KR101812964B1 - 원편광 rf를 사용하는 동적 핵자화 극저자기장 핵자기 공명 장치 및 그 측정 방법 - Google Patents

원편광 rf를 사용하는 동적 핵자화 극저자기장 핵자기 공명 장치 및 그 측정 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 저자기장 핵자기 공명 장치 및 그 측정 방법을 제공한다. 이 저자기장 핵자기 공명 장치는 동적 핵자화 물질이 주입된 측정 대상의 주위에 배치되고 상기 측정 대상에 동적 핵자화 효과를 발생시키기 위한 제1 방향 및 제2 방향으로 각각 시변 자기장을 인가하는 서로 수직한 두 개의 원편광 RF 코일; 상기 측정 대상의 자기 공명 신호를 측정하는 센서부; 상기 측정 대상에 측정 자기장을 인가하는 측정 자기장 코일; 및 상기 측정 대상에 사전 자화 자기장을 인가하는 사전 자화 자기장 코일을 포함한다. 상기 원편광 RF 코일은 기준 신호와 상기 기준 신호에 대하여 ±90도 위상 차이를 가진 수직 신호를 각각 제공받는다.

Description

원편광 RF를 사용하는 동적 핵자화 극저자기장 핵자기 공명 장치 및 그 측정 방법{Dynamic Nuclear Polarization Ultra-Low Field Nuclear Magnetic Resonance Apparatus Using Circularly Polarized RF And The Measuring Method of The Same}
본 발명은 극저 자기장 환경에서 동적 핵자화 효과를 발생시키는 극저 자기장 핵자기 공명 장치에 관한 것으로, 단일 코일로 생성되는 선편광된 RF가 아닌 두 개의 수직한 코일을 이용하여 생성되는 원편광 RF를 이용하는 동적 핵자화 극저자기장 핵자기 공명 장치에 관한 것이다.
동적 핵자화(DNP; Dynamic Nuclear Polarization)는 가장 먼저 이론적으로 예측한 오버하우저(Overhauser)의 이름을 따서 오버하우저(Overhauser) 효과라고도 알려져 있다. 동적 핵자화는 전자 스핀과 핵스핀이 상호작용할 때, 전자 스핀에 연속파(Continuos Wave; CW) 마이크로파를 가해줌으로써 포화(saturation) 시킬 경우 수반되는 현상이다. 상기 동적 핵자화에서 핵자기공명(NMR) 신호에 기여하는 핵 스핀의 자화가 열평형 상태에서 얻을 수 있는 것보다 훨씬 커질 수 있다. 현재 동적 핵자화 효과는 다양한 분야에서 핵자기공명 신호의 크기를 증폭하기 위한 용도로 사용되고 있다.
핵자기 공명(NMR; Nuclear Magnetic Resonance)에서 신호의 크기를 결정하는 것은 시료에 포함된 핵 스핀들이 자기장 방향으로 얼만큼 정렬되어 있는지 나타내는 자화(magnetization)의 크기이다. 이 자화의 크기는 자기장 세기에 비례하므로 통상적인 경우, 고자기장을 위한 핵자기공명 장치의 개발이 주가 되어왔다. 그러나 고자기장 핵자기공명 장치의 경우, 자기장을 발생하기 위해서 초전도 자석이라는 매우 규모가 큰 실험장치를 운용하여야 한다. 따라서, 신호의 크기가 작다는 단점에도 불구하고 지구자기장 또는 그 이하의 환경에서의 핵자기 공명에 대한 연구 역시 지속적으로 이루어져 왔다. 낮은 자기장의 한계를 극복하기 위하여 특별한 기술들을 사용할 필요가 있는데, 그 중에 하나가 바로 동적핵자화 기법이다.
본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는 극저 자기장에서 발생되는 동적 핵자화의 효율을 비약적으로 향상시키고, 그 결과 극저 자기장 환경에서 동적 핵자화를 이용하여 증폭된 핵자기공명 신호를 측정하는 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 저자기장 핵자기 공명 장치는 동적 핵자화 물질이 주입된 측정 대상의 주위에 배치되고 상기 측정 대상에 동적 핵자화 효과를 발생시키기 위한 제1 방향 및 제2 방향으로 각각 시변 자기장을 인가하는 서로 수직한 두 개의 원편광 RF 코일; 상기 측정 대상의 자기 공명 신호를 측정하는 센서부; 상기 측정 대상에 측정 자기장을 인가하는 측정 자기장 코일; 및 상기 측정 대상에 사전 자화 자기장을 인가하는 사전 자화 자기장 코일을 포함한다. 상기 원편광 RF 코일은 기준 신호와 상기 기준 신호에 대하여 ±90도 위상 차이를 가진 수직 신호를 각각 제공받는다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 원편광 RF 코일에 RF 신호를 제공하는 RF 발생기; 및 상기 RF 발생기와 상기 원편광 RF 코일 사이에 배치되어 임피던스를 정합시키는 임피던스 매칭부를 더 포함한다. 상기 RF 발생기는 기준 신호와 상기 기준 신호에 ±90도 위상 차이를 가진 수직 신호를 발생시키는 RF 신호 발생기; 상기 기준 신호와 상기 수직 신호를 각각 스위칭하는 스위치부; 상기 스위치부를 통과한 상기 기준 신호와 상기 수직 신호를 각각 증폭하는 증폭부; 및 증폭된 기준 신호와 증폭된 수직 신호를 각각 스위칭하는 릴레이부;를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 원편광 RF 코일은 상기 제2 방향을 감싸도록 배치된 복수의 턴으로 구성된 제1 RF 코일; 및 상기 제2 방향에 수직한 상기 제1 방향을 감싸도록 배치된 복수의 턴으로 구성된 제2 RF 코일을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 사전 자화 자기장은 상기 제1 방향 및 상기 제2 방향에 수직한 제3 방향으로 발생되고, 상기 측정 자기장은 상기 제1 방향으로 형성될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 저자기장 핵자기 공명 측정 방법은 상기 측정 대상에 동적 핵자화 물질을 주입하는 단계; 상기 측정 대상에 사전 자화 자기장을 인가하는 단계; 상기 측정 대상에 원편광 RF 자기장을 인가하는 단계; 및 상기 사전 자화 자기장 및 상기 원편광 RF 자기장을 제거한 후, 측정 자기장을 인가하면서 상기 측정 대상에서 핵자기 공명 신호를 측정하는 단계를 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 동적 핵자화 물질은 TEMPO이고, 상기 원편광 RF 자기장의 주파수는 70 MHz 내지 74 MHz이고, 상기 사전 자화 자기장의 세기는 100 마이크로테슬라 이하일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 동적 핵자화 극저자기장 핵자기 공명 장치는 원편광 RF 자기장을 사용하여 선편광 RF 자기장의 경우보다 수십 배 이상의 NMR 신호를 얻을 수 있다.
도 1은 4-Hydroxy-TEMPO 분자의 형태이다.
도 2는 100 마이크로 테슬라(μT )이하의 극저자장 환경에서 TEMPO 스핀의 에너지 구조를 계산한 결과이다.
도 3은 주파수에 따른 TEMPO 수용액의 동적핵자화 증폭 효과의 이론적 예측이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 원편광 RF를 이용한 극저자기장 동적핵자화 장치를 설명하는 개념도이다.
도 5a는 도 4의 2 개의 원편광 RF 코일과 측정 대상시료을 나타내는 분해사시도이다.
도 5b는 도 5a의 코일에 의해서 생성되는 원편광 RF 파워(power)의 공간 분포를 나타내는 시뮬레이션 결과이다. 원편광 RF 파워는 코일의 중심에 대한 상대적인 값으로 나타나 있다.
도 5c는 제1 방향 및 제3 방향에 의하여 정의된 평면에서 원편광 RF 파워의 분포를 나타내는 시뮬레이션 결과이다. 원편광 RF 파워는 코일의 중심에 대한 상대적인 값으로 나타나 있다.
도 5d는 제2 방향 및 제3 방향에 의하여 정의된 평면에서 원편광 RF 파워의 분포를 나타내는 시뮬레이션 결과이다. 원편광 RF 파워는 코일의 중심에 대한 상대적인 값으로 나타나 있다.
도 5e는 제1 방향 및 제2 방향에 의하여 정의된 평면에서 원편광 RF 파워의 분포를 나타내는 시뮬레이션 결과이다. 원편광 RF 파워는 코일의 중심에 대한 상대적인 값으로 나타나 있다.
도 6은 동적핵자화를 이용해 증폭된 NMR 신호를 측정하기 위한 펄스 시퀀스이다.
도 7은 Bp 자기장을 변화 시키면서 원편광 및 선편광 RF를 통해서 증폭된 신호의 크기를 실험으로 측정하여 비교한 결과이다.
이하 본 발명에 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예와 결과 등에 대해 설명하고자 한다. 이하의 실시 예와 결과는 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다. 또한 설명의 편의를 위하여 도면에서는 구성 요소들이 그 크기가 과장 또는 축소될 수 있다.
도 1은 4-Hydroxy-TEMPO 분자의 형태이다.
도 2는 100 마이크로 테슬라(μT )이하의 극저자장 환경에서 TEMPO 스핀의 에너지 구조를 계산한 결과이다.
도 3은 주파수에 따른 TEMPO 수용액의 동적핵자화 증폭 효과의 이론적 예측이다.
도 1 내지 도 3을 참조하면, 핵자기공명에서 동적 핵자화를 발생시키기 위해서는 전자 스핀이 추가적으로 필요하다. 이를 위해서 가장 흔하게 사용되는 방법이 질산화 라디칼인 TEMPO((2,2,6,6-Tetramethylpiperidin-1-yl)oxyl)를 측정하고자 하는 용매에 녹이는 것이다. TEMPO 분자는 하나의 자유 전자를 가지고 있어, 액체 상태에서 이 전자는 용매 분자의 핵스핀들과 상호작용 할 수 있다. 따라서 동적핵자화 과정을 통해 용매의 핵자기공명 신호 크기를 증폭시킬 수 있다.
그러나 지구 자기장 이하의 극저 자기장에서 TEMPO를 사용할 경우, 신호의 증폭률이 이론적 예측과 달리 매우 작아지며, 자기장이 낮을수록 증폭된 핵자기공명 신호도 점점 작아진다. 이런 결과는 자기장이 낮을수록, TEMPO를 이용한 동적핵자 방법의 장점이 사라지는 것을 의미한다. 이 현상은 TEMPO의 경우 극저 자기장에서 자기장 방향(+)과 그 반대 방향(-)의 증폭이 겹치기 때문에 발생하는 것으로 해석된다. TEMPO 전자스핀의 에너지와 질소 핵스핀과의 초미세(hyperfine) 상호작용으로 인한 에너지 구조 때문에 발생된다.
따라서, 극저 자기장 환경에서 TEMPO를 이용하여 동적핵자화 효과를 발생시키기 위해서는 +와 -증폭의 겹침으로 인한 전체 신호증폭을 감소 문제를 해결할 필요가 있다.
본 발명에서는 단일 코일을 통해 발생되는 선형 편광된 RF가 아닌, 두 개의 직교하는 코일을 이용해 발생되는 원편광 RF를 이용하여, 질산화 라디칼(TEMPO) 수용액을 대상으로 동적 핵자화 효과를 유발시킨다.
도 2 및 도 3을 참조하면, 극저 자기장 하에서 TEMPO 스핀의 에너지 구조에서 동적 핵자화를 위해서 사용되는 것은 상태 1과 6 사이의 전이(T16)와 상태 4와 5 사이의 전이(T45)이다. T16과 T45가 반대 방향으로 NMR 신호를 증폭한다. 선편광 RF를 사용할 경우 T16과 T45가 동시에 발생하므로 그 합(E)가 최종적인 증폭률을 결정하게 된다.
원편광 RF의 경우, 방향성(polarity) 즉, 회전 방향에 따라 Δm=+1 또는 Δm=-1 조건을 만족하는 에너지 상태들만 여기(excitation)될 수 있다. TEMPO의 경우, T16은 Δm=+1, T45는 Δm=-1 에 해당하므로, 둘 중 하나만 원편광 RF를 통해서 여기 된다. 따라서, 선편광 RF를 사용할 때, T16과 T45가 동시에 여기 되는 문제가 원편광 RF의 경우에는 발생하지 않는다. 그 결과 동적 핵자화의 효율이 원편광 RF를 사용할 때 비약적으로 상승한다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 원편광 RF를 이용한 극저자기장 동적핵자화 장치를 설명하는 개념도이다.
도 5a는 도 4의 2 개의 원편광 RF 코일과 측정 대상시료을 나타내는 분해사시도이다.
도 5b는 도 5a의 코일에 의해서 생성되는 원편광 RF 파워(power)의 공간 분포를 나타내는 시뮬레이션 결과이다. 원편광 RF 파워는 코일의 중심에 대한 상대적인 값으로 나타나 있다.
도 5c는 제1 방향 및 제3 방향에 의하여 정의된 평면에서 원편광 RF 파워의 분포를 나타내는 시뮬레이션 결과이다. 원편광 RF 파워는 코일의 중심에 대한 상대적인 값으로 나타나 있다.
도 5d는 제2 방향 및 제3 방향에 의하여 정의된 평면에서 원편광 RF 파워의 분포를 나타내는 시뮬레이션 결과이다. 원편광 RF 파워는 코일의 중심에 대한 상대적인 값으로 나타나 있다.
도 5e는 제1 방향 및 제2 방향에 의하여 정의된 평면에서 원편광 RF 파워의 분포를 나타내는 시뮬레이션 결과이다. 원편광 RF 파워는 코일의 중심에 대한 상대적인 값으로 나타나 있다.
도 6은 동적핵자화를 이용해 증폭된 NMR 신호를 측정하기 위한 펄스 시퀀스이다.
도 7은 Bp 자기장을 변화 시키면서 원편광 및 선편광 RF를 통해서 증폭된 신호의 크기를 실험으로 측정하여 비교한 결과이다.
도 4를 참조하면, 저자기장 핵자기 공명 장치(100)는 서로 수직한 두 개의 원편광 RF 코일(142,144); 센서부(122); 측정 자기장 코일(134); 및 사전 자화 자기장 코일(132)을 포함한다. 상기 서로 수직한 두 개의 원편광 RF 코일(142,144)은 동적 핵자화 물질이 주입된 측정 대상(140)의 주위에 배치되고 상기 측정 대상에 동적 핵자화 효과를 발생시키기 위한 제1 방향 및 제2 방향으로 각각 시변 자기장을 인가한다. 상기 센서부(122)는 상기 측정 대상의 자기 공명 신호를 측정한다. 상기 측정 자기장 코일(134)은 상기 측정 대상에 측정 자기장을 인가한다. 상기 사전 자화 자기장 코일(132)은 상기 측정 대상에 사전 자화 자기장을 인가한다. 상기 원편광 RF 코일(142,144)은 기준 신호와 상기 기준 신호에 대하여 ±90도 위상 차이를 가진 수직 신호를 각각 제공받는다.
자기장 차폐부(110)는 육각형 박스 형태일 수 있다. 상기 자기장 차폐부(110)는 외부 자기장을 차폐할 수 있는 자기 차폐실일 수 있다. 상기 자기 차폐실은 제1 방향 및 제2 방향에 의하여 정의되는 배치 평면에서 수직한 제3 방향으로 소정의 높이를 가질 수 있다.
듀어(120)는 액체 헬륨을 담을 수 있다. 상기 듀어(120)는 상기 자기장 차폐부(110)의 내부에 배치되고 제3 방향으로 연장되도록 배치될 수 있다.
상기 센서부(122)는 액체 헬륨 안에 담기도록 상기 듀어(120) 안에 배치된다. 상기 센서부(122)는 픽업 코일과 SQUID 센서를 포함할 수 있다. FLL부(171)는 통해 SQUID 신호가 전달된다. 상기 SQUID 신호는 아날로그-디지털 신호 처리부(172)를 통하여 제어부(178)에 전달된다. 상기 FLL부(171)는 타이밍 조절부(177)에 의하여 제어된다.
상기 센서부(122)는 자속을 감지하여 증폭하는 자속변환부를 포함하고, 상기 자속 변환부의 출력 신호를 입력받아 자기장을 검출하여 전압 신호로 변환할 수 있다.
상기 제어부(178)는 상기 타이밍 조절부(177)를 제어할 수 있다. 상기 타이밍 조절부(177)는 펄스열(pulse sequence)을 발생시키어 사전자화 자기장 코일(132), 측정 자기장 코일(134), 원편광 RF 코일(142,144)에 흐르는 전류를 제어할 수 있다.
상기 사전 자화 자기장 코일(132)은 하나의 헬름홀츠 코일 형태이고, 상기 사전 자화 자기장 코일(132)은 사전 자화 전류원(176)에 연결된다. 사전 자화 자기장을 형성하기 위한 상기 사전 자화 전류원(176)의 출력은 사전 자화 릴레이(175)를 조절하여 온/오프될 수 있다.
측정 자기장 전류원(174)은 측정 자기장 릴레이(173)에 전류를 제공할 수 있다. 상기 측정 자기장 릴레이(173)는 상기 타이밍 조절부(177)의 제어 신호에 따라 전류를 상기 측정 자기장 코일(134)에 제공할 수 있다. 이에 따라, 상기 측정 자기장 코일은 제1 방향으로 측정 자기장(Bm)을 생성할 수 있다.
상기 측정 자기장 코일(134)은 제1 방향으로 서로 이격되어 배치된 헬름홀쯔(Helmholtz) 코일 형태일 수 있다. 상기 측정 자기장 코일(134)은 제1 방향의 측정 자기장을 생성할 수 있다. NMR 신호를 측정하기 위한 측정 자기장은 헬름홀쯔 코일을 통해 생성되며, 상기 측정 자기장(Bm)의 방향은 상기 사전 자화 자기장(Bp)의 방향과 수직할 수 있다.
사전 자화 자기장 전류원(176)은 사전 자화 자기장 릴레이(175)에 전류를 제공할 수 있다. 상기 사전 자화 자기장 릴레이(175)는 상기 타이밍 조절부(177)의 제어 신호에 따라 전류를 상기 사전 자화 자기장 코일(132)에 제공할 수 있다. 이에 따라, 상기 사전 자화 자기장 코일(132)은 제3 방향으로 상기 사전 자화 자기장(Bp)을 생성할 수 있다.
상기 사전 자화 자기장 코일(132)은 제3 방향으로 서로 이격되어 배치된 헬름홀쯔(Helmholtz) 코일일 수 있다. 상기 사전 자화 자기장 코일(132)은 제3 방향의 사전 자화 자기장을 생성할 수 있다.
원편광 RF 자기장를 생성하기 위해서, 측정 대상에 수직한 방향을 가지는 두 개의 원편광 RF 코일(142,144)이 배치된다. 상기 원편광 RF 코일(142,144)은 튜닝과 매칭을 위하여 독립적인 RF 회로를 이용한다. RF 신호발생기(161)는 상기 원편광 RF 코일에 입력되는 RF 신호를 생성한다. 구체적으로, 상기 RF 신호발생기(161)는 위상 동기화된 2 채널 출력을 가질 수 있다. 상기 RF 신호발생기(161)가 기준(I; In-phase) 신호와 수직(Q; Quadrature) 신호를 발생시킨다.
상기 기준 신호(I)와 수직 신호(Q)는 온/오프(on/off)를 위한 스위치(162a,162b)를 각각 통과한 후, RF 증폭기(RF Amplifier, 163a, 163b)에서 10 W 이상의 출력으로 각각 증폭된다. 증폭된 RF 신호는 릴레이(164a,164b)를 각각 거친 후, 상기 원편광 RF 코일(142,144)에 각각 인가된다. 기준 신호(I)와 수직 신호(Q)의 위상 차이를 +90° 또는 -90°로 설정함으로써, 원편광 RF의 방향성(polarity)이 조절될 수 있다.
상기 RF 신호 발생기(161)는 IQ 백터 신호 발생기, 2채널 임의 파형 생성기(Arbitrary Waveform Generator), 또는 2 채널 DDS(Digital Direct Synthesizer)와 같이 2 채널이 같은 클럭을 사용함으로써 위상 동기화된 신호를 발생시킬 수 있다.
RF 발생기는 상기 원편광 RF 코일에 RF 신호를 제공할 수 있다. 상기 RF 발생기의 출력 신호는 상기 RF 발생기와 상기 원편광 RF 코일 사이에 배치되고 임피던스를 정합시키는 임피던스 매칭부를 통하여 상기 원편광 RF 코일에 전달될 수 있다.
상기 RF 발생기(160)는 기준 신호(I)와 상기 기준 신호에 ±90도 위상 차이를 가진 수직 신호(Q)를 발생시키는 RF 신호 발생기(161); 상기 기준 신호와 상기 수직 신호를 각각 스위칭하는 스위치부(162); 상기 스위치부를 통과한 상기 기준 신호와 상기 수직 신호를 각각 증폭하는 RF 증폭부(163); 증폭된 기준 신호와 증폭된 수직 신호를 각각 스위칭하는 릴레이부(164)를 포함할 수 있다.
상기 RF 신호 발생기(161)는 수십 MHz의 정현파를 발생시킬 수 있다. 상기 RF 신호 발생기(161)는 기준 신호와 상기 기준 신호에 ±90도 위상 차이를 가진 수직 신호를 동시에 발생시킬 수 있다.
상기 기준 신호(I)는 제1 스위치(162a)를 통하여 제1 RF 증폭기(163a)에 전달될 수 있다. 상기 제1 스위치(162a)는 반도체 스위치일 수 있다. 상기 제1 RF 증폭기(163a)는 수 와트 내지 수십 와트의 전력을 가지도록 증폭된 기준 신호를 생성할 수 있다. 상기 증폭된 기준 신호는 제1 릴레이(164a) 및 제1 임피던스 매칭부(165)를 통하여 제1 원편광 RF 코일(142)에 전달될 수 있다.
상기 수직 신호(Q)는 제2 스위치(162b)를 통하여 제2 RF 증폭기(163b)에 전달될 수 있다. 상기 제2 스위치(162b)는 반도체 스위치일 수 있다. 상기 제2 RF 증폭기(163b)는 수 와트 내지 수십 와트의 전력을 가지도록 증폭된 수직 신호를 생성할 수 있다. 상기 증폭된 수직 신호는 제2 릴레이(164b) 및 제2 임피던스 매칭부(165)를 통하여 제2 원편광 RF 코일(144)에 전달될 수 있다.
상기 원편광 RF 코일(142,144)은 제2 방향을 감싸도록 배치된 복수의 턴으로 구성된 제1 원편광 RF 코일(142) 및 상기 제2 방향에 수직한 제1 방향을 감싸도록 배치된 복수의 턴으로 구성된 제2 원편광 RF 코일(144)을 포함할 수 있다.
상기 제1 원편광 RF 코일(142)은 제2 방향을 감싸는 4각형 루프를 형상으로 복수의 턴을 구비한 솔레노이드 코일일 수 있다. 상기 제1 원편광 RF 코일(142)의 각 권선은 일정한 간격을 가질 수 있다. 이에 따라, 상기 제1 원편광 RF 코일(142)은 제2 방향의 시변 자기장을 제공할 수 있다.
상기 제2 원편광 RF 코일(144)은 제1 방향을 감싸는 4각형 루프를 형상으로 복수의 턴을 구비한 솔레노이드 코일일 수 있다. 상기 제2 원편광 RF 코일(144)의 각 권선은 일정한 간격을 가질 수 있다. 이에 따라, 상기 제2 원편광 RF 코일(144)은 제1 방형의 시변 자기장을 제공할 수 있다.
상기 제1 원편광 RF 코일(142)과 상기 제2 원편광 RF 코일(144)은 서로 교차하도록 배치될 수 있다. 상기 RF 자기장은 전자 스핀을 여기시킬 수 있다. 상기 RF 자기장의 방향은 상기 사전 자화 자기장의 방향에 수직할 수 있다. 상기 RF 자기장의 주파수는 69 MHz 내지 74 MHz 일 수 있다. 바람직하게는, 상기 RF 자기장의 주파수는 T45가 최대가 되는 69 MHz 또는 T16이 최대가 되는 74 MHz일 수 있다.
도 5a 내지 도 5e를 참조하면, 상기 원편광 RF 코일(142, 144)은 상기 측정 대상이 배치되는 공간에 공간적으로 균일한 RF 자기장을 제공하여 동적 핵자화 물질이 주입된 측정 대상을 여기시킬 수 있다.
동적 핵자화를 통해 증폭된 NMR 신호의 측정 과정은, 신호 측정 전에 사전 자화 자기장(Bp)과 원편광 RF 자기장(RF)를 동시에 인가하여 NMR 신호를 증폭시킨다. 상기 원편광 RF 자기장의 주파수는 T45가 최대가 되는 69 MHz 또는 T16이 최대가 되는 74 MHz 사이의 값일 수 있다.
이어서, 상기 사전 자화 자기장(Bp) 및 상기 원편광 RF 자기장(RF)을 제거한 후, 측정 자기장(Bm)을 상기 사전 자화 자기장(Bp)의 방향에 수직하게 인가한다.
이어서, 상기 측정 자기장(Bm)이 인가된 상태에서, 센서부(122)는 핵스핀의 자유 유도 감쇄(Free Induced Decay; FID) 신호를 측정한다.
도 7을 참조하면, 72 MHz의 원편광 RF 자기장이 인가된 경우(원형), NMR 신호의 비(원형/사각형)는 74 MHz의 선편광 RF 자기장이 인가된 경우(사각형)에 비하여 수십 배 이상의 차이를 보였다.
특히, 상기 사전 자화 자기장(Bp)의 세기가 0.1 마이크로테슬라 이하인 경우, NMR 신호는 1000 배 이상의 차이를 보였다. 한편, 상기 사전 자화 자기장(Bp)의 세기가 0.1 마이크로테슬라 이상인 경우, 선형 편광 RF 자기장인 인가된 NMR 신호는 상기 사전 자화 자기장(Bp)의 세기가 증가함에 따라 점차 증가한다. 따라서, 수백 마이크로 테슬라 이상으로 증가하는 경우, 선평광 RF 자기장이 인가된 상태의 NMR 신호는 원편광 RF 자기장이 인가된 상태의 NMR 신호에 근접할 수 있다.
따라서, 본 발명의 일 실시예에 따른 원편광 RF 자기장을 이용한 동적 핵자화 핵자기 공명 측정 방법은 100 마이크로테슬라 이하의 자기장에서 동작하는 것이 바람직할 수 있다.
이상에서는 본 발명을 특정 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 이러한 실시예에 한정되지 않으며, 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 특허청구범위에서 청구하는 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 실시할 수 있는 다양한 형태의 실시예들을 모두 포함한다.
10: 저자기장 핵자기 공명 장치
122: 센서부
132: 사전 자화 자기장 코일
134: 측정 자기장 코일
142, 144: 원편광 RF 코일

Claims (6)

  1. 동적 핵자화 물질이 주입된 측정 대상의 주위에 배치되고 상기 측정 대상에 동적 핵자화 효과를 발생시키기 위하여 전자 스핀을 여기하는 주파수에 대응하는 제1 방향 및 제2 방향으로 각각 시변 자기장을 인가하는 서로 수직한 두 개의 원편광 RF 코일;
    상기 측정 대상의 자기 공명 신호를 측정하는 센서부;
    상기 측정 대상에 측정 자기장을 인가하는 측정 자기장 코일; 및
    상기 측정 대상에 사전 자화 자기장을 인가하는 사전 자화 자기장 코일을 포함하고,
    상기 두 개의 원편광 RF 코일 중에서 하나는 기준 신호를 제공받고,
    상기 두 개의 원편광 RF 코일 중에서 다른 하나는 상기 기준 신호에 대하여 ±90도 위상 차이를 가진 수직 신호를 제공받고,
    상기 사전 자화 자기장의 세기는 10-3 마이크로테슬라(μT) 내지 10 마이크로테슬라(μT)인 것을 특징으로 하는 저자기장 핵자기 공명 장치.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 원편광 RF 코일에 RF 신호를 제공하는 RF 발생기; 및
    상기 RF 발생기와 상기 원편광 RF 코일 사이에 배치되어 임피던스를 정합시키는 임피던스 매칭부를 더 포함하고,
    상기 RF 발생기는:
    기준 신호와 상기 기준 신호에 ±90도 위상 차이를 가진 수직 신호를 발생시키는 RF 신호 발생기;
    상기 기준 신호와 상기 수직 신호를 각각 스위칭하는 스위치부;
    상기 스위치부를 통과한 상기 기준 신호와 상기 수직 신호를 각각 증폭하는 증폭부; 및
    증폭된 기준 신호와 증폭된 수직신호를 각각 스위칭하는 릴레이부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 저자기장 핵자기 공명 장치.
  3. 제1 항에 있어서,
    상기 원편광 RF 코일은:
    상기 제2 방향을 감싸도록 배치된 복수의 턴으로 구성된 제1 RF 코일; 및
    상기 제2 방향에 수직한 상기 제1 방향을 감싸도록 배치된 복수의 턴으로 구성된 제2 RF 코일을 포함하는 것을 특징으로 하는 저자기장 핵자기 공명 장치.
  4. 제3 항에 있어서,
    상기 사전 자화 자기장은 상기 제1 방향 및 상기 제2 방향에 수직한 제3 방향으로 발생되고,
    상기 측정 자기장은 상기 제1 방향으로 형성되는 것을 특징으로 하는 저자기장 핵자기 공명 장치.
  5. 측정 대상에 동적 핵자화 물질을 주입하는 단계;
    상기 측정 대상에 사전 자화 자기장을 인가하는 단계;
    상기 측정 대상에 동적 핵자화 효과를 발생시키기 위하여 전자 스핀을 여기하는 주파수에 대응하는 원편광 RF 자기장을 인가하는 단계; 및
    상기 사전 자화 자기장 및 상기 원편광 RF 자기장을 제거한 후, 측정 자기장을 인가하면서 상기 측정 대상에서 핵자기 공명 신호를 측정하는 단계를 포함하고,
    상기 사전 자화 자기장의 세기는 10-3 마이크로테슬라(μT) 내지 10 마이크로테슬라(μT)인 것을 특징으로 하는 저자기장 핵자기 공명 측정 방법.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 동적 핵자화 물질은 TEMPO이고,
    상기 원편광 RF 자기장의 주파수는 72 MHz 또는 74 MHz이고,
    상기 사전 자화 자기장의 세기는 100 마이크로테슬라 이하인 것을 특징으로 하는 저자기장 핵자기 공명 측정 방법.
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