(57)【要約】本発明は、サンプルのＮＭＲ分光及び／又はＮＭＲイメージング装置に関する。前記装置は、核のラーモア周波数で入射高周波磁場を生成することにより、前記サンプルの前記核を励起するための、且つ、前記サンプルにより放射されるリターン高周波磁場を受信するための外部コイルを有する静止プローブと、前記サンプルコンテナの周りに近接もしくは接触してマウントされ、且つ、高周波電磁場により前記外部コイルにワイヤレスに結合される高感度内部コイル（６ａ’）とを備える。前記高感度コイル内の充填率と高周波磁場振幅とが最大化されるように、前記静止プローブの内部に回転可能にマウントされ、且つ、前記サンプルコンテナに一体化される内部回転ローター（２、１０２、２０２）内に、前記高感度内部コイルが埋め込まれる。【選択図】図１ｂ
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも１つのサンプル（４）の液体又は固体ＮＭＲ分光及び／又はＮＭＲイメージング装置であって、
前記少なくとも１つのサンプルで満たされ、且つ、高周波電磁場にさらされるように設計されているサンプリング体積（３ａ）を含む少なくとも１つのサンプルコンテナ（３）と、
核のラーモア周波数で入射高周波磁場を生成することにより、前記少なくとも１つのサンプルの核を励起するための、且つ、前記少なくとも１つのサンプルにより放射されるリターン高周波磁場を受信するための励起回路を含む静止プローブ（Ｐ，Ｐ’）とを備え、
前記装置が、前記サンプルコンテナの周りに近接もしくは接触してマウントされ、且つ、高周波電磁場により前記静止プローブに結合される少なくとも１つの高感度コイル（６ａ、１０６ａ、６ａ’、６ａ”、１０６ａ’、２０６ａ’、３０６ａ’、４０６ａ’、５０６ａ’、６０６ａ’、７０６ａ’）を備え、該高感度コイルが、前記サンプリング体積に実質的に等しい検出体積を定めることを特徴とし、
前記高感度コイル内の充填率と高周波磁場振幅との両方が最大化されるように、前記静止プローブの内部に回転可能にマウントされ、且つ、前記サンプルコンテナに一体化される内部回転ローター（２、１０２、２０２）内に、前記高感度コイルが埋め込まれることを特徴とする装置（１，１’）。
【請求項２】
前記高周波電磁場は高周波磁場である請求項１に係る装置。
【請求項３】
前記装置が、前記核の歳差運動周波数を検出するための少なくとも１つの共振回路（６’、６”、１０６’、２０６’、３０６’、４０６’、５０６’、６０６’、７０６’）をさらに備え、該共振回路が、実質的に前記核のラーモア周波数で同調可能となるように、前記静止プローブ（Ｐ’）に電磁気的に結合され、前記共振回路が、前記励起回路の放射コイル内にマウントされた前記少なくとも１つの高感度コイル（６ａ’、６ａ”、１０６ａ’、２０６ａ’、３０６ａ’、４０６ａ’、６０６ａ’、７０６ａ’、７０６ａ”）を備える請求項２に係る装置（１’）。
【請求項４】
前記少なくとも１つの高感度コイル（６ａ、１０６ａ、６ａ’、６ａ”、１０６ａ’、２０６ａ’、３０６ａ’、４０６ａ’、７０６ａ’、７０６ａ”）が、前記静止プローブ（Ｐ，Ｐ’）の内部に回転可能にマウントされ、且つ、前記サンプルコンテナ（３）及び前記高感度コイルに一体化される内部ローター（２、１０２、２０２）内に埋め込まれる請求項１〜３の何れかに係る装置（１，１’）。
【請求項５】
前記内部ローター（２）が、前記少なくとも１つのサンプルコンテナ（３）の周りに提供される複数の放射性防護バリア層を含んでいる請求項４に係る装置（１，１’）。
【請求項６】
前記装置が、前記内部ローター（１２）を囲む外部ローター（１１）をさらに備え、同時に起こるダブル・ローテーションを可能にするために、該外部ローターが、前記内部ローターの周波数よりも低い周波数で回転するように適合される請求項４又は５に係る装置（１’）。
【請求項７】
前記静止プローブ（Ｐ’）の品質係数Ｑ１と前記共振回路（６’、６”、１０６’、２０６’、３０６’、４０６’、５０６’）の期待される品質係数Ｑ２とについて、前記静止プローブによって前記高周波磁場が生成される体積であるＶ１と、前記検出体積であるＶ２とが：
Ｖ２＞Ｖ１／（Ｑ１．Ｑ２）
である請求項３〜６の何れかに係る装置（１’）。
【請求項８】
前記少なくとも１つの高感度コイル（６ａ’、１０６ａ’、２０６ａ’、３０６ａ’、５０６ａ’、５０６ａ”）が、１００μｍ〜１５００μｍの直径を有するマイクロコイルである請求項１〜７の何れかに係る装置（１’）。
【請求項９】
前記少なくとも１つの高感度コイル（６ａ、１０６ａ、６ａ’、１０６ａ’、２０６ａ’、３０６ａ’、５０６ａ’、５０６ａ”）が、１ｍｍ〜２０ｍｍの長さと１〜２０のターン数とを有する請求項１〜８の何れかに係る装置（１，１’）。
【請求項１０】
前記放射コイル（５）と前記少なくとも１つの高感度コイル（６ａ、１０６ａ、６ａ’、１０６ａ’、２０６ａ’、３０６ａ’、５０６ａ’、５０６ａ”）とが、ソレノイド型である請求項１〜９に係る装置（１，１’）。
【請求項１１】
前記少なくとも１つのサンプルコンテナ（３）が毛細管であり、該毛細管の表面上に、前記少なくとも１つの高感度コイル（６ａ、１０６ａ、６ａ’、１０６ａ’、２０６ａ’、３０６ａ’、４０６ａ’、５０６ａ’、５０６ａ”）がマウントされる請求項１〜１０に係る装置（１，１’）。
【請求項１２】
前記共振回路（６’、１０６’、２０６’、３０６’、４０６’、５０６’）が、前記励起回路（５）に誘導結合される請求項３〜１１の何れかに係る装置（１’）。
【請求項１３】
前記共振回路（６’、１０６’、２０６’、５０６’）が、前記少なくとも１つの高感度コイル（６ａ’、１０６ａ’、２０６ａ’）の端子に接続される少なくとも１つのキャパシタ（６ｂ’、１０６ｂ’、２０６ｂ’、５０６ｂ’）をさらに備える請求項１２に係る装置（１’）。
【請求項１４】
前記キャパシタ（１０６ｂ’、２０６ｂ’）が、前記高感度コイル（１０６ａ’、２０６ａ’）を囲む薄い円筒状のフィルムを備える請求項１３に係る装置（１’）。
【請求項１５】
前記キャパシタ（１０６ｂ’）が、前記円筒状のフィルムの軸方向の内部表面及び外部表面それぞれを定めるように、前記高感度コイル（１０６ａ’）の軸に平行に延伸する２つの同軸の円筒電極（Ｐ１及びＰ２）を有する請求項１４に係る装置（１’）。
【請求項１６】
前記キャパシタ（２０６ｂ’）が、前記円筒状のフィルムの半径方向の基部の端部それぞれを定めるように、前記高感度コイル（２０６ａ’）の軸に垂直に延伸する、２つの平行な環状の平面電極（Ｐ１１及びＰ２’）を有する請求項１４に係る装置（１’）。
【請求項１７】
前記共振回路（３０６’、４０６’）が、前記高感度コイル（３０６ａ’、４０６ａ’）から成り、トリチウム、水素もしくはフッ素等の高ガンマ核を分光するための、１又はいくつかの自己共振型マイクロコイルで作られている請求項１１及び請求項１２に係る装置（１’）。
【請求項１８】
前記高感度コイル（３０６ａ’）が、ソレノイド型の１つの自己共振型マイクロコイルで作られている請求項１７に係る装置（１’）。
【請求項１９】
前記高感度コイル（４０６ａ’）が、前記毛細管（３）の軸の周りに間隔を空けて軸方向に配置された、自己共振型の複数の同軸の金属リング（Ｒ）で作られている請求項１７に係る装置（１’）。
【請求項２０】
前記共振回路（５０６’）が、少なくとも１つのタンク回路（ＴＣ）を定めるために配置される複数の高感度コイル（５０６ａ’、５０６ａ”）を備え、前記共振回路（５０６’）が、複数のタイプの核を分析するための複数のラーモア周波数で、前記静止プローブ（Ｐ’）に同時に同調可能である請求項１２又は１３に係る装置（１’）。
【請求項２１】
前記共振回路（５０６’）が、２つの高感度コイル（５０６ａ’及び５０６ａ”）を備える周波数二重同調可能な共振回路であり、そのうちの一方の高感度コイルが、他方の高感度コイルを含む前記タンク回路に直列に接続されている請求項２０に係る装置（１’）。
【請求項２２】
前記高周波電磁場は高周波電場である請求項１に係る装置（１）。
【請求項２３】
２つの入出力キャパシタ（６ｂ及び７、１０６ｂ及び１０７）が、前記高感度コイル（６ａ、１０６ａ）に直列に接続され、前記高周波電場が、前記キャパシタを通過する請求項２２に係る装置（１）。
【請求項２４】
前記入出力キャパシタ（６ｂ及び７、１０６ｂ及び１０７）が、それぞれ、前記静止プローブ（Ｐ）に機械的に接続される静止円筒電極（７、１０７）と、前記高感度コイル（６ａ、１０６ａ）に機械的に接続され、前記サンプルコンテナ（３）内の対応する端部に近接して埋め込まれる回転円筒電極（６ｂ、１０６ｂ）とで作られており、前記キャパシタのそれぞれが、前記サンプルコンテナ（３）と同じ回転軸を有する請求項２３に係る装置（１）。
【請求項２５】
それぞれの静止電極（７）が、それぞれの回転電極（６ｂ）を組み込んでいる前記ローター（２）を囲む方式で、それぞれの入出力キャパシタ（６ｂ、７）の２つの電極（６ｂ及び７）が同心である請求項２４に係る装置（１）。
【請求項２６】
それぞれの静止電極（１０７）が、それぞれの回転電極（１０６ｂ）を組み込んでいる前記ローター（２）の軸方向の外部に配置される方式で、それぞれの入出力キャパシタ（１０６ｂ及び１０７）の２つの電極（１０６ｂ及び１０７）が、平行、且つ、前記回転軸に沿って間隔を空けて軸方向に配置される請求項２４に係る装置（１）。
【請求項２７】
サンプルの周りに近接してマウントされ、前記サンプルによって実質的に満たされる検出体積を定める少なくとも１つの高感度コイル（６ａ、１０６ａ、６ａ’、１０６ａ’、２０６ａ’、３０６ａ’、４０６ａ’、５０６ａ’、５０６ａ”）を備える装置（１，１’）を使用する、少なくとも前記１つのサンプル（４）について固体又は液体ＮＭＲ分光及び／又はＮＭＲイメージングを行うための方法であって、該方法が、
サンプルコンテナ（３）を満たす前記サンプルを、高周波電磁場にさらすステップと、
核のラーモア周波数で入射高周波磁場を生成し、前記サンプルの前記核を高周波電磁場により励起し、前記サンプルにより放射されるリターン高周波磁場を受信するステップとを含み、
この励起および受信が、前記装置の静止プローブ（Ｐ，Ｐ’）の励起回路によって遂行され、前記少なくとも１つの高感度コイルが、高周波電磁場により前記静止プローブに結合され、
前記方法が、さらに、その内部に前記少なくとも１つの高感度コイルが埋め込まれる内部回転ローター（２、１０２、２０２）を回転させるステップを含み、前記高感度コイル内の充填率と高周波磁場振幅との両方が最大化されるように、該内部回転ローターが、前記静止プローブの内部で回転し、且つ、前記サンプルコンテナに一体化されることを特徴とする方法。
【請求項２８】
前記高周波電磁場は高周波磁場である請求項２７に係る方法。
【請求項２９】
前記方法が、少なくとも１つの共振回路（６’、１０６’、２０６’、３０６’、４０６’、５０６’）の前記励起回路への電磁気的な結合を含み、該共振回路が、前記励起回路の放射コイルと、前記核の歳差運動周波数を検出し、実質的に前記核のラーモア周波数で前記励起回路に同調される前記共振回路との内部に、前記少なくとも１つの高感度コイル（６ａ’、１０６ａ’、２０６ａ’、３０６ａ’、４０６ａ’、５０６ａ’、５０６ａ”）を備える請求項２８に係る方法。
【請求項３０】
前記高周波電磁場は高周波電場である請求項２７に係る方法。
【請求項３１】
前記少なくとも１つのサンプル（４）が、静止もしくは回転する固体のサンプルである請求項２７〜３０の何れかに係る方法。
【請求項３２】
前記少なくとも１つの高感度コイル（６ａ、１０６ａ、６ａ’、１０６ａ’、２０６ａ’、３０６ａ’、４０６ａ’、５０６ａ’、５０６ａ”）が、少なくとも１Ｈｚの回転周波数で、連続的に回転する請求項２７〜３１の何れかに係る方法。
【請求項３３】
前記少なくとも１つの共振回路（６’、１０６’、２０６’、３０６’、４０６’、５０６’）が、１ｋＨｚより高い回転周波数で、前記静止プローブ（Ｐ’）の内部で回転する請求項２９及び請求項３１に係る方法。
【請求項３４】
前記回転周波数が、３ｋＨｚ〜３５ｋＨｚの範囲である請求項３３に係る方法。
【請求項３５】
前記方法が、マジック・アングル・サンプル・スピニング・テクニック（「ＭＡＳ」）、ダブル・ローテーション・テクニック（「ＤＯＲ」）およびダブル・アングル・スピニング・テクニック（「ＤＡＳ」）から成る群から選択される技術を使用して、内部ローター（２）により、前記少なくとも１つの共振回路（６’、１０６’、２０６’、３０６’、４０６’、５０６’）を回転させるステップを含む請求項３３又は３４に係る方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、少なくとも１つの生物又は無生物サンプルの、液体又は固体核磁気共鳴（ＮＭＲ）分光及び／又はＮＭＲイメージング（ＭＲＩ）装置及び方法に関し、前記少なくとも１つのサンプルを囲む、少なくとも１つの検出コイル内の充填率及び高周波磁場振幅の両方の改善を可能にする。
【背景技術】
【０００２】
ＮＭＲ装置は、ステータフレーム内に、磁気手段と、励起回路を含む高周波（ＲＦ）手段と、放射コイルと、ＲＦ受信手段とを備えている。この装置は、分析するべきサンプル又は対象物を保持するための位置決め手段を備えており、位置決め手段は、このステータフレームの中央の穴に配置されている。いくつかの場合、特に固体ＮＭＲの場合には、サンプルを保持するための手段は、サンプルを回転させるための手段と、時には、回転軸を傾けるための特別の手段とを有する。回転部分はローターと呼ばれる。ローターは円筒状であり、その一端に、エアジェットによって駆動される小さなターボブレードを着用する。ローターは、磁場を透過する材料で作られており、一般にセラミックス製である。ローターは、分析するべきサンプルで満たされ得る。しかし、このサンプルが小さい場合、ロータは内部サンプルコンテナを着用する。内部サンプルコンテナは機械的に中心に配置され、その軸はローターの機械軸に平行である。本発明は、ローターの直径より小さな直径のサンプルコンテナを、ローターが常に含むような、小さなサイズのサンプルに関する。ＮＭＲの文献においてはよく、サンプルコンテナが、「サンプルコンテナ」に代えて、乱用的に短く「サンプル」と呼ばれることを強調する必要がある。
【０００３】
長年知られているように、ＮＭＲ分光法及び／又はイメージングにおいて、対象物即ち検体となるサンプルは、強力且つ非常に均一な静磁場Ｂ０内に配置される。量子的な記述では、核スピン（量子数ｌ＝１／２を持つと仮定する）は、静磁場Ｂ０に対して平行もしくは反平行となり得る。Ｂ０の存在下では、これら２つの状態のそれぞれは、異なるエネルギーを有する。これらエネルギーレベルは、ゼーマンエネルギーレベルと称される。また、スピンは、高周波領域のエネルギーを吸収することができ、これら２つの状態間を遷移する。古典的な記述では、核スピンの磁気モーメントは、静磁場を中心とする歳差運動を行う。歳差運動（「ラーモア歳差運動」と呼ばれる）の周波数ωＬは、静磁場におおよそ比例し、また、局所的な化学環境に依存するので、分子構造及び分子ダイナミクスを探索するために使用され得る。エネルギーを吸収し、かつ遷移を引き起こすために、振動磁場Ｂ１を印加する必要がある。この磁場は、対象物即ち検体を囲むアンテナ（即ちコイル）によって生成される。この磁場は、ラーモア周波数（共振条件）で振動しており、また、磁化を乱して磁化を様々な角度に回転させるのに十分に長い遅延時間にわたって印加され得る。通常のＮＭＲ実験は、平衡磁化Ｍを横断面ｘｙに配置させるのに十分に長い遅延時間τにわたって、このＢ１磁場を印加することから成る。この遅延時間の長さは、関係式：
γＢ１τ＝π／２      （１）
によって定義される。ここで、γは核の磁気回転比である。
【０００４】
この高周波磁場（π／２パルスと呼ばれる）の印加の後、スピンは平衡状態に戻る。この間、磁化は、まだなお静磁場を中心とする歳差運動を行い、その軌道は、ラーモア周波数におけるアンテナ（即ち同調された回路）を使用して検知される。
【０００５】
通常、同じアンテナが、核磁化を乱し（即ち励起し）、その後、核磁化が平衡状態に戻る間の、核磁化の応答（即ち、自由誘導減衰と称され、また「ＦＩＤ」と呼ばれる）を記録（即ち取得）するのに使用される。この信号は、歳差運動の周波数に関する情報を含んでおり、ＦＩＤのフーリエ解析は、ＮＭＲスペクトルを与える。スペクトル上で、それらの周波数差に基づいた共鳴が識別され得る。
【０００６】
また、熱雑音に加えて、アンプ、プリアンプ、分光計の残りの部分等の様々な信号源から生じる、信号中の電子ノイズが記録され得る。スペクトルの信号対雑音（Ｓ／Ｎ）比を改善するために、信号の多くのスキャンが集められて合計される。
【０００７】
相反定理によると、サンプルｄＶの微少体積で生じてコイルによって検知される信号は、このコイルが空間の同じ位置に単位電流当たり生成することができる高周波磁場Ｂ１の強度に比例する[1]。したがって、対象の体積に対して磁場Ｂ１の強度を最大化することにより、改善された感度を得ることができ、これは、通常、コイルの充填率を最適化することにより実現される。この充填率は、サンプルの体積とコイルの体積との比率として定義されることができ、このことは、最良の感度が、サンプルサイズと同等のコイルサイズで得られることを意味する。
【０００８】
他方では、化学環境は様々な相互作用を通じて明らかになり、その相互作用は異方性（即ち空間の異なる方向では異なる相互作用）であり、多くの場合、共鳴周波数の連続的な分布をもたらす。液体では、分子の自由な回転運動及び並進運動により、相互作用の異方性の部分は０に平均化される。したがって、ＮＭＲスペクトルは狭く、化学情報が容易に引き出され得る。しかしながら、固体では、化学シフト異方性、双極子相互作用、四重極相互作用、そして時にはスカラー結合および磁化率がスペクトルを拡幅し、スペクトル分解能の損失の原因となる。分解能を改善するために慣例的に用いられている１つの解決策は、マジック・アングルと称される静磁場に対して約５４度の角度をなす軸を中心とする、サンプルの高速回転である[2]。「マジック・アングル・サンプル・スピニング」（ＭＡＳ）と呼ばれるこの技術は、高分解能固体ＮＭＲの礎石のうちの１つである。また、ほとんどの固体ＮＭＲプローブは、現在、１０００Ｈｚ〜３５０００Ｈｚで、或いはそれ以上で、小さなサンプルホルダー（即ちローター）を回転させることができる。より高位の平均化方法が存在し、それらは、同時の回転を使用する方法、例えば、「ダブル・ローテーション」と呼ばれる方法（ＤＯＲ、[3]を参照）、或いは、「ダブル・アングル・スピニング」と呼ばれる、２つの軸を中心とするサンプルの連続した回転方法（ＤＡＳ、[4]を参照）である。
【０００９】
すべての場合において、ＲＦアンテナは、プローブ又はステータの本体に固定され、従って静止しており、サンプルホルダーの外部に配置される。このことは、特にＤＯＲ実験について、不十分な充填率および感度の低下をもたらす。
【００１０】
液体ＮＭＲでは、液体サンプルは、通常の巨視的なサイズのサドル型コイル（即ち、１ｍｍ〜１０ｍｍの範囲の直径を有するマクロコイル）を使用して調査される。或いは、参照文献[5-7]の図面に示されるように、水平に配置された毛細管（直径１００〜１０００μｍ）に緊密にフィットするように、より近代的なソレノイド型のマイクロコイルが設計される。これらの装置の欠点は、それらが、プローブの静止した部分へ電気的に接続され且つ機械的にリンクされたコイルと共にのみ動作し得ることである。これは、各々の場合において特定のプローブを構築する必要があることを意味する。
【００１１】
固体ＮＭＲでは、静止した固体サンプルが調査され得る。しかし、ほとんどの調査は「マジック・アングル・サンプル・スピニング」（ＭＡＳ）の下で実行される。回転は、異方性の相互作用の平均化を可能にし、それに伴い、改善されたスペクトル分解能を可能にする。つい最近では、静止した固体サンプルの調査にマイクロコイルが使用されて、感度と磁場Ｂ１の強度とを改良した[8]。近代的なすべての構成のうち、励起および検出用にアンテナが使用される。また、回転するサンプルに関して、アンテナは静止した状態で、通常、プローブ・ヘッドの本体に固定される。
【００１２】
そのうえ、機械的な制約およびマイクロ加工が必要なために、小さな（サブミリメートル）対象物を非常に速く、典型的には数千Ｈｚで回転させることは、非常に困難に思われる。サンプルホルダーは、高いガス圧力および機械的ストレスに耐える必要があり、よって、無視できない壁厚を有する。通常のローターは、約０．５ｍｍ〜０．７５ｍｍの範囲の壁厚を有し、また、より小さなサイズへの縮小は、それらローターの機械的安定性を危険にさらすであろう。強固な材料を高い精度で加工することもまた、サブミリメートルサイズについて非常に要求されてきている。したがって、静止したＲＦマイクロコイルの内部で高速回転するマイクロローターを開発するのは、非常に困難である。
【００１３】
従来のＮＭＲ及びＭＲＩにおいて、様々な型のＲＦアンテナが使用されてきた。それらＲＦアンテナは、一般に、同調された回路とコイルとを生産するのに必要な、同調および整合素子から成る電子回路部分を含み、それらＲＦアンテナに近接して、或いはその内部に、調査される生物又は無生物サンプルが配置される。この回路は、多くの周波数に対して同時に同調され、複数の核の調査を可能にすることができる。
【００１４】
２つの回路間の誘導結合は、それらの間の物理的な近さを通じて実現され得る。２つのコイル間の相互インダクタンスＭは、単位電流が一方のコイル中で流れる場合に、他方のコイルを通過する磁束に等しく、コイルの幾何学的な特性と、それらコイル間の距離とに依存する。結合係数は、ｋ＝Ｍ／√（Ｌ１Ｌ２）として定義される。ここで、Ｌ１及びＬ２は２つのコイルのインダクタンスである。１次コイルに結合されて同調された２次コイルについて、ｋ＝ｋｃ＝１／√（Ｑ１Ｑ２）である場合、２次コイルにおいてトータルパワーの半分が消失する。ここで、Ｑ１及びＱ２は、２つのコイルの品質係数Ｑ値である。
【００１５】
ＭＲＩ等のイメージングにおいて、対象領域にわたってコイルの検出及び同調帯域幅を最適化する[11]目的でイメージを取得するために[9, 10]、通常、２つ以上のコイル間の誘導結合が使用される。２次コイルは検体へ埋め込まれることができ[12]、連続したモニタリングを可能にする。通常、患者である調査中のサンプルは静止しており、患者の動作が、１次回路と２次回路との間の結合に変動を引き起こすことができ、このことが、信号及びＢ１の振幅の変動とをもたらす。医学的なＭＲＩにおいて、相互作用の性質は、サンプルを回転させることによる空間的な平均化が要求されないことに言及する価値がある。相互作用はＭＲＩにとって等方的であり、よって、ＭＡＳの技術は適用されない。このことは、ＮＭＲ分光法と完全に異なった、独立した技術の開発をもたらす。
【００１６】
しかしながら、ＮＭＲ分光法では、誘導結合はほとんど成功せず、誘導結合が、プローブのインピーダンスを発振器の１つにマッチングさせるための、単なる便利な方法として使用されてきたことを述べる必要がある。高分解能ＮＭＲ分光法における充填率を改善する目的で、誘導結合が使用されたことは無い（通常の定義によると、高分解能ＮＭＲとは、強い磁場により、例えば数Ｈｚといった小さな周波数シフトの検知が可能になる、極めて特定のＮＭＲ技術を意味する）。
【００１７】
上記で説明されたように、分光法では、最大の充填率を提供するように調査中のサンプルを囲む検出コイルが使用されて、このように、標準化されたサイズのサンプルについて、検出の感度が最適化される。固体及び液体ＮＭＲ分光法では、サンプルコンテナは標準化されたサイズを有し、そのサイズは、任意のサンプル、特に非常に小さなサイズのサンプルに対しては適していない。それゆえに、商用的に入手可能なプローブを使用して、非常に小さなサイズのサンプルを調査することは、不十分な充填率に該当し、不十分な信号の感度に帰着する。
【００１８】
シールドされた放射性物質サンプルの特別の場合では、最近の研究は[13]に関連し、そこでは、２３８Ｐｕ及び２３９Ｐｕを含有するセラミックス中の２９Ｓｉスペクトルを記録するために、３重のバリアを含むローター（７．５ｍｍの外径）が回転（３．５ｋＨｚで）されて使用された。バリアのうちの１つはローターコンテナ自身であり、２つ目の「テフロン（登録商標）」バリアが使用され、最終の「Ｓｈａｐａｌ（登録商標）」バリアは、放射性物質を収容するために使用された。しかしながら、広く知られているように、多くの保護層の存在は、検出の感度を低下させる。コイルのサイズがサンプルのサイズに適合される場合に、よりよい感度が達成されるので、通常の信号対雑音の式において、コイルの充填率は非常に重要な役割を果たす。シールドバリアが必要とされる場合、静止したコイルの体積がそのままである一方、サンプルの体積は縮小される。このことは感度を劇的に低下させる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１９】
本発明の１つの目的は、明らかとなった上記欠点を克服すること、特に、とりわけ小さく且つ高速回転する固体サンプルについて、充填率およびＮＭＲプローブの感度に関する事項を克服することにある。これは、本発明に係る、少なくとも１つの生物又は無生物サンプルについて液体又は固体ＮＭＲ分光及び／又はＮＭＲイメージング用の装置により達成される。該装置は、
前記少なくとも１つのサンプルで満たされ、且つ、高周波電磁場にさらされるように設計されているサンプリング体積を含む少なくとも１つのサンプルコンテナと、
前記少なくとも１つのサンプルの核のラーモア周波数で入射高周波磁場を生成することにより、前記核を励起するための、且つ、前記少なくとも１つのサンプルにより放射されるリターン高周波磁場を受信するための励起回路を含む静止プローブとを備える。
【００２０】
ここで、前記装置が、前記サンプルコンテナの周りに近接もしくは接触してマウントされ、且つ、高周波電磁場により前記静止プローブに結合される少なくとも１つの高感度コイルを備え、該高感度コイルが、前記サンプリング体積に実質的に等しい検出体積を定める。
【００２１】
本発明の装置は、前記静止プローブの内部に回転可能にマウントされ、且つ、前記サンプルコンテナに一体化される内部回転ローター内に、前記高感度コイルが埋め込まれることで、前記高感度コイル内の充填率と高周波磁場振幅との両方が最大化されることにより特徴付けられる。
【００２２】
ＮＭＲ技術の一般的な慣習に従い、本願明細書の記述において、振動ωに対応する周波数を、適切な名称「周波数ω／２π」に代えて、単に「周波数ω」と呼ぶ。
【００２３】
「高周波電磁場」は、如何なる電気的な接触も無い結合（即ち、如何なるガルバニックな接触も欠く結合）を意味するが、それは、高周波電場（キャパシタを通して伝導された）、または、高周波磁場（誘導結合されたコイルを通して伝導された）の何れかである。
【００２４】
前記高感度コイルの「検出体積」とは、本願明細書の記述において、この高感度コイルの、前記電磁場にさらされる内部空間を意味する。
【００２５】
「回転ローター」とは、定義により、例えば少なくとも数Ｈｚの回転周波数で、３６０度以上に連続的に回転可能なローターを意味する。
【００２６】
「と一体である」とは、本願明細書の記述において、関連する双方の部分が、互いに相対的に移動することができないアセンブリー（即ち、ローター、高感度コイル、およびサンプルの間に相対的な移動が無いこと）を意味する。
【００２７】
前記高感度コイルは、前記サンプルコンテナの周りに、数ミリメートルもしくは数分の一ミリメートル、満足できる充填率を得るためには、２ｍｍ以下の距離にマウントされることが好ましいけれども、前記高感度コイルは、好ましくは、任意のリソグラフィプロセス（例えばエッチングプロセス）、マイクロマシニングプロセス（例えばレーザ・マイクロマシニング）、任意のマイクロファブリケーションプロセス（例えばレーザ重合およびメタライゼーション）、あるいは任意のワイヤー巻き技術によって、前記サンプルコンテナに接触してマウントされることに注目すべきである。
【００２８】
本発明の好ましい第１の実施形態では、前記高周波電磁場は、高周波磁場を介して与えられる。
【００２９】
この好ましい実施形態によれば、前記装置は、前記核の歳差運動周波数を検出するための少なくとも１つの共振回路をさらに備え、該共振回路が、実質的に前記核のラーモア周波数で同調可能となるように、前記静止プローブに電磁気的に結合され、前記共振回路が、前記励起回路の放射コイル内にマウントされた前記高感度コイルを備える。
【００３０】
従って、この好ましい実施形態によれば、前記装置は、実質的に前記核のラーモア周波数で同調された前記少なくとも１つの共振回路へ、電磁気的に結合される静止プローブを備える。
【００３１】
前記高感度コイル内の充填率と高周波磁場振幅との両方が最大化されるので、本発明に係るこの装置は、小さな固体サンプルの高分解能ＮＭＲ分光に特に適しているだけでなく、それらのＮＭＲイメージングにも適している。
【００３２】
さらに、本発明に係る前記装置は、既存の市販のＮＭＲプローブと組み合わされて、小さな静止液体サンプルの調査にも使用されることができることに注目すべきである。ＲＦ磁場振幅の増大は、常磁性のタンパク質に典型的な、非常に幅広いスペクトルの場合に特に有用である。
【００３３】
本発明の好ましい第１の実施形態では、高周波電磁場は、プローブ放射コイルとその中の高感度コイルとの間の磁気誘導を介して印加される磁場である。この高感度コイルは、前記少なくとも１つのサンプルコンテナの周りに近接もしくは接触してマウントされる。伝達される誘導エネルギーを増大させるために、キャパシタを高感度コイルに接続する疑似（ｑｕａｓｉ）共振回路を構成することが必要である。同調回路間の結合の理論は、長さで文献[14]に記述されてきた。そのような磁気結合では、相反定理の結果、高感度コイルは、励起磁場用の磁場コンセントレータと応答信号用の信号エンハンサとの両方の役割をする。
【００３４】
そのような共振回路を形成するために、コイルは、少なくとも１つのキャパシタをさらに備えるネットに接続されなければならず、結局のところ、１セットのキャパシタ及び／又はインダクタのセットが、前記高感度コイルの端子に接続される。
【００３５】
本発明に係る高感度マイクロコイル（インダクタ）は標準技術により製造されることができ、それら高感度マイクロコイルは、例えば小さな毛細管[15-20]等の、どちらのサンプルコンテナも囲むことができる。これら高感度マイクロコイルは、ソレノイド型のコイル（一般に固体ＮＭＲに使用される）、サドル型のコイル（一般に液体ＮＭＲに使用される）、或いは、例えば表面コイル、円錐コイル、及びＬｉｔｚコイル等の、ＮＭＲ文献において既存の他の任意のデザインの何れかであることができる。しかし、それら高感度マイクロコイルはまた、サンプルコンテナそれ自身の表面に直接的に堆積された、導電性のコーティングによって形成され得る。高感度マイクロコイルが回転している限り、サドル型の実施形態は好ましくない。
【００３６】
高感度コイルのコイル型（ソレノイド型又はサドル型）は、放射コイルと同じ型に選ばれるのが有利である。即ち、ソレノイド型の放射プローブを用いる場合、高感度コイルはソレノイド型であるのが有利であり、サドル型の放射プローブである場合、高感度コイルはサドル型であるのが有利であろう。このことは、高感度コイルが回転しないことを暗示する。
【００３７】
より好ましくは、前記少なくとも１つの放射コイルと前記少なくとも１つの高感度コイルとの両方は、円筒状に対称な形を有し、それら放射コイル及び高感度コイルの形は、それぞれ、回転表面を定める。渦電流の効果と加熱効果とを最小限にするために、マイクロコイルの製造に使用されるコンダクタのサイズは注意深く選ばれなければならない。５〜１５０マイクロメートルの範囲のワイヤー直径が使用されるのが有利である。また、加熱効果をできるだけ低く維持するために、ターン数が最適化される。磁場の均一性を改善するために、或いは、特定の磁場パターンを達成するために、巻き方は変則的であることができる。
【００３８】
本発明に係るそのような装置が、充填率と特別な扱いを要求するサンプルに対する検出感度とを最適化することを可能にし、そして、励起及び共振回路間の結合定数ｋの値が広い範囲をとるにもかかわらず、高感度コイル内の高周波磁場振幅を可能な限り大きくすることを可能にすることに注目すべきである。しかしながら、高感度コイルの体積が、以下に定義される体積Ｖ２より小さくなれば、プローブコイルと高感度コイルとの間のパワー伝導は、著しく減少するであろう。
【００３９】
本発明の装置に対する最適な効率は、次の最適化条件が満たされることにより得られる。
【００４０】
前記ＮＭＲ静止プローブの品質係数Ｑ１と、本発明に係る前記共振回路の期待される品質係数Ｑ２とについて、前記ＮＭＲ静止プローブによって前記高周波磁場が生成される体積であるＶ１と、前記検出体積（それは、前記サンプルの周りに近接してマウントされた高感度コイルにより決定される）であるＶ２とを定義しよう。Ｖ２は、サンプルの有効体積（即ち、前記サンプリング体積）に可能な限り近い。よって：
Ｖ２＞Ｖ１／（Ｑ１．Ｑ２）
である場合、最適な性能が得られるであろう。
【００４１】
もちろん、Ｖ２によって決定されるそれぞれの大きさ（即ち、直径又は長さ）はまた、Ｖ２が配置されるＮＭＲ静止プローブ内の放射コイルの対応する次元よりも、小さくなければならない。
【００４２】
本発明の例示的な実施例では、静止又は回転する前記高感度コイルは、好ましくは、１００μｍ〜１５００μｍの直径を有するマイクロコイルである。
【００４３】
本発明の前記第１の実施形態によれば、前記共振回路は、前記励起回路に誘導結合される。
【００４４】
この第１の実施形態によれば、前記共振回路は、前記少なくとも１つの高感度コイルの端子に接続される少なくとも１つのキャパシタをさらに備えることができ、前記キャパシタは、前記高感度コイルを囲む薄い円筒状のフィルムを備えることができる。
【００４５】
この場合、前記キャパシタは、
前記円筒状のフィルムの軸方向の内部表面及び外部表面それぞれを定めるように、前記高感度コイルの軸に平行に延伸する２つの同軸の円筒電極、或いは、
前記円筒状のフィルムの半径方向の基部の端部それぞれを定めるように、前記高感度コイルの軸に垂直に延伸する、２つの平行な環状の平面電極、の何れかを備えることができる。
【００４６】
本発明のこの第１の実施形態の変形例によれば、前記共振回路は、前記高感度コイルから成る（即ち、従って、キャパシタが欠けている）ことができ、この場合、トリチウム、水素もしくはフッ素等の高ガンマ核を分光するための、１又はいくつかの自己共振型マイクロコイルで作られているのが有利である。
【００４７】
そのような変形例において、前記高感度コイルは、ソレノイド型の１つの自己共振型マイクロコイル、或いは、前記毛細管（３）の軸の周りに間隔を空けて軸方向に配置された、自己共振型の複数の同軸の金属リング（Ｒ）で作られていることができる。
【００４８】
本発明のこの第１の実施形態のさらに別の変形例によれば、前記共振回路が、少なくとも１つのタンク回路を定めるために配置される複数の高感度コイルを備えることができ、前記共振回路が、複数のタイプの核を分析するための複数のラーモア周波数で、前記静止プローブに同時に同調可能である。
【００４９】
この他の変形例において、前記共振回路は、２つの高感度コイルを備える周波数二重同調可能な共振回路であることができ、そのうちの一方の高感度コイルが、他方の高感度コイルを含む前記タンク回路に直列に接続されているのが有利である。
【００５０】
そのような二重および多重共振のシステムは、高い周波数チャンネル（典型的に、水素、フッ素、およびトリチウム）で高周波の照射を適用しているにもかかわらず、特に低い周波数チャンネル
（典型的に、炭素−１３、窒素−１５、およびシリコン−２９等用である）で、複数のタイプの核を同時に（液体及び固体ＮＭＲもしくはＭＲＩのどちらででも）調査することを可能にする。
【００５１】
本発明の第２の実施形態では、前記高周波電磁場は高周波電場である。この場合、この電気結合は、キャパシタを通じて実行されるのが有利である。２つの入出力キャパシタは、前記高感度コイルに直列に接続され、前記高周波電場が、前記キャパシタを通過する。
【００５２】
プローブを回転させるのに適した好ましい特徴によれば、前記入出力キャパシタは、それぞれ、前記静止プローブに機械的に接続される静止円筒電極と、前記高感度コイルに機械的に接続され、前記サンプルコンテナ内に埋め込まれる回転円筒電極とで作られている。それら２つの円筒電極は、互いに対向しており、ローターおよび前記サンプルコンテナと同じ回転軸を有する。
【００５３】
それらの２つのキャパシタ間の電気的な相互作用を制限するために、前記入出力キャパシタの両方が、ローターの各端部に、そのそれぞれの端部に近接して埋め込まれるのが有利である。
【００５４】
そのような実施形態では、コイルの自己インダクタンスＬと２つの結合キャパシタＣの値とは、サンプルへ高周波磁場を印加するためのプローブによって、伝導される力を最大化するように選ばれる。それらは適合ネットワーク内に含まれ、前記高感度コイルの端子に接続されるキャパシタ及び／又はインダクタの１セットから成るのが有利である。
【００５５】
発明のこの第２の実施形態によれば、それぞれの入出力キャパシタの２つの電極は、
それぞれの静止電極が、それぞれの回転電極を組み込んでいる前記ローターを囲む方式で同心である、或いは、
それぞれの静止電極が、それぞれの回転電極を組み込んでいる前記ローターの軸方向の外部に配置される方式で、平行、且つ、前記回転軸に沿って軸方向に間隔を空けて配置されることができる（静電容量の値が一層高くなることができ、それにより、より広い範囲の核が調査され得る点で、この変形例が特に有利であることが注目される）。
【００５６】
本発明の別の特徴によれば、いずれのタイプの電磁気的な結合であっても、前記少なくとも１つの高感度コイルは、前記静止プローブの内部に回転可能にマウントされるのが有利であり、且つ、前記サンプルコンテナ及び前記高感度コイルに一体化される内部ローター内に埋め込まれることができる。
【００５７】
よって、本発明のそのような装置は、分析するサンプルに応じて、静止又は回転する高感度コイルの使用を可能にすることが注目されるべきである。
【００５８】
本発明の好ましい特徴によれば、前記少なくとも１つのサンプルコンテナが毛細管であり、該毛細管の表面上に、前記少なくとも１つの高感度コイルがマウントされる。
【００５９】
そのような小さな高感度コイル（好ましくはマイクロコイル）の使用は、サンプルの局所的な検出を可能にし、プローブのハウジングもしくはステータに起因するバックグラウンドの信号が、顕著に減衰されることが注目されるべきである。
【００６０】
前記少なくとも１つの静止又は回転する高感度マイクロコイルは、好ましくは１ｍｍ〜２０ｍｍの長さと、好ましくは１〜２０のターン数とを有することにも注目されるべきである。そのコンビネーションが、前記高感度コイル内の高周波磁場振幅の最大化を提供することが、実験的に証明された。
【００６１】
回転するマイクロコイルの使用が、ＮＭＲ分析（例えば、高分解能ＮＭＲ分析）を実行するためのユニークな手段を提供する多くの場合がある。
【００６２】
第１のケースは、サンプル量が制限された（数マイクログラム）場合であり、小さな充填率のせいで、市販のＮＭＲローターの内部にサンプルを配置することは有利ではないであろう。充填率を増強するために、より小さなローターを設計することは可能である（実際、最も小さなローターは外径が２ｍｍである[21]）。しかし、サブミリメートルスケールのローターが製作される必要がある場合、その課題は克服できないものとなる。材料に要求される強度と共に、特に壁厚が、このタスクを非常に困難にする。本発明に係る回転するマイクロコイルの使用は、回転する小さなサンプルに関連した制限なしに、より高い充填率の達成を可能にする。
【００６３】
シールドが磁場の伝導を可能にすれば、本発明は、シールドを必要とするすべてのサンプルについて非常に適しており、そして、シールドが電場の伝導をも可能にすれば、本発明は、電場結合の場合にも適している。
【００６４】
例えば、磁場を透過する保護層によってシールドされる放射性のサンプルに、例えば酸化鉛が使用されることができる。高感度コイルは、サンプルの隣り且つシールドの内部に配置されるのが有利である。
【００６５】
「高感度」製品が汚染から保護されなければならない場合、或いは、環境がこの製品によって汚染から保護されなければならない場合、本発明により可能とされる別のシールドのタイプは生物型である。この場合、さらに、高感度コイルは、サンプルの隣り且つシールドの内部に配置されるのが有利である。したがって、本発明の利点は、１又はいくつかのシールドの存在によって著しく影響されない。サンプルコンテナが変わらず、且つ、シールドが磁場を変化させない限り、シールドがある場合と無い場合とで感度は同じである。
【００６６】
サンプルの汚染が禁止される場合（放射性物質もしくは生物学上有害な物質）、本発明の一側面によれば、上記説明したように、ＮＭＲ装置の前記内部ローターは、前記少なくとも１つのサンプルコンテナおよび前記共振回路の両方と一体化され、且つ、前記少なくとも１つのサンプルコンテナの周りに提供される複数のシールドバリア層を含むことができる。シールドバリア層は、この内部ローターの外壁を形成する。サンプルが放射性物質である場合、前記シールドは放射性バリア層である。
【００６７】
したがって、実験の感度がローターのサイズにそれほど決定的に依存しないので、サンプルホルダー（即ちローター）は、サンプルもしくはプローブのダメージに対する防護バリアを備えて設計されることができる。このことは、例えば、生体、放射性物質、もしくは超高圧及び／又は超高温下での調査といった、サイズが制限されたサンプル、敏感なサンプル、危険なサンプル、もしくは壊れやすいサンプルの調査において、特別な重要性を持つことができる。
【００６８】
本発明の特別の実施形態によれば、前記装置は、「ＤＯＲ」ＮＭＲプローブ設計に従って、前記内部ローターを囲む外部ローターをさらに備え、同時に起こるダブル・ローテーションを可能にするために、該外部ローターが、前記内部ローターの周波数よりも低い周波数で回転するように適合される。
【００６９】
本発明の特定の実施形態によれば、前記装置は、数個の検出コイル（即ち高感度コイル）を備えることができ、それぞれの検出コイルは、ただ１つのマイクロコイルのみが励起コイルのＲＦ磁場により励起されることができる方式で、異なる核に対応する異なるラーモア周波数で同調する。このことは、様々なマイクロコイルの様々な周波数が十分に異なり、いくつかのマイクロコイルが同時に励起するのを防ぐことを意味する。したがって、それぞれの検出コイルが１つのサンプルを囲む、異なる検出コイルの共振周波数のすべてに近接して、プローブの放射コイルは連続的に励起される。それらサンプルは、異なるサンプルコンテナ内に配置されることができ、サンプルコンテナは、それらサンプルコンテナの軸がローターの機械軸と平行に、且つ、一方のサンプルから他方のサンプルへの干渉を防ぐのに十分な距離に、互いに平行に配置される。あるいは、それらサンプルは、同じサンプルコンテナに沿った異なる距離に配置されることもでき、それら距離は、一方のサンプルから他方のサンプルへの干渉を防ぐのに十分な距離である。
【００７０】
本発明に係る、生物又は無生物サンプルの周りに近接してマウントされ、前記サンプルによって実質的に満たされる検出体積を定める少なくとも１つの高感度コイルを備える装置を使用する、前記少なくとも１つのサンプルについて固体又は液体ＮＭＲ分光及び／又はＮＭＲイメージングを行うための方法によれば、該方法は、
サンプルコンテナを満たす前記サンプルを、高周波電磁場にさらすステップと、
核のラーモア周波数で入射高周波磁場を生成し、前記サンプルの前記核を高周波電磁場により励起し、前記サンプルにより放射されるリターン高周波磁場を受信するステップとを含み、
この励起および受信が、前記装置の静止プローブの励起回路によって遂行され、前記少なくとも１つの高感度コイルが、高周波電磁場により前記静止プローブに結合されることを特徴とし、
前記方法が、さらに、その内部に前記少なくとも１つの高感度コイルが埋め込まれる内部回転ローターを回転させるステップを含み、該内部回転ローターが、前記静止プローブの内部で回転し、且つ、前記サンプルコンテナに一体化されることで、前記高感度コイル内の充填率と高周波磁場振幅との両方が最大化される。
【００７１】
本発明に係るこの方法の好ましい実施形態によれば、前記高周波電磁場は高周波磁場である。
【００７２】
この場合、このＲＦ磁場は、少なくとも１つの共振回路の前記励起回路への電磁気的な結合を引き起こし、該共振回路が、前記励起回路の放射コイルと、前記核の歳差運動周波数を検出し、実質的に前記核のラーモア周波数で前記励起回路に同調される前記少なくとも１つの共振回路との内部に、前記少なくとも１つの高感度コイルを備える。
【００７３】
本発明に係るこの方法の別の実施形態によれば、前記装置について上記説明したように、前記高周波電磁場は高周波電場である。
【００７４】
前記少なくとも１つのサンプルは、固体のサンプルであり、また、前記方法を提供する際に、任意の回転周波数で静止もしくは回転する何れの方式でも使用されることができるのが有利である。
【００７５】
本発明のこの方法によれば、前記少なくとも１つの高感度コイルは、少なくとも１Ｈｚの回転周波数で、連続的に回転することができる。
【００７６】
本発明のこの方法は、液体又は固体ＮＭＲのいずれにも使用されることができるのが有利であり、また、前記共振回路、期待されるスペクトル分解能に従って設計され得る。
【００７７】
本発明の特定の実施形態では、前記少なくとも１つの共振回路が、１ｋＨｚより高い回転周波数で、前記静止プローブの内部で回転するのが有利であり、また、前記回転周波数が、３ｋＨｚ〜３５ｋＨｚの範囲であるのがより有利である。
【００７８】
本発明の別の側面によれば、前記方法は、マジック・アングル・サンプル・スピニング・テクニック（「ＭＡＳ」）、ダブル・ローテーション・テクニック（「ＤＯＲ」）およびダブル・アングル・スピニング・テクニック（「ＤＡＳ」）から成る群から選択される技術を使用して、前記少なくとも１つのサンプルコンテナおよび前記共振回路の両方と一体化されている内部ローターにより、前記共振回路を回転させるステップを含む。
【００７９】
同調可能な励起回路を提供するために、市販の「ＭＡＳ」プローブが使用されることができ、このことがアセンブリーの微同調を保証することができることに注目すべきである。
【００８０】
本発明は、いくつかの検出コイル（即ち高感度コイル）を使用することができ、これら検出コイルは、互いに干渉を起こさないように十分に異なった周波数に同調されている。この場合、それぞれの検出コイルが１つのサンプルを囲む、異なる検出コイルの共振周波数のすべてに近接して、プローブの放射コイルは連続的に励起される。
【００８１】
本発明は、励起および操作に大きな高周波磁場振幅を必要とするすべての核に対して、特に有利である（例えばプロトン、さらには酸素−１７）。大きなＢ１磁場が、周波数の広い範囲にわたって励起確率を定量的に提供する、静止した液体サンプル（例えば常磁性のタンパク質）に関する実験が、さらに実行されることができる。
【００８２】
本発明の上記説明した特性は、他のものに加えて、本発明のいくつかの実施例に関する次の記述を読むことにより、より明確に理解されるであろう。ここで、添付の図面を参照する次の記述は、本発明を例示する目的のために示されたものであり、本発明を限定することを意図したものではない。
【発明を実施するための最良の形態】
【００８３】
図１ａ及び２ａ並びに図１ｂ及び２ｂにそれぞれ示す高分解能ＮＭＲ装置１および１’は、それぞれ、ローター２と、ローター２の内部に埋め込まれた、サンプリング体積３ａを含む毛細管３とを本質的な要素として含む。サンプリング体積３ａは、サンプル４によって満たされ（よって、ローター２は、回転するサンプルホルダーを形成する）、かつサンプル４が回転する間、静止プローブと共振回路６’又は回路６とにより、電磁的なＲＦ磁場にさらされるように設計されている。
【００８４】
静止プローブは、サンプル４の核を励起するための、通常のアンテナを含む励起回路を備え（静止プローブおよびその励起回路は完全な状態で図示せず）、励起回路（これら図面には図示せず）は、ローター２を囲み、ＲＦ磁場を生成するように設計されている。
【００８５】
共振回路６’又は回路６は、核の歳差運動周波数を検出するために、共振が起こるように、周囲の回路にマッチングされる。この回路６、６’は、核のラーモア周波数に実質的に同調可能であるように、励起回路に電磁気的に結合（即ちワイヤレス接続によって）され、静止プローブ内に、毛細管３の周りにマウントされた小さな高感度マイクロコイル６ａ又は６ａ’を含む。
【００８６】
図１ａ及び１ｂにおいて見受けられ得るように、高感度マイクロコイル６ａ又は６ａ’は、毛細管３のサンプリング体積３ａに実質的に等しい内部検出体積を定める。
【００８７】
より詳細には、図１ａ及び２ａの装置１は、毛細管３の周りにマウントされて検出／励起コイルを形成する高感度マイクロコイル６ａと、図２ａに示す、励起回路を有する静止プローブＰを含む装置１の残部との間に、容量結合（即ち電気結合）を示す。マイクロコイル６ａは、それぞれの端部において、２つの平行な円の間でローター外部側面をカバーする金属リング６ｂ（好ましくは銅製）に物理的に接続される。静電結合は、これらリング６ｂと、それらリング６ｂに対向する円筒状の２つのステータ表面との間に生じる。それは、プローブＰのハウジング（図示せず）内に固定された、同軸の金属リング７（好ましくは同様に銅製）を外部に形成する。リング６ｂと７との間のエアギャップの幅は、共振回路６の静電容量の値を決定する。そのようなリング６ｂ及び７は、それぞれ、２つのキャパシタのキャパシタ電極を形成する。この構成は、サンプル４を自由に回転させる間の電気的な接続を可能にする。よって、ローター２が回転する間は、これら金属リング６ｂ及び７間の距離は、一定に保持されなければならない。
【００８８】
図１ｂ及び２ｂの装置１’は、２つの同調回路、即ち、共振回路６’と励起回路との間に、誘導結合（即ち磁気結合）を示す。高感度マイクロコイル６ａ’は、毛細管３を囲み、小さなキャパシタ６ｂ’を使用して共振周波数に同調される。小さなキャパシタ６ｂ’は、コイルの傍に概略的に描かれているが、概して回転軸上に配置されている。図２ｂに示すように、静止プローブＰ’の励起回路は、ローター２を囲んでプローブのハウジングに固定された、マクロ放射コイル５を含む。
【００８９】
図１ａの変形例である図１ｃに示すように、静止プローブＰと回転可能なマイクロコイル１０６ａとの間の静電結合に関する別の実施形態は次の通りである。前記した回転電極６ｂ及び静止電極７を置き換える回転電極１０６ｂ及び静止電極１０７は、毛細管３の回転軸に沿った軸方向に間隔を空けて配置されて、サンプルが回転する間、固定距離に保持される。よって、静止部分Ｐとマイクロコイル１０６ａを含むポテンシャル回転部分との間のこのワイヤレス結合もまた、２つの空気キャパシタによって実現される。この設計では、ローターの上部及び底部は、電気めっきされてマイクロコイル１０６ａに繋がれる。静止部分Ｐは、さらに、ローターの電極１０６ｂから正しい距離に配置されたこれら２つの金属板１０７を有する（静止状態のスピニング実験を行う間、この距離は一定に保たれる）。
【００９０】
どちらもが、１次コイルと高感度マイクロコイル３０６ａ’又は４０６ａ’との間の誘導結合に関する図１ｂの変形例である図１ｄ及び１ｅに示すように、対応する共振回路３０６’又は４０６’は、図１ｄに示すソレノイド型の自己共振型マイクロコイル３０６ａ’、或いは、同軸の金属リングＲで製作された自己共振型マイクロコイル４０６ａ’のどちらかを備える。それら金属リングＲは、図１ｇにおいて、毛細管３の軸の周りに軸方向に間隔を空けて配置される。どちらのタイプのマイクロコイルも、例えばトリチウムやフッ素や水素等の高ガンマ核の分光法に特に有利である。
【００９１】
より詳細には、図１ｄは、毛細管３を含むサンプルに包み込まれる、ソレノイド型の自己共振型マイクロコイル３０６ａ’を示す。サンプルの体積において高周波磁場の均一性を最大化するために、自己共振型マイクロコイルの巻き方は等距離ではない。毛細管３はローター２内部の中心に配置され、ローター２を用いて回転される。図１ｅは、スピンのラーモア周波数に近い周波数の共振器を形成する同心リングＲを示す。リングＲの間のギャップを変化させることにより、高周波磁場の均一性を最適化することができる。
【００９２】
図１ｄ及び１ｅの自己共振型マイクロコイル３０６ａ’及び４０６ａ’は、いずれも、ローター２内のアセンブリーの回転安定性の改善を可能にすることに注目すべきである。
【００９３】
図１ｆ及び１ｇに図示されるように、それらの寸法のおかげで、いくつかのマイクロコイル５０６ａ’又は６０６ａ’が、同じサンプルコンテナ３に沿って、或いは、１つ又は複数のサンプルコンテナ３’及び３”の周りのどちらかで、同じローター内に含まれ得る。図１ｆは磁気結合を用いる場合であり、図１ｇは容量結合を用いる場合である（それぞれのマイクロコイル６０６ａ’は、キャパシタ６０６ｂ’と接続される）。マイクロコイル５０６ａ’及び６０６ａ’は、単一のサンプルコンテナ３あるいは３’又は３”の周りに優先的に配置され、充填率が最大化される。しかし、いくつかのサンプルコンテナの周りにマイクロコイルを配置することもまだなお、この発明の範囲にある。
【００９４】
図２ｃは図２ｂの変形例である。ここで、共振回路７０６’は、少なくとも１つのタンク回路ＴＣを定めるために配置される２つの高感度コイル７０６ａ’及び７０６ａ”を備えた、周波数複同調可能なものである。その結果、２つのタイプの核を同時に分析するために、この共振回路７０６’は、２つのラーモア周波数で、二重共鳴静止プローブＰ’に同調可能である。したがって、図２ｃは、二重共鳴ＮＭＲプローブに誘導結合されるマイクロコイル７０６ａ’を二重に同調する方法を示す。
【００９５】
図２ａ、２ｂ、及び２ｃから明白なように、対応する静止プローブＰが、図２ｂ又は２ｃの静止プローブＰ’のマクロ放射コイル５の代わりにキャパシタ電極７を含んでいる点で、図２ａの電場による結合は、図２ｂ又は２ｃの磁場による結合と本質的に異なることに注目すべきである。
【００９６】
図１ａ及び１ｂによると、好ましくは、コイル５、６ａ又は６ａ’の軸と静磁場との間の角度は、マジック・アングルと等しく設定される。しかし、それは一般的に任意であり得る。
【００９７】
さて、この誘導結合を図２ｂを参照して議論する。
【００９８】
一般に、励起回路は商用ＮＭＲプローブの回路に対応する一方、共振回路６’は、コイル６ａ、好ましくは放射コイル５の内部に配置されたマイクロコイルを含む。双方の回路間の結合Ｍは、コイルの幾何学的な特性に依存する。
【００９９】
図１ｂの高感度コイル６ａ’のインダクタンスをＬとする。コイル６ａ’の端子において、静電容量Ｃ（固定タイプもしくは可変タイプどちらかの）の小さなキャパシタ６ｂ’が、インダクタと共に、例えばはんだ付けにより、或いはマイクロコネクターを介して接続され、観測される核のラーモア周波数で同調された同調ＬＣ共振回路６’を作成する。回路６’の品質係数Ｑは、コイル６ａ’の抵抗Ｒと、キャパシタ６ｂ’の品質係数とに依存する。品質係数Ｑは、式：Ｑ＝Ｌω／Ｒによって、インダクタンスＬおよび抵抗Ｒとに関連付けられ得る。この共振回路６’を共振に同調させるために、静電容量Ｃの値は、式：
ＣＬ＝１／ＬωＬ２      （２）
から、理論価値ＣＬ近辺に選ばれる。
【０１００】
共振からわずかに離れてこの静電容量Ｃを選ぶ効果は、図６及び７について以下に議論する際に検討されるであろう。
【０１０１】
図３は、高感度同調マイクロコイル６ａ’を含むローター２の縦断面構造を示す。それは一般に、固体ＮＭＲに使用される。このローター２は、外部円筒状ローター本体２ａを含み、外部円筒状ローター本体２ａは、一端にローターキャップ２ｂと、内部に放射状に毛細管３を囲む複数の安定化インサート２ｃとを有して提供される。後者は、毛細管３の円筒状の外部表面に同調マイクロコイル６ａ’を有し、一端に、それらに接続される同調用キャパシタ６ｂ’を有して提供される。その質量中心は回転軸上にあり、キャパシタ６ｂ’の電極は、毛細管３の円筒状の表面に対して垂直である。
【０１０２】
結果として、ローター２の内部に配置される毛細管３、マイクロコイル６ａ’、およびキャパシタ６ｂ’のアセンブリーは、インサート２ｃにより、その回転軸に沿ってよく維持される。インサート２ｃは、プラスチックもしくは優先的にセラミックのプラグであり、これら構成要素にしっかりとフィットする正確な寸法と、高い熱伝導率とを有することができる。しっかりとしたフィッティングは、高い回転周波数におけるこのローター・アセンブリーの安定した回転に確かに必要である。
【０１０３】
上記説明したように、ローターは、「ＭＡＳ」プローブの内部に配置されることができ、任意の商用ローターのように回転する。「ＭＡＳ」プローブのマクロコイル５はローター２を囲み、核を励起させるためのエネルギーを供給する励起回路を構成する。結合定数ｋは、結合の強度、言い替えると、各々の回路が他方の回路に対して有する影響を特徴づける。
【０１０４】
たとえ、図３中の相対的なサイズが、外径が７ｍｍの「Ｂｒｕｋｅｒ」ローター２について正確であっても、この図面が、ほとんどの商用「ＭＡＳ」ローターに対して容易に適用され得ることが示されるであろう。
【０１０５】
図３ｄａｓｈは、高感度同調マイクロコイル６ａ”を含むローター２の縦断面構造を示す。図３ｄａｓｈに示す構造は、毛細管３が、毛細管３の円筒状の外部表面にマイクロコイル６ａ”を有し、一端に、同調用キャパシタ６ｂ”を有して提供される点でのみ、図３に示す構造と異なる。同調用キャパシタ６ｂ”は、キャパシタ６ｂ”の電極が円筒状且つ毛細管３と同軸となる方式で、それらに接続される。
【０１０６】
一方の場合は図３ａ及び３ｂが、また他方の場合は図３ｃ及び３ｄが、それぞれ、誘導結合されたマイクロコイル１０６ａ’又は２０６ａ’についての、図３に示されたローター２の変形例である。双方の変形例において、キャパシタ１０６ｂ’又は２０６ｂ’は、高感度マイクロコイル１０６ａ’又は２０６ａ’を囲む薄い円筒状のフィルムで作られている。
【０１０７】
図３ａ及び３ｂのローター１０２内に、キャパシタ１０６ｂ’は、この円筒状のフィルムの軸方向の内部表面及び外部表面それぞれを定めるように、マイクロコイル１０６ａ’の軸方向に平行に延伸する２つの同軸の円筒電極Ｐ１及びＰ２を有する。図３ａ及び３ｂにおいて、キャパシタ１０６ｂ’は円筒状であり、毛細管３を囲む。マイクロコイル１０６ａ’をキャパシタ１０６ｂ’に接続するリードは、図３に示すものよりも短い。図３と同様に、マイクロコイル１０６ａ’は、プラスチック・インサートであり得る固体シリンダ２ａの内部に安定させられる。薄膜キャパシタ１０６ｂ’は、このインサートの外部表面で、或いは、この表面上に接着され得る薄い表面でリソグラフィされ得る。電極Ｐ１及びＰ２は、高周波励起における円形の渦電流を回避するための、スロットＳによる母線に沿ったスリットである。より一般的な方法において、例えばリソグラフィ等の近代的な組立て技術のすべてが、そのようなキャパシタ１０６ｂ’及び２０６ｂ’を生産するために使用され得る。別の好ましい例は「カプトン（登録商標）キャパシタ」であり、そこでは、カプトン薄膜は、両方の表面が銅でカバーされている。
【０１０８】
図３ｃ及び３ｄのローター２０２内に、キャパシタ２０６ｂ’は、この円筒状のフィルムの半径方向の基部の端部それぞれを定めるように、ローター２０２の軸に垂直な方向に延伸する、環状の平面電極Ｐ１’及びＰ２’に平行な２つのスリット（スロットＳ’により母線に沿った）を有する。この構成は、金属表面の低減、熱の低減、および静電容量の低減を可能にする。
【０１０９】
マイクロコイル１０６ａ’又は２０６ａ’の典型的なサイズは、直径で１０〜１０００マイクロメートルである一方、静電容量の値は、０．１〜数百ピコファラッドまで変化し得る。
【０１１０】
図３ａ及び３ｂのフィルムキャパシタ１０６ｂ’が、高い閾値電圧（周波数の高い核について有用である）を有する小さなキャパシタを可能にする一方、金属層の間の距離が非常に小さく（数マイクロメートル）なり得るので、図３ｃ及び３ｄのキャパシタ２０６ｂ’が、より大きなキャパシタを可能にすることに注目すべきである。
【０１１１】
例えばリソグラフィ等の近代的なマイクロマシニング技術のすべてが、そのようなキャパシタ１０６ｂ’及び２０６ｂ’を生産するために使用され得る。そして簡単な例として、我々は、両方の表面が銅でカバーされている「カプトン」薄膜からの静電容量を計算することができる。別の態様は、金めっきされた２つの表面間に介装されるシリコン薄膜であろう。その後、非圧縮性の固体を使用して、薄膜キャパシタ１０６ｂ’又は２０６ｂ’は、ローター１０２及び２０２の軸に沿って固定されたマイクロコイル１０６ａ’又は２０６ａ’に接続される。
【０１１２】
図３ａ〜３ｄのこれら構成は、次の長所を有する。
−キャパシタ１０６ｂ’及び２０６ｂ’とマイクロコイル１０６ａ’及び２０６ａ’との間の電気的な接続に使用されるリード長の縮小。従って、電気的な損失が低減する。
−マイクロコイル１０６ａ’及び２０６ａ’のワイヤーが、毛細管３のトップへ戻る必要が無い。このことは、有効体積内部の高周波の不均一性を低減する。
−同調された毛細管３がローター１０２及び２０２の一体部分になることによる、より簡単なサンプル変更、並びに、毛細管３に充填されたサンプルのみが、コイル体積の内部に挿入される必要があること。そして、
−アセンブリーの回転が広がりを平均化することにより、マイクロコイル１０６ａ’及び２０６ａ’、並びに／或いは、キャパシタ電極Ｐ１及びＰ２とＰ１’及びＰ２’とに、ゼロでない磁化率を有する金属が今までどおりに使用され得ること。従って、最適化された材料が使用されることができ、より高い性能が達成され得る。
【０１１３】
共振回路’６の同調は、図４ａに示す構成で、スペクトル分析器を使用してチェックされる。このことは、ローター２のそれぞれの端部に配置された２つの外部ループコイル８及び９が、スペクトル分析器に接続されることと、スクリーン上に散布的なローレンツ分布が得られることとを示す。
【０１１４】
第１の外部ループコイル８は、電流ｌ（ｔ）＝ｌ０ｅｘｐ（ｊωｔ）によって駆動され、高周波磁場が生成される。ここで、ｊ＝√−１である。マイクロコイル６ａ’内のこの磁場からの磁束は、Φ１２＝Ｍ１２ｌに等しい。そして、同調回路内の起電力は：
Ｅ２（ｔ）＝−ｄΦ１２（ｔ）／ｄｔ＝−Ｍ１２ｄｌ（ｔ）／ｄｔ＝−ｊωＭ１２ｌ（ｔ）      （３）
である。
【０１１５】
同調回路のインピーダンスは、Ｚ＝Ｒ＋ｊωＬ−ｊ／（ωＣ）である。また、その電流は：
【０１１６】
【数１】
2008545148.tif 000003
に等しい。
【０１１７】
第２の外部ループコイル９’がマイクロコイル６ａ’からピックアップする磁束は、Φ２３＝Ｍ２３ｌ２である。また、ループコイル９がループコイル８からピックアップする参照磁束は、Φ１３＝Ｍ１３ｌである。
【０１１８】
Φ１３≫Φ２３であるので、スペクトル分析器上に見えるものは、Φ２３のΦ１３と同一線上に並ぶ部分に由来する。それは、Φ１３の実部：
【０１１９】
【数２】
2008545148.tif 000004
である。
【０１２０】
これは、周波数の散布的なローレンツ関数であり、共振時には、この関数はゼロに等しい。２つの端点間の周波数差は、Δω／ω＝１／Ｑに等しくなり、回路の品質係数の測定を可能にする。
【０１２１】
励起及び共振２つの回路間の結合は、コイル５及び６ａ’の幾何学的な特性に依存し、運動の全体を通して回転の軸が安定しているので、一定であることが示されるであろう。したがって、Ｂ１磁場は安定であり、信号の記録中に位相歪みは予期されない。
【０１２２】
共振回路６’が、励起回路のコイル５の内部に配置された後、それらの間の結合が発現し、アセンブリー用の同調周波数が乱される。静止プローブの、同調キャパシタの値及びマッチング・キャパシタの値の調節は、同調マイクロコイルとプローブとの全体が、５０オームのマッチング及びラーモア周波数での同調を回復するのを可能にする。一般的に言えば、励起及び検出の性能は、この共振同調回路６、６’の特性に依存する。例えば、共振回路６又は６’において、励起回路のコイルよりもはるかに小さなコイル６ａ又は６ａ’が使用されると、ＲＦ振幅は増強され得る。これは、同じ高周波パワーについて、サンプリング体積３ａ内により高いＢ１磁場を得ることができることを意味する。このことはまた、検出用の感度がより高いことを意味する。
【０１２３】
励起回路と共振回路６又は６’とのセットが、共振に同調され、５０オームにマッチングされるので、雑音のレベルは、単一のコイルが有するものと同じである。したがって、通常の単一のコイルＮＭＲ検出に関して、信号対雑音比は増強される。そのうえ、コイルの回転に起因する人為的な結果の信号は、スピン周波数（０−３０ｋＨｚ）の高調波に変調され、電気的にフィルタリングされて、ＮＭＲ周波数（数百ＭＨｚ）から非常に離れた位置に存在する。そのような信号は、実験において観測されていないように見える。
【０１２４】
図５ａ及び５ｂは、「ＤＯＲ」ＮＭＲプローブ設計に関する、ダブル・ローター構造の２つの例示的な概略図を示す。
【０１２５】
この「ＤＯＲ」プローブ設計[23, 24]では、２つのローターが必要とされ、そして、図５ａに示される従来技術では、ＲＦコイル１０は静止した状態で２つのローター１１及び１２の全体を囲む。図５ａにおいて見られ得るように、励起及び検出のために、外部のコイル１０と共にダブル・ローター１１、１２が提供される。外部ローター１１は、５４．７度の角度θ０の周りでゆっくり回転して、２階の相互作用を平均化する。一方、内部ローター１２は、はるかに小さくかつより速く回転して、４階の相互作用を平均化する。サンプルは内部ローター１２の内部に配置される。励起及び検出は、コイル１０を使用して実行される。
【０１２６】
理論上得ることができる最良の充填率は、θ０＝５４．７度及びθｉ＝３０．６度で、０．１６５である[25]。
【０１２７】
図５ｂに示されるように、内部ローター１２の内部で回転する同調マイクロコイル１３を使用することにより、充填率をほぼ１に最適化することができ、このように、測定の感度を改善することができる。その後、励起及び検出が、通常の励起マクロコイル５と、回転する同調共振回路６又は６’との間の誘導結合を通じて行われ得る。
【０１２８】
しかしながら、ここで、ｘｙ平面に沿ったＲＦ磁場の射影のみが、Ｂ０に対して垂直かつ有効であるので、有効なＲＦ磁場が時間の関数であることが注意されるべきである。この成分は、調和的に時間依存し、分解能又は感度への著しい影響無しに、信号をサイドバンドへ分割する。
【０１２９】
図６は、高感度コイル６ａ’によって生成される最適なＲＦ磁場を、その共振周波数ω０の関数として計算するために、共振回路６’内のＲＦ磁場振幅のプロットを、その共振周波数の関数として示す。図１ｂに示される「ＭＡＳ」装置１’は、これらのグラフの計算に使用された。励起周波数はラーモア周波数ωＬ＝２πＦＬであり、ここで、ＦＬ＝７９ＭＨｚである。
【０１３０】
高感度マイクロコイル６ａ’について様々なジオメトリーがテストされ、また、励起及び共振回路６’双方についての品質係数Ｑ１及びＱ２が、１００に等しいと想定された。１次回路は、５ターンおよび品質係数１００を有する、直径７ｍｍおよび長さ１５ｍｍのソレノイド型のコイルで特定される。２次回路は、品質係数１００を有する、直径１．６５ｍｍのソレノイド型のコイルで特徴づけられる。２次コイルの長さおよびターン数は、シミュレーションにおいて変化され、図６及び７の挿入図において指定される。青い三角形は、如何なるマイクロコイルも無い状態で、プローブコイルによって生成された磁場を表す。
【０１３１】
頂点が下向きの三角形プロットは、如何なる共振回路６’も無い状態で、励起回路のメインコイル５によって生成された磁場に相当し、また、比較のための参照（即ち「制御」）を設定する役目をする。
【０１３２】
他の３つのプロットは、様々な高感度マイクロコイル６ａ’のジオメトリーに対応する。高感度マイクロコイル６ａ’の共振周波数は、この計算で所定の値に決定され、次に、高感度マイクロコイル６ａ’内に生成されるＲＦ磁場を最大化するために、励起回路の同調キャパシタ及びマッチング・キャパシタＣＭ及びＣＴ（再び図２を参照）が変化された。これもまた同様に、実験に従った手続きに対応する。
【０１３３】
その後、これらＣＭ及びＣＴの値についてマイクロコイル６ａ’内の磁場が計算され、カーブ上にプロットされた。計算は、図６中に示されるマイクロコイル６ａ’のジオメトリーに対して、すべての周波数について繰り返された。
【０１３４】
幾つかのポイントが滑らかなカーブに従わないことに気付くであろう。このことは、共振回路６’においてＲＦ振幅を最適化するために、図２の回路において、容量的なマッチングよりも、誘導的な要素が使用される必要があるであろうという事実のためである。
【０１３５】
図７は、図６中の様々なジオメトリーについて、共振回路６’内で消失されたＲＦパワーとアンプによって提供されるパワーとの比率のプロットを、共振周波数の関数として示す。図１ｂに示される「ＭＡＳ」装置１’は、これらグラフの計算に使用された。また、励起周波数はラーモア周波数ωＬ＝２πＦＬであった。ここで、ＦＬ＝７９ＭＨｚである。
【０１３６】
このグラフは、パワーが主に、共振状態にある高感度マイクロコイル６ａにおいて消失することと、これとがＲＦ磁場用のアンプ（即ちコンセントレータ）の役割をすることとを確証する。
【実施例】
【０１３７】
本発明に係る装置を製造および提供するための実施例
次の実施例の目的は、本発明に係る誘導結合されたコイルのシステムが構築されて高いスピン周波数で回転されることができることと、そのような本発明に係るシステムが、感度とＲＦ磁場振幅との増大を提供することとを確証することである。
【０１３８】
これら実施例において、共振回路６’（図１ｂ及び３によると）は、ローター２（即ちサンプルホルダー）の内部に配置された。アセンブリーもまた、「ＭＡＳ」に従属して、静止もしくは回転何れかの状態にあった。プローブの静止部分と回転するコイルとの間の電気的な接続は、放射コイル５を用いる誘導結合を通じて維持された。
【０１３９】
充填率は、毛細管３の円筒状の壁の周りで、共振回路６’のマイクロコイル６ａ’を手動で包むことにより最適化された。７ｍｍの外径を有する商用の「Ｂｒｕｋｅｒ」ローター２と、励起回路のソースとして「ＢＬＭＡＳ」プローブとを使用して、すべての実験を実行した。毛細管３は１．４ｍｍの外径を有していた。
【０１４０】
実験は、静止したサンプル４と、さらに、５０００Ｈｚ（精度±５Ｈｚ以内）で回転するサンプル４とについて実行された。自動回転モジュールが、ローター２の始動及び回転の安定性、並びに停止に使用され、このことから、ローター２の質量が正確にバランスされていたことがわかる。
【０１４１】
いくつかの実験は、磁性チップキャパシタ及び非磁性チップキャパシタを使用して実行された。前者の接続電極は磁性を有する材料を含み、このことは、「ＭＡＳ」において、線幅を拡幅する目立たない効果があることを証明する。図３によると、キャパシタの巨視的な磁化は、サンプル４に関してマジック・アングルに配置されて、構造によりおおよそ平均化された。
【０１４２】
さらに、回転しているサンプルに関して、磁化率に誘起される残留性の拡幅が、スピン・サイドバンドへ分割されることが見いだされた。従って、このステージのスペクトルの解釈について大きな問題は現れなかった。
【０１４３】
非磁性のキャパシタを含む他のバージョンもまた使用され得ることに注目すべきである。
【０１４４】
図８は、共振同調マイクロコイル６ａ’により囲まれた液体サンプルを含む毛細管３の、静止動作モードにおける感度の増強を、「制御」毛細管３を欠いた場合と比較して図示する。
【０１４５】
最初に、プローブの放射コイル５を使用して、ＲＦ振幅を較正した。高感度コイル６ａ’は備えなかった。サンプルはＮａＣｌの１Ｍ溶液であり、２３Ｎａ核からの信号が測定された。みそすり運動周波数は、２６ｋＨｚであると分かった。また、π／２スペクトルについての信号対雑音比は６６であった。１秒の反復遅延と較正された９．６μｓのπ／２パルスとを使用して、いくつかの８回のスキャンが得られた。
【０１４６】
このサンプルの「制御」スペクトルはプロット（ａ）に示される。
【０１４７】
その後、共振同調回路が毛細管３の周りに配置され、ＲＦ振幅が較正された。各々が３３ｐＦの静電容量を有する、ＡＴＣからの２つの非磁性のキャパシタが、マクロコイルに並列に接続された。新しいπ／２長さは２．６μｓであり、９６ｋＨｚのＲＦ振幅に対応した。また、Ｓ／Ｎは２３０に等しかった。アセンブリーの同調およびマッチングは、「Ｂｒｕｋｅｒ」分光計のウォブリング・ユーティリィティを使用して、インピーダンス値５０に最適化された。
【０１４８】
両方のスペクトルは、２Ｈｚのローレンツ関数によって線幅が拡幅された。
【０１４９】
本発明に係るこのスペクトルはプロット（ｂ）に示される。
【０１５０】
分光計アンプにおける同じパワーレベル（１２ｄＢ）が適用され、ＲＦ振幅の増大が約３．７であったことに注目する必要がある。図８において見られ得るように、感度もまた３．４倍に増強された。このことは、Ｂ１磁場強度と感度との間の相互関係を証明する。
【０１５１】
同数のスキャン（８回のスキャン）、同数の反復時間（１秒）、および同じサンプリング体積３ａ（即ち、高感度マイクロコイル６ａ’に正確にフィットする体積に制限されたサンプル４に対応する）を使用して、放射コイル５のみを使用して得られたスペクトルが、共振回路６’を使用して得られたスペクトルと比較された。
【０１５２】
これらの実験は、誘導結合が、２つのコイル５と６ａ’との間の励起及び検出を保証するためのワイヤレスメカニズムとして作用することを証明した。さらに、それらは、高感度コイル６ａ’が小さなサイズと適切なジオメトリー（典型的に、マイクロコイルのような）とを有する場合に、感度及びＲＦ振幅の増強が生じることを証明した。
【０１５３】
図９は、高感度同調コイル６ａ’により囲まれた固体サンプルを含む毛細管３の、回転動作モードにおける感度の増強を、それらを欠いた場合の「制御」サンプル３と比較して図示する。Ｎａ２Ｃ２Ｏ４粉末サンプル中の２３ＮａのＮＭＲスペクトルが示される。
【０１５４】
（ａ）のスペクトルは、Ｎａ２Ｃ２Ｏ４を５４３．３ｍｇ含んでいる完全パックされた７ｍｍのローター２から得られた。このローター２は５ｋＨｚで回転している。１６回のスキャンが記録された。較正されたπ／２パルス（中央の遷移について選択的）は、１０μｓであった。
【０１５５】
（ｂ）のスペクトルは、約８００μｇのＮａ２Ｃ２Ｏ４の粉末サンプル４を含んでいる、１．４ｍｍの外径を有する毛細管３から記録された。この毛細管３を囲んでいる同調共振回路６’には、１３ターンを有するソレノイド型のコイル６ａ’と、それに接続される２７ｐＦのチップキャパシタとが使用された。２ｍｍ×１．３ｍｍ×０．６ｍｍのサイズを有するＲｏｄｅｎｓｔｅｉｎ製のチップキャパシタが使用された。共振回路６’のＱ値は７９と測定された。キャパシタ端子は磁性体であり、また、スペクトル分析器で測定された同調（即ち共振）周波数は７４ＭＨｚであった。サンプル４と共振回路６’とは、図３のインサート２ｃを使用してしっかりとフィットされ、７ｍｍのローター２の内部で５ｋＨｚで回転される。
【０１５６】
較正された１μｓの「π／２」パルスを使用して、１０２４回のスキャンが記録された。両方のスペクトルは、１００Ｈｚのローレンツ関数によって線幅が拡幅された。
【０１５７】
回転周波数は、４〜５日の期間にわたって安定（５Ｈｚ以内に）していた。分光計のウォブリング・ユーティリィティにおける同調カーブは、プローブの同調及びマッチング用のノブを使用して、２３Ｎａの共振周波数、即ち７９．３ＭＨｚにおいて、５０オーム近辺に同調及びマッチングされた。共振回路６’が無い状態でのプローブのＱ値が１２８と測定され、後者が在る状態でのプローブのＱ値が８５と測定された。
【０１５８】
この長い時間安定性は、２次元のＮＭＲ実験を、特に多量子の「ＭＡＳ」を可能にした[26]。ここで、多量子コヒーレンスの励起及び転換の両方は、高いＲＦ振幅により利点を有し、より高い感度に結びつく。
【０１５９】
図１０は、この同調回転共振マイクロコイル６ａ’により囲まれた毛細管３から得られるスペクトルである。それは２３Ｎａ「ＭＱＭＡＳ」実験であった。図９と同じローター２−マイクロコイル６ａ’のシステムが使用された。
【０１６０】
ｔ１の増分当たり１１５２回のスキャンが記録された。また、スペクトルは、Ｆ２に沿って２５０Ｈｚの、およびＦ１に沿って１００Ｈｚのローレンツ関数によって線幅が拡幅された。１ｓの回復遅延を使用して、２０回のｔ１の増分が得られた。このことは、わずか６．５時間の総実験時間に結びついた。
【０１６１】
図１０（ａ）に示されるパルスシーケンスが適用されて、スペクトル（ｂ）が得られた。パルス長はτ１＝１．１μｓ、τ２＝３．６μｓ、及びτ３＝２．６μｓに設定された。ｔ１の増分は１００μｓに設定された。
【０１６２】
図１１ａ及び１１ｂは、図１ｄのソレノイド型の自己共振型コイル３０６ａ’により囲まれた毛細管の内部の、水及びアルコールの静的なプロトンスペクトルと、同じ毛細管および３００Ｈｚの回転状態にあるマイクロコイル３０６ａ’の、高分解能「ＭＡＳ」スペクトルとにそれぞれ対応する。
【０１６３】
図１１ａに示されるように、サンプルが静止状態にある場合、コイル３０６ａ’の有限の長さによる磁化率の拡幅が観測される（文献[5, 22]では、磁化率の相違をマッチングしてこの効果を排除するために、通常、マイクロコイル３０６ａ’および毛細管３の周りに、フッ素性の不活性な溶液が配置される）。この効果を低減させる別の方法は、磁化率がマッチングされたワイヤーの、特別な多層金属（典型的にはロジウム−銅）の使用である[22]。
【０１６４】
図１１ｂに示されるように、マジック・アングル・スピニングは、磁化率の拡幅効果を排除する。したがって、本発明において、磁化率をマッチングするための、従来のそれら如何なるスキームも必要とされず、標準的な銅コイル、もしくは別の最適化されたコイルが使用され得る。図１１ｂは、自己共振型マイクロコイル３０６ａ’および適度な回転周波数（３００Ｈｚ）のみを使用して得られた高分解能スペクトルを示す。線幅は２．５Ｈｚ未満である。高周波振幅は３５０ｋＨｚ程度であり、周りを囲む１次コイル５によって供給されたもの（２５ｋＨｚ）に関して、非常に増強された。その結果により、信号対雑音比もまた改善される。自己共振条件を与えるマイクロコイル３６０ａ’の正確な長さは、実験的に決定された。さらに、高周波磁場の振幅が、プローブのコイル５によって供給されるものよりも１４倍も大きいことと、この実験において、ハイパワーアンプからのパワーのわずか５０Ｗが使用されたこととにも注目すべきである。
【０１６５】
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【図面の簡単な説明】
【０１６６】
【図１ａ】電場による結合を用いる発明に係るＮＭＲ装置の部分的かつ概略的な縦断面図である。
【図１ｂ】磁場による結合を用いる発明に係る別のＮＭＲ装置の部分的かつ概略的な縦断面図である。
【図１ｃ】電場による結合を用いる発明に係る図１ａのＮＭＲ装置の変形例の部分的かつ概略的な縦断面図である。
【図１ｄ−１ｅ】共に自己共振型の高感度マイクロコイルへの磁場による結合を用いる発明に係る図１ｂのＮＭＲ装置のそれぞれの概略的な変形例を示す図である。
【図１ｆ−１ｇ】複数のマイクロコイルを用いる発明の特定の実施形態を概略的に示す図であり、図１ｆは磁気結合を用いる場合を示し、図１ｇは容量結合を用いる場合を示す。
【図２ａ】電気結合を示す図１ａに係る装置の電子部品の概略図である。
【図２ｂ】磁気（誘導）結合を示す図１ｂに係る装置の電子部品の概略図である。
【図２ｃ】複同調誘導結合を示す発明に係る図２ｂの装置の変形例を示す図である。
【図３】図１ｂおよび２ｂに係る共振を同調可能な回路を含むローターの概略的な縦断面図である。
【図３ｄａｓｈ】発明に係る図３のローターの変形例である。
【図３ａ−３ｂ】発明に係る図３のローターの変形例であり、それぞれ概略的な縦断面図および横断面図である。
【図３ｃ−３ｄ】発明に係る図３のローターの別の変形例であり、それぞれ概略的な縦断面図および横断面図である。
【図４ａ】図３に係るローターの概略的な縦断面図であり、ローターの各々の端部はスペクトル分析のために２つの外部ループに供給される。
【図４ｂ】発明に係る同調共振回路の応答電圧Ｖの発展を示すグラフであり、グラフは、図４ａの構成を用いて、換算された周波数スケールでスペクトル分析器によって測定された。
【図５ａ−５ｂ】それぞれ「ＤＯＲ」プローブ設計に関するダブル・ローター構造の２つの例示的な概略的な縦断面図であり、図５ａは従来技術に関し、図５ｂは発明に係る内部の同調共振コイルに関する。
【図６】共振回路内のＲＦ磁場振幅の発展を、その共振周波数ω０の関数として、様々な高感度コイルジオメトリーに従って示す複数のプロットグラフである。
【図７】共振回路内で消失されたＲＦパワーとＮＭＲプローブのアンプによって供給されるパワーとの比率の発展を、その共振周波数ω０の関数として、様々な高感度コイルジオメトリーに従って示す複数のプロットグラフである。
【図８】化学シフトの関数としてプロットされた２つのスペクトル（ａ）および（ｂ）それぞれを用いて、高感度同調コイルにより囲まれた液体サンプルを含む毛細管の、静止動作モードにおける感度の増強を、「制御」毛細管を欠いた場合と比較して図示する。
【図９】化学シフトの関数としてプロットされた２つのスペクトル（ａ）および（ｂ）それぞれを用いて、高感度同調コイルにより囲まれた固体サンプルを含む毛細管の、回転動作モードにおける感度の増強を、「制御」毛細管を欠いた場合と比較して図示する。
【図１０ａ】図９において使用されるのと同じ同調回転高感度コイルを含む固体ＮＭＲ装置に対して適用されたパルスシーケンスである。
【図１０ｂ】この同調回転高感度コイルにより囲まれた毛細管から得られるスペクトルである。
【図１１ａ】図１ｄに係る装置の自己共振型の高感度コイルにより囲まれた毛細管の内部で得られる静的なプロトンスペクトルである。
【図１１ｂ】図１ｄに係る同じ毛細管及び装置の高分解能「ＭＡＳ」スペクトルであり、３００Ｈｚで毛細管の回転を行うことにより得られる。
【図１ａ】
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【図１ｂ】
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【図１ｃ】
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【図１ｄ−１ｅ】
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【図１ｆ−１ｇ】
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【図２ａ】
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【図２ｂ】
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【図２ｃ】
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【図３】
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【図４ａ】
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【図４ｂ】
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【図５ａ−５ｂ】
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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１０ａ】
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【図１０ｂ】
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【図１１ａ】
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【図１１ｂ】
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【図３ｄａｓｈ】
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【図３ａ−３ｂ】
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【図３ｃ−３ｄ】
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【国際調査報告】
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