JP4203003B2 - Ｎｍｒ分析装置のサンプル温度制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、高分解能ＮＭＲ（核磁気共鳴）分析装置に用いられるサンプル温度制御装置に関する。

高分解能ＮＭＲ分析装置で超電導プローブを用いる場合のサンプル温度制御装置に関する例として、特許文献１、２にＮＭＲプローブの記載がある。これらはＮＭＲ試料管の下方に備わっているヒータの他に、上部付近にも別のヒータを設けて、サンプルコイル付近での温度勾配の発生を抑制する。また、特許文献３ではセラミックセルの下部からの温調ガスに対し、上部にヒータを設けている。

特開２００２−１６８９３２号公報 特開２００２−１９６０５６号公報 特開２０００−２４１５１８号公報

従来技術によれば、サンプルコイル付近での温度勾配の発生は抑制することができる。しかし、上記の技術は試料管表面を直接加熱するものはなく熱効率が低下する。かつ、試料管は非回転型のものに限られている。

本発明の目的は、上記従来技術の問題点に鑑み、温度勾配を効率よく抑制でき、また試料管が回転する場合にも適用可能なＮＭＲ分析装置のサンプル温度制御装置を提供することにある。

上記目的を達成する本発明は、回転可能に支持されて分析試料を収納する試験管と、分析試料の温度を試験管下部からのガスで調節する手段を備えたＮＭＲ分析装置の温度制御装置において、前記試験管のＲＦ透過パイプよりも上部の表面にヒータを直接配置し、かつ前記ヒータに回転可能に電力を供給する電力供給手段を設けたことを特徴とする。前記電力供給手段は、たとえば前記ヒータの電極と対応するスリップリングである。

前記ヒータは、電極部の出線及び帰線が作る磁場が互いに相殺されるように配置し、かつ前記ヒータはコイル状またはすだれ状に配置されることを特徴とする。前記ヒータはシート状に形成され、前記試験管に巻きつけて配置する。あるいは、前記ヒータは前記試験管に印刷して配置する。

また本発明は、分析試料を収納する試験管と、分析試料の温度を試験管下部からのガスで調節する手段を備えたＮＭＲ分析装置の温度制御装置において、前記試験管のＲＦ透過パイプよりも上部の表面にヒータを直接配置し、前記ヒータへの電力供給手段は交流による非接触構造で行うことを特徴とする。これによれば、試験管が回転／非回転にかかわらず実現できる。

本発明の態様と作用を説明する。本発明は常温側に配置される試験管の上部をヒータで加熱して、加熱部からの熱伝導により試験管の試料が入った領域を一定温度に保つ。すなわち、温調ガスにより試験管下部の方が温度が高い温度勾配ができている。これに試験管上部のヒータにより、試験管の上部から下部への新たな温度勾配を設ける。温調ガスで生じる試験管の下から上に温度低下する勾配と、試験管の上部加熱による上から下へ温度低下する勾配の合成により、試料近傍の温度分布を平坦化する。

試験管上部は、静磁場の均一性やＲＦ信号の透過性能が要求されるＲＦ受信コイルや試料の存在領域から離れているため、本発明のヒータを設けてもＮＭＲ分析に重要なＲＦ透過率劣化や、静磁場を乱す原因とはならない。具体的には、ヒータ電流で生じる磁場の影響は、距離の２乗に反比例するので、ＲＦ透過パイプにヒータを設置する場合に比べて影響は小さい。またヒータは、ＲＦ信号が透過するＲＦ受信コイルと試料の間に設けないので、本発明の試料温度の均一化手段を設けても、ＲＦ受信感度に悪影響を与えることはない。

本発明の温調系の特に好ましい態様は、ヒータコイルを表面に印刷した試験管を用い、ヒータコイルに電力を供給する。これにより、試験管の上部の温度が高く、下部が低い温度勾配を簡単に実現でき、試験管の下部からの温調ガスによる加熱手段と併用することで、試料の温度を均一化できる。この際、試験管を回転させる構造としているので、ＮＭＲ分析の場合はヒータ電力の供給をスリップリングを介して行う。

あらかじめ温調ガス流量と温度均一化に必要なヒータ電力を測定しておくことで、ヒータ電力一定制御で、試料温度の均一制御を行う。また、制御温度とヒータ電力の関係のばらつきが大きい体系においては、試験管の特定位置（たとえば、試料近傍）の温度を実測して、この温度をフィードバックしてヒータ温度の制御を行う。

試験管上部へのヒータの配置は、試験管に直接ヒータを印刷する他に、ヒータシートを試験管に巻く方式がある。これによれば、市販の試験管をそのまま使うことが可能である。ヒータシートは伸縮可能な構造にして試験管に巻きつける。ヒータシートをワンタッチで試験管に巻きつける方式として、半割れ構造での実現も可能である。

ヒータへの電力供給方法として、スリップリング以外に無線での電力供給も可能である。この場合、電力供給側と電力を受けるヒータ間はトランスによる結合とし、ヒータの抵抗成分にのみ電力を供給できるような共振回路で実現すれば、効率良くヒータへの電力供給が可能となる。

本発明によれば、ＲＦ透過パイプよりも上部の試験管部分を直接過熱するヒータを併用することで、静磁場の乱れを回避しつつＲＦ受信コイル感度を損なわずにＮＭＲ分析試料の温度勾配を低減できる。

以下に本発明の実施の形態を、図面を参照して詳細に説明する。

図１は、本発明の第一の実施例によるＮＭＲ分析試料制御装置である。まず、全体構成について説明する。試験管１は保持パイプ２１で支持され、その下端に収納された試料９はＲＦ受信コイル３の近傍に配置されている。試料９をほぼ常温近傍にして、ＲＦ受信コイル３を低温に維持するため、隔壁として室温パイプ２とＲＦ透過パイプ４を介在させている。

試験管１は回転しながら試料分析を行う構造である。このため、試験管１にロータ１１を嵌め込み、試験管支持体１２から回転方向にガスを吹き付けて回転させる。ガス配管は図示していないが、室温パイプ２側から試験管支持体１２に通してある。他の方法による回転手段として、ロータ１１に永久磁石を貼り付け、試験管支持体１２に回転磁界を与える方式などが考えられる。

ヒータコイル５は試料９とＲＦ受信コイル３の位置より上部（ＲＦ透過パイプ４よりも上部）に配置する構成としたので、ヒータコイル５を用いてもＲＦ波の透過効率は劣化しない。ヒータコイル５への電力供給は、ヒータ電源５１からスリップリング５２、出線および帰線の電極５３を介する。

ＲＦ受信コイル３は、ＮＭＲ分析試料にＲＦ波を照射し、試料から放射されるＲＦ波を受信する。照射するＲＦ波は、ＲＦ信号発生器３１から電気信号として受信コイル３に供給する。試料から放射されるＲＦ波は、受信コイル３からＲＦ信号受信器３２を通って、ＲＦ信号分析器３３でその周波数分析を行う。

ＮＭＲ分析における全体の動作について説明する。分析すべきたんぱく質などの試料９は、試験管に適量収納される。試料９は、ＲＦ受信コイル３の近くに配置される。試料９には図示しない超伝導磁石による大きな静磁場８２（例えば６００ＭＨｚ機で約１４Ｔ）が印加されている。ここで使用しているＲＦ受信コイル３は高周波のＲＦ波の照射と受信の両方の機能を有している。ＲＦ信号発生器３１からＲＦ受信コイル３に送り、試料９中にＲＦ波を照射する。試料９中の成分の一部が核磁気共鳴を起こし、ＲＦ波照射終了後の緩和過程で試料９からＲＦ波が放出されるので、ＲＦ受信コイル３でこれを捉えて、ＲＦ信号受信器３２で増幅し、ＲＦ信号分析器３３で周波数分析して放出されたＲＦ波の周波数を抽出する。分析担当者は、放出されたＲＦ信号の周波数から試料に含まれる成分に関する知見を得ることができる。

ここで、試料９から放出されるＲＦ信号の周波数は、試料温度により変化する。このため、試料温度が均一でないと、複数の成分の混在が疑われるなど、正確な試料分析に支障をきたすことになる。

図２にＮＭＲ分析試料の試験管軸方向の温度分布を示す。実線が、温調ガス８１だけで温度制御する場合の試料９の温度分布である。ＲＦ受信コイル３側に熱を奪われるため、上に行くほど温度が低下している。試験管１の上部を加熱すると、試験管１の上部の温度が高く下部が低い温度勾配ができるので、２つの違った加熱により、温度勾配が平均化される。点線は、試験管７上部を加熱したことにより生ずる試料９近傍の温度分布であり、試料９温度の均一化が図られていることがわかる。

ヒータコイル５は、試験管１表面に密着してかつ出線導体と帰線導体を絶縁体を介して重ね合わせるように配置してある。これにより出線側の電流で作る磁界と帰線側の電流で作る磁界が打ち消しあうため、ヒータコイル５による静磁場への影響を抑制できる。

本実施例では、ヒータ電源５１からヒータコイル５への電力供給はスリップリング５２を介して行う。図３にスリップリング部の概略の断面構造を示す。スリップリング５２は、試験管１の表面に配置した電極５３に対し４本のばね上の導体を接触させることで、電流を流す構造である。電極５３は、出線電極と帰線電極間に絶縁材を配置して形成している。

スリップリング５２は、試験管１を回転させながらＮＭＲ分析する場合にも対応可能である。試験管１を回転させる場合は、ヒータコイル５と電極５１間に質量のアンバランスを生じる可能性が有るため、カウンタウェイト５６を線状に配置している。

電極５３の出線および帰線は、それぞれスリップリング５２と接続するため、電極５３の位置で出線と帰線が重なり合っていない。このため、それぞれの電流による磁界の打ち消しの効果がヒータコイル５部に比べると小さい。ここでは、電極５３を試験管１上部に配置することで、受信コイル３との距離を大きくして、ヒータ電流による磁界が静磁場に与える影響を抑制している。

コイル状にヒータを巻く方式は、加熱したい位置だけコイルを密に巻けば良いため、加熱位置の制御がし易い。一方、ヒータ電流による静磁場８２の干渉を考えた場合、ヒータコイル５はすだれ状に配置する方が静磁場に与える影響が少ない。

図４は、ヒータをすだれ状に配置した例を示す。通常使用されているＮＭＲ分析装置の静磁場の方向は、図１に示すように、試験管１の軸方向を向いている。ヒータコイル５をすだれ状にすると、ヒータコイルに流れる電流で生じる磁界は図１で横方向に向く。このため、静磁場の方向とコイル磁場の方向は直交するため干渉が起こりにくい。但し、静磁場が試験管１に対し、横方向を向くようなＮＭＲ分析装置では干渉する可能性があるので、この場合はヒータを巻く方式の方が望ましい。

また、ヒータをすだれ状に配置する場合、電極から見てそれぞれのヒータを並列に接続する（図４）のみならず、直列に接続することも可能である。どのようなヒータ配置にするかは、要求性能との関連で決めることになる。

なお、本実施例においては、あらかじめ試料９の温度設定値と、その時の温調ガスによる温度勾配をあらかじめ測定しておき、その温度勾配を抑制するためのヒータコイル５の電力量を求めておき、ヒータ電源５１による電力一定制御を行う。通常、ＮＭＲ分析装置は、空調の効いた温度が安定な場所に設置されているため、電力一定制御でも温度勾配均一化が可能となる。

しかし、何らかの原因で電力一定制御では、試料９の温度設定値のばらつきが大きくなる場合がある。温度勾配の抑制が充分でない場合は、ヒータコイル５により生じる試験管１の温度を測定し、それをフィードバックして温度制御する。例えば、試験管１表面のヒータコイル５の下端と、試料９のほぼ中間付近のガス温度を室温パイプ２の内側に温度センサを配置し、この温度センサの測定値と温調ガス８１の温度設定値もしくは温度測定値との差を検出し、ヒータ５へ加える電力量を制御すればよい。温調ガス８１の温度設定値と、室温パイプ２の内側に配置した温度センサの読みの関係は、あらかじめ測定しておけば、より高い精度で試料温度の制御が可能になる。

温度測定手段に熱電対を使用する場合、ヒータコイル５と違ってほとんど電流が流れないので、電流による静磁場への影響はほとんど生じない。但し、熱電対には磁性材を用いるものも多いので、その磁化が静磁場に与える影響を最小限とするように、材料の選定に考慮が必要である。また、測温抵抗体やその他の温度計も、静磁場への影響を考慮して選定したものを使用することで、温度制御に使用可能である。

試験管１を回転させてＮＭＲ分析する場合、図３で示したようなスリップリングを用いることで、温度信号を試験管外に取り出すことが可能である。この場合、温度センサの出力が小さいので、スリップリング摺動による雑音を抑制するためにローパスフィルタの導入が必要になることがある。

本実施例によれば、超電導のＲＦ受信コイル装置を有するＮＭＲ分析装置の試料温度制御装置において、試験管上部にヒータを直接配置することで試験管軸方向の温度勾配の均一化を効率よく図ることができる。また、スリップリングを介してヒータに電源を供給するので、試験管が回転する構造の場合にも適用できる。

実施例１では、ヒータ５を試験管１表面に印刷することで実現していたが、試験管１のコストが上昇する。コスト低下に望ましい形態として、実施例２は電極５３、ヒータコイル５を円筒シート状にして、試験管１にはめ込む構造とする。

図５は、はめ込み構造のヒータを示す。ヒータコイル５は円筒シート状に形成されて、試験管１に嵌め込まれる。これにより、試験管１が汚染した場合は、試験管１だけを廃棄して、ヒータ５は繰り返し再利用できる。円筒シート素材としては、エポキシ系やポリイミドなど一般的なフレキシブルプリント基板素材を使用することで実現可能である。また、電極５３、ヒータコイル５の生成も一般的なプリント基板製作技術で実現できる。

円筒シートに対してヒータ線を印刷すると、コストアップの要因となる。このため、図５に示すようなヒータを平板上のシートに印刷し、これを円筒シート素材に貼り付けることで円筒状のヒータを実現できる。ここでも、出線５３１と帰線５３２は絶縁材をはさんで重ね合わせて配線する。なお、すだれ状ヒータを用いることも可能である。

実施例１，２では、スリップリング５２を介して電極５３からヒータコイル５に電力を供給している。スリップリング５２という機械的な接触部分があるので、寿命の短くなる可能性がある。

さらに望ましい形態として、ヒータへの電力供給に交流を用いて非接触構造で電力を供給する。図６は交流によるヒータ加熱方式を用いたサンプル温度制御方式を示す。スリップリング５３を用いずに、電力送信コイル５４と電力受信コイル５５を用いたことが特徴である。つまり、電力送信コイル５４を図３で示したスリップリング５２の位置におき、電力受信コイル５５をヒータ側の電極５３の位置に配置する。

周波数としては、１０ｋＨｚから１ＭＨｚ程度が望ましい。この周波数域は、ＮＭＲ分析装置で使用されない周波数帯域であるため干渉を生じない。電力の伝達効率を高めるため、共振回路を付加して、特定の周波数の電力を供給することが望ましい。また、交流電流と静磁場の干渉により、ヒータに電磁力が生じる。このため、使用する周波数としては高い方が望ましく、１ＭＨｚにより近い周波数を用いることが良い。

図７に電力送信コイルと電力受信コイルによる電力送受の方式を示す。試験管１にほぼ密着するように電力受信コイル５５が配置されている。図では、見やすいように電力送信コイル５４と電力受信コイル５５の高さを違えて示してあるが、実現に際しては同じ高さに配置し、電力受信コイル５５を電力送信コイル５４で囲むように配置する。電磁誘導により、電力送信コイル５４から電力受信コイル５５に電力を伝える構造である。

交流によるヒータ加熱方式を用いれば、スリップリング５２を不要にできるので、機械的接触部がない点で信頼性向上が図れる。

本発明の実施例１によるＮＭＲ分析装置のサンプル温度制御装置の概略図。 ＮＭＲ分析試料近傍の軸方向の温度分布の模式図。 ヒータの電極とヒータ電源を接続するスリップリングの概略断面構造図。 すだれ状に配置したヒータの概略構造図。 実施例２によるヒータコイル概略構造図。 交流加熱方式を用いたサンプル温度制御装置の概略構造図。 交流加熱方式の電力伝送方式の概念図。

符号の説明

１…試験管、２…室温パイプ、３…ＲＦ受信コイル、４…ＲＦ透過パイプ、５…ヒータコイル、３１…ＲＦ信号発生器、３２…ＲＦ信号受信器、３３…ＲＦ信号分析器、５１…ヒータ電源、５２…スリップリング、５３…電極、５３１…出線、５３２…帰線、５４…電力送信コイル、５５…電力受信コイル、５６…カウンタウェイト、８１…温調ガス、８２…静磁場、９…試料。

Claims (7)

1. 回転可能に支持されて分析試料を収納する試験管と、分析試料の温度を試験管下部からのガスで調節する手段を備えたＮＭＲ分析装置の温度制御装置において、
   前記試験管のＲＦ透過パイプよりも上部の表面にヒータを直接配置し、かつ前記ヒータに回転可能に電力を供給する電力供給手段を設けたことを特徴とするＮＭＲ分析装置のサンプル温度制御装置。
2. 請求項１において、前記電力供給手段は前記ヒータの電極と対応するスリップリングであるＮＭＲ分析装置のサンプル温度制御装置。
3. 請求項１または２において、前記分析試料またはその近傍の温度を検出、フィードバックして、前記ヒータの温度を制御する温度調節手段を設けることを特徴とするＮＭＲ分析装置のサンプル温度制御装置。
4. 請求項１、２または３において、前記ヒータは電極部の出線及び帰線が作る磁場が互いに相殺されるように配置し、かつ前記ヒータをコイル状またはすだれ状に配置することを特徴とするＮＭＲ分析装置のサンプル温度制御装置。
5. 請求項１、２、３または４において、前記ヒータをシート状に形成して、前記試験管に巻きつけて配置したことを特徴とするＮＭＲ分析装置のサンプル温度制御装置。
6. 請求項１、２、３または４において、前記ヒータは前記試験管に印刷することを特徴とするＮＭＲ分析装置のサンプル温度制御装置。
7. 分析試料を収納する試験管と、分析試料の温度を試験管下部からのガスで調節する手段を備えたＮＭＲ分析装置の温度制御装置において、
   前記試験管のＲＦ透過パイプよりも上部の表面にヒータを直接配置し、前記ヒータへの電力供給手段は交流による非接触構造で行うことを特徴とするＮＭＲ分析装置のサンプル温度制御装置。
   

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