JP6757946B2

JP6757946B2 - Ｎｍｒ測定方法及び装置

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Publication number: JP6757946B2
Application number: JP2016240448A
Authority: JP
Inventors: 裕介西山
Original assignee: Jeol Ltd; RIKEN Institute of Physical and Chemical Research
Current assignee: Jeol Ltd; RIKEN Institute of Physical and Chemical Research
Priority date: 2016-12-12
Filing date: 2016-12-12
Publication date: 2020-09-23
Anticipated expiration: 2036-12-12
Also published as: EP3333569B8; EP3333569A1; JP2018096781A; US20180164234A1; EP3333569B1; US11067518B2

Description

本発明は、ＮＭＲ測定方法及び装置に関し、特に、溶液ＮＭＲ測定と固体ＮＭＲ測定とを併用する方法及び装置に関する。

近時、試料の結晶化（Crystallization）の過程において、溶液ＮＭＲ測定（Solution NMR （Nuclear Magnetic Resonance）Measurement）及び固体ＮＭＲ測定（Solid-state NMR Measurement）を間欠的に繰り返し実行する時間分解ＮＭＲ測定法（Time-Resolved NMR Measurement Method）が提案されている（非特許文献１を参照）。

この測定法において、測定対象となるものは液体（液体試料）と固体（固体試料）とが混じり合っている試料である。ここで、液体とは、試料そのものが液体（高温で溶かしたポリマーなど）であるもの、及び、溶質が溶媒に溶解してできた溶液（砂糖を水で溶かした砂糖水など）を指す。結晶化の進展に伴って、溶液割合が減少し、固体割合が増加する。そのような変化を観測するために、複数の溶液測定過程と複数の固体測定過程とが実行される。一般に、溶液測定過程と固体測定過程とが交互に実行され、個々の溶液測定過程では、複数回の溶液ＮＭＲ測定が実行され、個々の固体測定過程では、複数回の固体ＮＭＲ測定が実行される。隣接する２つのＮＭＲ測定の間には、緩和遅延（Relaxation Delay）が設けられる。それは、静磁場中において、熱平衡状態の形成により、磁化（Magnetization）を回復させるための「待ち時間」である。

ＮＭＲ信号の観測にかかる時間は、待ち時間に対して十分短いことが多く、ＮＭＲ測定のほとんどの時間は待ち時間で占められる。１回の溶液測定過程においては、例えば１２８回の溶液ＮＭＲ測定が実行され、１つの溶液ＮＭＲ測定あたり必要な待ち時間は例えば３秒である。その場合、１つの溶液ＮＭＲスペクトルを得るのに６．４分かかる。ＮＭＲ測定を繰り返すのは、一般に、個々のＮＭＲ信号（具体的にはＦＩＤ（Free Induction Decay）信号）はかなり微弱であり、多数のＮＭＲ信号を得て、それらを平均化してはじめて有意なＮＭＲ信号が得られるためである。一方、１回の固体測定過程においては、例えば２５６回の固体ＮＭＲ測定が実行され、１つの固体ＮＭＲ測定あたり必要な待ち時間は例えば９秒である。その場合、１つの固体ＮＭＲスペクトルを得るのに３８．４分かかる。

結局、溶液スペクトル及び固体スペクトルの両方を得るためには４４．８分もかかる。その時間が実質的な時間分解能となる。つまり、４４．８分ごとに、溶液の測定結果及び固体の測定結果が得られ、それらの測定結果から、溶液及び固体に対する定量解析、構造解析等が実行される。上記測定法は、例えば数時間あるいは数十時間にわたって、継続的に実行される。

上記測定法において、例えば、溶液は^１Ｈと^１３Ｃとを含み、固体も^１Ｈと^１３Ｃとを含む。溶液ＮＭＲ測定では、溶液中の^１３Ｃに対するシングルパルス測定が実行される。すなわち、^１３Ｃに対してシングルパルス（９０°パルス）が照射され、その後にＦＩＤ信号が観測される。固体中の^１３Ｃの磁化の緩和時間は、溶液中の^１３Ｃの磁化の緩和時間よりも非常に長いので、^１３Ｃを励起した場合、固体中の^１３ＣからのＦＩＤ信号はほとんど検出されず、溶液中の^１３ＣからのＦＩＤ信号が支配的に検出される。一方、固体ＮＭＲ測定では、ＣＰ（Cross Polarization）−ＭＡＳ（Magic Angle Spinning）測定が実行される。すなわち、^１Ｈに対してシングルパルスが照射された上で、ＣＰ（Cross Polarization）を利用して、磁化が^１Ｈから^１３Ｃへ移される。その後に^１３ＣからのＦＩＤ信号が観測される。溶液中においては分子運動のための双極子相互作用が平均化されてしまい、溶液中の^１３ＣからのＦＩＤ信号は観測されず、観測されるのは固体中の^１３ＣからのＦＩＤ信号となる。なお、ＭＡＳ法は、試料を収容した容器を静磁場に対して所定角度（マジック角度）傾斜させた状態で、その容器を高速で回転させながら、ＮＭＲ測定を行う方法である。

Colan E.Hughes, P.Andrew Williams, Kenneth D.M.Harris, "CLASSC NMR":An In-Site NMR Strategy for Mapping the Time-Evolution of Crystallization Processes by Combined Liquid-State and Solid-State Measurements, Angew. Chem. Int. Ed. 53 (2014), 8939-8943.

上記測定法は、いわゆるｉｎｓｉｔｕで、溶液変化と固体変化とを同時に観測できるものであるが、観測全体としてかなりの時間を要し、特に、時間分解能が低いという問題がある。化学反応や結晶化を詳細に観察するためにはあるいは速い反応や結晶化を観察するためには時間分解能を高めることが必要である。

本発明の目的は、液体と固体とを含む試料に対するＮＭＲ測定において、時間分解能を高めることにある。あるいは、本発明の目的は、液体と固体とを含む試料に対するＮＭＲ測定において、磁化回復用の待ち時間を削減することにある。

本発明に係るＮＭＲ測定方法は、液体及び固体を含む試料に対して、溶液ＮＭＲ測定及び固体ＮＭＲ測定の内で一方を実行する第１測定工程と、前記試料に対して前記溶液ＮＭＲ測定及び前記固体ＮＭＲ測定の内で他方の測定を実行する第２測定工程と、を含み、前記第１測定工程では、前記第２測定工程の開始時において核Ｂの磁化が残るように、核ＡについてのＮＭＲ測定が実行され、前記第２測定工程では、前記核Ｂに残った磁化を利用することにより、核ＣについてのＮＭＲ測定が実行され、前記第１測定工程後の磁化回復用待ち時間なしに前記第１測定工程に続いて前記第２測定工程が実行され、又は、前記第１測定工程と同時進行で前記第２測定工程が実行される、ことを特徴とする。

上記構成において、第１測定工程での観測対象がＡ核であり、第２測定工程での観測対象がＣ核である。核Ｃは、核Ａと同じ核、核Ｂと同じ核、又は、核Ａ及び核Ｂのいずれとも異なる核、である。ここにおいて、Ａ，Ｂ及びＣはそれぞれ核の種類を象徴する記号である。保存される核Ｂ磁化（巨視的磁化）は、第２測定工程において核Ｂを励起させる上での前提条件をなすものである。その磁化の方向は、典型的には、静磁場方向に平行な方向であるが、静磁場方向に直交する方向、あるいは、それ以外のいかなる方向であってもよい。

上記構成によれば、第２測定工程において核Ｂの磁化が利用されることを前提として、第１測定工程において、第２測定工程の開始時に核Ｂの磁化が残るように（第２測定工程で利用する磁化が損なわれてしまわないようにあるいはその磁化が保存されるように）、核Ａを観測対象としたＮＭＲ測定が実行される。その後、第２測定工程において、核Ｂの磁化を利用して、核Ｃを観測対象としたＮＭＲ測定が実行される。よって、第１測定工程と第２測定工程との間に磁化回復用の待ち時間を設ける必要がなくなる。つまり、第１測定工程の直後から第２測定工程を実行することが可能となり、あるいは、第１測定工程と同時進行で第２測定工程を実行することが可能となる。第２測定工程の実行後において磁化回復用の待ち時間が必要になるとしても、上記構成によれば、待ち時間全体を大幅に削減でき、条件次第では、従来例に比べて待ち時間全体を例えば半減又はそれ以下にすることができる。これにより、時間分解測定を行う場合に、時間分解能を高めることが可能となり、高速な化学反応や結晶化を観測することが可能となる。何らかの事情があれば、第１測定工程の実行完了後、若干のブランク時間をおいてから、第２測定工程の実行を開始するようにしてもよい。但し、そのブランク時間は従来において必要であった磁化回復用待ち時間よりも短い時間である。

第１測定工程は、溶液ＮＭＲ測定及び固体ＮＭＲ測定の内の一方であり、第２測定工程は、溶液ＮＭＲ測定及び固体ＮＭＲ測定の内の他方である。固体と溶液の性質の違いを利用して、溶液中の観測対象核からのＦＩＤ信号及び固体中の観測対象核からのＦＩＤ信号が観測される。第１測定工程と第２測定工程において同じ核が観察対象となってもよい。その場合、第２測定工程において、核Ｂの磁化が核Ｃ（＝核Ａ）に移され、核ＣからのＦＩＤ信号が観測されてもよい。その場合、例えば、核Ａは^１３Ｃであり、核Ｂは^１Ｈであり、核Ｃは^１３Ｃである。あるいは、第２測定工程において、磁化が保存された核Ｂがそのまま観測対象核（つまり核Ｃ）となってもよい。その場合、例えば、核Ａは^１３Ｃであり、核Ｂは^１Ｈであり、核Ｃは^１Ｈである。あるいは、第２測定工程において、核Ｂの磁化が、核Ａ及び核Ｂとは異なる核Ｃに移され、その上で核ＣからのＦＩＤ信号が観測されてもよい。その場合、例えば、核Ａは^１３Ｃであり、核Ｂは^１Ｈであり、核Ｃは^１５Ｎである。

上記ＮＭＲ測定方法は、望ましくは、化学反応過程又は結晶化過程を間欠的に観測する時間分解測定法であって、観測プロセスを繰り返し実行するものであり、前記観測プロセスは、磁化回復用待ち時間と、前記磁化回復用待ち時間に続く工程結合であって、前記第１測定工程及び前記第２測定工程からなる工程結合と、により構成される。隣接する２つの工程結合の間に磁化回復用待ち時間が設けられるとしても、個々の工程結合中には磁化回復用待ち時間が含まれないので、観測プロセスの実行に要する時間を短縮化でき、つまり、時間分解能を高められる。

実施形態において、前記第１測定工程は、前記溶液中の前記核Ａを観測対象とする前記溶液ＮＭＲ測定工程であり、前記第２測定工程は、前記第１測定工程に続いて実行され、前記固体中の前記核Ｃを観測対象とする前記固体ＮＭＲ測定工程である。第１測定工程に影響を与えない限りにおいて、第１測定工程の実行完了を待たずに第２測定工程の実行が開始されてもよい。それとは逆に、上記のように、第１測定工程と第２測定工程との間に若干のブランク時間を設けるようにしてもよい。実施形態において、前記固体ＮＭＲ測定工程は、前記核Ｂの磁化を前記核Ｃに移動させる双極子相互作用を利用する磁化移動工程と、前記磁化移動工程後に前記核ＣからのＦＩＤ信号を検出する検出工程と、を含む。磁化移動工程では、例えば、交差分極（ＣＰ）が利用される。本願明細書において、固体の概念には液晶が含まれる。液晶においても双極子相互作用を利用して磁化移動を行うことが可能である。

本発明に係るＮＭＲ測定装置は、液体及び固体を含む試料を収容し、静磁場中に配置される試料容器と、前記試料に対してＲＦ波を照射し、前記試料からのＮＭＲ信号を検出する測定手段と、前記測定手段に対して送信信号を供給し、前記測定手段からの受信信号を処理する送信受信手段と、前記送信受信手段が実行するパルスシーケンスを定める制御手段と、を含み、前記パルスシーケンスは第１サブシーケンス及び第２サブシーケンスを含み、前記第１サブシーケンスは、前記第２サブシーケンスの開始時において核Ｂの磁化が残るように、核ＡについてのＮＭＲ測定を実行するためのサブシーケンスであり、前記第２サブシーケンスは、前記核Ｂに残った磁化を利用することにより、核ＣについてのＮＭＲ測定を実行するサブシーケンスであり、前記第１サブシーケンス後の磁化回復用待ち時間なしに前記第１サブシーケンスに続いて前記第２サブシーケンスが実行され、又は、前記第１サブシーケンスと同時進行で前記第２サブシーケンスが実行される、ことを特徴とする。

制御手段が、第１サブシーケンスと第２サブシーケンスとの間において待ち時間を削減できるか否かを自動的にチェックする機能を有していてもよい。また、制御手段が核Ｂの磁化が保存されるようにパルスシーケンスを構成又は再構成する機能を有していてもよい。

本発明によれば、液体と固体とを含む試料に対するＮＭＲ測定において、時間分解能を高められる。あるいは、本発明によれば、液体と固体とを含む試料に対するＮＭＲ測定において、磁化回復用の待ち時間を削減できる。

本発明に係るＮＭＲ測定装置の構成例を示すブロック図である。比較例としてのＮＭＲ測定方法を示す図である。第１実施形態に係るＮＭＲ測定方法を示す図である。第１実施形態についての第１変形例を示す図である。第１実施形態についての第２変形例を示す図である。第１実施形態についての第３変形例を示す図である。第３変形例における一部分の構成例を示す図である。第１実施形態についての第４変形例を示す図である。第２実施形態に係るＮＭＲ測定方法を示す図である。第３実施形態に係るＮＭＲ測定方法を示す図である。ＦＩＤ信号処理の一例を示す図である。図１に示したＮＭＲ測定装置の動作例を示す図である。各測定方法での観測対象核等を示す図である。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。

図１には本発明に係るＮＭＲ測定装置の概略的な構成がブロック図として示されている。このＮＭＲ測定装置は、試料における化学反応の過程、特に結晶化の過程を、ｉｎｓｉｔｕで観測するものであり、時間分解測定法を実行するものである。試料は液体（液体試料）及び固体（固体試料）が混ざり合った混合試料である。一般に、試料は、初期状態において液体又は溶液である。

図１に示された構成例において、制御コンピュータ１０は、制御手段として機能し、図１に示されている各構成の動作を制御する。制御コンピュータ１０は、パーソナルコンピュータ、専用コンピュータ、その他の情報処理装置により構成される。制御コンピュータ１０は、ユーザーにより入力された測定条件に従って、パルスシーケンスプログラム（命令列）を生成する機能を備えている。パルスシーケンスプログラムはパルスシーケンスを定義するプログラムであり、それを解釈することによって実際のパルスシーケンスが生成される。もちろん、ユーザーがパルスシーケンスを直接的に記述又は指定してもよい。

後に詳述するように、結晶化過程を観測する一連の過程には、複数の特別な工程結合が含まれており、個々の工程結合は溶液測定工程及び固体測定工程からなる。時間軸上において隣接する２つの工程結合の間には磁化回復用待ち時間が設けられるが、個々の工程結合の中には、磁化回復用待ち時間が設けられていないか、又は、それが設けられていたとしてもその時間は従来において必要であった磁化回復用待ち時間よりも短い時間である。

制御コンピュータ１０が、パルスシーケンスに無用な待ち時間が含まれているか否かを自動的にチェックする機能を有していてもよい。あるいは、制御コンピュータ１０が、後述する磁化保存条件を満たすようにパルスシーケンスを構成又は再構成する機能を有していてもよい。

シーケンサ１２は、パルスシーケンスプログラムに従ってパルスシーケンスを生成する。具体的には、シーケンサ１２は、パルスシーケンスに従う送信信号（送信パルス列）が生成されるように、送信部１４の動作を制御している。シーケンサ１２は受信部２８の動作も制御している。送信部１４は信号発生回路、信号加算器、パワーアンプ等を有する電子回路である。送信信号はプローブ１８へ送られている。送信部１４及び受信部２８は送信受信手段として機能する。

プローブ１８は測定手段として機能するものであり、それは、挿入部２０及び基部２２により構成されている。静磁場発生器１６に形成されたボア１６Ａ内に挿入部２０が挿入されている。挿入部２０の下端部に基部２２が設けられている。挿入部２０の先端部分はプローブヘッドを構成しており、その内部には試料管２４が回転可能に設けられている。試料管２４は静磁場方向（ｚ方向）に対して所定角度（マジック角）傾けられた状態で設けられている。符号２６はドライブ用エアの導入経路を示している。プローブヘッド内において、ステーター（回転駆動部）によって試料管が回転自在に保持されており、ドライブ用のエアがステーターへ供給される。そのエアの力により試料管が回転駆動される。

このように、本実施形態のＮＭＲ測定装置においてはＭＡＳ（Magic Angle Spinning）システムが構成されている。後述するように、固体測定時においてはＣＰ（Cross Polarization）が利用されており、それも合わせて考慮するならば、本実施形態のＮＭＲ測定装置は、固体ＮＭＲ測定の観点から見て、ＣＰ−ＭＡＳシステムを構成している。もっとも、試料管を回転させないで固体ＮＭＲ測定を行うことも可能であり、また、ＣＰ以外の手法を利用して固体ＮＭＲ測定を行うことも可能である。

プローブ１８は、送信信号に基づいて試料に対してＲＦ波を照射し、また、試料からのＮＭＲ信号（ＦＩＤ信号）を検出して受信信号を出力する。プローブ１８内にはそのための電気回路が設けられている。その電気回路は、検出コイル、同調用コンデンサ、整合用コンデンサ等を含む。所定処理を経た試料（溶液）が試料管２４の中に収容された上で、その試料管２４がプローブヘッド内にセットされる。

受信部２８は、検波器、Ａ／Ｄ変換器等を有する電子回路である。受信部２８から出力されたデジタル受信信号が解析部３０に送られている。解析部３０は、第１期間ごとに第１期間内で得られた複数の溶液ＦＩＤ信号を加算処理（加算平均処理）し、その加算処理後のＦＩＤ信号に対するＦＦＴ演算により例えば溶液スペクトルを生成する。同様に、解析部３０は、第２期間ごとに第２期間内で得られた複数の固体ＦＩＤ信号を加算処理（加算平均処理）し、その加算処理後のＦＩＤ信号に対するＦＦＴ演算により例えば固体スペクトルを生成する。第１期間と第２期間は同じであっても異なっていてもよい。第１期間ごとに得られる溶液スペクトルに基づいて溶液に対する定量解析、構造解析等が実行される。また、第２期間ごとに得られる固体スペクトルに基づいて固体に対する定量解析、構造解析等が実行される。典型的には、一定時間ごとに、溶液量及び固体量が解析され、それらの解析結果が時間軸上にプロットされる。

上記ＮＭＲ測定装置において実行されるＮＭＲ測定方法の説明に先立って、図２に基づいて比較例を説明する。

図２に示す比較例において、測定過程全体３２は、複数の溶液測定過程３４及び複数の固体測定過程３６からなる。溶液測定過程３４と固体測定過程３６は交互に実行される。個々の溶液測定過程３４には複数の溶液測定工程３８が含まれる。同じく、個々の固体測定過程３６には複数の固体測定工程４２が含まれる。各溶液測定工程３８の前には磁化回復用の待ち時間４０が設けられている。同様に、各固体測定工程４２の前にも磁化回復用の待ち時間４４が設けられている。なお、各溶液測定過程３４及び各固体測定過程３６はそれぞれ加算平均期間として理解され得る。

各溶液測定工程３８では、第１パルスシーケンス４６に従うパルス照射が実行される。第１パルスシーケンス４６は、期間５２において照射される９０°パルス５６を含む。このパルス５６の照射により、溶液中の^１３Ｃの磁化の方向が、ｚ軸方向からｚ軸方向に直交する方向へ変化し、いわゆる横磁化が生じる。その後の検出期間５４において、その横磁化が緩和する過程で生じるＦＩＤ信号が検出される。固体中の^１３Ｃの磁化の緩和時間は溶液中の^１３Ｃの磁化の緩和時間よりも非常に長いので、検出期間５４で検出されるＦＩＤ信号は溶液中の^１３ＣからのＦＩＤ信号であるとみなせる。

一方、各固体測定工程４２では、第２パルスシーケンス４８に従うパルス照射が実行される。第２パルスシーケンス４８は、期間６０で照射される９０°パルス６５、期間６２で実行されるＣＰ（ＣＰ用照射）６６、及び、検出期間６４で実行される^１Ｈデカップリング（デカップリング用照射）６８を含む。９０°パルス６５の照射により^１Ｈで横磁化が生じ、その横磁化がＣＰによって^１Ｈから^１３Ｃへ移される。その横磁化の緩和過程において生じるＦＩＤ信号が検出される。溶液中においてはＣＰによる磁化移動は発生しないので、検出されるＦＩＤ信号は固体中の^１３ＣからのＦＩＤ信号であるとみなせる。この比較例においては、測定過程全体３２に多くの待ち時間４０，４４が含まれる。それが時間分解能を高められない要因となっている。

次に実施形態に係る測定方法について説明する。

図３には第１実施形態に係るＮＭＲ測定方法が示されている。測定過程全体７０には複数の工程結合２００が含まれる。各工程結合２００は、第１測定工程に相当する溶液測定工程７４と、第２測定工程に相当する固体測定工程７６と、からなる。各工程結合２００の前には、磁化回復用の待ち時間２０２が設けられている。但し、各工程結合２００の中には、具体的には溶液測定工程７４と固体測定工程７６との間には、磁化回復用の待ち時間が設けられていない。溶液測定工程７４では、次の固体測定工程７６で利用する磁化が損なわれないようにＮＭＲ測定が実行されている。なお、測定過程全体７０は時間軸上において連なった複数の観測プロセス（観測単位）２０４からなり、個々の観測プロセス２０４は、待ち時間２０２とそれに続く工程結合２００とからなる。

具体的に説明する。溶液測定工程７４では第１パルスシーケンス（第１サブシーケンス）７８に従うパルス列が照射される。第１パルスシーケンス７８には、期間８２において照射される９０°パルス（πパルス、シングルパルス）が含まれる。期間８２に続く検出期間８４において、溶液中の^１３ＣからのＦＩＤ信号が検出される。この溶液測定工程７４では、^１Ｈに対する照射は行われておらず、^１Ｈの磁化は、次の固体測定工程７６の開始時まで維持される。図示の例において、期間８４では、^１Ｈデカップリングは実施されていない。

固体測定工程７６では、第２パルスシーケンス（第２サブシーケンス）８０に従うパルス列が照射される。第２パルスシーケンス８０には、期間８８で照射される９０°パルス９４と、期間９０で実行されるＣＰ（ＣＰ用照射）９６と、検出期間９２で実行される^１Ｈデカップリング（デカップリング用照射）９８と、が含まれる。９０°パルス９４により^１Ｈで横磁化が生じ、その磁化がＣＰにより^１Ｈから^１３Ｃへ移される。検出期間９２では固体中の^１３ＣからのＦＩＤ信号が検出される。固体測定工程７６は^１Ｈ−^１３Ｃ間の双極子相互作用を利用するものであり、具体的には、上述したＣＰ−ＭＡＳ法に従う固体ＮＭＲ測定が実行されている。

第１実施形態においては、先の第１測定工程において、後の第２測定工程で利用する磁化（具体的には^１Ｈ磁化）が残るように、ＮＭＲ測定が実行されているため、第１測定工程と第２測定工程との間に磁化回復用の待ち時間を設ける必要がないという利点を得られる。詳しくは、図３に示されているように、第１パルスシーケンス７８の直後から第２パルスシーケンス８０が開始されており、それらの間に磁化回復用の待ち時間は存在していない。よって、その分だけＮＭＲ測定に要する時間を短縮化できる。測定過程全体７０から見て、図２に示した比較例よりも、総待ち時間を例えば半減することができる。換言すれば、比較例よりも、時間分解能を例えば２倍にできる。これにより比較例では測定できないような速い現象を測定することが可能となる。

次に、図４乃至図８を用いて、第１実施形態についての幾つかの変形例を説明する。以下の各図において、図３に示した要素と同様の要素には同一符号を付し、その説明を省略する。

図４には第１変形例が示されている。第１パルスシーケンス７８Ａは図３に示した第１パルスシーケンス７８と同じであり、第２パルスシーケンス８０Ａは図３に示した第２パルスシーケンス８０と同じである。但し、第１パルスシーケンス７８Ａの完了前から第２パルスシーケンス８０Ａが開始されている。具体的には、検出期間８４における最後の部分期間１００が９０°パルス９４Ａの照射期間とされており、部分的なシーケンス重複が生じている。その切り詰め分だけ工程結合の実行に要する時間を短縮できる。もっとも、部分期間１００は一般にマイクロ秒オーダーの時間幅となるので、時間削減効果は僅かであるとも言える。

図５には第２変形例が示されている。第１パルスシーケンス７８Ｂは図３に示した第１パルスシーケンス７８と同じである。第２パルスシーケンス８０Ｂは図３に示したパルスシーケンス８０から^１Ｈデカップリングを除いたものに相当する（符号１０２を参照）。このように、状況が許すならば、固体ＮＭＲ測定工程において^１Ｈデカップリングを省略してもよい。

図６には第３変形例が示されている。第１パルスシーケンス７８Ｃは図３に示した第１パルスシーケンス７８に対してパルス列（パルス列照射）１０６を追加したものに相当する。第２パルスシーケンス８０Ｃは図３に示したパルスシーケンス８０と同じである。パルス列照射１０６では、例えば、図７に示すように、複数の１８０°パルスが照射される。図７に示したものは例示に過ぎず、最終的に磁化が復元又は維持されるように、パルス列１０６が構成される。例えば９０°パルスを４回照射してもよい。

図８には第４変形例が示されている。第１パルスシーケンス７８Ｄは、図３に示した第１パルスシーケンス７８に対して、９０°パルス１１０及び^１Ｈデカップリング１０４を追加したものに相当する。第２パルスシーケンス８０Ｄは図３に示したパルスシーケンス８０から９０°パルスを除いたものに相当する。９０°パルス１１０により、^１Ｈに横磁化が生じ、その横磁化が、^１Ｈデカップリング１０４を通じてのスピンロックにより、固体ＮＭＲ測定工程の開始時まで維持される。固体ＮＭＲ測定工程では、既に生じている（保存された）^１Ｈ横磁化がＣＰにより^１３Ｃへ移され、固体中の^１３ＣからのＮＭＲ信号が検出される。この第４変形例では、縦磁化ではなく横磁化が維持されているが、先の測定工程において後の測定工程で必要となる磁化が維持又は保存される点で、第１実施形態及びその第１乃至第３変形例と異なるものではない。

第１実施形態において、第１測定工程（溶液測定工程）での観測対象を核Ａと表現し、第２測定工程（固体測定工程）で利用する磁化を核Ｂ磁化と表現し、第２測定工程での観測対象を核Ｃと表現した場合、核Ａと核Ｂは互いに異なり、核Ｂと核Ｃは互いに異なり、核Ａと核Ｃが同じである。つまり、２つの測定工程での観察対象が同一である。もちろん、２つの測定工程での観測対象を異ならせてもよい。例えば、第２測定工程において、^１Ｈ−^１５Ｎ間の双極子相互作用を利用するようにしてもよい。その場合、^１５Ｎが核Ｃとなる。

必要に応じて、第１パルスシーケンス７８と第２パルスシーケンス８０との間に若干のブランク時間を設けるようにしてもよい。但し、そのブランク時間は、磁化回復用の待ち時間ではなく、その時間よりも短い時間である。時間分解能をより高めるためにはそのようなブランク時間は設けない方がよい。

次に図９に基づいて第２実施形態について説明する。第２実施形態では、第１測定工程が固体測定工程１１６であり、第２測定工程が溶液測定工程１１８である。つまり、固体測定工程１１６が先に実行されており、その直後に溶液測定工程１１８が実行されている。第１実施形態と同様、工程結合を構成する２つの測定工程１１６，１１８の間に待ち時間は設けられていない。

固体測定工程１１６では、ＤＱＦ（Double-Quantum-Filter）法に従った測定が実行されている。具体的には、エキサイテーション（Excitation）１２０及びリコンバージョン（Reconversion）１２２を経た上で、９０°パルス１２４が照射され、その後の検出期間１２６においてＦＩＤ信号が検出されている。このＤＱＦ法によれば、照射対象核^１Ｈ以外の核の磁化を維持することが可能であり、つまり、溶液測定工程１１８の開始時において、^１３Ｃの磁化を維持することが可能である。溶液測定工程１１８では９０°パルス１２８が照射される。これにより^１３Ｃにおいて横磁化が生じる。その磁化の緩和過程で生じるＦＩＤ信号が検出期間１３２で検出される。検出期間１３２では^１Ｈデカップリング１３０も実行される。なお、図９に示されている工程結合の前には、第１実施形態と同様に、磁化回復用の待ち時間が設けられる。磁化回復用の待ち時間と工程結合とからなる観測プロセスが繰り返し実行される。

次に図１０に基づいて第３実施形態について説明する。この第３実施形態では、第１測定工程である固体測定工程１４２と、第２測定工程である溶液測定工程１４０と、が同時進行で実行されている。具体的には、上記第２実施形態と同様に、固体測定工程１４２では、ＤＱＦ法に従うエキサイテーション１２０及びリコンバージョン１２２を経た上で、９０°パルス１２４が照射され、その後の検出期間１２６においてＦＩＤ信号が検出されている。ＤＱＦ法によれば、照射対象核^１Ｈ以外の核に影響が及ばないため、溶液測定工程１４０において、９０°パルス１３４が照射された上で、検出期間１３６でＦＩＤ信号が検出される。なお、図１０に示す２つの測定工程１４０，１４２もそれら全体として工程結合と言い得る。工程結合の前には、第１及び第２実施形態と同様に、磁化回復用の待ち時間が設けられる。磁化回復用の待ち時間と工程結合とからなる観測プロセスが繰り返し実行される。

図１１には図１に示したＮＭＲ測定装置において実行される信号処理が概念的に示されている。測定過程全体７０には上記のように複数の工程結合が含まれ、個々の工程結合は溶液測定工程７４と固体測定工程７６とからなる。それらは時間的に連なって実行され、又は同時に実行される。記憶部１５０上には、各溶液測定工程７４で得られたＦＩＤ信号（デジタル受信情報）が順次格納される。それらはＦＩＤ信号列１５２を構成する。同様に、記憶部１５０上には、各固体測定工程７６で得られたＦＩＤ信号（デジタル受信情報）が順次格納される。それらはＦＩＤ信号列１５４を構成する。

加算平均器１５６は、ＦＩＤ信号列１５２に対する加算平均処理を実行し、これにより、加算平均処理後のＦＩＤ信号を生成する。それがＦＦＴ演算器１６０へ送られ、溶液スペクトルが生成される。同様に、加算平均器１５８は、ＦＩＤ信号列１５４に対する加算平均処理を実行し、これにより、加算平均処理後のＦＩＤ信号を生成する。それがＦＦＴ演算器１６０へ送られ、固体スペクトルが生成される。

一定時間間隔で得られる溶液スペクトル及び固体スペクトルがスペクトル解析器１６２において解析される。例えば、溶液量及び固体量が求められる。溶液中の物質構造や固体中の物質構造が解析されてもよい。時間軸上にそれらの解析結果がプロットされる。

溶液用の加算平均処理及び固体用の加算平均処理において、通常、溶液と固体との間で、加算数は同一にされるが、加算数を異ならせてもよい。図２に示した比較例においては、加算数つまり時間分解能が固定されていたが、本実施形態においては、加算数を任意に容易に可変でき、つまり、時間分解能（１つのスペクトルを得るまでの時間）を任意に容易に定めることが可能である。溶液スペクトル及び固体スペクトルの内容から加算数がフィードバック制御されてもよい。いずれにしても、本実施形態によれば、同じ条件の下であれば、比較例よりも待ち時間を大幅に削減できる。

なお、図１１において、記憶部１５０、加算平均器１５６，１５８、ＦＦＴ演算器１６０及びスペクトル解析器１６２は図１に示された解析部３０内に設けられる。その全部又は一部が制御コンピュータ１０の機能として実現されてもよい。

図１２には図１に示したＮＭＲ測定装置の動作例が示されている。Ｓ１０ではユーザーにより測定条件が指定される。Ｓ１２では測定条件に基づいて自動的にパルスシーケンスが生成される。そのパルスシーケンスは複数のサブシーケンスの組み合わせを含む。Ｓ１４においては、パルスシーケンス中において、複数の磁化回復用待ち時間の中で省略可能なものがあるのか否かが判断される。特に先の工程において後工程で利用する磁化が保存されており、このため磁化回復用待ち時間を除外可能なものがあるか否かが判断される。省略可能な待ち時間がある場合、Ｓ１６において、無駄な待ち時間が削減されたパルスシーケンスが自動的に再構成される。その後、Ｓ１８においてパルスシーケンスに従ってＮＭＲ測定が実行される。

図１に示した制御コンピュータ１０に待ち時間チェックを行わせてもよい。あるいは、磁化保存条件が満たされるように、及び、最低限の待ち時間となるように、最初からパルスシーケンスが自動的に構成されるようにしてもよい。

図１３には、以上説明した複数の実施形態に関して観測対象核等が整理されている。第１測定方法は第１実施形態（図３）、第１変形例〜第４変形例（図４乃至図８）に相当する。第２測定方法は、第２実施形態（図９）に相当する。第３測定方法は第３実施形態（図１０）に相当する。第４測定方法は第１実施形態における更なる変形例に相当する（後述するように核Ｃが第三の核である点が第１実施形態と相違する）。符号１６４は第１測定工程及び第２測定工程の前後関係を示している。符号１６６は第１測定工程での観測対象核（核Ａ）を示している。符号１６８は第２測定工程において利用するＣＰの関係（核Ｂ−核Ｃ）を示している。符号１７０は第２測定工程での観測対象核（核Ｃ）を示している。

第１測定方法においては、第１測定工程で、^１３Ｃ（核Ａ）からのＮＭＲ信号が検出され、^１Ｈ（核Ｂ）の磁化が維持される。その後の第２測定工程で、^１Ｈ（核Ｂ）−^１３Ｃ（核Ｃ）のＣＰが利用され、^１３Ｃ（核Ｃ：核Ａと同じ）からのＮＭＲ信号が検出される。第２測定方法においては、第１測定工程で、^１Ｈ（核Ａ）からのＮＭＲ信号が検出され、^１３Ｃ（核Ｂ）の磁化が維持される。その後の第２測定工程で、^１３Ｃ（核Ｃ：核Ｂと同じ）からのＮＭＲ信号が検出される。第３測定方法においては、第１測定工程で、^１Ｈ（核Ａ）からのＮＭＲ信号が検出され、^１３Ｃ（核Ｂ）の磁化が維持される。第１測定工程と同時に実行される第２測定工程で、^１３Ｃ（核Ｃ：核Ｂと同じ）からのＮＭＲ信号が検出される。第４測定方法においては、第１測定工程で、^１３Ｃ（核Ａ）からのＮＭＲ信号が検出され、^１Ｈ（核Ｂ）の磁化が維持される。その後の第２測定工程で、^１Ｈ（核Ｂ）−^１５Ｎ（核Ｃ）のＣＰが利用され、^１５Ｎ（核Ｃ）からのＮＭＲ信号が検出される。核Ｃが^３１Ｐ等であってもよい。

以上説明した各実施形態によれば、第２測定工程で利用する磁化を保存する条件の下で第１測定工程においてＮＭＲ測定が実行され、第２測定工程では、保存された磁化を利用してＮＭＲ測定が実行される。よって、測定全体として見て待ち時間を大幅に削減でき、時間分解能を高められる。化学反応や結晶化の過程において動的に変化する液体及び固体を高い時間分解能をもって観測することが可能となる。本技術は、物理化学の分野において物質及びその変化の解明に役立つものである。例えば、二次電池の開発、解析等において本技術を利用することが考えられる。溶媒に対する溶液ＮＭＲ測定及び固体電極に対する固体ＮＭＲ測定に本技術を適用してもよい。製薬等の分野において本技術を利用することも考えられる。

１０制御コンピュータ、１２シーケンサ、１４送信部、１６静磁場発生器、１８プローブ、２４試料管、２８受信部、３０解析部、７０測定過程全体、７２工程結合、７４溶液測定工程、７６固体測定工程、７８溶液測定用パルスシーケンス（第１サブシーケンス）、８０固体測定用パルスシーケンス（第２サブシーケンス）。

Claims

液体及び固体を含む試料に対して、溶液ＮＭＲ測定及び固体ＮＭＲ測定の内で一方を実行する第１測定工程と、
前記試料に対して前記溶液ＮＭＲ測定及び前記固体ＮＭＲ測定の内で他方の測定を実行する第２測定工程と、
を含み、
前記第１測定工程では、前記第２測定工程の開始時において核Ｂの磁化が残るように、核ＡについてのＮＭＲ測定が実行され、
前記第２測定工程では、前記核Ｂに残った磁化を利用することにより、核ＣについてのＮＭＲ測定が実行され、
前記第１測定工程後の磁化回復用待ち時間なしに前記第１測定工程に続いて前記第２測定工程が実行され、又は、前記第１測定工程と同時進行で前記第２測定工程が実行される、
ことを特徴とするＮＭＲ測定方法。
請求項１記載の方法において、
当該ＮＭＲ測定方法は、化学反応過程又は結晶化過程を間欠的に観測する時間分解測定法であって、観測プロセスを繰り返し実行するものであり、
前記観測プロセスは、
磁化回復用待ち時間と、
前記磁化回復用待ち時間に続く工程結合であって、前記第１測定工程及び前記第２測定工程からなる工程結合と、
により構成される、ことを特徴とするＮＭＲ測定方法。
請求項１記載の方法において、
前記核Ｃは、前記核Ａと同じ核、前記核Ｂと同じ核、又は、前記核Ａ及び前記核Ｂのいずれとも異なる核、である、
ことを特徴とするＮＭＲ測定方法。
請求項１記載の方法において、
前記第２測定工程は前記核Ｂに残った磁化を前記核Ｃに移す磁化移動工程を含む、
ことを特徴とするＮＭＲ測定方法。
請求項４記載の方法において、
前記磁化移動工程は前記核Ｂと前記核Ｃとの間の双極子相互作用を利用する工程である、
ことを特徴とするＮＭＲ測定方法。
請求項１記載の方法において、
前記第１測定工程は、前記液体中の前記核Ａを観測対象とする前記溶液ＮＭＲ測定工程であり、
前記第２測定工程は、前記第１測定工程に続いて実行され、前記固体中の前記核Ｃを観測対象とする前記固体ＮＭＲ測定工程である、
ことを特徴とするＮＭＲ測定方法。
請求項６記載の方法において、
前記固体ＮＭＲ測定工程は、
前記核Ｂの磁化を前記核Ａに移動させる双極子相互作用を利用する磁化移動工程と、
前記磁化移動工程後に前記核ＣからのＦＩＤ信号を検出する検出工程と、
を含む、
ことを特徴とするＮＭＲ測定方法。
液体及び固体を含む試料を収容し、静磁場中に配置される試料容器と、
前記試料に対してＲＦ波を照射し、前記試料からのＮＭＲ信号を検出する測定手段と、
前記測定手段に対して送信信号を供給し、前記測定手段からの受信信号を処理する送信受信手段と、
前記送信受信手段が実行するパルスシーケンスを定める制御手段と、
を含み、
前記パルスシーケンスは第１サブシーケンス及び第２サブシーケンスを含み、
前記第１サブシーケンスは、前記第２サブシーケンスの開始時において核Ｂの磁化が残るように、核ＡについてのＮＭＲ測定を実行するためのサブシーケンスであり、
前記第２サブシーケンスは、前記核Ｂに残った磁化を利用することにより、核ＣについてのＮＭＲ測定を実行するサブシーケンスであり、
前記第１サブシーケンス後の磁化回復用待ち時間なしに前記第１サブシーケンスに続いて前記第２サブシーケンスが実行され、又は、前記第１サブシーケンスと同時進行で前記第２サブシーケンスが実行される、
ことを特徴とするＮＭＲ測定装置。