KR20070030300A

KR20070030300A - 고체 시료의 핵 자기 공명 측정 방법

Info

Publication number: KR20070030300A
Application number: KR1020077002025A
Authority: KR
Inventors: 이와오 미우라; 마사히로 미야께
Original assignee: 오츠카 세이야쿠 가부시키가이샤
Priority date: 2004-07-29
Filing date: 2005-07-27
Publication date: 2007-03-15
Also published as: PL1772741T3; DE602005021969D1; EP1772741A1; CA2572814A1; US7804298B2; JP4555294B2; EP2166368A1; DK1772741T3; EP1772741B1; KR100864561B1; WO2006011528A1; EP1772741A4; US20090033325A1; ES2347053T3; HK1104086A1; CN1993629B; CN1993629A; ATE472111T1; CA2572814C; PT1772741E

Abstract

IR(Inversion Recovery)법에 있어서, 핵 스핀이 정상 상태로 되돌아가는 양태를 관측하기 위해, 180도 펄스의 인가 종료 후, 시간 τ을 두어 90도 펄스를 조사한다. 상기 90도 펄스의 인가 종료 후, 수신 지연 시간 Dd이 경과하고 나서, FID 신호의 처리를 개시한다. 고체 시료 중의 복수의 환경 내에 있는 각 프로톤으로부터의 FID 신호 중, 시간적인 감쇠율이 빠른 것은, 수신 지연 시간 Dd이 경과하는 동안에 대부분 소멸되게 되므로, 측정하고자 하는 환경 내에 있는 프로톤의 FID 신호를, 다른 프로톤의 FID 신호 중에서 선택하여 추출하는 것을 용이하게 할 수 있다.

핵 스핀, 프로톤, FID 신호, RF 파워 증폭기, 위상 검파기

Description

고체 시료의 핵 자기 공명 측정 방법{SOLID SAMPLE NUCLEAR MAGNETIC RESONANCE MEASURING METHOD}

본 발명은, 수신 코일을 이용하여, 정자장 내에 설치된 고체 시료의 핵 스핀을 여기하고, 그 여기된 핵 스핀으로부터의 FID(Free Induction Decay) 신호를 수신하고, 이 FID 신호를 주파수 변환 처리함으로써, IR(Inversion Recovery)-NMR(Nuclear Magnetic Resonance) 스펙트럼을 얻는 고체 시료의 핵 자기 공명 측정 방법에 관한 것이다.

최근, 고체 시료의 물리적 측정 수단으로서, 근적외 분광(NIR)법, 분말 X선 회절법, 고체 CMR법 등이 이용되고 있다. 그러나 이들 측정 방법은, 레퍼런스가 없으면 정량할 수 없고, 검출 한계가 높고, 신호 강도가 결정 사이즈에 의존하는, 비정질과 같은 특정의 결정형을 검출할 수 없는 등의 문제가 있다.

한편, 용액에 녹아 있는 시료의 측정 수단으로서 프로톤 NMR(PMR)법이 널리 이용되고 있다.

프로톤은 천연 존재비가 높고, 다른 원소와의 비교에서는, 검출 감도가 높아, 분석에 이용하기에는 유리한 것이다.

PMR법은, 정자장에 놓여진 프로톤에 대하여, RF 자장을 조사하고, 그 RF 자 장에 공명한 프로톤의 에너지 변화를 전기 신호로서 기록하는 것이다.

프로톤 핵 자기 공명의 원리는 다음과 같다.

원자핵은 미소 자석(스핀 자기 모멘트)을 갖고 있다. 자장이 없는 환경에 놓여진, 프로톤의 스핀 자기 모멘트는 랜덤한 방향을 향하고 있다. 그것이, 정자장(+Z 방향)에 놓이면, 자기 모멘트는, 자장의 축 H0에 대하여, 약간 경사진 각도로, 라모아의 세차 운동을 시작한다. 그 각속도 ω0은, 자장 강도 H0에 비례하는 것이다.

ω0=(γ/2π)H0

이와 관련하여, γ는 자기 회전비라고 불리우며, 핵종에 고유한 상수이다. 회전의 위상은 불규칙적이고, 상하 원추 형상으로 균일하게 분포되어 있다.

자장 내에서는, 상방향에 있는 군이 과잉으로 있으며, 이들의 합성 벡터 M은, +Z 방향을 향한다. 이것들이, NMR 현상의 대상으로 되는 스핀군이다.

NMR 신호를 얻기 위해서는, 세차 운동과 동일한 각속도의 라디오파를 X축으로부터 조사한다.

이렇게 하면, 스핀군은 라디오파의 에너지를 흡수하고, Mx와 My의 벡터 성분을 야기한다. 그 중의 My 성분을 y 방향으로 둔 수신 코일에서 검출하면, NMR 신호가 얻어진다.

라디오파가 펄스인 경우에는, 90° 펄스라 하거나, 180° 펄스의 조사라고 한다. 이 90°, 180°와 같은 경사 각도의 값은, 스핀이 +Z 방향으로부터의 경사진 각도로 규정한 것이다. 경사 각도는, 펄스의 폭(μ sec)과 펄스의 강도로 변화 된다.

수신 코일에서 검출되는 전류는, FID(Free Induction Decay)라고 불리우는 것인데, 그 강도는 조사 펄스가 끊긴 시점에서 최대로 되고, 시간과 함께 감쇠한다.

완화 과정의 자기 모멘트 M의 궤도는, 90° 펄스의 조사 시에 검출 코일에 야기되는 전류 강도를 기록하여 보는 것으로, 이 측정법은 IR(Inversion Recovery)법이라고 불리운다.

특히 잘 이용되는 것이, (180°-τ-90°)n의 펄스 계열을 이용하여 측정하는 것으로, 화합물의 물성 연구나 의료 분야의 MRI에도 이용되고 있다.

이 (180°-τ-90°)n의 펄스 계열을 이용한 IR법을 해설한다.

정상 상태에서의 프로톤 스핀의 자기 모멘트의 방향은, Z방향으로 늘어서 있다. 따라서, 이들의 합성 벡터는 +Zo에 있다. 여기에, 180° 펄스를 조사하면, 프로톤 스핀의 방향은 180° 반전되고, -Zo 방향을 향한다.

이 상태를 기록하기 위해, 180° 펄스를 조사가 종료되고 나서, τsec 후에 90° 펄스를 조사한다. 180° 펄스 조사 직후이라면, 벡터는 180°+90°의 위치(270°)로 되므로, NMR 신호는 최대의 마이너스 신호로 된다.

상기 (180°-τ-90°)n의 펄스 계열을 τ의 값을 바꾸어 복수회 조사하고, τ에 대하여, 상기 NMR 신호의 변화를 기록하면, 다음 식으로 표현되는 바와 같은, 1개의 프로톤에 유래하는 세로 완화 곡선이 얻어진다.

신호 강도 y=[1-2exp(-τ/T1)]

이 식에 있어서, T1은, 핵 스핀이 -Z0 방향으로 된 것이, 처음의 +ZO 방향으로 되돌아가는 시간이며, 이것을 스핀-격자 완화 시간 또는 세로 완화 시간(T1)이라 한다.

도 7은, 이 세로 완화 곡선을 그래프화한 것이다.

세로 완화 곡선의 값은, 0.693T1(sec) 후에는 제로의 신호 강도로 되는 곳까지 회복되고, 5T1(sec) 후에는, 거의 포화 상태로 된다.

상기 T1의 값은, 프로톤 환경에 고유한 값을 부여하므로, 분자의 인식에 사용하는 것이 가능해진다. 예를 들면 상기 T1의 값은, 분말에 있어서는, 분자간 거리를 반영하고, 분자 구조의 차이를 나타내는 정보로서 이용할 수 있다.

또한, 상기 NMR 신호를 수신하는 과정에 있어서, 90도 펄스의 조사가 종료된 직후에, 코일에 유기되는 전류는, 가로 완화의 진행과 함께 소실된다. 이것을 기록한 것이, FID(Free Induction Decay) 신호이고, 가로축이 시간의, 타임 도메인의 스펙트럼 신호이다. FID 신호는, exp(-/T2)로 감쇠하는데, 이 T2는 가로 완화 시간이라 하고, 이것도 프로톤이 놓여진 환경에 따라 변화되는 것으로, 화학적으로는, 중요한 정보의 하나이다.

이 FID 신호를 푸리에 변환함으로써, 가로축이 주파수 도메인의 이른바 NMR 스펙트럼을 검출할 수 있도록 할 수 있다.

비특허 문헌 1: Journal of American Chemical Society 121, 11554-11557 (1999)

비특허 문헌 2: Australian Journal of Soil Research 38, 665-683 (2000)

비특허 문헌 3: Solid State Nuclear Magnetic Resonance 15, 239-248 (2000)

비특허 문헌 4: Journal of Chemometrics 13, 95-110 (1999)

<발명의 개시>

<발명이 해결하고자 하는 과제>

그런데, 이상에 기술한 IR-NMR법은, 고체 시료의 측정에 적합하지 않다고 하는 것이 상식이었다.

종래의 IR-NMR법에서는, FID 신호의 스펙트럼 신호는, 고체 시료에 포함되어 있는 물 분자의 프로톤의 영향을 받아서, 다른 필요로 하는 프로톤의 신호가 확실하게 나타나지 않는다.

이것은, 고체 시료 중에서는, 결정 분자의 여러 부위에 있는 프로톤이, 각각 상이한 가로 완화 시간 T2를 갖는다. 따라서, FID 신호 중에는, 복수의 가로 완화 시간 T2를 갖는 신호가 혼합되어 있기 때문이라고 생각된다.

따라서, 이것을 IR법으로 조사하여도, 가로 완화 시간 T2가 혼합되어 평균화된 FID 신호밖에 얻어지지 않는다.

따라서 본 발명은, NMR 신호의 수신 코일 내에 셀을 설치하고, 그 셀에 고체 시료를 삽입하고, IR-NMR 스펙트럼을 측정하는 경우에, 분자 내의 특정 프로톤을 선택적으로 측정할 수 있는 고체 시료의 핵 자기 공명 측정 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

또한, 본 발명자는, 임의의 범위의 가로 완화 시간 T2의 NMR 신호만을 FID 신호로서 취득할 수 있으면, 특정의 부위의 프로톤의 정보를 얻을 수 있다는 것에 주목하였다.

따라서, 측정하는 고체 시료가, 조성이 동일하더라도 결정 구조(아몰퍼스를 포함)가 상이한 물질(결정 다형이라 함)의 혼합물로 이루어지는 경우에, 상기 프로톤의 정보에 기초하여, 그 성분 비율 등을 특정할 수 있다.

따라서, 본 발명은 IR-NMR 스펙트럼을 해석함으로써, 특정의 부위의 프로톤의 정보를 얻고, 고체 시료 중에 존재하는 결정 다형이나 비결정성 성분 등의 구성 성분의 존재비를 측정할 수 있는 고체 시료의 핵 자기 공명 측정 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

<과제를 해결하기 위한 수단>

본 발명의 고체 시료의 핵 자기 공명 측정 방법은, 자장 내의 셀 중에 삽입된 고체 시료에 대하여, 핵 스핀 여기용의 펄스를 인가하고, 시간 τ을 두어 판독용의 펄스를 인가하고, FID 신호 판독용의 펄스의 인가 종료 후, 수신 지연 시간 Dd를 두어 FID 신호의 적산을 개시하는 방법이다.

상기 여기용의 펄스에는 180도 펄스가 자주 사용되고, 상기 판독용의 펄스에는 90도 펄스가 자주 사용된다. 그러나, 본 발명은, 180도나 90도와 같은 수치에 한정되는 것은 아님은 물론이다.

프로톤 완화 시간의 측정에는, 여기용-τ- 판독용의 펄스를 이용한다. 최초의 여기용의 펄스는, 프로톤의 에너지 상태를 고에너지 상태로 한다. 그 후, 프로톤의 에너지 레벨은 저하하여, NMR 신호는, 마이너스 신호로부터 플러스 신호로 점 차 변화한다. 최종적으로는 정상 상태로 되돌아간다. 정상 상태로 되돌아가는 양태를 관측하기 위해, 여기용 펄스의 인가 종료 후, 시간 τ을 두고 판독용 펄스를 조사하여 관측한다.

판독용 펄스의 인가 종료 후, 수신 지연 시간 Dd을 두지 않고 FID 신호의 적산을 개시하면, 다음과 같은 문제가 있다. 고체 시료 중의 복수의 환경 내에 있는 각 프로톤으로부터의 FID 신호 중에서, 신호 강도가 강한 부분을 줍게 되고, 이들 신호가 혼합되어, 측정하고자 하는 환경 내에 있는 프로톤으로부터의 FID 신호를 추출하는 것이 어려워진다.

따라서, 본 발명에서는, 수신 지연 시간 Dd이 경과된 후, FID 신호의 적산을 개시한다. 이에 따라, 고체 시료 중의 복수의 환경 내에 있는 각 프로톤으로부터의 FID 신호 중에서, 시간적인 감쇠율이 빠른 것은, 수신 지연 시간 Dd이 경과하는 동안에 대부분 소멸되게 되고, 측정하고자 하는 환경 내에 있는 프로톤으로부터의 FID 신호를, 다른 프로톤으로부터의 FID 신호로부터 선택하여 추출하는 것이 용이해진다.

수신 지연 시간 Dd은, 1 내지 20μsec의 범위 내로 설정하는 것이 바람직하고, 특히 5 내지 20μsec의 범위 내로 설정하는 것이 바람직하다. 20μsec정도 경과하면, 대부분의 프로톤의 FID 신호는 소멸되게 되므로, 수신 지연 시간 Dd을 더 이상 길게 할 의미는 없다.

수신 지연 시간 Dd은, 또한, 10 내지 15μsec의 범위 내로 설정하는 것이 더욱 바람직하다.

또한, 시료 및 챔버 내에 존재하는 물, 외부로부터 침입하는 자유수를 포착하기 위한 물 분자 트랩 기구를 셀 내 또는 그 근처에 설치하는 것이 바람직하다. 이것은, 측정 시료에 있어서의 비정질 성분은, 대부분의 경우 흡습도가 높으므로, 수분이 적은 밀봉계에서의 측정이 바람직하기 때문이다. 물에 유래하는 프로톤으로부터의 FID 신호를 적게 하여, 물에 유래하지 않는 프로톤으로부터의 FID 신호를 감도 좋게 수신할 수 있다.

이상과 같이 본 발명에 따르면, 측정하고자 하는 환경 내에 있는 프로톤으로부터의 FID 신호를, 다른 프로톤으로부터의 FID 신호로부터 선택하여 추출할 수 있으며, 이 스펙트럼 파형의 해석에 의해, 고체 시료의 결정 다형의 해석을 용이하게 행할 수 있다.

또한, 본 발명의 고체 시료의 핵 자기 공명 측정 방법은, 상기 시간 τ을 바꾸어 복수의 FID 신호를 취득하고, 이들 복수의 FID 신호에 기초하여 각각 IR-NMR 스펙트럼을 산출하고, 상기 IR-NMR 스펙트럼의 임의의 특정 주파수에 있어서, 시간 τ에 대하여 스펙트럼 강도를 플롯함으로써 세로 완화 곡선을 얻고, 그 세로 완화 곡선을, 세로 완화 시간이 상이한 복수의 세로 완화 곡선의 합으로 간주하여 회귀 분석함으로써, 상기 고체 시료의 각 성분 물질의 구성 성분비를 추정하는 방법이다.

본 발명에서는, 각 구성 성분의 운동성을 평가하는 값으로서, 프로톤의 세로 완화 시간 T1을 사용함으로써, 측정하는 고체 시료가, 결정 다형의 혼합물로 이루어지는 경우에, 그 성분 비율 등을 특정할 수 있다.

근적외 분광(NIR)법이 매우 복잡한 주성분을 도출하여 해석하고 있는데 비하여, 본 방법의 해석 대상은, 세로 완화 시간 T1의 값만으로 표시되는 수학적인 곡선이며, 그 단순성은 NIR법과는 전혀 비교가 되지 않는다. 게다가, 전혀 레퍼런스가 없는 상태이더라도 구성 성분비를 구할 수 있다.

이에 따라, 고가의 장치를 필요로 하지 않더라도, 비정질 분자를 포함한 고체 결정 다형을, 높은 정밀도로 정량할 수 있게 된다.

본 발명에서는, 고체 시료 중의 구성 성분비를 결정하기 위해, 상기 세로 완화 곡선을 예를 들면 비선형 최소 자승법에 의해 해석하고, 각 성분에 대한 강도 계수 f를 구한다. 구성 성분비는 이들 강도 계수 f의 비로 표현된다.

또한, 상기 고체 시료 중의 구성 성분비와 함께, 각 구성 성분의 세로 완화 시간도 동시에 구할 수도 있다.

핵 자기 공명 측정 방법에 있어서 관측된 FID 신호의 자화 벡터의 실제 움직임은 회전 운동이다. 이것을 주파수 스펙트럼으로 변환하기 위해서는, 관측 방향으로부터의 제1 관측점까지의 각도(0차 페이즈값, PhC0)와, 제1 관측점으로부터 제2 관측점까지의 각도(1차 페이즈값, PhC1)이 필요하다. 따라서, 본 발명에서는, 0차 페이즈와 베이스 라인을 동시에 조정함으로써, 올바른 0차 페이즈를 찾아내어, 페이즈 조정된 FID 신호를 얻는다. 이것을 푸리에 변환함으로써 올바른 주파수 스펙트럼을 얻을 수 있다.

얻어진 주파수 스펙트럼에는, 상당한 노이즈를 포함하고 있는 경우가 있다. 이 경우, 상기 IR-NMR 스펙트럼에 대하여, 디지털 스무딩 필터를 이용하면, 노이즈 가 제거된 주파수 스펙트럼을 얻을 수 있다.

또한, 상기 FID 신호를 측정하는 단계에 있어서, 미리 시간 축에 대하여 스무딩 처리를 행하기로 하더라도, 노이즈가 제거된 주파수 스펙트럼을 얻는데 유효하다.

또한, 상기 IR-NMR 스펙트럼의 임의의 특정 주파수에 있어서, 시간 τ에 대하여 스펙트럼 강도를 플롯함으로써 세로 완화 곡선을 얻는 경우에, 상기 "특정의 주파수"에 있어서의 스펙트럼 강도 대신에, 특정의 주파수 구간에 있어서의 스펙트럼 강도의 적분값을 이용하여 세로 완화 곡선을 작성하면, 순간적인 노이즈의 영향을 받지 않는 세로 완화 곡선을 얻을 수 있으므로, 상기 고체 시료의 각 성분 물질의 구성 성분비를 정확하게 추정할 수 있다.

본 발명에 있어서의 상술한, 또는 또 다른 이점, 특징 및 효과는, 첨부 도면을 참조하여 다음에 기술하는 실시 형태의 설명에 의해 명백해 질 것이다.

도 1은, 본 발명의 고체 시료의 핵 자기 공명 측정 방법을 실시하는 측정 장치의 시스템 구성도.

도 2는, 고체 분말인 시료를 설치하기 위한 시료관(21)을 도시한 종단면도.

도 3은, NMR 측정 챔버(29)의 내부 구조를 도시한 도면.

도 4의 (a)는, 수신 코일(7)에 공급되는 고주파 신호의 파형과, 수신 FID 신호의 파형을 도시한 도면, 도 4의 (b)는, 관측된, 페이즈 조정 전의 FID 신호를 도시한 그래프.

도 5의 (a)는, 수신 지연 시간 Dd이 0인 경우의 수신 FID 신호의 주파수 스펙트럼의 도면, 도 5의 (b)는, 수신 지연 시간 Dd=14μsec인 경우의 수신 FID 신호의 주파수 스펙트럼 파형의 도면.

도 6은, 아르기닌 분말의 결정 다형 분석을 도시한 세로 완화 시간의 그래프.

도 7은, 1개의 프로톤에 유래하는 세로 완화 곡선을 도시한 그래프.

<부호의 설명>

2 : RF 발생기

3 : 펄스 프로그래머

4 : RF 게이트

5 : RF 파워 증폭기

6 : T/R 스위치

7 : 수신 코일

8 : RF-AMP

9 : IF-AMP

10 : 위상 검파기

11 : DC-AMP

12 : 로우 패스 필터

13 : A/D 변환기

14 : CPU

21 : 시료관

23 : 캡

24 : 수지 튜브

27 : 용기

28 : 콘덴서

29 : NMR 측정 챔버

30 : 동조 회로 기판

31 : 터미널부

<발명을 실시하기 위한 최선의 형태>

도 1은, 본 발명의 고체 시료의 핵 자기 공명 측정 방법을 실시하기 위한 NMR 측정 장치의 블록도이다.

NMR 측정 장치는, 일정 주파수(예를 들면 300MHz)의 연속 주파수 신호를 발생하는 RF 발생기(2), 90°, 180° 등의 변조용의 펄스 신호를 발생하는 펄스 프로그래머(3), RF 발생기에서 발생한 고주파 신호로 펄스 변조를 가하는 RF 게이트(4), 펄스 변조된 고주파 신호를 수십 와트까지 증폭하는 RF 파워 증폭기(5)를 구비하고 있다.

RF 파워 증폭기(5)에서 증폭된 고주파 펄스 신호는, 송신 모드에 있어서 T/R 스위치(6)를 통과하여, 수신 코일(7)에 인가된다. 수신 코일(7)에 인가된 고주파 펄스 신호는, 수신 코일(7)에 삽입된 시료에 조사된다.

상기 고주파 펄스 신호의 조사에 기인하여, 시료의 프로톤 스핀의 플립에 의 해 수신 코일(7)에 야기된 RF 전류는, 수신 모드에 있어서, T/R 스위치(6)를 통과하여, RF-AMP(8), IF-AMP(9)를 통과하여 위상 검파기(10)에 들어간다. 이 수신 신호가 타임 도메인의 FID 신호이다.

상기 위상 검파기(10)에서 위상 검파된 FID 신호는, 가청 주파수대의 신호로 되고, DC-AMP(11)을 통과 후, 로우 패스 필터(12)에 있어서 RF 성분이 제거되고, A/D 변환기(13)를 통과 후, 타임 도메인의 디지털 신호로서 CPU(14)에 입력되고, 소정의 메모리에 보존된다.

CPU(14)의 메모리에 보조된 타임 도메인의 디지털 신호는, CPU(14)에 있어서 푸리에 변환된 후, 주파수 도메인의 이른바 NMR 스펙트럼 신호로 된다.

도 2는, 고체 분말인 시료를 설치하기 위한 시료관(21)을 도시한다. 시료관(21)은, 두꺼운 글래스관(22)과, 그 입구를 막기 위한 수지의 캡(23)으로 이루어진다. 상기 수지에는, 예를 들면 4불화 에틸렌 수지를 이용할 수 있다.

상기 시료관(21)에 시료를 넣을 때에는, 글래스관(22)에 시료를 삽입한 후, 글래스관(22)의 입구를 캡(23)으로 막는다. 캡(23)에는, 수분을 통과시키기 위한 미세한 구멍이 뚫려 있다. 이 미세한 구멍에는, 후술하는 탈수제에 이어지는 수지 튜브를 접속한다.

도 3은, NMR 측정 챔버(29)의 내부를 도시한 도면이다. NMR 측정 챔버(29)는, 공기나 질소와 같은 기체로 채워지고, 자장 H가 측정 챔버 내를 수직으로 관통하고 있다.

시료가 들어간 시료관(21)은, NMR 측정 챔버(29) 내에 경사지게 설치되어 있 다. 시료관(21)에 끼워진 캡(23)에는, 수지 튜브(24)가 삽입된다.

온도가 변화하면, 세로 완화 시간에 영향이 있기 때문에, 시료관(21)은, 일정 온도를 유지하도록 제어를 행해도 된다. 또한, 비교하고자 하는 모든 시료는 동일 온도에서 측정할 필요가 있다.

수분의 영향을 받기 쉬운 시료의 측정을 위하여, NMR 측정 챔버(29)의 상부에는, 건조제가 들어간 용기(27)가 설치되어 있다. 시료관(21)의 수지 튜브(24)의 앞은, 이 건조제가 들어간 용기(27)에 접속되어 있다. 이에 의해, 측정 기간 중의 수화물의 생성을 없앨 수 있으며, 부착수의 영향이 적은 데이터가 얻어진다. 또한, 건조제를 이용하지 않고, 시료관(21)을 밀봉해도 된다.

시료관(21)은, 솔레노이드 형상으로 감겨진 수신 코일(7)의 중심부에 시료가 오도록 설치된다. 수신 코일(7)의 각각의 단자는, 챔버(29)에 부착된 동조 회로 기판(30)의 콘덴서(28)와, 다른 터미널(31)에 접속되어 있다.

도 4의 (a)는, 수신 코일(7)에 공급되는 고주파 신호의 파형과, 수신 FID 신호의 파형을 도시한 도면이다.

수신 코일(7)에는, 먼저 180도 펄스 신호가 공급되고, 이에 따라, 시료 내의 프로톤의 에너지 상태가, 이른바 고에너지 상태로 되고, 자기 모멘트의 방향은, 일제히 마이너스 방향으로 180도 반전한다.

다음으로, 시간 τ만큼 송신을 정지한다. 에너지 벡터는 이 τ초의 동안에 세로 완화에 의해 저하된다.

다음으로, 프로톤의 정상 상태로 되돌아오는 양태를 관측하기 위하여, 90도 펄스를 조사한다. 90도 펄스를 조사한 후, 측정계를 수신 모드로 하고, 수신 코일(7)에 유기된 수신 FID 신호의 파형을 관측한다.

본 발명에서는, 컴퓨터는, 수신 모드로 들어오고 나서, 수신 지연 시간 Dd을 두고, 수신 FID 신호의 축적을 개시한다. 따라서, 수신 모드로 들어오고 나서, 수신 지연 시간 Dd이 경과할 때까지 수집되는 신호는 축적의 대상으로부터 제외된다. 수신 지연 시간 Dd은, 측정 중, 고정된다.

이 수신 지연 시간 Dd은, 너무 짧게 하면, 주파수 스펙트럼 중심 부근에 노이즈가 혼입되어, 약한 신호가 가려지는 경우가 있다. 이로 인해, Dd를 길게 설정해도 된다. 너무 길게 설정한 경우에는 신호 강도 자신이 약해지므로, 적당한 범위(예를 들면 5∼20μsec, 바람직하게는 10∼15μsec) 중의 값으로 설정한다. 이에 따라, 스펙트럼 강도(시그널)와 불필요한 신호(노이즈)의 비가 최대로 되도록 한다.

축적된 수신 FID 신호는, 컴퓨터에 있어서 푸리에 변환되고, 주파수 도메인의 NMR 신호 파형으로 된다. 이 NMR 신호 파형을 출력하고, 기록한다.

또한, 상기 (180°-τ-90°)의 펄스 계열은, 1개의 τ에 대하여 1회만큼 인가해도 되고, n회 반복해도 된다. 전자의 경우, CPU(14)에 입력되는 타임 도메인의 디지털 신호는, 그대로 푸리에 변환되지만, 후자의 경우, CPU(14)에 입력되는 타임 도메인의 디지털 신호는 n 평균화된 다음, 푸리에 변환된다. 후자의 쪽이, 측정 시간이 걸리지만, 수신 FID 신호의 평균화에 의해, 평균으로부터 동떨어진 값을 배제할 수 있는 점에서 바람직하다.

상기 1회 내지 n회(180°-τ-90°)의 펄스 계열의 인가가 종료되면, τ의 값을 변화시킨 (180°-τ-90°)의 펄스 계열을, 재차 1회 내지 n회 인가한다. 이와 같이 하여, τ의 값을, 0으로부터 세로 완화 시간 T1의 5배 정도로 될 때까지 조금씩 변화시키면서, (180°-τ-90°)의 펄스 계열을 인가해 간다.

이상의 프로세스에 의해, 시간 τ을 변수로 하는, 수신 FID 신호 파형이 얻어진다. 컴퓨터는, 이 수신 FID 신호 파형을 푸리에 변환하여, 주파수 스펙트럼 파형을 얻는다.

여기서, 바람직한 신호 처리 방법에 대하여 기술한다.

상기 얻어진 FID 신호에 대하여, 적당한 강도를 갖는 Exponential 또는 Gaussian 등의 윈도우 함수를 가하여 노이즈 성분을 제거한 후, 푸리에 변환을 행해도 된다.

푸리에 변환에 의해 얻어진 주파수 스펙트럼은, 베이스 라인의 왜곡을 수반하는 경우가 많다.

관측된 FID 신호는 외관상, 도 4의 (b)에 도시한 바와 같이 것인데, 이것은 자화 벡터의 회전 운동을 한 방향으로부터 관측한 것이며, 실제 움직임은 회전 운동이다. 이것을 스펙트럼으로 변환하기 위해서는, 관측 방향으로부터의 제1 관측점까지의 각도(0차 페이즈값, PhC0)와, 제1 관측점으로부터 제2 관측점까지의 각도(1차 페이즈값, PhC1)가 필요하다. 이것을 푸리에 변환함으로써 올바른 주파수 스펙트럼을 얻을 수 있다.

따라서, FID 신호에 대하여, 측정 조건에 고유한 1차 페이즈값과, 스펙트럼 양단의 강도로부터 대략적으로 설정할 수 있는 0차 페이즈값을 이용하여, 임시의 페이즈 조정을 해둔다.

여기서 사용하는, 1차 페이즈값은, 적절한 디지털 필터를 이용하여 측정한 스펙트럼을 이용하여, 반복 시그널의 영향이 미치고 있는 범위와 미치지 않는 범위에서, 극단적인 스펙트럼 형상의 변화가 일어나지 않도록, 페이즈를 조정함으로써 구할 수 있다. 한번 이 값을 설정하면, 측정 조건(취득 조건)을 변화시키지 않는 한, 동일한 값을 이용할 수 있다.

1차 페이즈값과는 달리, 0차 페이즈값은 측정마다 상이한 값이다. 이것은, 일련의 측정 중에 있어서도, 서서히 또한 연속적으로 변화할 가능성이 있다. 따라서, 가령 1차, 2차 페이즈가 조정된 스펙트럼에 관하여, 정밀한 0차 페이즈 조정을 행한다.

정밀한 0차 페이즈 조정은, 스펙트럼이 왜곡된 베이스 라인을 구하는 것과 동시에 행한다. 페이즈가 조정된 스펙트럼의 실수 부분을 r₀, 허수 부분을 i₀, 현 상태로부터 보정해야 할 0차 페이즈값을 PhC0으로 한 경우, 진짜로 페이즈 조정된 스펙트럼의 실수 부분 r은

r=r₀cos(PhC0)-i₀sin(PhC0)

으로 표현된다.

왜곡된 베이스 라인으로서는, 취득 개시 직후의 신호 강도의 부정확성에 기인한다고 생각되는 sin 커브의 베이스 라인 등을 적용할 수 있다. 이 경우, 베이 스 라인 basl은, 주파수 x에 대하여,

basl=A+Bsin(Cx+D)

로 표현된다. 또한, sin 커브는 일례이며, 상황에 따라서 그 밖의 베이스 라인 함수도 마찬가지로 이용할 수 있다.

이들 2개의 값(r, basl)이 스펙트럼의 외측의 부분에서 가장 잘 일치하도록, PhC0, A, B, C, D의 5개의 계수를, 최소 자승법을 이용하여 구한다. 특정의 베이스 라인 패턴을 찾아내는 것이 곤란한 시료의 경우, 대표적인 주파수 스펙트럼의 외측을 베이스 라인 패턴으로 간주하고, 그 밖의 주파수 스펙트럼이 이것과 상사형으로 되도록 페이즈 보정을 행해도 된다.

이와 같이 하여 구해진 PhC0의 값은, 노이즈의 영향을 받아서 변동이 보여지기 때문에, 연속적인 변화로 되도록 전후의 값으로부터 추정하여 보정을 행하여, 올바른 0차 페이즈값으로 한다. 이 값을 이용하여 페이즈 보정을 행하여, 각 시간 τ에 대응한 주파수 스펙트럼을 얻는다.

베이스 라인용으로 구해진 변수의 값을 이용하여 베이스 라인의 보정을 행하면, 특정의 쌍극자 상호 작용이 존재하는 경우를 제외하고, 파우더 패턴×가우스 패턴으로 간주할 수 있는 주파수 스펙트럼이 얻어진다.

그러나, 베이스 라인 항은 변수를 많이 사용하기 때문에, 노이즈의 영향을 받아서 오차가 발생하기 쉽다. 또한, 베이스 라인의 오프셋 양은 전체의 시그널 강도에 비례하므로, 베이스 라인 보정을 행하지 않더라도, 세로 완화 곡선을 해석한 경우의 결과에 변화는 보이지 않는다.

따라서 오차가 커지는 경우에는, 베이스 라인 보정을 행하지 않고 다음 스텝으로 진행해도 지장이 없다. 특정의 베이스 라인 패턴을 찾아내는 것이 곤란한 시료의 경우에는, 베이스 라인 보정을 행할 수 없지만, 마찬가지로 베이스 라인 보정을 행할 필요성은 없다.

페이즈 등이 보정된 주파수 스펙트럼에는, 아직 상당한 노이즈를 포함하고 있는 경우가 있다. 이 경우, 주파수 스펙트럼에 대하여 적당한 디지털 스무딩 필터를 적용하여, 노이즈를 제거한다. 여기서 이용할 수 있는 디지털 스무딩 필터로서는, FFT나 Savitzky-Golay, 이동 평균 등이 열거된다. 여기서 FFT 필터를 이용하는 경우, 시간 축 스펙트럼(FID 신호)에 대하여 스무딩 처리를 행함과 동등하다. 스무딩 처리 자체를 시간 축 스펙트럼이 얻어진 시점에서 행해도 된다.

얻어진 수신 FID 신호의 주파수 스펙트럼 파형의 예를 도 5의 (a), 도 5의 (b)에 도시한다.

도 5의 (a), 도 5의 (b)는, IR-NMR의 수신 FID 신호의 주파수 스펙트럼 파형에 있어서, 수신 지연 시간 Dd이 0인 경우의 주파수 스펙트럼 파형과, 수신 지연 시간 Dd을 14μsec로 설정한 경우의 주파수 스펙트럼 파형의 비교를 도시한 그래프이다. 세로축은 스펙트럼 강도, 가로축은 물의 프로톤의 신호 피크(4.5ppm)를 기준으로 잡은 상대 주파수(단위 ppm)를 나타내고 있다.

도 5의 (a)의 4개의 파형은, 수신 지연 시간 Dd이 0인 경우의 주파수 스펙트럼 파형이다.

도 5의 (b)의 4개의 파형은, 수신 지연 시간 Dd=14μsec인 경우의 주파수 스 펙트럼 파형이다.

도 5의 (a) 및 도 5의 (b)의 가장 좌측의 파형은 90도 펄스 신호의 펄스 폭 PW이 2μsec인 경우, 좌측으로부터 2번째의 파형은 90도 펄스 신호의 펄스 폭 PW이 5μsec인 경우, 좌측으로부터 3번째의 파형은 90도 펄스 신호의 펄스 폭 PW이 10μsec인 경우, 가장 우측의 파형은 90도 펄스 신호의 펄스 폭 PW이 13μsec인 경우를 도시하고 있다.

펄스 폭 PW이 13μsec인 경우가 프로톤 스핀을 90도 회전시키는 펄스 신호로서 가장 기능하고 있으므로, 이하, 도 5의 (a) 및 도 5의 (b)의 가장 우측의 파형에 주목하여 설명한다.

도 5의 (a) 및 도 5의 (b)의 가장 우측의 파형 중에는, 복수의 파형이 도시되어 있는데, 이들은, 180도 펄스 신호를 인가 종료되고 나서, 90도 펄스 신호를 인가할 때까지의 시간 τ의 차이를 나타내고 있다. 이 그래프에서는, 시간 τ을 거의 0초부터 70초까지 수십 단계로 취하고 있다.

도 5의 (a)에서는, 어느 시간 τ을 취하더라도, 물 등의 불필요한 프로톤 이외의 스펙트럼 파형이 현저히 나타나 있지 않다. 즉, 대부분이 0ppm 부근의 물의 프로톤의 신호로 되어 있다. 그러나, 도 5의 (b)에서는, 물의 프로톤 이외의 주파수에서 피크를 갖는 스펙트럼 파형이, 물의 프로톤의 NMR 스펙트럼의 좌우에 나타나 있다.

이들, 물의 프로톤의 NMR 스펙트럼의 좌측 및 우측에 각각 피크를 갖는 스펙트럼에 대하여, 가로축에 τ를 취하고, 세로축에 스펙트럼 강도를 플롯하여 세로 완화 곡선을 작성한다. 이 선택된 프로톤의 세로 완화 곡선을, "선택 세로 완화 곡선"이라고 하기도 한다.

상기 선택 세로 완화 곡선은, 물의 프로톤의 세로 완화 곡선과는 상이한 기울기를 갖는 곡선으로 되고, 물의 프로톤의 세로 완화 곡선과 구별할 수 있다.

이 선택 세로 완화 곡선을 기록하여, 그것을 회귀 분석함으로써, 고체 시료에 포함되는 복수종의 프로톤의 정량을 행할 수 있다.

이 방법은, (1) 측정한 고체 시료가, 결정형이 상이한 복수의 성분 물질의 혼합물이다. (2) 각각의 성분 물질의 프로톤은, 상이한 세로 완화 시간 T1을 갖는다고 가정한다.

선택 세로 완화 곡선이, T1이 상이한 복수의 세로 완화 곡선의 선형 합으로 이루어진다고 가정하여, 회귀 곡선을 이용하여 피팅을 행하여, 선택 세로 완화 곡선을 구성하는, 복수의 세로 완화 곡선의 T1의 값과 구성 비율을 자동적으로 구할 수 있다.

이하, 본 발명의 회귀 분석 수법을, 더욱 상세히 설명한다.

얻어진 주파수 스펙트럼의 특정의 주파수에 관하여, 가변 대기 시간(τ)에 대응한 신호 강도를 플롯하여, 상기한 선택 세로 완화 곡선을 얻는다.

여기서, "특정의 주파수"로서는, 상술한 바와 같이 0ppm 부근이 아니라, 어느 정도 강도가 유지되어 있으며, 아울러 물의 시그널이나, 그 밖의 노이즈의 영향이 적은 주파수를 이용하는 것이 바람직하다.

또한, 특정의 주파수에서의 신호 강도 대신에, 특정의 주파수 범위의 신호 강도 적분값을 이용해도 된다. 이 경우, 여기서도 스무딩 처리가 실시되었다고 간주할 수 있다.

얻어진 선택 세로 완화 곡선을, 각각의 T1 값을 갖는 성분의 합으로 간주하여 회귀 분석을 행함으로써, 각 구성 성분의 존재비를 결정한다. 이 때에 사용하는 식은,

T1 : 세로 완화 시간

-H₀ : 180도 펄스 인가 직후의 초기 강도

f : 계수(신호 강도 비, 각 구성 성분의 존재비와 동등하다)

i : 각 구성 성분을 나타내는 첨자

n : 구성 성분의 총 수

로 된다.

여기서, H₀은 이상적으로는 2이지만, 180도 펄스의 부정확성 등에 의해, 실제로는 약간 작은 값으로 된다. 이대로 해석을 행해도 되지만, 최소 자승법의 수속에 시간이 걸린다. 따라서, f'=fH₀/2로 두고 변형하면,

로 된다.

여기서, 제2항은, 시간 τ에 의존하지 않는 상수 항이므로, 이것을 상수 C로 두어 계산을 행해도 된다.

또한, 시간 τ을 나타내는 x축은, 도 6에 도시한 바와 같이, 대수 표시를 이용하는 것이 적당하므로, s=lnτ로 두어 변형하면,

으로 된다. Si는, 세로 완화 시간 T1i의 대수값이다.

Si=lnT1i

이 식을 이용하여, 최소 자승법에 의한 최적화를 행하여, 각 성분의 세로 완화 시간과 그 계수를 구한다. 본체의 계수 f와 H₀의 값은, f'와 C로부터 구하는 것이 가능하다. 실제로는 H₀의 값은 각 성분에 있어서 거의 차가 없기 때문에, f'로써 f를 대용해도 되는 경우가 많다.

각 성분의 세로 완화 시간 T1이 충분히 상위하고, 아울러 각각의 성분의 존재량도 충분히 있는 경우에는, 1개의 시료에 대해서만 계산을 행해도, 어느 정도의 정밀도를 갖고 각 성분의 T1 값 및 존재비를 구할 수 있다.

그러나, 각 성분의 세로 완화 시간 T1이 유사한 경우나, 특정의 성분이 조금밖에 존재하지 않는 시료의 경우에는, 오차가 커진다. 이것을 피하기 위해서는, 공통된 성분을 포함하는 복수의 시료에 대하여, 비선형 최소 자승법에 의한 해석을 행한다. 이렇게 함으로써, 각 성분의 T1 값의 정밀도를 높일 수 있으며, 고정밀도로 존재비를 측정하는 것이 가능해진다.

[실시예]

<실시예 1>

본 발명의 IR-NMR법을 이용하여, 아르기닌 분말에 혼재하는 아몰퍼스의 정량성을 평가했다.

배리언사제 INOVA300형 NMR 측정 장치로 측정했다. 시료는, 아르기닌을 이용했다.

도 6은, 아르기닌 분말의 결정 다형 분석을 도시하는 세로 완화 시간의 그래프이다. 세로축은 신호 강도, 가로축은 180도 펄스를 인가 종료 후, 90도 펄스를 인가 개시할 때까지의 시간 τ(대수)를 나타낸다. a는 무수 아르기닌 원분말을 마노발로 분쇄한 분쇄품의 그래프, b는 분쇄품을 아르기닌 원분말에 70% 첨가한 시료, c는 분쇄품을 아르기닌 원분말에 50% 첨가한 시료, d는 분쇄품을 아르기닌 원분말에 20% 첨가한 시료, e는 아르기닌 원분말의 그래프이다.

각 그래프는, 이들 완화 시간이 상이한 성분의 FID 신호의 합에 의거한 것이다.

이들 원료 분말에는, 아르기닌 결정, 아르기닌 아몰퍼스, 어글리게이트의 3종류가 들어 있다. 아르기닌 결정의 세로 완화 시간 T1을 T1a, 아르기닌 아몰퍼스의 세로 완화 시간 T1을 T1b, 어글리게이트의 세로 완화 시간을 T1c로 한다. 신호 강도 Gtotal은,

Gtotal=a1GA+b1GB+c1GC

=fa{1-2exp(-τ/T1a)}

+fb{1-2exp(-τ/T1b)}

+fc{1-2exp(-τ/T1c)}

로 표현할 수 있다. fa, fb, fc는 구성 성분 비율이다.

복수의 τ에 대하여 측정하면, 이 식이 복수 성립된다. T1a, T1b, T1c, fa, fb, fc를 미지수로 하는 연립 방정식이 성립되므로, 이 연립 방정식을 풀어서, T1a, T1b, T1c, fa, fb, fc를 구할 수 있다. 또한, 측정 포인트를 많게 하면 할수록, 비선형 최소 자승법, 최우 추정법 등의 통계적 수법을 사용할 수 있으므로, 정밀도가 높아지는 것은 물론이다.

도 6의 그래프에 기초하여 통계적 해석을 사용하여 연립 방정식을 푼 결과,

T1a=28.02초,

T1b=12.01초

T1c=3.99초

라는 값이 구해졌다.

또한, 구성 성분 비율은, 아르기닌 원분말을 마노발로 분쇄한 분쇄품의 경 우,

fa=17.80%,

fb=64.46%,

fc=17.73%

분쇄품을 아르기닌 원분말에 70% 첨가한 시료에서는,

fa=41.01%,

fb=46.19%,

fc=12.80%

분쇄품을 아르기닌 원분말에 50% 첨가한 시료에서는,

fa=57.52%,

fb=32.42%,

fc=10.06%

분쇄품을 아르기닌 원분말에 20% 첨가한 시료에서는,

fa=79.94%,

fb=15.82%,

fc=10.06%

아르기닌 원분말에서는,

fa=97.10%,

fb=2.55%,

fc=0.35%

가 각각 구해졌다.

이상과 같이, 본 발명의 고체 시료의 핵 자기 공명 측정 방법에 기초하여, 동일 조성의 화합물이더라도, 결정형이 상이한 복수종의 혼합물에 대하여, 복수 곡선으로 분석하여 피팅을 행함으로써, 각 결정형에 유래하는 신호를 부여하는, 선택된 프로톤의 세로 완화 시간과, 구성 성분비를 각각 구할 수 있다.

<실시예 2>

(1) 측정용 시료의 조제

시료로서, 인도메타신을 이용하였다. 인도메타신은 와코 쥰야쿠 고교 시약 생화학용을 구입하였다. 이것에 기초하여, 이하의 7가지 방법으로 시료를 제작하였다.

·시료 1(MeCN 재결정; MeCN)

인도메타신 2g을 MeCN(아세토니트릴)(50ml)에 가온하면서 용해시켰다. 녹고 남은 결정을 여과하여 제거하고, 여액을 실온에서 정치하였다. 1일 후, 석출된 결정을 여취하고, MeCN으로 세정 후, 감압 하에서 건조시켰다.

·시료 2(Et2O 재결정; Et2O)

인도메타신 1g을 Et2O(아세토니트릴)(50ml)에 약간 가온하면서 용해시켰다. 녹고 남은 결정을 여과하여 제거하고, 여액을 실온에서 정치하였다. 3일 후, 석출된 결정을 여취하고, Et2O으로 세정 후, 감압 하에서 건조시켰다.

·시료 3(EtOH-물 재결정 숙성 없음; Oh)

인도메타신 2g을 EtOH(에탄올)(50ml)에 약간 가온하면서 용해시켰다. 이 용 액에, 교반하면서 물을 서서히 가하였다. 결정이 석출되기 시작한 곳에서, 물을 가하는 것을 중지하였다. 바로 대량의 결정이 석출되고, 계 내는 교반 불가능한 상태로 되었다. 여기서 바로, 석출된 결정을 여취하고, 50% EtOH로 세정 후, 감압 하에서 건조시켰다.

·시료 4(EtOH-물 재결정 18시간 숙성; 18h)

시료 3과 마찬가지로 결정을 석출시켰다. 교반 불가능한 상태로 된 것을, 그대로 마그네틱 교반기로 교반을 계속하였다. 처음에는 교반 불가능한 상태였지만, 서서히 교반 가능한 상태로 변화하였다. 18시간 실온에서 교반한 후, 결정을 여취하고, 50% EtOH로 세정 후, 감압 하에서 건조시켰다.

·시료 5(OM)

시료 3에서 얻어진 결정의 일부를 마노의 유발로 분쇄하여, 분쇄품을 얻었다.

·시료 6(18M)

시료 4에서 얻어진 결정의 일부를 마노의 유발로 분쇄하여, 분쇄품을 얻었다.

·시료 7(R)

구입한 시약을 그대로 이용하였다.

(2) 측정

이들 7개의 시료를, 5mmφ NMR 튜브에 높이가 25-35mm 정도로 되도록 넣고, 탈수제로서 오산화이인(P2O5)을 공존시킨 감압 데시케이터 내에 1시간 이상 넣어 건조시켰다. 이들은 측정 직전에 데시케이터로부터 추출하고, 즉시 밀전하여 측정용 시료로서 사용하였다.

측정은, Bruker사제 PDX-300 스펙트로미터/5mmφ CH 듀얼 프로브/SADC+A/D 컨버터/XWIN-NMR 소프트웨어를 이용하여 행하였다.

시료와 동일 높이까지 CDCl3을 넣은 다른 NMR 튜브를 이용하여 심을 조정한 후, 목적하는 시료를 프로브에 세트하였다. SWEEP OFF, SPIN OFF, LOCK OFF인 채 측정을 행하였다. 온도 컨트롤러에 의해 시료 온도를 23℃로 조정하였다. Bruker사로부터 표준으로 제공되고 있는 t1ir 펄스 프로그램을 이용하여, 이하의 파라미터값으로 측정을 행하여, 시간 축 스펙트럼(FID 신호)을 얻었다.

D1(Relaxation delay) : 90sec

P1=pw(90° pulse) : 8.45μs

P2=pl(180° pulse) : 16.9μs

DE=Dd(수신 지연 시간) : 16μs

DE1(수신 코일을 닫고 나서 수신 코일을 열기까지의 지연 시간): 3μs

O1(관측 중심 주파수) : 2.54ppm

NS(적산 횟수) : 8

DS(더미 스캔) : 2

SW(관측 폭) : 497.314ppm

DigMod(디지타이저 모드) : Analog

ParMod(파라미터 모드) : 2D

SI(데이터 사이즈) : [F2]16384, [F2]64 (F1, F2는 2차원 NMR에 있어서의 관측 축)

TD(취득 데이터 사이즈) : [F2]16384, [F1]45

이상에서 얻어진 시간축 스펙트럼에 대하여, 이하의 파라미터값으로 푸리에 변환(xf2)을 행하여, 각 시간 τ마다 주파수 스펙트럼을 얻었다.

WDW(윈도우 함수) : EM

LB(Line Broadening Factor) : 300Hz

PhC0:-99.56(스펙트럼 양단의 강도가 거의 동일하게 되는 값. 측정마다 상이한 값.)

PhC1:130(DigMod: Digital로 측정한 스펙트럼과 상사형으로 되는 값. 항상 일정값.)

이 스펙트럼은, 각 대기 시간(τ)에 대응하는 스펙트럼으로 이루어지는 2차원 NMR 스펙트럼이므로, split2D를 행하여, 각 대기 시간(τ)에 대응하는 1차원 스펙트럼의 실수 부분과 허수 부분을 얻었다. 이들 1차원 스펙트럼의 데이터를 측정용의 컴퓨터로부터 데이터 처리용의 컴퓨터에 카피하였다.

(3) 데이터 처리

데이터 처리용 컴퓨터에 카피한 1차원 스펙트럼의 실수 부분(r₀)과 허수 부분(i₀)은, Y축 수치를 저파수측부터 고파수측으로 배열한 것이다. X축(주파수축)의 수치는 251.17ppm∼-246.124ppm이지만, 특히 ppm 단위를 사용하여 계산할 필요가 없기 때문에, x=1∼16384의 정수로 대용하였다.

올바른 0차 페이즈값으로 조정된 주파수 스펙트럼의 실수 부분(r)은, 현 상태로부터 보정해야 할 0차 페이즈값을 PhC0으로 하면,

r=r₀cos(PhC0)-i₀sin(PhC0)

으로 표현된다.

한편 베이스 라인으로서는, 취득 개시 직후의 신호 강도의 부정확성에 기인하는 sin 커브의 베이스 라인을 사용하였다. 이 경우 베이스 라인(basl)은, x에 대하여,

basl=A+Bsin(Cx+D)

로 표현된다.

이 r과 basl이 X축 수치 1∼2948과 14336∼16384의 범위에서 일치하도록, 계수 PhC0, A, B, C, D를 비선형 최소 자승법에 의해 구하였다. r=basl이라는 조건에서는,

r₀cos(PhC0)-i₀sin(PhC0)=A+Bsin(Cx+D)

로 되지만, 이 상태에서는 계산할 수 없으므로,

r₀={r₀sin(PhC0)A+Bsin(Cx+D)}/cos(PhC0)

로 변형하고, r₀을 종속 계수, i₀, x를 독립 변수로 하여 계산시켰다.

시료 1(MeCN 재결정)에 대한 계산 결과를 이하에 나타낸다.

PhC0의 값은, 측정 순서에 따라, 서서히 아울러 연속적으로 변화되고 있는 상태를 알 수 있지만, 노이즈의 영향을 받아서 변동이 보여진다. 특히 신호 강도가 약해지는 부근에서는 큰 변동으로 된다.

전체의 PhC0의 변화로부터, 연속적으로 변화되도록 보정하여 PhC0(corrected)로 하고, 이 값을 사용하여 0차 페이즈가 조정된 주파수 스펙트럼을 얻었다.

얻어진 주파수 스펙트럼에 관하여, 191points의 FFT 스무딩 필터를 작용시켜서, 노이즈 제거 처리를 행하였다.

주파수 스펙트럼의 X축 수치 7000(주파수에서는 38.72ppm에 상당)의 신호 강도를 각 대기 시간(τ)에 대하여 플롯하여, 세로 완화 곡선을 얻었다.

시료 2 내지 시료 7의 인도메타신 시료에 관해서도, 상기와 마찬가지로 세로 완화 곡선을 작성하였다. 그 결과를 표 2A, 표 2B에 나타낸다.

표 2A, 표 2B에서 얻어진, 7개의 시료에 관한 세로 완화 곡선을, 다음 수학식

를 이용하여 동시에 해석을 행하였다. 인도메타신에 관해서는 그 구성 성분이 5종 발견되었다(수학식 내의 n=5).

구성 성분의 수 n은, 다음과 같이 하여 결정한다. f'의 95% 신뢰 구간값을 산출하여, f'가 95% 신뢰 구간값과 동등 또는 이것보다 작은 값으로 되면, 그 구성 성분은 존재하지 않는다고 간주한다. 예를 들면, n=3으로 두어, f'1을 95% 신뢰 구간값과 비교한다. f'1이 95% 신뢰 구간값 이상이라면, n=4로 두어, f'1, f'2가, 모두 95% 신뢰 구간값 이상인지의 여부를 조사한다. 이와 같이 하여, n을 늘리고 있으며, 임의의 n을 초과하는 f'가 95% 신뢰 구간값 미만으로 되면, 그 n을 구성 성분수로서 결정한다.

세로 완화 시간 Si의 추정값 및 표준 오차의 계산 결과를 표 3에 나타낸다.

계수 fi 및 상수 C의 추정값의 계산 결과를 표 4에 나타낸다.

계수 fi 및 상수 C의 추정값의 계산 결과를 표 5에 나타낸다.

이상의 결과로부터 인도메타신 각 구성 성분의 세로 완화 시간 T1값은,

10.16s(γ형에 귀속)

4.67s(α형에 귀속)

1.07s(아몰퍼스에 귀속)

1.57ms(귀속 불명)

0.25ms(귀속 불명)

로 결정할 수 있었다.

또한, 각 시료의 구성 성분비는, 강도 계수 fi를 이용하여, 표 6과 같이 하여 결정하였다. 또한, ±95% 신뢰 구간을 동시에 구하였다.

이상과 같이 하여, 인도메타신의 고체 결정 다형의 구성 성분비를, 높은 정밀도로 결정할 수 있었다. 또한, 구성 성분비와 함께, 각 구성 성분의 세로 완화 시간도 동시에 측정할 수 있었다.

<실시예 3>

(1) 측정용 시료의 제조

시료로서, 글리신을 이용하였다. 글리신은 와코 쥰야쿠 고교 시약 특급을 사용하였다. 이것에 기초하여, 이하의 8가지 방법으로 시료를 제작하였다.

·시료 1(물 재결정; A)

글리신 10g을 물(40ml)에 약간 가온하면서 용해시켰다. 용액을 실온에서 정치하였다. 3일 후, 석출된 결정을 여취하고, 물로 세정 후, 감압 하에서 건조시켰다.

·시료 2(물-아세트산 재결정; C)

글리신 15g을 물(30ml)-아세트산(3ml)에 가온 용해시켰다. 용액을 실온까지 서서히 냉각하고, 석출된 결정을 여취하였다. 물로 세정 후, 감압 하에서 건조시켰다.

·시료 3(물-EtOH 재결정; B)

글리신 10g을 물(40ml)에 약간 가온하면서 용해시켰다. 용액을 실온에서 교반하면서, EtOH(20ml)을 서서히 가하였다. 석출된 결정을 여취하고, 물로 세정 후, 감압 하에서 건조시켰다.

·시료 4(물-EtOH 재결정 60℃ 건조; B60)

시료 3과 마찬가지로 하여 얻은 결정을 60℃ 16시간 온풍 건조하였다.

·시료 5(S)

시료 1의 재결정 조작을 행했을 때에, 기기 벽에 부착된 결정을 추출하여, 물로 세정 후, 감압 하에서 건조시켰다.

·시료 6(CM)

시료 2에서 얻어진 결정의 일부를 마노의 유발로 분쇄하여, 분쇄품을 얻었다.

·시료 7(RM)

구입한 시약을 마노의 유발로 분쇄하여, 분쇄품을 얻었다.

·시료 8(R)

구입한 시약을 그대로 이용하였다.

(2) 측정

이들 8개의 시료를, 5mmφ NMR 튜브에 높이가 25-35mm 정도로 되도록 넣고, 탈수제로서 오산화 이인(P2O5)을 공존시킨 감압 데시케이터 내에 1시간 이상 넣어 건조시켰다. 이들은 측정 직전에 데시케이터로부터 추출하고, 즉시 밀전하여 측정용 시료로서 사용하였다.

D1(Relaxation delay) : 60s

P1=pw(90° pulse) : 8.45μs

P2=pl(180° pulse) : 16.9μs

DE=Dd(수신 지연 시간) : 16μs

O1(관측 중심 주파수) : 2.54ppm

NS(적산 횟수) : 8

DS(더미 스캔) : 2

SW(관측 폭) : 497.314ppm

DigMod(디지타이저 모드) : Analog

ParMod(파라미터 모드) : 2D

TD(취득 데이터 사이즈) : [F2]16384, [F1]45

이상에서 얻어진 시간축 스펙트럼에 대하여, 이하의 파라미터값으로 푸리에 변환(xf2)을 행하여, 주파수 스펙트럼을 얻었다.

WDW(윈도우 함수) : EM

LB(Line Broadening Factor) : 300Hz

PhC0:-0.64(스펙트럼 양단의 강도가 거의 동일하게 되는 값. 측정마다 상이한 값.)

(3) 데이터 처리

데이터 처리용 컴퓨터에 카피한 1차원 스펙트럼의 실수 부분(r₀)과 허수 부분(i₀)을 이용하여 0차 페이즈의 조정을 행하였다.

r=r₀cos(PhC0)-i₀sin(PhC0)

으로 표현된다.

한편 베이스 라인으로서는, 별도로 측정된 글리신의 주파수 스펙트럼(b)을 사용하였다.

이 r과 b가, X축 수치 1∼2048과 14336∼16384의 범위에서 일치하도록, 계수 PhC0, A, B를 비선형 최소 자승법에 의해 구하였다.

b=Ar+B=A{r₀cos(PhC0)-i₀sin(PhC0)}+B

글리신 물-아세트산 결정 시료 2에 대한 계산 결과를 표 7A, 표 7B에 나타낸다.

실시예 2와 마찬가지로, 전체의 PhC0의 변화로부터, 연속적으로 변화되도록 보정하여 PhC0(corrected)로 하고, 이 값을 사용하여 0차 페이즈가 조정된 주파수 스펙트럼을 얻었다.

주파수 스펙트럼의 100ppm에 있어서의 신호 강도를 각 대기 시간(τ)에 대하여 플롯하여, 세로 완화 곡선을 얻었다.

시료 2 내지 시료 8의 글리신 시료에 관해서도, 상기와 마찬가지로 세로 완화 곡선을 작성하였다. 그 결과를 표 8A, 표 8B에 나타낸다.

표 8A, 표 8B에서 얻어진, 8개의 글리신 시료에 관한 세로 완화 곡선을, 다음 수학식

를 이용하여 해석을 행하였다. 글리신에 관해서는 그 구성 성분이 4종 발견되었다(수학식 내의 n=4)

세로 완화 시간 Si의 추정값 및 표준 오차의 계산 결과를 표 9에 나타낸다.

계수 fi 및 상수 C의 추정값의 계산 결과를 표 10에 나타낸다.

계수 fi 및 상수 C의 추정값의 계산 결과를 표 11에 나타낸다.

이상의 결과로부터 글리신의 각 구성 성분의 세로 완화 시간 T1값은,

T1=4.37s(γ형에 귀속)

T1=0.29s(α형에 귀속)

T1=1.15ms(귀속 불명)

T1=0.18ms(귀속 불명)

로 결정할 수 있었다.

또한, 각 시료의 구성 성분비는, 강도 계수 fi를 이용하여, 표 12와 같이 하여 결정하였다. 또한, ±95% 신뢰 구간을 동시에 구하였다.

이상과 같이 하여, 글리신의 고체 결정 다형의 구성 성분비를, 높은 정밀도로 결정할 수 있었다. 또한, 구성 성분비와 함께, 각 구성 성분의 세로 완화 시간도 동시에 측정할 수 있었다.

Claims

수신 코일에 여기용의 펄스를 흘림으로써, 정자장 내에 설치된 고체 시료의 핵 스핀을 여기하고, 여기용의 펄스의 인가 종료 후, 시간 τ의 경과를 기다려 판독용의 펄스를 인가함으로써, 그 여기된 핵 스핀으로부터의 FID 신호(Free Induction Decay) 신호를 수신하고, 이 FID 신호를 주파수 변환 처리함으로써, IR(Inversion Recovery)-NMR(Nuclear Magnetic Resonance) 스펙트럼을 얻는, 고체 시료의 핵 자기 공명 측정 방법으로서,

상기 판독용의 펄스의 인가 종료 후, 수신 지연 시간 Dd이 경과하고 나서, FID 신호의 처리를 개시하는 고체 시료의 핵 자기 공명 측정 방법.
제1항에 있어서,

상기 여기용의 펄스는 180도 펄스이고, 상기 판독용의 펄스는 90도 펄스인 고체 시료의 핵 자기 공명 측정 방법.
제1항에 있어서,

상기 수신 지연 시간 Dd은, 5 내지 20μsec의 범위 내의 값으로 설정되는 고체 시료의 핵 자기 공명 측정 방법.
제3항에 있어서,

상기 수신 지연 시간 Dd은, 10 내지 15μsec의 범위 내의 값으로 설정되는 고체 시료의 핵 자기 공명 측정 방법.
제1항에 있어서,

측정 중, 물 분자 트랩 기구에 의해, 상기 고체 시료 및 그 주위에 존재하는 물을 포착하는 고체 시료의 핵 자기 공명 측정 방법.
제1항에 있어서,

시간 τ을 바꾸어 복수의 FID 신호를 취득하고, 이들 복수의 FID 신호에 기초하여 각각 IR-NMR 스펙트럼을 산출하고, IR-NMR 스펙트럼의 임의의 특정의 주파수에서, 시간 τ에 대한 스펙트럼 강도를 플롯함으로써 세로 완화 곡선을 얻고, 그 세로 완화 곡선을, 세로 완화 시간이 상이한 복수의 세로 완화 곡선의 합으로 간주하여 회귀 분석함으로써, 상기 고체 시료의 각 성분 물질의 구성 성분비를 추정하는 고체 시료의 핵 자기 공명 측정 방법.
수신 코일에 여기용의 펄스를 흘림으로써, 정자장 내에 설치된 고체 시료의 핵 스핀을 여기하고, 여기용의 펄스의 인가 종료 후, 시간 τ의 경과를 기다려 판독용의 펄스를 인가함으로써, 그 여기된 핵 스핀으로부터의 FID 신호(Free Induction Decay) 신호를 수신하고, 이 FID 신호를 주파수 변환 처리함으로써, IR(Inversion Recovery)-NMR(Nuclear Magnetic Resonance) 스펙트럼을 얻는, 고체 시료의 핵 자기 공명 측정 방법으로서,

상기 시간 τ을 바꾸어 복수의 FID 신호를 취득하고,

이들 복수의 FID 신호에 기초하여 각각 IR-NMR 스펙트럼을 산출하고,

상기 IR-NMR 스펙트럼의 임의의 특정의 주파수에서, 시간 τ에 대하여 스펙트럼 강도를 플롯함으로써 세로 완화 곡선을 얻고,

그 세로 완화 곡선을, 세로 완화 시간이 상이한 복수의 세로 완화 곡선의 합으로 간주하여 회귀 분석함으로써, 상기 고체 시료의 각 성분 물질의 구성 성분비를 추정하는 고체 시료의 핵 자기 공명 측정 방법.
제7항에 있어서,

상기 여기용의 펄스는 180도 펄스이고, 상기 판독용의 펄스는 90도 펄스인 고체 시료의 핵 자기 공명 측정 방법.
제7항에 있어서,

상기 세로 완화 곡선을, 비선형 최소 자승법에 의해 해석하고, 각 성분에 대한 강도 계수 f를 구함으로써, 고체 시료 중의 구성 성분비를 결정하는 고체 시료의 핵 자기 공명 측정 방법.
제9항에 있어서,

상기 고체 시료 중의 구성 성분비와 함께, 각 구성 성분의 세로 완화 시간을 동시에 구하는 고체 시료의 핵 자기 공명 측정 방법.
제7항에 있어서,

상기 FID 신호의 0차 페이즈와 베이스 라인을 동시에 조정함으로써, 올바른 0차 페이즈를 찾아내어, 페이즈 조정된 FID 신호를 얻는 고체 시료의 핵 자기 공명 측정 방법.
제7항에 있어서,

상기 IR-NMR 스펙트럼에 대하여, 디지털 스무딩 필터를 이용하여, 노이즈가 제거된 주파수 스펙트럼을 얻는 고체 시료의 핵 자기 공명 측정 방법.
제7항에 있어서,

상기 FID 신호를 측정하는 단계에서, 미리 시간 축에 대하여 스무딩 처리를 행하는 고체 시료의 핵 자기 공명 측정 방법.
제7항에 있어서,

상기 세로 완화 곡선을, 특정의 주파수에서의 스펙트럼 강도 대신에, 특정의 주파수 구간에서의 스펙트럼 강도의 적분값을 이용하여 작성하는 고체 시료의 핵 자기 공명 측정 방법.