバ深さｄ１は１５０μｍ、幅Ｗ２が１．２ｍｍ、長さＬ２が１１．２ｍｍであった。全体のＮＭＲチップ試料容積は入口および出口流路を含めて２．３μＬであった。ガラスＮＭＲチップの寸法は２２ｍｍ（Ｌ１）×１０ｍｍ（Ｗ１）であった。長方形のコイル１およびバタフライコイル１’が図１０および図１１に示すように基板５の上面の上に微細加工された。長方形コイル１の幅Ｗ３はＷ３＝２ｍｍであり、長さＬ３はＬ３＝２．８ｍｍであった。したがって、アクティブな試料容積は５００ｎＬであった。コイル１を形成しているワイヤは８０μｍの幅、１０μｍの厚さｈ１を有する銅であった。長方形のマイクロコイル１は、５００ＭＨｚにおいてはプロトンに７６ＭＨｚにおいてはデュートリウム（ｄｅｕｔｅｒｉｕｍ）にと、二つの周波数に関して同調された。バタフライマイクロコイル１’は、試料チャンバ内で基板面に平行なＲＦ磁場Ｂ_２を発生させる８つの直線状の銅の導体区間を備えた。バタフライコイル１’のためのワイヤの幅は４０μｍ、ピッチ間隔は３０μｍ、厚さは１５μｍであった。バタフライコイル１’のワイヤは、パターン形成されたポリマ層８により長方形コイル１のワイヤから電気的に絶縁された。バタフライコイル１’はカーボンオブザーバ（ｃａｒｂｏｎ ｏｂｓｅｒｖｅｒ）またはデカップリング（ｄｅｃｏｕｐｌｉｎｇ）を行うため、１２５ＭＨｚに同調された。同調および整合回路を構築した後の１３Ｃチャネルと１Ｈチャネルとの間の測定されたデカップリングは、５００ＭＨｚで−２６．５ｄＢであった。このデカップリング値は多核ＮＭＲ実験を実施するために適切であった。図１６は、この実施例ののＮＭＲチップを用いて５００ＭＨｚで取得されたＨＭＱＣスペクトルを示す図である。試料は、１Ｍの１３ＣＨ３ＯＨと１０％Ｈ_２ＯとＤ_２Ｏ中１ｍＬ当たり０．２ｍｇのＧｄＧｌ３であった。

理論的に最適なＢ０およびＢ１磁場プロファイルを示す図である。 本発明に係るフロースルー微量流体ＮＭＲチップを上面を概略的に示す断面図である。 本発明に係るフロースルー微量流体ＮＭＲチップを概略的に示す上面図である。 本発明に係るフロースルー微量流体ＮＭＲチップを概略的に示す斜視図である。 細長い試料チャンバによって発生されたＢ０プロファイルおよび遮蔽板が在る場合と無い場合の長方形コイルについてのＢ１プロファイルを示す図である。 一体化された遮蔽板を備えた本発明のフロースルー微量流体ＮＭＲチップを概略的に示す上面図である。 磁化率補償が在る場合と無い場合における、長方形コイルの十字線の部分で生じるＢ０歪を示す図である。 積層された導体を使用した磁化率補償の原理を示す図である。 一体化ヘルムホルツマイクロコイル構成を備えた本発明に係るフロースルー微量流体ＮＭＲチップを概略的に示す斜視図である。 ２つの誘導性減結合コイルを備え、その１つがバタフライコイル形状を成す本発明に係るフロースルー微量流体ＮＭＲチップを概略的に示す上面図である。 図１０のＮＭＲチップを概略的に示す断面図である。 試料チャンバの上流に２つの試料入口を備えた、本発明に係るフロースルー微量流体ＮＭＲチップを概略的に示す上面図である。 本発明に係るＮＭＲチップを備えた分光計としての本発明に係るＮＭＲ装置を概略的に示す上面図である。 本発明に係るＮＭＲチップの好適な実施形態により得られるサッカロースのプロトンＮＭＲスペクトルを示す図である。 図１４のＮＭＲスペクトルを得るために使用された配置構成におけるＢ１均一性を示す章動曲線を示す図である。 図１０および図１１に示されたＮＭＲチップで測定された異種核多量子コヒーレンス（ＨＭＱＣ）スペクトルを示す図である。 従来技術のコイル及びその周辺部材の構成を示すものであり、（ａ）は、非特許文献３による、球形試料チャンバと組み合わされた円形コイル形状を示す図であり、（ｂ）は、非特許文献４による、流路の中央領域に配置された多重巻き円形マイクロコイルと組み合わされた静磁場に一致された直線的流路を示す図であり、（ｃ）は、非特許文献１による、コイルよりも小さな寸法の長方形キャビティと組み合わされた長方形コイル形状を示す図である。 非特許文献２に係る従来技術のＮＭＲ装置における測定結果を示すものであり、（ａ）は、本従来技術の配置構成におけるサッカロース試料に対するスペクトル分解能を示す図であり、（ｂ）は、本従来技術の配置構成におけるＢ１均一性を示す章動曲線を示す図である。

符号の説明

Ａ 試料
Ｂ 試料
Ｂ０ 静磁場
Ｂ１ ＲＦ磁場
ｄ１ 試料チャンバの流路深さ
ｈ１ マイクロコイルのワイヤ厚さ
ｈ２ マイクロコイルのワイヤ幅
Ｌ１ 基板の長さ（ｚ方向の伸展部）
Ｌ２ 試料チャンバの長さ（ｚ方向の伸展部）
Ｌ３ マイクロコイルの長さ（ｚ方向の伸展部）
Ｌｓ 遮蔽板の長さ（ｚ方向の伸展部）
ｔ１ 第１の基板部分の厚さ（ｘ方向の伸展部）
ｔ２ 第２の基板部分の厚さ（ｘ方向の伸展部）
Ｗ１ 基板の幅（ｙ方向の伸展部）
Ｗ２ 試料チャンバの幅（ｙ方向の伸展部）
Ｗ３ マイクロコイルの幅（ｙ方向の伸展部）
Ｗｓ 遮蔽板の幅（ｙ方向の伸展部）
１’ バタフライマイクロコイル
１ 長方形の平面マイクロコイル
２ 試料チャンバ
３ 静磁場Ｂ０の理想的プロファイル
４ ＲＦ磁場Ｂ１の理想的プロファイル
５ 微量流体基板
６ ＲＦ遮蔽板
７ ヘルムホルツマイクロコイル
８ 電気的絶縁層
９ 入口キャピラリ
１０ 出口キャピラリ
１１ 直線導体区間
１２ マイクロコイルの十字線
１３ ＮＭＲ分光計
１４ プローブヘッド
１５ 超伝導磁石
１６ 入口ポート
１７ 出口ポート
３１ ｚ^２歪を有する静磁場Ｂ０プロファイル
３２ 反磁性の十字線によって導入された静磁場Ｂ０歪のプロファイル
３３ 磁化率補正を備えた十字線によって導入された静磁場Ｂ０歪のプロファイル
４１ 長方形コイルによって発生されたＲＦ磁場のプロファイル
４２ 遮蔽版を備えた長方形コイルで発生したＲＦ磁場のプロファイル
５１ 第１の平面基板部分
５２ 第２の平面基板部分
１００ 平面ＮＭＲマイクロコイル（円形形状）
１０１ 平面ＮＭＲマイクロコイル（円形形状）
１０２ 平面ＮＭＲマイクロコイル（長方形形状）
１２１ 反磁性導体層
１２２ 常磁性体層
２１ａ 試料入口
２１ｂ 試料入口
２２ 試料出口
２００ 試料チャンバ（球形形状）
２０１ 流路
２０２ 閉じたキャビティ

Claims (19)

1. 超伝導磁石（１５）、ＮＭＲ分光計（１３）、及びフロースルー微量流体ＮＭＲチップが取り付けられたプローブヘッド（１４）を備え、
   前記ＮＭＲチップは、
   前記超伝導磁石（１５）から発生されるｚ軸上の静磁場（Ｂ０）に沿うように配置され、
   前記ＮＭＲチップは、さらに、
   内部に試料チャンバ（２）を有するｙｚ面内が平面である基板（５）であって、前記試料チャンバ（２）は細長く、前記ｚ方向と平行に走る壁を有し、５０μｍから２ｍｍまでの間のｘｙｚ直角座標系のｘ方向の厚さを有する基板（５）と、
   導体区間（１１）を有する少なくとも１つの平面型受信および／または送信コイル（１、１’）であって、前記コイル（１、１’）は前記基板（５）の１つの平面上に少なくとも配置され、前記試料チャンバ（２）の前記ｚ方向に沿った伸展部が前記コイル（１）の前記ｚ方向に沿った伸展部を超えるコイル（１、１’）と、
   を備えるＮＭＲ装置において、
   前記コイル（１）の前記ｚ方向に沿った前記伸展部が該コイル（１）の前記ｙ方向に沿った伸展部よりも大きく、
   前記試料チャンバ（２）のアクティブ容積が数百ｎＬオーダから数μＬオーダであることを特徴とするＮＭＲ装置。
2. 前記導体区間（１１）は直線的であり前記ｚ方向と平行に走ることを特徴とする請求項１記載のＮＭＲ装置。
3. 前記コイル（１）は長方形の形状を有することを特徴とする請求項２記載のＮＭＲ装置。
4. 前記コイル（１）の前記ｚ方向に沿った前記伸展部と前記コイル（１）の前記ｙ方向に沿った前記伸展部との比が１．１〜５までの間にあることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載のＮＭＲ装置。
5. ヘルムホルツ配置（７）を形成するように接続されている前記コイル（１、１’）の１つが、前記基板（５）の両外面の上に配置されることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載のＮＭＲ装置。
6. 複数のコイル（１、１’）を備え、当該各コイル（１、１’）を複数の異なる周波数に同調されることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか一項に記載のＮＭＲ装置。
7. 前記複数のコイル（１、１’）は少なくとも２つからなることを特徴とする請求項６記載のＮＭＲ装置。
8. 前記コイル（１、１’）は誘導的に減結合されることを特徴とする請求項６又は７記載のＮＭＲ装置。
9. 前記コイル（１、１’）の１つはバタフライ配置（１’）を形成することを特徴とする請求項６乃至８のいずれか一項に記載のＮＭＲ装置。
10. 前記コイル導体区間（１１）の磁化率を該コイル導体区間（１１）のそれぞれの周囲環境の磁化率に適合させることを特徴とする請求項１乃至９のいずれか一項に記載のＮＭＲ装置。
11. 前記コイル（１、１’）の前記導体区間（１１）は多層に配置されることを特徴とする請求項１乃至１０のいずれか一項に記載のＮＭＲ装置。
12. 前記試料チャンバ（２）の前記ｚ方向に沿った前記伸展部と前記コイル（１）の前記ｚ方向に沿った前記伸展部との比が１．５より大きいことを特徴とする請求項１乃至１１のいずれか一項に記載のＮＭＲ装置。
13. 前記基板（５）は互いに接合する２つの部分（５１、５２）を備えることを特徴とする請求項１乃至１２のいずれか一項に記載のＮＭＲ装置。
14. 前記基板（５）の磁化率を溶媒の磁化率に適合させることを特徴とする請求項１乃至１３のいずれか一項に記載のＮＭＲ装置。
15. 前記溶媒は水であることを特徴とする請求項１４項に記載のＮＭＲ装置。
16. 前記チップは、前記ｚ方向に沿った長さが５０ｍｍ未満であって、前記ｙ方向に沿った幅が３０ｍｍ未満であることを特徴とする請求項１乃至１５のいずれか一項に記載のＮＭＲ装置。
17. 前記チップは、前記ｚ方向に沿った長さが２５ｍｍ未満であることを特徴とする請求項１６記載のＮＭＲ装置。
18. 前記チップは、前記ｙ方向に沿った長さが１５ｍｍ未満であることを特徴とする請求項１６又は１７に記載のＮＭＲ装置。
19. ２つ以上の試料入口を前記試料チャンバの上流に備えることを特徴とする請求項１乃至１８のいずれか一項に記載のＮＭＲ装置。

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