(57)【要約】  本発明は、ＮＭＲ分光法によって分子を検査する方法及び装置に関する。本発明の目的は、試料を高分解能で且つ包括的に特徴化することである。前記目的は、小磁場で等核性及び異核性Ｊ-カップリングを測定し、測定された等核性及び異核性Ｊ-カップリングを試料の特徴化のために使用する、核磁気分光法を用いて試料を検査する方法及び関連装置によって解決される。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
核磁気分光法による試料の検査方法であって、等核性Ｊ-カップリングを小磁場で測定し、測定された等核性カップリングを前記試料の特性化に使用することを特徴とする方法。
【請求項２】
前記試料の体積が０.１〜４ｃｍ3、好ましくは１〜２ｃｍ3である、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記試料が、少なくとも０.１テスラの強度、好ましくは、少なくとも１テスラの強度を有する磁場で予備磁化される請求項１又は２に記載の方法。
【請求項４】
有機分子が試料として使用される請求項１乃至３のいずれか１項に記載の方法。
【請求項５】
構造ＸM-Ａ-Ｂ-ＸKを有する分子を試料として検査することを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の方法。
【請求項６】
前記試料の1Ｈ-1ＨＪ-カップリングを測定し、そして特性化に使用する請求項１乃至５のいずれか１項に記載の方法。
【請求項７】
前記試料内に少なくとも２つの異なる異核性Ｊ-カップリングが存在するように前記試料を提供または選択する請求項１乃至６のいずれか１項に記載の方法。
【請求項８】
前記磁場が１０-3テスラより弱く、好ましくは１０-4テスラより弱く、さらに好ましくは地球磁場であることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載の方法。
【請求項９】
前記試料の異核性Ｊ-カップリングをさらに測定して、特性化に使用する請求項１乃至８のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１０】
前記試料を、特に試料の核スピンを過分極することにより予備磁化する請求項１乃至９のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１１】
無線周波数の放射をプロトンスペクトルの測定中に持続的に提供し、その放射される周波数は、好ましくは1Ｈラーモア周波数と顕著に異なる請求項１乃至１０のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１２】
核磁気分光法による試料の検査方法であって、等核性及び異核性Ｊ-カップリングを小磁場（＜５・１０-3Ｔ）で測定し、前記試料内の分子構造を連関の多重項構造から決定可能であることを特徴とする方法。
【請求項１３】
Ｂ0磁場を含む前記ＮＭＲ分光計が、測定された核の固有線幅より遥かに小さい、計器による線幅拡張をもたらすことを特徴とする請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】
前記ＮＭＲ分光計が、十分な信号対ノイズ比で多重項構造の小さい強度を測定することができるほどに非常に敏感であることを特徴とする請求項１２および１３に記載の方法。
【請求項１５】
前記試料の体積が０.１〜４ｃｍ3、好ましくは１〜２ｃｍ3である請求項１２乃至１４のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１６】
前記試料を少なくとも０.１テスラの強度を有する磁場で予備磁化する請求項１２乃至１５のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１７】
少なくとも２つの異なる異核性Ｊ-カップリングを有する分子を使用する請求項１２乃至１６のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１８】
前記構造ＸM-Ａ-Ｂ-ＸKを有する分子を試料として使用することを特徴とする請求項１２乃至１７のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１９】
前記磁場が１０-3テスラより弱く、好ましくは１０-4テスラより弱く、さらに好ましくは地球磁場であることを特徴とする請求項１２乃至１８のいずれか１項に記載の方法。
【請求項２０】
測定される核スピンが、過分極化技法（スピン交換光ポンピング（spin-exchange  opticalpumping,  PHIP,  DNP））により分極される、請求項１２乃至１９のいずれか１項に記載の方法。
【請求項２１】
前記Ｊ-カップリングが生じる核の類型を決定するために、Ｘ型核（1Ｈ、13Ｃ、19Ｆ、...）のＮＭＲスペクトルを測定する間に無線周波数の放射を持続的に提供し、前記放射された周波数が、Ａ基またはＢ基に属するカップリングされた異核性核と共鳴し、そして、測定を妨害しないように前記Ｘ核の周波数から遠く離れている請求項１２乃至２０のいずれか１項に記載の方法。
【請求項２２】
請求項１乃至２１のいずれか１項に記載の方法を遂行する装置であって、前記試料の分極を行う手段と、前記試料を励起するためのトランスミッタコイル（８）と、好ましくは１時間以上、１ｃｍ3にわたって１ｐｐｍ以上の均質性を有する均質な磁場を生成する手段と、少なくとも５０００のスクリーニング係数を有する磁気スクリーニングとを用いる装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＮＭＲ分光法によって分子を検査する方法及び装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
核磁気共鳴分光法（ＮＭＲ）及び磁気共鳴断層撮影法（ＭＲＴ）は、分子構造の解明だけでなく、物質または生体システムのイメージ化のための、非常に成功的な非破壊的検査法である。去る２０年間、ＮＭＲ及びＭＲＴの大きな成果は、３度のノーベル賞の受賞に反映されたことがある（Richard  Ernst  1991,  Kurt  Wuethrich  2002,  Paul  Lauterbur及びPeter  Mansfield,  2003）。特に、高分解能または多次元的なＮＭＲ分光法による巨大分子及び生体分子の構造の解明が非常に進歩してきた。基本的に、５つの相互作用をＮＭＲにおいて観察することができる。それは、以下のものからなる:
１.核ゼーマン相互作用、
２.電気核の四重極相互作用、
３.双極子-双極子相互作用、
４.化学シフト、及び
５.Ｊ-カップリング。
【０００３】
最後の３つの相互作用は、分子構造の解明において重要な役割をする。例えば、異なる核の間の分極移動は、巨大分子の構造の解明のための双極子交差緩和のメカニズム（核のオーバーハウザー効果分光法;Nuclear  Overhauser-effect  spectroscopy,  NOESY）を介して開拓された。刊行物である  “Ernst,  R.  R.,  Bodenhausen,  G.  ＆Wokaun,  A.１次元及び２次元における核磁気共鳴の原理（Principles  of  Nuclear  Magnetic  Resonance  in  One  and  Two  Dimensions）.（Clarendon  Press,Oxford,UK,1987）”に明らかに示されているように、２Ｄ  ＣＯＳＹ方法は、化学シフトだけではなく、Ｊ-カップリングを採用して、Ｊ-カップリングされた核スピンのネットワーク及びそれによる分子構造を測定する。
【０００４】
化学シフトは、磁場Ｂ0が、分子の電子を通じて円電流を生成し、それにより、観察される核スピンのすべての位置においてΔＢ=σＢ0の大きさの付加的な磁場を生成することによって引き起こされる。このような付加的な磁場は、磁場Ｂ0に比例し、γσＢ0量で観察された核スピンのラーモア周波数：
ω0＝γＢ0
を変動させる。分子内における異なるプロトン化学種（例えば、ＣＨ2、ＣＨ3、ＯＨ）に対しては、化学シフトは０〜１０ｐｐｍの範囲であり、すなわち、観察されるプロトン化学種のラーモア周波数は、ただラーモア周波数に掛けられる因数１０-6乃至１０-5程度だけ変動されるのみである。
【０００５】
Ｂ0が０に近付く場合、化学シフトは消失される。したがって、小さい磁場Ｂ0、例えば、地球磁場（５・１０-5Ｔ）では、２つの異なるプロトン化学種の周波数の間の差は数ｍＨｚに過ぎない。1Ｈ-ＮＭＲスペクトル線の線幅が０.０３Ｈｚを超過するため、このようなわずかな差は、原則的に観察することができない。したがって、磁場Ｂ0がより大きくてより均一であるほど、化学シフトにおける差は、より良好に測定することができる。このような事実、及び、磁場が増大するにつれより大きくなる信号対ノイズの比率は、大きくて、より高価な超伝導性磁石を志向する傾向の理由となる。
【０００６】
小さい磁場では化学シフトの測定が不可能であるという法則の１つの例外、すなわち、地球磁場で過分極されたＸｅ-原子の高分解能ＮＭＲ分光法が、文献“地球磁場におけるな高分解能キセノン核磁気共鳴分光法［Appelt,  S.,  Haesing,  F.W.,  Kuehn,  H.,  Perlo,  J.＆  Bluemich,  B.  Mobile  High  Resolution  Xenon  Nuclear  Magnetic  Resonance  Spectroscopy  in  the  Earth’s  Magnetic  Field.Phys.Rev.Lett.94,197602（2005）］”に公知となっている。上記の例外の理由としては、Ｘｅ原子に対する化学シフトにおける差が、プロトンのそれよりも１００倍大きく、同時に、Ｘｅ  ＮＭＲ線の線幅が非常に狭い（数ｍＨｚ）ということが挙げられる。
【０００７】
ほとんどの核の場合、小さい磁場、特に１０-4Ｔ未満では化学シフトの測定が不可能であるにもかかわらず、去る５０年間、以下において低磁場ＮＭＲ（low-field  NMR）と称される、小さい磁場における核スピン共鳴の測定において、着実な改良がなされてきた。Packard及びVarianによる、地球磁場における最初の１ＮＭＲスペクトル［参考文献は、Kaplan,  J.  Minutes  of  the  Stanford  Meeting  December  28,29  and  30,1953.Phys.Rev.93,939-954（1954）；941ページ：Packard,  M.＆  Varian,  R.地球磁場における自由核誘導  （Free  Nuclear  Induction  in  the  Earth’s  Magnetic  Field）］から始まり、開発は、最初の異核性１Ｈ-３１Ｐ及び１Ｈ-１４ＮＪ-カップリングの測定［参考文献は、Benoit,  H.,  Hennequin,  J.＆  Ottavi,  H.（低磁場）における予備磁化法に対する分光法の応用（Les  applications  spectroscopiques  de  la    methode  de  prepolarisation  en  R.M.N.（champs  faibles））.  Chimie  Analytique  44,471-477（1962）;  Bene,  G.  J.地球磁場範囲における液体係の核磁気（Nuclear  Magnetism  Of  Liquid  Systems  In  The  Earth  Field  Range.）.Phys.Rep.58,213-267（1980）］、水の自己拡散の測定［参考文献は、Stepisnik,  J.,  Kos,  M.,  Planinsic,  G.  &  Erzen,  V.地球磁場におけるＮＭＲによる自己拡散計測のための強い非均質磁場（Strong  Nonuniform  Magnetic  Field  FOR  Self-Diffusion  Measurement  by  NMR  in  the  Earth’s  Magnetic  Field.）.  J.Magn.  Reson.  Series  A  107,167-172（1994）］、南極氷の細孔における水の自己拡散の測定［参考文献は、Challaghan,  P.T.,  Eccles,  C.D.  ＆  Seymour,  J.D.南極条件下での自己拡散のパルス勾配のスピンエコー計測に適した地球磁場核磁気共鳴機器（An  earth’s  field  nuclear  magnetic  resonance  apparatus  suitable  for  pulsed  gradient  spin  echo  measurements  of  self-diffusion  under  Antarctic  conditions.）.  Rev.Sci.Instrum.68,4263-4270（1997）］、地下水貯蔵庫の追跡［参考文献は、Planinsic,  G.,  Stepisnik,  J.  &  Kos,  M.地球磁場における緩和時間の計測及びイメージ化（Relaxation-Time  Measurement  and  Imaging  in  the  Earth’s  Magnetic  Field.）.  J.  Magn.  Reson.  Series  A110,170-174（1994）］、地球磁場の磁気共鳴断層撮影［参考文献は、Shushakov,  A.伝導性水における地下水ＮＭＲ（Groundwater  NMR  in  conductive  water.）.Geophysics  61,998-1006（1996）］、及び、最終的には、マイクロテスラからナノテスラ範囲におけるＳＱＵＩＤ-追跡ＮＭＲ［McDermott,  R.ら、マイクロテスラ磁場における液体状態ＮＭＲ及びスカラーカップリング（Liquid-State  NMR  and  Scalar  Couplings  in  Microtesla  Magnetic  Fields.）.Science  295,  2247-2249（2002）；Trabesinger,  A.  H.他、マイクロテスラ磁場におけるＳＱＵＩＤ-検出液体状態ＮＭＲ（SQUID-Detected  Liquid  State  NMR  in  Microtesla  Fields.）.  J.Phys.Chem.A108,957-963（2004）；Burghoff,  M.,  Hartwig,  S.,  Trahms,  L.  ＆  Bernarding,  J.,ナノテスラ範囲における核磁気共鳴（Nuclear  magnetic  resonance  in  the  nanotesla  range.）.  Appl.Phys.Lett.87,054103（2005）;  Greenberg,  Y.  S.  核磁気共鳴に対する超伝導量子干渉装置の適用（Application  of  superconducting  quantum  interference  devices  to  nuclear  magnetic  resonance.）.  Rev.Mod.Phys.70,175-222（1998）;  Clarke,  J.,  SQUIDセンサー:原理、構成及び適用（in  SQUID  sensors：Fundamentals,  Fabrication  and  Applications.  Weinstock,  H.,  Ed.（Kluwer  Academic,Dordrecht,Nederlands,1996）,1-62.］に到るまで進歩してきた。
【０００８】
小さい化学シフトは、測定不可能であるにもかかわらず、殆どの核の場合、小さい、例えば、１０-4Ｔ未満の外部磁場に対しては、Ｊ-カップリングのメカニズムを開発することにより分子の構造に関する情報を求めることができる。２つの核スピンの間のＪ-カップリング（スピン−スピンカップリングとしても知られている）［参考文献：幾つの安定した同位元素の核磁気モーメントについて（Proctor,  W.G.＆.Yu,  F.C.  On  the  Nuclear  Magnetic  Moments  of  Several  Stable  Isotopes.Phys.Rev.81,20-30（1951））］は、ＩaとＩBとの間の化学結合内における電子を介して運搬される核スピンＩaと第２の核スピンＩBとの間の間接的な相互交信に起因する。下記のようなＪ-カップリングの相互作用エネルギーの数学的な形態は:
Ｈ＝２π・Ｊ・ＩA・ＩB
Ｊ-カップリングエネルギー（一般的に、プロトンに対しては０.１−２００Ｈｚ）が２つの核スピン（Ｂ0磁場に対して平行または逆平行）の相対的な配向に左右されること、そしてＪ-カップリングが、外部磁場Ｂ0とは独立であることを意味し、これは実際、非常に重要である。
【０００９】
ＩaとＩBとの間のＪ-カップリングは、また、幾つかの化学結合にわたって発生することもある。経験則によると、結合距離が大きいほど（ＩAとＩBとの間により多くの結合が位置すると）、Ｊ-カップリング定数またはＪ-カップリングエネルギーは、より弱くなる。磁場Ｂ0からのＪ-カップリングの独立性は、任意の小さい磁場であっても、Ｊ-カップリング定数が、非常に高い精度で測定可能であることを意味する。
【００１０】
量子力学的計算は、核スピンＩA及びＩBのラーモア周波数の差が観察されるべきＪ-カップリングよりも大きな場合にのみ、Ｊ-カップリングによるＮＭＲスペクトルにおける分裂が観察可能であることを示している。ＩA及びＩBのラーモア周波数の差は、それらの異なる化学シフト、または異なる磁気回転比γa及びγBのいずれかによって存在する。
【００１１】
核が、異なる磁気回転比γＡ及びγＢを有する異なる化学種である場合（例えば、1Ｈ及び19Ｆ）、Ｊ-カップリングは、異核性と呼ばれる。ＩA及びＩBが同じタイプである場合（例えば、２個のプロトン）、カップリングは、等核性と呼ばれる。したがって、異核性Ｊ-カップリングは、非常に小さい磁場まで（約１０-7Ｔまで）測定可能であるが、これは、ＩA及びＩBのラーモア周波数の差が、たとえ１０-7Ｔであっても、Ｊ-カップリングに比べて大きいからである。
【００１２】
等核性Ｊ-カップリングは別の場合である。地球磁場において、例えば、典型的なエタノールの1Ｈ-線幅は、約１００ｍＨｚであるが、その一方で、ＣＨ2またはＣＨ3基のプロトンの化学シフトは、数ｍＨｚである。したがって、エタノールのすべてのプロトンは、地球磁場において磁気的に等価である。等核性Ｊ-カップリングは、測定することが不可能である。このような事実が、図１にエタノール分子に対して示されている。以下、高磁場と称される、約１.５Ｔの高磁場の場合、化学シフトは、1Ｈ-線幅よりも遥かに大きい。したがって、1Ｈ-スペクトルは、一方では、ＯＨ、ＣＨ2及びＣＨ3基の３種の化学シフトを、その他方では、ＣＨ2基（ＣＨ3基のプロトンとカップリング：−＞四重項）及びＣＨ3基（ＣＨ2基のプロトンとカップリング：−＞三重項）の等核性Ｊ-カップリングを示す。ＯＨ基のプロトンは、他の２つの基との等核性Ｊ-カップリングを示さないが、これは、そのプロトンが、水素架橋結合によって自由に移動することができるためである。高磁場において、測定された化学シフトと等核性Ｊ-カップリングとの組み合わせは、エタノール分子の構造との関連を可能にする。それにより、このようなことは、高分解能高磁場ＮＭＲの基礎を形成する。
【００１３】
Ｂ0磁場は、より小さくなって、ＯＨ、ＣＨ2及びＣＨ3線が非常に低い磁場で併合されるまで、それらの線をより一層近くなるように移動させる。このような崩壊は、完全なエタノールスペクトルを用いた３つの磁場（１.５Ｔ、０.３５Ｔ及び地球磁場の５・１０-5Ｔ）に対する図１での例示により証明されており、地球磁場において完全なエタノールスペクトルは、どのような構造的な情報もなく単一線からなる。
【００１４】
ここ数年、異核性Ｊ-カップリングのより正確な測定が、１０-4Ｔよりも小さい外部磁場に対して成功的に行われた。何年か前に、McDermottら［参考文献：  McDermott,  R.  et  al.“マイクロテスラ磁場における液体状態ＮＭＲ及びスカラーカップリング（Liquid-State  NMR  and  Scalar  Couplings  in  Microtesla  Magnetic  Fields.）.  Science  295,  2247-2249（2002）］は、ｎＴ範囲でＳＱＵＩＤ装置を用いた異核性１Ｈ-３１ＰＪ-カップリング定数の測定を証明した。
【００１５】
１Ｈ-線幅は、上記実験ではＢ0磁場の非均質性に左右されているが、約１Ｈｚである。最近には、地球磁場における高分解能1Ｈ、19Ｆ及び7ＬｉＮＭＲ分光法の妥当性が、S.  Appelt,  H.  Kuehn,  W.  Haesing  und  B.  BluemichがNature  Physics  2,105-109（2006）において1Ｈ-線幅を０.０３Ｈｚまで示したことにより証明された。各種の分子の異核性1Ｈ-19Ｆ及び１Ｈ-29ＳｉＪ-カップリング定数が、数ｍＨｚの正確度で測定されることもできる。このような正確度は、測定される線幅がすでに（横断緩和時間Ｔ２の逆数で与えられる）固有の線幅であるため、これ以上改善することはできない。しかしながら、もっとも重要なのは、測定されたＪ-カップリング定数の精度が、超伝導高磁場磁石によって得られる精度と比較するとき、１０倍または１００倍もより優れるということである。このような極めて高い分解能は、小さな分子はもちろん、巨大分子の化学的構造の正確な分類または識別を可能とする。将来的には、これは、例えば、高度の精度で化学的分析を行うためのな低磁場ＮＭＲ装置の技術的具現を考慮した広範囲にわたる影響をもたらすだろう。
【００１６】
地球磁場における高分解能周波数の例示として、図２に、非常に均質な（〜３ｐｐｂ）９.４Ｔ高磁場磁石で測定されたテトラメチルシラン（ＴＭＳ）の異核性1Ｈ-29ＳｉＪ-カップリングと、地球磁場で測定された同じＪ-カップリング定数との比較が示されている。地球磁場における1Ｈ-29ＳｉＪ-カップリングは、６.６１７+１ｍＨｚであり、高磁場磁石で測定されたＪ-カップリング（Ｊ=６.６±０.１Ｈｚ）よりも約１００倍も良好である（資料出処：Nature  Physics  ２,１０５-１０９（２００６））。
【００１７】
図３に、８個の異核性1Ｈ-19ＦＪ-カップリングを有する、ノナフルオロヘキセン分子を用いた地球磁場ＮＭＲに対する別の例示が示されており、これらの全ては、スペクトルで同定することが可能である。これは、Ｊ-カップリングネットワークが、単一測定において、多くの結合の距離にわたって測定することができ、これにより、分子構造を修得することができることを証明する例示である。図３に示したノナフルオロヘキセン（ＮＦＨ）の19Ｆ-スペクトルは、８個の異核性1Ｈ-19ＦＪ-カップリングを特徴とする。19Ｆ-スペクトルは、４個の三重項と４個の二重項との重ね合わせからなる。上方の曲線は、この重ね合わせのシミュレーションであり、ＮＦＨの分子構造が、一度の測定で観察可能であることを示している。Ｊ-カップリング定数の左側上の数字は、観察された1Ｈと19Ｆ核との間の化学結合の数を示す（資料出処：Nature  Physics  2,105-109（2006））。
【００１８】
ところが、これまでの当業界の最新技術によると、超高分解能低磁場ＮＭＲによる分子の特性化は、異核性Ｊ-カップリングの補助を用いた場合でのみ可能となる。たとえ周波数の高分解能が成功的に達成されたとしても、異核性Ｊ-カップリング定数のみから得られた情報は、試料内で生じる分子グループに対するいずれの情報も含んでいない。
【００１９】
本発明の目的は、試料を高分解能で且つ包括的に特徴化することである。
【００２０】
上記の目的は、小磁場で等核性Ｊ-カップリングを測定し、測定された等核性カップリングを試料の特徴化に使用する、核磁気分光法を通じて試料を検査する方法によって解決される。
【００２１】
当業者は、小磁場では、試料の異核性Ｊ-カップリングのみが測定可能であるという意見を持っていた（参考文献は、例えば、Applied  Physics  Letters  87,054103（2005）,ナノテスラ範囲での核磁気共鳴（Nuclear  magnetic  resonance  in  the  nanotesla  range）,第１ページ、左段の第２番目の段落文）。しかし、実際には、専門家たちは、すべての有機分子または生体分子は、主に炭素、水素及び酸素からなり、例えば、19Ｆまたは29Ｓｉのような核は相対的に珍しいということを考慮しなかった。炭素は、９９％の１２Ｃ（核スピンＩ=０）及び１％の13Ｃ（核スピンＩ=１/２）からなる。すべての有機分子の1Ｈ核の１％は、13Ｃ核と異核性方式でカップリングする。これにより、低磁場における1Ｈスペクトルは、主に、構造に対する情報のない単一の1Ｈ-線（すでに、図１の地球磁場において示唆されている）だけでなく、異核性1Ｈ-13ＣＪ-カップリングから生じる非常に小さい周辺線（主線よりも約２００倍小さい）からなる。専門家の意見とは反対に、現在の構造の決定は、少なくとも13Ｃ核（１％発生）もしくはその他の稀少な核（例えば、15Ｎ）と異核性方式でカップリングされた上記1Ｈ核に対しては可能である。これは、引き継いで、測定可能な高分解能の等核性Ｊ-カップリングされたＨ-スペクトルにつながり、前記スペクトルは、同時に、異核性カップリングに関する情報を含む。
【００２２】
専門家の間での主流である予想とは異なり、試料で発生した等核性Ｊ-カップリングは、原則として、小磁場において実際に測定することができる。
【００２３】
実際に等核性Ｊ-カップリングのスペクトルを捕捉することができるためには、一実施態様において、例えば、好ましくは、少なくとも１テスラの強い磁場で、検査する試料の予備磁化を行う。一実施態様において、特に強磁石、好ましくは１乃至２テスラの永久磁石が、上記目的のために使用される。小磁場で測定が行われる場合、専門家は、原則として、予備磁化のために比較的弱い（電）磁石を使用したが、これを用いて、０.１乃至０.３テスラの大きさの磁場が生成された。実際に、予備磁化に使用したそのような弱い磁場は、普通、請求の範囲における方法を遂行するには不十分な測定結果をもたらす。より強い磁石を予備磁化を遂行するために使用して、それにより、当技術分野において通常に使用された経路から外れる。
【００２４】
優れた周波数分解能を達成するために、測定の間に試料に作用する弱磁場のとりわけ優れた均質性に注意を払うことが、特に重要である。一実施態様において、試料の体積は、前記目的に近接するために、小さい方として選択される。特に、本発明の観点からは、２ｃｍ3未満の試料の体積が小さいものである。一般に、当業者は、弱磁場における測定には５００ｃｍ3以上の体積を有する試料を選択する。このような側面からも、当技術分野における通常の測定から脱却している。
【００２５】
一実施態様において、試料は、実施することのできる改善された方法を保証するために、例えば、13Ｃ核で適切に富化される。その後に、測定された結果は、化学的特性化に使用される。それにより、相当高い精度で測定し、従って、試料、すなわち主に有機試料を非常に高い精度で地球磁場において特性化する能力が、成功的に修得される。しかしながら、一般に、本発明の方法はまた、そのような富化なしに行うこともできる。地球磁場での特性化は、特性化を簡単にするが、これは、地球磁場が、技術的努力を必要とせず、当然ながら自由に利用することができるからである。
【００２６】
図４に示されたように、例えば、試料は、骨格ＸM-Ａ-Ｂ-ＸKを有する分子からなる。Ａ及びＢは、磁気的に等価なスピンＸが結合された任意の分子の基である。ｍ＝以下、ＸMと称する、Ｘ型の１、２、...、Ｍ番目のスピンであり、これは、分子の基Ａに結合されている。ｋ＝以下、Ｘkと称する、Ｘ型の１、２、...、Ｋ番目のスピンであり、これは、分子の基Ｂに結合されている。Ｘは、例えば、測定されるプロトンまたは別の核を表す。このような分子は、例えば、分子の部分Ａに、自然発生率１％の13Ｃ原子を含む。
【００２７】
例えば、Ｍ＝３、及び、Ｋ＝２とする。13Ｃを有するＸMおよび13Ｃを有するＸKの２つの1Ｈ−13Ｃ異核性カップリング定数が、ＪH-A及びＪH-B-Aとして指定され、ＸMとＸKとの間の1Ｈ等核性カップリング定数が、ＪH-Hとして指定される。ＸMとＡとの間の結合距離がＸKとＡとの間よりも短いため、根本的に、ＪH-A＞ＪH-B-A＞ＪH-Hが適用される。その後、Ｈ-ＮＭＲスペクトルは、低磁場で定期的に測定し、最初のスペクトルは、典型的に、すべての磁気的に等価な、カップリングされていないスピンＸM及びＸKに起因する大きな中央線を含む。さらに、スペクトルは、中央線の強度に比べてその強度が約１０００分の１である、２つの対称形多重項構造を含む。上記２つの多重項構造は、一般的に、それらの分裂パターンがＸ3とＸ2との間の等核性Ｊ-カップリングに起因する、２つの四重項及び２つの三重項からなる。強度比が一般的に１：３：３：１であり、周波数空間内の距離がＪH-Hである四重項構造の４つの線が、Ｘ3基の３個のプロトンの８種類の可能な配列方式に対して等核性方式でカップリングするＸ2基の２個のプロトンのＮＭＲ信号に属する。逆に、一般的に強度比が１：２：１であり、同一の距離ＪH-Hの三重項構造の３つの線が、等核性方式でＸ2基の２個プロトンの４種類の可能な配列方式に対してカップリングするＸ3基の３個のプロトンのＮＭＲ信号に属する。四重項（または三重項構造）が、典型的に、中央線の近くで２つの同一の下位群に対称的に分裂されることは、異核性1Ｈ-13ＣＪ-カップリングＪH-B-A（またはＪH-A）に起因している。このような場合、13Ｃ核スピンは、磁場ＢOに対して平行または逆平行であることができ、中央線から±ＪH-B-A/２（±ＪH-A/２）ほど離れるように四重項構造（三重項構造）を移動させる。この測定可能なスペクトルは、図３に示す。
【００２８】
低磁場におけるＸMとＸKスピンとの間の等核性Ｊ-カップリングは、下記式が適合できれば、どのような場合でも、測定可能である。
｜ＪXm−A−ＪXk−B−A｜＞｜ＪXmXk｜
この場合、ＪXmXkは、核Ｘm（ｍ＝［１、...Ｍ］）及び核Ｘk（ｋ＝［１、...Ｋ］）の間の等核性Ｊ-カップリング定数として定義される。原則として、天然の試料では、分子の部分Ａにおいて十分な濃度で、少なくともＸと不等な１つの異核が存在し、そして２つの異核性Ｊ-カップリング定数ＪX-A及びＪX-B-Aは、その量において異なる。上記式が適合できると、ＸmとＸk核との間の磁性等価性が解消されるが、これは、カップリングＪX-A≠ＪX-B-AがＸ核のＮＭＲスペクトル線の不等な分裂を起こさせ、これによって、元々は等価であったＸm及びＸkの遷移周波数を異なる範囲に移動させるからである。
次いで、核Ｘmは、その遷移周波数（ωH＋ＪXM／２で与えられる）が核Ｘkの遷移周波数（ωH＋ＪXK／２で与えられる）と十分に離れているようになったとき、核Ｘkのスピンの配向とは独立に、磁気転移をすることができる。核ＸmとＸkとの間の周波数の差は、核ＸmとＸkとの間の等核性Ｊ-カップリングより大きくなければならないが、これは、そうではない場合、核Ｘkが、核Ｘmの磁気転移時に“さっと通過し”、根本的に等核性Ｊ-カップリングをこれ以上測定することができなくなるためである。実際、実際の試料は、これらの必要な境界条件を根本的に満足し、本発明の方法によって、各種試料を成功的に特性化することができるようになる。
【００２９】
一実施態様において、有機分子が試料として使用されるが、これは、有機試料が、ほとんどの場合、本発明の方法を実施することのできる必要条件を満たしているためである。本発明の方法は、主に、有機分子からなる試料の位置付けを行うか、或いは特性化する場合に使用される。
【００３０】
さらに改善した本発明の方法の操作能力を確実にするために、試料は、下記式を満たす少なくとも２つの異なる異核性Ｊ-カップリングが分子内に存在するように選択される：
｜ＪXm−A−ＪXk−B−A｜＞｜ＪXmXk｜
原則として、これは、有機試料の場合である。本発明の方法は、特に、上記試料の位置付けを行う場合に適用される。或いは、試料は、本発明の方法を遂行する前に、適切に富化される。
【００３１】
本発明の見地から、特に１０-4Ｔより小さい場合は、小さい外部磁場Ｂ0が存在することとなる。好ましくは、地球磁場が小さい外部磁場として利用されるが、これは、地球磁場が基本的に特に均質であるからである。特に均質な外部磁場は、優れた測定結果を得る上で有利である。
【００３２】
さらに改善された特性化能力を得るために、試料の異核性Ｊ-カップリングを付加的に測定して、特性化に使用する。これによって、全体的に、試料は、従来技術に比べて顕著に改善した方式で、完全に特性化することができる。
【００３３】
さらに改善された方法で測定するために、一実施態様において、試料は、核スピンの過分極により予備磁化される。これによって、信号対ノイズ比が増強される。
【００３４】
化学シフト情報の不在にもかかわらず、本発明の方法によって、詳細な構造の決定が可能となる。当業者は、詳細な分子構造の決定のためには、異核性Ｊ-カップリングだけでなく、化学シフト情報をも知らなければならないと考えていた。本発明による方法では、そのような考えは必要ではない。これは、等核性Ｊ-カップリングが観察されており、これが異核性Ｊ-カップリングと相まって、より一層改善された方式で詳細な分子の構造の決定を可能とするからである。
【００３５】
一方、スペクトルは読み取ることができる。その他方で、試料は、公知のスペクトルとそのスペクトルとを比較することにより、分析することができる。すでに公知となったスペクトルが試料において発見された場合、これは、試料が公知のスペクトルの物質を有していることを意味する。
【００３６】
以下において、本発明を、図面及び実施態様によってさらに説明する。
図５に、分子ＸM-Ａ-Ｂ-ＸK、すなわち、弱相関限界（｜ωH−ωC｜＞＞｜ＪH-C｜）の場合に、構造Ｈ3-Ｃ-Ｂ-Ｈ2を有する分子に対して低磁場において等核性カップリングされたスペクトルの構造を示す。13Ｃ核は、Ａ基で１％の発生率を有する。低磁場におけるスペクトルの上記構造は、高磁場におけるそれとは完全に異なって見える。Ｘがプロトン（1Ｈ）を示す場合、図５は、さらに、Ｍ＝３、Ｋ＝２を示し、すべての分子ＸM-Ａ-Ｂ-ＸKの１％に対して、Ａ基内にＩ＝１/２の13Ｃ核がある（13Ｃの自然発生率＝１％）。13Ｃを有するＸMおよび13Ｃを有するＸKの２つの1Ｈ−13Ｃ異核性カップリング定数は、ＪH-A及びＪH-B-Aとして指定され、ＪH-HωH（ωC）を有するＸMとＸKとの間の1Ｈ等核性カップリング定数は、1Ｈ（13Ｃ）核に対するラーモア周波数を意味する。ＸMとＡとの間の結合距離は、ＸKとＡとの間より短いため、下記式が適用される：
｜ＪH-C−ＪH-B-C｜＞｜ＪH-H｜
【００３７】
図５に示された弱相関限界（ωH−ωC＞＞ＪH-A）の場合の低磁場における1Ｈ−ＮＭＲスペクトルは、一方では、全てが磁気的に等価であり、且つカップリングされていないスピンＸMおよびＸKから生じる、そして、その他方では、中央線の強度に比べて１０００分の１の強度を有する２つの対称型多重項構造から生じる、大きな中央線からなる。上記２つの多重項構造は、２つの四重項及び２つの三重項からなり、これらの分裂パターンは、Ｘ3とＸ2との間の等核性Ｊカップリングに起因するものである。強度比が１：３：３：１であり、周波数空間内の距離がＪH-Hである四重項構造の４本の線は、Ｘ3基の３つのプロトンの８種類の可能な配列方式に対して等核性方式でカップリングする、Ｘ2基の２つのプロトンのＮＭＲ信号に属する。逆に、強度比が１：２：１であり、同一の距離ＪH-Hの三重項構造の３本の線は、等核性方式でＸ2基の２つのプロトンの４種類の可能な配列方式に対してカップリングする、Ｘ3基の３つのプロトンのＮＭＲ信号に属する。四重項構造（または三重項構造）が、中央線の周囲で対称的に２つの同一の下位群に分裂されることは、異核性1Ｈ-13ＣＪ-カップリングＪH-B-A（またはＪH-A）に起因するものである。上記の場合、13Ｃ核スピンは、磁場Ｂ0に対して平行であってもまたは逆平行であってもよく、四重項構造（三重項構造）を中央線から±ＪH-B-A／２（±ＪH-A／２）だけ離れるように移動させる。
【００３８】
図６に、弱相関限界の場合におけるｎ-ブタノールのより複雑な場合に対する、低磁場で観察可能なすべての等核性1Ｈ-1ＨＪ-カップリングを図式的に示す。
【００３９】
ｎ−ブタノール分子は、13Ｃ核スピンに対して４つの可能な位置（図６の１−４）を有する、線形配列の４個の炭素原子からなる。13Ｃ核スピンがブタノールの１位に位置する場合、ＣＨ2基の２つのプロトンの１位に対して、ＣＨ2基の複数個のプロトンは、等核性方式で２位および３位にカップリングするか、もしくはＣＨ3基の複数個のプロトンは、４位にカップリングする。主線の付近に対称的に配列された、周波数距離2ＪH-C、3ＪH-Cおよび4ＪH-Cを有する三重項の組は、その結果である。Ｊ-カップリング定数の隣の左上側にある数字は、観察される核の間の化学結合の数を示す。個別の三重項は、順に、１位のＣＨ2基のプロトンとＣＨ2もしくはＣＨ3基（２-４位）の等核性1Ｈ-1ＨＪ-カップリング定数を反映する。異なる結合の距離のため、３つの異なる等核性カップリング定数3ＪH-HC＞4ＪH-H＞５ＪH-Hが存在する。複数のＪ-カップリングされた線は、分子の構造同定を容易に可能とする。
【００４０】
13Ｃスピンが２位または３位にあれば、そのとき、３つの三重項の組で構成される同様のカップリングパターンがその結果として生じるが、Ｊ-カップリング定数は、以前に示されたものとは全部異なっていてもよい。13Ｃスピンが４位にあるとき、それによって、また異なる等核性及び異核性Ｊ-カップリング定数を有する３つの四重項の組がその結果として生じる。Ｊ-カップリングパターンは、その全体として、ｎ-ブタノール分子に対して特徴的である。このような方式で、化学シフトの情報を使用せずに、低磁場における異核性及び等核性ネットワークの測定を用いて、ｎ-ブタノール分子構造のフィンガープリントを修得するか、もしくは本発明によってフィンガープリントを測定することができる。一般に、本発明による方法は、さらに、複雑な高周波数電子システム、超伝導磁石もしくは精巧な冷却技術（ＳＱＵＩＤ）を用いずに、複合分子に適用することができる。
【００４１】
弱相関限界の条件を満たさない場合、スペクトルは、より複雑になる。図５の実施例のように、強くカップリングされたＣＨ３基（ωH−ωC〜ＪH-C）の場合を懸念すると、４重項の組が８重項の組となり、３重線の組が９本の線の組となる。
【００４２】
ＸMとＸK核との間の等核性Ｊ-カップリング定数が非常に小さいことがあるため（普通、１Ｈｚ未満）、使用する分光計は、できる限り最高の周波数分解能で操作しなければならない。理想的には、分光計は、機器において無視できるほどごくわずかな線拡張を示さなければならず、スペクトル線の幅は、（可能な最小値で）固有の線幅に近い。
【００４３】
同じ理由から、使用する低磁場ＮＭＲ分光計が、非常に敏感であることに注意しなければならない。信号対ノイズ比は、主な線に対して１０００を超過するようにして、稀少核（例えば、１％で発生する13Ｃ）に対して異核性方式でカップリングされる少数のＸ核が確実に観察されるようにしなければならない。稀少核が、例えば、15Ｎ（Ｉ＝１/２）である場合、分光計の敏感度に関する必要条件はより一層高くなるが、これは、15Ｎ核の自然発生率が０.３６％であるためである。
【００４４】
使用されるＮＭＲ分光計の感度が不十分な場合、検査する試料は、同位元素、例えば、13Ｃで富化することができる。そうすると、すべての等核性1Ｈ-1Ｈカップリング線の強度が２桁まで増加する。これは、分光計の感度に対する必要条件が、これ以上高くないことを意味する。しかし、富化は、非常に高価な方法であり、可動性のものに対する用途（例えば、石油分子のオンライン分析）には、ほとんど実施できない。
【００４５】
図７に、本発明によって決定されたテトラメチルシラン（ＴＭＳ）分子の構造、及びＸM-Ａ-Ｂ-ＸK分子の一般的な配置に対するＴＭＳの分子フラグメントの配分例を示す。上記例示では、Ｘ＝1Ｈ、Ｍ＝３、Ｋ＝９、Ａ＝13Ｃ、及びＢ＝（12Ｃ）3-Ｓｉである。
【００４６】
すべてのＴＭＳ分子のうち約１％に対しては、スピンＩ＝０である12Ｃ核が、スピンＩ＝１/２である13Ｃ核に置換される。したがって、上記の場合、Ａ基は、単なる13Ｃ核であり、Ｂ基は、中心Ｓｉ原子に結合された３個の12Ｃ原子からなる。本来、ケイ素は、核スピンＩ＝０である９５％の28Ｓｉ及び核スピンＩ＝１/２である４.７％のＳｉからなる。測定されるＸ核は、プロトンであり、Ｍは、Ａ基（＝13Ｃ）に結合される３個の磁気的に等価なプロトンであり、Ｋは、Ｂ基に結合される９個の磁気的に等価なプロトンである。全体のＳｉ原子の４.７％が、核スピンＩ＝１/２を有する29Ｓｉ原子であるため、１２個のプロトンと２９Ｓｉとの間のＪH-Si＝６.６１７Ｈｚの異核性カップリングにより、1Ｈスペクトルが２つの線に分裂される。このようなＪ-カップリングされた二重項（29Ｓｉ核は、磁場Ｂ0に対して平行やまたは逆平行である）は、すでに図２に示されている。
【００４７】
ところで、１００個のＴＭＳ分子のうちの唯一の１つにおいて、Ａ基内に13Ｃ核があり（１％発生率）、これは、２つの異なる異核性1Ｈ-13Ｃカップリング（１ＪH-A〜１２０Ｈｚ及び３ＪH-B-A〜２Ｈｚ）を介して、１２個のプロトンの磁気的な等価性を無効化にする。Ｂ基の９個の磁気的に等価なプロトンであるＫは、4ＪH-H＜＜１Ｈｚの等核性カップリング定数を有するＡ基の３個の磁気的に等価なプロトンであるＭに、等核性方式でカップリングされる。３個のプロトンＭは、８種類の可能な配列方式を有するため（３つ全ての１Ｈが上向きまたは３つ全ての1Ｈが下向き、或いは、２つは上向きで１つは下向き、もしくは１つは上向きで２つは下向きであり、それぞれ１／３の縮重である）、２つの四重項構造は、図８に示されたように、周波数距離が３.／ｈ−ｂ−ａ〜２Ｈｚである。示されたのは、1Ｈ-ＮＭＲによる、地球磁場におけるＴＭＳの等核性1Ｈ-1Ｈカップリングの測定である。同時に、異核性1Ｈ-29Ｓｉ（ＪH-Si＝６.６１７Ｈｚ）、1Ｈ-13ＣＪ-カップリング（ここで、３ＪH-B-A＝２.１３９Ｈｚ）及び4ＪH-H＝０.２０９Ｈｚの四重項の組との等核性1Ｈ-1Ｈカップリングが、高い分解能で観察される。よって、きわめて小さい等核性Ｊ-カップリング（０.２０９Ｈｚ）を最高の精密度で測定することができ、それによって、分子の微細な構造的相違も捕捉することができる。したがって、全体の分子構造が、単一スペクトルで捕捉される。
【００４８】
構造説明のための提案された方法のポテンシャルは、Ｘ＝13Ｃが測定される核として利用される場合に、より一層高くなる。プロトンスペクトルと比較するとき、スペクトル分解能は、１０倍以上優れているが、これは、13Ｃ核に対するＴ２緩和時間を非常に長くすることができるためである（Ｔ２〜３秒乃至３分）。しかしながら、非常に小さい信号対ノイズ比のため、強力な予備磁化、例えば、ＰＨＩＰ（パラ水素誘導性分極転移;Para  Hydrogen  Induced  Polarization  Transfer）、ＳＥＯＰ（スピン交換光ポンピング;Spin  Exchange  Optical  Pumping）、またはＳＰＩＮＯＥ（スピン分極化誘導性核オーバーハウザー効果;Spin  Polarized  Induced  Nuclear  Overhauser  Effect）方法のようなものを採用しなければならない［参考文献：Bowers,  C.R.&  Weitekamp,  D.P.化学反応及び核磁気共鳴による、核-スピン磁化に対する対称化手順の変換（Transformation  of  symmetrization  order  to  nuclear-spin  magnetization  by  chemical  reaction  and  nuclear  magnetic  resonance）.Phys.Rev.Lett.57,2645-2648（1986）；Goldman,  M.,  Johannesson,  H.,Axelsson,  O.&  Karlsson,  M.パラ水素からのオーダートランスファーを通じた13Ｃの分極：ＭＲＩのための新規の造影剤（Hyperpolarization  of  13C  through  order  transfer  from  parahydrogen：  A  new  contrast  agent  FOR  MRI.）.Magn.Reson.Imag.23,153-157（2005）；Happer,  W.  Optical  Pumping.Rev.Mod.Phys.44,169-249（1972）；Appelt,  S.ら.3Ｈｅ及び129Ｘｅのスピン-交換光ポンピングの理論（Theory  of  Spin-Exchange  Optical  Pumping  of  3He  and  129Xe）,Phys.Rev.A58,1412-1439（1998）；Bouchiat,  M.A.,  Carver,  T.R.  &  Varnum,  C.M.光ポンピング及び双極子交換に誘導される３Ｈｅ気体における核分極（Nuclear  Polarization  in  He3  Gas  Induced  by  Optical  Pumping  and  Dipolar  Exchange）.Phys.Rev.Lett.5,373-375（1960）；Colegrove,  F.D.,  Schearer,  L.D.  &  Walters,  G.K.光ポンピングによる3Ｈｅ気体の分極（Polarization  of  He3  Gas  by  Optical  Pumping）.Phys.Rev.132,2561―2572（1963）］。
【００４９】
現在までも、１０-4Ｔ未満の磁場に対するＮＭＲ分光法の１次元の場合のみを取り扱っている。様々な多重項の組のあるＮＭＲスペクトルにおいて、ＡまたはＢ基に結合された多数の測定核（例えば、1Ｈ、13Ｃ、....）の数を明白に推定することが可能である。たとえ、すべての異核性カップリング定数をスペクトルから決定することができるとしても、すべての場合において、測定した核がどの核とカップリングするかを推定することは不可能である。このような問題は、周波数空間内の第２次元をスペクトルに取り入れることによって解決される。２次元ＮＭＲと類似した方法で［参考文献：Ernst,  R.R.,  Bodenhausen,  G.＆  Wokaun,  A.１次元及び２次元における核磁気共鳴の原理（Principles  of  Nuclear  Magnetic  Resonance  in  One  and  Two  Dimensions）.（Clarendon  Press,Oxford,UK,1987）］、例えば、スペクトルの測定中に、低強度の無線周波数を持続的に放射することが可能である。放射される周波数は、測定する核のシグナル測定を妨害しないように、測定する核のラーモア周波数から十分遠くに離れていなければならない。無線周波数が、測定する核と異核性カップリングする未知の核と共鳴する場合、異核性Ｊ-カップリングは、平均して、対応する多重項の組がスペクトルから消える。放射周波数が既知であるため、核が、どのような類型であるかを断定することが可能である。多数の異なる無線周波数において、測定する核の１次元実験を繰り返す場合、測定する核のすべての異核性及び等核性Ｊ-カップリングが第１次元の周波数空間に散在し、そして異核性方式で測定する核とカップリングされているすべての類型の核（プロトンを除く）が第２次元の周波数空間に散在している２次元ＮＭＲスペクトルが修得される。
【００５０】
２０００Ｈｚでのプロトンの対応するラーモア周波数（γH＝４.２５７ｋＨｚ／Ｇ）を有する、地球磁場（４.６９８−１０−5Ｔ）におけるＴＭＳ分子の場合、この時、13Ｃのラーモア周波数は、５０３Ｈｚ（γ13c＝１.０７０８ｋＨｚ／Ｇ）で、29Ｓｉののラーモア周波数は、３９７.７Ｈｚ（γ29Si＝０.８４６５ｋＨｚ／Ｇ）である。例えば、若し磁場強度Ｂ1で正確に５０３Ｈｚで放射すると、13Ｃ磁化は、ラビ（Ｒａｂｉ）周波数  ＶR＝γ13ＣＢ1で振動し、異核性1Ｈ-13ＣＪ-カップリングを平均する。
１次元の1ＨＴＭＳスペクトルにおいて、図８に示された四重項の組は消えるが、これは、四重項の組の出現条件が、異核性1Ｈ-13Ｃカップリングが存在することであるためである。同様に、異核性1Ｈ-29ＳｉＪ-カップリングは、３９７.７Ｈｚの放射を利用する場合に、平均する。これによって、多重項構造の一時的下落が、プロトン２Ｄスペクトルの異核が共鳴する箇所に正確に現われる。このことは、ＴＭＳ分子に対して地球磁場でシミュレーションされた1Ｈ２Ｄスペクトルが示されている図９に説明している。１Ｄスペクトルに比べてより優れた分子構造のマッピングが可能である。これは、すべてのＪ-カップリング定数とは別に、それらと関連するＪ-カップリングを含む、すべての核の類型が２Ｄスペクトルから分かるためである。
【００５１】
一実施態様において、地球磁場の代わりにｍＴ範囲のより大きい磁場を選択する場合、提案された２Ｄ低磁場ＮＭＲ方法をより一層改善することができる。１ｍＴ（＝１０-3Ｔ）において、13Ｃ核のラーモア周波数は、約１０ｋＨｚである。13Ｃ化学シフトの範囲が約１００ｐｐｍであるため、多様な化学的環境による13Ｃ共鳴周波数の差は、約１Ｈｚである。ただし、磁場Ｂ０＝１ｍＴが非常に均質であって（ΔＢ０/Ｂ０〜１０-6）、かつ一時的に安定する場合、1Ｈ２Ｄスペクトル（〜４２ｋＨｚラーモア周波数）において、放射される13Ｃ無線周波数を変化させることにより（例えば、１０ｍＨｚ毎に）、各種の13Ｃ化学シフトの間を区分することが可能である。２Ｄスペクトルにおいて、これは、関連するＪ-多重項の組を有するすべての測定された13Ｃ化学シフトの割り当てを可能とし、分子構造の最終的な解明ができるようにするものである。
【００５２】
本願に記載された方法を用いて、例えば、可動性の石油分子の構造の解明が可能である。等核性及び異核性Ｊ-カップリングによって、例えば、（すでに、油井の近所または内部で）石油探査の間にヘプタン、オクタン、ベンゾール及びその他の石油成分を現場で区分し、それにより、もっとも正確な方法で石油の品質を等級分けすることが可能となる。
【００５３】
例えば、取り扱い難い条件（例えば、大規模のリアクションチャンバー）下で、技術的変化が起きる化学反応は、反応が進行する間に、本発明に準ずる（可動式）ＮＭＲによって特性化することができる。これは、例えば、プラスチック製造中の重合反応のオンライン特性化に対して重要である。
【００５４】
液状食品製品（例えば、アルコール飲物、エタノール、芳香族化合物水溶液の成分など）の品質管理は、本発明の方法の別の適用分野である。
【００５５】
最終的に、小型乃至中間度の大きさのタンパク質または生体分子の構造をマッピングする可動式ＮＭＲ装置は、薬剤産業において非常に関心の高いものである。本発明で提案された方法は、超伝導磁石を用いた構造分析の性能に比べて、実質的により柔軟であり、且つ安価の可動式ＮＭＲ装置の使用を可能とする。
【００５６】
以下において、可動式高分解能ＮＭＲの本発明方法を実施するための装置を説明する。
【００５７】
図１０に示された装置の中心ユニットは、できるだけ均質な磁場（５）（Ｂ0＝０.２〜２００Ｇ）を生成する２つのヘルムホルツコイル（４）からなる。このような場合、均質性ΔＢ/Ｂ0は、少なくとも１ｐｐｍでなければならない。Ｂ0磁場の十分な一時的な安定性を達成するために、電流安定装置（６）は、１時間以上にわたって、１ｐｐｍ以上の一時的な安定性を備えていなければならない。必要であれば、上記均質性は、追加のシムコイルを使用して得なければならない。スクリーニング（１０）は、測定位置における環境による磁場の変化または歪みを回避するために行われる。
【００５８】
測定すべき試料（１）の所望の分極は、ハルバハ磁石（２）による予備磁化、または、測定コイル（７）への試料の移送（５）が後続される、その他の過分極技術（１１）（ＳＥＯＰ、ＰＨＩＰ、ＳＥＯＰ＋ＳＰＩＮＯＥ）のいずれかによって達成される。縦緩和時間が短い（Ｔ１＜１秒）試料の場合、ハルバハ磁石（２）から測定コイル（７）への移送は、圧縮空気を用いて約１００ｍｓ内に行うことができる。
【００５９】
試料は、ＮＭＲ電子システム（９）によって生成されるＤＣまたはＡＣパルスのトランスミッタコイル（８）によって励起される。次いで、“自由誘導減衰”（ＦＩＤ）が受信コイル（７）及びＮＭＲ電子システム（９）で測定され、データ取得システムによって記録されて、その後、評価される。
【００６０】
図１０に示した配列は、超高分解能ＮＭＲ分光法の可動性能を可能にするものである。少なくとも５０００のスクリーニング係数を用いた二重磁石スクリーニングとともに、カップリングされていないプロトンに関する、数千の信号対ノイズ比を有した高感度ＮＭＲ電子システムが、特別な特徴である。
【００６１】
超低磁場における等核性Ｊ-カップリングの測定の原理について、もう一度説明する。核スピンがなく、互いに結合されたプロトン１Ｈを有する、２つの化学基Ａ及びＢからなる単一分子について検討する（図１１ａ、左側）。1Ｈ−ＡおよびＢ−1Ｈに対してそれぞれ遷移周波数ωH,AおよびωH,Bの２つ異なる化学シフト、および等核性Ｊ-カップリング定数Ｊhomがある。カップリング定数は、高磁場でほとんどいつも実行される弱相関限界｜ωH,A−ωH,B｜＞＞２π｜Ｊhom｜において容易に測定することができる。しかし、磁場強度Ｂ０＜１０-4Ｔの超低磁場では、強相関限界は、｜ωH,A−ωH,B｜＜＜２π｜Ｊhom｜を適用する。
２つの限界が、図１ａ、右側の２つのカップリングされた振動子からの機械的アナロゴンによって説明されている。それぞれの振動子は、一つの化学基1Ｈ-Ａ-Ｂ-1Ｈ分子の｜位置｜＝Ｈ−Ａ、Ｈ−Ｂを表し、バネ定数がＤｉで、質量がｍであるスプリングからなる。この２つの振動周波数は、ω１＝（Ｄ1／ｍ）1/2である。このモデルにおいて、２つのプロトンの間の等核性Ｊ-カップリングは、２つの質量間の定数Ｄhomを有するスプリングに対応する。高磁場では、２つの基が磁気的に等価ではなく、ωＨ,Ａ−ωＨ,Ｂ｜＞＞（Ｄhom／ｍ）1/2であり、そのため、ωＨ,Ａ≠ωＨ,Ｂであり、スプリングは、周波数（Ｄhom／ｍ）1/2のビートを取り入れる。保持スペクトル（図１１ｂ）は、２つの周波数の化学シフト及び等核性Ｊ-カップリングによって移動された１Ｈ線の分裂を示している。超低磁場において、２つのバネ定数が一致（ＤH,A＝ＤH,B）するように、２つの基は、磁気的に等価である。２つの質量体は、以下の同一の変位の位相において振動すると予測され、バネ定数Ｄhomは、運動に影響を与えない。したがって、スペクトルは、周波数ωH＝ωH,A＝ωH,Bにおいてただ１つの線からなる（図１１ｃ）。この場合、等核性Ｊ-カップリング定数に対する情報は、有効ではない。
【００６２】
図１１ｄで、スプリングモデルは、ＤH,CおよびＤH,Bのスプリングに並行する、定数ＤhetH,C≠ＤhetH,B,Cの２つの追加的なスプリングで拡張された。これは、たとえＤH,C＝ＤH,Bであっても、２つの質量体に対して異なる振動周波数を誘導し、Ｄhomによる観察可能なビートを誘導するものである。化学基のうち、他方にはないが一方には異核性スピンがある場合、２つのプロトンの間の磁気的な等価性は高くなる。単純化のために、ただ１つの炭素13Ｃ原子を基Ａとして考える場合、１つは、分子構造1Ｈ-13Ｃ-Ｂ-1Ｈを得る（図１１ｄ、左側）。２つのプロトンは、２つの異なる異核性Ｊ-カップリング定数ＪhetH,C、ＪhetH,B,Cを示し、これらは、超低磁場における化学シフトの差が、ひいては消えるようにするために、２つのプロトン周波数を修正する。その結果、
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である場合、超低磁場において定数Ｊhomを有する等核性カップリングを見ることができる。量子力学的計算により、上記条件が、等核性及び異核性Ｊ-カップリングをすべて含めて、一般的に、マルチスピンシステムに対して有効であることが示される。予測スペクトル（図１１ｅ）は、多様な異核性Ｊ-カップリング定数を有する、周波数ωH周りの対称的にグループ化した、２つの組の二重項からなる。ここで、等核性及び異核性Ｊ-カップリング定数は、超低磁場において測定可能である。
【００６３】
ここから、調査した次の液体：13Ｃ及び天然存在比のケイ素29Ｓｉを有するテトラメチルシラン（ＴＭＳ）、及び９９％13Ｃ-富化されたメタノールについて論議する。試料の製造、地球磁場ＮＭＲの設定、予備磁化及び測定手順は、文献［４１］に記載されている。
【００６４】
Ｊ-カップリングされたＮ＋１-スピン系（Ｎ個のプロトンスピン及び１個の13Ｃスピン）のＮＭＲスペクトルをシミュレーションするために、Ｎ＋１スピンのハミルトンマトリックス（Hamilton  matrix）の影響下にある、初期密度マトリックスの経時的変化を数値的に計算した。２Ｎ＋１×２Ｎ＋１次元のＪ-カップリングされたハミルトンマトリックスは、直接的な生産物接近法によって構築されるＮ個のプロトンスピン演算子及び１個の13Ｃスピン演算子によって形成される［４２］。これは、自由誘導減衰（ＦＩＤ）は、密度マトリックスを掛けた全体の横軸プロトンスピンの跡（トレース）を計算して得られた。計算されたＦＩＤをフーリエ変換した後、スペクトルを、位相補正した。横軸緩和時間は、本質的なスペクトルの特徴をよく解明して導入された。
等核性Ｊ-カップリングは、天然存在比のテトラメチルシラン（ＴＭＳ）の地球磁場1Ｈ-ＮＭＲスペクトルにおいて、初めて観察された。ＴＭＳは、ケイ素同位体29Ｓｉ（量f=0.047）、もしくは13Ｃ（量f=0.01）に対してＪ-カップリングされた１２個のプロトンを有している。図１２において、そのＴＭＳのＪ-カップリングされた1Ｈ-ＮＭＲスペクトルは、1Ｈ-29Ｓｉカップリングで占められている。それは、正規化強度Ａ0＝１及び、2ＪH、Si＝６．６０７ＨｚでＪ-カップリングされた1Ｈ-29Ｓｉ二重項（Ｊ-カップリング定数の左上の数値は、カップリングされた核の間の化学結合の数を意味している）で、２０６０．３Ｈｚにおける隔離中央線を示している。
1Ｈ-29Ｓｉ二重項は、下部構造を有さないが、これは、すべての異核性1Ｈ-29ＳｉＪ-カップリング定数が完全に同一であって、関係式｜ωH−ωSi｜＞＞２π｜ＪH,Si｜に従うためである。したがって、その１２個のプロトンは、29Ｓｉに対して全て磁気的に等価であり、等核性Ｊ-カップリング定数4ＪH、Hは、観察することができない。しかし、１％の13ＣＨ3−Ｓｉ−（12ＣＨ3）3分子に対しては、状況が相当異なる。３個のプロトンは、異核性Ｊ-カップリング定数1ＪHa,C＝１１８Ｈｚで13Ｃにカップリングするが［４１］、これは、3ＪHb,C＝２.１３９Ｈｚで13Ｃにカップリングされた９個のプロトンのカップリング定数とは異なる。異核性1Ｈ-13ＣＪ-カップリング定数におけるこのような差は、13ＣＨ３基の３個のプロトンと３個の12ＣＨ3基の９個のプロトンとの間の磁気的等価性を破壊する。
地球磁場で  
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および｜1ＪHa,C−3ＪHb,C｜＞＞｜4ＪHa,Hb｜であるため、予測される１Ｈ-ＴＭＳスペクトルは、１組の四重項及び１組の４０本の線からなる。実際、ＴＭＳスペクトルの近景（図１２）は、１：３：３：１の強度比を有する１組の四重項を示し、それは、カップリングされていない１Ｈ-線の付近で対称的にグループ化されている。それぞれの四重項構造の２つの中心の間の周波数分離から、3ＪHb,C＝２.１３９Ｈｚが測定された。
２個の後続する四重項線の周波数の差は、4ＪHa,Hb＝０.２０９Ｈｚである。もっとも小さい四重項線の強度は、カップリングされていないプロトンの強度Ａ０よりも、１，０００倍以上小さい。
【００６５】
多重項線の強度は、推定可能である。Ｍをすべてのプロトンスピンの数、Ｎを１つの基のプロトンスピンの数、そしてＭ-Ｎを他の基のプロトンスピンの数と定義する。Ｍ-Ｎスピンが観察される場合、Ｎ＋１多重項の最小線の強度は、ＡN+１＝Ａ0×ｆ×（１／２）×（（Ｍ−Ｎ）／Ｍ）／２Nで与えられる。Ｍ＝１２、Ｎ＝３、ｆ＝０.０１およびＡ０＝１のＴＭＳに対して、最小四重項線の強度は、Ａ4＝５×１０-4であり、これは、図１２におけるＴＭＳスペクトルの最小四重項線と一致する。
【００６６】
13ＣＨ3基の３個のプロトンの1Ｈ-スペクトルは、｜ωH−ωC｜＝２π×１５４２Ｈｚ≒１３×２π｜1ＪHa,C｜のような強いカップリングによって、最初に４本線の１組に分裂する。４本線への分裂の理由は、次のセクションで説明する。他の３つのメチル基の９個のプロトンに対する等核性Ｊ-カップリングによって、それぞれ上記４本線は、１０本の線のある多重項にさらに分裂する。Ｎスピンが観察される場合、Ｍ-Ｎ＋１多重項の最小線の強度は、ＡM-N+1＝Ａ0×ｆ×（１／２）×（Ｎ／Ｍ）／２M-Nである。ＴＭＳの場合は、Ａ10＝２×１０-6となる。４０本線のうちの最小線の強度は、Ａ40＝（１／４）Ａ10≒５×１０-7で与えられ、これは、本発明の分光計では測定することができない。約１Ｈｚの線幅を有する、対応するＴＭＳの高磁場１Ｈ-スペクトルでは、1Ｈ-29ＳｉＪ-カップリング定数はほとんど分解することができず、四重項の組は、カップリングされていないプロトンの広幅に隠される。高磁場において、1ＪH,C＝１１８Ｈｚの1Ｈ−13ＣＪ-カップリングされた二重項は観察されるが［４１］、それぞれ０.２０９Ｈｚ間隔の１０本線を有した１組の多重項からなる完全な構造は、分解されない。超低磁場１Ｈ-スペクトルから化学シフト情報を抽出することができないにもかかわらず、地球磁場ＴＭＳスペクトルは、構造的な情報を高磁場スペクトルよりも多く提供することに留意されたい。
【００６７】
図１３には、２つの異なる温度で測定した13Ｃ富化メタノール（ｆ＝０.９９）の地球磁場1Ｈ-スペクトルが示されている。Ｔ＝６０℃において、ＯＨ-プロトンが、異なる分子の間で迅速に交換されるため（滞留時間τ＜＜０.１ｓ）、これらは、等核性または異核性Ｊ-カップリングを全く行わない。上記カップリングされていないプロトンは、1Ｈ-スペクトルにおいて、図１３ａ上側の２０６１.２９Ｈｚでの中央線により見える。優勢である迅速な交換の下で、Ｊ-カップリングされた地球磁場スペクトルは、３個のプロトン及び１個の13Ｃのある、強くカップリングされた４-スピンシステムの一例であり、この場合、
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である。それぞれ４本の線のある１組の多重項が観察される（図１３ａ、上側）。
非対称的なパターン及び可変的な線空間配置が、1ＪH,C＝１４０.６Ｈｚ44の強くカップリングされた４-スピン13ＣＨ3-ハミルトニアンの影響下に展開される横軸１Ｈ-磁化の量子力学的計算と完全に一致する（図１３ａ、下方）。分裂は、純粋に低磁場における強い異核性１Ｈ-13ＣＪ-カップリングに起因するものであり、この場合、対応する対角要素の差に比べて、ゼーマン（Ｚｅｅｍａｎ）固有原則では、13ＣＨ３-ハミルトンマトリックスにおける非対角要素がもはや小さくないことに留意する。これは、エネルギー固有値の多様な変動、及び、２つのＪ-カップリングされた線の縮重の上昇の原因となる。それぞれのＪ-カップリングされた線に対する４本線の数は、下記のように説明することができる：13ＣＨ3基の１つのプロトンを観察する場合、他の２つのプロトンスピンは、磁場に関して、３つの可能な配向の三重項状態及び１つの可能な配向の一重項状態のいずれかに分類することができる。これは、異なる周波数で合計１＋３＝４本の線をもたらす。プロトン化学シフト情報は、地球磁場スペクトルからは得られないが、13ＣＨ3基の化学構造は、４本線の１組に分裂されることにより、同定することができる。同様の現象が、低磁場で強くカップリングされたＰＨ2基に対する２本線の１組を観察したＢｅｎｏｉｔらによって最初に報告された［３９］。一般に、強くカップリングされたＹＸN基（Ｙ＝スピン１/２、Ｘ＝測定されたスピン１/２、Ｎ＝自然数）に対して、それぞれの多重項線の数Ｋが以下のように与えられる１組の多重項を測定するシミュレーションから発見した：
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式中、Ｕは、奇数の集合を示す。言い換えれば、Ｎ＝１、２、３、４の強くカップリングされた13ＣＨN基は、１、２、４及び６本のＪ-カップリングされた線の１組として、それぞれ、超低磁場スペクトルにおいて同定することができる。
【００６８】
温度Ｔ＝−８０℃にて（図１３ｂ、上側）、ＯＨ-プロトンの滞留時間は、ＯＨ-基と13ＣＨ3基との間の等核性Ｊ-カップリングが平均に収まらないように十分長い（τ＞１ｓ）［４５、４６］。ここから、｜ωH−ωC｜≧２π｜1ＪH,C｜および｜1ＪH,C−2ＪH,C｜≧｜3ＪH,H｜である２つの強相関限界の条件下で、Ｈ-Ｏ-13ＣＨ3に対して５スピン系が観察される。等核性Ｊ-カップリングが観察可能となりはじめ、そして図１３ａの線群のうちの４つの強くカップリングされたそれぞれの１Ｈ-線は二重項に分裂され、それぞれ、８本線の外部組を生じる（図１３ａ、上側）。二重項線の間の周波数分離は、およそ等核性カップリング定数3ＪH,H＝５.０Ｈｚ44である。観察される各８本線の外部組は、図１３ｂの下方に示した量子力学的計算と完全に一致する。ここで、Ｊ-カップリング定数は、1ＪH,C＝１４０.６Ｈｚ、2ＪH,C＝−２.４Ｈｚおよび3ＪH,H＝５.０Ｈｚと仮定される［４４、４７］。図１３ｂの下方に示されたように、また、計算により、２０６１.２９Ｈｚでカップリングされていない1Ｈ-線周辺で観察可能な６個１組の遷移が予測される。６本線の数は、強く異核性カップリングされた13ＣＨ４分子と形式的に類似するが、１つのＯＨ-プロトンが、13ＣＨ３基の他の３つのプロトンに対して強く等核性Ｊ-カップリングされている（｜1ＪH,C−2ＪH,C｜≧｜3ＪH,H｜）ことが異なる。カップリングされていない１Ｈ-線の周波数で小さなピークが、図１３ｂの実験スペクトルにおいて見える（しかし、シミュレートされたスペクトルでは見えない）ことに留意されたい。これは、核スピンのない12Ｃを含むメタノール分子の１％のカップリングされていない1Ｈ-信号によるものである。
【００６９】
要約すると、本発明者は、有効な化学シフト情報を入手することができない超低磁場におけるＮＭＲによって、分子構造に関する貴重な情報を修得することができることを明らかにした。これについては、２つの理由が考えられる：１）１組の多重項への１Ｈ-共鳴の特徴的な異核性分裂を誘導する異核性強相関限界（｜ωH−ωC｜≧２π｜1ＪH,C｜）が作用することによって、ある一つの化学基（例えば、13ＣＨ3）が、超低磁場で同定することができる。２）２個以上の異なる化学基が分子を構成し、そしてこれらのうちの１つが、稀少スピン、例えば、13Ｃ核を含む場合、等核性及び異核性カップリングネットワークは多重項の組として観察される。多重項発生に対する根本的なメカニズムは、多様な化学基のプロトンの間の磁気的等価性が、稀少スピンに対する多様な化学基のプロトン由来の多様な異核性Ｊ-カップリング定数の存在によって上昇することである。低磁場において、天然存在比の稀少スピンを有する大きな分子のスペクトルの複雑さが高いとはいえ、スペクトルパターンを、分子構造のフィンガープリントとして使用することができる。その結果として、分子構造だけではなく、例えば、分子間の１Ｈ-交換のような動的プロセスも、超低磁場において高精度で研究することができる。
【図面の簡単な説明】
【００７０】
【図１１】Ｊ-カップリングされた1Ｈ-ＮＭＲの機械的アナログを示した図である。  （ａ）化学基Ａ及びＢを介してカップリング定数Ｊhomの等核性Ｊ-カップリングを通じて相互作用する、２つのスピン1Ｈ-Ａ-Ｂ-1Ｈ（左側）のビーズ−スプリングモデル（右側）。ＤH,A、ＤH,BおよびＤhomは、対応バネ定数を表し、ｍは、２つのカップリングされた機械的振動子の質量である。ＤH,A＝ＤH,Bの場合、Ｄhomは、測定不可能である。  対応する高磁場スペクトル（ｂ）及び超低磁場スペクトル（ｃ）を保持スペクトルとしてスケッチした。  （ｄ）３-スピン系1Ｈ-13Ｃ-Ｂ-1Ｈ（左側）及び対応する機械的アナロゴン（右側）。ＪhetH,CおよびＪhetH,B,Cは、２つの異なる異核性Ｊ-カップリング定数であり、ビーズ−スプリングモデルでは、ＤhetH,CおよびＤhetH,B,Cに対応する。ＤH,C＝ＤH,B.eの場合でも、Ｄhomを測定することができることに留意。  （ｅ）全ての３つの等核性及び異核性Ｊ-カップリングを示す、超低磁場における対応の保持スペクトル。
【図１２】テトラメチルシラン（TMS）のＪ-カップリングされた地球磁場１Ｈ-スペクトルを示した図である。Ｔ＝６０℃での９回のスキャンを平均した。遷移周波数２０６０.３Ｈｚ（Ｂ0＝４.８３９１×１０-5Ｔ）のカップリングされていないプロトンの線は、１つに正規化する。2ＪH、Si＝６.６０７Ｈｚの二重項は、29Ｓｉを含有するが13Ｃは含有しないＴＭＳ分子に由来する異核性1Ｈ-29ＳｉＪ-カップリングに対応する。異核性Ｊ-カップリング定数3ＪHb,C＝２.１３９Ｈｚにより分離した四重項の追加の組は、13Ｃを含有するが29Ｓｉを含有しないＴＭＳ分子に由来した等核性Ｊ-カップリング定数4ＪHb,Ha＝０.２０９Ｈｚと共に現われる。各四重項線の線幅は、約０.０５Ｈｚである。
【図１３】９９％13Ｃ富化メタノールの、実験的及び模擬実験シミュレートしたＪ-カップリングされた地球磁場1Ｈ-スペクトルを示した図である。すべての実験スペクトルは、９回のスキャンの平均である。すべてのシミュレートした線の幅は、０.１６Ｈｚである（Ｔ2＝２ｓ）。  （ａ）Ｔ＝６０℃で測定された1Ｈ-スペクトル（上部）は、不規則な間隔の４本線の１組を示す。実験的Ｊ-カップリングされた線の幅は、約０.０７Ｈｚである。スペクトルのシミュレーションは、下部に示す。  （ｂ）Ｔ＝−８０℃で測定された1Ｈスペクトル（上部）。ＯＨ-基及び13ＣＨ3-基のプロトンの間の等核性Ｊ-カップリングは、低速の分子間１Ｈ-交換により観察可能である。Ｊ-カップリングされた線の線幅は、約０.６Ｈｚである。５スピン系ＨＯ-13ＣＨ3の模擬スペクトルは、下部に示す。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【００７１】
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【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【国際調査報告】
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