(57)【要約】【解決手段】NMR実験のためにチューブ内で凍結され、規定の高い分極率を達成したNMRサンプルを達成した分極の相当な部分を失う前、10%以上を依然保持する間に迅速に加熱・融解する。加熱は、チューブに付けられた加熱ワイヤまたはワイヤ類を通して電流または電流類を流すことによって、またはチューブを電気ラジエータを備えた加熱炉内に置くことによって達成する。【効果】高レベルの分極を依然保持するサンプルで高感度のNMR実験を実施できる。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
NMRサンプルを迅速に加熱する方法であって、
NMRサンプルをチューブの内側に提供し、ここで、そのNMRサンプルは凍結しており、かつ、規定の分極率に達しており、さらに、
チューブを介して電力を供給し、それによってNMRサンプルを、NMRサンプルが達している分極率の実質量を保持しているような十分に短い加熱時間内に加熱・融解させる
各工程を含んでなる方法。
【請求項２】
上記の加熱時間が30秒未満である、請求項1に記載の方法。
【請求項３】
上記の実質量が10%以上である、請求項1に記載の方法。
【請求項４】
チューブの底部が閉じており、かつ、上端が密閉されており、かつ、１個以上の加熱ワイヤを備え、NMRサンプルがチューブの底部の内側で凍結されており、電力を供給する工程が
チューブをチューブの底部が密閉された上端よりも高くなるよう上下逆に置き、さらに
加熱ワイヤを通して電流を流し、それにより凍結サンプルを加熱時間内に融解させる
各工程を含む、請求項１に記載の方法。
【請求項５】
チューブが複数のワイヤを備え、電力を供給する工程がその加熱ワイヤを通して電流を平行に流す工程を含む、請求項１に記載の方法。
【請求項６】
チューブがチューブの周りにらせん状に巻きつけた加熱ワイヤを備え、電力を供給する工程がその加熱ワイヤを通して電流を流す工程を含む、請求項１に記載の方法。
【請求項７】
NMRサンプルを提供する工程が
密閉される上端を密閉する前は底部を上端よりも低くした状態で上下正しくチューブを支え、常温条件でチューブに液体形態のNMRサンプルを充填してチューブの２分の１未満が満たされるようにし、
チューブを密閉して密閉上端を形成し、さらに
そのNMRサンプルに磁場をかけることによってNMRサンプルをチューブの底部で凍結させ、かつ、照射電力を適用することによってNMRサンプルを分極する
工程を含む、請求項４に記載の方法。
【請求項８】
底部を密閉上端よりも高く維持しながら、融解したNMRサンプルが密閉上端に向かって滴下するようにし、さらに
融解したNMRサンプルからNMRデータを取得する
工程が続く、請求項７に記載の方法。
【請求項９】
チューブを密閉上端が底部よりも高く位置する状態に上下正しくセットし、さらに
融解したNMRサンプルを凍結させ、かつ、そのNMRサンプルを再度照射電力を適用することによって再分極させる
工程がさらに続く、請求項８に記載の方法。
【請求項１０】
上記の照射電力がマイクロ波電力である、請求項７に記載の方法。
【請求項１１】
電力を供給する工程がNMRサンプルを含むチューブを照射電力を適用するための手段を備える加熱炉の内側に置くことを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１２】
上記の加熱方法が内臓電気加熱エレメントと周囲の熱遮蔽体とを備える電気ラジエータを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１３】
規定の分極率に達した凍結NMRサンプルを迅速に加熱するための装置であって、
底部が閉じており、密閉可能な上端が開放しているチューブ、
加熱し、それによって達している分極率の実質量をNMRサンプルが依然保持している間にチューブの内側のNMRサンプルを融解させるための加熱手段
を含んでなる装置。
【請求項１４】
上記の実質量が10%以上である、請求項１３に記載の装置。
【請求項１５】
上記の加熱手段が凍結NMRサンプルを加熱し、それによって30秒以内に融解させる、請求項１３に記載の装置。
【請求項１６】
上記の加熱手段が内臓電気加熱エレメントと周囲の熱遮蔽体とを備える電気ラジエータを含む加熱炉を含んでなる、請求項１３に記載の装置。
【請求項１７】
上記の加熱方法が600℃と1500℃の間の壁温度を有する、請求項１６に記載の装置。
【請求項１８】
チューブが平行につながる複数の加熱ワイヤを備え、加熱手段がその加熱ワイヤを通して平行に電流を流す役割を果たす、請求項１３に記載の装置。
【請求項１９】
チューブがらせん状に巻きついた加熱ワイヤを備え、加熱手段がその加熱ワイヤを通して電流を流す役割を果たす、請求項１３に記載の装置。
【請求項２０】
チューブを支え、チューブを別の規定の位置に運ぶための支持メカニズムをさらに含んでなる、請求項１３に記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はNMRサンプルを迅速に加熱する方法およびかかる方法を使用するための装置に関する。より詳しくは、本発明はサンプルを所望の程度まで分極するのに十分低い初期温度から室温またはそれよりも高くまで、その熱緩和時間に適合する時間内にNMRサンプルを加熱する方法および装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
NMRサンプルを超低温から室温またはそれより高くまで迅速に加熱することが望ましいといった一連の実験がある。NMRサンプルによって通常達成される分極率は絶対温度に反比例し、磁場強度に比例する。例えば、3°Kという温度でのサンプルの熱分極は室温付近、すなわち、約300°Kで生じる分極よりも100倍大きい。サンプルを3°Kから300°Kまで、その熱緩和時間に適合する時間内に迅速に加温できれば、高分解能NMRスペクトルが得られ、著しく感度を引き上げることができる。室温で同様の感度を達成するためには、およそ104倍長い時間を要する。
【０００３】
ラジカル電子、すなわち、隣接する核とカップリングする不対電子を含む固体では固体効果が得られる（非特許文献１参照）。周波数νe+νnまたはνe-νn近傍での固体のRFまたはマイクロ波照射は電子と核の同時スピン反転を引き起こす（ここで、νeは電子ラーモア周波数であり、νnは核ラーモア周波数である）。集団の再分配の結果、核分極が高まる。その増加は相当なもので、一定のγe/γn比に近づく。陽子核についてはこの比は約650であり、13Cについては3,400である。
【０００４】
2種の効果、すなわち、低温で高い熱分極を達成すること、低温でありながら核分極をさらに高めるための固体効果を用いることを組み合わせることによって、相当な核分極を達成できる。サンプルを迅速に加温することで、サンプルを融解した後であってもこの分極の相当量が維持でき、液体サンプルで極めて高い感度のNMR実験を行うことが可能となる。核緩和時間T1はこの過度の核分極時間がどの程度長く持続するかについての指標である。低温、すなわちサンプルが分極した初期温度付近では、緩和時間は通常極めて長く、数分ないし数時間である。サンプルが融解するにつれ、緩和時間はおそらくは1秒またはそれ未満ないし10秒の範囲にとかなり短くなる。サンプルが分極し初期分極P0を達成した後、加熱プロセスを開始する。サンプルは加熱されるにつれ、その分極をいくらか失い始める。時間τ、残存する過度の分極Ｐは近似式：
【数１】
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で示される。標準的なNMR手順を用いることで、種々の温度についてサンプルの緩和時間T1を測定できる。また種々の予め選択した加熱温度についてサンプル温度を測定してもよい。従って、任意の実験上の緩和時間T1は時間の関数、T1=T1(t)として表すことができ、前記の式を積分し過度の分極の推定値を得ることができる。典型的には、加熱速度は過度の分極Pの初期分極P0に対する割合が多くとも20という因子より低く、従ってP/P0＞0.05となるよう十分に迅速でなければならない。
【０００５】
典型的な実験では、検体(NMRによって分析されるべき材料)は水/グリセロールの40:60溶液と電子分極の供給源としてのフリーラジカル4-アミノTEMPOの混合物に溶解する（非特許文献２参照）。本明細書で指摘されるように、低温でサンプルを分極させるのにその他の動的核分極技術を用いてよい。
マイクロ波遷移を起こすために用いるマイクロ波供給源はインパクトダイオードまたはガンオシレーターなどの低コストの固体状態オシレーターからCPI製のものなどの高性能ジャイロトロンオシレーターチューブと様々である。
【０００６】
GolmanとArdenkjaer-Larsenは熱溶媒を加えることでサンプルを迅速に加温する方法を示唆している。しかしながら、この方法はサンプルをさらに希釈する作用を有し、一連のスペクトル実験の間、精製するまで同一サンプルで反復実験を行えない。
【非特許文献１】
R. A. Windら, "Applications of Dynamic Polarization in C NMR in Solids", Progress in NMR Spectroscopy, 17巻,33-67頁, 1988参照。特に、2.3節, The Solid State Effect。
【非特許文献２】
C. T. Farrarら, "High-Frequency Dynamic Nuclear Polarization in the Nuclear Rotating Frame", J. Magn. Resonance,144巻,134-141頁, 2000。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
従って、本発明の目的は、極めて低温である間にサンプルを分極するために固体効果を用い、次いで、加熱プロセスの際の分極の相当な損失を防ぐのに十分に短い時間内に室温付近で液体状態までそれを迅速に加熱して、高度の分極が残存する間に幅の狭い直線の液体NMRデータを取得できるようにする方法および装置を提供することである。
本発明のもう１つの目的は加熱されるサンプルを希釈せず、同一サンプルで実験を何回も反復できるような方法および装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明のある実施形態では、サンプルを照射によって迅速に加熱する。これは予め分極したサンプルを加熱炉チューブの中心へ迅速に移動させることによって達成する。分析によれば、1000°K(1273℃)で運転する加熱炉チューブについて、水の5mmのサンプルチューブ(4.2mmID)を約14秒のうちに1°Kから303°K(30℃)まで加熱できることが示されている。適当量の熱が吸収された後、サンプルは分析のためのNMRプローブに滴下することができる。
【０００９】
別の加熱方法は、それを通して電流を流すことで熱を生じる加熱ワイヤが埋め込まれたサンプルチューブを用いることに関連する。サンプルチューブの加熱部分はサンプルチューブの一方の末端に配置すればよい。サンプルは最初サンプルチューブの上端にあり、サンプルが加熱されて融解した後、サンプルは加熱ワイヤのないチューブの下端に集まる。すぐに、融解したサンプルを分析のためにNMRスペクトロメーターに置く。
【００１０】
前記のプロセスは、ひと度フリーラジカルおよび溶媒を含むサンプルをサンプルチューブ内に入れ、密閉した後は自動で実施してもよい。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
本発明を以下に一例として説明する。分析しようとするサンプルを水とグリセロールの混合物(フリーラジカルも含む)に加える。図１は本発明を実施する特定の加熱用サンプルチューブ10を示すが、次にこの中にこの混合物を入れる。このサンプルチューブ10は閉じた底と密閉できる上端を有するだけでなく、それに加熱ユニット12を含むこと特徴とする。加熱ユニット12は典型的にはすべて平行に作動することで加熱ワイヤ13全域での電流降下を制限するよう相互に平行に接続される、加熱ワイヤ13のアレイを含んでなる。15はワイヤ13を支持するためのサンプルチューブ10の側面を貫通する金属ポストを示す。加熱ワイヤ13はその電気抵抗が十分に低く、かつ、サンプル材料の電気分解がほとんどまたは全く起こらないよう選択する。あるいは、極めて小さいサファイアチューブなどの熱伝導率の高い電気的絶縁体でそれらを被覆するか、またはその中に含めてもよい。加熱ユニット12のワイヤ13はチューブ10に沿って一方の末端からその長さの約3分の1まで伸びている。
【００１２】
図２の位置Aで模式的に示されるように、上記の混合物を垂直上向きに(上端が底の上になるように)保持されたチューブ10に入れ、例えば、半量よりも少し少なめに入れると、加熱ユニット12 は混合物中に完全に浸漬し、次いで、チューブ10の上端を密閉する。(表示を簡単にするために、図２では加熱ユニット12はチューブ10が上下正しいかまたは上下が逆であるかを単に示すために単一の抵抗体として簡単に描かれている。)位置Aにある間に、図2の位置Bで示されるようにチューブ10を逆さにした場合にチューブ10の内側のサンプルがチューブ10の底部に留まるよう凍結する。
【００１３】
底で凍結サンプルを含む逆さまにしたチューブ10を位置Bから、いわゆる動的核分極(DNP)作用を生じるよう構築した磁場内の位置Cに移動させる。この磁場を提供する磁石は50として示されている。位置Cでは、マイクロ波フィールドを適用してDNP作用を生じさせるので、今DNP領域中にあるサンプルをさらに冷却する。マイクロ波ラジエータは52として示されている。
【００１４】
マイクロ波磁場の周波数は電子の共鳴周波数と分極される核の共鳴周波数との間の差に等しいようにセットする。マイクロ波周波数を電子の共鳴周波数に等しくセットする適用もあり、マイクロ波周波数を電子および核の共鳴周波数の合計に等しいようにセットするという他の適用もある。
電子が核に転移し、サンプルが高度に分極した状態になるという高度のボルツマン分極後、サンプルを位置Bに戻し、ここで電源54から電力を適用し加熱ユニット12のワイヤ13を作動させる。前記で論じたように、核の緩和時間に対して十分に短い時間内にサンプルを十分迅速に融解し液体を所望の温度にさせるのに十分な電力を適用する。チューブ10を逆方向に維持するので、融解した液体がチューブ10の低いほうの末端に(すなわち、密閉した上端に)たまる。
【００１５】
ここで、融解した状態のサンプルを磁石50によって形成される磁場の内側にNMRプローブコイル56を備える位置Dに迅速に移動させる。位置Dで、サンプル分極の大部分が失われ、サンプルを再び分極する必要が生じるまで、チューブ10を逆方向に維持して所望のNMR実験を実施する。
サンプルを再分極するためには、サンプルを位置Aに戻し、前記のプロセスを反復する。すべての所望のデータを取得した後、別の実験に備えてサンプルを手動で回収してもよい。
【００１６】
本発明の方法を、各工程を手動で実施すべきであるかのように前に記載したが、図2を参照して前記の工程を実施するための自動サンプル処理システムも提供できる。
加熱ワイヤをサンプル材料に直接埋没させることで極めて迅速にサンプル全体を均一に加熱する方法が提供される。このことは10mm以上の大きい大サンプルを用いる場合に特に有利である。小さいサンプルチューブ(特に3mm以下)にはサンプルチューブ壁と直接接触しない加熱表面からの熱照射によるサンプルチューブ壁を介する熱的接触によって加熱を提供すれば十分である場合が多い。
【００１７】
加熱用サンプルチューブ構造を示す図3では、薄い支持構造115を介して加熱エレメント113からサンプルチューブ110の外表面に直接熱が流れるよう加熱エレメント113がサンプルチューブ110上に取り付けられている。加熱エレメント113はサンプル材料の全長を加熱するのに十分なよう垂直に伸びた曲がりくねった構造を形成する。支持構造115はサンプルチューブ113の周りに完全に広がっており、それによって熱がサンプルチューブ110に含まれるサンプル材料の全長および周囲に提供される。支持構造115の目的は加熱エレメント113の加熱ワイヤを支持することである。
【００１８】
もう1つの加熱用サンプルチューブ構造を示す図4では、支持構造116によって所定の位置に取り付けられた、らせんコイルの形状の加熱エレメント114がサンプルチューブ110に巻きついている。あるいは、加熱エレメント114はサンプルチューブ110に直接巻きつけてもよい。加熱エレメント114はタンタルまたはタングステンなどの非強磁性伝導体を含んでなってもよいし、また円形ワイヤまたは薄い平らなワイヤの形状であってもよい。サンプルチューブ110は石英、アルミナまたはサファイアなどの材料でできていてもよい。サファイアは低温で極めて高い熱伝導性を提供するという利点を有する。アルミナは中程度の熱伝導性を有し、石英は費用は安いがより低い熱伝導性材料を提供する。
【００１９】
図5はサンプルチューブ210が加熱炉200から完全に分離している、さらにもう1つの加熱用サンプルチューブ構造を示し、これは電気加熱エレメント225が埋め込まれた電気によって加熱されるラジエータ220を含み熱放射シールド230で囲まれている。サンプル加熱プロセスの際は、サンプル材料211は加熱炉200中にある。サンプルチューブ210はサンプル材料211が熱ラジエータ220の壁内の中心になるように準備する。ラジエータ220は高温、典型的には600℃と1500℃の間まで電気的に加熱する。ラジエータ200からの熱放射が起こり、サンプルに吸収され、それを迅速に加熱する。ほとんどの場合、熱放射はサンプルチューブ壁を突き抜けサンプル材料に直接熱を与える。サンプルは融解すると、チューブ210のより低い部分にたまる。サンプルを加熱するのに必要な時間はステファン-ボルツマン方程式 t=0.5 hρd/(εσT4)(式中、tはサンプルを初期温度から所望の最終温度まで加熱するための時間(秒)であり、hはcal/1グラムサンプルでの必要な総熱量であり、ρはg/cm3でのサンプルの密度であり、dはcmでのサンプルセルの内径であり、εはサンプルの放射率であり、σはステファン-ボルツマン定数(=1.35×10-12(cal/sec)/K4cm2)である）から推定される。
【００２０】
実施においては、図3、4および5の加熱用サンプルチューブの配置は図1に関連し、図２を用いて例示された前記と同様に用いればよい。
図5に示されるシステムを用いる別の様式は液体および固体をサンプルが融解しているのと同一の領域に維持することである。図6に示されるようで凍結サンプル211は、それが加熱炉200中に置かれる時、サンプルチューブ210のより低い領域に含まれている。サンプル211が加熱される時、液体と固体はサンプル211全体が融解するまで接触状態を維持する。図7に示されるように、このことが実験の種々の工程でサンプルを様々な位置間を移動させるためのいく分単純な系とするのに役立っている。
【００２１】
図7はサンプル211を種々の位置を通って移動させることによって自動的に循環させる方法を模式的に示す。サンプル211をサンプルチューブ210に入れ、サンプルチューブ210を密閉した後、ワイヤまたはコード250の一方の末端に取り付け、ワイヤまたはコード250のもう一方の末端はスプール240に巻きつける。スプール240はコンピューター制御された(示されていない)ステッピング・モーターによって回転し、サンプル211を以下に記載されるプロセスの種々の工程を実施するのに必要な種々の位置に移動させることができる。第1に、サンプル211を冷却チャンバー230内の位置Aまで低下させる。サンプル211が凍結し所望の出発温度まで冷却された後、位置Cまで上げ、ここでマイクロ波照射器52(ワイヤまたはマイクロ波キャビティを含んでなってもよい)がサンプルにマイクロ波照射を適用し、それによりDNPを達成する。この位置で高周波数フィールドも適用する実験もある。サンプルがマイクロ波照射されている間にアプリケータ(示されていない)によってさらなる冷却を適用してもよい。サンプル211が分極した後、位置Bまで移動させ、ここでサンプル211を融解し、NMR分析に所望の温度にする。電源装置54が加熱炉200に電力を供給する。次いで、サンプル211を迅速に位置Dまで低下させ、ここで所望のNMR実験をコイル56を用いて実施する。サンプル分極が小さすぎて有効でなくなった場合には、サンプル211を位置Aまで再び下げ、前記のプロセスの工程を反復する。
【００２２】
図8は図７を参照して前に記載されたものとは異なる本発明のもう1つの実施形態を示し、これでは冷却チャンバー230を磁石50の強いフィールドの内側に置き、同一の領域内(図8では位置Aと示される)でマイクロ波照射器52と組み合わせ、また熱ラジエータ220を含む加熱炉200も磁石50のフィールド内に置く。薄い金属または絶縁ロッド252またはワイヤもしくはコード、図７の250を用いてサンプルを支え、所定の種々の位置まで移動させる。ロッド252の一方の末端をサンプルチューブ210に固定し、もう一方の末端をラックおよびピニオン・ギア242のラック244に固定する。ラックおよびピニオン・ギアはサンプルを移動させるために必要な直線運動をピニオン246の回転運動に変える。ピニオン246はステッピング・モーターまたはモーターおよびサンプル210の位置を示し制御する位置エンコーダ(示されていない)につながっている。サンプル分極は地球の磁場強度ではなく磁石50の磁場強度によって決められる値に向かってやがて減少してしまうので、図8に示される実施形態は磁場内で迅速な加熱を提供することが有利であるため好ましい。明確にするために、図7の電源装置54は図8では示されていない。
【００２３】
以上、本発明を限られた数の実施例を示して記載してきたが、これらは本発明の範囲を限定するものではない。例えば、サンプルが行き来する領域およびサンプルを配置するメカニズムを真空の気密容器内に封入し、サンプルチューブの周囲の雰囲気を制御できるようにすることが望ましい場合もある。本発明の範囲内で多くの改変および変化が可能であり、開示内容は広義に解釈されるべきである。特に、NMRサンプルの加熱が迅速に達成されるという場合には、30秒未満、好ましくは15秒未満という時間を意図し、凍結サンプルが本発明の方法によって加熱されている間その達成された分極の実質量を保持すると記載される場合には、「実質量」とは10％以上であるものとする。これは本発明によって得られる主な利点の1つがNMR実験における感度の上昇であるためである。感度の増幅が本発明によって達成できる最大感度増幅の10％である場合でも、実験に必要な時間は100のオーダーの因子で減少し、実際に、本発明を実施するのに必要なさらなるコストおよび煩雑さを克服する著しい利点である。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本発明を実施する装置の一部である加熱用サンプルチューブの模式図である。
【図２】本発明を実施する装置および方法を示す模式図であり、便宜上記号で図１の加熱ユニットを表す。
【図３】サンプルチューブと熱的に接触する外部の加熱エレメントによって熱が供給される、本発明を実施する加熱用サンプルチューブ構造の模式図である。
【図４】サンプルチューブと熱的に接触する外部の加熱エレメントによって熱が供給される、本発明を実施する別の加熱用サンプルチューブ構造の模式図である。
【図５】サンプル材料に照射熱を提供する外部の加熱エレメントによって熱が供給される、本発明を実施するさらにもう1つの加熱用サンプルチューブ構造の模式図である。
【図６】本発明を実施する別の方法に用いられる、図５の加熱用サンプルチューブ構造の模式図である。
【図７】本発明を実施するサンプルチューブ加熱装置の模式図である。
【図８】本発明を実施するもう1つのサンプルチューブ加熱装置の模式図である。
【符号の説明】
【００２５】
10：チューブ
12：加熱ユニット
13：加熱ワイヤ
15：金属ポスト
50：磁石
52：マイクロ波ラジエータ
【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】
2005508500.tif 000010
【図８】
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【国際公開パンフレット】
2005508500.tif 000012
2005508500.tif 000013
2005508500.tif 000014
2005508500.tif 000015
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2005508500.tif 000017
2005508500.tif 000018
2005508500.tif 000019
2005508500.tif 000020
2005508500.tif 000021
2005508500.tif 000022
2005508500.tif 000023
2005508500.tif 000024
2005508500.tif 000025
2005508500.tif 000026
【国際調査報告】
2005508500.tif 000027
2005508500.tif 000028
2005508500.tif 000029