ベンチトップ核磁気共鳴分光計

ベンチトップ核磁気共鳴分光計（ベンチトップ NMR 分光計）とは、従来の分光計に比べて大幅に小型で持ち運びが可能で、実験室のベンチトップに設置できるフーリエ変換 核磁気共鳴(FT-NMR) 分光計のことを指します。この利便性は、はるかに大きく高価な極低温冷却超伝導 NMR 磁石と比較して磁場が低く感度が低い永久磁石を使用していることから生まれます。専用のインフラストラクチャ、部屋、大規模な設備を必要とせず、これらのベンチトップ機器を実験室のベンチに直接設置し、必要に応じて移動できます（例：ドラフトチャンバーへ）。これらの分光計はシンプルで使いやすいため、初心者ユーザーにとってもワークフローが改善されています。これらは、高解像度のNMRスペクトルを測定でき、緩和または拡散パラメータ（例： T1、T2、D）の決定に限定されない点で、リラクソメーターと異なります。

磁石の開発

第一世代のNMR分光計では、数百キログラム以上の大型の電磁石が使用されていました。 1960年代から70年代にかけて、60および90  MHzの陽子共鳴周波数で、やや小型の永久磁石システムが開発され、連続波法を使用した化学分析に広く使用されました が、これらの永久磁石の重量はまだ数百キログラムあり、ベンチトップに設置することはできませんでした。 超伝導磁石は、より高い解像度と感度を高めるために、より強い磁場を実現するために開発されました。しかし、これらの超伝導磁石は高価で大きく、専用の建築設備が必要です。[1]さらに、超伝導体に必要な極低温液体は危険であり、継続的なメンテナンス費用がかかります。[2] [3] [信頼できない情報源? ]その結果、これらの機器は通常、専用のNMR室または複数の研究グループが使用する施設に設置されます。

2000年代初頭以来、永久磁石の技術と設計は復興を遂げており、[4]教育、研究および産業用途で有用な分解能と感度を有するはるかに小型のNMR機器の開発を可能にするほどの進歩を遂げています。[5] サマリウム-コバルトおよびネオジムの硬質強磁性体はNMR永久磁石のサイズを縮小し、最大2.9 Tの磁場（125 MHzの陽子ラーモア周波数に相当）に達しています。室温から60 °Cの磁石温度で動作するこれらの設計により、機器を研究台に収まるほど小型化でき、一般的な研究室環境で安全に動作させることができます。必要なのは単相ローカル電源のみで、UPSシステムを使用すれば持ち運び可能で、製造エリアのさまざまな場所でNMR分析を実行できます。

小型磁石のデメリットとその克服方法

低磁場（0.3～1.5T）NMR分光計の最大の欠点の一つは、主磁場を生成するために使用される永久磁石の温度依存性です。小型磁石の場合、外部磁場の強度が主磁場に悪影響を与える可能性が懸念されていましたが、分光計内部に磁気シールド材を使用することでこの問題は解消されています。現在入手可能な分光計は、連続電源を備えたポータブル台車に搭載されたものも含め、容易に移動可能です。[6]関連するもう一つの問題は、現在入手可能な分光計は、化学反応における一部のin-situ測定で必要となる可能性のある高温サンプル温度に対応していないことです。

最近の論文では、2つ以上のコイルと同期発振器を備えた特別な実験装置がこの問題を解決し、不安定な磁場と手頃な価格の発振器で動作できるようにする 可能性があることが示唆されています[7] 。

低磁場で取得されたNMRスペクトルは信号分散が少なく、信号が重なり合ったり高次効果が生じたりしてスペクトルが複雑になります。[8]このようなスペクトルを完全に解釈するには、計算による量子力学スペクトル解析が必要です。[9] 1H-1D NMRスペクトルはHiFSAとも呼ばれます。[10]

アプリケーション

NMR分光法は、化学分析[11] [12]、反応モニタリング[13] 、品質保証/品質管理実験などに利用できます。高磁場装置は、特に複雑な分子の構造決定において比類のない分解能を実現します。より安価で堅牢かつ汎用性の高い中磁場および低磁場装置は、反応モニタリングやQA/QC分析に十分な感度と分解能を備えています。[1]このように永久磁石技術は、超伝導分光計を利用できない機関（例えば、学部初級者[14]や中小企業） にもNMRの利用可能性を広げる可能性を秘めています。

過去10年間で、特に石油および石油化学プロセス制御アプリケーション向けに、60MHz 1H NMRスペクトルと一次分析データ間の構造-特性および化学的・物理的特性の相関関係を導く多変量統計解析（ケモメトリクス）アプローチを利用した多くの自動化アプリケーションが開発されました。[15] [16]

利用可能なベンチトップNMR分光計

この新しいクラスの分光計の開発は 2000 年代半ばに始まり、ベンチトップで利用できる最後の分子分光法の 1 つとなりました。

スピンソルブ

ニュージーランドとドイツに拠点を置くMagritek社のSpinsolve装置は、90MHz、[17]、80MHz、[18]、60MHz [19]で動作し、0.4Hz未満の非常に優れた感度と分解能を提供し、重量はそれぞれ115kg、73kg、60kgです。ULTRAモデル[20]はさらに高い0.2Hzの分解能と、高磁場NMR仕様に匹敵する0.2Hz/6Hz/12Hzの線形を備えています。1Hプロトン、19Fフッ素、13C炭素、31Pリン、および7Li、23Na、29Siなどの他のX核を測定できます。Multi Xオプションを使用すれば、感度の低下なしに複数のX核を1台の分光計に含めることができます。[21] 1D、デカップリング付き1D、溶媒抑制、DEPT、T1、T2および2D HETCOR、HMBC、HMQC、COSYおよびJRESスペクトルを含む広範囲のNMRスペクトルを取得できます。分光法用のパルスフィールドグラジエントが含まれており、オプションで拡散パルスフィールドグラジエント[22]も追加できます。磁石は外部ロックで安定化されているため、重水素化溶媒を使用する必要がありません。フローセルを使用したオンライン反応モニタリングアクセサリとオートサンプラーが利用可能です。サンプルは標準の5 mm NMRチューブを使用して測定され、分光計は標準のNMRデータの収集と処理が行われる外部コンピューターによって制御されます。

ピコスピン

2009年、コロラド州ボルダーに拠点を置くpicoSpin LLCは、picoSpin 45で世界初のベンチトップNMR分光計を発売しました。小型（7 x 5.75 x 11.5インチ）の45MHz分光計は、良好な分解能（< 1.8 Hz）と中低域の感度を備え、重量は4.76 kg（10.5ポンド）で、1D 1Hまたは19Fスペクトルを取得できます。PicoSpinは2012年12月にサーモフィッシャーサイエンティフィックに買収され、その後、製品名をサーモサイエンティフィックpicoSpin 45に変更しました。[23]従来の静的5 mm NMRチューブの代わりに、picoSpin 45分光計は、0.4 mm ID PTFEおよび石英キャピラリー にサンプルを注入するフロースルーシステムを使用しています。[24] 重水素化溶媒は、ソフトウェアロックがあるためオプションです。分光計にはWebサーバーボードが内蔵されているため、外部コンピューターまたはモバイルデバイスから制御できます。専用PCにソフトウェアをインストールする必要はありません。2013年8月には、2番目のバージョンであるThermo Scientific picoSpin 80が発表されました。これは82MHzで動作し、1.2Hzの分解能を備え、オリジナルのpicoSpin 45の10倍の感度を備えています。

ナナリシス

カナダ、アルバータ州カルガリーに拠点を置くNanalysis Corpは、60MHzと100MHz（それぞれ1.4Tと2.35T）の2種類のベンチトップNMRプラットフォームを提供しています。これらの分光計はオールインワンの筐体（磁石、電子部品、タッチスクリーン式コンピュータ）に収納されているため設置が容易で、すべてのシステムはユーザーの好みに応じて、ローカルまたは外部コンピュータによるリモート制御が可能です。60MHzモデルは市場で最も小型の60MHzモデルで、重量は約25kg、100MHzモデルは100kg弱です。

両プラットフォームには、1H/19Fを取得できる「e」モデルと、1H/19F/X（Xはお客様が定義しますが、一般的には7Li、11B、13C、31P）を観測できる「PRO」モデルがあります。機器のモデルに応じて、1D 1H、13C{1H}、19F、31P、31P{1H}、COSY、JRES、DEPT、APT、HSQC、HSQC-ME、HMBC、T1、T2の各実験を実行できます。これらの分光計は標準的な5mm NMR管を使用し、ほとんどのサードパーティ製NMRソフトウェアスイートと互換性があります。

Nanalysisは2020年にRS2Dを買収し、磁気共鳴技術ポートフォリオを拡大しました。そのポートフォリオには、優れたcameleon4テクノロジー、NMRコンソール、前臨床MRI、およびMR製品ラインが含まれています。また、2021年には、ニューヨークに拠点を置くソフトウェア企業One Moon Scientificを買収し、日常的な高性能データ処理の提供と、機械学習、データベース構築、検索アルゴリズムを含むNMRデータ解析の拡張を目指しています。

X-パルス / パルサー

2019年、オックスフォード・インストゥルメンツ社は、X-Pulseと呼ばれる新しい60MHz分光計を発売しました。[25]この装置は、2013年に発売された従来のPulsarシステムから大幅に改良されたものです。X-Pulseは、現在入手可能なベンチトップ型無冷媒NMR分析装置の中で、標準で最高分解能（<0.35Hz/10Hz）を誇ります。60MHzの希土類永久磁石を搭載しています。X-Pulseは、1H、19F、13C、31P、7Li、29Si、11B、23Naを単一プローブで測定できる、フルブロードバンドXチャンネルを備えた唯一のベンチトップNMRシステムです。すべての核、1Dスペクトル、T1、T2、HETCOR、COSY、HSQC、HMBC、JRES、および溶媒抑制と選択励起を含むその他多数に対して、広範囲の1Dおよび2D測定を実行できます。 X-PulseにはフローNMRと可変温度プローブのオプションもあり、20°C〜60°Cの温度でNMRチューブ内のサンプルを測定できます。 磁石と分光計は2つの別々の箱に入っており、磁石の重量は149 kg [26]、電子機器の重量は22 kgです。 X-Pulseには標準の主電源が必要で、標準の5mm NMRチューブを使用します。機器の制御はSpinFlowワークフローパッケージから行い、データの処理と操作はサードパーティのNMRソフトウェアスイートを使用して行います。 Pulsar機器は、X-Pulseの発売後、2019年に製造中止になりました。

ブルカー

高性能NMR装置の長年のメーカーであり市場リーダーであるブルカー社は、 2019年にベンチトップNMR、フーリエ80 FT-NMRを発表しました。この装置は永久磁石を使用し、ブルカー標準ソフトウェア（WindowsおよびLinux用のフル機能のTopSpin 4ソフトウェア、WindowsおよびLinux用のPythonベースのAPI、そしてGoScanと呼ばれる簡易アプリ）を使用して動作します。装置は1Dおよび2Dモードで1Hおよび13Cスペクトル（カスタムオーダーによりさらに拡張可能）に設定でき、80 MHz（1.88 T）で動作します。装置の重量は約93 kgで、動作時の消費電力は300W未満です。[27]

Qマグネティクス

2021年後半、Q Magnetics社は、分解能が0.5Hzを超える125MHz（2.9T）1HベンチトップNMR分光計QM-125を発表しました。[28]この装置は、質量28kgの単一の筐体に収められており、USBインターフェースで制御用コンピュータに接続されます。QM-125分光計では、ユーザーが最初にサンプルをNMRチューブに移す必要がありません。この分光計は、ウォークアップモードではシリンジでサンプルを採取し、分光計に注入します。自動またはハイフネーションモードでは、サンプルが別の装置からの流れによってRFコイルに送られます。自動およびハイフネーションアプリケーションをサポートするその他の機能としては、安定したシム、オープンソースのPython制御ソフトウェア、およびフロントパネルの流体接続があります。消費電力は50W未満で比較的低コストであるため、垂直アプリケーションや専用アプリケーションへの統合が可能です。

参考文献

  1. ^ ab Dalitz、F.、Cudaj、M. Maiwald、M.、Guthausen、G. Prog.ヌク。マグ。解像度仕様2012, 60, 52-70
  2. ^ タトル、ブラッド. 「ヘリウム価格が急騰、風船販売は落ち込む」.タイム誌. 2018年10月28日閲覧。
  3. ^ DiChristina, Mariette. 「迫り来るヘリウム不足」Blogs.scientificamerican.com . 2018年10月28日閲覧。
  4. ^ Danieli E.、Mauler J.、Perlo J.、Blümich B.、Casanova F.、J Mag.解像度 2009、198 (1)、80–87
  5. ^ Danieli E.、Perlo J.、Blümich B.、Casanova F.、Angewandte Chemie 2010、49 (24)、4133–4135
  6. ^ 「モバイルSpinsolveベンチトップNMR分光計が学部教育を促進 | Magritek」www.magritek.com 2015年8月9日. 2017年8月6日閲覧。
  7. ^ イブラギモワ, エレナ; イブラギモフ, イルギス (2017). 「エレガントNMR分光計」. arXiv : 1706.00237 [physics.ins-det].
  8. ^ 「結合システムにおける二次効果」。
  9. ^ Stephenson, David S., Gerhard Binsch. 「高分解能NMRスペクトルの自動解析 I. 原理と計算戦略」Journal of Magnetic Resonance 37.3 (1980): 395-407
  10. ^ Napolitano, José G., et al. 「イチョウの10種類の化学マーカーの完全な1H NMRスペクトル分析」Magnetic Resonance in Chemistry 50.8 (2012): 569-575
  11. ^ Jacobsen, NE, “NMR分光法の説明：有機化学と構造生物学のための簡略化された理論、応用、および例” 2007年、John Wiley & Sons, Inc.：ホーボーケン、ニュージャージー州
  12. ^ Friebolin, H.「基本的な1次元および2次元NMR分光法」第5版2011年、Wiley-VCH：ドイツ
  13. ^ Berger, S; Braun, S.; “200以上のNMR実験：実践コース” 2004 Wiley-VCH: ドイツ
  14. ^ 「学部生へのNMR教育のためのNanalysisサンプル実験」。2013年8月21日時点のオリジナルよりアーカイブ。2013年6月10日閲覧。
  15. ^ 「プロセスNMR分光法：技術とオンラインアプリケーション」ジョン・C・エドワーズ、ポール・J・ジアマッテオ、『プロセス分析技術：化学・製薬産業のための分光ツールと実装戦略』第2版、キャサリン・バキーフ編、ブラックウェル・ワイリー、2010年、第10章
  16. ^ 「石油化学におけるNMR分光法の応用レビュー」John C. Edwards、モノグラフ9『石油製品および潤滑油の分光分析』第16章、編集者：Kishore Nadkarni、ASTM Books、2011年。
  17. ^ Magritek. 「Spinsolve 90」.
  18. ^ Magritek. 「Spinsolve 80 ベンチトップNMRパンフレットダウンロード」Go.magritek.com . 2017年8月6日閲覧。
  19. ^ Magritek. 「Spinsolve 60」.
  20. ^ Magritek. 「Spinsolve ULTRAベンチトップNMRパンフレットダウンロード」Go.magritek.com . 2017年8月6日閲覧。
  21. ^ 「多重X核」。
  22. ^ 「拡散PDFグラデーション」。
  23. ^ 「サーモフィッシャーサイエンティフィック コーポレートニュースルーム」News.thermofisher.com . 2018年10月28日閲覧。
  24. ^ 「Thermo Fisher Scientific picoSpin FAQ」（PDF） . 2021年10月17日時点のオリジナルよりアーカイブ（PDF） . 2021年10月17日閲覧。
  25. ^ 「X-Pulseは、真の多核機能（磁気共鳴）を提供する世界初のベンチトップNMRシステムです」オックスフォード・インストゥルメンツ。2020年2月18日閲覧。
  26. ^ 「Oxford Pulsar仕様書」(PDF) . Acs.expoplanner.com . 2017年8月7日時点のオリジナル(PDF)からアーカイブ。
  27. ^ 「ベンチトップNMR | 分光計 | 核磁気共鳴」Bruker.com . 2020年8月12日閲覧。
  28. ^ Qマグネティクス.「QM-125」.
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