KR101038562B1 - 고체상 핵자기 공명 프로브 장치 및 그 회로 - Google Patents

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김용애
박태준
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한국외국어대학교 연구산학협력단
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Abstract

고체상 핵자기 공명 프로브 장치 및 그 회로가 개시된다. 본 발명의 일 실시 예에 따른 고체상 핵자기 공명 프로브 회로는 시료가 삽입되도록 시료 모양을 감싸는 형상의 코일; 상기 코일의 일단에 연결되는 커패시터들로 구성되어 관측 핵종의 튜닝 및 매칭을 가능하게 하는 관측 채널 커패시터부; 상기 관측 채널 커패시터부에 제1 펄스를 인가하고, 반사되는 신호를 측정하는 제1 단자; 상기 제1 단자에 연결되어 상기 제1 펄스가 고주파 영역에서 반사되는 신호를 제거하는 트랩; 상기 코일의 타단에 연결되어 프로톤 핵종의 튜닝 및 매칭을 가능하게 하는 디커플 채널 커패시터부; 상기 디커플 채널 커패시터부에 제2 펄스를 인가하고, 반사되는 신호를 측정하는 제2 단자; 및 상기 코일의 타단에 연결되어 프로톤 필터로 동작하는 동축 파장 케이블을 포함한다. 본 발명의 실시 예들에 의하면, 높은 주파수 핵종과 낮은 주파수 핵종 체널 사이의 비간섭정도와 Q 팩터값을 최적화하고, 장동 실험 동안 B1 RF 필드의 균질성을 보여줄 수 있으며, 배향시킨 바이셀 시료에서 1D, 2D NMR 스펙트럼을 성공적으로 얻을 수 있다.

Description

고체상 핵자기 공명 프로브 장치 및 그 회로 {Probe and Probe circuit for solid-state nuclear magnetic resonance}
본 발명은 고체상 핵자기공명 기술에 관한 것으로, 특히, 고체상 핵자기 공명 프로브 장치 및 그 회로에 관한 것이다.
X-ray 결정학(Crystallography)과 액체상 핵자기공명(Nuclear Magnetic Resonance; NMR) 기술은 막단백질 연구를 하는데 있어서 서로 다르게 사용된다. 왜냐하면, 막단백질의 구조와, 기능을 규명하기 위해 필요한 지질(lipids) 의 경우 액체상에서 결정화하는 것이 어려우며, 재배열화 비율이 낮아지기 때문이다.
지질 이중층은 단백질에게 물리적 화학적으로 자연상태와 가장 흡사한 환경을 제공한다. 하지만, 크기가 큰 지질이중층의 분자운동이 느리기 때문에 이를 관측하기 위해서는 고체상 NMR 이 필요하게 된다.
대부분의 이차구조가 Helix를 이루는 막단백질의 구조연구는 지질이중층 이나 바이셀 상에서의 고체상 NMR 실험을 통해 수행될 수 있다. 왜냐하면 이렇게 배향된 시료는 주어진 자장의 방향에 대해서 평행한 축을 갖음으로써 스펙트럼의 단순화를 이끌어 낼 수 있기 때문이다.
지질환경에서 막단백질이 외부 자장에 대해 배향을 이룬 시료의 스펙트럼은 PISEMA(polarization inversion spin exchange at the magic angle )나 매직 센드위치 펄스에 기초를 둔 SAMMY(high resolution separated local field spectroscopy based on magic-sandwich pulses) 같은 1H-15N 이핵종의 쌍극자 커플링 고체상 실험을 통해서 얻을 수 있다. NMR(핵자기 공명) 튜브안에 외부자장에 의해 배향된 시료, 유리 슬라이드에 물리적으로 평행하게 지질 이중층에서 배향된 시료들이 이러한 실험에 사용된다. 특히, 바이셀 시료는 유리판사이에 물리적으로 배향시킨 지질이중층 시료에 비해서 더 만들기도 쉽고, 오랜시간 보관도 용이하게 된다. 이들은 약 1년이상의 시간을 변화없이 견딜 수 있다. 그래서, 최근 자장에 배향된 바이셀 시료는 고체상 NMR 실험에서 막단백질의 구조를 밝히는데 자주 사용되고 있다. 대부분의 생물학적인 시료들은 다량의 물과 염을 함유하고 있기 때문에 다이일렉트릭 성질(dielectric property)을 갖고 있다. 이러한 전기적인 성질은 프로브(Probe)의 Q-factor (quality factor) 값을 감소시키고 특히 튜닝 주파수를 낮은 주파수 값으로 이동시키는 역할을 한다. 게다가, 이러한 생물학적 시료의 경우에 라디오 주파수(Radio Frequency; RF) 실험에서 쉽게 가열되며 잘 안정화되지 않는다.
이러한 연유로 고체상 실험을 위한 생물학적 시료의 실험을 할 수 있는 고(高)파워 수용능력과, 효율을 가진 프로브가 필요하게 된다. 그리고 최근의 이러한 요구에 의해서 많은 프로브가 설계되고 만들어졌다.
지방질 이분자층 또는 바이셀에서의 고체상 NMR 1H-5N 이핵종의 쌍극자 커플링은 막단백질 연구에 큰 도움이 된다. 하지만, 고체상 NMR을 이용해서 생물학적 시료를 연구하기 위해서는 고효율 고내구성의 프로브가 필요하다.
따라서, 본 발명이 이루고자 하는 첫 번째 기술적 과제는 고체상 NMR을 이용한 시료 분석에 적합한 프로브를 위한, 고체상 핵자기 공명 프로브 회로를 제공하는 데 있다.
본 발명이 이루고자 하는 두 번째 기술적 과제는 상기의 고체상 핵자기 공명 프로브 회로를 내장한 고체상 핵자기 공명 프로브 장치를 제공하는 데 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 고체상 핵자기 공명 프로브 회로는 시료가 삽입되도록 시료 모양을 감싸는 형상의 코일; 상기 코일의 일단에 연결되는 커패시터들로 구성되어 관측 핵종의 튜닝 및 매칭을 가능하게 하는 관측 채널 커패시터부; 상기 관측 채널 커패시터부에 제1 펄스를 인가하고, 반사되는 신호를 측정하는 제1 단자; 상기 제1 단자에 연결되어 상기 제1 펄스가 고주파 영역에서 반사되는 신호를 제거하는 트랩; 상기 코일의 타단에 연결되어 프로톤 핵종의 튜닝 및 매칭을 가능하게 하는 디커플 채널 커패시터부; 상기 디커플 채널 커패시터부에 제2 펄스를 인가하고, 반사되는 신호를 측정하는 제2 단자; 및 상기 코일의 타단에 연결되어 프로톤 필터로 동작하는 동축 파장 케이블을 포함한다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 고체상 핵자기 공명 프로브 장치는 시료가 삽입되도록 시료 모양을 감싸는 형상의 코일이 설치된 시료판; 상기 시료판 위에 결합되는 프로브 뚜껑; 상기 시료판 아래에 설치되는 RF 부; 및 상기 RF 부를 감싸는 원통 모양의 비자석 케이스를 포함하고, 상기 RF 부는 상기 코일의 일단에 연결되는 커패시터들로 구성되어 관측 핵종의 튜닝 및 매칭을 가능하게 하는 관측 채널 커패시터부; 상기 관측 채널 커패시터부에 제1 펄스를 인가하고, 반사되는 신호를 측정하는 제1 단자; 상기 제1 단자에 연결되어 상기 제1 펄스가 고주파 영역에서 반사되는 신호를 제거하는 트랩; 상기 코일의 타단에 연결되어 프로톤 핵종의 튜닝 및 매칭을 가능하게 하는 디커플 채널 커패시터부; 상기 디커플 채널 커패시터부에 제2 펄스를 인가하고, 반사되는 신호를 측정하는 제2 단자; 상기 코일의 타단에 연결되어 프로톤 필터로 동작하는 동축 파장 케이블; 및 상기 케이스의 하단에서부터 상기 시료판의 하단 구멍까지 연결되어 상기 하단 구멍에 시료의 온도 조절용 공기를 주입하는 냉각 파이프를 포함한다.
본 발명의 실시 예들에 의하면, 높은 주파수 핵종과 낮은 주파수 핵종 체널 사이의 비간섭정도와 Q 팩터값을 최적화하고, 장동 실험 동안 B1 RF 필드의 균질성을 보여줄 수 있으며, 배향시킨 바이셀 시료에서 1D, 2D NMR 스펙트럼을 성공적으로 얻을 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 고체상 핵자기 공명 프로브 장치의 외관도이다.
도 2a 및 2b는 도 1의 하부 케이스(120)를 도시한 것이다.
도 2c는 도 1의 프로브 장치의 개략적인 내부 구조를 도시한 것이다.
도 2d는 도 1의 고정판(130)을 도시한 것이다.
도 2e는 도 1의 하부 케이스(120)와 고정판(130)을 결합한 모습을 보여준다.
도 2f는 고정판(130) 아래에 포트(140)가 설치되는 포트 구멍(141)의 모습을 보여준다.
도 3a 및 3b는 도 2c의 시료판(111)의 측면을 도시한 것이다.
도 3c 및 3d는 시료판(111)의 상면을 도시한 것이다.
도 4a는 본 발명의 일 실시 예에 따른 고체상 핵자기 공명 프로브 회로를 도시한 것이다.
도 4b는 도 4a의 회로를 RF 부품으로 구성한 예를 도시한 것이다.
도 5a는 도 4b의 커패시터들을 보여준다.
도 5b는 도 5a의 커패시터들이 설치된 예를 보여준다.
도 6a 및 6b는 도 4b의 회로를 이용하여 각각 디커플 채널과 관측 채널에서 측정된 스펙트럼의 예를 도시한 것이다.
도 7은 도 4b의 회로를 이용하여 측정된 일차원 NMR 스펙트럼의 예를 도시한 것이다.
도 8은 도 4b의 회로를 이용하여 측정된 이차원 NMR 스펙트럼의 예를 도시한 것이다.
도 9a 및 도 9b는 도 4b의 회로를 바이셀 시료에 적용하여 측정된 NMR 스펙트럼의 예를 도시한 것이다.
이하에서는 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 설명하기로 한다. 그러나, 다음에 예시하는 본 발명의 실시 예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 다음에 상술하는 실시 예에 한정되는 것은 아니다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 고체상 핵자기 공명 프로브 장치의 외관도이다.
고체상 핵자기 공명 프로브 장치는 코일 및 RF 부품과 이를 감싸는 케이스(110, 120), 고정판(130), 포트부(140) 등으로 구성된다. 케이스는 RF 부품들을 감싸는 원통 모양의 비자석 케이스이다. 예를 들어, 케이스(110, 120)는 알루미늄(aluminum) 6061 파이프를 사용하여 제작될 수 있다. 케이스는 상부 케이스(110)와 하부 케이스(120)로 나누어진다. 상부 케이스(110)를 분리하면 시료가 삽입되도록 시료에 최적인 모양으로 제작된 코일이 나오게 된다.
도 2a 및 2b는 도 1의 하부 케이스(120)를 도시한 것이다.
하부 케이스(120)는 윗면과 아랫면이 뚤린 긴 원통 모양인데, 도 2b의 예에서 보는 바와 같이, 원통의 아랫면은 모서리가 연장되어 고정판(130)의 결합이 용이하게 되어 있다.
도 2c는 상부 케이스(110)를 분리한 모습을 개략적으로 도시한 것이다.
코일(L1)은 시료가 삽입되도록 시료 모양을 감싸는 형상으로 되어 있다. 코일(L1)의 양 끝단은 각각 RF 부(112)에 연결된다.
시료판(111)은 중심에 코일(L1)이 설치되는 판으로, RF 부(112)를 구조적으로 지지하는 역할도 수행한다. 시료판은 폴리옥시메틸렌(PolyOxyMethylene; POM)으로 제작될 수 있다. 시료판(111)의 하부에는 시료의 냉각을 위해 냉각 파이프가 연결될 수 있다.
시료판 위에는 시료판(111)과 유사한 재질로 제작된 프로브 뚜껑(미도시)이 결합될 수도 있다. 프로브 뚜껑(미도시)은 시료의 온도를 제어하기 위해 베리안사의 온도 제어 스텍(예를 들어, Varian solid VT upper stack)과 연결되도록 설계될 수도 있다.
RF 부(112)는 시료판(111) 아래에 설치되는데, 커패시터, 인덕터(Inductor), 동축 케이블 등을 포함할 수 있다. RF 부(112)가 설치되는 자리를 프로브 헤드(Probe Head)라고 한다. RF 부(112)에는 관측 채널 측정용 단자(이하 '제1 단자')와 디커플 채널(Decouple Channel)용 단자(이하 '제2 단자')가 있는데, 각각의 단자에는 신호 측정용 케이블 즉, 포트부(140)가 연결된다.
고정판(130)으로부터 RF 부(112)까지의 거리 즉, 하부 케이스(120)의 높이는 프로브가 자기장을 발생시키는 외부 유닛에 삽입되었을 때, 코일(L1)이 자기장의 중심에 위치하도록 결정된다.
도 2d는 도 1의 고정판(130)을 도시한 것이다. 고정판(130)은 하부 케이스(120)와 동일하게 신호 측정용 케이블이 지날 수 있도록 중앙에 홀이 있다. 고정판(130)의 가장 자리에는 볼트 등을 결합할 수 있게 하는 홀들이 마련될 수 있다. 여기에 체결되는 볼트 등은 프로브 장치를 자기장을 발생시키는 외부 유닛에 고정시키는 데에 사용된다. 도 2d에 표시된 홀들 간의 간격(22.5°)은 예시에 불과하다. 도 2e는 도 1의 하부 케이스(120)와 고정판(130)을 결합한 모습을 보여준다.
도 2f는 고정판(130) 아래에 포트부(140)가 설치되는 포트 구멍(141)의 모습을 보여준다. 신호 측정용 케이블은 RF 부(112)에서 포트 구멍(141)까지 연결된다.
도 3a 및 3b는 도 2c의 시료판(111)의 측면을 도시한 것이다. 시료판 하부의 긴 막대관은 냉각 파이프가 연결되어 시료의 온도를 조절하도록 해준다.
도 3c 및 3d는 시료판(111)의 상면을 도시한 것이다. 시료판(111)의 상면에는 시료가 삽입될 수 있는 코일(L1)이 설치된다.
도 4a는 본 발명의 일 실시 예에 따른 고체상 핵자기 공명 프로브 회로를 도시한 것이다.
코일(L1)은 시료가 삽입되도록 시료 모양을 감싸는 형상으로 제작된다.
관측 채널 커패시터부(410)는 코일(L1)의 일단에 연결되는 커패시터들로 구성되어 관측 핵종의 튜닝(Tuning) 및 매칭(Matching)을 가능하게 한다.
제1 단자는 관측 채널 커패시터부(410)에 제1 펄스를 인가하고, 반사되는 신호를 측정한다.
트랩(420)(Trap)은 제1 단자에 연결되어 제1 펄스가 고주파 영역에서 반사되는 원치 않는 여분의 펄스신호를 제거한다.
디커플 채널 커패시터부(430)는 코일(L1)의 타단에 연결되어 프로톤 핵종의 튜닝 및 매칭을 가능하게 한다.
제2 단자는 디커플 채널 커패시터부(430)에 제2 펄스를 인가하고, 반사되는 신호를 측정한다. 제1 단자 및 제2 단자는 포트부(140)에 연결된다.
동축 파장 케이블(440)은 코일의 타단에 연결되어 프로톤 필터로 동작한다.
도 4b는 400 MHz 와이드보어 1H, 15N 이중공명(double resonance)프로브의 회로도이다.
L1은 시료가 들어가는 시료코일을 나타낸다. L1은 다섯 바퀴 원형으로 감긴 코일(Round Solenoidal Coil)이다. 예를 들어, L1은 5mm 코일일 수 있다. 보다 구체적으로, L1은 금박평편선(gold-plated flat wire)를 사용하여 5바퀴 감긴 원형코일로 제작될 수 있다. 예를 들어, L1의 감긴 모양은 막단백질 시료에 사용하는 유리튜브(외경=5mm, 길이=15mm, 유리튜브의 두께= 0.4mm)에 최적화된 필링펙터(Filling Factor)를 얻을 수 있도록 설계될 수 있다.
도 4b의 회로에서는 400MHz 1H-5N 두 가지 핵종 모두 튜닝이 가능하다. C는 커패시터를 나타낸다. C3 와 C4 는 400MHz에 해당하는 디커플 주파수의 튜닝 및 매칭을 가능하게 하는 커패시터이다. C1과 C2는 관측 핵종(40MHz)의 튜닝 및 매칭을 가능하게 하는 커패시터이다.
커패시터 C1, C2 그리고 C6는 낮은 주파수의 관측 핵종(15N)의 튜닝 및 매칭을 위한 것이다. 커패시터 C1, C2, C3, C4는 1~10 pF의 범위를 갖고있는 가변 커패시터이다. 고정 커패시터의 값은 C5 = 22 pF, C6 = 95 pF, C7 = 3.9 pF 등 이다.
보다 구체적으로, 질소 핵종 채널(Nitrogen Channel)을 관측할 수 있도록 튜닝과 매칭한 커패시터 C1과 C2, 프로톤 핵종 체널(Proton Channel)의 관측가능도록 매칭(matching) 커패시터 C3 와 C4는 모두 비자석(Nonmagnet)이며, 높은 볼트(Voltage) 가변 커패시터(Variable Capacitor)이다. 이 커패시터들은 1~10pF 의 커패시턴스(Capacitance) 범위를 갖을 수 있다. C5, C6, 및 C7은 고정값 커패시터들이며 각각 22 pF, 95 pF, 3.9 pF의 값을 가질 수 있다. 도 5a는 도 4b의 커패시터들을 보여준다. 도 5b는 도 5a의 커패시터들이 설치된 예를 보여준다. 커패시터들은 시료판과 연결되는 냉각 파이를 중심으로 둘레에 설치될 수 있다.
높은 주파수의 디커플 채널(1H)을 위하여 커패시터 C3, C4 및 C7 이외에, λ/4 동축 파장 케이블(Coaxial Wave Length Cable)이 사용된다. λ는 공명 파장을 나타내는데, λ/4(동축 파장 케이블의 길이)를 계산하는 방법은 수학식 1과 같다.
Figure 112010012564700-pat00001
수학식 1에서, c는 빛의 속도를 나타내며 , ν는 프로톤(proton) 체널의 주파수를 나타내고, ε은 coaxial 케이블의 다이일랙트릭 상수(dielectric constant)를 나타낸다. 공명 주파수가 400MHz일 때, 동축 파장 케이블의 길이는
Figure 112010012564700-pat00002
= 12.5 (cm)가 된다.
신호 측정용 케이블로 PTFE 다이일렉트릭 세미그리드(semirigid) 동축 케이블이 사용될 수 있다. 이 케이블을 사용하는 경우, 프로브 회로와 프로브 포트 사이의 트렌스미팅(transmitting)과 리시빙(receiving)을 수행하면서 더 높은 파워의 수용능력을 갖출 수 있다.
인덕터 L2와 고정값 커패시터 C5는 높은 주파수 영역의 반사되는 펄스를 제거하기 위한 트랩으로 사용된다. 인덕터 L2 는 2.5mm 의 구리선을 1/2 꼬아서 제작될 수 있다. L2-C5 트랩은 항상 디커플 체널의 효과적인 튜닝을 가능하게 하고, 디커플 체널과 관측체널 사이의 분리도(Isolation)를 높게 해준다.
모든 RF 부품들은 그라운드(Ground) 접지되어 있는 회로에 납땜된다. 또한, RF 부품과 프로브 뚜껑 사이의 확실한 접지를 위해서, 구리핑거(Copper Fingers)를 사용할 수도 있다.
공명회로의 전기적인 측정은 네트워크 분석기(예를 들어, Hewlett Packard 3753C)를 통해 이루어질 수 있다. 프로브가 자석(Magnet)에 들어가고 난 후에 프로브 회로의 공명 측정은 베리안 NMR에 내장된 소프트웨어(예를 들어, 베리안사의 분광 소프트웨어(Varian spectrometer software (VNMRJ 2.1B)))를 통해 수행될 수 있다.
이하에서는 상술한 프로브 장치를 이용하여 수행한 고체상 NMR 실험 예에 대해 설명한다.
이 실험은 400MHz(9.4T) WB magne에서 수행하였고 베리안사의 분광기(Varian unityINOVA Spectrometer)가 사용되었다. 기존 프로브 (Varian 4-mm T3 CP/MAS probe) 와의 비교실험도 수행하였다. 본 발명의 일 실시 예에 따른 프로브는 50 mM CuSO4-doped water 시료의 프로톤 공명을 관측하여 자석의 스윗스팟(sweet spot) 에 위치시켰다. 50 mM CuSO4-doped water 시료의 프로톤 공명 신호를 통해서 쉼(preshimming)을 수행하여 자석의 비균질성(heterogeneity)을 최소화시켰다. DPO (Digital Phosphor Oscilloscope)를 이용하여 프로브에 들어가는 RF를 측정하였다. 회로의 효율과 자장을 균일하게 느끼는 정도(B1 RF 필드 균질성(homogeneity))를 측정하기 위해서, 50 mM CuSO4-doped water 시료와 1H 및 15N 핵종을 모두 측정할 수 있는 15N 표지(labeled)된 글라이신(glycine) 시료를 사용하였다.
NAL (15N acetyl-leucine) 시료의 일차원 15N NMR 스펙트럼을 SPINAL-64 1H 디커플링 펄스 시퀀스(pulse sequence)에서 1.0 ms CP(cross polarization), 50 kHz 의 B1 RF 세기를 24.6 ms 의 획득 기간(acquisition period)으로 측정하였다. NAL 시료의 이차원 1H-15N 이핵종(heteronuclear) 쌍극자 커플링(dipolar coupling) 고체상 NMR의 스팩트럼도 SAMMY 펄스 시퀀스(pulse sequence)를 이용해서 얻었다. 128 t1 증가분(increments) 와 1024 t2 complex points 가 사용되었다. 각각의 증가분(increments)은 15N 신호당 8 스캔(scans)을 얻었다. 모든 15N 화학 이동(chemical shifts)은 황산암모늄(ammonium sulfate)의 15N 공명인 26.8 ppm 으로 맞추었다.
도 6a 및 6b는 50 mM CuSO4-doped water 와 15N 표지된 글라이신 시료의 1H 및 15N B1 장동 프로파일이다.
프로브의 효율은 A810°/A90°가 70% 이상이면 우수하다고 할 수 있다. 도 6a는 1H 채널의 RF 균질성에 대해, 0.2 μs 에서 시작하여 0.2 μs 의 간격을 가지는 스팩트럼을 보여준다. A 90°펄스길이(pulse length)는 2.2 μs 로 300 W 의 파워를 얻을 수 있다. A810°/A90° = 71 % 이다. 도 6b는 15N 채널의 RF 균질성에 대해, 0.5 μs 에서 시작하여 0.5 μs 간격을 두고 진행한 스펙트럼을 보여준다. A 90°펼스길이는 3.0 μs 이고 850 W 파워를 얻을 수 있다. A810°/A90° = 81 %이다.
도 7은 NAL 단일결정시료(single crystal sample)의 일차원 15N 화학 이동 NMR 스펙트럼을 보여준다.
스펙트럼은 5mm 원형의 두 가지 핵종의 튜닝이 가능한 RF 코일(double-tuned solenoidal round RF coil) 프로브를 이용하여 9.4T 의 자장에서 297K 에서 얻은 것이다. 1024 데이터 포인트는 62 kHz의 B1 필드 CP와 1 ms의 믹싱 시간(mixing time), 5s 재생 지연(recycle delay)으로 얻은 것이다. 전체 획득(acquisition) 시간은 25.3 ms 이고 누적값(accumulations)은 128 이다. 비록 각각의 분자는 오직 1H-5N 결합을 갖고 있지만 4개의 공명을 볼 수 있는데, 이는 결정의 4개의 다른 형태적 위치(conformational sites)를 갖고 있기 때문이다. 공명이 샤프(sharp)할 수록 프로브의 효율이 높다고 할 수 있는데, 도 7의 스펙트럼은 실험에 사용된 프로브의 높은 효율을 보여준다.
도 8은 도 4b의 회로를 이용하여 측정된 이차원 NMR 스펙트럼의 예를 도시한 것이다.
단일결정 NAL 시료의 이차원 1H-15N 이핵종 쌍극자 커플링/15N 화학 이동 SAMMY 스펙트럼이다. 스펙트럼은 5mm의 두가지 핵종의 튜닝이 가능한 RF 코일을 갖고있는 프로브를 1H의 공명 주파수가 400 MHz 인 9.4T 의 자장에서 298 K 에서 얻은 것이다. B1 필드는 62 kHz, 1 ms CP 믹싱 시간, 5s 재생 지연, 25.3 ms 획득 시간으로 이핵종 디커플링에 적합한 SPINAL-64 펄스 시퀀스를 이용해 얻은 것이다.
이는 400 MHz인 1H의 공명 주파수에서의 SAMMY 펄스 시퀀스를 통해 얻은 것이다. 128 t1 증가분, 8 전이값, 총 획득시간(Total Acquisition Time)은 1 시간 26 분이다. π/2 펄스는 4.0 ms로 계산되었고 B1 필드 세기는 CP 컨택(contact) 기간 동안 하르트만-한 매치(Hartmann-Hahn match)에 적합하다. 쌍극자 축은 1.37로, 스케일링 팩터(scaling factor) 측정에 적합하도록 하였다. 스펙트럼은 화학 이동에서 6 ppm 의 평균 라인폭(Line Width)을 보여주고 쌍극자 디멘션(dipolar dimension)에서 평균 280 Hz의 라인폭을 보여준다. 도 8에서 4개의 점이 서로 붙지 않은 것은 이 실험에 사용된 프로브의 성능이 우수함을 보여준다.
이 실험에 사용된 프로브는 짧은 펄스시간, 높은 파워 수용능력 그리고 좋은 RF 균질성을 제공함을 알 수 있다.
도 9a 및 도 9b는 본 발명의 일 실시 예에 따른 프로브를 사용한 hAPP-TM 펩타이드의 NMR 실험의 결과를 도시한 것이다.
도 9a는 일차원 15N 화학 이동 스펙트럼이고 도 9b는 hAPP-TM 펩타이드의 이차원 1H-15N SAMMY 스펙트럼으로 hAPP-TM 펩타이드를 14-O-PC/6-O-PC (q=3.2) 바이셀(bicelles) 배향시켜서 자장방향에 대해서 평행한 방향으로 배향될 수 있도록 하였다. 배향된 인산지질 이중층 바이셀 시료에 대해 적절한 프로브가 없는 상황에서 본 발명의 일 실시 예는 바이셀에 최적화된 프로브를 제공할 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 프로브의 1H 및 15N 체널 Q 팩터(Q-factors) 는 수학식 2와 같이, 리플렉트(reflected)된 파워와 주파수의 비율로 계산된다.
Figure 112010012564700-pat00003
여기에서 f 0 는 각각의 공명 주파수를 나타내고, f 1 과 f 2 는 전체 각각 공명 주파수의 전체를 반영한 베이스라인(baseline)으로부터 -3 dB 의 주파수값이다. 본 발명의 일 실시 예에 따른 프로브는 두 핵종 모두에서 250이 넘는 높은 Q 팩터값을 보여준다.
1H 과 15N 채널의 비간섭정도(isolation)는 높은 주파수에서 낮은 주파수 방향으로 26 dB 이고, 반대 방향으로 25 dB 이었다. 이러한 높은 비간섭정도(isolation)와 Q 팩터값은 본 발명의 일 실시 예에 따른 프로브가 높은 분해능(resolution)의 고체상 NMR 실험 수행에 충분한 능력을 갖추었음을 보여준다.
본 발명의 일 실시 예에 따라 제작된 400 MHz 1H-5N 홈빌트 원형코일 프로브(home-built round coil probe)의 RF 수행정도는 표 1에 요약되어 있다.
Figure 112010012564700-pat00004
본 발명을 위한 연구는 the GRRC Program of Gyeonggi Province [GRRC HUFS 2009-A03] 와 KBSI [KMeP Y.H. Jeon]에 의해 지원받은 것이다.
본 발명은 도면에 도시된 일 실시 예를 참고로 하여 설명하였으나 이는 예시적인 것에 불과하며 당해 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 실시 예의 변형이 가능하다는 점을 이해할 것이다. 그리고, 이와 같은 변형은 본 발명의 기술적 보호범위 내에 있다고 보아야 한다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해서 정해져야 할 것이다.

Claims (9)

  1. 시료가 삽입되도록 시료 모양을 감싸는 형상의 코일;
    상기 코일의 일단에 연결되는 커패시터들로 구성되어 관측 핵종의 튜닝 및 매칭을 가능하게 하는 관측 채널 커패시터부;
    상기 관측 채널 커패시터부에 제1 펄스를 인가하고, 반사되는 신호를 측정하는 제1 단자;
    상기 제1 단자에 연결되어 상기 제1 펄스가 고주파 영역에서 반사되는 여분의 펄스 신호를 제거하는 트랩;
    상기 코일의 타단에 연결되어 프로톤 핵종의 튜닝 및 매칭을 가능하게 하는 디커플 채널 커패시터부;
    상기 디커플 채널 커패시터부에 제2 펄스를 인가하고, 반사되는 신호를 측정하는 제2 단자; 및
    상기 코일의 타단에 연결되어 프로톤 필터로 동작하는 동축 파장 케이블을 포함하는, 고체상 핵자기 공명 프로브 회로.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 트랩은
    상기 제1 단자에 연결된 인덕터와 그라운드에 접지된 고정값 커패시터가 직렬로 연결된 구조인 것을 특징으로 하는, 고체상 핵자기 공명 프로브 회로.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 동축 파장 케이블은
    상기 코일의 타단과 그라운드 사이에 공명 파장의 1/4 길이로 연결된 케이블인 것을 특징으로 하는, 고체상 핵자기 공명 프로브 회로.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 코일은
    금박평편선으로 제작된 것을 특징으로 하는, 고체상 핵자기 공명 프로브 회로.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 관측 채널 커패시터부는
    상기 제1 단자와 상기 코일의 일단 사이에 연결된 가변의 제1 커패시터;
    상기 코일의 일단과 그라운드 사이에 연결된 가변의 제2 커패시터; 및
    상기 코일의 일단과 그라운드 사이에 연결된 고정값의 제6 커패시터를 포함하고,
    상기 디커플 채널 커패시터부는
    상기 제2 단자와 제1 노드 사이에 연결된 가변의 제3 커패시터;
    상기 제1 노드와 그라운드 사이에 연결된 가변의 제4 커패시터; 및
    상기 코일의 타단과 제1 노드 사이에 연결된 고정값의 제7 커패시터를 포함하는 것을 특징으로 하는, 고체상 핵자기 공명 프로브 회로.
  6. 시료가 삽입되도록 시료 모양을 감싸는 형상의 코일이 설치된 시료판;
    상기 시료판 위에 결합되는 프로브 뚜껑;
    상기 시료판 아래에 설치되는 RF 부; 및
    상기 RF 부를 감싸는 원통 모양의 비자석 케이스를 포함하고,
    상기 RF 부는
    상기 코일의 일단에 연결되는 커패시터들로 구성되어 관측 핵종의 튜닝 및 매칭을 가능하게 하는 관측 채널 커패시터부;
    상기 관측 채널 커패시터부에 제1 펄스를 인가하고, 반사되는 신호를 측정하는 제1 단자;
    상기 제1 단자에 연결되어 상기 제1 펄스가 고주파 영역에서 반사되는 여분의 펄스 신호를 제거하는 트랩;
    상기 코일의 타단에 연결되어 프로톤 핵종의 튜닝 및 매칭을 가능하게 하는 디커플 채널 커패시터부;
    상기 디커플 채널 커패시터부에 제2 펄스를 인가하고, 반사되는 신호를 측정하는 제2 단자;
    상기 코일의 타단에 연결되어 프로톤 필터로 동작하는 동축 파장 케이블; 및
    상기 케이스의 하단에서부터 상기 시료판의 하단 구멍까지 연결되어 상기 하단 구멍에 시료의 온도 조절용 공기를 주입하는 냉각 파이프를 포함하는, 고체상 핵자기 공명 프로브 장치.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 트랩은
    상기 제1 단자에 연결된 인덕터와 그라운드에 접지된 고정값 커패시터가 직렬로 연결된 구조인 것을 특징으로 하는, 고체상 핵자기 공명 프로브 장치.
  8. 제 6 항에 있어서,
    상기 동축 파장 케이블은
    상기 코일의 타단과 그라운드 사이에 공명 파장의 1/4 길이로 연결된 케이블인 것을 특징으로 하는, 고체상 핵자기 공명 프로브 장치.
  9. 제 6 항에 있어서,
    상기 관측 채널 커패시터부, 상기 트랩, 상기 디커플 채널 커패시터부 및 상기 동축 파장 케이블은
    상기 냉각 파이프를 중심으로 둘레에 설치되는 것을 특징으로 하는, 고체상 핵자기 공명 프로브 장치.
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