DE69228523T2 - Einrichtung zur Formgebung von Proben der magnetischen Kernresonanz - Google Patents

Description

• Diese Erfindung bezieht sich auf das Formen von NMR-Proben durch Formen der Probenröhren oder der Einsätze für Röhren, um die magnetische Feldhomogenität über den Bereichen der Probenröhre zu verbessern, die mit der Beobachterspule koppeln.
• Die magnetische Kernresonanzspektroskopie (NMR) ist eine wichtige analytische Technik, seit sie 1946 verfügbar wurde. Wenn ein atomarer Kern in einem konstanten, homogenen magnetischen Feld hoher Intensität angeordnet wird, und zu gleicher Zeit einem bestimmten HF-Wechselfeld ausgewählter Frequenz ausgesetzt wird, kann ein Übergang von Energie zwischen dem HF-Feld und dem Atomkern vonstatten gehen, um zu erzeugen, was als Umklappen des Kerns beschrieben wird, welcher Kern unmittelbar relaxieren wird, daß heißt zurückklappen wird, wo er erneut absorbieren kann, was ein Vor- und Zurückklappen ergibt. Dieses Hin- und Herklappen wird Resonanz genannt. Genauer gesagt: Wenn ein System von Kernen einer Strahlung einer Frequenz f&sub0; ausgesetzt wird, so daß die Energie hf&sub0; eines Strahlungsquantums, wobei h die Plancksche Konstante ist, gleich dem Energieunterschied zwischen zwei benachbarten Energieniveaus des Kerns ist, dann können Energieübertragungen auftreten, in welchen der Kern als hin- und herklappend, von einer erlaubten Orientierung zu einer anderen, angesehen werden kann. Die Vorrichtung für derartige NMR-Experimente ist relativ einfach im Konzept und enthält einen großen Magneten, um ein festes Feld H&sub0; zu erzeugen, und elektronische Ausrüstung, um eine HF-Anregungsenergie (Transmitter) zu erzeugen, welche mit einer Anregungsspule gekoppelt wird, welche um eine Probe herum angeordnet ist und diese anregt, und einen elektronischen Empfänger enthält, welcher ebenfalls mit der Spule in einem Teil des Spektrometers, welcher als Sonde bekannt ist, koppelt. Bei modernen NMR-Spektrometerausrüstungen werden Empfänger und Transmitter normalerweise sehr schnell an- und ausgeschaltet, so daß der Empfänger nicht empfängt, wenn der Transmitter eingeschaltet ist, und vice versa.
• Es ist wichtig, daß die Empfängerspule sehr nahe mit den Probenatomen gekoppelt ist, die normalerweise in einem Lösungsmittel gelöst sind, und welche in einer Probenteströhre angeordnet sind, und daß die Empfängerspule soviel wie möglich mit Probenmaterial gefüllt ist, daß heißt einen großen Füllfaktor aufweist, da die Intensität des empfangenen Signals in der Empfängerspule in Beziehung zu der Anzahl der Kerne, die zu der Spule koppeln, steht, und da das Emittersignal für jeden Kern sehr klein ist. Ein großer Anteil der gesamten Anstrengung zur Verbesserung der NMR-Spektrometer wurde in den letzten Jahren in die Verbesserung des Sondenteils des NMR-Spektrometerinstruments gesteckt, um die Techniken zur Ankopplung an die Probe zu verbessern.
• Früh in der NMR-Entwicklung wurde anerkannt, daß einer der wichtigsten Parameter bei der NMR die Homogenität es magnetischen Wechselfeldes ist. Tatsächlich wurde, als die Homogenität der frühesten Magneten erstmals verbessert wurde, die Fähigkeit des NMR-Spektormeters, eine hoch auflösende Spektroskopie auszuführen, entdeckt. Hoch auflösende Spektren sind jene Spektren, bei denen die Resonanzlinien dichter liegen als die Hauptresonanzverschiebungen, die durch Unterschiede in der chemischen Umgebung der beobachteten Kerne auftreten, wie etwa durch sekundäre magnetische Felder der Moleküle einer Probe verursacht. Homogenität ist eine Qualität des magnetischen Wechselfeldes. Das Ziel ist es, eine perfekte Homogenität zu haben, das bedeutet, daß alle Atome der Probe durch ein magnetisches Feld mit identischer Richtung und Stärke beeinflußt werden.
• Bisher war klar, daß Elemente der Sonde ebenfalls die Homogenität der Wechselfeldlinien entlang der Probe beeinflussen können. Da die Sonde verschiedene Materialien und Formen aufweist, beeinflußt jedes Material und seine Form das magnetische Feld unterschiedlich und kann demnach die Homogenität schädlich beeinflussen.
• Ein früheres Patent von Andersen et al., US-Patent Nummer 3 091 732, versuchte die Sondenspulen und -kleber aus Materialien zu fertigen, in welchen die gemischte magnetische Suszeptibilität zu der die Probenröhre umgebenden Luft paßt. Andere Inhomogenitäts-Korrektursonden-Patente schließen das US-Patent 4 517 526 zum Korrigieren von Löchern in einer Spulenform, und das US-Patent 4 077 002 ein, welches auf die Korrektur für Kanteneffekte gerichtet war, wenn eine nicht ausreichende Menge von Probenflüssigkeit zur Verfügung stand, um den Beobachtungsbereich und darüber hinaus vollständig zu füllen. Das US-Patent 4 549 136 lehrt die Verwendung von Materialstöpseln, die der Probenröhre hinzuzufügen sind, deren Suszeptibilität gleich dem Lösungsmittel der Probenröhre ist.
• Es ist für einige Jahre Standard gewesen, lange, zylindrische Probenröhren mit kleinem Durchmesser zu verwenden, um die Probe aufzunehmen. Wenn nur ein sehr kleines Probenvolumen verfügbar ist, oder wenn die Probe sehr teuer ist, ist sogar dieser Weg problematisch und erfordert, daß die Probe in Lösung gegeben wird, mit einer gleichzeitigen Verminderung des Signals. In derartigen Fällen wurden Probenstopfen verwendet, um Endeffekte zu vermeiden, wenn die Probe den Probenraum nicht ausgefüllt hat und unterhalb einer befriedigenden Menge lag.
• Es war im Stand der Technik auch bekannt, einen Nylonstopfen in eine Probenröhre einzuführen, welcher einen Probenraum mit sphärischem Volumen zur Verfügung gestellt hat. Es waren auch sphärische Glaskolben bekannt. Sphärische Volumina haben einen schlechten Füllfaktor und leiden unter Fehlern in dem Glas der Kugel, sowie unter Störungen, die durch die Probe in den an der Glaskugel angebrachten Glashalter eingeführt wurden.
• Gemäß einem Aspekt der Erfindung wird ein NMR-System mit einer Probenröhre zur Verfügung gestellt, wie in Anspruch 1 ausgeführt. Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein NMR-System mit einem Probenformer zur Verfügung gestellt, wie in Anspruch 6 ausgeführt.
• Ein Beispiel der Erfindung wird nunmehr mit Bezug auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben in denen:
• Fig. 1 ein Blockdiagramm und ein Schema einer NMR-Probensonde und eines systems aus dem Stand der Technik ist;
• Fig. 2A eine dreidimensionale Ansicht einer Übertragungs-/Empfangs-Sattelspule ist;
• Fig. 2B ein Querschnitt einer bevorzugten Ausführungsform der Probenröhre dieser Erfindung und der Sattelspule ist;
• Fig. 3A, 3B und 3C ein Querschnitt einer Probenröhre mit kleiner Bohrung aus dem Stand der Technik, und einer Ausführungsform mit einer konischen bzw. einer elliptischen Endform der vorliegenden Erfindung sind;
• Fig. 4A und 4B NMR-Spektren sind, die aus einer Probe aus DNA-Proteinfragment in H&sub2;O erhalten wurden, die in einer Röhre aus dem Stand der Technik bzw. in einer Probenröhre enthalten war, die Einsätze gemäß unserer Erfindung enthielt;
• Fig. 5 ein Querschnitt einer Standard-Probenröhre mit einem Einsatz oberhalb und unterhalb der Probe zum Formen der Endbereiche ist;
• Fig. 6 ein Querschnitt des oberen Einsatzes dieser Erfindung gemäß Fig. 5 ist;
• Fig. 7 ein Querschnitt des unteren Einsatzes der Fig. 5 ist.
• In Fig. 1 sind das Blockdiagramm der wesentlichen Eigenschaften eines NMR- Spektrometers sichtbar. Der Magnet mit Polen 7 und 8 zum Liefern eines homogenen, magnetischen Feldes H&sub0; über einen Raum, in welchem eine Sondenstruktur 1, bestehend aus einer Empfänger-/Ubertragungs-Sattelspule 2, Fig. 2A, auf beiden Seiten einer Probenröhre 11 zum Anregen der Kerne der Probe in der Probenröhre eingeführt ist, wobei die Probe in der Sonde 1 aufgelöst ist und so positioniert ist, daß die Probe in der Region 10 zentriert ist, Fig. 2 und 3, bekannt als die Beobachtungswechselwirkungsregion.
• Der Übertragungs-/Empfangs- und Signalprozessor 12 ist mit den Sondenleitungen 16 verbunden. Die Anzeige 14 ist mit dem Elektronikmodul 12 verbunden und schließt oftmals Aufzeichnungsgeräte, Drucker und andere Formen von Anzeigeapparaten ein. Ein Rotor 30 wird durch Luftzufuhr 31 angetrieben, um Effekte magnetischer Feldinhomogenität auszuschmieren.
• Im Stand der Technik verursachte der Meniskus 5, Fig. 2A, welcher durch die routierende Flüssigkeit in der Probenröhre verursacht wurde, Endeffekt-Inhomogenität. Es ist klar, daß in dem Fall, bei dem die Menge der Probe nur eine begrenzte Verfügbarkeit aufweist, die Probenröhre von der Position 18 zu der Position 18' angehoben werden würde, so daß der Beobachtungsbereich 10 mit der Probe gefüllt werden könnte, während die kleinste Flüssigkeitsmenge in der Röhre verwendet werden würde. Es ist auch klar, daß in dieser Position die Materialien in der Nähe des Bodens der Beobachtungsregion die Homogenität beeinflussen, durch abruptes Einführen von Suszeptibilitätsveränderungen, verursacht durch Veränderungen von der Luft zu dem Glas zu dem Probenmaterial.
• Es ist klar, daß die Formen und Materialien an der Oberseite und der Unterseite der Beobachtungsregion nicht symmetrisch sind. Auf der Oberseite, in der Nähe von 5 ist der Glaszylinder offen und setzt sich ohne Flüssigkeit fort, während der Glaszylinder am Boden abrupt geschlossen ist und aufhört.
• Um diese Störungen wenn möglich zu minimieren, wird der Spektroskopist die Probenröhre überfüllen, um die Suszeptibilitätgrenzflächen weg von der Beobachtungsregion zu bewegen. Diese Praxis benötigt 2-3 mal soviel Probenmaterial und kann darüber hinaus Artefakte durch die Stimulation der Probe durch HF-Streufelder einführen.
• Die Fig. 2B zeigt eine Ausführungsform eines Abschnittes einer Probenröhre gemäß der Erfindung. Hier ist die Probenröhre geformt, um die Probe vollständig in einem Volumen aufzunehmen, welches symetrisch bezüglich der z-Achse 28 und in wesentlichen symetrisch zu der Mittenebene 27 ist. Die abrupten Enden der Flüssigkeitssäule, welche Suszeptibilitätsdiskontinuitäten im Stand der Technik darstellen, sind durch die Probenröhre geformt, um diese Kontinuitäten zu minimieren. Die Enden sind als ein sich graduell entwickelnder Festkörper ausgebildet, daß heißt konisch. Diese Struktur verlängert die Enden der Probenflüssigkeit entlang der Mittenlinie sehr viel weiter von der Beobachtungswechselwirkungsregion weg, für das gleiche Gesamtprobenvolumen wie in dem Stand der Technik. Die graduelle Veränderung in der Form der Röhre gemäß der Erfindung reduziert Gradienten höherer Ordnung. In der Beobachtungswechselwirkungsregion wird der Durchmesser 24 der Probenröhre soweit wie möglich gemacht, um einen maximalen Füllfaktor zu erhalten. An angemessen ausgewählten Positionen 22 und 23 außerhalb der Wechselwirkungsregion 10 verändert sich die Probenröhre von einer zylindrischen Form in eine konische Form. Die Spitze des konischen Abschnittes bei 21 schließt nicht vollständig ab, stattdessen endet sie in einer Röhre 25 mit sehr kleiner Bohrung zum Einsetzen der Probe.
• Die Fig. 3A zeigt die Abmessungen für eine standardmäßig erhältliche Wilmad- 528-Probenröhre. Dies zeigt, daß 392 mm³ der Probe sich nur 0.6 cms über die Beobachtungsregion hinaus erstrecken, in einer Varian-NMR-Sonde, wenn das geschlossene Ende der Röhre 0.6 cms von dem Boden der Beobachtungsregion entfernt ist. Die Beobachtungswechselwirkungsregion ist mit 1.6 cms für diese Sonde spezifiziert.
• Die Fig. 3B zeigt, daß sich das Design mit konischem Ende für das Probenvolumen für 392 mm³ 1.2 cms auf beiden Seiten der Wechselwirkungsregion erstreckt, ohne jegliches Zugeständnis an den Füllfaktor. Das Volumen jeder der konischen Regionen beträgt Vcr = 5 mm³. Gemäß Fig. 3C können ähnliche Vorteile durch Formen des Rohrendes in eine elliptische Form mit einer großen Halbachse von 0.91 cms und einer kleinen Halbachse von 0.206 cms erhalten werden. Das Volumen jedes der elliptisch geformten Enden ist Ve = 85 mm³, und das Fluid dieser Ausführungsform erstreckt sich 0.206 cms auf beiden Seiten der Beobachtungsregion. Diese elliptische Konfiguration hat den weiteren Vorteil, daß sie ein gleichförmiges, magnetisches Feld nicht stören wird, und daß das Feld in einem elliptischen Hohlraum gleichförmig ist, wenn das umgebende Feld gleichförmig ist.
• Die gewünschten Ziele sind erreicht durch Erstellen einer Form für die Enden der Probenröhre, welche als ein Rotationskörper ausgebildet ist, derart, daß V = π y²dz,
• wobei y = f(z) und z der Abstand entlang der Achse ist, gemessen von der Beobachtungswechselwirkungsregion, und y der Abstand von der Achse zu der Oberfläche des Endabschnittes der geformten Röhre als eine Funktion von z ist, und wobei y so gewählt ist, daß, wenn
• y = f(z) = 0 dann z ≥ D/2
• wobei D der Durchmesser der Probenröhre in der Beobachtungsregion ist.
• Wenn der Endabschnitt der Röhre sphärisch ausgebildet ist, würde eine minimale Menge von Probenvolumen benötigt werden, aber die Suszeptibilitätdiskontinuität würde näher an der Kante der Beobachtungsregion auftreten, als für jede der anderen Rotationskörperformen. Wenn eine ausreichende Menge der Probe existiert, können bessere Resultate erhalten werden, wenn eine der Endformen sich über den Bereich der größten Suszeptibilitätsdiskontinuität bis zu einem erheblichen Abstand von der Beobachtungsregion hinaus erstreckt.
• Wir haben auch festgestellt, daß es möglich ist, die Ziele dieser Erfindung ohne Bildung einer vollständig neuen Probenröhre aus Glas zu erreichen, wie bezüglich den Ausführungsformen der Fig. 3B und 3C beschrieben. Insbesondere habe ich gemäß Fig. 5 einen oberen Probenformeinsatz 50 aus Teflon und einen unteren Probenformeinsatz 55 aus Teflon gebildet, um die Ziele des Haltens des hohen Füllfaktors und des Reduzierens der Homogenitätsfeldgradienten in der Nähe der Probenenden zu erreichen. Die obigen Vorteile werden durch Bilden der inneren Oberflächen 52 und 57 als eine Rotationsoberfläche um die Z-Achse 59 erzielt.
• Bei dem Betrieb wird der untere Einsatz zuerst in die Teströhre 11' eingesetzt. Der Einsatz 55 weist bevorzugt eine Bohrung 60 an seinem Scheitelpunkt auf. Beim Einstecken wird die Bohrung 60 satt anliegend gegen den Boden 58 der Teströhre 11 gepreßt. Als nächstes wird eine Menge der Probenflüssigkeit in die Probenröhre eingeführt, welche Menge ausreichend ist, über die Beobachtungsregion 54 hinaus zu füllen. Schließlich wird der obere Einsatz 50 in die Teströhre 11' hineingepreßt und nach unten auf die Probenflüssigkeit gedrückt, bis die Probe aus der Bohrung 53 an dem Scheitelpunkt des Einsatzes 50 austritt. Beachte, daß der Einsatz 50 nicht in die Wechselwirkungsbeobachtungsregion 54 bewegt wird. Wenn sich der Einsatz 50 in Position befindet, sollten jegliche Luftblasen durch Stoßen gegen die Röhrenseiten durch den Scheitelpunkt entfernt werden, die sich in der Region in der Nähe des Scheitelpunktes 53' bilden können. Durch Kippen der Teströhre, wenn eine Blase in der Nähe des Scheitelpunktes 53' vorhanden ist, wird sichtbar, daß diese sich nach unten bewegt, und weitere Bewegung sollte die Oberflächenspannung brechen und die Blase freilassen. Die Form der inneren Oberfläche sowohl des oberen als auch des unteren Einsatzes ist bevorzugt elliptisch, obwohl die Ellipse das Probenende 58 nicht soweit von der Wechselwirkungsregion entfernt überragt, wie dies der Konus tut.
• Die Suszeptibilität von Teflon paßt fast genau zu der Suszeptibilität von Wasser, und die Ellipse weist den weiteren Vorteil auf, daß sie das magnetische Feld in ihrem Inneren nicht stört. Einsätze haben gegenüber Glasröhren mit geformten Enden einen Vorteil darin, daß sie die Region der Suszeptibilitätsdiskontinuität weiter weg von der Beobachtungsregion verschieben, als dies mit der geformten Glasröhrenkonfiguration möglich ist.
• Fig. 6 ist eine Seitenansicht des oberen Einsatzes 50. Das Innere der Scheibe ist hohl und ist geformt als ein Rotationskörper um die Achse 63, mit einer kleinen Öffnung 53 an dem Scheitelpunkt der Kurve 52. Die Bohrung 53 an dem oberen Ende des oberen Einsatzes 50 ist bei 64 mit einem Gewinde versehen, um ein Werkzeug zum Positionieren des Einsatzes aufzunehmen.
• Fig. 7 ist eine Seitenansicht des unteres Einsatzes 55. Das Innere der Scheibe ist hohl und die Form 71 der Seitenwände ist als ein Rotationskörper um die Achse 72 mit einer kleinen Bohrung 60 an dem Scheitelpunkt der Kurve 71 ausgebildet. Die Bohrung 60 ist bei 74 mit einem Gewinde versehen, um ein Werkzeug zum Positionieren des Einsatzes aufzunehmen.
• Fig. 4A zeigt das Spektrum, welches aus einem DNA-Proteinfragment in 90% H&sub2;O erhalten wurde, mit den Probenröhreneinsätzen der Fig. 6 und 7, und zeigt die verbesserte Homogenität, die für die Probenmaterialien und Bedingungen erhalten wurde, die die Probenröhreneinsätze dieser Erfindung verwenden.
• Das Spektrum der Fig. 4A wurde aus einer Probenröhre mit 5 mm Durchmesser erhalten, die Flache Suszeptibilitätsendstopfen verwendet.
• Das Spektrum der Fig. 4B wurde mit den erfinderischen Einsätzen elliptischer Form gemäß Fig. 5 erhalten. Beide Proben wiesen identische Volumina auf und wiesen einen identischen Wert des Vorsättigungsfeldes auf, um die zentrale Protonlinie (die stärkste Linie) zu reduzieren, welche aus dem Wasser herrührt. Die Linien in der Nähe der Hauptwasserlinie sind eindeutig besser aufgelöst.

Claims (6)

1. NMR-System mit einer Spule (2) und einer Probenröhre (20-23), wobei die Probenröhre einen probenbeinhaltenden Raum definiert, mit: einer Wechselwirkungsregion (10) mit einem durchgehend gleichförmigen, kreisförmigen Querschnitt, welche Region die Ausdehnung der Spule (2) aufweist; und ersten (21) und zweiten (20) Abschnitten benachbart zu den entsprechenden, gegenüberliegenden Enden der Wechselwirkungsregion (10), wobei die Form der ersten und zweiten Regionen mathematisch als Rotationskörper derart definiert ist, daß das Volumen der Abschnitte (20, 21) die Gleichung erfüllt Volumen = n y² dz, wobei die Rotationsachse die Röhren-(20-23)achse z ist, und wobei z der Abstand entlang der Achse ist, gemessen von der Wechselwirkungsregion (10) aus, und wobei der senkrechte Abstand von der Röhren-(20-23)achse zu der Röhrenoberfläche des Abschnittes y ist, und wobei y als eine Funktion des Abstandes von der Wechselwirkungsregion (10) abnimmt.

2. NMR-System nach Anspruch 1, wobei der senkrechte Abstand von der Röhren-(20-23)achse zu der Röhrenoberfläche der ersten (21) und zweiten (20) Abschnitte im wesentlichen eine symmetrische Funktion von z ist, derart, daß y = f(-z) = f(+z).

3. NMR-System nach Anspruch 1 oder 2, wobei y = f(z) durch Gleichungen für eine gerade Linie definiert ist.

4. NMR-System nach Anspruch 1 oder 2, wobei y = f(z) durch Gleichungen für eine Ellipse definiert ist.

5. NMR-System nach Anspruch 1 oder 2, wobei y = f(z) durch Gleichungen für einen Kreis definiert ist.

6. NMR-System mit:

Einer zylindrischen Probenteströhre (11') mit einem geschlossenen Ende (58); einer Spule;

einem unteren Einsatz (55), wobei der untere Einsatz eine erste zylindrische Platte mit einer inneren Hohlraumoberfläche (57) ist, wobei die innere Hohlraumoberfläche als ein Rotationskörper um die längere Achse der ersten Platte ausgebildet ist, wobei die äußere Oberfläche des unteren Einsatzes (55) ausgebildet ist, um anliegend in und gegen das untere Ende (58) der Probenteströhre (11') zu passen;

einem oberen Einsatz (50), wobei der obere Einsatz eine zweite Platte mit einem Innenhohlraum ist, wobei der Innenhohlraum (52) als ein Rotationskörper um die längere Achse der zweiten Platte ausgebildet ist, wobei der Außendurchmesser des oberen Einsatzes etwas kleiner ist, als der Durchmesser der Teströhre (11'), um mit dieser eine festsitzende Fluidpresse zu bilden, wobei die zweite Platte eine Öffnung (53, 53') in der Oberseite der zweiten Platte aufweist;

wobei im Betrieb der untere Einsatz (55) gegen das geschlossene Ende (58) der Teströhre (11') positioniert wird, und der obere Einsatz (50) in die Teströhre (11') eingesetzt wird und in einem Abstand oberhalb des Bodeneinsatzes positioniert wird, und nicht in Kontakt mit diesem tritt, um so eine zylindrische Wechselwirkungsregion (54) zu hinterlassen, welche entsprechend der Spule zwischen dem oberen (50) und dem unteren (51) Einsatz ausgedehnt ist, wobei die Wechselwirkungsregion (54) und die Innenhohlräume (52, 57) der oberen und unteren Einsätze (50, 55) einen probenbeinhaltenden Raum definieren.