(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｈ0の磁場内に挿入するためのＮＭＲプローブ内に整合し，ＮＭＲ高周波エネルギー励起および受信のためのコイル巻線を有する相互作用観測領域にサンプルを結合するように設計されたサンプルチューブであって，前記Ｈ0の磁場と共軸となるチューブ軸線を有し，開放端および閉鎖端を有し，さらに前記観測領域全体にわたって第１の直径Ｄの一様な円形断面を有する，ガラス製の薄壁で形成される伸張した構造物であるサンプルチューブにおいて，
前記チューブ内に第１および第２の容積部があり，
第１の容積部が前記相互作用観測領域の外で，前記相互作用観測領域と前記閉鎖端との間で，かつ前記閉鎖端に隣接し，
第２の容積部が前記相互作用観測領域の外で，前記相互作用観測領域と前記開放端との間であり，
前記第１および第２の容積部の形状が，前記容積部が
容積方程式＝π∫ｙ2ｄｚ
を満たす回転体で数学的に定義され，
前記第１の容積部および第２の容積部が，それぞれ，底部インサートおよび頂部インサートであり，前記底部インサートが，前記回転体を形成する第１の中空内側表面を有する円筒状ディスクであり，前記底部インサートが，前記ｚ軸線と共軸となる貫通する通路，および第２の表面を有し，
前記第２の表面が，前記サンプルチューブの前記閉鎖端の形状と整合するように凸状となり，
前記頂部インサートが，第２の中空内側表面を有する第２のディスクであり，前記第２の中空内側表面が前記回転体を形成し，
前記回転体の回転軸が前記チューブ軸線ｚであり，前記回転体を定義する容積方程式において、ｚが前記軸線にそった前記観測領域から測定した距離であり，前記チューブ軸線から前記中空内側表面への垂直距離がｙであり，ｙが前記相互作用観測領域からの距離の関数で減少する，
ことを特徴とするサンプルチューブ。
【請求項２】
ｙ＝０のとき，｜ｚ｜＞Ｄ／２である，請求項１記載のサンプルチューブ。
【請求項３】
前記チューブ軸線から前記中空内側表面への垂直距離ｙが，ａｙ2＋ｂｚ2−ｃ＝０のようにｚの実質的に対称な関数であり，ここでａ，ｂおよびｃが定数，ｂ＜ａ，ｃ2＞ａ2＋ｂ2であり，ｃ＞０である，請求項１または２記載のサンプルチューブ。
【請求項４】
底部インサートおよび頂部インサートの一対のインサートから成るサンプルシェーパーであって，
前記底部インサートが中空の内側表面を有する第１の円筒状ディスクであり，前記中空の内側表面が前記第１のディスクのより長い軸線に関する回転体として形状付けられ，前記底部インサートが選択された標準試験チューブの下方部分内に，密着するように形状付けられた外側表面を有し，前記底部インサートが前記内側表面から前記外側表面へと貫通して延びる通路を有し，該通路は底部インサートの前記より長い軸線と共軸となり，
前記頂部インサートが中空の内側表面を有する第２のディスクであり，前記中空の内側表面が前記第２のディスクのより長い軸線に関する回転体として形状付けられ，前記頂部インサートの外径が前記選択された標準試験チューブとで圧入が形成されるように同じ前記選択された標準試験チューブの直径より僅かに小さく，前記第２のディスクが前記ディスクの頂点に軸方向の開口を有し，
ここで，前記第１および第２のインサートの前記内側表面を形成する前記回転体の断面がａｙ2＋ｂｚ2−ｃ＝０により定義され，ａ，ｂおよびｃ（ｃ＞０）が定数で，ｚがディスクの軸線の方向であり，ｙがそこに垂直な半径方向の寸法である，ところのサンプルシェーパー。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、観測コイルと結合するサンプルチューブの領域を横切る磁場の均一性を改良するためのに、サンプルチューブまたはチューブのためのインサートを形状付けることでＮＭＲサンプルを形状付けることに関する。
【０００２】
【従来技術】
核磁気共鳴スペクトロスコピー（ＮＭＲ）は、１９４６年にこれが利用できるようになって以来重要な分析技術となっている。原子核が強度の高い、一定で均一な磁場中に置かれ、同時にある選択された周波数のＲＦ交番電磁場を受けると、高周波電磁場と原子核との間でエネルギーの移動が生じ、核子のフリッピング（パタンと倒れること）がおこり、瞬時に核子の緩和、すなわち核子が再度エネルギーを吸収し倒れることができるところに立ち上がることが生じる。このフリッピングは共鳴といわれている。より正確には、核子が、放射量子であるエネルギーｈｆ0（ｈはプランク定数）が近接した２つの核エネルギーレベル間のエネルギー差に正確に等しいように、周波数ｆ0の放射を受けると、エネルギー遷移が生じ、ある許される向きから他方の向きへと核子の向きが変わる。このようなＮＭＲ実験の装置は概念としては比較的単純で、固定した磁場Ｈ0を生成する大きな磁石、ＲＦ励起エネルギーを生成する電子装置（送信器）および電子受信器を含む。この発信器はサンプルのまわりに配置され、励起する励起コイルに結合され、受信器はプローブとして知られているスペクトロメーターの一部内にあるコイルに結合されている。今日のＮＭＲスペクトロメーター装置において、受信器および送信器は、送信器がオン状態のとき受信器が受信しないように、あるいはその逆も生じないように通常非常にすばやくオンとオフに切り替えられる。
【０００３】
受信器コイルが、通常溶媒に溶解し、サンプル試験チューブ内に配置されるサンプル原子と非常に密接に結合すること、および受信器コイルができるかぎり多量のサンプル材で充填されること、すなわち大きな充填因子をもつことが重要である。その理由は、受信器コイルが受信した信号の強度がコイルに結合した核子の数に関連し、各核子からの放出信号が非常に小さいからである。近年なされてきたＮＭＲスペクトロメーターの改良努力の多くは、サンプルに結合する技術を改良するためにＮＭＲのスペクトロメーター装置のプローブ部分を改良することことに費やされている。ＮＭＲの発展の初期では、ＮＭＲの最も重要なパラメータはＤＣ磁場、Ｈ0の均一性であった。事実、その均一性が最も初期の磁石よりまず改良されたとき、ＮＭＲスペクトロメーターを、高分解能スペクトロメーターにすることができることを発見した。高分解能のスペクトルとは、サンプルの分子が二次の磁場により生ずるような、共鳴ラインが観測核子の化学的環境において、ばらばらに生じる大きな共鳴シフトよりも狭いところのスペクトルである。均一性とはＤＣ磁場の質である。その目的とするところは完全な均一性を達成することで、これはサンプルの総ての原子が同じ方向および大きさをもつ磁場を受けることを意味する。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題および課題を解決するための手段】
前記したように、プローブの要素もまたサンプルを横切るＤＣ磁力線の均一性に影響を与える。プローブがいろいろな材料、形状を含むことから、各材料、形状は磁場にいろいろな影響を与え、したがって均一性に有害な影響を与える。
【０００５】
アンダーソン等の米国特許第3.091,732号の従来の特許はプローブコイルおよび接着剤を、混合した磁化率がサンプルを取り囲むエアの磁化率と整合する材料で作ることを求めるものである。他の非均一性を補正するプローブについての特許は米国特許第4,517,526号であり、これはコイル形の穴（hole）について補正するもので、米国特許第4,077,002号は、十分な量のサンプル液それ自身が観測領域を完全に満たし、溢れるようにできないときに、エッジ効果を補正することに向けられている。米国特許第4,549,136号は、磁化率がサンプルチューブ溶媒と等しいサンプルチューブに付加されるべき材料のプラグを使用することを教示している。
【０００６】
ここ数年の間、サンプルを保存するために長く、小径の円筒状のサンプルチューブを使用することが標準となっている。非常に小さなサンプル容積のみが利用可能であるとき、あるいはサンプルが非常に高価であるとき、このようなアプローチでさえ問題が多く、サンプルを薄めることが必要となり、結果として信号を減少させることになる。このような場合、サンプルがサンプル空間を溢れるほど満たすことができないとき、エッジ（端部）効果を避けるためにサンプルプラグが利用された。
【０００７】
従来は、球形容積のサンプル空間を形成するサンプルチューブ内にナイロンプラグを導入することが知られていた。球形のガラスバルブ（bulb)もまた知られている。球形の容積の充填因子は良くなく、これはガラスの球の不完全さ、ガラスバルブに接着される軸部のサンプルにより生ずる乱れからくる。
【０００８】
本発明の目的は、減少したサンプル容積を改良したサンプル形状にすることで、ＮＭＲサンプルプローブについて磁場均一性を改良し、充填因子を改良することである。
【０００９】
本発明の特徴は、観測領域の外側のサンプルチューブの直径を回転立体のように画成された形状に従った直径に減少させることである。
【００１０】
他の特徴は、観測領域の両側の対称形状をもつサンプルチューブの領域が、従来のサンプルチューブにおける場合と同じ容積のサンプル液に対し前記観測領域からさらに実質的に伸長することである。
【００１１】
さらに、他の特徴は、適宜形状付けられたプラグインサートがサンプルを所望の形状にするために、標準サンプルチューブ内に挿入できることである。
【００１２】
ＮＭＲスペクトロメーターの基本的特徴のブロック図が図１に示されている。電磁石は、プローブ１の空間を横切る均一な磁場Ｈ0を形成するポール７および８を有する。プローブ１はサンプルチューブ１１の両側に位置する受信器／送信器サドルコイル２（図２Ａ）から成る。サンプルチューブ１１はそのサンプルチューブ内の，サンプルの核子を励起するためのもので、サンプルがプローブ１内に吊下され、観測領域として知られている（図２および図３）領域１０の中心にサンプルが位置するように配置される。
【００１３】
受信器および信号処理器（モジュール）１２がプローブワイヤ１６に接続され、ディスプレー１４が電子モジュール１２に接続され、レコーダー、プリンターおよび他のディスプレー装置を含む場合がある。スピナー３０が磁場の不均一性の効果を相殺するためにエア源３１により付勢される。
【００１４】
従来技術では、サンプル内のスピニング液により形成されるメニスカス５（図２ａ）により端効果の不均一性が生じる。サンプルの利用可能な量に制限がある場合において、サンプルが位置１８から位置１８′へと上昇することで、チューブ内で最も少ない量を利用するけれども、観測領域１０がサンプルで満たされ得ることは明らかである。この位置で、エアからガラスへと変化することにより引き起こされる磁化率の変化がサンプル材に突然に導入されることで観測領域の底部に近い材料がその均一性に影響を及ぼす。
【００１５】
形状および材料が測定領域の頂部および底部で対称であることも明らかである。ガラス製シリンダーは２５に近くの頂部で開放されて続き、そこには液体がない。一方、ガラス製シリンダーは底部で急激に狭まり終了している。
【００１６】
これらの乱れを最小化するために、可能な限り、操作者は観測領域から磁化率境界面を離し、サンプルチューブを溢れるように一杯にする。この操作は、２〜３度行い、多くのサンプルとする必要があり、迷走ＲＦ電磁場によるサンプルの刺激により人工的なものを導入することになる。
【００１７】
図２Ｂは、本発明にしたがったサンプルチューブの実施例を示す。ここで、サンプルチューブはｚ軸線２８に関して対称で、かつ中間面２７に関して実質的に対称の容積内にサンプルを完全に含むように形状付けられる。従来技術のように磁化率の不連続性を呈する液体カラムの、いきなり端部となるものが、その不連続性を最小化するためサンプルチューブにより形状付けられる。その端部は徐々に変化する回転体、すなわち円錐となるように形状付けられる。この構造は、従来の場合よりも、その同じ全サンプル容積に対する観測相互作用領域からさらにサンプル溶液を中央線にそって伸長する。本発明のチューブの形状を徐々に変化させることにより、より高次の勾配が減少する。観測相互作用領域において、サンプルチューブの直径２４は可能なかぎり広くなり、最大の充填因子が得られる。相互作用領域１０の外側の適宜選択された位置２２および２３で、サンプルチューブは、円筒状の形状から円錐状の形状に変化する。２１のところの円錐部の頂部は完全に閉じておらず、サンプルを挿入するための非常に小さな穴の管に至っている。  図３Ａは、標準的に利用可能なWilmad５２８サンプルチューブに対する寸法を示す。これは、チューブの閉端が観測領域の底面から０．２４０インチ（０．６１ｃｍ）であるとき、３９２ｍｍ3のサンプルがバリアン社のＮＭＲプローブの観測領域を０.２４インチ（０.６１ｃｍ）だけ越えて伸長していることを示している。観測相互作用領域はこのプローブに対して０.６２９インチ（１．６ｃｍ）と指定される。
【００１８】
図３Ｂは、円錐端の設計、たとえば３９２ｍｍ3のサンプルが、充填因子にいかなる犠牲を与えることなく、相互作用領域に両側に０.４６０インチ（１.１４ｃｍ）伸びることを示している。各円錐領域の容積Ｖcrは５ｍｍ3である。図３Ｃに示すように、チューブの両端部を長半径が０.３６１８インチ（０．９１９ｃｍ）、短半径が０．０８２７５インチ（０．２１０２ｃｍ）の楕円形に形状付けすることにより同じ利点が得られる。楕円形の各端部の容積Ｖeは８５ｍｍ3で、流体がこの実施例において、観測流体の両側に０．３６２インチ（０．９１９ｃｍ）伸びる。この楕円形状は、一様な磁場を歪めることがなく、もし取り囲む磁場が一様であると、楕円形の空洞内の磁場も一様となるという付加的な利点を有する。
【００１９】
所期の目的は回転体のように形成されたサンプルチューブの両端に対して
Ｖ＝π∫ｙ2ｄｚ
となるように形状付けることにより達成される。ここでｙ＝ｆ(ｚ)で、ｚは前記軸線にそって前記観測相互作用領域から測定した距離であり、ｙは軸線から形状付けられた端部分の表面までの距離（ｚの関数）である。ｙは、好適にｙ＝ｆ(ｚ)＝０のとき、|ｚ|≧Ｄ／２となるように選択される。ここで、Ｄは観測領域内のサンプルチューブの直径である。
【００２０】
チューブの端部分が球形に形状付けられるとき、最小量のサンプル容積が要求されるが、磁化率の不連続性が他のいかなる回転体形に対するよりも観測領域のエッジの近傍で生じる。十分な量のサンプルが存在すると、よりよい結果が、ほとんど磁化率が不連続となる領域を観測領域から十分な距離のところへと伸長する端部の形状の１つでもって得られる。
【００２１】
図３Ｂおよび図３Ｃの実施例に関して説明したように、全く新規なサンプルチューブをガラスから作ることなく本発明の目的を達成できることが分かった。特に、図５に示すように、高充填因子を維持し、サンプル端の近くで一様な磁場勾配を減少させる目的を達成するために、テフロン製の頂部サンプル形状付けインサート５０およびテフロン製の底部サンプル形状付けインサート５５が形成された。内表面５２および５７をｚ軸線５９に関して回転表面のように形成することにより、上記効果が得られる。
【００２２】
操作に際し、底部インサートがまず、試験チューブ１１′内に挿入される。インサート５５は頂点に穴６０を有する。挿入したときは、穴６０は試験チューブ１１′の底５８に対してぴったりと押し付けられる。次に、ある量のサンプル流体は、観測領域５４を十分に満たすようにサンプルチューブ内に導入される。最後に、頂部インサート５０が試験チューブ１１′に押し付けられ、サンプルがインサートの頂点の穴５３から溢れるまでサンプル流体内に押し付けられる。インサート５０が観測相互作用領域５４内で動くことがないことを注意する。インサート５０が配置されたとき、試験チューブのサイドをテーパー付けすることにより、開口５３′の近くの領域に形成されるであろう空気の泡が穴を通って放出されるべきである。泡が開口５３′に近くに存在するならば、試験チューブを逆さにすることで、泡を移動させ、さらなる撹拌により表面張力が破れ、泡が放出される。円錐がそうであるように相互作用領域から離れるように楕円がサンプル端５８を伸長しなくとも、頂部および底部インサートの両方の内表面の形状は楕円が好適である。テフロンの磁化率は水の磁化率とよく整合し、楕円は磁場を歪めないという付加的利点をもつ。インサートは、形状付けられた端部をもつガラス製チューブ全体にわたって、それら端部が形状付けられたチューブの場合よりも磁化率の不連続な領域を観測領域から遠ざけるという利点をもつ。
【００２３】
図６はインサート５０の断面図である。ディスクの内側部分は中空で、曲面５２の頂点に小さな開口５３′を有する軸線６３に関して回転体となるように形状付けられている。頂部インサート５０の上端にある穴５３はそのインサートを配置するための道具を挿入できるように螺刻（６４）されている。
【００２４】
図７は底部インサート５５の断面図である。ディスクの内側部分は中空で、側壁の形状７１は曲面７１の頂点に小さな穴６０を有する軸線６３に関して回転体となるように形状付けられている。穴６０はそのインサートを配置するための道具を挿入できるように螺刻（６４）されている。
【００２５】
【効果】
図４Ａは、図６および図７のサンプルチューブインサートを使って、９０％のＨ2Ｏ中のＤＮＡプロテイン片から得られたスペルトルを示し、本発明のサンプルチューブインサートを使用するサンプル材および条件に対して得られた改良された一様性を示す。
【００２６】
図４Ａのスペルトルは平坦な磁化率の端部プラグを使用する直径５ｍｍのサンプルチューブから得られた。
【００２７】
図４Ｂのスペルトルは、図５の楕円形のインサートにより得られた。両サンプルとも水から導出される中央プロトンライン（最も優勢なライン）を減ずるために同じ前飽和磁場値をもち、および同じ容積となっている。主要な水のラインの近くのラインは明瞭により分解されている。
【００２８】
本発明の内容、範囲内で上記装置をいろいろ変化させることができることは明らかである。本記載および図面は本発明の２つの実施例を示すが、特許請求の範囲を限定するものではない。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来のＮＭＲＡサンプルチューブおよびシステムのブロック図である。
【図２】図２Ａはサドル送信／受信コイルの三次元図であり、図２Ｂは本発明のサンプルチューブの好適的実施例およびサドルコイルの断面図である。
【図３】図３Ａ、図３Ｂおよび図３Ｃは、それぞれ従来の微小穴サンプルチューブの断面図、本発明の円錐形端部形状の実施例の断面図、および楕円端部形状の実施例の断面図である。
【図４】図４Ａおよび図４Ｂは、それぞれ従来のチューブ内、および本発明にしたがったインサートを有するサンプルチューブ内に含まれるＨ2Ｏ内にあるＤＮＡプロテイン片のサンプルから得られたＮＭＲスペクトルである。
【図５】端部領域を整形するための、サンプルの上下にインサートを有する標準サンプルチューブの断面図である。
【図６】図５のインサートの頂部の断面図である。
【図７】図５のインサートの底部の断面図である。
【符号の説明】
１１′  試験チューブ
５０    頂部インサート
５２    内表面（曲面）
５３    穴
５３′  開口
５４    観測領域
５５    底部インサート
５７    内表面（曲面）
５８    端部
５９    軸線
６０    穴
７１    内表面（曲面）
【図１】
0003749550.tif 000002
【図２】
0003749550.tif 000003
【図３】
0003749550.tif 000004
【図４】
0003749550.tif 000005
【図５】
0003749550.tif 000006
【図６】
0003749550.tif 000007
【図７】
0003749550.tif 000008