WO2009036741A1 - Verfahren der mr-vermessung wasserlöslicher probenmoleküle in molekularen behältern, beispielsweise in inversen mizellen - Google Patents

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WO2009036741A1
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sample
measurement
molecular
polar solvent
molecules
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PCT/DE2008/001542
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Claudio Luchinat
Tony Keller
Antonio Gianotti
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Bruker Biospin Gmbh
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    • G01R33/465—NMR spectroscopy applied to biological material, e.g. in vitro testing

Definitions

  • the interaction of the sample with the RF field gives information about the sample properties, such as molecule groups present in the sample.
  • sample materials whose magnetic resonance properties are to be measured are present in a polar solvent, in particular in aqueous solution (since water is by far the most common polar solvent, the term “water” and “aqueous solution” is referred to below for the sake of simplicity. It is understood that this also includes other polar solvents and mixtures of polar solvents).
  • aqueous sample consisting of water and the sample material dissolved in the water
  • the sample vessel is placed in a resonator, which radiates the RF fields into the sample.
  • typical RF fields that are radiated into a sample during magnetic resonance measurements are absorbed by water in the sample. The absorption increases with the frequency of the RF fields, in particular the microwaves required in the ESR are strongly absorbed by water.
  • the prior art addresses this problem essentially by a special geometry of the vessels for the aqueous samples, which are arranged in a resonator, see. For example, JA Weil et al, supra. If a sample vessel or its sample space in the direction parallel to the electric field of the RF field is much smaller than the wavelength of the RF field, the absorption problem is greatly reduced or does not occur , The sample vessels or their sample chambers are therefore designed to be correspondingly short in one dimension and positioned in the zero points of the electric field distribution. The spatial extent of the E-FeId zeros is determined by the wavelength of the RF field. The higher the frequency of the RF field, the smaller the spatial extent of the zero point.
  • E-free resonators are known from NMR, in which the electric field in the center of the aqueous sample is minimized, see, for example, P. L. Gor'kov et al., J. Magn
  • the dimension specification of the sample vessel basically limits the volume of sample which can be measured in the resonator. This in turn limits the SNR of the MR measurement. Also sample containers or their sample chambers can not be made arbitrarily narrow, so that at higher frequencies of the RF field, the absorption is no longer due to the Dimensioning of the sample vessel can be reduced.
  • the special sample vessels and special resonators used in the prior art make the measurement of aqueous samples otherwise expensive and expensive.
  • sample molecules are present during the measurement in a measuring emulsion, wherein in the measuring emulsion, the sample molecules are enclosed in molecular containers, and the molecular containers are distributed in a non-polar solvent ,
  • the sample molecules are distributed by means of molecular containers, for example inverse micelles, in a non-polar solvent. At least one sample molecule is included in each molecular container.
  • the molecular container may be so small (based on the sample molecule) that it encloses exactly one sample molecule without destroying it.
  • the molecular containers are larger and in each case include a plurality of sample molecules in polar solution.
  • a preferred linear extent of the molecular container is in the range of a few tens of nanometers, but may also extend to a few micrometers.
  • the molecular containers are in turn surrounded by the non-polar solvent.
  • the non-polar solvent absorbs the HF-FeId not noticeable in MR measurement, even if the RF field has to travel longer distances in the non-polar solvent.
  • the non-polar solvent takes up a large part of the volume of a sample according to the invention. In comparison with an aqueous sample, only a small amount of water is contained in the sample according to the invention (in extreme cases practically no water is contained in the sample); This water is inside the molecular container. Alone by the reduced water content, the SNR improves in the measurement of a sample according to the invention compared to an aqueous sample with the same amount of substance to sample molecules, the same sample volume and the same sample vessel.
  • a sample according to the invention contains only so much water that the sample molecules in the interior of the molecular containers can just stay in solution.
  • the distribution of the water in the sample according to the invention counteracts the absorption of the RF field.
  • the greatest length which the electric field has to penetrate in one piece in a sample according to the invention corresponds to the diameter of a molecular container.
  • the diameter of a molecular container is in any case smaller than the inner diameter of the sample vessel in which the sample according to the invention is contained.
  • the diameter of inverse micelles for example, by suitable choice of the nonpolar solvent (or solvent mixture), the surfactant (or substance mixtures), the proportions of nonpolar solvent, polar solvent (usually water) and surfactant, pH adjustment and by mechanical processing (shaking, ultrasonic treatment or the like) and, if appropriate, further parameters can be set.
  • diameters of the molecular containers can also be set or selected be far below the minimum possible dimension of sample vessels or their sample chambers.
  • the diameters of inverse micelles are typically in the range of tens of nanometers.
  • the size of proteins is in the range of typically 3 to 6 nanometers, i. Proteins can move freely in the aqueous solution within the inverse micelle.
  • the term "diameter” or “effective diameter” shall in the following correspond to the greatest linear extent of the interior of the molecular container.
  • the sample space would have a significant influence on the SNR of the MR measurement.
  • the measurable volume of sample and thus also the measurable amount of sample material or sample molecules, can be increased.
  • conventional test tubes having an inner diameter ⁇ 1 mm, preferably 3 mm, can be used. These dimensions apply to the X-band of the ESR. In the W band at 94 GHz, the corresponding dimensions are then ⁇ 0.1 mm, preferably about 1 mm.
  • Molecular containers that are generally suitable for the present invention include inverse micelles, carcerands, hemi-carcerand complexes, molecular baskets, fullerenes, molecular nanocapsules, or also self-assembled capsules.
  • various types of such molecular containers have become known by: Donald J. Cram, Nature 356 (1992), p. 29-36
  • the polar solvent is water.
  • Water is well-suited as a solvent for most of the sample molecules to be tested and usually corresponds to the natural environment of the sample molecule.
  • the molecular containers each contain exactly one sample molecule.
  • the molecular container also contains no or at most very few molecules of the polar solvent (usually water). As a result, the absorption of the RF field can be greatly reduced.
  • the molecular containers each contain a plurality of sample molecules dissolved in the polar solvent.
  • Sample molecules are not falsified by the sample preparation for the MR measurement.
  • the nonpolar solvent used is isooctane, benzene, toluene, carbon tetrachloride, chloroform, mineral oil and / or silicone oil. These nonpolar solvents have been proven in practice. According to the invention, the nonpolar solvent is essentially transparent to the RF field of the MR measurement.
  • sample molecules comprise proteins and / or paramagnetic molecules
  • the study of proteins is particularly important in practice.
  • Paramagnetic molecules are accessible to ESR.
  • DM «ET penetration depth of the RF field in the polar solvent.
  • the penetration depth ET corresponds to a path on which a 1 / e attenuation of the intensity of the RF field occurs (e: Euler number, ca. 2, 7183). In this case, preferably 100 * DM ⁇ ET.
  • the thus defined ET in water is about 0.8 mm in the X-band and 0.25 mm in the W-band and is thus many times larger than, for example, the diameter of an inverse micelle of several tens of nanometers.
  • Sample preparation usually can be easily varied; The number of sample molecules per inverse micelle can also be easily adjusted. Furthermore, inverse micelles can be produced relatively inexpensively.
  • Na (AOT) sodium 2bis (2ethylhexyl) sulfosuccinate
  • CTAB hexadecyltrimethylammonium bromide
  • the measuring emulsion is arranged in a sample vessel during the measurement, wherein the sample vessel has a smallest dimension KD of the sample volume, where:
  • sample space the vacuum wavelength of the RF field.
  • sample space the vacuum wavelength of the RF field.
  • DPE dimension of the sample volume parallel to the electric field of the RF field.
  • the scope of the present invention also includes a use of an emulsion comprising a non-polar solvent and molecular containers distributed in the nonpolar solvent, in particular inverse micelles, wherein molecules are enclosed in the molecular containers, in particular in aqueous solution, as a sample to be measured in a magnetic resonance -Measurement.
  • Fig. 1 is a schematic representation of a Messemulsion according to the
  • Fig. 2 is a schematic representation of a measurement setup for the inventive method.
  • 3a shows an EPR spectrum of a sample (a) with paramagnetic
  • FIG. 3b shows an EPR spectrum of a sample (b) with paramagnetic sample molecules in an aqueous sample, with the same amount of substance in sample molecules and the same sample vessel as in the measurement of Fig. 3a;
  • Fig. 4 is an EPR spectrum of a sample (c) with paramagnetic
  • Fig. 5 is an EPR spectrum of a sample (d) with paramagnetic
  • the present invention is concerned with improving the measurability of sample molecules soluble in polar solvents (and in particular water) in the context of magnetic resonance measurements such as ESR and NMR.
  • polar solvents including mixtures of different polar solvents
  • Q E is the part of the resonator due to dielectric loss
  • m is a natural number.
  • Q E is the part of the resonator due to dielectric loss
  • m is a natural number.
  • quality losses can be reduced by a smaller inner radius of the sample tube;
  • the volume of measurable sample drops.
  • the inner radius of sample tubes can be made only in a limited range.
  • the invention proposes, however, to measure water-soluble sample molecules in a special way of preparing the samples.
  • the basis for this is a nonpolar solvent.
  • the sample molecules are enclosed in molecular containers.
  • In the interior of the molecular container there is a cavity, which can receive one or more sample molecules usually together with some water.
  • the wall of the molecular container is formed by one molecule or several molecules together.
  • the water-soluble sample molecules 1 to be measured are enclosed in so-called inverse micelles 2.
  • the inverse micelles 2 contain water as well as the sample molecules 1.
  • the interior of the inverse micelles 2 is therefore filled by an aqueous solution of the sample molecules 1.
  • the inverse micelles 2 are again distributed in a non-polar solvent 3.
  • Non-polar solvent 3 is thus present only outside the inverse micelles 2.
  • the entirety of non-polar solvent 3 and the inverse micelles 2 distributed therein is referred to as the measuring emulsion 4.
  • the measuring emulsion 4 is arranged for the MR measurement as a sample in the sample volume (sample space) of a sample vessel (see also FIG. 2); the edge of the sample vessel is in Fig. 1 with Bzz. 5 provided.
  • the inverse micelles 2 each have a wall formed by a plurality of molecules of a surfactant 6
  • Molecules of surfactant 6 each have an inwardly directed, hydrophilic end portion ("head, shown as a circle in Fig. 1) and an outwardly directed, hydrophobic end portion (" tail ", shown as wavy in Fig. 1) Heads are formed for example by carboxylate groups, the tails are formed for example by alkyl groups.
  • the molecules of the surface-active substance 6 accumulate under suitable conditions, in particular mixing ratios, spontaneously (by themselves) to inverse micelles 2, wherein they include the water present and the sample molecules 1 dissolved therein in their interior.
  • the number of sample molecules 1 included in each inverse micelle 2 depends on the size of the inverse micelle 2.
  • the size the inverse micelles 2 can be adjusted by measures known per se, in particular the selection of the nonpolar solvent 3, the surfactant 6, the mixing ratios in the measuring emulsion 4, and mechanical treatment of the messemulsion.
  • the size of the inverse micelles 2 is described in the context of the invention by the effective diameter DM; in the case of a non-negligible wall thickness, DM is determined to be the inside diameter of the inverse micelle (or the molecular container) (see Fig. 1).
  • sample molecules 1 to be measured are initially available as pure aqueous solution (sample molecules dissolved in water), and in the context of the invention are converted into a measuring emulsion 4, in particular by addition of nonpolar solvent 3 and surface-active substance 6.
  • the sample molecules 1 can remain in a locally aqueous environment, namely within the inverse micelles 2. This is particularly advantageous if the sample molecules 1 would be changed or destroyed by a withdrawal of the water.
  • FIG. 2 schematically shows a measurement setup for the measurement according to the invention of the magnetic resonance of water-soluble sample molecules.
  • the water-soluble sample molecules to be measured are distributed in a measuring emulsion which is filled as sample 14 into the sample volume (the sample space) 11 of a sample vessel 12.
  • the RF field comprises an electric field EHF, which extends in FIG. 2 in the direction of arrow 15 from left to right, and a magnetic field B H F, which extends from bottom to top, cf. Arrow direction 16.
  • EHF electric field
  • B H F which extends from bottom to top
  • Arrow direction 16 16
  • the RF field in resonator 13 exists as a spatial standing wave where the maximum of B H F is the Corresponds to minimum of E H F. (Note: A conventional aqueous sample can only be positioned in the minimum of E H F, which greatly limits its size.)
  • the sample vessel 12 has a tubular shape with a circular cross-section (perpendicular to the plane of FIG. 2).
  • the sample space 11 thus has, in particular parallel to the direction of the arrow 15, its smallest dimension KD.
  • this smallest dimension KD is identical to the dimension DPE of the sample space 11 measured parallel to the direction 15 of the electric field E H F-
  • the resonator 13 radiates, for example, in the context of an ESR measurement, an RF field having a frequency of 100 GHz into the sample 14.
  • the vacuum wavelength ⁇ of the RF field is then about 3 mm.
  • a tube with an inner diameter of 1 mm is used as the sample vessel 12, so that in this case KD ⁇ ⁇ / 3 or DPE « ⁇ / 3 applies.
  • the dimension of the sample space 11 parallel to the electric field can no longer be considered small compared to the wavelength ⁇ of the RF field, MR measurements on the sample 14 are easily possible by the sample preparation according to the invention.
  • the non-polar solvent contained in the sample absorbs the HF-FeId insignificantly.
  • NaAOT sodium 2bis (2-ethylhexyl) sulfosuccinate
  • GdDTPA gadolinium diethylene triamine pentaacetate
  • NaAOT was added as a surfactant with vigorous shaking until a completely transparent microemulsion was obtained at a concentration of 200 millimoles NaAOT per liter isooctane.
  • GdDTPA was dissolved as paramagnetic sample material in water; in this case, with dilute sodium hydroxide solution (NaOH), a pH of 7.2 and further set a concentration of 3.81 millimoles GdDTPA per liter of water. 200 ⁇ l of the aqueous GdDTPA solution was added to 2ml of the microemulsion and the new microemulsion was shaken until complete transparency was achieved. The shaken new microemulsion serves as a measuring emulsion. This results in a concentration of 346 micromoles of GaDTPA per liter of emulsion.
  • the molecules of the paramagnetic sample material are subsequently within inverse AOT micelles.
  • GdDTPA was dissolved in water until a concentration of 346 micromoles per liter of water was achieved. This aqueous GdDTPA solution is used for the comparative sample.
  • Identical sample capillaries with an inner diameter of 1 mm were filled completely with in each case equal volumes of the measuring emulsion (sample (a)) and the aqueous GdDTPA solution (sample (b)).
  • the EPR signal of sample (a) (measuring emulsion) prepared according to the invention prepared is approximately 5 times stronger than the EPR signal of comparative sample (b) (aqueous sample), although in both samples (a) and (b) identical amounts of substance the paramagnetic sample molecules are present.
  • the SNR can be markedly improved.
  • Figures 4 and 5 also show the improvements in the measurement of aqueous sample molecules by the invention with reference to samples (c) and (d).
  • This sample emulsion was filled for sample (c) in a sample tube with 3mm inner diameter, and for sample (d) a capillary was filled with 1mm inner diameter.
  • sample (c) an EPR measurement in the X-band (about 9.8 GHz) was performed, and on sample (d) an EPR measurement in the Q-band (34 GHz) was performed.
  • the samples (c) prepared according to the invention see FIG. 4, and (d), see FIG. 5, both allow a qualitatively acceptable measurement of the EPR signal of the contained paramagnetic sample molecules. Again, to the right, the static magnetic field Bo is applied to the top of the signal intensity.
  • the inventors found that pure aqueous samples (GdDTPA dissolved in water) with the same concentration of 635 micromoles of GdPTDA per liter of water under otherwise identical conditions (with respect to sample (c): tube internal diameter 3mm and X-band, relative to sample (i.e. ): Capillary inner diameter 1mm and Q-band) no longer allow EPR measurements. Under the conditions of sample (c), the large amount of water destroys the EPR capability of the resonator. Under the conditions of sample (d), the decreasing water compatibility of the resonator with increasing measuring frequency becomes noticeable.
  • conventional sample vessels and resonators can be used at the usual frequencies of the RF field (for example in the ESR in the range about 1-100 GHz), or even higher measurement frequencies than previously customary (for example in the ESR in the range ca. 100- 600 GHz) for water-soluble sample molecules.
  • high RF field frequencies are often to be irradiated; for example, in the case of the B 0 frequency of a 400 MHz NMR magnet, the corresponding ESR irradiation frequency is 263 GHz.
  • the sample When transitioning to more powerful NMR magnets (such as 800 MHz or 1000 MHz), then the sample must also have correspondingly higher ESR beam frequencies for coupled ESR / NMR frequencies to fully benefit from the coupling. This can be done with the present invention.
  • the invention describes a preparation of water-soluble sample material which is to be subjected to a magnetic resonance measurement.
  • the sample material is enclosed in aqueous solution in molecular containers.
  • inverse micelles are used as molecular containers.
  • the sample material is dissolved in a small amount of water and added together with a surfactant (surfactant) in a non-polar, transparent to the RF fields of the MR measurement solvent.
  • surfactant surfactant
  • the water-soluble sample material is together with the small amount of water is included, and the inverse micelles are themselves dissolved in the non-polar solvent.
  • Such a prepared sample according to the invention is subjected to the measurement.
  • the SNR of MR measurements can be considerably increased compared to sample material in pure water solution.
  • more sample space can be set up in the resonator without any loss of quality of the resonator affecting the measurability.

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Abstract

Ein Verfahren zur Vermessung der magnetischen Resonanz von in einem polaren Lösungsmittel löslichen Probenmolekülen (1), wobei ein elektromagnetisches Hochfrequenz(=HF)-FeId auf die Probenmoleküle (1) einwirkt, ist dadurch gekennzeichnet, dass die Probenmoleküle (1) während der Vermessung in einer Messemulsion (4) vorliegen, wobei in der Messemulsion (4) die Probenmoleküle (1) in molekularen Behältern, insbesondere inversen Mizellen (2) eingeschlossen sind, und die molekularen Behälter in einem unpolaren Lösungsmittel (3) verteilt sind. Die Erfindung ermöglicht die Vermessung der magnetischen Resonanz wasserlöslichen Probenmaterials mit geringem apparativen Aufwand bei gutem Signal-zu-Rausch-Verhältnis auch bei hohen Frequenzen der eingestrahlten HF-Felder.

Description

VERFAHREN DER MR-VERMESSUNG WASSERLÖSLICHER PROBENMOLEKULE IN MOLEKULAREN BEHÄLTERN, BEISPIELSWEISE IN INVERSEN MIZELLEN
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Vermessung der magnetischen Resonanz von in einem polaren Lösungsmittel löslichen Probenmolekülen, wobei ein elektromagnetisches Hochfrequenz(=HF)-Feld auf die Probenmoleküle einwirkt. Ein solches Verfahren ist zum Beispiel durch J.A. Weil et al, Electron Paramagnetic Resonance, John Wiley & Sons, New York, 1994, bekannt geworden.
In der Magnetresonanz(=MR) wird ein elektromagnetisches
Hochfrequenz(=HF)-Feld auf eine Probe eingestrahlt, die sich in einem starken, statischen Magnetfeld B0 befindet. Die Wechselwirkung der Probe mit dem HF- Feld gibt Rückschlüsse auf die Probeneigenschaften, etwa in der Probe vorhandene Molekülgruppen. Wichtige Anwendungen der Magnetresonanz sind Kernspinresonanz(=NMR)-Spektroskopie und Elektronenspinresonanz(=ESR)- Spektroskopie.
Viele Probenmaterialien, deren Eigenschaften mit Magnetresonanz vermessen werden sollen, liegen in einem polaren Lösungsmittel, insbesondere in wässriger Lösung, vor (da Wasser das weitaus häufigste polare Lösungsmittel ist, wird im Folgenden der Einfachheit halber von „Wasser" und „wässriger Lösung" gesprochen. Es versteht sich, dass dies auch andere polare Lösungsmittel und Gemische polarer Lösungsmittel einschließt). In der Regel wird dann eine wässrige Probe (bestehend aus Wasser und dem im Wasser gelösten Probenmaterial) in ein Probengefäß eingefüllt, und das Probengefäß wird in einen Resonator verbracht, der die HF-Felder in die Probe einstrahlt. Typische HF-Felder, die im Rahmen von Magnetresonanz-Messungen in eine Probe eingestrahlt werden, werden jedoch von in der Probe enthaltenem Wasser absorbiert. Die Absorption steigt mit der Frequenz der HF-Felder an, insbesondere die in der ESR benötigten Mikrowellen werden von Wasser stark absorbiert.
Infolge der Absorption wird nur Probenmaterial im Randbereich einer wässrigen Probe voll von HF-Feldern bestrahlt; das Probeninnere wird bei größeren Probendurchmessern gar nicht erreicht, so dass das vermessbare Probenmaterial einer wässrigen Probe effektiv verringert ist. Durch die Absorption sinkt auch die Güte eines Resonators, der eine wässrige Probe enthält. Durch diese beiden Effekte verschlechtert der Wassergehalt einer Probe das Signal-zu-Rausch-Verhältnisses(=SNR) eines MR-Messignals des Probenmaterials in der Probe. Bei starker Absorption besteht auch die Gefahr, dass der Resonator gar nicht mehr ankoppelt, und eine Messung damit nicht mehr möglich ist.
Der Stand der Technik begegnet dieser Problematik im Wesentlichen durch eine besondere Geometrie der Gefäße für die wässrigen Proben, die in einem Resonator angeordnet werden, vgl. dazu beispielsweise J. A. Weil et al, aaO.. Wenn ein Probengefäß bzw. dessen Probenraum in der Richtung parallel zum elektrischen Feld des HF-Felds sehr viel kleiner ist als die Wellenlänge des HF- Feldes, ist die Absorptionsproblematik stark vermindert bzw. tritt nicht auf. Die Probengefäße bzw. deren Probenräume werden daher in einer Dimension entsprechend kurz ausgebildet und in die Nullstellen der elektrischen Feldverteilung positioniert. Die räumlich Ausdehnung der E-FeId Nullstellen ist durch die Wellenlänge des HF-Felds bestimmt. Je höher die Frequenz des HF- Felds, desto kleiner ist die räumliche Ausdehnung der Nullstelle. Als Gefäße für wässrige Proben sind insbesondere Flachzellen, dünne Kapillaren oder auch Mehrfachkapillaranordnungen bekannt geworden. Eine Mehrfachkapillaranordnung für die EPR (=electron proton resonance) ist beispielsweise durch die „AquaX sample cell" von der Firma Bruker bekannt geworden, oder auch durch US 7,088,101 B2.
Als weitere Maßnahme sind aus der NMR sogenannte „E-free"-Resonatoren bekannt, bei denen das elektrische Feld im Zentrum der wässrigen Probe minimiert wird, vgl. beispielsweise P.L. Gor'kov et al., J. Magn. Reson. 185
(2007), Seiten 77-93, oder auch C. Li et al., J. Magn. Reson. 180 (2006), Seiten 51-57.
Die Dimensionsvorgabe an das Probengefäß begrenzt grundsätzlich das Volumen an Probe, welches im Resonator vermessen werden kann. Dies wiederum begrenzt das SNR der MR-Messung. Auch können Probengefäße bzw. deren Probenräume nicht beliebig eng gefertigt werden, so dass bei höheren Frequenzen des HF-Feldes die Absorption nicht mehr durch die Dimensionierung des Probengefäßes reduziert werden kann. Die im Stand der Technik eingesetzten speziellen Probengefäße und speziellen Resonatoren machen die Vermessung von wässrigen Proben im übrigen apparativ aufwändig und teuer.
Aufgabe der Erfindung
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Vermessung der magnetischen Resonanz von in einem polaren Lösungsmittel löslichem Probenmaterial vorzustellen, mit dem bei geringem apparativen Aufwand ein gutes Signal-zu-Rausch-Verhältnis auch bei hohen Frequenzen der HF-Felder erzielbar ist.
Kurze Beschreibung der Erfindung
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren der eingangs genannten Art, das dadurch gekennzeichnet ist, dass die Probenmoleküle während der Vermessung in einer Messemulsion vorliegen, wobei in der Messemulsion die Probenmoleküle in molekularen Behältern eingeschlossen sind, und die molekularen Behälter in einem unpolaren Lösungsmittel verteilt sind.
Gemäß der vorliegenden Erfindung werden die (in der Regel wasserlöslichen) Probenmoleküle mittels molekularer Behälter, beispielsweise inverser Mizellen, in einem unpolaren Lösungsmittel verteilt. In jedem molekularen Behälter ist mindestens ein Probenmolekül eingeschlossen. Der molekulare Behälter kann (bezogen auf das Probenmolekül) so klein sein, dass er genau ein Probenmolekül einschließt, ohne dieses zu zerstören. In einer weiteren bevorzugten Variante sind die molekularen Behälter jedoch größer und schließen jeweils mehrere Probenmoleküle in polarer Lösung ein. Eine bevorzugte lineare Ausdehnung des molekularen Behälters liegt im Bereich von einigen zehn Nanometern, kann jedoch auch bis zu einigen Mikrometern reichen. Die molekularen Behälter werden wiederum insgesamt vom unpolaren Lösungsmittel umgeben. Das unpolare Lösungsmittel absorbiert das HF-FeId bei der MR-Messung nicht merklich, selbst wenn das HF-FeId längere Strecken im unpolaren Lösungsmittel zurücklegen muss. Das unpolare Lösungsmittel nimmt dabei einen Großteil des Volumens einer erfindungsgemäßen Probe ein. Im Vergleich zu einer wässrigen Probe ist in der erfindungsgemäßen Probe nur eine geringe Menge Wasser enthalten (im Extremfall ist praktisch gar kein Wasser mehr in der Probe enthalten); dieses Wasser befindet sich im Inneren der molekularen Behälter. Allein schon durch den verringerten Wassergehalt verbessert sich das SNR bei der Vermessung einer erfindungsgemäßen Probe im Vergleich zu einer wässrigen Probe bei gleicher Stoffmenge an Probenmolekülen, gleichem Probenvolumen und gleichem Probengefäß. Bevorzugt enthält eine erfindungsgemäße Probe nur so viel Wasser, dass die Probenmoleküle im Inneren der molekularen Behälter gerade in Lösung bleiben können.
Zudem wirkt die Verteilung des Wassers in der erfindungsgemäßen Probe der Absorption des HF-Feldes entgegen. Die größte Länge, die das elektrische Feld in einer erfindungsgemäßen Probe am Stück zu durchdringen hat, entspricht dem Durchmesser eines molekularen Behälters. Der Durchmesser eines molekularen Behälters ist auf jeden Fall kleiner als der Innendurchmesser des Probengefäßes, in dem die erfindungsgemäße Probe enthalten ist. Durch die Verkleinerung des am Stück in Wasser zurückzulegenden Absorptionswegs, insbesondere im Vergleich zur Wellenlänge des HF-Feldes, wird die Absorption in der Probe ebenfalls verringert. Der Durchmesser eines molekularen Behälters wird durch geeignete Wahl der chemischen Reagenzien und die Prozessführung eingestellt bzw. ausgewählt. Der Durchmesser inverser Mizellen kann beispielsweise durch geeignete Wahl des unpolarem Lösungsmittels (bzw. Lösungsmittelgemisches), der grenzflächenaktiven Substanz (bzw. Substanzgemischen), den Mengenverhältnissen von unpolarem Lösungsmittel, polarem Lösungsmittel (in der Regel Wasser) und grenzflächenaktiver Substanz, pH-Einstellung sowie durch mechanische Bearbeitung (Schütteln, Ultraschallbehandlung oder dergleichen) und gegebenenfalls weiteren Parametern eingestellt werden. Insbesondere können auch Durchmesser der molekularen Behälter eingestellt bzw. ausgewählt werden, die weit unter der minimal möglichen Dimension von Probengefäßen bzw. deren Probenräumen liegen.
Die Durchmesser inverser Mizellen liegen typischerweise im Bereich von einigen zehn Nanometem. Die Größe von Proteinen liegt im Bereich von typischerweise 3 bis 6 Nanometern, d.h. Proteine können sich in der wässrigen Lösung innerhalb der inversen Mizelle frei bewegen.
Da die molekularen Behälter in der Regel nicht -zumindest nicht exakt - kugelförmig sind, soll im Folgenden der Begriff „Durchmesser" oder „effektiver Durchmesser" der größten linearen Ausdehnung des Innenraums des molekularen Behälters entsprechen.
Im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens können praktisch beliebige Probengefäße verwendet werden, ohne dass die Gefäßform bzw. die
Dimensionierung des Probenraums merklichen Einfluss auf das SNR der MR- Messung hätte. Erfindungsgemäß können auch einfache Gefäße mit großem Probenraum und ohne Einschränkung der Gefäßdimension in der Richtung parallel zum elektrischen Feld verwendet werden. Dadurch kann das vermessbare Volumen an Probe, und damit auch die vermessbare Menge an Probenmaterial bzw. Probenmolekülen, vergrößert werden. Insbesondere können konventionelle Proberöhrchen mit einem Innendurchmesser ≥ 1mm, bevorzugt 3mm, verwendet werden. Diese Maße gelten für das X-Band der ESR. Im W-Band bei 94 GHz sind die entsprechenden Maße dann ≥ 0.1 mm, bevorzugt etwa 1 mm.
Molekulare Behälter, die für die vorliegende Erfindung grundsätzlich geeignet sind, beinhalten inverse Mizellen, Carcerand-Komplexe (carcerands), Hemi- Carcerand-Komplexe (hemi-carcerands), molekulare Körbe (molecular baskets), Fullerene, molekulare Nanokapseln (molecular nanocapsules) oder auch selbstorganisierende Kapselungen (self-assembled capsules). Verschiedene Arten von solchen molekularen Behältern sind beispielsweise bekannt geworden durch: - Donald J. Cram, Nature 356 (1992), S. 29-36
- Ralf Warmuth, Journal of Inclusion Phenomena and Macrocyclic Chemistry 37 (2000), S. 1-38;
- Min Wie et al., J. Mater. Chem. 2005 (15), S. 1197-1203; - Ryo E.H., Zhao Y., Org. Lett. 6(18) , 2004, S. 3187-3189.
- Ryo E.H. et al., J. Org. Chem. 2006 (19), S. 7205-7213
Bevorzugte Verfahrensvarianten
Bei einer besonders bevorzugten Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens ist das polare Lösungsmittel Wasser. Wasser ist für die meisten zu untersuchenden Probenmoleküle als Lösungsmittel gut geeignet und entspricht in der Regel der natürlichen Umgebung des Probenmoleküls.
Vorteilhaft ist eine Verfahrensvariante, bei der die molekularen Behälter jeweils genau ein Probenmolekül enthalten. Typischerweise und bevorzugt enthält der molekulare Behälter dann auch keine oder allenfalls sehr wenige Moleküle des polaren Lösungsmittels (in der Regel Wasser). Dadurch kann die Absorption des HF-Feldes besonders stark verringert werden.
Bei einer vorteilhaften, alternativen Verfahrensvariante enthalten die molekularen Behälter jeweils mehrere Probenmoleküle gelöst in dem polaren Lösungsmittel. Durch das Halten der Probenmoleküle im polaren Lösungsmittel werden Beschädigungen und Reaktionen (etwa eine Denaturierung) der Probenmoleküle vermieden; die Vermessung der Eigenschaften der
Probenmoleküle wird durch die Probenaufbereitung für die MR-Messung nicht verfälscht.
Bevorzugt ist weiterhin eine Verfahrensvariante, bei der das polare Lösungsmittel und/oder das unpolare Lösungsmittel deuteriert sind, insbesondere wobei das polare Lösungsmittel und/oder das unpolare Lösungsmittel vollständig deuteriert sind. Bei einer bevorzugten Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens umfasst die Vermessung der magnetischen Resonanz eine - Elektronenspinresonanz(=ESR)-Messung
- und/oder eine Kernspinresonanz(=NMR)-Messung. Diese beiden Verfahren sind in der spektroskopischen Praxis besonders wichtig. Besonders bei den in der ESR benötigten HF-Feld-Frequenzen (typisch ca. 9-100 GHz, etwa X-Band mit ca. 9 GHz oder Q-Band mit ca. 34 GHz) kann es bei wässrigen Proben zu erheblichen Absorptionsproblemen kommen, die im Rahmen der vorliegenden Erfindung beseitigt werden können.
Bevorzugt ist auch eine Weiterentwicklung dieser Verfahrensvariante, bei der die Vermessung der magnetischen Resonanz eine
- Elektron-Kern-Doppelresonanz(=ENDOR)-Messung
- und/oder eine Dynamische Kemspinpolarisation(=DNP)-Messung umfasst. Bei diesen Methoden wird die Magnetisierung der Elektronenspins auf die
Spins der Atomkerne übertragen; ENDOR und DNP sind insofern kombinierte ESR / NMR-Experimente. Durch die vorliegende Erfindung wird die Elektronenspin-Anregung im ESR-Teil verbessert, so dass auch ein verbessertes NMR-Spektrum erhalten wird.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform werden als unpolares Lösungsmittel Isooktan, Benzol, Toluol, Tetrachlorkohlenstoff, Chloroform, Mineralöl und/oder Silikonöl eingesetzt. Diese unpolaren Lösungsmittel sind in der Praxis bewährt. Das unpolare Lösungsmittel ist erfindungsgemäß im Wesentlichen transparent für das HF-FeId der MR-Messung.
Bevorzugt ist auch eine Verfahrensvariante, bei der die Probenmoleküle Proteine und/oder paramagnetische Moleküle umfassen. Die Untersuchung von Proteinen ist in der Praxis besonders wichtig. Paramagnetische Moleküle sind der ESR zugänglich.
Bevorzugt ist eine Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens, bei der für die Vermessung der effektive Durchmesser DM der molekularen Behälter in einem Bereich 10 nm < DM < 10 μm, vorzugsweise 10 nm ≤ DM ≤ 100 nm, insbesondere DM etwa 30 nm eingestellt ist. Diese Größen von molekularen Behältern haben sich in der Praxis bewährt, insbesondere bei inversen Mizellen.
Bei einer besonders bevorzugten Verfahrensvariante ist vorgesehen, dass für die Vermessung der effektive Durchmesser DM der molekularen Behälter so eingestellt ist, dass gilt: DM « ET, mit ET: Eindringtiefe des HF-Feldes im polaren Lösungsmittel. Die Eindringtiefe ET entspricht dabei einem Weg, auf dem eine 1/e-Abschwächung der Intensität des HF-Feldes eintritt (e: Eulersche Zahl, ca. 2, 7183). Dabei gilt bevorzugt 100*DM < ET. Bei dieser Behälterdimensionierung sind Absorptionsverluste durch das polare Lösungsmittel (in der Regel Wasser) besonders gering. Die so definierte ET beträgt in Wasser ca. 0.8 mm im X- Band und 0.25 mm im W-Band und ist damit um ein Vielfaches größer als zum Beispiel der Durchmesser einer inversen Mizelle von einigen 10 Nanometern.
Ganz besonders bevorzugt ist eine Verfahrensvariante, bei der als molekulare Behälter inverse Mizellen eingesetzt werden. Bei inversen Mizellen kann die Einstellung von deren Größe (etwa des Durchmessers) bei der
Probenpräparation in der Regel auf einfache Weise variiert werden; die Zahl der Probenmoleküle je inverse Mizelle kann dadurch ebenfalls einfach eingestellt werden. Weiterhin können inverse Mizellen relativ kostengünstig hergestellt werden.
Eine bevorzugte Weiterentwicklung dieser Verfahrensvariante sieht vor, dass als grenzflächenaktive Substanz für die inversen Mizellen
- Na(AOT) = Natrium-2bis(2ethylhexyl)sulfosuccinat
- und/oder CTAB = Hexadecyltrimethylammonium-Bromid eingesetzt wird. Diese grenzflächenaktiven Substanzen haben sich in der Praxis bewährt. Die grenzflächenaktiven Substanzen besitzen einen polaren Endabschnitt und einen unpolaren Endabschnitt und bilden die Wände der inversen Mizellen aus.
Besonders bevorzugt ist auch eine Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens, bei der während der Vermessung die Messemulsion in einem Probengefäß angeordnet wird, wobei das Probengefäß eine kleinste Dimension KD des Probenvolumens aufweist, wobei gilt:
KD > (1/20)*λ, mit λ: Vakuum-Wellenlänge des HF-Feldes. Die kleinste Dimension KD des Probenvolumens (Probenraums) liegt dabei typischerweise in der Richtung parallel zum elektrischen Feld des HF-Felds im Resonator. Ebenso besonders bevorzugt ist eine Verfahrensvariante, bei der während der Vermessung die Messemulsion in einem Probengefäß angeordnet wird, wobei das Probengefäß eine Dimension DPE des Probenvolumens parallel zum elektrischen Feld des HF-Felds aufweist, wobei gilt: DPE > (1/20)*λ, mit λ: Vakuum-Wellenlänge des HF-Feldes. Solche Probengefäße können mit dem erfindungsgemäßen Verfahren erfolgreich und ohne nennenswerte Absorptionsverluste eingesetzt werden. Hingegen würden bei Einsatz herkömmlicher wässriger Proben erhebliche Absorptionsverluste auftreten, da die kleinste Dimension KD bzw. die Dimension DPE parallel zum elektrischen Feld nicht mehr ausreichend klein wäre gegenüber der Wellenlänge λ. Bevorzugt gilt im Rahmen der Erfindung KD > (1/5)*λ oder sogar KD > (1/2)*λ bzw. DPE > (1/5)*λ oder sogar DPE ≥ (1/2)*λ; dann können auch sehr große Probenräume eingerichtet und entsprechend große Probenmengen vermessen werden.
In den Rahmen der vorliegenden Erfindung fällt auch eine Verwendung einer Emulsion, umfassend ein unpolares Lösungsmittel und im unpolaren Lösungsmittel verteilte molekulare Behälter, insbesondere inverse Mizellen, wobei in den molekularen Behältern Moleküle eingeschlossen sind, insbesondere in wässriger Lösung, als zu vermessende Probe in einer Magnetresonanz-Messung.
Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der Zeichnung. Ebenso können die vorstehend genannten und die noch weiter ausgeführten Merkmale erfindungsgemäß jeweils einzeln für sich oder zu mehreren in beliebigen Kombinationen Verwendung finden. Die gezeigten und beschriebenen Ausführungsformen sind nicht als abschließende Aufzählung zu verstehen, sondern haben vielmehr beispielhaften Charakter für die Schilde- rung der Erfindung.
Zeichnung und detaillierte Beschreibung der Erfindung
Die Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigt:
Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Messemulsion gemäß der
Erfindung;
Fig. 2 eine schematische Darstellung eines Messaufbaus für das erfindungsgemäße Verfahren.
Fig. 3a ein EPR-Spektrum einer Probe (a) mit paramagnetischen
Probenmolekülen in einer Messemulsion gemäß der Erfindung;
Fig. 3b ein EPR-Spektrum einer Probe (b) mit paramagnetischen Probemolekülen in einer wässrigen Probe, bei gleicher Stoffmenge an Probenmolekülen und gleichem Probengefäß wie bei der Messung von Fig. 3a;
Fig. 4 ein EPR-Spektrum einer Probe (c) mit paramagnetischen
Probenmolekülen in einer Messemulsion gemäß der Erfindung;
Fig. 5 ein EPR-Spektrum einer Probe (d) mit paramagnetischen
Probenmolekülen in einer Messemulsion gemäß der Erfindung.
Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich mit der Verbesserung der Vermessbarkeit von in polaren Lösungsmitteln (und insbesondere in Wasser) löslichen Probenmolekülen im Rahmen von Magnetresonanz-Messungen wie ESR und NMR.
Wasser absorbiert die für MR-Messungen erforderlichen HF-Felder, was die Vermessung von wässrigen Proben erschwert, insbesondere das SNR verschlechtert, oder gar eine Vermessung der wässrigen Probe unmöglich macht. Gleiches gilt bei Verwendung vieler anderer polarer Lösungsmittel (einschließlich Gemische verschiedener polarer Lösungsmittel); im Folgenden wird zur Vereinfachung stellvertretend nur noch auf Wasser Bezug genommen.
Wird Wasser in einem HF-Resonator angeordnet, so sinkt die Resonatorgüte ab. Aufgrund dielektrischer Verluste gilt bei einem üblichen, mit einer wässrigen Probe gefüllten Probenröhrchen mit Innenradius r
1/QE ~ rm
wobei QE der Güteanteil des Resonators aufgrund dielektrischer Verluste ist, und m eine natürliche Zahl ist. Bei einem zylindrischen Probenröhrchen in einem TE102 Resonator (ein Rechteckresonator) beträgt beispielsweise m=4. Grundsätzlich können Güteverluste durch einen kleineren Innenradius des Probenröhrchens verringert werden; gleichzeitig sinkt dabei aber das Volumen an vermessbarer Probe. Bei Anordnung von mehreren Probenröhrchen im Resonator kann das vermessbare Probenvolumen wiederum gesteigert werden (Mehrfachkapillaranordung), was aber apparativ aufwändig ist. Außerdem kann der Innenradius von Probenröhrchen nur in einem begrenzten Bereich gefertigt werden.
Die Erfindung schlägt hingegen vor, wasserlösliche Probenmoleküle in einer besonderen Art der Aufbereitung der Proben zu vermessen. Als Basis dafür wird ein unpolares Lösungsmittel eingesetzt. Um die wasserlöslichen Probenmoleküle in dem unpolaren Lösungsmittel verteilen zu können, werden die Probenmoleküle in molekularen Behältern eingeschlossen. Im Inneren des molekularen Behälters befindet sich dazu ein Hohlraum, der ein oder mehrere Probenmoleküle in der Regel zusammen mit etwas Wasser aufnehmen kann. Die Wandung des molekularen Behälters wird gebildet durch ein Molekül oder mehrere zusammengelagerte Moleküle. Diese molekularen Behälter sind im unpolaren Lösungsmittel gut (d.h. gleichmäßig) verteilbar, in der Regel aufgrund ihrer äußeren Oberflächeneigenschaften. Eine Probe, die bereit ist für eine Vermessung in einem erfindungsgemäßen Verfahren zeigt schematisch die Figur 1 anhand eines Beispiels basierend auf inversen Mizellen als molekulare Behälter.
Die zu vermessenden wasserlöslichen Probenmoleküle 1 , beispielsweise paramagnetische Proteinmoleküle, sind in sogenannten inversen Mizellen 2 eingeschlossen. Die inversen Mizellen 2 enthalten außer den Probenmolekülen 1 auch Wasser. Das Innere der inversen Mizellen 2 ist also von einer wässrigen Lösung der Probenmoleküle 1 erfüllt. Die inversen Mizellen 2 sind wiederum in einem unpolaren Lösungsmittel 3 verteilt. Unpolares Lösungsmittel 3 liegt also nur außerhalb der inversen Mizellen 2 vor. Die Gesamtheit von unpolarem Lösungsmittel 3 und den darin verteilten inversen Mizellen 2 wird als Messemulsion 4 bezeichnet.
Die Messemulsion 4 wird für die MR-Messung als Probe im Probenvolumen (Probenraum) eines Probengefäßes angeordnet (siehe dazu auch Fig. 2); der Rand des Probengefäßes ist in Fig. 1 mit Bzz. 5 versehen.
Die inversen Mizellen 2 weisen jeweils eine Wand auf, die gebildet wird durch eine Vielzahl von Molekülen einer grenzflächenaktiven Substanz 6. Die
Moleküle der grenzflächenaktiven Substanz 6 weisen jeweils einen nach innen gerichteten, hydrophilen Endabschnitt („Kopf, in Fig. 1 als Kreis dargestellt) und einen nach außen gerichteten, hydrophoben Endabschnitt („Schwanz", in Fig. 1 als Wellenlinie dargestellt) auf. Die Köpfe werden beispielsweise durch Carboxylat-Gruppen ausgebildet, die Schwänze werden beispielsweise durch Alkyl-Gruppen ausgebildet.
Die Moleküle der grenzflächenaktiven Substanz 6 lagern sich bei geeigneten Bedingungen, insbesondere Mischungsverhältnissen, spontan (von selbst) zu inversen Mizellen 2 zusammen, wobei sie das vorhandene Wasser und die darin gelösten Probenmoleküle 1 in ihrem Inneren einschließen. Man beachte, dass die Anzahl der Probenmoleküle 1 , die in jeweils einer inversen Mizelle 2 eingeschlossen ist, von der Größe der inversen Mizelle 2 abhängt. Die Größe der inversen Mizellen 2 kann durch an sich bekannte Maßnahmen eingestellt werden, insbesondere die Auswahl des unpolaren Lösungsmittels 3, der grenzflächenaktiven Substanz 6, den Mischungsverhältnissen in der Messemulsion 4, und mechanischer Behandlung der Messemulsion. Die Größe der inversen Mizellen 2 wird im Rahmen der Erfindung durch den effektiven Durchmesser DM beschrieben; im Falle einer nicht vernachlässigbaren Wandstärke wird DM als der Innendurchmesser der inversen Mizelle (bzw. des molekularen Behälters) bestimmt (siehe Fig. 1).
In der Regel stehen die zu vermessenden Probenmoleküle 1 zunächst als reine wässrige Lösung (Probenmoleküle in Wasser gelöst) zur Verfügung, und werden im Rahmen der Erfindung insbesondere durch Zusatz von unpolarem Lösungsmittel 3 und grenzflächenaktiver Substanz 6 in eine Messemulsion 4 überführt.
Man beachte, dass für die erfindungsgemäße Vermessung die Probenmoleküle 1 in lokal wässriger Umgebung, nämlich innerhalb der inversen Mizellen 2, verbleiben können. Dies ist insbesondere von Vorteil, wenn die Probenmoleküle 1 durch einen Entzug des Wassers verändert oder zerstört werden würden.
Figur 2 zeigt schematisch einen Messaufbau für die erfindungsgemäße Vermessung der magnetischen Resonanz wasserlöslicher Probenmoleküle.
Die zu vermessenden wasserlöslichen Probenmoleküle sind erfindungsgemäß in einer Messemulsion verteilt, welche als Probe 14 in das Probenvolumen (den Probenraum) 11 eines Probengefäßes 12 eingefüllt ist. Das Probengefäß 12 ist in einem Resonator 13 angeordnet, der ein Hochfrequenz(=HF)-Feld in die Probe 14 einstrahlen kann. Das HF-FeId umfasst ein elektrisches Feld EHF, welches sich in Fig. 2 in Pfeilrichtung 15 von links nach rechts erstreckt, und ein magnetisches Feld BHF, welches sich von unten nach oben erstreckt, vgl. Pfeilrichtung 16. Man beachte, dass das HF-FeId im Resonator 13 als eine räumliche stehende Welle vorliegt, bei der das Maximum von BHF dem Minimum von EHF entspricht. (Anmerkung: Eine konventionelle wässrige Probe kann nur im Minimum von EHF positioniert werden und wird dadurch in ihrer Größe stark eingeschränkt.)
Das Probengefäß 12 ist röhrchenförmig mit einem kreisrunden Querschnitt (senkrecht zur Zeichenebene von Fig. 2) aufgebaut. Der Probenraum 11 weist somit insbesondere parallel der Pfeilrichtung 15 seine kleinste Dimension KD auf. Diese kleinste Dimension KD ist im gezeigten Messaufbau identisch mit der Dimension DPE des Probenraums 11 gemessen parallel zur Richtung 15 des elektrischen Feldes EHF-
Der Resonator 13 strahlt beispielsweise im Rahmen einer ESR-Messung ein HF-FeId mit einer Frequenz von 100 GHz in die Probe 14 ein. Die Vakuumwellenlänge λ des HF-Felds beträgt dann ca. 3 mm. Als Probengefäß 12 wird im Rahmen der Erfindung ein Röhrchen mit einem Innendruchmesser von 1 mm eingesetzt, so dass in diesem Fall gilt KD ~ λ/3 bzw. DPE « λ/3. Obwohl die Dimension des Probenraums 11 parallel zum elektrischen Feld nicht mehr als klein gegenüber der Wellenlänge λ des HF-Felds angesehen werden kann, sind durch die erfindungsgemäße Probenaufbereitung MR- Messungen an der Probe 14 gut möglich. Insbesondere absorbiert das in der Probe enthaltene unpolare Lösungsmittel das HF-FeId nur unwesentlich.
Die verbesserten Vermessungsmöglichkeiten der magnetischen Resonanz wasserlöslicher Probenmoleküle durch die Erfindung im Vergleich zum Stand der Technik verdeutlichen ESR-Vergleichsmessungen, die in den Figuren 3a und 3b dargestellt sind.
Folgende Abkürzungen werden verwendet: NaAOT: Natrium-2bis(2-ethylhexyl)sulfosuccinat GdDTPA: Gadolinium-Diethylen-Triamin-Pentaacetat
EPR: Elektronen-paramagnetische Resonanz (electron paramagnetic resonance) /. Herstellung der erfindungsgemäßen Probe (a)
In Isooktan als unpolarem Lösungsmittel wurde NaAOT als grenzflächenaktive Substanz unter starkem Schütteln zugesetzt, bis eine völlig transparente Mikroemulsion mit einer Konzentration von 200 Millimol NaAOT pro Liter Isooktan erhalten wurde. Weiterhin wurde GdDTPA als paramagnetisches Probenmaterial in Wasser gelöst; hierbei wurde mit verdünnter Natronlauge (NaOH) ein pH von 7,2 und weiterhin eine Konzentration von 3,81 Millimol GdDTPA pro Liter Wasser eingestellt. 200μl der wässrigen GdDTPA-Lösung wurden zu 2 ml der Mikroemulsion zugesetzt, und die neue Mikroemulsion wurde geschüttelt, bis völlige Transparenz erreicht war. Die geschüttelte neue Mikroemulsion dient als Messemulsion. Es ergibt sich eine Konzentration von 346 Mikromol GaDTPA pro Liter Messemulsion.
Aufgrund der Löslichkeitseigenschaften der wässrigen Lösung in der Mikroemulsion befinden sich die Moleküle des paramagnetischen Probenmaterials anschließend innerhalb von inversen AOT-Mizellen.
//. Herstellung der Vergleichsprobe (b)
GdDTPA wurde in Wasser gelöst, bis eine Konzentration von 346 Mikromol pro Liter Wasser erreicht war. Diese wässrige GdDTPA-Lösung wird für die Vergleichsprobe verwendet.
///. Vergleichsmessung
Baugleiche Probenkapillaren mit einem Innendurchmesser von 1 mm wurden mit jeweils gleichen Volumina der Messemulsion (Probe (a)) und der wässriger GdDTPA-Lösung (Probe (b)) vollständig gefüllt.
Von beiden Proben (a) und (b) wurden sodann EPR-Messungen im X-Band (ca. 9,8 GHz) durchgeführt. Das Ergebnis der beiden Messungen ist in den Diagrammen der Figuren 3a und 3b dargestellt. Es ist jeweils in identischem Maßstab nach rechts das statische Magnetfeld B0 in Gauß, und nach oben die Intensität des EPR-Signals aufgetragen.
Das EPR-Signal der erfindungsgemäß präpariert vermessenen Probe (a) (Messemulsion) ist ca. 5-mal stärker als das EPR-Signal der Vergleichsprobe (b) (wässrige Probe), obwohl in beiden Proben (a) und (b) identische Stoffmengen der paramagnetischen Probenmoleküle vorliegen. Durch die erfindungsgemäße Propenpräparation kann also das SNR deutlich verbessert werden.
Die Figuren 4 und 5 zeigen ebenfalls die Verbesserungen in der Vermessung wässriger Probenmoleküle durch die Erfindung anhand der Proben (c) und (d).
Die Messemulsion für die Proben (c) und (d) wurden analog Probe (a) präpariert, wobei jedoch abweichend 400 μl (statt 200 μl) von wässriger GaDTPA-Lösung in 2 ml Mikroemulsion gelöst wurden. Es ergibt sich eine Konzentration von 635 Mikromol GdDTPA pro Liter Messemulsion.
Mit dieser Messemulsion wurde für Probe (c) in ein Probenröhrchen mit 3mm Innendurchmesser befüllt, und für Probe (d) wurde eine Kapillare mit 1mm Innendurchmesser befüllt. An Probe (c) wurde eine EPR-Messung im X-Band (ca. 9,8 GHz) durchgeführt, und an Probe (d) wurde eine EPR-Messung im Q- Band (34 GHz) durchgeführt.
Die erfindungsgemäß präpariert vermessenen Proben (c), siehe Fig. 4, und (d), siehe Fig. 5, gestatten beide eine qualitativ akzeptable Vermessung des EPR- Signals der enthaltenen paramagnetischen Probenmoleküle. Es ist wiederum nach rechts das statische Magnetfeld Bo nach oben die Signalintensität aufgetragen. Hingegen haben die Erfinder festgestellt, dass reine wässrige Proben (GdDTPA gelöst in Wasser) mit gleicher Konzentration von 635 Mikromol GdPTDA pro Liter Wasser unter sonst gleichen Bedingungen (bezüglich Probe (c): Röhrchen-Innendurchmesser 3mm und X-Band, bezüglich Probe (d): Kapillar- Innendurchmesser 1mm und Q-Band) keine EPR-Messungen mehr erlauben. Unter den Bedingungen von Probe (c) zerstört die große Wassermenge die EPR-Tauglichkeit des Resonators. Unter den Bedingungen von Probe (d) macht sich die mit zunehmender Messfrequenz abnehmende Wasserverträglichkeit des Resonators bemerkbar.
Mit dem erfindungsgemäßen Messverfahren können bei den üblichen Frequenzen des HF-Felds (etwa in der ESR im Bereich ca. 1-100 GHz) konventionelle Probengefäße und Resonatoren eingesetzt werden, oder auch höhere Messfrequenzen als bisher üblich (etwa in der ESR im Bereich ca. 100- 600 GHz) für wasserlösliche Probenmoleküle erschlossen werden. Besonders bei gekoppelten ESR/NMR-Experimenten sind oft hohe HF-Feldfrequenzen einzustrahlen, beispielsweise beträgt beim B0-FeId eines 400MHz NMR- Magneten die entsprechende ESR-Einstrahlfrequenz 263 GHz. Bei Übergang zu leistungsstärkeren NMR-Magneten (wie etwa 800 MHz oder 1000MHz) muss dann die Probe auch entsprechend höhere ESR-Einstrahlfrequenzen für gekoppelte ESR/NMR-Frequenzen geeignet sein, um von der Kopplung voll zu profitieren. Dies kann mit der vorliegenden Erfindung geleistet werden.
Zusammenfassend beschreibt die Erfindung eine Präparation von wasserlöslichem Probenmaterial, das einer Magnetresonanz-Messung unterzogen werden soll. Im Rahmen der Präparation wird das Probenmaterial in wässriger Lösung in molekularen Behältern eingeschlossen. Bevorzugt werden als molekulare Behälter inverse Mizellen eingesetzt. Hierbei wird das Probenmaterial in einer kleinen Menge Wasser gelöst und zusammen mit einer grenzflächenaktiven Substanz (Tensid) in ein unpolares, für die HF-Felder der MR-Messung transparentes Lösungsmittel gegeben. Es stellen sich inverse Mizellen ein, deren Wand durch das Tensid gebildet wird. Im Inneren der inversen Mizellen ist das wasserlösliche Probenmaterial zusammen mit der geringen Menge Wasser eingeschlossen, und die inversen Mizellen sind ihrerseits im unpolaren Lösungsmittel gelöst. Eine solchermaßen präparierte erfindungsgemäße Probe wird der Vermessung unterzogen. Durch die erfindungsgemäße Probenpräparation kann das SNR von MR-Messungen verglichen mit Probenmaterial in reiner Wasserlösung erheblich gesteigert werden. Insbesondere kann mehr Probenraum im Resonator eingerichtet werden, ohne dass Güteverluste des Resonators die Vermessbarkeit beeinträchtigen würden.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Vermessung der magnetischen Resonanz von in einem polaren Lösungsmittel löslichen Probenmolekülen (1), wobei ein elektromagnetisches Hochfrequenz(=HF)-Feld auf die Probenmoleküle (1) einwirkt,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Probenmoleküle (1) während der Vermessung in einer Messemulsion (4) vorliegen, wobei in der Messemulsion (4) die Probenmoleküle (1) in molekularen Behältern eingeschlossen sind, und die molekularen Behälter in einem unpolaren Lösungsmittel (3) verteilt sind.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das polare Lösungsmittel Wasser ist.
3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die molekularen Behälter jeweils genau ein Probenmolekül (1) enthalten.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die molekularen Behälter jeweils mehrere Probenmoleküle (1) gelöst in dem polaren Lösungsmittel enthalten.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das polare Lösungsmittel und/oder das unpolare Lösungsmittel (3) deuteriert sind, insbesondere wobei das polare
Lösungsmittel und/oder das unpolare Lösungsmittel (3) vollständig deuteriert sind.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vermessung der magnetischen Resonanz eine - Elektronenspinresonanz(=ESR)-Messung
- und/oder eine Kemspinresonanz(=NMR)-Messung umfasst.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Vermessung der magnetischen Resonanz eine
- Elektron-Kem-Doppelresonanz(=ENDOR)-Messung
- und/oder eine Dynamische Kernspinpolarisation(=DNP)-Messung umfasst.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als unpolares Lösungsmittel (3) Iso-Oktan, Benzol, Toluol, Tetrachlorkohlenstoff, Chloroform, Mineralöl und/oder Silikonöl eingesetzt wird.
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Probenmoleküle (1) Proteine und/oder paramagnetische Moleküle umfassen.
10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass für die Vermessung der effektive Durchmesser DM der molekularen Behälter in einem Bereich 10 nm ≤ DM < 10 μm, vorzugsweise 10 nm ≤ DM ≤ 100 nm, insbesondere DM etwa 30 nm eingestellt ist.
11.Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass für die Vermessung der effektive Durchmesser DM der molekularen Behälter so eingestellt ist, dass gilt:
DM « ET, mit ET: Eindringtiefe des HF-Feldes im polaren
Lösungsmittel.
12. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als molekulare Behälter inverse Mizellen (2) eingesetzt werden.
13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass als grenzflächenaktive Substanz (6) für die inversen Mizellen (2)
- Na(AOT) = Natrium-2bis(2ethylhexyl)sulfosuccinat
- und/oder CTAB = Hexadecyltrimethylammonium-Bromid eingesetzt wird.
14. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass während der Vermessung die Messemulsion (4) in einem Probengefäß (12) angeordnet wird, wobei das Probengefäß (12) eine kleinste Dimension KD des Probenvolumens (11) aufweist, wobei gilt: KD > (1/20)*λ, mit λ: Vakuum-Wellenlänge des HF-Feldes.
15. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass während der Vermessung die Messemulsion (4) in einem Probengefäß (12) angeordnet wird, wobei das Probengefäß (12) eine Dimension DPE des Probenvolumens (11) parallel zum elektrischen
Feld des HF-Felds aufweist, wobei gilt: DPE > (1/20)*λ, mit λ: Vakuum-Wellenlänge des HF-Feldes.
16. Verwendung einer Emulsion (4), umfassend ein unpolares Lösungsmittel (3) und im unpolaren Lösungsmittel (3) verteilte molekulare Behälter, insbesondere inverse Mizellen (2), wobei in den molekularen Behältern Moleküle (1) eingeschlossen sind, insbesondere in wässriger Lösung, als zu vermessende Probe (14) in einer Magnetresonanz-Messung.
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2010023673A1 (en) * 2008-09-01 2010-03-04 Yissum Research Development Company Of The Hebrew University Of Jerusalem, Ltd. Liquid compositions and uses thereof for generating diffusion ordered nmr spectra of mixtures
EP2846783A4 (de) * 2012-05-11 2016-07-06 Univ Pennsylvania Verbesserte kernspinpolarisierung

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2001001165A1 (en) * 1999-06-25 2001-01-04 Battelle Memorial Institute Use of non-lossy solvents as a means to improve the high-field nmr sensitivity of biological samples
US6198281B1 (en) * 1997-11-12 2001-03-06 The Research Foundation Of State University Of New York NMR spectroscopy of large proteins
WO2008014445A2 (en) * 2006-07-28 2008-01-31 Koninklijke Philips Electronics N. V. Micelle solution to reduce dielectric resonance effects in mri phantoms

Family Cites Families (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5552709A (en) * 1995-10-17 1996-09-03 Varian Associates, Inc. NMR sample cell
US7088101B2 (en) 2003-07-25 2006-08-08 Molecular Specialties, Inc. Aqueous sample holder for EPR and MR spectroscopy

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6198281B1 (en) * 1997-11-12 2001-03-06 The Research Foundation Of State University Of New York NMR spectroscopy of large proteins
WO2001001165A1 (en) * 1999-06-25 2001-01-04 Battelle Memorial Institute Use of non-lossy solvents as a means to improve the high-field nmr sensitivity of biological samples
WO2008014445A2 (en) * 2006-07-28 2008-01-31 Koninklijke Philips Electronics N. V. Micelle solution to reduce dielectric resonance effects in mri phantoms

Non-Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
MURPHY M K ET AL: "A COMPARISON OF THREE RADIOFREQUENCY COILS FOR NMR STUDIES OF CONDUCTIVE SAMPLES", MAGNETIC RESONANCE IN MEDICINE, ACADEMIC PRESS, DULUTH, MN, US, vol. 12, no. 3, 1 December 1989 (1989-12-01), pages 382 - 389, XP000102296, ISSN: 0740-3194 *
ROE J E ET AL: "A MULTIPURPOSE MRI PHANTOM BASED ON A REVERSE MICELLE SOLUTION", MAGNETIC RESONANCE IN MEDICINE, ACADEMIC PRESS, DULUTH, MN, US, vol. 35, no. 1, 1 January 1996 (1996-01-01), pages 136 - 141, XP000580462, ISSN: 0740-3194 *
ROE J E ET AL: "Application of dense microemulsions to magnetic resonance imaging", PHYSICA A, NORTH-HOLLAND, AMSTERDAM, NL, vol. 231, 1 January 1996 (1996-01-01), pages 359 - 367, XP002459181, ISSN: 0378-4371 *

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2010023673A1 (en) * 2008-09-01 2010-03-04 Yissum Research Development Company Of The Hebrew University Of Jerusalem, Ltd. Liquid compositions and uses thereof for generating diffusion ordered nmr spectra of mixtures
US8633691B2 (en) 2008-09-01 2014-01-21 Yissum Research Developemtn Comapny of the Hebrew University of Jerusalem Liquid compositions and uses thereof for generating diffusion ordered NMR spectra of mixtures
EP2846783A4 (de) * 2012-05-11 2016-07-06 Univ Pennsylvania Verbesserte kernspinpolarisierung
US9778335B2 (en) 2012-05-11 2017-10-03 The Trustees Of The University Of Pennsylvania Enhanced nuclear spin polarization

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