JPH0225140B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、核磁気共鳴装置に係り、特に、特定
の静磁場中に置かれた試料に周波数の異なる２種
の高周波エネルギーをパルス状に照射して二重共
鳴法により核磁気共鳴信号を測定する核磁気共鳴
装置に関する。

H₀の静磁場中に置かれた試料に、角周波数ω
の高周波エネルギーを加えると、核磁気共鳴の条
件ω＝γH₀（γは測定核の磁気回転比）を満たし
た時、核磁気共鳴現象を起こす。この共鳴の条件
によれば１本の共鳴信号しか現われないはずであ
るが、分子構造による隣接原子あるいはグループ
の電気陰性度や磁化率の異方性、電場の影響で多
数本に***する。この***は化学シフトと呼ばれ
ている。化学シフトだけでも核磁気共鳴スペクト
ルは十分に有用であるが、核磁気共鳴スペクトル
ではこの化学シフトのほかに磁気能率をもつ原子
核のスピンが２個以上互いに相互作用をもつこと
に起因する***がもう一つ現われる。この***は
スピン−スピン結合と呼ばれる。このスピン−ス
ピン結合による相互作用に起因する共鳴信号の分
裂によつて、分子構造研究の有用性は倍加され
る。しかし反面共鳴信号は複雑となりその解釈、
解析は単純にいかなくなる。そこで、スピン−ス
ピン結合でお互に***している共鳴信号の一方の
核に第２の高周波エネルギーを加えると、他方の
観測核は、見掛上スピン−スピン結合が消去した
り、結合の大きさが変化したり、***したりし
て、もとの共鳴信号と異なつて観測されることが
知られている。このことから、核と核の相互作用
の様子を知ることができると同時に、スピン−ス
ピン結合による***と化学シフトによる***とを
区別することができ、共鳴信号の解析の重要な手
段となつている。この２種の異なる周波数による
高周波エネルギーを加えて行なう測定を二重共鳴
法と称しており、特に水素核の共鳴スペクトルの
解析に欠くことのできない測定法となつている。
ここで、主信号に対応するω₁の角周波数をもつ
第１の高周波エネルギーをH₁と呼び、副信号に
対応するω₂の角周波数をもつ第２の高周波エネ
ルギーH₂と呼びことが核磁気共鳴の慣習となつ
ているので、以下、H₁とH₂として記述する。こ
の第２の高周波エネルギーH₂の周波数ω₂を決定
するには、通常のスペクトルをチヤート紙上に記
録して、チヤート紙上より第２の高周波エネルギ
ーを照射する信号の周波数を読み取る方法が行な
われている。しかし、二重共鳴法を行なうには、
正確にスピン−スピン結合している一方の核に第
２の高周波エネルギーが照射されることが必要で
その周波数の精度は共鳴信号の半値幅である0.5
Hz程度である。即ち、例えば、14キロガウスの磁
石を有する水素核の核磁気共鳴装置の場合、14キ
ロガウスの静磁場のもとで水素核は約60MHzで核
磁気共鳴現象を起こす。共鳴信号はH₁の近くに
約20ppm即ち1200Hzの範囲に分布する。従つて、
二重共鳴法を行なうためには、スピン−スピン結
合している一方の核の共鳴周波数を通常のスペク
トルのチヤート上で読みとりH₂の周波数ω₂を決
定し、H₂を照射する。ここで、共鳴信号ピーク
の半値幅は約0.5Hz程度でありH₂の設定は１Hz以
下の精度で行なわなければならない。これは60M
Hzに対し10^-8〜10^-9のオーダの値となる。また、
測定時間中H₂は正確にスピン−スピン結合して
いる一方の核に共鳴エネルギーとして照射される
ことが必要で、H₁とH₂については10^-8〜10^-9オ
ーダの安定度を維持する必要がある。以上の要請
を満たすために、従来は、温度制御された水晶発
振器を使用し、また周波数設定のために帰還ルー
プを持つた電圧制御発振器等でH₂を合成により
得ているがH₁とH₂の相関が共鳴信号のスピン−
スピン結合しているピークと直接的でなく、H₂
の精度及び安定度の双方において十分とは云えな
い。即ち、最も多く用いられている共鳴周波数
60MHzの装置では、チヤート紙の横軸はほぼ30cm
で600Hzを有しており、チヤート紙上から0.5Hzの
精度で読み取ることは、不可能であり、最適な周
波数が設定できるまで何度か測定を繰り返してい
る。さらに近年、微量試料での信号強度の向上の
ために電子計算機を用い長時間の信号平均化が行
なわれることが多くなつており、一度で精度良く
第２の高周波エネルギーの周波数を読取ると共
に、長時間にわたりH₁とH₂を安定に保つことが
要求されるようになつてきている。

本発明は、前記従来の欠点を解消するべくなさ
れたもので、長時間にわたり第１および第２の高
周波エネルギーを安定に保つことができる核磁気
共鳴装置を提供することを目的とする。

本発明の特徴は、磁場中に配置された試料に第
１の高周波をパルス状に照射することにより前記
試料の核磁気共鳴スペクトルを測定するに当つて
二重共鳴のために前記試料に第２の高周波をパル
ス状に照射する核磁気共鳴装置において、前記核
磁気共鳴スペクトルを表示する手段と、該表示手
段に前記核磁気共鳴スペクトル位置を選択し指定
するための移動可能なマーカーを表示する手段
と、前記第１の高周波と前記マーカーによつて選
択し指定された核磁気共鳴スペクトル位置の周波
数との差を測定する手段と、その測定された差の
周波数信号を発振するフエーズ・ロツク・ループ
回路と、その発振した差の周波数信号により前記
第１の高周波を変調して前記第２の高周波を発生
する手段とを備えている核磁気共鳴装置にある。

以下図面を参照して、本発明の実施例を詳細に
説明する。本実施例は、第１図に示す如く、本発
明を14キロガウスの磁石を有する水素核のフーリ
エ変換核磁気共鳴装置に適用したものである。本
実施例において、核磁気共鳴信号の主信号に対応
した第１の周波数ω₁を発振するための水晶発振
器１は、周波数60MHzで発振しており、その出力
がパルス変調後パワーアンプ２に入力される。パ
ワーアンプ２で振巾20Vまで増幅された第１の高
周波エネルギーH₁が、14キロガウスの磁石３内
に設置されたプローブ４の照射コイル５に印加さ
れると、試料管６内の水素核は該磁気共鳴現象を
起こし、共鳴信号は試料管６の周囲に巻かれた検
出コイル７で検出される。検出コイル７の出力
は、受信器８で増幅され、検波器９で検波され
て、可聴周波数に変換され、可聴周波数増幅器１
０で振幅10Vに増幅され、Ａ／Ｄ変換器１１でデ
イジタル量に変換され、コンピユータ１２で信号
平均化、フーリエ変換などのデータ処理が行なわ
れ、記録計１３やオシロスコープ１４に試料の水
素核の共鳴信号が表示される。このとき最適なデ
ータ収集が可能となるようにパワーアンプ２や受
信器８は制御回路１５を通してコンピユータ１２
により制御されている。ここで検波器９では、水
晶発振器１の60MHzの周波数を基準に検波するの
で、60MHz、即ちH₁の位置を０Hzとして約1200
Hzの範囲に共鳴信号が表示されることになる。第
２図は上述の実施例で測定表示したエチルベンゼ
ンC₆H₅CH₂CH₃の共鳴信号がオシロスコープ１
４に表示された状態を示したものである。メチル
基−CH₃とメチレン基−CH₂の共鳴信号は、スピ
ン−スピン結合により３本と４本に***してい
る。ここで、H₂を照射すべきメチル基−CH₃の
位置にマーカーを一致させることでH₁からの周
波数の差がコンピユータ１２で算出され、周波数
の差216Hzが表示機能を有する核磁気共鳴信号測
定器１６に表示される。

この核磁気共鳴信号測定器１６は、例えば、第
３図に示すように構成されている。第３図におい
て、１０１は、化学シフトの計算要求の有無を判
別して、要求のある場合は計算しその結果を表示
器へ送り出す役目をする中央処理ユニツト（本実
施例においてはコンピユータ１２がこの機能を有
する）、１０３は、スペクトルと化学シフト計算
要求位置（即ち、マーカで表示される位置）を表
示するためのCRT（本実施例においては、オシロ
スロープ１４がこの機能を有する）、１０２は、
CRT表示のための制御ユニツトである。また１
０５は、計算された化学シフトを表示する数字表
示器、１０４は、数字表示器の制御ユニツトであ
る。さらに１０６は、化学シフト計算表示の要求
指令ユニツトで、例えば、スイツチ等を利用でき
る。１０７は、計算要求を定期的に判別するため
の時計ユニツトで、中央処理ユニツト１０１はへ
割り込みの形で判別要求を送る。

第４図は、この核磁気共鳴信号測定器１６の動
作タイミングを示す。１１１は計算要求指令ユニ
ツト１０６から送られる化学シフト計算要求指
令、１１２は計時ユニツト１０７から送られる計
算要求の判別信号である。マーカ位置は、計算要
求指令１１１に基づいて、CRT１０３上を順次
移動するわけであるが、中央処理ユニツト１０１
は計算要求指令１１１と判別信号１１２が一致し
たときにマーカ位置設定信号１１３を発する。こ
のときのマーカ位置を例えば、CRT画面１１５
の上で位置１１６にあるとすると、マーカ位置設
定信号１１３に基づいて、１１４に示す期間Ａに
おいて、化学シフトを計算し、例えば数字表示器
上に１１８の如く表示する。その後、計算要求指
令１１１と判別信号１１２が一致した際に、マー
カ位置があらたに、例えばCRT上の１１７の如
く移ると、その後、期間Ｂにおいて、化学シフト
を計算し、数字表示器上に１１９の如く表示す
る。計算要求指令１１１がないときは、マーカ位
置はあらたに設定されることなく、現時点におけ
るマーカ位置が表示されるとともに、数字表示器
上の値も維持表示される。計算要求指令が発せら
れている間においては、継続し、連続的に化学シ
フトが表示される。

この表示された値、例えば216Hzが第２の発振
器１７に入力されると、発振器１７は正確に216
Hzを発振する。

この発振器１７は第５図に示す如く構成されて
おり、電圧制御発振器２２０で発振した信号は、
分周カウンタ２２１の入力端子に接続されてい
る。ここで先の周波数216Hzの値により分周カウ
ンタ２２１は２１６に設定されており、入力信号
はその周期が216分の１となつて出力端子から出
力され位相比較器２２２の１つの入力端子から入
力される。一方、基準信号発生器２２３は正確に
１Hzを発生しており位相比較器２２２の他の入力
端子から入力されている。位相比較器２２２で２
つの入力信号は比較され、誤差分が位相比較器２
２２の出力端子から出力され電圧制御発振器２２
０を制御する。こうして電圧制御発振器２２０は
分周カウンタ２２１に設定された値216Hzで発振
することになる。この周波数の安定度は基準信号
発生器２２３の安定度で決定される。基準信号発
生器２２３には水晶発振器が用いられておりその
安定度は10^-6のオーダーである。一方、電圧制御
発振器２２０の発振周波数はH₁からスペクトル
の分布範囲の０〜1200Hzであり、その変動分は最
高でも1200×10^-6＝0.0012Hzであり、共鳴信号の
半値幅0.5Hzに比較して無視できるオーダーであ
る。

この発振器１７の出力は、H₁のみを用いる通
常測定時はオフとされH₁及びH₂を用いる二重共
鳴法測定時はオンとされるスイツチ１８を通して
混成器１９の１つの入力に印加され、他方の入力
から印加されたH₁の周波数60MHzを変調して
60000216Hzという周波数が得られる。この周波数
はパルス変調された後パワーアンプ２を介してプ
ロープ４内の照射コイル５から試料管６内の試料
に第２の共鳴エネルギーとして作用する。この状
態で先の測定と同様に測定するとメチル基−CH₃
とメチレン基−CH₂のスピン−スピン結合が消去
された共鳴信号が得られ二重共鳴法の測定が行な
える。このときオシロスコープ１４に表示された
スペクトルを第６図に示す。

本実施例においては、第２の発振器にフエイ
ズ・ロツク・ループ回路を用いているので、第２
の高周波エネルギーH₂の精度を直接コンピユー
タのデジタル量で制御し、操作性を向上すると共
に、自動測定を実現することも容易である。

前記実施例においては、第１の発振器出力によ
り発生する、試料による核磁気共鳴信号の主信号
と副信号の位置の差を測定する核磁気共鳴信号測
定器として第３図に示すようなものが使用され、
また、該核磁気共鳴信号測定器により測定された
核磁気共鳴信号の主信号と副信号の位置の差に応
じた周波数を発振する第２の発振器として、第５
図に示されるようなものが使用されていたが、こ
れらは前記のものに限定されない。例えば、第７
図に示すような変形例も可能である。本変形例に
おいて、パルス発生回路３０１の出力パルスは、
スイツチ３０２を介して、マーカー信号掃引回路
３０３に入力される。マーカー信号掃引回路３０
３は、パルス発生回路３０１のパルス数に比例し
た電圧を発生するＤ／Ａ変換器で構成されてお
り、その出力電圧はビデオ信号回路３０４に入力
される。一方、分析計で得られた共鳴スピクトル
の信号電圧もビデオ信号回路３０４に入力され、
マーカー信号と重畳してCRT３０５（オシロス
コープ１４で兼用も可）上に表示される。ここで
はスイツチ３０２をＣ側に倒すと、マーカーは
CRT３０５上を右から左に、Ｄ側に倒すと、左
から右に移動するようにマーカー信号掃引回路３
０３は電圧を発生する。また、パルス発生器３０
１の出力パルスはスイツチ３０２のＣ端子より５
桁のカウンタ回路３０６のカウントアツプの入力
端子Ｅに、Ｄ端子はカウントダウンの入力端子Ｆ
に入力するように接続されている。カウンタ回路
３０６の出力は周波数表示ドライバー回路３０７
に接続され表示管３０８を表示する。ここで、パ
ルス発生器３０１から10個のパルスがマーカー信
号掃引回路３０３に入力されたとき、マーカーが
CRT３０５上に表示された共鳴スペクトル上を
１Hz移動するようにマーカー信号掃引回路３０３
の出力電圧を設定しておけば、表示管３０８は
0000.1Hzから9999.9Hzまでを0.1Hz単位で表示する
ことになる。実際水素核の共鳴信号の場合は
1200.0Hzで十分である。マーカーは共鳴スペクト
ルと直交する一本の線でもよいし、共鳴スペクト
ル上の一点の輝度を増した点でもよい。また周波
数は通常の共鳴スペクトル測定に用いた第１の共
鳴エネルギーの周波数の位置を0.0Hzに表示する
ようにカウンタ回路３０６を設定しておく。測定
者はスイツチ３０２を操作して共鳴スペクトルと
マーカー信号を一致させるだけで正確にスピン−
スピン結合している核の共鳴周波数を知ることが
できる。

次に、表示管３０８の表示周波数に一致した周
波数を発振させるにはPLL（フエイズ・ロツク・
ループ）回路を用いれば簡単に構成することがで
きる。即ち、1KHzの発振器３０９は位相検出器
３１０の一つの入力端子Ｇに接続されている。位
相検出器３１０の出力はフイルター３１１を介し
て電圧制御発振器３１２に入力される。電圧制御
発振器３１２の出力は５桁のカウントダウン回路
を３１３を経て位相検出器３１０の他方の入力端
子Ｈに入る。位相検出器３１０は、２つの入力信
号の位相差を検出して出力するので、電圧制御発
振器３１２はカウントダウン回路３１３に設定さ
れた数値をＫHz単位で発振することになる。電圧
制御発振器３１２の出力を10000分の１に分周す
る分周回路３１４を介して取り出すと0.1Hz単位
でカウントダウン回路３１３に設定した値にな
る。このカウントダウン回路３１３の設定端子Ｉ
に先のカウンタ回路３０６の出力を接続すれば、
マーカー信号に連動して電圧制御発振器３１２が
発振する。分周回路３１４の出力を、第１の共鳴
エネルギーの周波数を発振する水晶発振器１の１
の出力とを混成器１９で合成すれば第２の共鳴エ
ネルギーを得ることができる。ここで、第１の共
鳴エネルギーの周波数を0.0Hzとして構成したが、
基準信号（例えばTMSの共鳴信号）の位置を0.0
Hzにした場合は、カウンタダウン回路３１３にオ
フセツト回路を追加すれば同様に第２の共鳴エネ
ルギーを得ることができる。

本実施例によれば、核磁気共鳴スペクトルのス
ピン−スピン結合している一方の核の位置の周波
数を精度良く読み取ることができると同時に、第
２の共鳴エネルギーを正確に得ることができる。

本発明によれば、核磁気共鳴スペクトル表示手
段に核磁気共鳴スペクトル位置を選択し指定する
移動可能なマーカーを表示すると共に、第１の高
周波とマーカーにより選択し指定された核磁気共
鳴スペクトル位置の周波数との差を測定し、この
測定された差の周波数をフエーズ・ロツク・ルー
プ回路を用いて発振し、この発振した差の周波数
により第１の高周波を変調して二重共鳴用の第２
の高周波を発生するようにしているため、第１お
よび第２の高周波を長時間にわたり安定に保つこ
とができると共に、二重共鳴用の第２の高周波の
設定を容易かつ精度よく正確に行うことができ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明に係る核磁気共鳴装置の実施
例が適用された水素核のフーリエ変換核磁気共鳴
装置を示すブロツク線図、第２図は、前記実施例
において、通常測定で得られるエチルベンゼンの
共鳴信号スペクトルを示す線図、第３図は、前記
実施例における核磁気共鳴信号測定器の構成例を
示すブロツク線図、第４図は、第３図の構成例に
おける各部信号波形を示す線図、第５図は、前記
実施例における第２の発振器の構成例を示すブロ
ツク線図、第６図は、前記実施例において、二重
共鳴法を用いて測定されたエチルベンゼンの共鳴
信号スペクトルを示す線図、第７図は、前記実施
例における核磁気共鳴信号測定器及び第２の発振
器の変形例を示すブロツク線図である。 １……水晶発振器、２……パワーアンプ、３…
…磁石、４……プローブ、６……試料管、８……
受信器、９……検波器、１０……可聴増幅器、１
１……Ａ／Ｄ変換器、１２……コンピユータ、１
６……核磁気共鳴信号測定器、１７……発振器、
１９……混成器。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 磁場中に配置された試料に第１の高周波をパ
   ルス状に照射することにより前記試料の核磁気共
   鳴スペクトルを測定するに当つて二重共鳴のため
   に前記試料に第２の高周波をパルス状に照射する
   核磁気共鳴装置において、前記核磁気共鳴スペク
   トルを表示する手段と、該表示手段に前記核磁気
   共鳴スペクトル位置を選択し指定するための移動
   可能なマーカーを表示する手段と、前記第１の高
   周波と前記マーカーによつて選択し指定された核
   磁気共鳴スペクトル位置の周波数との差を測定す
   る手段と、その測定された差の周波数信号を発振
   するフエーズ・ロツク・ループ回路と、その発振
   した差の周波数信号により前記第１の高周波を変
   調して前記第２の高周波を発生する手段とを備え
   ている核磁気共鳴装置。