DE102004039420A1

DE102004039420A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Erfassen von NMR-Daten aus kleinen sensitiven Volumina mittels Niederfeld-NMR-Methoden

Info

Publication number: DE102004039420A1
Application number: DE200410039420
Authority: DE
Inventors: Timm Leuerer; Uwe Schnakenberg; Bernhard Blümich; Wilfried Mokwa
Original assignee: Rheinisch Westlische Technische Hochschuke RWTH
Current assignee: Rheinisch Westlische Technische Hochschuke RWTH
Priority date: 2004-08-13
Filing date: 2004-08-13
Publication date: 2006-02-23

Abstract

Die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Erfassen von Kernspinresonanz(Nuclear Magnetic Resonance, NMR)-Daten mit einem sensitiven Volumen (16) umfasst mindestens eine planare erste Spule (1) zur Erzeugung eines zeitlich im Wesentlichen homogenen, räumlich inhomogenen Magnetfeldes (12) und mindestens eine planare zweite Spule (2) zur Erzeugung und/oder zur Detektion eines hochfrequenten elektromagnetischen Feldes (14). Die Vorrichtung weist eine Resonanzfrequenz für Protonen von im Wesentlichen weniger als 40 MHz auf, wobei die mindestens eine erste Spule (1) in einer ersten offenen Fläche (3) um mindestens einen ersten Aufpunkt (4) und die mindestens eine zweite Spule (2) in einer zweiten offenen Fläche (5) um mindestens einen zweiten Aufpunkt (6) gewickelt ist. Die Projektion der zweiten Spule (2) auf eine Ebene, die senkrecht zu einer ersten Flächennormalen (7) der ersten offenen Fläche (3) im ersten Aufpunkt (4) ist, liegt erfindungsgemäß innerhalb der Projektion der ersten Spule (1) auf dieser Ebene. DOLLAR A Die erfindungsgemäße Vorrichtung sowie das erfindungsgemäße Verfahren erlauben es aufgrund des erreichten geringen sensitiven Volumens (16) erstmals, mittels einseitiger Niederfeld-NMR während einer relativ kurzen Messzeit NMR-Signale mit einem guten Signal-Rauschverhältnis von sehr kleinen Proben (13), insbesondere von einzelnen biologischen Zellen, aufzunehmen.

Description

Gegenstand der Erfindung ist eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Erfassen von Kernspinresonanz-Daten mittels Niederfeld-NMR-Methoden aus kleinen sensitiven Volumina.
Die Methode der Kernspinresonanz (Nuclear Magnetic Resonance, NMR)-Spektroskopie ist schon relativ lange bekannt und hat sich inzwischen zu einem Standard-Werkzeug der Analytik entwickelt, da mittels NMR eine chemische Auflösung von Daten erreicht werden kann. Bei der klassischen NMR-Analytik wird die Probe in den im wesentlichen homogenen Bereich eines Magneten, bevorzugt eines supraleitenden Magneten mit hoher Feldstärke eingebracht. Solche möglichst homogenen Felder mit Feldstärken von 15 Tesla und mehr werden durch den Einsatz von Magneten mit Spulen aus supraleitenden Keramiken erreicht. Hierbei wird die zu untersuchende Probe in das Innere (die sogenannte Bohrung) des Magneten eingeführt und hochfrequenter elektromagnetischer Strahlung einer Resonanzfrequenz ausgesetzt, die durch die Stärke des Magnetfeldes am Ort der Probe, den zu untersuchenden Kern und weitere Faktoren bestimmt ist.

Seit den 80er Jahren des 20. Jahrhunderts ist es ferner bekannt, durch Superposition mit räumlich definiert inhomogenen Feldern eine Ortsauflösung der erhaltenen Signale zu erreichen. Hierbei werden die räumlich inhomogenen Felder durch Gradientenspulen erzeugt, die oftmals gepulst betrieben werden. Diese sogenannte NMR-Tomografie wird auch zur nichtinvasiven Diagnose am menschlichen Körper eingesetzt.

Diese Methoden haben den Nachteil, dass ein supraleitender Magnet mit möglichst homogenem Feld einer möglichst großen Amplitude kostspielig in Anschaffung und Unterhalt ist. Für gewisse Anwendungen, die eine nicht so große Auflösung benötigen oder bei denen die Probe nicht in einen Magneten verbracht werden kann, ist deshalb eine weitere NMR-Methode entwickelt worden, bei der die Polarisation der Kernspins durch ein räumlich inhomogenes Magnetfeld erzeugt wird. Hierbei wird das räumlich inhomogene Magnetfeld durch Permanentmagnete erzeugt, die in bestimmter Weise angeordnet sind. Da hier die Probe nicht in einen Magneten eingebracht wird, sondern sich der Magnet im Regelfall nur auf einer Seite der Probe befindet, wird eine solche Art der NMR als einseitige NMR (single-sided oder unilateral NMR) bezeichnet. Auch bei der einseitigen NMR erfolgt die Erzeugung und die Aufnahme des Messsignals durch Einstrahlung und Aufzeichnung einer elektromagnetischen Strahlung der entsprechenden Resonanzfrequenz. Da diese im Regelfall deutlich niedriger liegt als bei supraleitenden Magneten, fällt diese Art der NMR in den Bereich der Niederfeld-NMR. Solche Niederfeld-NMR-Apparaturen sind deutlich preiswerter herzustellen und zu unterhalten als Apparaturen mit supraleitenden Magneten hoher Feldstärke. Zudem sind sie leicht transportabel, weiterhin lässt sich durch relatives Verschieben von Probe und Vorrichtung eine gewisse Ortsauflösung erreichen, die bei konventionellen NMR-Systemen nur durch zusätzliche, im Regelfall gepulst betriebene Gradientenfelder oder durch eine starke Verkleinerung des sogenannten sensitiven Volumens, aus dem Messsignale aufgenommen werden, durch Verwendung sehr kleiner Spulen, sogenannter Mikrospulen (Microcoils), erreicht werden können.

Grundsätzlich ist es erforderlich, dass sensitive Volumen einer NMR-Apparatur an das Volumen der zu untersuchenden Probe anzupassen. Ist das sensitive Volumen nämlich größer als die Probe, so trägt der Teil des sensitiven Volumens, der nicht mit Probe gefüllt ist, nur statistisch, also als Rauschen zum Messergebnis bei, so dass das Signal-Rauschverhältnis der Messung sinkt. Ist die Probe größer als das sensitive Volumen, so entstehen sogenannte Rückfaltungen des Signals in das sensitive Volumen der Probe hinein, die ebenfalls das Messergebnis verfälschen. Beidem kann grundsätzlich durch entsprechende experimentelle Massnahmen begegnet werden, die jedoch jeweils das erzielte Mess-Signal abschwächen und/oder den experimentellen Aufwand erhöhen.

Es existieren Bestrebungen, das NMR-Signal aus möglichst kleinen sensitiven Volumina zu erfassen, um beispielsweise Messungen an kleinen Mengen biologischen Materials, insbesondere nur weniger oder nur einer biologischen Zelle durchzuführen. Bei Hochfeld-NMR-Methoden im homogenen Magnetfeld wird dies mittels sehr kleiner Spulen, bevorzugt sehr kleiner Solenoidspulen zu erreichen versucht. Auch bei Vorrichtungen zur einseitigen NMR wurde versucht, das zum Messsignal beitragende sensitive Volumen der Probe zu verkleinern. Jedoch war es bisher nicht möglich, solch kleine sensitiven Volumina zu erreichen, mit denen die Messung von einer einzigen Zelle mit annehmbarem apparativem Aufwand und gutem Signal-Rauschverhältnis unter Verwendung einer annehmbaren Zeit für eine Messung verwirklicht werden konnte.

Hiervon ausgehend ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung und ein entsprechendes Verfahren anzugeben, mit dem Niederfeld-NMR-Messungen an einer geringen Menge Materials, insbesondere an einer einzelnen biologischen Zelle mit geringem apparativem Aufwand durchgeführt werden können.

Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 19. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der jeweiligen abhängigen Ansprüche.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Erfassen von Kernspinresonanz (Nuclear Magnetic Resonance, NMR)-Daten mit einem sensitiven Volumen umfasst mindestens eine planare erste Spule zur Erzeugung eines zeitlich im wesentlichen homogenen, räumlich inhomogenen Magnetfeldes und mindestens eine planare zweite Spule zur Erzeugung und/oder zur Detektion eines hochfrequenten elektromagnetischen Feldes. Die Vorrichtung weist eine Resonanzfrequenz für Protonen von im wesentlichen weniger als 40 MHz auf. Die mindestens eine erste Spule ist in einer ersten offenen Fläche um mindestens einen ersten Aufpunkt und die mindestens eine zweite Spule in einer zweiten offenen Fläche um mindestens einen zweiten Aufpunkt gewickelt. Die Projektion der zweiten Spule auf eine Ebene, die senkrecht zu einer ersten Flächennormalen der ersten offenen Fläche im ersten Aufpunkt ist, liegt innerhalb der Projektion der ersten Spule auf diese Ebe ne.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung erlaubt in vorteilhafter Weise die Durchführung von NMR-Messungen an Proben mit sehr geringer Materialmenge. Insbesondere erlaubt sie die Messung von Signalen in einer einzelnen biologischen Zelle oder wenigen Zellen. Auch die Vermessung von Samen, insbesondere Samenkörnern beispielsweise zur Qualitätskontrolle oder -vorhersage von daraus herzustellenden Ölen ist möglich und erfindungsgemäß. Hierbei ist nur ein geringer apparativer Aufwand nötig, da durch die erste Spule ein Magnetfeld mit bekanntem Ortsgradienten erzeugt wird, dessen Magnetfeld zur Erzeugung einer magnetischen Polarisation in der Probe verwendet wird. Dadurch ist insbesondere kein supraleitender Magnet zur Erzeugung eines homogenen Magnetfeldes nötig, so dass sich die erfindungsgemäße Vorrichtung durch vergleichsweise geringe Herstellungs- und Betriebskosten auszeichnet. Durch die parallele Verwendung einer Vielzahl von ersten und zweiten Spulen, die entsprechend miteinander verschaltet sind, ist der Aufbau eines Analysearrays möglich, mit dem gleichzeitig eine Vielzahl beispielsweise von Einzelzellen untersucht werden kann, wobei jeweils ein Messsignal einer einzelnen Zelle zugeordnet werden kann.

Die Resonanzfrequenz für Protonen von 40 MHz entspricht einem Magnetfeld einer Feldstärke von einem Tesla. Je nach Anwendung können insbesondere Magnetfelder einer Feldstärke entsprechend einer Protonenresonanzfrequenz von im wesentlichen 10 bis 30 MHz, insbesondere von im wesentlichen 20 MHz vorteilhaft sein. Auch Protonenresonanzfrequenzen von weniger al 5 MHz oder auch weniger als 1 MHz sind möglich und erfindungsgemäß. Insbesondere die Vermessung des Signals von Protonen (1H) ist vorteilhaft, erfindungsgemäß können jedoch auch die Signale anderer Kerne wie beispielsweise Deuteronen (2H) oder auch Kohlenstoff (13C) angeregt und aufgenommen werden.

Eine erfindungsgemäße Vorrichtung lässt sich in einfacher Weise verwirklichen, indem zwei erste Spulen, ein Gradientenspulenpaar, und mindestens eine zweite Spule auf einer Seite eines Glasträgers ausgebildet werden, wobei das Gradientenspulenpaar die zweite Spule einschließt. Solche Gradientenspulen sind grundsätzlich bekannt beispielsweise aus bildgebenden Hochfeldtomografen. Insbesondere eignen sich x- und y-Gradientenspulen(paare) zum Einsatz als mindestens eine erste Spule, die ein Gradientenfeld außerhalb der Spulenebene erzeugen. Die mindestens eine erste Spule kann in Form einer bekannten planaren Gradientenspule ausgebildet werden, die ein entsprechendes Magnetfeld im sensitiven Volumen der zweiten Spule erzeugt.

Unter einer planaren Spule versteht man insbesondere eine Spule, die nicht nach Art eines Solenoid aufgewickelt ist. Eine planare Spule bezeichnet eine Spule, die in einer offenen Fläche gewickelt ist, die bevorzugt zumindest teilweise senkrecht zu einer Wickelachse der Spule ausgebildet ist. Die zweite Spule kann in Form einer bekannten planaren HF-Spule ausgebildet werden, die ein entsprechendes sensitives Volumen aufweist.

Ein Aufpunkt bezeichnet insbesondere den Punkt, in dem die Wickelachse der Spule die Fläche der planaren Spule trifft. Allerdings kann ein Aufpunkt je nach Art der Wicklung der Spule auch nicht Teil einer Wickelachse sein, wenn beispielsweise die Spule nicht um eine einzige Wickelachse gewickelt wurde, so dass der Aufpunkt auch eine Art Symmetriezentrum der Spule darstellen kann.

Das sensitive Volumen der Anordnung bezeichnet das Volumen der Vorrichtung, in welchem mittels der HF-Strahlung der zweiten Spule ein NMR-Signal induziert und ein NMR-Signal detektiert werden kann. Das sensitive Volumen ist abhängig von der Wicklung der ersten und der zweiten Spule, sowie von den Strömen, die jeweils diese Spulen durchströmen. Unter einem kleinen sensitiven Volumen wird hier insbesondere ein Volumen von weniger als 200 nl, bevorzugt weniger als 1 nl, besonders bevorzugt weniger als 0,01 nl verstanden, jedoch ist der Einsatz der Vorrichtung auch mit größeren sensitiven Volumina für beispielsweise entsprechend größere biologische Zellen oder auch von Samen, insbesondere Samenkörnern möglich und erfindungsgemäß. Das sensitive Volumen kann durch den Einsatz entsprechender magnetischer Materialien beispielsweise auf der von der ersten Spule abgewandten Seite der zweiten Spule, in der Ebene der zweiten Spule und/oder zumindest teilweise innerhalb der Ebene zwischen erster und zweiter Spule, beispielsweise innerhalb eines die erste und zweite Spule trennenden Substrats, verändert werden.

Die Resonanzfrequenz bestimmt sich nach den bekannten Gesetzmässigkeiten der Elektrodynamik im wesentlichen aus der Induktivität der zweiten Spule, einer gegebenenfalls vorhandenen Kapazität und einem gegebenenfalls vorhandenen ohmschen Widerstand. Mindestens einer dieser Faktoren kann regelbar sein, um eine Abstimmung des Schwingkreises zu ermöglichen, so dass neben der Resonanzfrequenz auch nicht zu weit von dieser entfernte Frequenzen abstimmbar sind.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung überlappen die Projektion der zweiten Spule auf die Ebene, die senkrecht zu einer ersten Flächennormalen der ersten offenen Fläche im ersten Aufpunkt ist und die Projektion der ersten Spule auf diese Ebene, einander zumindest teilweise.

Dies erlaubt einen besonders kompakten Aufbau der erfindungsgemäßen Vorrichtung, da beispielsweise zwei erste Spulen, ein Gradientenspulenpaar, auf einer Längsseite eines Glasträgers und mindestens eine zweite Spule auf der anderen Längsseite des Glasträgers ausgebildet werden können, so dass sie einander überlappen.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung weist die mindestens eine zweite Spule zumindest eine der folgenden Formen auf

a) spiralförmig mit im wesentlichen kreisförmiger Geometrie;
b) spiralförmig mit im wesentlichen mehreckiger, bevorzugt viereckiger Geometrie;
c) doppelspiralförmig in Form im wesentlichen einer Ziffer acht;
d) mehrfach spiralförmig in Form im wesentlichen eines mehrblättrigen Kleeblatts, insbesondere eines vierblättrigen Kleeblatts; oder
e) im wesentlichen schlangenlinienförmig.

Hierbei handelt es sich um mögliche Wickelformen der planaren zweiten Spule, jedoch sind auch andere Wickelformen möglich und erfindungsgemäß. Die einzelnen Teilbereiche der Spule, beispielsweise die einzelnen Teilblätter des Klee blattes können für sich betrachtet unterschiedliche Geometrien aufweisen, zum Beispiel im wesentlichen kreisförmig, im wesentlichen mehreckig, insbesondere viereckig, und/oder im wesentlichen ellipsenförmig. Auch die Kombination der einzelnen Grundformen in einer einzigen Spule ist möglich und erfindungsgemäß. Eine im wesentlichen schlangenlinienförmige Spule kann statt runder Übergangsbereiche auch eckige Übergangsbereiche aufweisen.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung weist die mindestens eine erste Spule zumindest eine der folgenden Formen aufweist:

a) spiralförmig mit im wesentlichen kreisförmiger Geometrie;
b) spiralförmig mit im wesentlichen elliptischer Geometrie; oder
c) spiralförmig mit im wesentlichen mehreckiger, bevorzugt viereckiger Geometrie.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung weist die mindestens eine erste Spule zumindest eine Wickelebene auf.

So ist es möglich, die mindestens eine erste Spule mehrlagig aufzubauen, so dass mehrere Wickelebenen im wesentlichen parallel zueinander ausgebildet sind.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist die erste Spule mit einer Gleichstromversorgung verbunden.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist die zweite Spule mit einer Hochfrequenzspannungsquelle, insbesondere einer pulsbar betreibbaren Hochfrequenzspannungsquelle verbunden.

Hierbei sollte der Frequenzbereich der Hochfrequenzspannungsquelle den Bereich der Resonanzfrequenz der Vorrichtung abdecken. Insbesondere sind Frequenzbe reiche von bis zu im wesentlichen 40 MHz, insbesondere von im wesentlichen 10 bis im wesentlichen 30 MHz, beispielsweise im wesentlichen 20 MHz vorteilhaft.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung weist die zweite offene Fläche eine zweite Flächennormale im zweiten Aufpunkt auf, wobei die erste offene Fläche und die zweite offene Fläche in Richtung der ersten und/oder der zweiten Flächennormale einen Abstand aufweisen.

Besonders vorteilhaft ist es, wenn die erste und zweite Spule jeweils in einer eigenen Ebene ausgebildet sind, die senkrecht zur Ebene voneinander beabstandet sind. Dies erlaubt es, beide planare Spulen in Normalenrichtung zu den Spulen zumindest teilweise überlappend auszuführen, so dass auf diese Weise ein sehr kleines sensitives Volumen erreicht werden kann. Auch nicht ebene planare Spulen können durch Ausbilden des Abstandes zwischen ihnen überlappend ausgebildet sein.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung beträgt der geringste Abstand in Richtung der ersten und/oder der zweiten Flächennormale höchstens ein Zehntel der maximalen Ausdehnung der ersten und/oder der zweiten Spule in einer Ebene senkrecht zur ersten und/oder zur zweiten Flächennormalen.

Unter maximaler Abmessung ist in diesem Zusammenhang der größte Durchmesser der Spule in der jeweiligen Ebene zu verstehen. Diese Abmessungen erlauben in vorteilhafter Weise die Verkleinerung des sensitiven Volumens auf Werte, die die Durchführung einer NMR-Messung an einer einzelnen biologischen Zelle bei gutem Signal-Rauschverhältnis. Im Falle zweier paralleler ebener planarer Spulen weisen die Spulen in jedem Punkt denselben Abstand voneinander auf. Bei min destens einer nicht ebenen planaren Spule variiert der Abstand zwischen den Spulen.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung beträgt der geringste Abstand in Richtung der ersten und/oder der zweiten Flächennormale höchstens 10 mm, bevorzugt höchstens 5 mm, besonders bevorzugt höchstens 1 mm.

Diese Werte haben sich als besonders vorteilhaft für die Erzeugung möglichst kleiner sensitiver Volumina erwiesen.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist zumindest eines der folgenden Medien ausgebildet:

a) ein erstes Medium, bevorzugt zumindest teilweise ein elektrisch isolierendes erstes Medium, welches die erste und die zweite Spule voneinander trennt;
b) ein zweites Medium, welches auf der Seite der ersten Spule ausgebildet ist, die von der zweiten Spule abgewandt ist; oder
c) ein drittes Medium, welches auf einer von der ersten Spule abgewandten Seite der zweiten Spule ausgebildet ist.

Die Ausbildung des ersten Mediums erlaubt in vorteilhafter Weise einen einfachen Aufbau der Vorrichtung, weil so die Spulen jeweils auf einer der Oberflächen des Mediums ausgebildet werden können. Das zweite Medium, speziell wenn es aus einem magnetischen Material wie insbesondere einem Hochfrequenzferrit ausgebildet ist, kann in vorteilhafter Weise zur magnetischen Abschirmung und somit zur Erhöhung des Signal-Rausch-Verhältnisses dienen. Das erste und/oder dritte Medium erlaubt in vorteilhafter Weise durch eine entsprechende Oberflächengestaltung beispielsweise mit hydrophilen und hydrophoben Teilbe reichen die Zentrierung entsprechender Proben so, dass sich diese im sensitiven Volumen der Vorrichtung befindet.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist das erste Medium zumindest teilweise aus Glas, bevorzugt Pyrex, Kunststoff und/oder magnetischen Materialien, insbesondere Hochfrequenz-Ferrit und/oder amorphen weichmagnetischen Materialien ausgebildet.

So können in vorteilhafter Weise die Spulen mittels konventioneller Leiterplattentechnologie hergestellt werden oder auch mittels lithografischer Strukturdefinition und mikrogalvanischer Abformung, beispielsweise unter Verwendung von UV-Licht. So können die erste und/oder die zweite Spule mittels spezieller Fotolacke auf das erste Medium aufgebracht werden. Die Ausbildung von zumindest Teilbereichen des ersten Mediums aus magnetischen Materialien führt zu einer Führung der Magnetfeldlinien hin zum sensitiven Volumen der Anordnung, so dass sich im sensitiven Volumen ein stärkeres Magnetfeld mit einem höheren Gradienten ergibt. Entsprechend können auch magnetische Materialien in der Ebene der zweiten Spule im wesentlichen parallel zu dieser ausgebildet sein.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist das zweite Medium aus Hochfrequenz-Ferrit und/oder amorphen weichmagnetischen Materialien ausgebildet.

Amorphe weichmagnetische Materialien umfassen insbesondere CoNbZr oder FeCo.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist das dritte Medium zumindest teilweise aus Glas, bevorzugt Pyrex, Kunststoff und/oder magnetischen Materialien, insbesondere amorphen weichmagnetischen Materialien, ausgebildet.

Die Auswahl der Medien erfolgt auch in Abhängigkeit von dem Kern und/oder den Eigenschaften der Probe, dessen/deren Signal aufgenommen werden soll. So kann in vorteilhafter Weise bei Detektion des Protonsignals das erste und das dritte Medium aus Glas ausgebildet sein. Bei der Ausbildung des ersten und/oder dritten Mediums aus Kunststoff muss insbesondere die transversale Relaxationszeit (Spin-Spin-Relaxationszeit) der Probe beachtet werden, da insbesondere beim Vermessen von Proben mit relativ langen transversalen Relaxationszeiten hier vorteilhafterweise ein harter Kunststoff mit kurzen transversalen Relaxationszeiten gewählt werden kann. Bei Proben, bei denen die transversale Relaxationszeit des NMR-Signals in der selben Größenordnung liegt wie das des Kunststoffs sollte das erste und/oder das dritte Medium nicht aus Kunststoff ausgebildet werden, da die Signale der Protonen im Kunststoff das Messsignal stören würden. Bei NMR an anderen Kernen, beispielsweise Deuteronen, können sowohl weiche als auch harte Kunststoffe als erstes und/oder drittes Medium zum Einsatz kommen.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist die von der zweiten Spule abgewandte Oberfläche des dritten Mediums und/oder des ersten Mediums in ersten Teilbereichen hydrophob und in zweiten Teilbereichen hydrophil ausgebildet, wobei bevorzugt die Teilbereiche so ausgebildet sind, dass Material mit einer wasserhaltigen Oberfläche, welches auf den Teilbereichen aufliegt, so auf der Oberfläche des ersten und/oder dritten Mediums zentriert wird, dass sich das Material zumindest teilweise im sensitiven Volumen befindet.

Eine solche hydrophile oder hydrophobe Oberfläche kann beispielsweise durch die Ausbildung entsprechender Beschichtungen auf der Oberfläche des ersten und/oder des zweiten Mediums ausgebildet werden. Falls das dritte Medium nicht ausgebildet ist, kann eine entsprechende Beschichtung auch auf der zweiten Spule erzeugt werden. So kann in vorteilhafter Weise eine Vorrichtung erzeugt werden, mittels derer biologisches Material in Kleinstmengen bis hin zu einzelnen Zellen mittels Niederfeld-NMR-Methoden vermessen werden können, bei dem das biologische Material ohne weitere aufwändige Maßnahmen im Bereich des sensitiven Volumens der Vorrichtung fixiert ist. Durch Ausbildung eines mit der NMR-Vorrichtung lösbar verbindbaren dritten Mediums mit entsprechender Oberflächenstruktur kann das dritte Medium als eine Art Objektträger verwendet werden, mittels dem die Probe oder die Proben neben einer NMR-Analyse auch anderen Analysen wie beispielsweise optischen Analysen unterzogen werden können, ohne die Probe(n) vom Objektträger entfernen oder verschieben zu müssen. So kann jeweils eine Probe unter weitgehend identischen Bedingungen in vorteilhafter Weise mit unterschiedlichen Analysemethoden untersucht werden, ohne die Bedingungen durch Manipulation der Probe(n) zwischen den unterschiedlichen Messungen zu verändern. Vorzugsweise ist eine solche Beschichtung biokompatibel, beispielsweise aus Polyurethan und/oder Polyparaxylelenen aufgebaut. Die grundsätzliche Ausbildung einer Beschichtung unabhängig von einer hydrophilen und/oder -phoben Eigenschaft kann in Abhängigkeit von der Probe vorteilhaft sein, um elektrische Kurzschlüsse beispielsweise durch das wässrige Medien in den zu untersuchenden Zellen zu verhindern.

Weiterhin kann eine Fixierung des Probenmaterials im wesentlichen im sensitiven Volumen der Vorrichtung auch in vorteihafter Weise durch andere Mittel als die Ausbildung einer Beschichtung mit hydrophilen und/oder -phoben Eigenschaften erfolgen. Zum Beispiel kann eine solche Fixierung auch auf geometrischem Wege erfolgen, in dem zum Beispiel entsprechende Vertiefungen oder ähnliches in einem auf der dem sensitiven Volumen zugewandten Seite der zweiten Spule ausgebildeten Medium ausgebildet sind, die zur Aufnahme des Probenmaterials die nen. Auch eine Fixierung auf chemischem Wege ist möglich und erfindungsgemäß.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist die mindestens eine erste Spule so ausgebildet, dass sie einer maximalen Stromdichte von 0,5 Gigaampere pro Quadratmeter für einen Zeitraum von mindestens 300 Sekunden standhalten kann.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist die mindestens eine zweite Spule so ausgebildet, dass sie einer maximalen Stromdichte von einem Gigaampere für einen Zeitraum von mindestens 300 Sekunden standhalten kann.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung beträgt eine mittlere Abmessung des sensitiven Volumens weniger als 200 μm, bevorzugt weniger als 150 μm, besonders bevorzugt weniger als 100 μm.

Eine mittlere Abmessung bedeutet insbesondere den über alle Raumrichtungen gemittelten maximalen Durchmesser des sensitiven Volumens. Auch deutlich kleinere maximale Abmessungen sind möglich und erfindungsgemäß. Die hier genannten mittleren Abmessungen erlauben in vorteilhafter Weise die Aufnahme von NMR-Signalen aus Einzelzellen.

Gemäß einem weiteren Aspekt des erfinderischen Gedankens wird ferner ein Verfahren zur Erfassung von Kernspinresonanz (NMR)-Daten einer Probe in einem zeitlich im wesentlichen konstanten räumlich inhomogenen Magnetfeld vorgeschlagen, bei dem das Magnetfeld durch mindestens eine planare erste Spule erzeugt wird, die von einem Gleichstrom durchflossen wird, durch mindestens eine planare zweite Spule eine magnetische Polarisation in der Probe mittels eines e lektromagnetischen Pulses, bevorzugt einer Frequenz von weniger als 40 MHz, angeregt und ein durch die angeregte magnetische Polarisation in der Probe erzeugtes NMR-Signal mit der zweiten Spule detektiert wird, wobei die mindestens eine erste Spule in einer ersten offenen Fläche um mindestens einen ersten Aufpunkt und die mindestens eine zweite Spule in einer zweiten offenen Fläche um mindestens einen zweiten Aufpunkt gewickelt ist, wobei die Projektion der zweiten Spule auf eine Ebene, die senkrecht zu einer ersten Flächennormalen der ersten offenen Fläche im ersten Aufpunkt ist, innerhalb der Projektion der ersten Spule auf diese Ebene liegt.

Bei Untersuchung des Signals von Protonen entspricht die Resonanzfrequenz von 40 MHz einem Magnetfeld von einem Tesla. Bei der Untersuchung des Signals von anderen Kernen erfolgt bevorzugt auch die Erzeugung eines Magnetfeldes von einem Tesla oder weniger, so dass sich die Resonanzfrequenz entsprechend dem Verhältnis der gyromagnetischen Verhältnisse reduzieren.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens überlappen die Projektion der zweiten Spule auf die Ebene, die senkrecht zu einer ersten Flächennormalen der ersten offenen Fläche im ersten Aufpunkt ist und die Projektion der ersten Spule auf die Ebene, einander zumindest teilweise.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens weist das durch die mindestens eine erste Spule erzeugte Magnetfeld in einer Ebene, die die erste Flächennormale der ersten Fläche im ersten Aufpunkt enthält, einen Gradienten von 0,1 T/m (Tesla pro Meter) bis 100 T/m auf.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die mindestens eine erste Spule von einem Strom von zwischen 1 Milliampere und 100 Ampere, bevorzugt zwischen 10 Milliampere und 10 Ampere, besonders bevorzugt zwischen 100 Milliampere und 1 Ampere, durchflossen.

Da es sich hier um kontinuierlich anliegenden Gleichstrom handelt, muss die mindestens eine erste Spule entsprechend ausgebildet sein, insbesondere einer Dauerbelastung mit diesem Strom standhalten können. Dauerbelastung bedeutet in diesem Zusammenhang, dass die mindestens eine erste Spule diesem Strom für einen vollständigen Messzyklus, insbesondere wenigstens 1 s, bevorzugt wenigstens 5 s, besonders bevorzugt wenigstens 300 s standhalten können muss, ohne sich strukturell zu verändern.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die zweite Spule mit einem Strom von zwischen 1 Milliampere und 100 Ampere, bevorzugt einem Strom von zwischen 10 Milliampere und 10 Ampere, besonders bevorzugt von zwischen 100 Milliampere und 1 Ampere durchflossen.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die zweite Spule gepulst betrieben mit Pulslängen von bis zu 10 μs, bevorzugt von bis zu 5 μs, besonders bevorzugt von bis zu 3 μs.

Auch Pulslängen von weniger als einer Mikrosekunde (μs), sowie die Anwendung von Pulsfolgen mit einer Mehr- oder Vielzahl von Pulsen, wie beispielsweise die sogenannte Carr-Purcell-Meiboom-Gill- oder die Stimulated-Spin-Echo-Sequenz, sind möglich und erfindungsgemäß.

Die im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung offenbarten Details und Vorteile sind gleichermaßen auf das erfindungsgemäße Verfahren anwendbar und auch für dieses vorteilhaft. Gleiches gilt für Vorteile und Details des erfindungsgemäßen Verfahrens, die ebenso für die erfindungsgemäße Vorrichtung vorteilhaft und anwendbar sind. Insbesondere kann das erfindungsgemäße Verfahren mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung umgesetzt werden.

Weitere Details und Vorteile der Erfindung werden im Folgenden anhand der Zeichnung für bevorzugte Ausführungsbeispiele gezeigt, ohne dass die Erfindung darauf beschränkt ist. Es zeigen:
1 schematisch ein erstes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung in Draufsicht;
2 schematisch ein zweites Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung in Draufsicht;
3 schematisch das zweite Ausführungsbeispiel in einem Längsschnitt;
4 schematisch ein drittes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung in Draufsicht;
5 schematisch eine erste mögliche Wickelform der zweiten Spule;
6 schematisch eine zweite mögliche Wickelform der zweiten Spule;
7 schematisch eine dritte mögliche Wickelform der zweiten Spule;
8 schematisch eine dritte mögliche Wickelform der zweiten Spule; und
9 schematisch ein viertes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Spule in einem Längsschnitt.
1 zeigt schematisch ein erstes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung in Draufsicht. Zu erkennen sind zwei erste Spulen 1 und schematisch angedeutet eine in Form eins Zeichens Acht gewickelte zweite Spule 2. Bei beiden Spulen 1, 2 handelt es sich um planare Spulen, das heißt, die zwei ersten Spulen 1 sind jeweils in einer ersten offenen Fläche 3 um jeweils einen ersten Aufpunkt 4 und die mindestens eine zweite Spule 2 in einer zweiten offenen Fläche 5 um zwei zweite Aufpunkte 6 gewickelt ist. Die zweite Spule 2 weist eine entsprechende Verschaltung auf, so dass es sich bei der zweiten Spule 2 um eine doppelspiralförmige Spule aus zwei Spulenteilen in Form einer Ziffer Acht handelt. Die Aufpunkte 4, 6 stellen jeweils Symmetriezentren der ersten Spulen 1 und jeweils der einzelnen Teile der zweiten Spule 2 dar. Die Projektion der zweiten Spule 2 auf eine Ebene, die senkrecht zu einer ersten Flächennormalen 7 der ersten offenen Fläche 3 im ersten Aufpunkt 4 ist, liegt innerhalb der Projektion der ersten Spule 1 auf die Ebene, die senkrecht zur ersten Flächennormalen 7 der ersten offenen Fläche 3 im ersten Aufpunkt 4. Innerhalb bedeutet in diesem Zusammenhang, dass die Projektion der zweiten Spule 2 auf die Ebene, die senkrecht zur ersten Flächennormalen 7 im ersten Aufpunkt 4 ist, nicht über die Projektion der ersten Spule 1 auf diese Ebene hinausragt. Bei dem hier gezeigten Beispiel liegen die beiden ersten Spulen 1 und die zweite Spule 2 in einer gemeinsamen Ebene, jedoch können die Spulen auch einander zumindest teilweise überlappend ausgebildet sein. Die Spulen 1, 2 sind in vorliegendem Ausführungsbeispiel jeweils in einer Ebene, also einer nicht gekrümmten Fläche ausgebildet, wobei sie auch in gekrümmten Flächen ausgebildet sein können. Die Spulen 1, 2 sind planar, also jeweils in einer offenen Fläche gewickelt, das heißt, in einer Fläche, bei deren stetigen Durchlaufen in jeder Richtung von einem beliebigen Punkt dieser nicht wieder erreicht werden kann, ohne die Fläche zu verlassen. Im Gegensatz hierzu steht beispielsweise eine Kugel oder auch ein Zylinder. Die zweite offene Fläche 5 weist jeweils in den zweiten Aufpunkten 6 zweite Flächennormalen 8 auf. Weitere Teile der NMR-Vorrichtung wie insbesondere Widerstände und Kondensatoren, die bevorzugt zumindest teilweise zu Abstimmungszwecken regelbar sein können, sowie weitere Bauteile wie insbesondere Spannungsquellen, Filter etc. sind aus Gründen der Übersicht nicht eingezeichnet.
2 zeigt schematisch ein zweites Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung, bei der die beiden ersten Spulen 1 und die zweite Spule 2 in verschiedenen Ebenen ausgebildet sind. Bei diesem Ausführungsbeispiel liegt die Projektion der zweiten Spule 2 auf die Ebene, die senkrecht zur ersten Flächennormalen in einem der ersten Aufpunkte 4 liegt, nicht nur innerhalb der Projektion der beiden ersten Spulen 1 auf diese Ebene, vielmehr überlappen sich die beiden Projektionen.
Eine erfindungsgemäße Vorrichtung kann beispielsweise ein erstes Medium 9 aufweisen, wie der schematische Längsschnitt durch das zweite Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung in 3 zeigt. Auf einer ersten Seite 10 des ersten Mediums 9 sind die beiden ersten Spulen 1 ausgebildet, während auf einer zweiten, der ersten Seite 10 gegenüberliegenden Seite 11 des ersten Mediums 9 die zweite Spule 2 ausgebildet ist. Die beiden ersten Spulen 1 erzeugen beim Betrieb mit einem Gleichstrom ein erstes Magnetfeld 12, welches in 3 durch einige seiner Feldlinien angedeutet ist. Dieses erste Magnetfeld 12 ist zeitlich im wesentlichen homogen und räumlich inhomogen, wie den gezeigten Feldlinien zu entnehmen ist. Dieses erste Magnetfeld 12 führt zum Aufbau einer magnetischen Polarisation von Kernspins wie beispielsweise dem Kernspin von Protonen (¹H) in der Probe 13, die beispielsweise eine einzelne biologische Zelle darstellt. Die Probe 13 liegt innerhalb des sensitiven Volumens 16 der Vorrichtung.
Durch die zweite Spule 2 wird ein zweites Magnetfeld 14 erzeugt, welches durch einige seiner Feldlinien angedeutet ist. Diese zweite Spule 2 wird bevorzugt gepulst betrieben, so dass innerhalb der Probe eine Auslenkung der Polarisation der Kernspins erfolgt, deren zeitlicher Verlauf wiederum eine Spannung in der zweiten Spule 2 induziert, deren Verlauf aufgezeichnet wird. Zur Verbesserung des Signal-Rauschverhältnisses ist weiterhin ein zweites Medium 15 ausgebildet, welches magnetisch ist und wie dargestellt der Abschirmung zumindest des Magnetfeldes der ersten Spule 1 dient. Das zweite Medium 15 kann beispielsweise aus Hochfrequenz-Ferrit und/oder amorphen weichmagnetischen Materialien wie beispielsweise CoNbZr oder FeCoB ausgebildet werden.
Durch die Erzeugung des ersten Magnetfeldes 12 durch die ersten Spulen 1, sowie die Ausbildung der ersten Spulen 1 und der zweiten Spule 2 jeweils als planare Spulen ist in vorteilhafter Weise durch die Überlappung der Spulen 1, 2 oder auch dadurch, dass die zweite Spule 2 innerhalb der ersten Spule 1 liegt, ein möglichst geringes sensitives Volumen 16 möglich, dessen Größe im wesentlichen der einer einzelnen biologischen Zelle entspricht. Hierbei ist einerseits vorteilhaft, dass das das sensitive Volumen 16 nicht wesentlich größer als die zu vermessende Probe 13 ist, da sensitives Volumen 16, welches nicht mit Probe gefüllt ist, zu einem vermehrten Rauschen führt, und andererseits das sensitive Volumen 16 kleiner als die Probe ist, da es dann zu Rückfaltungen des Messsignals außerhalb des sensitiven Volumens 16 in die Messung der Probe 13 innerhalb des sensitiven Volumens 16 kommen kann, die durch zusätzliche Maßnahmen unterbunden werden müssen.
Die Spulen 1, 2 des in 3 im Längsschnitt schematisch gezeigten zweiten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Vorrichtung weisen in Richtung sowohl der ersten Flächennormalen 7 als auch in Richtung der zweiten Flächennormalen 8, die in vorliegendem Ausführungsbeispiel parallel zueinander und der Über sichtlichkeit halber neben den Spulen 1, 2 eingezeichnet sind, einen Abstand 17 zueinander auf. Da die Spulen 1, 2 parallel zueinander ausgebildet sind, ist dieser Abstand 17 über die Fläche der zweiten Spule 2 konstant. Jedoch ist es erfindungsgemäß möglich, dass die mindestens eine erste Spule 2 und/oder die mindestens eine zweite Spule 2 nicht in einer Ebene, sondern in einer gekrümmten Fläche ausgebildet sind. In diesem Fall ist der Abstand 17 nicht konstant. Vorteilhafterweise beträgt der geringste Abstand 17 in Richtung der ersten 7 und/oder der zweiten Flächennormale 8 höchstens ein Zehntel der maximalen Ausdehnung der ersten 1 und/oder der zweiten Spule 2 in einer Ebene senkrecht zur ersten 7 und/oder zur zweiten Flächennormalen 8. Bevorzugt beträgt der geringste Abstand weniger als 1 mm.
Beispielsweise führt ein Gleichstrom von 0,25 Ampere in der in 3 gezeigten Anordnung der ersten Spule 1 zu einem Magnetfeld von 10 bis 50 mT im sensitiven Volumen 16, welches etwa 0,2 μl groß und in axialer Richtung in Richtung der ersten Flächenormale 7 in einem Abstand von etwa 6 mm von der zweiten Spule 2 beabstandet ist. Dies führt zu einer Resonanzfrequenz für Protonen (¹H) von etwa 0,4 bis 2 MHz im sensitiven Volumen 16.
4 zeigt schematisch ein drittes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung. Diese weist sechs erste Spulen 1 und vier zweite Spulen 2 auf, die eine matrixartige Anordnung bilden, mit der gleichzeitig vier Proben 13 vermessen werden können. Die einzelnen Anordnungen aus jeweils zwei ersten Spulen 1 und einer zweiten Spule 2 können in vorteilhafter Weise dem in 2 und 3 gezeigten zweiten Ausführungsbeispiel entsprechen. Durch beispielsweise eine entsprechende Beschichtung auf der von der ersten Spule 1 abgewandten zweiten Seite 11 des Mediums, bei der in ersten Teilbereichen 18 eine hydrophobe und in zweiten Teilbereichen 19 eine hydrophile Beschichtung ausgeführt ist, kann erreicht werden, dass Proben 13 aus biologischem Material relativ genau innerhalb des sensitiven Volumens 16 fixiert werden können. Diese Beschichtung kann auf der entsprechenden Oberfläche des ersten Mediums, aber auch auf einem nicht gezeigten dritten Medium, welches auf der von der ersten Spule 1 abgewandten Seite der zweiten Spule 2 ausgebildet ist, erfolgen. Dieses dritte Medium kann in vorteilhafter Weise als lösbar mit der NMR-Vorrichtung verbindbarer Objekt- bzw. Probenträger ausgebildet sein. Ein solcher Objektträger ermöglicht die Analyse derselben Proben mit unterschiedlichen Messmethoden, ohne dass zwischen den Messungen eine erneute Manipulation der Probe(n) nötig wäre, die insbesondere auf eine Vergleichbarkeit der Messergebnisse Einfluss hätte. Das dritte Ausführungsbeispiel kann in vorteilhafter Weise in einer Art NMR Kombinatorik eingesetzt werden.
Die 5 bis 8 zeigen schematisch mögliche Ausführungsbeispiele für eine erfindungsgemäße zweite Spule 2. 5 zeigt eine im wesentlichen spiralförmige zweite Spule 2, die einen zweiten Aufpunkt 6 als Symmetriezentrum aufweist. Die zweite Spule 2 weist bei diesem Beispiel eine im wesentlichen viereckige Geometrie auf, beispielsweise ist aber auch eine im wesentlichen kreisförmige oder ellipsenförmige Symmetrie möglich und erfindungsgemäß. Weiterhin ist die zweite Spule 2 mit einer pulsbar betreibbaren Hochfrequenzspannungsquelle 20 verbunden.
6 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel einer zweiten Spule 2, die doppelspiralförmig in Form im wesentlichen einer Ziffer Acht mit zwei zweiten Aufpunkten 6 ausgebildet ist, wobei die einzelnen Teilbereiche der Ziffer Acht hier eine im wesentlichen viereckige Geometrie aufweisen. Diese Teilbereiche können beispielsweise auch eine im wesentlichen kreis- oder ellipsenförmige Geometrie aufweisen. 7 zeigt eine zweite Spule 2 in Form im wesentlichen eines vierblättrigen Kleeblatts mit vier zweiten Aufpunkten 6. Auch hier liegt bei den einzelnen Teilbereichen im wesentlichen viereckige Geometrie vor, wobei auch bei spielsweise eine im wesentlichen kreis- oder ellipsenförmige Geometrie der einzelnen Teilbereiche möglich und vorteilhaft ist. 8 zeigt eine weitere mögliche Ausbildung der zweiten Spule 2, die schlangenlinienförmig ausgebildet ist. Diese Form der zweiten Spule 2 weist sechs zweite Aufpunkte 6 auf. Auch weisen die einzelnen Teilbereich der zweiten Spule 2 eine im wesentlichen viereckige Geometrie auf, die aber beispielsweise auch kreis- oder ellipsenförmig sein kann.
9 zeigt ein schematisch ein viertes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Spule in einem Längsschnitt. Dieses gleicht weitgehend dem in 3 gezeigten Ausführungsbeispiel, so dass hier nur die Unterschiede zu letzterem aufgezeigt werden sollen. Das erste Medium 9 ist in dritten Teilbereichen 21 aus einem Glas und in vierten Teilbereichen 22 aus magnetischen Materialien wie beispielsweise Hochfrequenz-Ferrit ausgebildet. Weiterhin sind fünfte Teilbereiche 23 aus magnetischen Materialien ausgebildet, die in der Ebene der zweiten Spule 2 liegen. Durch die Ausbildung von magnetischen Teilbereichen 22, 23 erfolgt eine bessere Führung des Magnetfeldes hin zur Probe 13, so dass sich im sensitiven Volumen 16 ein stärkeres erstes Magnetfeld 12 mit einem höheren Gradienten des Magnetfeldes 12 ergibt. Die fünften Teilbereiche 23 haben eine Unterbrechung 24, in der die zweite Spule 2 ausgebildet ist. Oberhalb der Unterbrechung 24 liegt das sensitive Volumen 16 gegebenenfalls mit der Probe 13. Bevorzugt ist die Unterbrechung 24 kleiner als der Abstand 17 zwischen erster Spule 1 und zweiter Spule 2.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung, sowie das erfindungsgemäße Verfahren erlauben es aufgrund des erreichten geringen sensitiven Volumens 16 erstmals, mittels einseitiger Niederfeld-NMR während einer relativ kurzen Messzeit NMR-Signale mit einem guten Signal-Rauschverhältnis von sehr kleinen Proben 13, insbesondere von einzelnen biologischen Zellen aufzunehmen.

1: erste Spule
2: zweite Spule
3: erste offene Fläche
4: erster Aufpunkt
5: zweite offene Fläche
6: zweiter Aufpunkt
7: erste Flächennormale
8: zweite Flächennormale
9: erstes Medium
10: erste Seite des ersten Mediums
11: zweite Seite des ersten Mediums
12: erstes Magnetfeld
13: Probe
14: zweites Magnetfeld
15: zweites Medium
16: sensitives Volumen
17: Abstand
18: erster Teilbereich
19: zweiter Teilbereich
20: Hochfrequenzspannungsquelle
21: dritter Teilbereich
22: vierter Teilbereich
23: fünfter Teilbereich
24: Unterbrechung

Claims

Vorrichtung zum Erfassen von Kernspinresonanz (Nuclear Magnetic Resonance, NMR)-Daten mit einem sensitiven Volumen (16), umfassend mindestens eine planare erste Spule (1) zur Erzeugung eines zeitlich im wesentlichen homogenen, räumlich inhomogenen Magnetfeldes (12) und mindestens eine planare zweite Spule (2) zur Erzeugung und/oder zur Detektion eines hochfrequenten elektromagnetischen Feldes (14), wobei die Vorrichtung eine Resonanzfrequenz für Protonen von im wesentlichen weniger als 40 MHz aufweist, wobei die mindestens eine erste Spule (1) in einer ersten offenen Fläche (3) um mindestens einen ersten Aufpunkt (4) und die mindestens eine zweite Spule (2) in einer zweiten offenen Fläche (5) um mindestens einen zweiten Aufpunkt (6) gewickelt ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Projektion der zweiten Spule (2) auf eine Ebene, die senkrecht zu einer ersten Flächennormalen (7) der ersten offenen Fläche (3) im ersten Aufpunkt (4) ist, innerhalb der Projektion der ersten Spule (1) auf diese Ebene liegt.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Projektion der zweiten Spule (2) auf die Ebene, die senkrecht zu einer ersten Flächennormalen (7) der ersten offenen Fläche (3) im ersten Aufpunkt (4) ist und die Projektion der ersten Spule (1) auf diese Ebene, einander zumindest teilweise überlappen.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine zweite Spule (2) zumindest eine der folgenden Formen aufweist: a) spiralförmig mit im wesentlichen kreisförmiger Geometrie; b) spiralförmig mit im wesentlichen mehreckiger, bevorzugt viereckiger Geometrie; c) doppelspiralförmig in Form im wesentlichen einer Ziffer acht; d) mehrfach spiralförmig in Form im wesentlichen eines mehrblättrigen Kleeblatts, insbesondere eines vierblättrigen Kleeblatts; oder e) im wesentlichen schlangenlinienförmig.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine erste Spule (1) zumindest eine der folgenden Formen aufweist: a) spiralförmig mit im wesentlichen kreisförmiger Geometrie; b) spiralförmig mit im wesentlichen elliptischer Geometrie; oder c) spiralförmig mit im wesentlichen mehreckiger, bevorzugt viereckiger Geometrie.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine erste Spule (1) zumindest eine Wickelebene aufweist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Spule (1) mit einer Gleichstromversorgung verbunden ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Spule (2) mit einer Hochfrequenzspannungsquelle (20), insbesondere einer pulsbar betreibbaren Hochfrequenzspannungsquelle (20) verbunden ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die zweite offene Fläche (5) eine zweite Flächennormale (8) im zweiten Aufpunkt (6) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die erste offene Fläche (3) und die zweite Fläche (5) in Richtung der ersten (7) und/oder der zweiten Flächennormale (8) einen Abstand (17) aufweisen.
Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der geringste Abstand (17) in Richtung der ersten (7) und/oder der zweiten Flächennormale (8) höchstens ein Zehntel der maximalen Ausdehnung der ersten und/oder der zweiten Spule in einer Ebene senkrecht zur ersten (7) und/oder zur zweiten Flächennormalen (8) beträgt.
Vorrichtung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass der geringste Abstand (17) in Richtung der ersten (7) und/oder der zweiten Flächennormale (8) höchstens 10 mm, bevorzugt höchstens 5 mm, besonders bevorzugt höchstens 1 mm beträgt.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eines der folgenden Medien ausgebildet ist: a) ein erstes Medium (9), bevorzugt zumindest teilweise ein elektrisch isolierendes erstes Medium (9), welches die erste (1) und die zweite Spule (2) voneinander trennt; b) ein zweites Medium (15), welches auf der Seite der ersten Spule (1) ausgebildet ist, die von der zweiten Spule (2) abgewandt ist; oder c) ein drittes Medium, welches auf einer von der ersten Spule (1) abgewandten Seite der zweiten Spule (2) ausgebildet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Medium (9) zumindest teilweise aus Luft, Glas, bevorzugt Pyrex, Kunststoff und/oder magnetischen Materialien, insbesondere Hochfrequenz-Ferrit und/oder amorphen weichmagnetische Materialien, ausgebildet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Medium (15) aus Hochfrequenz-Ferrit und/oder magnetischen Materialien, insbesondere amorphen weichmagnetischen Materialien ausgebildet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass das dritte Medium zumindest teilweise aus Glas, bevorzugt Pyrex, Kunststoff und/oder magnetischen Materialien, insbesondere Hochfrequenz-Ferrit und/oder amorphen weichmagnetischen Materialien ausgebildet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die von der zweiten Spule (2) abgewandte Oberfläche des dritten Mediums und/oder des ersten Mediums (9) in ersten Teilbereichen (18) hydrophob und in zweiten Teilbereichen (19) hydrophil ausgebildet ist, wobei bevorzugt die Teilbereiche (18, 19) so ausgebildet sind, dass Material mit einer wasserhaltigen Oberfläche, welches auf den Teilbereichen (18, 19) aufliegt, so auf der Oberfläche des ersten (9) und/oder dritten Mediums zentriert wird, dass sich das Material zumindest teilweise im sensitiven Volumen (16) befindet.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine erste Spule (1) so ausgebildet ist, dass sie einer maximalen Stromdichte von 0,5 Gigaampere pro Quadratmeter für einen Zeitraum von mindestens 300 Sekunden standhalten kann.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine zweite Spule (2) so ausgebildet ist, dass sie einer maximalen Stromdichte von einem Gigaampere pro Quadratmeter für einen Zeitraum von mindestens 300 Sekunden standhalten kann.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine mittlere Abmessung des sensitiven Volumens (16) weniger als 200 μm, bevorzugt weniger als 150 μm, besonders bevorzugt weniger als 100 μm beträgt.
Verfahren zur Erfassung von Kernspinresonanz (NMR)-Daten einer Probe (13) in einem zeitlich im wesentlichen konstanten räumlich inhomogenen Magnetfeld (12), bei dem das Magnetfeld (12) durch mindestens eine planare erste Spule (1) erzeugt wird, die von einem Gleichstrom durchflossen wird, durch mindestens eine planare zweite Spule (2) eine magnetische Polarisation in der Probe (13) mittels eines elektromagnetischen Pulses, bevorzugt einer Frequenz von weniger als 40 MHz, angeregt und ein durch die angeregte magnetische Polarisation in der Probe (13) erzeugtes NMR-Signal mit der zweiten Spule (2) detektiert wird, wobei die mindestens eine erste Spule (1) in einer ersten offenen Fläche (3) um mindestens einen ersten Aufpunkt (4) und die mindestens eine zweite Spule (2) in einer zweiten offenen Fläche (5) um mindestens einen zweiten Aufpunkt (6) gewickelt ist, wobei die Projektion der zweiten Spule (2) auf eine Ebene, die senkrecht zu einer ersten Flächennormalen (7) der ersten offenen Fläche (3) im ersten Aufpunkt (4) ist, innerhalb der Projektion der ersten Spule (1) auf diese Ebene liegt.
Verfahren nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Projektion der zweiten Spule (2) auf die Ebene, die senkrecht zu einer ersten Flächennormalen (7) der ersten offenen Fläche (3) im ersten Aufpunkt (4) ist und die Projektion der ersten Spule (1) auf diese Ebene, einander zumindest teilweise überlappen.
Verfahren nach Anspruch 19 oder 20, dadurch gekennzeichnet, dass das durch die mindestens eine erste Spule (1) erzeugte Magnetfeld (12) in einer Ebene, die die erste Flächennormale (7) der ersten Fläche (3) im ersten Aufpunkt (4) enthält, einen Gradienten von 0,1 T/m bis 100 T/m aufweist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 19 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine erste Spule (1) von einem Strom von zwischen 1 Milliampere und 100 Ampere, bevorzugt zwischen 10 Milliampere und 10 Ampere, besonders bevorzugt zwischen 100 Milliampere und 1 Ampere, durchflossen wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 19 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Spule (2) mit einem Strom von zwischen 1 Milliampere und 100 Ampere, bevorzugt einem Strom von zwischen 10 Milliampere und 10 Ampere, besonders bevorzugt von zwischen 100 Milliampere und 1 Ampere durchflossen wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 19 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Spule (2) gepulst betrieben wird mit Pulslängen von bis zu 10 μs, bevorzugt von bis zu 5 μs, besonders bevorzugt von bis zu 3 μs.