JP4602910B2 - Ｎｍｒ装置およびその位置決め方法 - Google Patents

Description

本発明は、スプリット型マグネットと多軸ボアを有するＮＭＲ装置に関し、特にＮＭＲプローブの位置決め方法に関する。

ＮＭＲ装置は測定試料を均一磁場空間に設置し、ラジオ波を照射して生じる核磁気共鳴現象を試料を取り巻くコイルで測定する装置であり、固体物理、化学、生物などの広い分野で応用されている。近年では、測定試料が複雑な分子構造を持つタンパク質のようなものでも、ＮＭＲ信号によって構造解析ができるように高感度化が図られている。

高感度化の方法として、測定試料を設置する均一磁場空間の磁場強度を強くする方法とプローブコイルの形状を変更する方法が知られている。前者は磁場を発生するマグネットに超電導線材を使用し、その特性を向上させることによって高感度化を実現させるものであり、後者は従来の鞍型や鳥籠型からソレノイド型に変更し、形状効果によりＮＭＲ信号の検出効率を高めるものである。

ソレノイド型プローブコイルを用いてＮＭＲ信号を測定するためには、プローブコイルの軸方向と均一磁場空間の方向が垂直でなければならない。プローブコイルの中にサンプル管を挿入することを考えると、従来のソレノイド型マグネットを用いたＮＭＲ装置では、均一磁場の方向とサンプル管挿入方向が同軸であるため実現は困難である。

そこで、超電導マグネット構成としたスプリット型マグネットを用いたＮＭＲ装置が検討されている。スプリット型マグネットはプローブなどを挿入する空間（ボア）を複数の軸方向に設置することができる。スプリットマグネットの中心軸に開けられた水平ボアからプローブコイルを挿入し、スプリットギャップ部に上下方向に開けられた垂直ボアからサンプル管を挿入し、これらをボア中心周辺の均一磁場空間に設置する。これによって、ソレノイド型コイル中にサンプル管を設け、ＮＭＲ信号を測定することが可能になる。

また、ＮＭＲ信号を高感度で測定するためには、均一磁場空間にプローブコイルとサンプル管を精度良く設置する必要がある。これはスプリット型マグネットに限らずソレノイド型マグネットを備えたＮＭＲ装置においても同様であり、サンプル管に取り付けるスピナの形状や装置治具によって軸方向に正確に位置決めする方法が、特許文献１などに提案されている。

特開2002−311118号公報

スプリット型マグネットを備えたＮＭＲ装置においても、狭い均一磁場空間にプローブコイルとサンプル管を精度良く設置することが必要である。一般的には図３のように、ＮＭＲプローブ4を挿入する水平ボア８ｂの軸とサンプル管６を挿入する垂直ボア８ａの軸の交点をボア中心９と定め、このボア中心９でＮＭＲ測定を行う。そのため、ボア中心９とプローブコイルの中心が一致するようにプローブが設計され、一致した中心とサンプル測定領域の中心１２もほぼ一致するように設計される。さらに、均一磁場空間１０もこの中心位置を基準に設計される。

しかしながら、実際にはプローブやサンプル管挿入機構自体の製作精度、ならびに水平ボアおよび垂直ボアの製作精度から、ボア中心とサンプル中心を一致させることが難しい。また、スプリットマグネットはコイル端部が磁場中心位置に近い位置に設置されるため、コイル製作時あるいは据付時の公差による不整磁場がソレノイド型マグネットに比べて大きく、均一磁場空間をサンプル測定領域に比べて大きく取ることができない。そのため、ボア中心とプローブコイル中心とサンプル中心を狭い均一磁場空間内で一致させるように設計しても、その実現は非常に困難を極めるという課題がある。

本発明の目的は上記課題を解決し、位置精度が高く容易にＮＭＲ信号を測定できる、スプリット型マグネットを備えるＮＭＲ装置及びその位置決め方法を提供することにある。

上記目的を達成するために本発明は、スプリット型マグネットに設けられた一方のボアにＮＭＲプローブ、他方のボアにサンプル管を挿入するＮＭＲ装置の位置決め方法において、ＮＭＲ信号から得られる周波数スペクトルの先鋭度に基づいてＮＭＲプローブの位置を決定することを特徴とする。

また、前記ＮＭＲプローブの先端であるプローブコイルの位置を変更し、前記プローブコイルから受信したＮＭＲ信号の周波数スペクトルの先鋭度が高く、前記プローブコイルが配置されている位置の磁場均一度が最適となるようにＮＭＲプローブの位置を決定することを特徴とする。

本発明のＮＭＲ装置は、スプリット型マグネットと、該マグネットに設けられた一方のボアにＮＭＲプローブ、他方のボアにサンプル管を備えるものであって、前記ＮＭＲプローブの先端であるプローブコイルから受信したＮＭＲ信号の周波数スペクトルの先鋭度が高く、前記プローブコイルの配置位置の磁場均一度が最適となるように決定された前記配置位置にＮＭＲプローブを設定するように構成されたことを特徴とする。

前記サンプル管は予め前記ＮＭＲプローブに設置しておくことを特徴とする。

また、前記ＮＭＲプローブの回転方向と軸方向の位置を調整するために、クライオスタットに２枚のフランジを組み合わせ、外側フランジは軸方向の移動を可能とするように取り付け、内側フランジは前記ＮＭＲプローブと固定され、かつ外側フランジと軸方向の相対位置を変えることなく任意の角度に固定できる、プローブ位置調整機構を備えていることを特徴とする。

前記スプリット型マグネットに巻かれて互いに対向するコイルは、超電導コイルであることを特徴とする。

磁場均一度の優れた空間にて測定されたＮＭＲ信号は、周波数スペクトルに変換するとそのピークの部分が非常に急峻になる。そのため、周波数スペクトルの先鋭度に基づいてＮＭＲプローブの位置を決定する本発明により、ボア中心とプローブコイルの中心あるいはサンプル中心とが一致している必要がなく、製作精度に起因する位置決めの難しさが緩和できる。

さらに、スプリット型マグネットの製作公差あるいは据付公差によって均一磁場空間が非常に狭く複雑な形状をしていたり、当初設計した位置からずれていたりしても、確実にプローブコイルならびにサンプルを均一磁場空間に設置して測定することが可能になる。

本発明によれば、ＮＭＲ装置の測定位置が多軸ボアの物理的中心位置に固定されず、最適位置に設定できるので、必要とする均一磁場発生空間内での測定が容易に実現できる。

以下、本発明の複数の実施形態について図面を参照しながら詳細に説明する。

図２は本発明を適用するＮＭＲ装置のスプリット型マグネットとその近傍の構成図である。スプリット型マグネット１は共通の中心軸上に巻かれた超電導コイル１、１が対抗して配置され、プローブ４などを挿入する空間（ボア）を複数の軸方向に設置することができる。スプリットマグネット１の中心軸に開けられた水平ボア８ｂからプローブコイル５ｂを挿入し、スプリットギャップ部に上下方向に開けられた垂直ボア８ａからスピナを取り付けたサンプル管６を挿入し、これらをボア中心９周辺の均一磁場空間１０に設置する。これによって、ソレノイド型コイル中にサンプル管を設け、ＮＭＲ信号を測定することが可能になる。ＮＭＲ信号を高感度で測定するためには、均一磁場空間内にプローブコイル５とサンプル管６を設置することが重要である。

図１は、本発明の一実施例によるプローブコイルの位置決め方法を示す概略の構成図である。スプリットマグネット１とその水平中心軸に開けられた水平ボア８ｂ、スプリットマグネット１，１間のスプリットギャップ部に上下方向に開けられた垂直ボア８ａからなる十字ボアを備えたＮＭＲ装置のボア中心１０の周辺を示している。ＮＭＲプローブ４はコイルは水平ボア８ｂに対し、またサンプル管６は垂直ボア８ａに対し、それぞれ挿入位置を調整できるように構成されている。

プローブコイル５の中心の位置決めは、まず（ａ）のように、ＮＭＲプローブ４を水平ボア８ｂから挿入して適当な位置に設置する。このプローブ位置においてＮＭＲ信号が測定できるように、サンプル管６を垂直ボア８ａから挿入し、プローブコイル５がＮＭＲ信号を測定する。ＮＭＲ信号測定装置１６はプローブコイル５からのＮＭＲ信号を増幅し、Ａ／Ｄ変換してＮＭＲスペクトル信号を求め、ＮＭＲ信号解析装置１７に渡す。ＰＣや表示装置を備えるＮＭＲ信号解析装置１７は、ＮＭＲスペクトル信号を比較し、最もスペクトルの先鋭度の大きいプローブコイル中心位置を探索する。（ｂ）のように、ＮＭＲプローブ４の位置を動かして、その位置においてサンプル管６を設置してＮＭＲ信号を測定し、これを繰り返し行なって、各プローブ位置におけるＮＭＲスペクトル信号を比較し、最も先鋭度の大きい、つまり磁場均一度の高い位置にプローブを設定する。

サンプル測定領域での磁場均一度が優れているほど、高感度のＮＭＲ信号の測定が可能になる。このため、各プローブ位置における測定結果（ＮＭＲスペクトル信号）を比較することで、各プローブ位置における磁場均一度、すなわち測定に必要な磁場均一度が満たされている空間位置が明らかになる。そこで、磁場均一度の最も高い位置にＮＭＲプローブコイル５の中心位置を設置することで、高感度のＮＭＲ装置が実現できる。

具体的にＮＭＲスペクトル信号を比較する方法としては、磁場均一度の優れた空間に設置したサンプルから測定したＮＭＲスペクトルは、図１（ａ）に示すように、ピークが急峻になる。一方、磁場均一度の劣る空間に設置したサンプルから測定したＮＭＲスペクトルは、図１（ｂ）に示すように、ピークが低く傾斜がなだらかになる。

本実施例では、ＮＭＲ信号の測定が可能な水平ボアと垂直ボアが交わる空間内において、NMR信号解析装置１７が同一のサンプルによる周波数スペクトルのマッピングを取る。そして、ピーク高さ、あるいは半値幅や10分の１幅など線幅を示す値を比較する。この結果、ピーク高さが最大、あるいはスペクトル線幅を示す値が最小になる位置に、ＮＭＲプローブを設置すれば高感度のＮＭＲ信号を測定することができる。

ただし、高感度を必ずしも必要としない測定では、ＮＭＲスペクトル形状が最も優れた位置にＮＭＲプローブを設置することは必要ない。ある程度の磁場均一度が期待できる領域内において、ピーク高さが最大値のおおよそ９０％以上であったり、スペクトル線幅が最小値のおおよそ２倍以内の位置に設置すればよい。

また、ＮＭＲ装置を設計する場合は均一磁場空間の中心、プローブコイル中心、サンプル中心がほぼ同位置になるように定め、その中心位置を基にして設計を行う。その中心位置は、プローブやサンプル管設置機構の作りやすさの点から、ボア中心10とすることが多い。そのため、このボア中心10周辺で均一磁場が発生するようにスプリットマグネット１が設計されている。

図４はスプリットマグネットによる均一磁場空間の例を示す。図４（ａ）は半径、高さともに０．２m程度のコイル群が対向したスプリットマグネット１において、均一磁場空間の中心がボア中心９となるように設計したもので、ずれのない理想的な磁場空間を示している。図５（ｂ）は、製作時に片側のコイル群のみが全体的に径方向におよそ０．２ｍｍ、軸方向におよそ０．２ｍｍずれた場合の均一磁場空間を示している。（ａ）と（ｂ）の均一磁場空間は、いずれも同じ磁場均一度の空間を示している。しかし（ｂ）では、僅か０．２mm程度のずれによって、ボア中心周辺での均一磁場空間が大きく変形していて、設計値との間に大きなずれを生じている。

しかし、本実施例によれば、均一磁場空間１０がボア中心９の周辺である必要はない。実際に発生している均一磁場空間１０内に、ＮＭＲプローブ４とサンプル管６を設置し、ＮＭＲ信号が適当となる位置をプローブ中心位置とすればよい。このため、設計値と実装位置とのずれによる問題が回避される。

図１の構成においてＮＭＲ信号を測定できない場合がある。かかる場合、実際の測定サンプルを用いると、測定不能の原因が磁場均一度にあるのか、サンプルから得られるＮＭＲ信号が小さいことにあるのか判別できない。そこで、プローブの位置決めには、予めＮＭＲスペクトル形状が既知である模擬サンプルに代えて行うのがよい。これによって、位置決めにおけるＮＭＲ信号の測定不能の原因が磁場均一度が悪い位置のためであり、より磁場均一度のよい位置を探すことになる。

図５は水平ボア空間にシムコイルを配置した構成図である。水平ボア８ｂに、ＮＭＲプローブ４を挿入するのと反対方向から室温シムコイル１１を挿入している。室温シムコイル１１は、その磁場補正能力を有効に利用するために、スプリットマグネット１から発生する均一磁場の優れた空間内に設置することが望ましい。本実施例では、室温シムコイル１１にＮＭＲプローブ４を固定し、この状態でサンプル管６を挿入する。その時の磁場均一度の情報から室温シムコイルの位置を決める。具体的な調整方法は、プローブコイルの場合と同様に行われる。

本実施例においては室温シムコイル１１をＮＭＲプローブ４の反対側から挿入しているが、同じ方向から挿入する構成でも構わない。さらに室温シムコイル１１とＮＭＲプローブ４を別々のものとして挿入するのではなく、両者が一体化したものを挿入する構成でも構わない。

図６は予めサンプル管をＮＭＲプローブに取り付けた構成を示す。本実施例では、図１のようにサンプル管６を挿入するのに代えて、ＮＭＲプローブ４に予めサンプル管６を取り付けてある。このように、サンプル管６を予めＮＭＲプローブのコイル５に取り付けておくことで、プローブコイル中心とサンプル中心をより精度良く位置決めすることができるので、磁場均一度の情報源となるＮＭＲ信号の測定感度が向上する。

上記実施例ではＮＭＲプローブの位置調整は独自に行われている。ＮＭＲプローブの位置調整はＮＭＲ装置（クライオスタット）と全く独立した機構によってもよいが、クライオスタットとＮＭＲプローブの取り合いを設けて、その取り合い位置において位置調整を行っても構わない。

図７は、プローブの位置調整機構をクライオスタットとの取り合い位置に設けた構成図である。ＮＭＲプローブ４の位置調整する機構をクライオスタット３との取り合いであるフランジ部１３に備えたものである。

ＮＭＲプローブ４の回転方向と軸方向の位置を調整するために、クライオスタットに２枚のフランジを組み合わせ、外側フランジは軸方向の移動を可能とするように取り付ける。また、内側フランジはＮＭＲプローブ４と固定され、かつ外側フランジと軸方向の相対位置を変えることなく任意の角度に固定できる機構を備えている。

すなわち、フランジ部１３は２枚のフランジ１３ａ、１３ｂを組み合わせる構成にし、外側フランジ１３ａに数mm程度の軸方向の移動を可能とする袋ナット１４を取り付けている。内側フランジ１３ｂはＮＭＲプローブ４本体に固定されており、外側フランジ１３ａと軸方向の相対位置を変えることなく、任意の角度を持って固定できる。

また、袋ナット１４はクライオスタット３に固定されている。袋ナット１４と外側フランジ１３ａの取り付け位置を調整することで、プローブ４の軸方向の位置調整および固定が可能になる。内側フランジ１３ｂは外側フランジ１３ａの取り合い位置を調整することで、回転方向の位置合わせを可能にしている。

図７の実施例では回転方向と軸方向の位置を調整する機構を示しているが、位置調整はこれらに限ったものではない。内側フランジ１３ｂの調整ネジ穴の方向を変化させて、ＮＭＲプローブ４の挿入方向に対して水平方向や垂直方向への位置調整を行うことも可能である。

これらの位置調整は、ピエゾ素子やモータなどを用いて自動的に行う機構の構成が可能である。この自動位置調整機構と、実施例１に示したＰＣ１７上のプログラミングによって、ＮＭＲスペクトルのマッピング結果からピーク高さが最大、あるいはスペクトル線幅の最小になる位置を求め、その位置へのＮＭＲプローブの自動調整を行うシステムの構成も可能である。

以上述べたように、本発明はスプリットマグネットと多軸ボアを備えるＮＭＲ装置において、磁場均一空間内でのＮＭＲ信号測定を実現するものである。同様に、マグネットによる均一磁場空間の中でＮＭＲ信号を測定するＭＲＩ装置にも適用できる。

本発明の一実施例によるＮＭＲ測定位置の調整方法を示す構成図。 スプリットマグネットと多軸ボアを備えたＮＭＲ装置の断面図。 スプリットマグネットを備えたＮＭＲ装置の一般的な測定位置を示す概念図。 スプリットマグネットの磁場均一度を示す特性図。 室温シムコイルの位置決めを示す構成図。 プローブコイルにサンプルを取り付けたＮＭＲ測定装置の断面図。 本発明の他の実施例による位置調整機構を示す構成図。

符号の説明

１…スプリットマグネット、３…クライオスタット、４…ＮＭＲプローブ、５…プローブコイル、６…サンプル管、７…スピナ、８ａ…垂直ボア、８ｂ…水平ボア、９…ボア中心、１０…均一磁場空間、１１…室温シムコイル、１２…サンプル中心、１３ａ…外側フランジ、１３ｂ…内側フランジ、１４…袋ナット、１５…磁場中心位置、１６…ＮＭＲ計測装置、１７…ＮＭＲ信号解析装置（ＰＣ）。

Claims (8)

1. スプリット型マグネットに設けられた一方のボアにＮＭＲプローブ、他方のボアにサンプル管を挿入するＮＭＲ装置の位置決め方法において、
   ＮＭＲ信号から得られる周波数スペクトルの先鋭度に基づいてＮＭＲプローブの位置を決定することを特徴とするＮＭＲ装置の位置決め方法。
2. 請求項１において、前記ＮＭＲプローブの先端であるプローブコイルの位置を変更し、前記プローブコイルから受信したＮＭＲ信号の周波数スペクトルの先鋭度が高く、前記プローブコイルが配置されている位置の磁場均一度が最適となるようにＮＭＲプローブの位置を決定することを特徴とするＮＭＲ装置の位置決め方法。
3. 請求項１において、前記サンプル管に装着されるサンプルはＮＭＲスペクトル形状が既知である模擬サンプルであることを特徴とするＮＭＲ装置の位置決め方法。
4. 請求項1において、前記ＮＭＲプローブを挿入するボアにシムコイルが配置されており、前記決定されたＮＭＲプローブの位置において、前記シムコイルによる磁場均一度の調整を行うことを特徴とするＮＭＲ装置の位置決め方法。
5. スプリット型マグネットと、該マグネットに設けられた一方のボアにＮＭＲプローブ、他方のボアにサンプル管を備えるＮＭＲ装置において、
   前記ＮＭＲプローブの先端であるプローブコイルから受信したＮＭＲ信号の周波数スペクトルの先鋭度が高く、前記プローブコイルの配置位置の磁場均一度が最適となるように決定された前記配置位置にＮＭＲプローブを設定するように構成されたことを特徴とするＮＭＲ装置。
6. 請求項５において、前記サンプル管は予め前記ＮＭＲプローブに設置しておくことを特徴とするＮＭＲ装置。
7. 請求項５において、前記ＮＭＲプローブの回転方向と軸方向の位置を調整するために、クライオスタットに２枚のフランジを組み合わせ、外側フランジは軸方向の移動を可能とするように取り付け、内側フランジは前記ＮＭＲプローブと固定され、かつ外側フランジと軸方向の相対位置を変えることなく任意の角度に固定できる、プローブ位置調整機構を備えていることを特徴とするＮＭＲ装置。
8. 請求項５において、前記スプリット型マグネットに巻かれて互いに対向するコイルは、超電導コイルであることを特徴とするＮＭＲ装置。

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