DE10130283C1

DE10130283C1 - NMR-Probenhalter und zugehörige Betriebsverfahren

Info

Publication number: DE10130283C1
Application number: DE10130283A
Authority: DE
Inventors: Martin Hofmann; Ernst Ulrich Braumann
Original assignee: Bruker Biospin GmbH
Current assignee: Bruker Biospin GmbH
Priority date: 2001-06-26
Filing date: 2001-06-26
Publication date: 2003-03-13
Anticipated expiration: 2021-06-27
Also published as: US20020196023A1; GB2381316B; GB2381316A; US6741079B2; GB0214530D0

Abstract

Die Erfindung betrifft einen NMR-Probenhalter für NMR-Proben mit einem kurzen Probenröhrchen konstanten Durchmessers, das mit einem beweglichen Stempel und einem Rotor weitgehend gasdicht geklemmt wird. Dadurch erhöht sich die Flexibilität gegenüber herkömmlichen Probenhaltern, es verringert sich das Dampfvolumen über der Probenflüssigkeit im Probenröhrchen und Abweichungen von der exakten Orientierung werden vermieden. Die Erfindung betrifft des weiteren das einfache und sichere Wechseln der Probenröhrchen, wodurch der Verlust durch Bruch drastisch minimiert wird.

Description

Die Erfindung betrifft einen Probenhalter zur Verwendung in einem NMR- Spektrometer für flüssige Mikroproben mit einem rotationssymmetrischen Rotor mit einer zentralen Bohrung zur Aufnahme, Zentrierung und Halterung eines hohlzylindrischen Probenröhrchens aus Glas oder Quarz mit einem geschlos senen und einem offenen, aber zeitweilig verschließbaren Ende, das im Be reich seines geschlossenen Endes einen Außendurchmesser von weniger oder gleich 5 mm aufweist, sowie ein Verfahren zum Befüllen eines derartigen Pro benhalters.

Ein solcher Probenhalter für Mikroproben, d. h. flüssige Proben im Bereich von unter einem Mikroliter bis maximal einigen Millilitern, ist bekannt als Zubehör zu den NMR-Spektrometern der Anmelderin bzw. aus der US-Patentschrift 5,517,856. Der bekannte Probenhalter verwendet als Probenröhrchen ein Glas röhrchen mit etwa 1,0 mm bis 2,5 mm Außendurchmesser, das auf eine Länge von etwa 100 mm gezogen wurde. In dieses Röhrchen wird i. A. mit einer Pipet te oder Injektionsnadel eine flüssige Mikroprobe eingefüllt.

Das befüllte Röhrchen wird danach in die zentrale Bohrung einer Hohlschraube mit Klemm- und Dichtfläche geschoben, deren Innendurchmesser etwas größer ist als der Außendurchmesser des Röhrchens, wodurch das Röhrchen zentriert wird. Für die verschiedenen Röhrchendurchmesser werden verschieden Schrauben, welche zwar die identische Außenmaße haben aber jeweils pas sende Hohlbohrungen aufweisen, bereitgestellt. Mittels der Schraube wird das Röhrchen nun in einem 10 mm Kolben fixiert und gleichzeitig abgedichtet. Das so fixierte Probenröhrchen wird daraufhin mitsamt dem 10 mm Kolben in einen sogenannten NMR-Rotor eingeführt, der seinerseits eine koaxiale Bohrung von 10 mm aufweist. Der Rotor besteht i. A. im Wesentlichen aus zwei koaxialen Zy lindern mit gemeinsamer zentraler Bohrung aber unterschiedliche Außen durchmessern, die durch einen konischen Abschnitt verbunden sind. Der Rotor wird mit dem Probenröhrchen vertikal von oben gegen einen Gasstrom in die Raumtemperaturbohrung des Kryostaten des supraleitenden Magneten des NMR-Spektrometer abgesenkt, so daß der konische Teil des Rotors auf einem entsprechenden Teil eines im Probenkopf des Spektrometers angeordneten Stators entweder aufliegt oder durch einen Gasstrom unmittelbar über diesem auf einem Gaspolster um seine Achse, die jetzt mit der Magnetachse überein stimmt, rotiert. In dieser Position des Rotors befindet sich der gefüllte Teil des Probenröhrchens gerade im zentralen Bereich der Magnetspule und ist nahezu unmittelbar von einer Hochfrequenzspule zum Anregen und Detektieren von NMR-Signalen aus der Probe umgeben. Die Probe selbst soll dabei möglichst eine langgestreckte Zylinderform haben, wobei ihre Enden über den Empfind lichkeitsbereich der HF-Spule an beiden Enden hinausragen, damit die Probe nicht durch ihre Eigensuszeptibilität die Homogenität des Magnetfelds übermä ßig stört. Andererseits soll sie das Empfindlichkeitsvolumen der HF-Spule mög lichst ausfüllen, um das Signal-zu-Rausch-Verhältnis hoch zu halten. Für Mik roproben hat man daher bisher die obengenannten Probenhalter verwendet oder 5 mm Röhrchen mit einem auf 2,5 mm verjüngten Ende, die von einem Standardprobenhalter mit einem Röhrchen ohne Verjüngung abgeleitet sind. Wie dieser können sie im automatischen oder halbautomatischen Spektrome terbetrieb verwendet werden, d. h. mit automatischem Probenwechsler, Robo tergreifarm und Absenken und Auswurf über rechnergesteuerten Gasstrom. Selbstverständlich müssen die im Probenhalter verwendeten Materialien ge wisse Kriterien erfüllen, die für den NMR-Spektrometerbetrieb unerläßlich sind. Sie sollen eine möglichst geringe magnetische Suszeptibilität haben, um die Feldhomogenität im Meßvolumen nicht zu stören, geringe elektrische Leitfähig keit haben, bzw. wenig dielektrische HF-Verluste erzeugen und sie müssen je nach untersuchter Kernart frei von Verbindungen sein, die NMR-Störsignale erzeugen könnten, d. h. i. A. frei von Protonen und C¹³. Oft verwendete Materia lien sind Glas, Quarz und Teflon®. Auf 2,5 mm Dicke ausgezogene Proben röhrchen der o. g. Art sind beispielsweise im Catalog No. 851 (1985), Seite 28, der Wilmad Glas Company Inc., New Jersey, USA beschrieben und werden unter der Bezeichnung 520-1 vertrieben.

Der Anmelderin ist weiter bekannt geworden, daß für Mikroproben auch schon Probenröhrchen aus Glas mit einheitlichem geringem Querschnitt verwendet worden sind, deren Öffnung nach Einfüllen der Probe zugeschmolzen wurde. Diese Röhrchen Wurden danach von Hand in den Probenkopf eines NMR- Spektrometers eingebaut und nach der Messung von Hand wieder ausgebaut. Ein automatischer oder auch nur einigermaßen bedienerfreundlicher Proben wechsel war nicht möglich.

Aus der Druckschrift Patents Abstracts of Japan, Sect. E, Vol. 3 (1979) No. 96 (E-130) ist ein Probenhalter für ein NMR-Spektrometer bekannt, mit einem Pro benröhrchen konstanten Durchmessers, das in die zentrale Bohrung eines Ro tors eingeschoben und mittels eines auf sein offenes Ende aufgepreßten Druckkörpers fixiert wird. Mittels eines Führungskörpers wird das untere Ende eines verbogenen Probenröhrchens, in dem sich die Probe befindet auf die Achse gebracht und durch Anziehen eines Spannfutters und Anpressen des Druckkörpers so fixiert, daß es auch nach Entfernen des Führungskörpers dort bleibt. Dadurch soll erreicht werden, daß sich die Meßprobe auch bei verboge nen Probenröhrchen während der Messung nicht außerhalb des Meßvolumens des NMR-Spektrometers befindet.

Es ist der Anmelderin weiterhin bekannt, daß es außerhalb des Gebiets der analytischen Spektrometer Anwendungen von Techniken gibt, wie das Klem men von runden Werkstoffen, etwa in der Schwermaschinenindustrie, z. B. bei den Klemmbacken von Drehbänken oder in anderen Benutzungsfeldern, wie z. B. bei der Fixierung von Bleistiftminen in Schreibutensilien.

Der eingangs genannte Probenhalter für Mikroproben weist noch einige Mängel auf, die teilweise bereits oben angesprochen wurden. Durch die Verwendung einer Schraube für die Zentrierung des Probenröhrchen wird zwangsweise die koaxiale Asymmetrie des Gewindes auf das Probenröhrchen übertragen. Durch eine Optimierung der Fertigung wurde zwar dieser Mangel minimiert, ist aber noch in geringen Maßen vorhanden. Die Zentrierung ist grundsätzlich schlech ter als bei einer zentralen paßgenauen Bohrung. In vielen Fällen war das Spin nen, das heißt ein Rotieren bei hoher Geschwindigkeit, um die Homogenität zu verbessern, nicht möglich. Zeitaufwendiges Shimmen, um über den Meßbe reich wieder ein ausreichend homogenes Feld zu gewährleisten, ist dadurch unerläßlich. Die Handhabung des Zusammenbaus und das Wechseln des Pro benröhrchen erweist sich als schwierig, da dafür jedesmal der gesamte Kolben mit dem montierten Probenröhrchen aus dem Spinner entnommen werden muß. Durch die Dünnwandigkeit der verwendeten Röhrchen ist eine große Gefahr des Zerbrechen gegeben. Zieht man eine automatische Befüllung der Probenröhrchen in Betracht, ist die Verwendung kürzerer Röhrchen als die momentan für Röhrchen mit mehr als 2.5 mm Innendurchmesser üblichen 220 mm von Vorteil. Ein Röhrchen von 100 mm läßt sich einfacher und blasenfreier befüllen, als eines mit 220 mm, speziell bei den geringen Innendurchmessern, wie sie für die Mikro- bzw. Milliliterröhrchen benutzt werden. Auch die Gefahr, daß im verengten Bereich die Wanddicke nicht konstant ist, wächst mit der Länge. Alle diese Fehler wirken sich unmittelbar und sehr oft fatal auf die Feld homogenität und damit das Auflösungsvermögen des Spektrometers aus.

Es besteht daher der Bedarf nach einem NMR-Probenhalter der eingangs ge nannten Art, der automatischen Spektrometerbetrieb gestattet, der zu einer einfacheren und damit sichereren und verbesserten Handhabung führt, der we niger anfällig für Zentrierungsfehler ist und in dem z. B. im Vergleich zu den bis herigen 5 mm Probenröhrchen weniger flüssige Probe verdunsten kann, sowie nach einem Verfahren zum Befüllen, Lösen bzw. Fixieren des Probenröhrchens eines derartigen Probenhalters, bei dem Probenflüssigkeitsverluste weitgehend vermieden werden.

Bezüglich des Probenhalters wird die Aufgabe gelöst durch einen NMR- Probenhalter zur Verwendung in einem NMR-Spektrometer für flüssige Mikro proben mit folgenden Komponenten: 1) ein rotationssymmetrischer Rotor mit einer zentralen Bohrung; 2) ein im Wesentlichen zylinderförmiger Stempel mit einem dickeren und einem dünneren Bereich, der von einer Seite in die zent rale Bohrung des Rotors eingeschoben und mit diesem verbunden ist oder werden kann, wobei der Stempel an seinem eingeschobenen Ende eine Befes tigungseinrichtung aufweist; 3) ein hohlzylindrisches Probenröhrchen aus Glas oder Quarz mit einem geschlossenen und einem offenen Ende, das über seine ganze Länge einen konstanten Außendurchmesser von weniger als 11 mm aufweist; 4) eine Klemme, deren zylindrischer Teil in die Zentralbohrung des Rotors oder in die Zentralbohrung der Stempelführung paßt, mit einer zentralen Sackbohrung, die etwas größer als der Außendurchmesser des Probenröhr chens ist, so daß das Probenröhrchen durch die Innenbohrung der Sackboh rung der Klemme eingeschoben werden und den Außenkonus mit gespreizten Finger der Klemme mit dem Innenkonus geklemmt werden kann, wodurch das Probenröhrchen zentriert ist und dabei in dieser Position sicher gehalten wird; 5) eine in der Klemme eingebauten Dichtung, die nach dem Einfügen des Pro benröhrchens gasdicht abdichtet.

Die Aufgabe wird dadurch vollkommen gelöst.

Das Probenröhrchen ist wesentlich einfacher zu fertigen. Die Toleranzen der Wanddicke und Abweichung von der axialen Ausrichtung sind entscheidend geringer als bei einem Röhrchen mit mehr als der doppelten Länge. Das Innen volumen des Röhrchens verglichen mit den übliche Röhrchen < 2,5 mm ist deutlich kleiner, was den Gasraum über der flüssigen Probe verkleinert, so daß weniger Probe verdunstet. An den kleineren Innenwandoberflächen kann beim Einfüllen weniger Probenflüssigkeit adsorbiert werden. Durch die Verwendung eines Stempels kann die Länge des Röhrchens geringer sein, was das Einfül len mittels einer handelsüblichen Injektionsnadel ermöglicht, die nahezu bis an das geschlossene Ende reicht. Auch die Befüllung mittels eines automatischen Roboters wird wesentlich erleichtert. Durch das Einschieben in die Sackboh rung einer an dem Stempel befestigten Klemme ist das Röhrchen zentriert. Da die Einschubtiefe des Stempels in Grenzen variabel ist, bleibt es axial justier bar. Die Abdichtprobleme sind durch eine eingesetzte Dichtung im Stem pelende gelöst. Der ganze Probenhalter läßt sich nach dem Klemmen sicher am Stempel oder Rotor greifen. Er ist ohne jede weitere Modifikation in NMR- Spektrometer anstelle der Standardprobenhalter für Normalproben zu verwen den, auch im vollautomatischen Betrieb. Durch die geeignete Wahl der aus tauschbaren Klemme können Proberöhrchen von 5 mm bis < 1 mm mit ein und demselben Grundaufbau benutzt werden. Es ist auch denkbar das gleiche Prinzip auf Röhrchendurchmesser < 5 mm anzuwenden.

In einer Ausführungsform der Erfindung sind Rotor und Stempelführung einstü ckig, verklebt oder anderweitig fest aneinandergefügt, wodurch die zentrale Bohrung des Rotors zu einer Bohrung wird, die in die Absatzbohrung des Ro tors übergeht. Am unteren Ende des Rotor wird eine geeignete Erweiterung gefertigt, welche die Klemme aufnimmt.

Diese Ausführungsform verzichtet auf die axiale Feinjustierung des Proben röhrchens, stellt aber eine einfache Variante dar, die in den Rahmen der Erfin dung fällt.

In einer Ausführungsform der Erfindung ist die Klemme austauschbar, insbe sondere weist die Klemme mehrere Zungen auf und hat im geschlossenen Zu stand axial eine Bohrung, welche geringfügig kleiner ist als das zu greifende Probenröhrchen.

Dies hat den Vorteil, daß nur ein Bauteil pro Röhrchendurchmesser benötigt wird und daß alle anderen Teile, unabhängig von den verwendeten NMR Pro benröhrchen baugleich bleiben.

In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung hat die Dichtung die Form eines kleinen Zylinders, welche an das Ende der Zentrierungsbohrung gepreßt wird. Diese Dichtung sollte aus einem relativ weichen, aber chemisch inerten und lösemittelresistenten Material, vorzugsweise Kalrez® oder Teflon® sein.

In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist der zentrale Teil des Stempels ein Gewinde auf, das mit dem Gegengewinde der Klemme ver schraubt werden kann.

Auf diese Weise kann der Stempel mit dem Probenröhrchen verbunden und als gemeinsames Teil in den Rotor eingesetzt werden. Stempel und Probenröhr chen können damit wie ein übliches Probenröhrchen mit großem Durchmesser gehandhabt werden. Normalerweise wird dann ein Rotor mit etwas größerer Bohrung, z. B. 10 mm verwendet, den es als Standardzubehör gibt.

In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist der Rotor zwei im Wesentlichen zylinderförmige axiale Bereiche mit unterschiedlichen Außen durchmessern auf, die über einen konischen Bereich verbunden sind, wobei der Stempel auf der Seite des größeren Außendurchmessers eingeschoben ist.

Dies hat den Vorteil, daß der konische Bereich im Innern des NMR- Probenkopfes auf einem entsprechend geformten Stator aufliegen, bzw. mit geringem Abstand über diesem gasgetrieben rotieren kann. Derart geformte Rotoren werden in den Spektrometern der Anmelderin standardmäßig verwen det.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist die zent rale Bohrung der Stempelführung an ihrem dem Stempel zugewandten Ende eine konische Erweiterung in der die Klemme im hochgezogenen Zustand das Probenröhrchen festhält.

Dies hat den Vorteil, daß die Proben sicher gehalten wird und daß das Proben röhrchen in einer vorgebbaren, definierten Position axial fixiert wird.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist der äußere Stempel eine Hohlbohrung, in die der innere Stempel paßgenau geführt wird, sowie eine konische Erweiterung auf, in der die an einem Stempel befestigte Klemme mittels einer unmagnetischen Feder hochgezogenen wird und dadurch das Probenröhrchen festhält.

Dies hat den Vorteil, daß das Proberöhrchen ohne Ausbau des Einsatzes, nur durch Druck auf das Stempelende, ein- und ausgebaut werden kann.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist der zent rale Stempel eine begrenzte Beweglichkeit auf, die durch einfachen Druck er laubt, die Klemme zu öffnen und damit das Probenröhrchen für den Wechsel freizugeben oder aufzunehmen.

Dies hat den Vorteil, daß der Wechsel sicherer wird und daß das Wechseln von Probenröhrchen in einer Einhandbedienung ausgeführt werden kann.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung hat das Proben röhrchen eine axiale Länge zwischen 80 mm und 120 mm.

Dies hat den Vorteil, daß es mit einer Injektionsnadel gut befüllt werden kann und einen hinreichenden Abstand zwischen HF-Spule und Rotor bzw. Stempel garantiert, so daß magnetische Störungen durch diese Komponenten gering bleiben. Des Weiteren kommen kürzere Probenröhrchen einem automatischen Befüllungsverfahren entgegen.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung hat der Stempel eine Gesamtlänge zwischen 70 mm und 110 mm.

Dies hat den Vorteil, daß er manuell und automatisch gut handhabbar ist.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung hat der Stempel in seinem der konischen Öffnung abgewandten Bereich einen Durchmesser zwischen 6 mm und 10 mm, vorzugsweise 8 mm.

Dies hat den Vorteil, daß er manuell und automatisch gut handhabbar ist und den Standardmaßen üblicher Probenröhrchen entspricht.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung haben die bei den zylindrischen Bereiche des Rotors Außendurchmesser von etwa 25 mm bzw. 17 mm.

Dies entspricht den Standardaußenmaßen üblicher Rotoren.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung hat das Proben röhrchen einen Innendurchmesser von etwa 0.5-4 mm.

Dies führt für eine übliche Mikroprobenmenge von 5-400 µl auf eine Füllhöhe von etwa 20 mm, was ausreicht, um den axialen Empfindlichkeitsbereich der HF-Spule an beiden Enden soweit zu überschreiten, daß Störungen durch die Eigensuszeptibilität der Probe unkritisch werden.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung werden Klem men mit einer Sackbohrung mit definierten Innendurchmesser in einem Bereich von etwa 1-5 mm ID eingesetzt.

Dies führt dazu, daß alle handelsübliche NMR-Röhrchendurchmesser mit dem selben Aufbau benutzt werden können und daß dabei nur die Klemme selbst angepaßt werden muß.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind Rotor, Stempel, Dichtung und/oder Klemme aus protonenarmem Kunststoff, vorzugs weise aus Teflon®. oder KEL-F®.

Dies hat den Vorteil, daß die NMR-Messung wenig gestört wird.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung hat die zentrale Bohrung des Rotors durchgängig einen Durchmesser von etwa 10 mm.

Solche Rotoren sind zur Aufnahme von Probenröhrchen großen Durchmessers standardmäßig erhältlich.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind mehrere Klemmen mit unterschiedlichen Innenbohrungen und den gleichen definierten konischen Außenmaßen vorgesehen.

Dies hat den Vorteil, daß Stempel und Rotor für eine Vielzahl von Mikroproben röhrchen unterschiedlicher Dicke verwendet werden können. Da das Äußere Design, auch bei verschiedenen Innenbohrungsdurchmesser immer das glei che ist, kann man unterschiedlichen Klemmen in das gleiche Grundsystem ein bauen und erhält dadurch einen größeren Einsatzbereich.

Bezüglich des Verfahrens zum Befüllen eines der o. g. NMR-Probenhalter für flüssige Mikroproben wird die Aufgabe, abhängig von der konkreten Ausfüh rungsform des NMR-Probenhalters, jeweils durch eines der beiden folgenden Verfahren gelöst mit den folgenden Verfahrensschritten:

1. eine flüssige Mikroprobe wird bis zu einer vorgegebenen Füllhöhe in das Probenröhrchen eingefüllt;
2. die Klemme mit eingelegter Dichtung wird über das Probenröhr chen geschoben;
3. der Stempel wird von oben mit der zentralen Bohrung des Rotors verbunden;
4. das Probenröhrchen wird von unten in die Sackbohrung der Klemme bis zu einer vorgegebenen Position eingeschoben
5. und das Gewinde der Klemme wird von unten mit dem Gegenge winde des beweglichen Stempels in dem Rotor oder der Stempel führung verschraubt;

oder

1. eine flüssige Mikroprobe wird bis zu einer vorgegebenen Füllhöhe in das Probenröhrchen eingefüllt;
2. die Klemme wird mit eingepaßter Dichtung über das Probenröhr chen geschoben;
3. das Probenröhrchen wird von unten in die Sackbohrung der Klemme bis zum Anschlag eingeschoben
4. und die Stempelführung mit montiertem Stempel wird von oben in die zentrale Rotorbohrung eingeschoben und ist mittels einer Jus tierschraube axial einstellbar.

Bezüglich des Verfahrens zum Lösen einiger Ausführungsformen der o. g. NMR-Probenhalter für flüssige Mikroproben wird die Aufgabe dadurch gelöst daß durch Druck auf das obere Stempelende die Spiralfeder gestaucht und die fest montierte Klemme aus dem Konus geschoben wird und dadurch ihre Klemmeigenschaften verliert.

Bezüglich des Verfahrens zum Fixieren des Probenröhrchen einiger Ausfüh rungsformen der o. g. NMR-Probenhalter für flüssige Mikroproben wird die Auf gabe dadurch gelöst, daß durch nachlassenden Druck auf dem obere Stempe lende eine Spiralfeder entspannt wird und die fest montierte Klemme in den Konus gezogen wird und dadurch ihre Klemmeigenschaften gewinnt.

Die Aufgabe wird dadurch jeweils vollständig gelöst.

Mit den Verfahren können sehr kleine Probenmengen sicher abgefüllt, gasdicht verschlossen und Probenröhrchen, Stempeleinheit und Rotor einfach zu einem Probenhalter zusammengesetzt werden, der wie ein Standardprobenhalter für größere Flüssigkeitsproben handhabbar ist, insbesondere auch im vollautoma tischen Spektrometerbetrieb. In vorteilhaften Weiterbildungen des Verfahrens läßt sich der über die Klemme mit dem Probenröhrchen verschraubte Stempel mit Stempelführung behandeln wie ein einfaches Probenröhrchen großen Durchmessers, wobei ein unmodifizierter Rotor eingesetzt werden kann.

Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der bei gefügten 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 erwähnten Ausführungsformen sind nicht als abschließende Aufzählung zu verstehen, sondern haben vielmehr beispielhaften Charakter.

Die Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird anhand konkreter Aus führungsbeispiele näher beschrieben und erläutert. Es zeigen:

Fig. 1a Gesamtansicht eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsge mäßen Probenhalters mit geklemmten Probenröhrchen;

Fig. 1b Gesamtansicht des Ausführungsbeispiels der Fig. 1a mit gelösten Probenröhrchen;

Fig. 1c Detailansicht der Komponenten des Ausführungsbeispiels von Fig. 1a, 1b;

Fig. 2a Gesamtansicht eines weiteren Ausführungsbeispiels eines erfin dungsgemäßen Probenhalters mit geklemmten Probenröhrchen;

Fig. 2b Gesamtansicht des Ausführungsbeispiels der Fig. 2a mit gelösten Probenröhrchen;

Fig. 2c Detailansicht der Komponenten des Ausführungsbeispiels von Fig. 2a, 2b;

Fig. 3a Detailansicht von Stempel und Klemme eines Ausführungsbei spiels;

Fig. 3b Detailansicht von Stempel und Klemme eines bevorzugten Aus führungsbeispiels;

Fig. 4a Detail und Gesamtansicht eines Mikroprobenröhrchenhalters nach dem Stand der Technik;

Fig. 4b Gesamtansicht eines Standardprobenhalters mit verjüngtem Pro benröhrchen nach dem Stand der Technik.

Im Einzelnen zeigen die Fig. 1a und 1b ein Ausführungsbeispiel eines erfin dungsgemäßen NMR-Probenhalters 1 für NMR-Proben im zusammengebauten Zustand. Fig. 1a zeigt das NMR Röhrchen im geklemmten Zustand. Bei Fig. 1b kann das Röhrchen entweder eingefügt oder wieder entnommen werden. In Fig. 1c werden die Einzelkomponenten des Ausführungsbeispiels im Detail ge zeigt.

Ein um eine Achse 10 rotationssymmetrischer Rotor 2 weist eine zentrale Boh rung 2e vom Durchmesser 5 mm auf, die jeweils an ihren Enden eine Erweite rung 2f, 2g besitzt. Der Rotor 2 besteht aus einem 10 mm langen Bereich 2a mit einem großen Außendurchmesser 26 mm, der in einen 5 mm langen koni schen Bereich 2b übergeht und dann in einen 27 mm langen, wieder zylindri schen Bereich 2c mit kleinerem Außendurchmesser 17 mm, der an seinem En de auf 3 mm Länge noch eine konische Abschrägung 2d aufweist. Im Betrieb stimmt die vertikale Achse 10 des Rotors mit der ebenfalls vertikalen Symmet rieachse der Raumtemperaturbohrung des Kryostaten des NMR-Spektrometers überein, die ihrerseits identisch ist mit der Symmetrieachse der supraleitenden Magnetspule.

In die erweiterte Bohrung 2f des Rotors 2 wird eine unmagnetische Spiralfeder 11 eingelegt, welche einen größeren ID als der Stempelbereich 3b aufweist. In die zentrale Bohrung 2e des Rotors 2 wird dann von oben ein im Wesentlichen zylindrischer Stempel 3 bzw. 3' eingeschoben. Dieser hat insgesamt eine Län ge von 100 mm. Im 60 mm langen Bereich 3a bzw. 3a', der zum größten Teil aus dem Rotor 2 herausragt, ist er 10 mm dick mit kreisförmigem Querschnitt, was vorteilhaft, aber nicht zwingend ist. Er kann auch hohl sein. Auf einer an schließenden Länge von 40 mm hat er einen kleiner Durchmesser 3b bzw. 3b', der in die Innenbohrung 2e paßt. In abweichenden Ausführungsformen können Rotor 2 und Stempelführung 102 hier auch eingesteckt oder verklebt sein, bzw. aus einem Stück bestehen. An die, Bohrung 2e bzw. 102e schließt sich ein 10 mm langer konischer Endbereich 2g bzw. 102e an, der dem Winkel des Konus einer geschlossenen Klemme 7 bzw. 7' entspricht.

Die Klemme 7 bzw. 7' wird von unten in den Rotor 2 eingebracht und mit dem nach unten gedrückten Stempel 3 bzw. 3' fest verbunden. Die Klemme 7 bzw. 7' hat im wesentlichen sechs Funktionsbereiche (vergl. auch Fig. 3a, 3b):

1. Das Gewinde 3c bzw. 3c' um die Klemme 7 bzw. 7' mit dem Stempel 3 bzw. 3' zu verbinden.
2. Eine axialsymmetrische Sackbohrung 7b um das Probenröhrchen aufzu nehmen und axial auszurichten.
3. Mehrere gespreizte Klemmfinger 7c um im gelösten Zustand das Einführen bzw. Entnehmen der Proberöhrchen zu erlauben.
4. Einen zylindrischen Bereich 7d mit axialem und paßgenauem Außendurch messer um die axiale Führung der Klemmbohrung zu gewährleisten.
5. Eine rechtwinkelige Kante 7e bzw. 7e', die einen festen Zusammenschluß mit der Stempelkante 3d bzw. 3d' gewährleistet um die axialen Führungsei genschaften des Stempelbereichs 3b bzw. 3b' mit zu nutzen.
6. Eine Dichtung 6 am Ende der Sackbohrung aus einem relativ weichen und chemisch inerten Material soll die Verdunstung von gelösten Proben mini mieren oder gar verhindern.

Das Verschrauben der Klemme 7 bzw. 7' mit dem Stempel 3 bzw. 3' ist eine Verbindungsart die einfach zu realisieren ist, aber es sind auch, speziell mit Hinblick auf die axial Ausrichtung, andere Verbindungsarten, wie z. B. Bajonett verschluß, denkbar.

Teilweise in die Sackbohrung 7b eingeschoben ist das offene Ende des Pro benröhrchens 4 mit einer Länge von 100 mm und einem konstanten Außen durchmesser von etwa 1,6 mm. Der untere Bereich des Innenvolumens des Probenröhrchens 4 ist auf etwa 20 mm Länge mit der Probenflüssigkeit 5 ge füllt.

Über dem Probenröhrchen 4 ist eine elastischer Dichtung 6 mit einem Außen durchmesser, der dem Innendurchmesser der Sackbohrung 7b entspricht, ge schoben, was das Röhrchen weitgehend abdichtet.

Wird der Druck auf den Stempel 3 bzw. 3' gelöst, wird er durch die nach oben gerichtete Kraft der Spiralfeder 11 soweit aus dem Rotor 2 geschoben, bis sich die Klemme 7 bzw. 7' in den unteren Konus 2g einfügt.

Durch den nach oben gerichteten Zug schließen sich die Finger 7c und um greifen ein möglicherweise eingeschobenes Röhrchen und halten es dadurch fest.

Sind die verwendeten Röhrchen 4 immer in einer exakt definierten Länge vor handen, reicht es, sie bis zum Ende der Sacklochbohrung einzuschieben und zu klemmen. Das geschlossene Röhrchenende hat dann immer den gleichen Abstand zum unteren Rotorende 2d, was die Positionierung im NMR Proben kopf zuverlässig macht.

Fig. 2a bis 2c zeigen die wesentlichen Komponenten der Fig. 1a bis 1c in einer weiteren Ausführungsform. Die Bezugsziffern entsprechender Teile stimmen überein.

Hier wird im Unterschied zu dem Beispiel aus Fig. 1a bis 1c der Stempelfüh rungsbereich 102 separat in einen 10 mm Standard NMR Rotor 2' eingefügt. Er bildet einen eigenen axial beweglichen Bereich, wodurch die Feinjustierung der Proben ermöglicht wird. Eine Justiermutter 10 wird in dem Bereich 102h auf die Stempelführung 102 aufgeschraubt.

Die Montage und Funktion der Feder 11, des Stempels 3 bzw. 3' und der Klemme 7 bzw. 7' sind identisch mit dem zuvor beschriebenen.

Die gesamte Stempelführung 102 mit montierten Einzelteilen wird in den Rotor 2' von oben eingeschoben, bis die Justiermutter aufsitzt. Nach dem Einfügen des Probenröhrchens 4 kann man mit Hilfe der Justiermutter 10 eine Feinjusta ge in axialer Richtung vornehmen. Dies erweist sich als besonders vorteilhaft, wenn man nicht genügend Probenmenge 5 zu Verfügung hat und man die kleinvolumige Probe exakt im NMR Meßbereich plazieren muß um Inhomoge nitäten zu vermeiden.

Sind die verwendeten Röhrchen 4 nicht immer in einer exakt definierten Länge vorhanden, kann man mit Hilfe der Justierschraube 10 das geschlossene Ende des Röhrchen 4 immer auf den gleichen Abstand zum unteren Rotorende 2d' justieren, was die Positionierung im NMR Probenkopf zuverlässig macht.

Fig. 3a zeigt die wesentlichen Komponenten der Fig. 1c und 2c im Detail. Die Komponenten der Fig. 3b ermöglicht eine weitere bevorzugte Ausführung der Verbindung zwischen Stempel 3' und Klemme 7'. Entsprechende Bezugsziffern sind im Vergleich zu 3a gestrichen

Fig. 4a und 4b zeigen NMR-Probenhalter für Mikroproben nach dem Stand der Technik. Der Rotor 2' hat dieselben Außenmaße wie der Rotor 2 aus den Fig. 1c und 2c. Die zentrale Bohrung 2e hat einen konstanten Querschnitt 2e', der etwas größer ist als der Außendurchmesser des unteren Teils 403d des Inserts 403. Das Probenröhrchen 404 plus Einschub 403 hat etwa die Ge samtlänge von Probenröhrchen 4 plus Stempel 3 in Fig. 1a. und 1b. und in Fig. 2a. und 2b., d. h. etwa 180 mm.

Dasselbe gilt für das Probenröhrchen 504 in Fig. 4b. Im oberen Teil 504a ist der Durchmesser etwa 5 mm. Dieser verengt sich im unteren Teil 504b auf einer Länge von etwa 45 mm auf 2,5 mm. Die Probenflüssigkeit füllt einen Teil die ses Bereichs 504b aus. Darüber befindet sich ein recht großes dampfgefülltes Innenvolumen, das am offenen oberen Ende mit einem Kunststoff oder Gum mistopfen 509 verschlossen werden kann. Halterung und axiale Justage des Probenröhrchens 504 bewirken ein oder mehrere aufgeschobene O-Ringe 508, die jeweils eine geschlitzte axiale Verlängerung des Rotors zusammenpressen und dadurch lokal die Bohrung 502e auf den Außendurchmesser des Röhr chens 504a verringern.

Claims

1. NMR-Probenhalter zur Verwendung in einem NMR-Spektrometer für flüssige Mikroproben mit folgenden Komponenten:

1. ein rotationssymmetrischer Rotor (2) mit einer zentralen Bohrung (2e), die an einem Ende einen Innenkonus (2g) aufweist, oder ein rotationssymmetrischer Rotor (2') mit einer zentralen Bohrung (2e') sowie eine Stempelführung (102) mit einer zentralen Boh rung (102e), die an einem Ende einen Innenkonus (102g) auf weist;
2. ein im Wesentlichen zylinderförmiger Stempel (3; 3') mit einem di ckeren und einem dünneren Bereich, der von einer Seite in die zentrale Bohrung (2e) des Rotors (2) oder in die zentrale Bohrung (102e) der Stempelführung (102) eingeschoben wird und mit die sen verbunden ist oder werden kann, wobei der Stempel (3; 3') an seinem eingeschobenen Ende eine Befestigungseinrichtung (3c; 3c') aufweist;
3. ein hohlzylindrisches Probenröhrchen (4) aus Glas oder Quarz mit einem geschlossenen und einem offenen Ende, das über seine ganze Länge einen konstanten Außendurchmesser von weniger als 11 mm aufweist;
4. eine Klemme (7; 7'), die einen ersten zylindrischen Teilbereich (7d) aufweist, der in die zentrale Bohrung (2e) des Rotors (2) oder in die zentrale Bohrung (102e) der Stempelführung (102) paßt, sowie einen zweiten Teilbereich mit einem Außenkonus mit ge spreizten Fingern (7c) und eine zentrale Sackbohrung (7b), die etwas größer als der Außendurchmesser des Probenröhrchens (4) ist, so daß das Probenröhrchen (4) in diese eingeschoben werden kann, wobei beim Einführen des zylindrischen Teils (7d) der Klemme (7; 7') in die zentrale Bohrung (2e) des Rotors (2) o der in die zentrale Bohrung (102e) der Stempelführung (102) der Außenkonus mit den gespreizten Fingern (7c) durch den In nenkonus (2g; 102g) des Rotors (2) oder der Stempelführung (102) geklemmt wird, wodurch das Probenröhrchen (4) zentriert ist und dabei in dieser Position sicher gehalten wird;
5. eine in der Klemme (7; 7') eingebaute Dichtung (6), die nach dem Einfügen des Probenröhrchens (4) gasdicht abdichtet.

2. Probenhalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Stem pelführung und Rotor einstückig sind.

3. Probenhalter nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch ge kennzeichnet, daß Klemme (7; 7') und Klemmfinger (7c) einstückig sind.

4. Probenhalter nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch ge kennzeichnet, daß die Dichtung (6) die Form einer zumindest teilweise zylindrischen Scheibe hat, die durch das Einschieben in die Sackloch bohrung (7b) der Klemme (7; 7') an dem Ende der Sacklochbohrung (7b) plaziert ist und damit ein eingeschobenes Probenröhrchen (4) ab dichtet.

5. Probenhalter nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch ge kennzeichnet, daß die zentrale Bohrung (2e, 102e) des Rotors (2) oder der Stempelführung (102) einen erweiterten Innendurchmesser (2f, 102f) aufweist, in den eine Spiralfeder (11) und der erweiterte obere Bereich des beweglichen Stempels (3; 3') eingefügt wird.

6. Probenhalter nach einem der Ansprüche 1 oder 3 bis 5, dadurch ge kennzeichnet, daß die zentrale Bohrung (2e') des Rotors (2') einen gleich weiten, parallelen Innendurchmesser (2e') aufweist, in den die Stempelführung (102) des beweglichen Stempels (3; 3') eingefügt wer den kann.

7. Probenhalter nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch ge kennzeichnet, daß der Rotor (2) zwei im Wesentlichen zylinderförmige axiale Bereiche (2a, 2c) mit unterschiedlichen Außendurchmessern aufweist, die über einen konischen Bereich (2c) verbunden sind, wobei der Stempel (3; 3') auf der Seite des axialen Bereichs (2f; 102f) mit dem größeren Außendurchmesser eingeschoben ist.

8. Probenhalter nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch ge kennzeichnet, daß das Probenröhrchen (4) eine axiale Länge zwischen 80 mm und 120 mm hat.

9. Probenhalter nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch ge kennzeichnet, daß der bewegliche Stempel (3; 3') eine Gesamtlänge zwischen 90 mm und 130 mm hat.

10. Probenhalter nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch ge kennzeichnet, daß der Stempel (3; 3') in seinem der Sackbohrung (2f; 102f) abgewandten Bereich einen Durchmesser zwischen 5 mm und 10 mm, vorzugsweise 8 mm hat.

11. Probenhalter nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekenn zeichnet, daß die beiden zylindrischen Bereiche (2a, 2c; 2a', 2c') des Rotors (2; 2') Außendurchmesser von etwa 25 mm oder 17 mm haben.

12. Probenhalter nach einem der vorangehe den Ansprüche, dadurch ge kennzeichnet, daß das Probenröhrchen (4) einen Innendurchmesser von etwa 1 mm bis 5 mm hat.

13. Probenhalter nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch ge kennzeichnet, daß Rotor (2; 2'), Stempel (3; 3'), Stempelführung (102), Dichtung (6) und/oder Klemme (7; 7') aus protonenarmem Kunststoff, vorzugsweise aus Teflon® bestehen.

14. Probenhalter nach einem der Ansprüche 5 bis 13, dadurch gekennzeich net, das die Spiralfeder (11) aus unmagnetischem Material besteht.

15. Probenhalter nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch ge kennzeichnet, daß die zentrale Bohrung (102e) des Rotors (102) weitge hend durchgängig etwa 10 mm Durchmesser aufweist.

16. Probenhalter nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch ge kennzeichnet, daß mehrere Klemmen (7; 7') mit unterschiedlichen zent ralen Bohrungen (7b) und mehrere Probenröhrchen (4) mit passenden unterschiedlichen Außendurchmessern vorgesehen sind.

17. Probenhalter nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch ge kennzeichnet, daß die Klemme (7; 7') eine konische Außenform mit meh reren gespreizten Fingern (7c) aufweist, welche im geschlossenen Zu stand paßgenau in den Gegenkonus (2g; 102g) des Rotors (2) bzw. Stempelführung (102) paßt.

18. Verfahren zum Befüllen eines NMR-Probenhalters für flüssige Mikropro ben nach einem der Ansprüche 1 oder 3 bis 16 ohne Rückbeziehung auf Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß

1. eine flüssige Mikroprobe (5) bis zu einer vorgegebenen Füllhöhe in das Probenröhrchen (4) eingefüllt wird;
2. die Klemme (7; 7') mit eingelegter Dichtung (6) über das Proben röhrchen (4) geschoben wird;
3. der Stempel (3; 3') von oben mit der zentralen Bohrung (2e; 2f) des Rotors (2) verbunden wird;
4. das Probenröhrchen (4) von unten in die Sackbohrung (7b) der Klemme (7; 7') bis zu einer vorgegebenen Position eingeschoben wird
5. und das Gewinde (7a; 7a') der Klemme (7; 7') von unten mit dem Gegengewinde (3c; 3c') des beweglichen Stempels (3; 3') in dem Rotor (2) oder der Stempelführung (102) verschraubt wird.

19. Verfahren zum Befüllen eines NMR-Probenhalters für flüssige Mikropro ben nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß

1. eine flüssige Mikroprobe (5) bis zu einer vorgegebenen Füllhöhe in das Probenröhrchen (4) eingefüllt wird;
2. die Klemme (7; 7') mit eingepaßter Dichtung (6) und über das Probenröhrchen (4) geschoben wird;
3. das Probenröhrchen (4) von unten in die Sackbohrung (7b) der Klemme (7; 7') bis zum Anschlag eingeschoben wird
4. und die Stempelführung (102) mit montiertem Stempel (3; 3') von oben in die zentrale Rotorbohrung (2e') eingeschoben wird und mittels einer Justierschraube (10) axial einstellbar ist.

20. Verfahren zum Lösen des Probenröhrchens eines NMR-Probenhalters für flüssige Mikroproben nach Anspruch 5 und 17, dadurch gekennzeichnet, daß durch Druck auf das obere Stempelende (3; 3') die Spiralfeder (11) gestaucht und die fest montierte Klemme (7; 7') aus dem Konus (2g; 102g) geschoben wird und dadurch ihre Klemmeigenschaften verliert.

21. Verfahren zum Fixieren des Probenröhrchen eines NMR-Probenhalters für flüssige Mikroproben nach Anspruch 5 und 17, dadurch gekennzeichnet, daß durch nachlas senden Druck auf dem obere Stempelende (3; 3') eine Spiralfeder (11) entspannt wird und die fest montierte Klemme (7; 7') in den Konus (2g; 102g) gezogen wird und dadurch seine Klemmeigenschaften gewinnt.