JP5423605B2 - 固体ｎｍｒ用試料管および固体ｎｍｒ測定方法 - Google Patents

Description

本発明は、固体試料の核磁気共鳴（ＮＭＲ）スペクトルの測定試料管と、その試料管を用いた固体ＮＭＲ測定方法に関する。

ＮＭＲ（核磁気共鳴）装置は、スピン磁気モーメントを有する原子核に静磁場を印加し、該スピン磁気モーメントにラーモアの歳差運動を発生させて、そこに歳差運動と同じ周波数の高周波を照射して共鳴させることにより、該スピン磁気モーメントを有する原子核の信号を検出する分析装置である。

ＮＭＲの測定対象となる試料には、溶液試料と固体試料の２種類がある。そのうち、溶液試料の場合は、きわめてシャープなＮＭＲスペクトルが得られることが多いため、得られた高分解能ＮＭＲスペクトルを武器にして、化学物質の分子構造解析を行なうことが広く普及している。

一方、固体状態の試料のＮＭＲスペクトルには、双極子相互作用のような、溶液中では回転ブラウン運動で消去されている相互作用がそのまま現れるため、スペクトルの線幅が極端に広くなり、化学シフト項が覆い隠されてしまう。そのため、ＮＭＲスペクトルにおいて、測定分子の各部位のシグナルピークが分離できず、結果的に固体ＮＭＲ法は、分子構造解析には不向きであると考えられていた。

この現象を克服し、シャープな固体ＮＭＲスペクトルを得る方法が、１９５８年にＥ．Ｒ．Ａｎｄｒｅｗによって発見された。それは、試料管を静磁場Ｂ₀の方向から５４．７°だけ傾けて高速回転させることにより、異方的な相互作用を取り除き、化学シフト項を取り出すことができるという原理であり、ＭＡＳ（Magic Angle Spinning）法と呼ばれるものである。

固体ＮＭＲ測定装置において、試料管の回転軸の角度を調整する機構のブロック図を図１に示す。図中１は、プローブ全体を示している。２は、サンプルを入れる試料管で、この試料管を３のスピナステータに入れ、圧縮空気ないしは窒素ガスのような媒体を用い、試料管２を高速に回転させる。

４は、スピナステータ３のアングルを可変させるための、例えば歯車などの可動機構である。５は、可動機構４に接続され、可動機構４を外部から操作するための、例えばシャフトである。６は、シャフト５に接続され、実際にマジックアングル調整する際に人間がアクセスするつまみである。

静磁場Ｂ₀に対してマジックアングル（５４．７°）を軸として試料管を回転させることにより、化学シフトの異方性を消去し、ＮＭＲスペクトルの線幅を狭くすることが可能になるため、マジックアングル調整を行なうことが重要な方法となっている。

一般に、ＭＡＳ法で固体試料のＮＭＲを測定するためには、静磁場中で試料を数ｋＨｚから数十ｋＨｚの高速で回転させなければならない。そこで、これまで、この回転速度を得るために、気体軸受の技術が用いられ、いろいろな方法が提案されてきた。

図２は、高速で回転させる固体試料を入れるための試料管と気体軸受の位置関係の一例を示したものである。Ａ１は、固体試料を封入するための試料管、Ａ２は、試料管Ａ１を支えるラジアル気体軸受、Ａ３は、試料管Ａ１のスラスト方向の位置を決める役割をするスラスト気体軸受である。

ラジアル気体軸受Ａ２とスラスト気体軸受Ａ３に給気することにより、試料管Ａ１を浮上させ、周囲に対し非接触の状態で保持する。また、ノズルＡ４からタービンＡ５にエアジェットを当てることで、試料管Ａ１を高速で回転させる。

特開２００１−１４１８００号公報 特開２００３−１７７１７２号公報 特開２００９−９２４２４号公報

図３と図４は、試料管Ｂ１を高速回転させたときに起きる試料管の曲げ共振の模式図である。試料管Ｂ１の曲げ共振は、試料管Ｂ１の直径が細くなると（例えば直径１ｍｍ以下の場合）、曲げ共振の固有振動数が低くなる。

そのため、試料管Ｂ１の回転数を上げていくと、試料管Ｂ１の曲げ共振の固有振動数に近づいて行き、ある回転数のところで、試料管Ｂ１が曲げ共振を起こしてしまう。その結果、図４に示すように、曲げ共振を起こした試料管Ｂ１とラジアル気体軸受Ｂ２が接触するため、試料管Ｂ１の回転速度の制約となってしまうという問題があった。

一般に、試料管の高速回転を実現するためには、試料管回転時の周方向速度を下げて気体の粘性による影響を軽減させることが有効であり、そのための一つの手段として、試料管の外径を小さくすることが行なわれてきた。

ところが、試料管の材質や長さに関する考察が不十分であったため、目標とする試料管の回転速度と曲げ共振の固有振動数とが近づく、もしくは超えてしまうことにより、回転の不安定や、試料管の破壊などの現象が発生し、試料管の直径に対応した高速回転を実現することができなかった。

本発明の目的は、上述した点に鑑み、試料管の曲げ共振を抑制し、固体ＮＭＲ用試料管を安定かつ高速に回転させることのできる固体ＮＭＲ用試料管および固体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、本発明にかかる固体ＮＭＲ用試料管は、
固体ＮＭＲ測定に用いられる試料を封入可能な試料管であって、該試料管と該試料管を保持する保持機構との間に気体を供給することにより気体軸受を構成し、該気体軸受によって前記試料管を高速回転させることが可能な固体ＮＭＲ用試料管において、
該試料管は、両端または一端が開いた中空の筒と、その開口部に取り付けられる蓋とによって構成され、
該試料管の長さＬと外径Ｄと内径ｄの関係が次の関係式を満たすことを特徴としている。

ただし、Ｅは縦弾性係数、ρは密度、λは4.730、ｃは340ｍ／ｓ（音速）、Ｂは（Ｌ／Ｄ）に依存する係数で、次の表で表わされる各点から内挿または外挿される値。

また、前記Ｌ／Ｄの値は３以上であることを特徴としている。

また、前記中空の筒の縦弾性係数Ｅが190ＧＰａ以上、230ＧＰａ以下であって、密度ρが5500ｋｇ／ｍ³以上、6200ｋｇ／ｍ³以下、
または、前記中空の筒の縦弾性係数Ｅが280ＧＰａ以上、320ＧＰａ以下であって、密度ρが2900ｋｇ／ｍ³以上、3500ｋｇ／ｍ³以下、
であることを特徴としている。

また、前記中空の筒の外径Ｄが0.3ｍｍ以上、1.1ｍｍ以下であることを特徴としている。

また、前記中空の筒の内径ｄと外径Ｄとの比（ｄ／Ｄ）の値が0.25以上、0.6以下であることを特徴としている。

また、前記中空の筒の開口部に取り付けられた蓋の外径が、前記中空の筒の外径を越えないことを特徴としている。

また、本発明にかかる固体ＮＭＲ測定方法は、
上記固体ＮＭＲ用試料管を用いて固体ＮＭＲスペクトルを測定することを特徴としている。

本発明の固体ＮＭＲ用試料管によれば、
固体ＮＭＲ測定に用いられる試料を封入可能な試料管であって、該試料管と該試料管を保持する保持機構との間に気体を供給することにより気体軸受を構成し、該気体軸受によって前記試料管を高速回転させることが可能な固体ＮＭＲ用試料管において、
該試料管は、両端または一端が開いた中空の筒と、その開口部に取り付けられる蓋とによって構成され、
該試料管の長さＬと外径Ｄと内径ｄの関係が所定の関係式を満たすことにより、
試料管の曲げ共振を抑制し、固体ＮＭＲ用試料管を安定かつ高速に回転させることのできる固体ＮＭＲ用試料管を提供することが可能になった。

また、本発明にかかる固体ＮＭＲ測定方法によれば、
上記固体ＮＭＲ用試料管を用いて固体ＮＭＲスペクトルを測定するので、
試料管の曲げ共振を抑制し、固体ＮＭＲ用試料管を安定かつ高速に回転させることのできる固体ＮＭＲ測定方法を提供することが可能になった。

固体ＮＭＲスペクトルの測定方法を示す図である。 固体ＮＭＲ装置の試料管周辺の模式図である。 高速回転に伴って起きる試料管の曲げ共振の模式図である。 高速回転に伴って起きる試料管の曲げ共振の模式図である。 本発明にかかる固体ＮＭＲ用試料管の一実施例である。 本発明にかかる固体ＮＭＲ用試料管の別の実施例である。 本発明にかかる固体ＮＭＲ用試料管の回転速度を実測した例である。 本発明にかかる固体ＮＭＲ用試料管を用いたＬ−アラニンの測定例である。 本発明にかかる固体ＮＭＲ用試料管を用いたＬ−ヒスチジン塩酸塩・１水和物の測定例である。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。

まず、『機械工学便覧、Ａ基礎編』（１９８７年度版、日本機械学会刊）のＡ３−５０頁〜Ａ３−５３頁によると、細長い試料管の曲げ共振の固有振動数は、以下のように表わされる。

ただし、ここで、Ｌは長さ、Ｅは縦弾性係数、Ｉは断面２次モーメント、Ａは断面積、ρは密度、λは振動数係数（１次のとき、4.730、２次のとき、7.853、３次のとき、10.996）である。

ここで、外径をＤ、内径をｄとする円筒の場合、

となる（『機械工学便覧、Ａ基礎編』、Ａ４−２５頁）。

これを、前式に代入して、

を得る。

ただし、Ｂは（Ｌ／Ｄ）に依存する補正係数で、数値解析などで求められ、次の表で表わされる各点から内挿または外挿される値である。

気体軸受を用いた試料管の実用的な回転速度は、試料管表面での周方向速度が音速を超えないことが目安になる。

音速をｃとすると、音速相当の回転速度は

であるから、安定した高速回転、および、曲げ共振による破壊を避けるためには、

を満たす必要がある。

すなわち、

を得る。

この結果より、安定した高速回転を実現するために、試料管の長さＬは、試料管の外径Ｄ、内径ｄ、縦弾性係数Ｅ、密度ρ、音速ｃによって制約を受けることが分かる。これらを勘案して、試料管の外径Ｄ、内径ｄ、縦弾性係数Ｅ、密度ρを決定することにより、試料管の長さＬを決定できる。好ましい試料管の長さＬの具体例を示す。

基本的には、筒の部分の外径Ｄは1.1ｍｍ以下、内径ｄと外径Ｄとの比（ｄ／Ｄ）の値は0.6以下であることが好ましい。

ただし、試料管の肉厚は現在の加工技術では0.2ｍｍが限界と言われているが、将来、加工技術が進歩しても、0.1ｍｍが限界であろう。また、内径が小さくなると、試料空間が小さくなり、ＮＭＲ測定の感度の面で不利であるし、試料の出し入れも困難となってくる。したがって、外径Ｄ＝0.3ｍｍ、内径ｄ＝0.1ｍｍ、または、外径Ｄ＝0.4ｍｍ、内径ｄ＝0.1ｍｍが、実用上の限界であろう。ゆえに、Ｄの下限は0.3ｍｍ程度、ｄ／Ｄの下限は0.25程度、ということになる。

また、Ｌ／Ｄの値については、試料管を支持する気体軸受が２個あり、その間に検出コイルがあるのが、ＮＭＲ検出器の一般的な構造である。したがって、気体軸受の長さ２個分に検出コイルの長さを加えた長さが、試料管の長さＬの下限となるであろう。気体軸受の設計上、安定な性能を得るためには、軸受長さは軸受直径と同程度必要と言われており、また、検出コイルは、高周波磁場の均一性と効率を確保するために、コイル長さはコイル直径と同程度必要と言われており、その長さの合計は、直径Ｄの３倍となり、試料管の実用上の下限は、直径の３倍程度、すなわちＬ／Ｄ≧３となる。

こうして、表２に示す長さＬを採用した試料管の模式図を図５と図６に示す。図５は、両端が開口した円筒状のセラミック管で構成され、両端の開口部に蓋を圧入させて固体試料を試料管内に封入するようにした試料管、図６は、一端が閉じられた有底円筒状のセラミック管で構成され、反対側端部の開口部に蓋を圧入させて固体試料を試料管内に封入するようにした試料管である。

このような試料管を実現するための素材には、ジルコニアやチッ化珪素などのセラミックスが適している。ジルコニアとチッ化珪素は、それぞれに特徴があり、試料管の使用目的に応じて使い分けることが望ましい。

まず、ジルコニアについては、さまざまな物性値を持つものの中で、縦弾性係数Ｅが190ＧＰａ以上、230ＧＰａ以下であって、密度ρが5500ｋｇ／ｍ³以上、6200ｋｇ／ｍ³以下であるものを用いることが好ましい。

ジルコニアは、まずコストが安価である点で優れている。加工も容易であるため、試料管の小型化にも適している。また、ＮＭＲを測定する際に、ジルコニウムのバックグラウンド信号が出るが、実際にジルコニウムを含んだ試料の測定は稀であるため、非常に多くの試料に対して用いることができ、汎用性に富んでいる。

一方、チッ化珪素については、さまざまな物性値を持つものの中で、縦弾性係数Ｅが280ＧＰａ以上、320ＧＰａ以下であって、密度ρが2900ｋｇ／ｍ³以上、3500ｋｇ／ｍ³以下であるものを用いることが好ましい。

チッ化珪素は、硬度においてジルコニアよりも優れており、試料管を長くできるという長所がある。したがって、もし同じ長さに加工したら、チッ化珪素で作った試料管の方がジルコニアで作った試料管よりも、より高速での回転に耐えられる。

ただし、チッ化珪素は、それ自身に珪素を含むほか、焼結助剤としてアルミニウムが入っていることが多いため、ＮＭＲを測定すると、珪素やアルミニウムのバックグラウンドが出る。したがって、珪素やアルミニウムを含んだ固体試料の測定にはあまり適さない。

次に、本発明にかかる固体ＮＭＲ用試料管を用いて、実際に固体ＮＭＲの測定を行なった例について述べる。

測定には、外径1.0ｍｍ、長さ7.4ｍｍのジルコニア製試料管を用い、vespel（登録商標）のキャップを試料管両端の開口部に圧入することによって試料を封入した。ラジアル軸受は、試料管の両端に１個ずつ配置し、スラスト軸受は、試料管の片側のみに１個設け、流体の慣性力による負圧を利用することで、試料管の位置決めを行なった。

回転力を発生するタービンには、1.0ｍｍの円筒形状の樹脂に５枚の羽根を切削した衝動型を用いており、エアジェットを羽根に当てることで駆動する。試料管の回転数は、試料管の一部分に金スパッタを施し、そこに光を当て、反射光の周期を測定することにより検出した。

図７に試料管の回転数と、エアジェット圧力との関係を示す。回転数は、ドライブ圧力を480ｋＰａに設定したときに、80ｋＨｚ＝480万ｒｐｍを達成し、回転性能の指標となるＤＮ値〔直径（ｍｍ）×回転数（ｒｐｍ）で表わされる値〕は480万を記録した。従来の試料管では、回転数は35ｋＨｚ程度が限界（当社比）とされているので、本発明は、その２倍を超える性能を示したことになる。

図８は、本発明の固体ＮＭＲ用試料管を用い、アミノ酸の一種であるＬ−アラニン固体の¹Ｈ−ＮＭＲ測定を行なった結果を示したものである。スペクトルは、右側から順番にメチル基（−ＣＨ₃）のプロトン、メチン基（≡ＣＨ）のプロトン、アミノ基（−ＮＨ₂）のプロトンにアサインされる。カルボキシル基（−ＣＯＯＨ）のプロトンは、他の信号に隠されて、独立した信号としては見えていない。

Ｌ−アラニンのスペクトル線幅は、¹Ｈ−¹Ｈの非常に強い双極子相互作用により極端に広幅化していたものが、試料管を静磁場に対しマジック角だけ傾けて高速回転（ＭＡＳ）させることにより先鋭化でき、スペクトルピークの感度上昇が実現できることが分かった。

また、図９は、本発明の固体ＮＭＲ用試料管を用い、アミノ酸の一種であるＬ−ヒスチジン塩酸塩・１水和物固体の¹Ｈ−ＮＭＲ測定を行なった結果を示したものである。スペクトル中の５本のピークは、図の右上の分子式に基づいて、右側のピークから順番に、メチン基（≡ＣＨ⁽³⁾）のプロトンとメチレン基（＝ＣＨ₂）のプロトンが重畳した第１のピーク、結晶水の水分子のヒドロキシル基（−ＯＨ）のプロトンに由来する第２のピーク、イミダゾール環の炭素上のプロトン（ＣＨ⁽¹⁾とＣＨ⁽²⁾）とアミノ基（−ＮＨ₃ ⁺）のプロトンが重畳した第３のピーク、イミダゾール環の窒素上のプロトン（ＮＨ⁽²⁾）に由来する第４のピーク、イミダゾール環の窒素上のプロトン（ＮＨ⁽¹⁾）に由来する第５のピーク、とアサインされる（P. K. Madhu, Ｅ．Vinogradov, S. Vega, Chemical Physics Letters, vol. 394 (2004), pp. 423-428）。

Ｌ−ヒスチジン塩酸塩・１水和物の場合も、Ｌ−アラニンの場合と同様に、¹Ｈ−¹Ｈの非常に強い双極子相互作用により極端に広幅化していたスペクトル線幅が、試料管を静磁場に対しマジック角だけ傾けて高速回転（ＭＡＳ）させることにより先鋭化でき、スペクトルピークの感度上昇が実現できることが分かった。

固体ＮＭＲのスペクトル測定に広く利用できる。

Claims (7)

1. 固体ＮＭＲ測定に用いられる試料を封入可能な試料管であって、該試料管と該試料管を保持する保持機構との間に気体を供給することにより気体軸受を構成し、該気体軸受によって前記試料管を高速回転させることが可能な固体ＮＭＲ用試料管において、
   該試料管は、両端または一端が開いた中空の筒と、その開口部に取り付けられる蓋とによって構成され、
   該試料管の長さＬと外径Ｄと内径ｄの関係が次の関係式を満たすことを特徴とする固体ＮＭＲ用試料管。
   

   

   ただし、Ｅは縦弾性係数、ρは密度、λは4.730、ｃは340ｍ／ｓ（音速）、Ｂは（Ｌ／Ｄ）に依存する係数で、次の表で表わされる各点から内挿または外挿される値。
   

   
2. 前記Ｌ／Ｄの値は３以上であることを特徴とする請求項１記載の固体ＮＭＲ用試料管。
3. 前記中空の筒の縦弾性係数Ｅが190ＧＰａ以上、230ＧＰａ以下であって、密度ρが5500ｋｇ／ｍ³以上、6200ｋｇ／ｍ³以下、
   または、前記中空の筒の縦弾性係数Ｅが280ＧＰａ以上、320ＧＰａ以下であって、密度ρが2900ｋｇ／ｍ³以上、3500ｋｇ／ｍ³以下、
   であることを特徴とする請求項１または２記載の固体ＮＭＲ用試料管。
4. 前記中空の筒の外径Ｄが0.3ｍｍ以上、1.1ｍｍ以下であることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載の固体ＮＭＲ用試料管。
5. 前記中空の筒の内径ｄと外径Ｄとの比（ｄ／Ｄ）の値が0.25以上、0.6以下であることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１項に記載の固体ＮＭＲ用試料管。
6. 前記中空の筒の開口部に取り付けられた蓋の外径が、前記中空の筒の外径を越えないことを特徴とする請求項１ないし５のいずれか１項に記載の固体ＮＭＲ用試料管。
7. 請求項１記載の固体ＮＭＲ用試料管を用いて固体ＮＭＲスペクトルを測定することを特徴とする固体ＮＭＲ測定方法。

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