JP2007114209A - Nuclear magnetic resonance analyzer for solution - Google Patents
Nuclear magnetic resonance analyzer for solution Download PDFInfo
- Publication number
- JP2007114209A JP2007114209A JP2006330102A JP2006330102A JP2007114209A JP 2007114209 A JP2007114209 A JP 2007114209A JP 2006330102 A JP2006330102 A JP 2006330102A JP 2006330102 A JP2006330102 A JP 2006330102A JP 2007114209 A JP2007114209 A JP 2007114209A
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- magnetic field
- sample
- solution
- magnetic resonance
- nuclear magnetic
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
Images
Landscapes
- Investigating Or Analyzing Materials By The Use Of Magnetic Means (AREA)
Abstract
Description
本発明は、タンパク質やタンパク質と相互作用する基質,リガンド等の有機物分子の構造並びに相互作用を溶液中において分析するに好適な核磁気共鳴分析装置に関する。 The present invention relates to a nuclear magnetic resonance analyzer suitable for analyzing in a solution the structure and interaction of organic molecules such as proteins and substrates interacting with proteins and ligands.
核磁気共鳴を利用した有機物の分析方法は、近年急速な進歩を遂げつつある。特に、強力な超電導磁石技術と組み合わされることによって、複雑な分子構造をもつタンパク質などの有機化合物を原子レベルで効率よく構造解析することが可能になってきた。本発明の対象とするのは、微量のタンパク質を溶解した水溶液中のタンパク質分子の原子レベルの構造と相互作用を解析するに必要なNMR分光計であって、いわゆるミリメートル級の画像分解能を必要とする人体の断層撮影を目的とした医療用MRI画像診断装置とは、磁場強度で1桁以上高く、磁場均一度は4桁、安定度についても3桁高い性能が要求され、全く異なる設計技術,装置製作技術が要求される特殊なエネルギー分光装置である。従来の高分解能核磁気共鳴分析装置に関する詳細は「タンパク質のNMR」33ページから54ページ、荒田洋治著、共立出版、1996年に記載されている。NMRをタンパク質の解析に利用する場合の典型的な装置構成に関連する最近の発明には、超伝導磁石に関わる発明として、多層空芯ソレノイドコイルの典型的な構成として特開2000−147082号等があり、また、信号検出技術に関連する発明として、鳥かご型超伝導検出コイルを開示した米国特許6121776号、従来の鞍型コイル、或いは、鳥かご型コイルによる信号検出技術を開示した例として、特開2000−266830号,特開平6−237912号などがある。これらの報告によれば、従来のタンパク質解析用の高感度な核磁気共鳴分析装置は、全て鉛直方向の磁場を発生するソレノイドコイルの組み合わせによって構成された超電導磁石装置を用い、400〜900MHzの電磁波を試料に照射し、試料から発せられる共鳴波を鞍形または鳥籠型の検出コイルを利用して検出している。また、米国特許6121776号の例にあるように、受信時の熱ノイズを低減するために低温に冷却された検出器を利用し、S/N感度比を改善する工夫がなされている場合もある。 Analytical methods for organic substances using nuclear magnetic resonance have been making rapid progress in recent years. In particular, by combining with powerful superconducting magnet technology, it has become possible to efficiently analyze the structure of organic compounds such as proteins having a complex molecular structure at the atomic level. An object of the present invention is an NMR spectrometer necessary for analyzing the structure and interaction at the atomic level of protein molecules in an aqueous solution in which a minute amount of protein is dissolved, and requires so-called millimeter-class image resolution. A medical MRI diagnostic imaging system intended for tomographic imaging of a human body is required to have a magnetic field strength of one digit or higher, a magnetic field uniformity of four digits, and a stability of three digits higher. It is a special energy spectrometer that requires device fabrication technology. Details on conventional high-resolution nuclear magnetic resonance analyzers are described in “NMR of proteins” on pages 33 to 54, written by Yoji Arata, Kyoritsu Shuppan, 1996. Recent inventions related to typical apparatus configurations when using NMR for protein analysis include inventions related to superconducting magnets, and typical configurations of multilayer air-core solenoid coils such as JP 2000-147082. In addition, as an invention related to signal detection technology, US Pat. No. 6,121,776 which disclosed a birdcage type superconducting detection coil, a signal detection technology using a conventional saddle type coil or birdcage type coil, JP 2000-266830, JP-A-6-237912, and the like. According to these reports, the conventional high-sensitivity nuclear magnetic resonance analyzer for protein analysis uses a superconducting magnet device composed of a combination of solenoid coils that generate a magnetic field in the vertical direction, and uses an electromagnetic wave of 400 to 900 MHz. Is irradiated to the sample, and a resonance wave emitted from the sample is detected using a saddle-shaped or birdcage-type detection coil. In addition, as in the example of US Pat. No. 6,121,776, there is a case where a detector cooled to a low temperature is used to reduce the thermal noise during reception and the S / N sensitivity ratio is improved. .
歴史的にみて、高感度な核磁気共鳴装置は、基本的にはアンテナ及び磁石等のシステムの基本構成を同一に保ち、超電導磁石の中心磁場強度を高める方法によって感度向上を果たしてきた。従い、現在迄に報告されている最高のNMR測定感度は900MHzのNMR装置により得られ、中心磁場21.1 テスラの大型超電導磁石が利用されているが、装置の基本構成は特開2000−147082のような従来技術と何ら変わっていない。溶液を用いたタンパク質の解析において、中心磁場向上は、感度の向上と、化学シフトの分離を明確にする効果がある。 Historically, high-sensitivity nuclear magnetic resonance apparatuses have basically improved the sensitivity by a method of increasing the central magnetic field strength of a superconducting magnet while keeping the basic configuration of the system such as an antenna and a magnet the same. Therefore, the highest NMR measurement sensitivity reported so far is obtained by a 900 MHz NMR apparatus, and a large superconducting magnet having a central magnetic field of 21.1 Tesla is used, but the basic configuration of the apparatus is disclosed in JP-A-2000-147082. This is no different from the conventional technology. In protein analysis using a solution, the improvement of the central magnetic field has the effect of improving sensitivity and clarifying the separation of chemical shifts.
検出コイル形状による感度向上効果については、荒田洋治著、「NMRの書」2000年、丸善、p326に記載されているように、従来、検出コイルとしてソレノイドコイルを利用すれば、鞍形、あるいは鳥籠型に比較して様々な利点があることが知られていた。たとえば、インピーダンスのコントロール容易性,フィリングファクタ,RF磁場の効率などの点で優れているなどである。同著によれば、しかし、従来の超電導磁石の構成では、水溶液中に微量に溶解したタンパク質の計測用途等の、感度を重視する場合には、磁場に対して垂直に置かれたサンプル管の周りにソレノイドコイルを巻くことは実際には不可能であり、一般には利用されていない。特に例外的に、微量のサンプル溶液を用いて感度よく測定する場合に限り利用される場合があり、特別にデザインしたミクロサンプル管を利用して、特別のプローブを用いて計測する方法が知られていた。 As for the sensitivity improvement effect by the detection coil shape, as described in Yoji Arata, “NMR book” 2000, Maruzen, p326, conventionally, if a solenoid coil is used as the detection coil, a saddle shape or a bird It was known that there are various advantages compared to the saddle type. For example, it is excellent in terms of impedance controllability, filling factor, RF magnetic field efficiency, and the like. According to the same book, however, the conventional superconducting magnet configuration uses a sample tube placed perpendicular to the magnetic field when sensitivity is important, such as for measuring proteins dissolved in trace amounts in an aqueous solution. It is actually impossible to wind a solenoid coil around and is not generally used. In exceptional cases, it may be used only when measuring a small amount of sample solution with high sensitivity, and a specially designed micro sample tube is used to measure using a special probe. It was.
また、特殊な例では、最近では特開平11−248810号のように、高温超電導のバルク磁石を水平方向に着磁し、ソレノイドコイルでNMR信号を検出する方法が考案されている。また、特開平7−240310では、装置の天井高さの制約を取り除くための一般的なNMR用途に適した超電導磁石と冷却容器の構成方法を開示しているが、タンパク質の解析に必要な検出感度の向上方法や磁場均一度、磁場の時間安定度に対する技術的な対応方法等については知られていない。 As a special example, a method of magnetizing a high-temperature superconducting bulk magnet in the horizontal direction and detecting an NMR signal with a solenoid coil has recently been devised, as disclosed in JP-A-11-248810. Japanese Patent Application Laid-Open No. 7-240310 discloses a method of constructing a superconducting magnet and a cooling container suitable for general NMR applications for removing restrictions on the ceiling height of the apparatus. However, detection necessary for protein analysis is disclosed. There are no known methods for improving the sensitivity, the magnetic field uniformity, the technical response to the temporal stability of the magnetic field, or the like.
近年、タンパク質の研究に対するニーズの高まりとともに、タンパク質の水への溶解度が小さい試料の分析ニーズが高まり、NMRの測定感度を向上させる必要が生じている。このようなニーズに核磁気共鳴分析装置を適合させるには、従来同等の試料空間を維持したまま、測定感度の向上をはかる必要があり、長時間のデータ積分時間中での超伝導磁場の安定性の確保も必須である。測定感度の向上は、また、同程度の溶解度の試料であれば、測定時間の短縮ばかりでなく、サンプル量の低減が可能になる利点が特に大きく、溶解度の小さなタンパク質の解析が可能になる効果がある。従い、タンパク質の解析に用いられるNMR分析装置は、従来のNMRと比較して特段に優れた検出感度と安定性が要求されるほか、1週間以上の長時間にわたる正確で、かつ、安定的なNMRシグナルの検出が必要である。これは計測中に磁場が変動すると、NMRシグナルのピークが移動してしまうためであり、特に相互作用の計測では、ピークの移動が、相互作用によるものか、或いは、磁場の不安定性に起因するものか、判別ができなくなるためである。また、磁場が不均一であれば、所望のピークが重なってしまい、相互作用の判別が困難になるなどの課題を生じる。よって、タンパク質の様々な解析を目的とした今後のNMR技術は、従来の一般的なNMR装置の単純な延長上にはない新たな技術開発が必要であることにまず留意しておく必要がある。 In recent years, with increasing needs for protein research, there has been an increasing need for analysis of samples with low protein solubility in water, and the need to improve NMR measurement sensitivity has arisen. In order to adapt the nuclear magnetic resonance analyzer to such needs, it is necessary to improve the measurement sensitivity while maintaining the same sample space as before, and to stabilize the superconducting magnetic field during a long data integration time. Ensuring sex is also essential. The improvement in measurement sensitivity is not only shortening the measurement time but also reducing the amount of sample, especially if the sample has the same degree of solubility, and it is possible to analyze proteins with low solubility. There is. Therefore, NMR analyzers used for protein analysis require particularly excellent detection sensitivity and stability compared to conventional NMR, and are accurate and stable over a long period of time of one week or more. Detection of the NMR signal is necessary. This is because if the magnetic field fluctuates during measurement, the peak of the NMR signal moves. Especially in the measurement of interaction, the peak movement is due to interaction or due to instability of the magnetic field. This is because it is impossible to determine whether it is an object. In addition, if the magnetic field is not uniform, desired peaks are overlapped, causing problems such as difficulty in discriminating the interaction. Therefore, it is necessary to first note that future NMR techniques aimed at various analysis of proteins will require new technology development that is not a simple extension of conventional NMR apparatus. .
一例をあげると、一般的なNMR装置の磁場均一度の仕様は、試料空間で0.01ppm、時間安定度で0.01ppm/hである。これを一般的な用途の600MHzのプロトンNMRで換算すると、6Hzの許容誤差になる。しかしながら、前述したタンパク質の相互作用解析の場合では、少なくとも、1.0Hz 以下の空間、及び、時間分解能が必要であり、望ましくは0.5Hz 以下が必要である。これらの磁場均一度と磁場の時間的安定度を実現可能な方法で、超伝導磁石や検出コイルを最適に構成する必要がある。従い、従来一般的に利用されていたNMR装置の性能では不十分であり、従来より、1桁以上高い安定性と磁場均一度が要求される。 As an example, the specifications of the magnetic field uniformity of a general NMR apparatus are 0.01 ppm in the sample space and 0.01 ppm / h in the time stability. When this is converted by 600 MHz proton NMR for general use, an allowable error of 6 Hz is obtained. However, in the case of the above-described protein interaction analysis, at least a space of 1.0 Hz or less and a temporal resolution are required, and preferably 0.5 Hz or less. It is necessary to optimally configure the superconducting magnet and the detection coil by a method capable of realizing the uniformity of the magnetic field and the temporal stability of the magnetic field. Therefore, the performance of the NMR apparatus generally used conventionally is insufficient, and the stability and the magnetic field uniformity higher by one digit or more than before are required.
従来技術は、主として、磁場強度の向上に頼って感度向上したため、装置が大型化し、漏洩磁界の課題と床強度の課題から、専用の建物を必要とするなど、設置性の課題も新たに生じた。さらに、超電導磁石のコストが増大するなどの課題を生じた。また、この方法による感度向上は、超電導材料の臨界磁界による制約で概ね21Tの上限に達し、これ以上の感度向上のためには、磁場強度に頼ることのない新たな手段による検出感度向上技術が望まれていた。 The conventional technology mainly improved the sensitivity by relying on the improvement of the magnetic field strength, resulting in a new installation problem such as a large-sized device and the need for a dedicated building due to the problem of leakage magnetic field and floor strength. It was. Furthermore, problems such as an increase in the cost of the superconducting magnet occurred. In addition, the sensitivity improvement by this method reaches the upper limit of about 21T due to the limitation due to the critical magnetic field of the superconducting material, and in order to further improve the sensitivity, a detection sensitivity improvement technique using a new means that does not depend on the magnetic field strength is used. It was desired.
前述したように、ソレノイドコイルを利用した高感度測定の方法は、極く微量の特別のサンプル管と特別の検出プローブで利用可能であったが、およそ10cc程度の一般的なタンパク質溶液による解析には適用できなかった。また、特開平11−248810号の例にあるように、強力な磁石によって水平方向に磁場を発生し、ソレノイドコイルでNMR信号を検出する方式では、高温超電導体の表面で10T未満の磁場を発生できるのみであって、試料部分の磁場は高々数テスラ程度であって、タンパク質の解析に必要な11テスラ以上の磁場、好ましくは14.1 テスラ以上の磁場を所望の試料空間に発生することはこの方法では不可能であった。また、この方法では、タンパク質の解析に必要な時間安定度1.0Hz/時 以下を達成することは、高温超伝導体の磁束クリープ現象の効果で実質的に困難であった。また、タンパク質の解析に必要な、磁場均一度についても、直径10mm×長さ20mmの空間でプロトン核磁気共鳴周波数で1.0Hz 以内の磁場均一度を達成することは、高温超電導バルク体材料の製造プロセスに起因した不均質性から困難であった。 As described above, the high-sensitivity measurement method using the solenoid coil can be used with a very small amount of a special sample tube and a special detection probe. Could not be applied. In the method of generating a magnetic field in the horizontal direction with a strong magnet and detecting the NMR signal with a solenoid coil as in the example of JP-A-11-248810, a magnetic field of less than 10T is generated on the surface of the high-temperature superconductor. The magnetic field of the sample portion is at most several Tesla, and it is possible to generate a magnetic field of 11 Tesla or higher, preferably 14.1 Tesla or higher necessary for protein analysis in a desired sample space. This method was not possible. In this method, it has been substantially difficult to achieve the time stability of 1.0 Hz / hour or less necessary for protein analysis due to the effect of magnetic flux creep of the high-temperature superconductor. As for the magnetic field homogeneity necessary for protein analysis, achieving a magnetic field homogeneity within 1.0 Hz at a proton nuclear magnetic resonance frequency in a space of 10 mm in diameter and 20 mm in length is the high temperature superconducting bulk material. It was difficult due to inhomogeneities due to the manufacturing process.
このように、従来技術は、タンパク質の解析ニーズに対応するためのブレークスルー技術の開発が求められている一方で、磁場による感度向上の限界に達してしまった現在、さらなる感度向上のための新しい解決方法が求められていた。 As described above, the conventional technology is required to develop a breakthrough technology to meet the needs of protein analysis, but has reached the limit of sensitivity improvement by magnetic field. There was a need for a solution.
今後ニーズが高まると考えられる溶液中におけるタンパク質と基質,リガンド等の低分子の相互作用を効率よくかつ精度良く解析する場合には、経験的には、600〜900
MHz、中心磁場で14〜21T程度で、適切なサンプル量で測定できることが望ましく、現状より計測感度を高め、スループットを高めることが望まれている。また、一般に、800MHz以上の装置では、超電導特性を極限まで利用するため、4.2K の液体ヘリウムを減圧し、1.8K と過冷却して運転する。このため、装置運転上の煩雑さが増すほか、メンテナンスも大変である。また、磁石装置が大型化するため、漏洩磁界大きく、通常は専用の建物を必要とする。特に、装置の設置性の観点では、従来方式では、中心磁界の増大と共に、鉛直方向に漏洩磁界が増大し、たとえば、900MHz級の装置では高さ方向に5mもの漏洩磁界を生じるため、天井高さの高い建築物を必要とする。そのため、建築コストが増大する課題があった。また、従来の900MHz超電導磁石の大きさは、アイ・トリプルイ−・トランザクションズ・アップライド・スーパーコンダクティビティー IEEE. Transactions on Applied Superconductivity Vol.11 No.1 p2438に記載されているように、磁石部分の大きさだけで幅直径1.86m 高さは数メートルであった。
In the case of analyzing efficiently and accurately the interaction between a protein, a substrate, a low molecule such as a ligand in a solution that is expected to increase in the future, empirically 600 to 900
It is desirable that the measurement can be performed with an appropriate sample amount at about 14 to 21 T in MHz and the central magnetic field, and it is desired to increase the measurement sensitivity and increase the throughput from the current level. In general, an apparatus of 800 MHz or higher is operated by depressurizing 4.2K liquid helium and supercooling to 1.8K in order to use the superconducting characteristics to the limit. For this reason, the complexity of operation of the apparatus is increased, and maintenance is also difficult. Moreover, since a magnet apparatus becomes large, a leakage magnetic field is large and usually a dedicated building is required. In particular, from the standpoint of device installation, the conventional method increases the leakage magnetic field in the vertical direction as the central magnetic field increases. For example, a 900 MHz class device generates a leakage magnetic field of 5 m in the height direction. I need a tall building. Therefore, there has been a problem that the construction cost increases. In addition, the size of the conventional 900 MHz superconducting magnet is the same as that of I. Triple-Transactions Upride Superconductivity IEEE. Transactions on Applied Superconductivity Vol. 11 No. 1 p2438, the width diameter was 1.86 m and the height was several meters only by the size of the magnet portion.
本発明では、主として通常の5〜10mm径のサンプル管を用い試料溶液をを概ね30mm高さ充填した状態で、600MHz(14.1T) 程度でNMRシグナルの計測感度を従来の少なくとも40%以上高め、かつ、タンパク質の解析に必要な超伝導磁石の時間的安定度及び空間的均一度を提供可能な新規な核磁気共鳴分析装置を提供することにある。なお、本発明の構成は、システムの運転温度を4.2K と定めるものではない。なお、本発明を応用して、極限性能を目指すことも可能であり、用途によっては、従来の磁場限界であった、21.1Tすなわち900MHzで1.8Kで運転する事があってもよく、その場合、従来の方式と比較して40%の感度向上が可能であり、従来の不可能であった磁場強度による検出感度限界を大きくうち破ることが初めて可能になった。 In the present invention, the measurement sensitivity of the NMR signal is increased by at least 40% or more at about 600 MHz (14.1 T) in a state where the sample solution is mainly filled with a sample solution of about 30 mm height using a normal 5-10 mm diameter sample tube. Another object of the present invention is to provide a novel nuclear magnetic resonance analyzer capable of providing temporal stability and spatial uniformity of a superconducting magnet necessary for protein analysis. The configuration of the present invention does not define the system operating temperature as 4.2K. In addition, it is also possible to aim at the ultimate performance by applying the present invention, and depending on the use, there may be operation at 1.8 K at 21.1 T, that is, 900 MHz, which is a conventional magnetic field limit. In that case, the sensitivity can be improved by 40% as compared with the conventional method, and it became possible for the first time to greatly break the detection sensitivity limit due to the magnetic field intensity, which was impossible in the past.
発明者らは、鋭意研究を重ねることによって、現状の核磁気共鳴装置に共通する課題とその対策法を考案した。現状の核磁気共鳴装置は、コストと設置性を両立させるために、磁場均一度の優れた多層空心ソレノイドコイルの中心に、溶液試料をおき、鞍型または鳥籠式のアンテナで検出する方法で発展してきた。歴史的には、400MHz未満の低い磁界から、計測技術と解析法の進歩によってNMRが発展するにつれ、この基本的な形式を守ったまま、中心磁場の強大化によって計測感度を向上させてきた。また、最近は熱ノイズを減らすために超電導式の鳥籠型アンテナを用いる例も報告されている。我々は、磁場強度を同一としたまま、従来よりも著しく信号強度を高める方法について鋭意検討を重ねてきた。その結果、以下に述べる本発明の特徴によれば、この課題を解決できることを見いだした。 The inventors have devised a problem common to the current nuclear magnetic resonance apparatus and a countermeasure for it by conducting earnest research. The current nuclear magnetic resonance apparatus is a method in which a solution sample is placed in the center of a multilayer air-core solenoid coil with excellent magnetic field uniformity and detected with a saddle type or birdcage type antenna in order to achieve both cost and installation. Has developed. Historically, as NMR has evolved from low magnetic fields of less than 400 MHz due to advances in measurement technology and analysis methods, measurement sensitivity has been improved by increasing the central magnetic field while maintaining this basic form. Recently, an example using a superconducting birdcage antenna to reduce thermal noise has been reported. We have been diligently investigating methods for significantly increasing the signal strength compared to the conventional method while maintaining the same magnetic field strength. As a result, the inventors have found that this problem can be solved according to the features of the present invention described below.
本発明の一つの特徴は、試料空間として直径で5〜10mmで、高さ20mmの溶液NMRに適する400MHz以上の磁場、好ましくは600MHz〜900MHz程度で、検出コイルを通常のNMR研究用のサンプル管がそのまま利用できる5〜10mm、高さ20mm程度で、ソレノイド方式の検出コイルを適用することによって感度向上を図るものである。原理的には、検出コイルの形状因子の差によって少なくとも1.4(√2)倍の感度向上が期待でき、その他の因子によって更に向上が期待でき、データの積算時間は1/2以下に短縮することができる。溶液状のサンプルは直径5〜10mmサンプル管に高さ20〜
30mm程度、挿入され上部から鉛直方向に挿入される。鉛直方向を巻軸としたソレノイドコイルでNMR信号を感度よく検出するには、超電導磁石で発生する磁場を水平方向に配置し、その磁界中心に、容易に着脱できる溶液サンプルを配置できるようにする必要がある。そのため、超電導磁石の構成は、従来の単純なソレノイド磁石と異なり、左右に分割された一対のスプリットマグネットで構成する必要が生じる。ここで、溶液中に溶解したタンパク質の解析という特殊な分析用途に対応するためには、先に述べたように、時間安定度でプロトン核磁気共鳴周波数で1.0Hz /時(h)、試料空間の空間的な均一度で1.0Hz 以下に超伝導磁石を最適設計・製作する必要がある。これは従来より一桁以上厳しい設計であって、公知の技術を単純に組み合わせただけで構成できる範囲内にはない。そのため、各スプリットマグネットは、計算機上では有効桁数の限界である0.000
ppm の高精度の磁場を発生できるよう十分な設計検討を行った後、Nb3Sn 等の高磁場超電導線からなるコイルとNbTi超電導線からなる低磁界用超伝導コイルの最適な配置と組み合わせで構成する。スプリットマグネットを使った汎用の溶液タンパク質分析用
NMR装置構成の例はない。発明者らは、鋭意研究を重ねて、世界で初めてタンパク質の解析に適用できる時間安定度と空間的な安定度、すなわち、プロトン核磁気共鳴周波数で、試料空間内で1.0Hz以内、1時間あたり1.0Hz以内を、本装置構成で達成できることを見いだした。我々が鋭意蓄積したマグネット最適化技術によって、従来困難であった複雑なスプリットコイルシステム系の均一磁界の設計を可能とした。低温容器を含めた磁石部分の大きさは、1台あたり、概ね幅1m,高さ1m程度でまとめることが可能であって、漏洩磁場を低く抑えながら、省スペースで集積度の高い実験装置を構成でき、データの積算時間は概ね2倍の高スループットな溶液NMR装置構成を提供できることを見いだした。
One feature of the present invention is that the sample space has a diameter of 5 to 10 mm and a magnetic field of 400 MHz or more suitable for solution NMR having a height of 20 mm, preferably about 600 MHz to 900 MHz, and the detection coil is a sample tube for ordinary NMR research. The sensitivity is improved by applying a solenoid type detection coil with a height of about 5 to 10 mm and a height of about 20 mm. In principle, the sensitivity can be improved by at least 1.4 (√2) times due to the difference in the shape factor of the detection coil, and further improvement can be expected by other factors, and the data integration time is reduced to less than 1/2. can do. Samples in solution form a sample tube with a diameter of 5-10 mm and a height of 20-20
Inserted about 30mm and inserted vertically from the top. In order to detect NMR signals with high sensitivity using a solenoid coil with the vertical axis as the winding axis, the magnetic field generated by the superconducting magnet is placed in the horizontal direction, and a solution sample that can be easily attached and detached can be placed at the center of the magnetic field. There is a need. Therefore, unlike the conventional simple solenoid magnet, the superconducting magnet needs to be composed of a pair of split magnets divided into left and right. Here, in order to deal with a special analysis application of analysis of protein dissolved in a solution, as described above, time stability, proton nuclear magnetic resonance frequency of 1.0 Hz / hour (h), sample It is necessary to optimally design and manufacture superconducting magnets with a spatial uniformity of 1.0 Hz or less. This is a design that is one or more orders of magnitude stricter than in the past, and is not within a range that can be configured by simply combining known techniques. Therefore, each split magnet has a limit of 0.00 on the number of significant digits on the computer.
After a sufficient design study to generate a high-precision magnetic field of ppm, the optimal arrangement and combination of a coil composed of high-field superconducting wires such as Nb 3 Sn and a superconducting coil for low-field composed of NbTi superconducting wires Constitute. There is no example of a general-purpose NMR apparatus configuration for solution protein analysis using a split magnet. The inventors have conducted intensive research and are the world's first time and spatial stability that can be applied to protein analysis, that is, proton nuclear magnetic resonance frequency within 1.0 Hz within the sample space for 1 hour. We found that this device configuration can achieve within 1.0 Hz per unit. The magnet optimization technology that we have accumulated eagerly enabled us to design a uniform magnetic field for complex split coil system systems, which was difficult in the past. The size of the magnet part including the cryogenic container can be gathered with a width of about 1 m and a height of about 1 m per unit, and a space-saving and highly integrated experimental device can be achieved while keeping the leakage magnetic field low. It was found that a high-throughput solution NMR apparatus configuration can be provided that can be configured and has approximately twice the data integration time.
すなわち、溶液中に溶解されたタンパク質等の試料が鉛直方向上部から挿入され、直径で5〜10mmのサンプル管に該試料が高さ10〜30mm程度挿入され、超電導磁石,高周波発信コイル及び受信コイルからなる溶液用核磁気共鳴分析装置において、該超電導磁石の発生する定常磁場が11T以上、好ましくは14.1T以上であり、該超電導磁石の発生する磁場方向が水平方向であって、かつ、定常磁場の変動によるプロトン核磁気共鳴周波数の1時間あたりの変動が1.0Hz 以下であって、試料空間の磁場均一度はプロトン核磁気共鳴周波数で1.0Hz 以下であって、該溶液状の試料が概ね鉛直方向に上部から挿入され配置され、該受信コイルが装置下部から磁場中心付近に設置されてたソレノイドコイルとすることで、直径5〜10mmのサンプル管に挿入された微量のタンパク質を感度よく分析できる。 That is, a sample of protein or the like dissolved in a solution is inserted from the top in the vertical direction, and the sample is inserted into a sample tube having a diameter of 5 to 10 mm with a height of about 10 to 30 mm. A superconducting magnet, a high-frequency transmission coil, and a reception coil In the nuclear magnetic resonance analyzer for solution, the stationary magnetic field generated by the superconducting magnet is 11T or more, preferably 14.1T or more, the direction of the magnetic field generated by the superconducting magnet is horizontal, and is stationary. The fluctuation of the proton nuclear magnetic resonance frequency per hour due to the fluctuation of the magnetic field is 1.0 Hz or less, and the magnetic field uniformity in the sample space is 1.0 Hz or less at the proton nuclear magnetic resonance frequency. Is inserted and arranged in the vertical direction from the upper part, and the receiving coil is a solenoid coil installed near the center of the magnetic field from the lower part of the apparatus, so that the diameter is 5 to 10 m. A small amount of protein inserted in m sample tubes can be analyzed with high sensitivity.
また、本発明は溶液中に溶解されたタンパク質等の試料が鉛直方向上部から挿入され、直径で5〜10mmのサンプル管に該試料が高さ10〜30mm程度挿入され、超電導磁石,高周波発信コイル及び受信コイルからなる核磁気共鳴分析装置において、該超電導磁石の発生する定常磁場が11T以上、好ましくは14.1T 以上であり、該超電導磁石の発生する磁場方向が水平方向であって、かつ、定常磁場の変動によるプロトン核磁気共鳴周波数の1時間あたりの変動が1.0Hz 以下であって、試料空間の磁場均一度はプロトン核磁気共鳴周波数で1.0Hz 以下であって、該溶液状の試料を概ね鉛直方向上部から磁場中心に設置し、該受信コイルを超電導材料で構成されたソレノイドコイルとし、装置下部から配置した構成であって、超電導発現温度以下に冷却することによって達成できる。 Further, in the present invention, a sample such as a protein dissolved in a solution is inserted from the upper part in the vertical direction, and the sample is inserted into a sample tube having a diameter of 5 to 10 mm with a height of about 10 to 30 mm. And a nuclear magnetic resonance analyzer comprising a receiving coil, the stationary magnetic field generated by the superconducting magnet is 11T or more, preferably 14.1T or more, the magnetic field direction generated by the superconducting magnet is horizontal, and The fluctuation of the proton nuclear magnetic resonance frequency per hour due to the fluctuation of the stationary magnetic field is 1.0 Hz or less, and the magnetic field homogeneity in the sample space is 1.0 Hz or less at the proton nuclear magnetic resonance frequency. The sample is installed in the center of the magnetic field from the upper part in the vertical direction, the receiving coil is a solenoid coil made of a superconducting material, and is arranged from the lower part of the device. It can be achieved by cooling below the onset temperature.
また、該有機物試料が、高分子有機化合物,タンパク質,リガンドであることがのぞましい。 Further, it is preferable that the organic sample is a polymer organic compound, protein, or ligand.
また、該超電導磁石が水平方向に磁場を発生する1対のスプリットマグネットであることがのぞましい。 Further, it is preferable that the superconducting magnet is a pair of split magnets that generate a magnetic field in the horizontal direction.
また、超電導磁石が水平に配置されたトロイダルマグネットであることで達成できる。 Further, this can be achieved by using a toroidal magnet in which the superconducting magnet is disposed horizontally.
更に本発明は溶液中に溶解されたタンパク質等の試料が鉛直方向上部から挿入され、直径で5〜10mmのサンプル管に該試料が高さ10〜30mm程度挿入され、超電導磁石,高周波発信コイル及び受信コイルからなる核磁気共鳴分析装置において、該超電導磁石の発生する定常磁場が11T以上、好ましくは14.1T 以上であり、該超電導磁石が水平方向に配置されたトロイダルマグネットであって、かつ、定常磁場の変動によるプロトン核磁気共鳴周波数の1時間あたりの変動が1.0Hz 以下であって、試料空間の磁場均一度はプロトン核磁気共鳴周波数で1.0Hz 以下であって、複数の該溶液状の試料がトロイダルコイルの円周状に概ねと等間隔の場所に配置され、各試料に対応した該受信コイルが超電導材料で構成されたソレノイドコイルであって、装置下部から配置され、超電導発現温度以下に冷却することで達成できる。 Further, in the present invention, a sample such as a protein dissolved in a solution is inserted from the upper part in the vertical direction, and the sample is inserted into a sample tube having a diameter of 5 to 10 mm by a height of about 10 to 30 mm. In a nuclear magnetic resonance analyzer comprising a receiving coil, a stationary magnetic field generated by the superconducting magnet is 11T or more, preferably 14.1T or more, and the superconducting magnet is a toroidal magnet arranged in a horizontal direction, and The fluctuation of the proton nuclear magnetic resonance frequency per hour due to the fluctuation of the stationary magnetic field is 1.0 Hz or less, the magnetic field uniformity of the sample space is 1.0 Hz or less at the proton nuclear magnetic resonance frequency, and a plurality of the solutions Solenoids in which a cylindrical sample is arranged at substantially equal intervals around the circumference of the toroidal coil, and the receiving coil corresponding to each sample is made of a superconducting material A coil, which is arranged from the lower part of the apparatus and can be achieved by cooling to a temperature lower than the superconducting expression temperature.
また、超電導磁石が水平に配置されたトロイダルマグネットであって、隣接する複数の試料から発生する核磁気共鳴信号を明確に区別できるように、試料に印加される磁場強度が調整されていることで達成できる。 In addition, the superconducting magnet is a horizontal toroidal magnet, and the magnetic field strength applied to the sample is adjusted so that the nuclear magnetic resonance signals generated from a plurality of adjacent samples can be clearly distinguished. Can be achieved.
また、本発明の構成の特徴は、溶液用核磁気共鳴分析装置において、溶液試料を装置上部から磁場中心に配置する構成とし、検出コイルをソレノイドコイルとし装置下部から磁場中心に配置し、磁場方向を水平方向とし、超電導磁石は左右に分割された構成である溶液用核磁気共鳴分析装置にある。 Further, the configuration of the present invention is characterized in that in the nuclear magnetic resonance analyzer for solution, the solution sample is arranged from the upper part of the apparatus to the magnetic field center, the detection coil is arranged from the lower part of the apparatus to the magnetic field center, and the magnetic field direction Is in the horizontal direction, and the superconducting magnet is in the nuclear magnetic resonance analyzer for solution, which is divided into left and right.
本発明の上記した特徴及びその他の特徴は、上記記述に限定されるものではなく、以下において更に説明される。 The above and other features of the present invention are not limited to the above description, but will be further described below.
本発明によれば、主として通常の5〜10mm径のサンプル管を用い試料溶液を概ね30mm高さ充填した状態で、600MHz(14.1T)程度でNMRシグナルの計測感度を従来の少なくとも40%以上高め、かつ、タンパク質の解析に必要な超伝導磁石の時間的安定度及び空間的均一度を提供可能な新規な核磁気共鳴分析装置を提供できる。さらに、
21.1Tすなわち900MHzで1.8Kで運転する場合、従来の方式と比較して40%の感度向上が可能であり、従来の不可能であった磁場強度による検出感度限界を大きくうち破ることが初めて可能になった。
According to the present invention, the measurement sensitivity of the NMR signal is at least 40% or more of the conventional measurement at about 600 MHz (14.1 T) in a state where the sample solution is mainly filled with a sample solution of about 30 mm in height using a normal 5-10 mm diameter sample tube. It is possible to provide a novel nuclear magnetic resonance analyzer that can increase the temporal stability and spatial uniformity of a superconducting magnet necessary for protein analysis. further,
When operating at 21.1T, that is, 900 MHz at 1.8K, the sensitivity can be improved by 40% compared to the conventional method, and the detection sensitivity limit due to the magnetic field strength, which was impossible in the past, can be greatly broken. It became possible for the first time.
(実施例1)
本発明の第1の実施例を図1に示す。超電導磁石1,2,3は試料に近い内側ほど、超電導臨界磁界の高い材料でコイルが形成されている。たとえば、1はNb3Al 、2は
Nb3Sn 、3はNbTiであるが、必要に応じて組み合わせコイルの発生磁場と均一度が所望の値となるように最適な組み合わせをしてもよい。たとえば、Bi2Sr2CaCu2O9 等のBi系やY1Ba2Cu3O7系等の超電導材料を用いたり、MgB2 などを用いても良い。これらの組み合わせからなる超電導磁石は磁場発生方向は水平方向である。図1において、直径5〜10mmで水と同等の磁気的性質を持つガラス製のサンプル管に30mm高さ充填された水溶液に溶解されたタンパク質試料4は装置上部から磁場中心に挿入され鉛直方向
に置かれており、磁場は試料に横方向から印加される。従って、おのおのの超電導磁石は、水平方向を巻き軸としてソレノイド状に巻かれ、左右対称に配置されている。磁石の最大幅は400mm、最大高さは700mmであって、コンパクトに集約されている。磁石中心部では、磁場の均一度は0.001ppm以下、プロトン核磁気共鳴周波数で表記すると0.5以下に調整され、時間安定度は0.001ppm/h以下、プロトン核磁気共鳴周波数で表記すると0.5Hz/時 以下であった。この場合、必要に応じて、磁場中心付近に均一度調整用のコイルが配置されてもよい。調整には常温部で導線を用いて調整するか、或いは、低温部で別の超電導線を用いて調整するか、或いは両者を組み合わせて調整しても良い。たとえば、プロトン核磁気共鳴周波数で600MHzのNMRとして用いる場合には、中心磁場は概ね14.1T で磁場均一度は18mm球でプロトン核磁気共鳴周波数で表記すると0.5Hz以下とする。この条件では、コイルの運転温度を4.2Kとし、液体ヘリウムのポンピングは不要であり簡便に運転できる。試料は鉛直方向から挿入される。
Example 1
A first embodiment of the present invention is shown in FIG. In the
本方式によれば、水平方向に磁場を発し、鉛直方向上部から試料を挿入するため、試験管内に納めた溶液がこぼれる心配がない。また、検出コイルを下部から挿入する構成であるため、試料スペースを十分に確保することができ、タンパク質の分析に感度を必要とする測定に対して試料空間を最大限有効に活用することができる。また、測定条件によっては試料は回転させても良い。また、検出コイル系を低温に冷却する場合であっても、このような配置によって連続的に試料の濃度や添加物を変化させることができるため、タンパク質の相互作用研究における各種の条件変更を容易に実施することができる。NMR信号の検出には、常温に保持された銅製のソレノイドコイル、または、10〜20Kに冷却されたY系又はMgB2 からなるソレノイドコイルが用いられ、アンテナ用検出コイル5として、装置下部から磁場中心に挿入され、試料溶液の入ったガラス管の周囲に配置され、信号ケーブル6を介して、検出された信号を外部に送る構成になっている。装置下部から挿入することで、サンプルスペースを広くとれるほか、計測系からの試料に対する振動ノイズを低減できる。超電導磁石は永久電流スイッチ9によって永久電流モードに保持されており、磁場の時間的な変動は1時間あたり0.5Hz 以下に調整されている。超電導磁石は、液体ヘリウム7に浸漬され低温に保持され、外側を液体窒素8で覆う二重構造とすることによって、ヘリウムの消費を節約する低温容で構成されている。液体ヘリウムで冷却する代わりに、パルス管冷凍機など、振動の課題がない冷凍機を用いて、超電導磁石を直接冷却しても良い。なお、磁石周囲の漏洩磁界を低減することは、装置の設置性,安全性の観点から重要であり、設置条件に合わせた磁気シールドを付与したマグネット構成とすることができる。
According to this method, since the magnetic field is generated in the horizontal direction and the sample is inserted from the upper part in the vertical direction, there is no fear of spilling the solution stored in the test tube. In addition, since the detection coil is inserted from the bottom, a sufficient sample space can be secured, and the sample space can be utilized to the maximum extent possible for measurements that require sensitivity for protein analysis. . Further, the sample may be rotated depending on the measurement conditions. In addition, even when the detection coil system is cooled to a low temperature, the sample concentration and additives can be continuously changed by this arrangement, making it easy to change various conditions in protein interaction studies. Can be implemented. For the detection of the NMR signal, a copper solenoid coil kept at room temperature or a solenoid coil made of Y-based or MgB 2 cooled to 10 to 20K is used. It is inserted in the center, arranged around the glass tube containing the sample solution, and is configured to send the detected signal to the outside via the
以上述べたように、本実施例では、このような構成により、中心磁場は14.1T でプロトン核磁気共鳴周波数で600MHzを得たが、図7の比較例に示すような従来構成のNMRシステムと比較して、シグナル・ノイズ比(S/N)比で比較して、概ね1.4 倍に向上でき、同一試料濃度の分子量20Kのタンパク質を溶解した試料のNMR信号積算計測で比較した場合には、同水準のデータ積算時間が2倍に高速化された。これは、同じ実験を840MHz相当のNMR装置で観測した場合と同等の計測時間性能であった。また、磁気シールドを施すことによって、装置周辺の他の分析機器との干渉が減るため、機器の設置密度を向上できる効果が認められた。 As described above, in this embodiment, with such a configuration, a central magnetic field was 14.1 T and a proton nuclear magnetic resonance frequency of 600 MHz was obtained. However, a conventional NMR system as shown in the comparative example of FIG. Compared with the signal-to-noise ratio (S / N) ratio, it can be improved by a factor of approximately 1.4, and when compared by NMR signal integration measurement of a sample in which a protein with a molecular weight of 20K of the same sample concentration is dissolved The data integration time of the same level has been doubled. This was the same measurement time performance as the case where the same experiment was observed with an NMR apparatus equivalent to 840 MHz. Moreover, since the interference with other analytical instruments around the apparatus is reduced by applying the magnetic shield, the effect of improving the installation density of the instruments has been recognized.
なお、600MHzの場合、装置からの漏洩磁場の5ガウスラインは、垂直方向に2m、水平方向には最大で3mであった。これにより、840MHzと同品質のNMRデータを、特殊な専用建築物を利用しないで設置が可能になった。 In the case of 600 MHz, the 5 gauss line of the leakage magnetic field from the apparatus was 2 m in the vertical direction and 3 m at the maximum in the horizontal direction. As a result, NMR data having the same quality as 840 MHz can be installed without using a special dedicated building.
(実施例2)
本発明の第2の実施例を図2に示す。本実施例では、第1の実施例と構成は概ね同一であるが、低温容器が、左右の超電導磁石で分割されており、ユーザーの利用空間に解放性を持たせている。すなわち、従来の密封型の試料空間と異なり、サンプル室の周辺に開放空間があるため、たとえば、試料に光照射,レーザ光照射などを容易に行いながら、ダイナミックなタンパク質の挙動を計測することができる。このようなダイナミックなNMR信号を観察できるので、たとえば、タンパク質のシグナル伝達や、光合成反応などを調べることができる。なお、このような特殊な実験の場合には、超電導磁石は、液体ヘリウムをポンピングして冷却し、1.8K で運転することによって、900MHz程度の中心磁場(21.1T) で運転することができる。この場合の検出感度は、図7の従来方式のNMR装置に換算すると1.26GHzのNMRと同等であり、29.6Tの強大な磁場に匹敵し、従来の超電導材料の臨界磁界を大きく上回る。そのため、従来方式ではこのような検出感度は到達不可能であったが、本発明によれば、従来技術で到達できない、高水準の検出感度を900MHz(21.1T) の磁場強度で実現できる。この場合でも、従来の900MHz級のNMR装置と比較して、装置の鉛直方向の漏洩磁界に大きな違いがあり、本発明の場合には、鉛直方向で3m、水平方向で、コイル軸方向で最大で4.5mであった。
(Example 2)
A second embodiment of the present invention is shown in FIG. In this embodiment, the configuration is substantially the same as that of the first embodiment, but the cryogenic container is divided by the left and right superconducting magnets so that the user's use space has releasability. In other words, unlike the conventional sealed sample space, there is an open space around the sample chamber. For example, dynamic protein behavior can be measured while easily irradiating the sample with light or laser light. it can. Since such a dynamic NMR signal can be observed, for example, protein signal transduction and photosynthetic reaction can be examined. In the case of such a special experiment, the superconducting magnet can be operated with a central magnetic field (21.1 T) of about 900 MHz by pumping liquid helium and cooling it and operating at 1.8 K. it can. The detection sensitivity in this case is equivalent to 1.26 GHz NMR when converted to the conventional NMR apparatus of FIG. 7, is comparable to the strong magnetic field of 29.6 T, and greatly exceeds the critical magnetic field of the conventional superconducting material. For this reason, such a detection sensitivity cannot be achieved with the conventional method, but according to the present invention, a high level of detection sensitivity that cannot be achieved with the prior art can be realized with a magnetic field strength of 900 MHz (21.1 T). Even in this case, there is a large difference in the leakage magnetic field in the vertical direction of the apparatus compared with the conventional 900 MHz class NMR apparatus. In the present invention, the vertical direction is 3 m, the horizontal direction is the maximum in the coil axis direction. It was 4.5 m.
(実施例3)
本発明の第3の実施例を図3に示す。本実施例では、8対の超電導磁石11を水平方向のトロイダル状に配置することで、漏洩磁場を低減でき、装置の集約度を高めた構成例である。すなわち、液体ヘリウムに冷却された1つの低温容器の中に、8台のNMR分析装置が並立して設置されている。各8対のスプリットマグネットの構成の詳細は、おのおのが第1の実施例と同様であっても良く、たとえば、概ね600MHzを発生するが、好ましくは、600MHzを基準として、隣接するNMR装置のおのおの10Hzずつ周波数を変えていることが望ましい。たとえば、610,620,630MHz等々である。これにより、たとえ試料12が同一であっても、異なる装置間の互いのNMR共鳴信号を区別できる効果がある。このような構成によって、直径で5m〜10mの空間に、高度に集積したNMR分析装置を集約可能であるため、設置性とメンテナンスコストの低い、経済効果の大きなハイスループットNMR分析システムを提供できる。
(Example 3)
A third embodiment of the present invention is shown in FIG. In the present embodiment, eight pairs of
(実施例4)
本発明の第4の実施例を図4に示す。本実施例では、本発明のNMRシステム構成の一例を示す。試料は、溶液試料の自動供給装置13を用い、たとえば、フローセルなどを利用して連続的に任意の濃度、或いは基質,リガンド,金属元素などの添加物を付与できる構成である。これにより、タンパク質の相互作用研究に適した装置構成とする事が可能である。NMR信号は、プリアンプ14を経由して、アナライザ15に送られ、ワークステーション16で制御される。NMR信号取得には各種のパルスシーケンスが適用される。必要に応じて、パルスが発信され、パルスシーケンスは傾斜磁場と組み合わせることもできる。なお、信号の熱ノイズを低減するため、プリアンプ14を液体窒素温度程度に冷却して使用することもできる。
Example 4
A fourth embodiment of the present invention is shown in FIG. In this example, an example of the NMR system configuration of the present invention is shown. The sample is configured so that an
(実施例5)
本発明の第5の実施例を図5に示す。図5は、本発明の検出プローブ構成の詳細を示す。試料4は水溶液に溶解されたタンパク質である。試料4は水と同等の性質をもつ直径5〜10mmのガラス管に挿入され、装置下部から磁場中心には位置される。ソレノイド状の検出コイル17は、材質としては銅又は超電導線が用いられる。超電導線の場合には、概ね10〜20Kにヘリウムガス25で冷却される。銅線の場合には常温度に保持される。試料は、必要に応じて回転される。
(Example 5)
A fifth embodiment of the present invention is shown in FIG. FIG. 5 shows details of the detection probe configuration of the present invention. Sample 4 is a protein dissolved in an aqueous solution. Sample 4 is inserted into a glass tube with a diameter of 5 to 10 mm having the same properties as water, and is located at the center of the magnetic field from the lower part of the apparatus. The solenoid-shaped
3軸の傾斜磁場コイル19,20,21,22,23,24の組み合わせで、任意の方向に任意の磁場勾配を印加でき、パルスシーケンスと組み合わせて分析に利用される。検出された信号は、リード線18によって、プリアンプに送られる。
An arbitrary magnetic field gradient can be applied in an arbitrary direction by a combination of the three-axis gradient magnetic field coils 19, 20, 21, 22, 23, and 24, and is used for analysis in combination with a pulse sequence. The detected signal is sent to the preamplifier via the
本発明によれば、超電導線を用いた検出コイルを用いなくても、感度向上が図れるため、メンテナンス性に優れるほか、実施例2で述べたような光照射実験なども可能になる効果がある。また、検出コイルをソレノイド形状でかつ超電導にすることで、従来の40%以上の感度向上でき、たとえば、900MHz(21.1T)で応用すれば、従来の1.26GHz(29.6T) 相当の検出感度が得られるため、従来到達不可能であった検出感度を実現できる効果がある。 According to the present invention, the sensitivity can be improved without using a detection coil using a superconducting wire, so that it is excellent in maintainability, and the light irradiation experiment described in the second embodiment is also possible. . Further, by making the detection coil solenoid-shaped and superconducting, the sensitivity can be improved by 40% or more. For example, when applied at 900 MHz (21.1 T), it corresponds to the conventional 1.26 GHz (29.6 T). Since the detection sensitivity can be obtained, there is an effect that it is possible to realize the detection sensitivity that has been impossible to reach in the past.
(実施例6)
本発明の第6の実施例を図6に示す。基本構成は、本発明の実施例2と同一である。漏洩磁界を小さくするために、鉄製の磁気シールドと組み合わせている。鉄を用いたリターンヨーク26と組み合わせることで、周辺への漏洩磁界を2m以内に低減できる効果がある。なお、磁気シールドには、必要に応じて超電導磁石を利用したアクティブシールドを利用してもよい。鉄に比べて重量が軽くなるメリットがある。また、鉄とアクティブシールドを組み合わせて利用することもできる。
(Example 6)
A sixth embodiment of the present invention is shown in FIG. The basic configuration is the same as that of the second embodiment of the present invention. In order to reduce the leakage magnetic field, it is combined with an iron magnetic shield. By combining with the
(比較例1)
本発明の比較例のNMR装置構成として、600MHz級のNMR装置の構成を図7に示す。中心磁場は14.1T である。鳥籠形状の受信コイル27と超電導磁石28,29,30が多層空心ソレノイドコイルである。この検出方法で本発明と同等に感度を向上するには、中心磁場を高めるしか方法はないが、現時点では21Tが限界であって、同一の周波数(中心磁場強度)であれば、本発明と比較して検出感度は40%程度劣る。磁場の均一度と時間安定度は、タンパク質の解析に必要な0.5Hz以下であった。
(Comparative Example 1)
As an NMR apparatus configuration of a comparative example of the present invention, a configuration of a 600 MHz class NMR apparatus is shown in FIG. The central magnetic field is 14.1T. The birdcage-shaped receiving
(比較例2)
本発明の比較例のNMR装置構成として、鳥籠プローブ27の構成を図8に示す。鞍形コイルを用いる場合もあるが、感度的には比較例1との組み合わせによる方法では、本発明の実施例1と同一の検出感度を得ることは不可能である。この検出方法で感度を向上するには、温度を下げる以外に方法はなく、現状では超電導を利用する方法も提案されているが、コスト増とメンテナンス性の課題が生じる。また、本発明のソレノイド式検出コイルに比較して、検出感度が概ね40%低い。
(Comparative Example 2)
As a configuration of the NMR apparatus of the comparative example of the present invention, the configuration of the
(比較例3)
本発明の比較例を図9に示す。水平方向に均一磁場を発生する汎用のNMR用ソレノイドコイル用い、水平磁場型の配置として、比較例2の鳥かご型検出コイルと組み合わせ、タンパク質の水溶液を、水平方向の連通孔から試験管を計測部に挿入した。計測部位の磁場によって概ね400MHzの核磁気共鳴信号を得たが、試料空間の直径10mm,長さ
20mmでは、4Hzの誤差を誤差に相当する磁場の空間的な不均一さを生じた。また、1時間あたりの磁場の不均一は3Hz/hであった。これらの値は、汎用NMR装置としては標準的な値であるが、本発明の目的とするタンパク質の相互作用解析には不十分であった。また、測定中に試験管の中の溶液液面が水平方向に動いてしまい、安定な計測ができなくなることがしばしばであった。
(Comparative Example 3)
A comparative example of the present invention is shown in FIG. Using a general-purpose NMR solenoid coil that generates a uniform magnetic field in the horizontal direction, combined with the birdcage type detection coil of Comparative Example 2 as a horizontal magnetic field type arrangement, an aqueous solution of protein is measured from a horizontal communication hole and a test tube is measured Inserted into. A nuclear magnetic resonance signal of approximately 400 MHz was obtained by the magnetic field at the measurement site, but when the sample space had a diameter of 10 mm and a length of 20 mm, an error of 4 Hz caused a spatial non-uniformity corresponding to the error. Moreover, the nonuniformity of the magnetic field per hour was 3 Hz / h. These values are standard values for a general-purpose NMR apparatus, but are insufficient for the interaction analysis of the target protein of the present invention. In addition, the liquid level of the solution in the test tube moved in the horizontal direction during the measurement, and it was often impossible to perform stable measurement.
(比較例4)
本発明の比較例を図10に示す。水平方向に均一磁場を発生する汎用のNMR用ソレノイドコイル用い、水平磁場型の配置として、装置上部から、計測部位まで、連通孔を通して、比較例2の鳥かご型検出コイルと組み合わせ、タンパク質の水溶液を試験管に挿入した。上部から計測器を挿入したため、連通孔の最大直径で200mmと大型化した。結果として中心磁場強度が低下した。磁場強度を鋭意調整しても磁場中心では300MHzの核磁気共鳴信号までしかとれなかった。また、試料空間の直径10mm,長さ20mmでは、5Hzの誤差を誤差に相当する磁場不均一であった。これらの値は、汎用NMR装置としては標準的な値であるが、タンパク質の相互作用解析には不十分であった。
(Comparative Example 4)
A comparative example of the present invention is shown in FIG. Using a general-purpose NMR solenoid coil that generates a uniform magnetic field in the horizontal direction, the horizontal magnetic field type arrangement is combined with the birdcage type detection coil of Comparative Example 2 through the communication hole from the top of the apparatus to the measurement site. Inserted into test tube. Because the measuring instrument was inserted from the top, the maximum diameter of the communication hole was increased to 200 mm. As a result, the central magnetic field strength decreased. Even if the magnetic field intensity was tuned, only a 300 MHz nuclear magnetic resonance signal could be obtained at the center of the magnetic field. Further, when the sample space had a diameter of 10 mm and a length of 20 mm, an error of 5 Hz was non-uniform in magnetic field corresponding to the error. These values are standard values for a general-purpose NMR apparatus, but are insufficient for protein interaction analysis.
(比較例5)
本発明の比較例を図11に示す。垂直方向に均一磁場を発生する汎用の18T級のNMR用ソレノイドコイルを2台用い、水平磁場型の配置と組み合わせた。そして、装置上部から、計測部位まで、直径70mmの連通孔を通し、本発明のソレノイド型検出コイルと組み合わせ、タンパク質の水溶液を試験管に挿入した。上部から、全ての計測器及び溶液試料を挿入した。その結果、試料の有効スペースは、直径1mm,長さ20mmと狭まってしまった。これは、通常の溶液NMR装置に用いられる、直径5〜10mmの試料管と比較して、試料の体積で1/25〜1/100しかとることができず、試料からの信号強度が1/
25〜1/100に低下してしまい、感度向上を目指したにもかかわらず、逆に、大幅な感度低下を招くことになった。一方、2つの磁石システムの中心軸方向で、おのおのの磁石の最高磁場は18Tであった。また、磁場の時間安定度は0.001ppm/h程度であった。しかし、試料空間の定常磁場強度は、7.5T であり、試料空間磁場の均一度は100
ppm 以下であり、タンパク質解析に用いることができるNMRとして、計測に利用できない水準であった。
(Comparative Example 5)
A comparative example of the present invention is shown in FIG. Two general-purpose 18T-class NMR solenoid coils that generate a uniform magnetic field in the vertical direction were used in combination with a horizontal magnetic field type arrangement. Then, from the upper part of the apparatus to the measurement site, a 70 mm diameter communication hole was passed through and combined with the solenoid type detection coil of the present invention, and an aqueous protein solution was inserted into the test tube. From the top, all instrument and solution samples were inserted. As a result, the effective space of the sample was narrowed to 1 mm in diameter and 20 mm in length. Compared with a sample tube having a diameter of 5 to 10 mm, which is used in a normal solution NMR apparatus, the sample volume can only take 1/25 to 1/100, and the signal intensity from the sample is 1 /
Although it decreased to 25 to 1/100 and aimed at improving the sensitivity, conversely, a significant decrease in sensitivity was caused. On the other hand, in the direction of the central axis of the two magnet systems, the maximum magnetic field of each magnet was 18T. The temporal stability of the magnetic field was about 0.001 ppm / h. However, the steady magnetic field strength of the sample space is 7.5T, and the uniformity of the sample space magnetic field is 100.
It was below ppm, and it was a level that could not be used for measurement as NMR that could be used for protein analysis.
(比較例6)
本発明の比較例を図12に示す。垂直方向に磁場を発生する高温超伝導バルク磁石32と組み合わせたソレノイド巻き線された検出コイル31を用いて、タンパク質の水溶液のNMR計測を構成した例である。ソレノイドコイルが磁場均一領域から大きくはみ出して巻き線されていることが特徴で、広範囲の磁束の変化をとらえる反面、均一な磁界内に検出コイルが配置された場合に比較して、測定精度に欠ける。また、バルク磁石では、磁石の最高磁場は10Tであったが、試料空間での最高磁場は4Tであった。磁場の均一度は、高温超伝導体の不均一性によって、200〜500ppm 以下であった。また、磁場の時間安定度は、高温超伝導体の磁束クリープ現象によって、20〜100ppm/h 程度であった。これらによって、タンパク質解析に用いることができるNMRとして、計測には全く利用できないシステムであった。
(Comparative Example 6)
A comparative example of the present invention is shown in FIG. This is an example in which NMR measurement of an aqueous protein solution is configured using a solenoid-
以上のように、近年のタンパク質研究の進展とともに、分子量の大きな複雑な化合物の構造解析のニーズが高まっている。そのため、NMRに要求される性能は年々高まっており、検出感度向上のため、NMRの中心磁場は上昇している。検出感度は、原理的には磁場の1.7 乗に比例して上昇するが、実際には比例程度で向上している。既存の超電導材料では、感度向上の限界に達しつつあり、磁場強度に依存しない新しい検出方法や検出装置が求められていた。本発明では、タンパク質解析用の溶液NMRにおいて、中心磁場強度を高めることなく、従来比で少なくとも40%の検出感度向上を提供する。その方法として、溶液試料を装置上部から、検出コイルをソレノイドコイルとして装置下部から磁場中心に配置し、磁場方向を水平方向とした。また、磁場をタンパク質解析に必要なプロトン核磁気共鳴周波数で1.0Hz毎時以下の時間安定度、試料空間での均一度を1.0Hz以下とした。超電導磁石は左右に分割された。即ち、検出コイルの形状を従来の鳥籠型
27から、より感度の高いソレノイド方式4とする。そのために、超電導磁石を従来の多層空心ソレノイド28,29,30ではなく、左右に分割され、水平方向に11T、好ましくは14.1T 以上を発生する超電導磁石1,2,3によるスプリットマグネットで構成。磁場均一度を0.001ppm以下、時間安定度で0.001ppm以下とした。検出コイルをソレノイド式とすることで、同一の中心磁場(共鳴周波数)で、従来比1.4 倍の高感度測定が可能になり、ハイスループットでかつ、従来不可能であった、1.26GHz,29.6T相当のNMR検出感度を900MHz(21.1T)で実現できる。
As described above, with recent progress in protein research, there is an increasing need for structural analysis of complex compounds having a large molecular weight. Therefore, the performance required for NMR is increasing year by year, and the central magnetic field of NMR is increasing to improve detection sensitivity. In principle, the detection sensitivity increases in proportion to the 1.7th power of the magnetic field, but actually increases in proportion. Existing superconducting materials are reaching the limit of sensitivity improvement, and new detection methods and detection devices that do not depend on the magnetic field strength have been demanded. In the present invention, in solution NMR for protein analysis, the detection sensitivity is improved by at least 40% compared with the conventional one without increasing the central magnetic field strength. As the method, the solution sample was placed in the center of the magnetic field from the upper part of the apparatus, the detection coil as a solenoid coil from the lower part of the apparatus, and the magnetic field direction was the horizontal direction. In addition, the magnetic field was set to a proton nuclear magnetic resonance frequency required for protein analysis of 1.0 Hz per hour or less, and the uniformity in the sample space was 1.0 Hz or less. The superconducting magnet was divided into left and right. That is, the shape of the detection coil is changed from the
本発明によって、タンパク質間の相互作用解析が可能になるほか、従来比40%増の超高感度のNMR測定が可能になる。たとえば、中心磁場を現在の超電導技術の最高水準である900MHz(21.1T)で運転すれば、従来の1.26GHz(29.6T) 相当の検出感度が得られるため、従来の磁場強度に頼った感度向上方法では到達不可能であった超高感度な検出感度に初めて到達できる効果がある。 According to the present invention, it becomes possible to analyze the interaction between proteins and to perform NMR measurement with ultra-high sensitivity that is 40% increase compared to the conventional method. For example, if the central magnetic field is operated at 900 MHz (21.1 T), which is the highest level of the current superconducting technology, detection sensitivity equivalent to the conventional 1.26 GHz (29.6 T) can be obtained. For the first time, it is possible to reach the ultra-high detection sensitivity that could not be achieved with the improved sensitivity method.
また、本発明は、タンパク質の相互作用スクリーニング研究に適する。今後、ポストゲノム時代において、タンパク質の構造解析競争が進むと考えられ、構造が明らかになったタンパクを利用する時代を迎えるとき、既知のタンパク質の相互の関係、すなわち、相互作用スクリーニングに対するニーズが高まると期待される。具体的には、テイラーメイド創薬,バイオ産業,食品,医療分野などで広く応用される。5〜10年後の近い将来、タンパク質の立体構造解明が進んだ状況下において、その構造情報を積極的に活用した新薬開発(いわゆる創薬研究)が進むと予測される。本発明のNMR計測技術を利用することで、このような時代における新薬開発において、構造が既知となったタンパク質とリガンド、或いは低分子化合物との間の未知の相互作用の発見を効率的に推進できる。新薬の創生には、NMRで見いだされた新しい相互作用を基点として、計算シミュレーションなどと組み合わせた分子設計支援を経ながら、先端バイオテクノロジーを駆使した最適な新薬開発が進められる。これらの手法によって、人体に効果的に作用する新薬の開発コスト,期間が大幅に短縮される。このような波及効果が我が国、及び世界人類に及ぼす波及効果は計り知れない。技術的側面から見た場合、本発明のNMR技術によれば、検出感度が従来比で40%以上に向上するため、積算時間が1/2に短縮できる。従い、上述した相互作用検出のほか、生体に及ぼす微量金属の影響なども効率よく研究できる。具体例としては、生体内と同濃度の金属元素がタンパク質の存在状態に及ぼす影響や生体内での標識されたタンパク質や微量元素の動態をリアルタイムに追跡することで、生体内の微量元素やタンパク質が関わっている数多くの疾患、例えば、アルツハイマー症などの治療法開発や発病前の慢性・難治療性疾患の早期診断(糖尿病やクロイツェフトヤコブ病等)にも応用できる可能性がある。また、本計測技術によれば、計測機器としてのメンテナンス性や、設置性を大きく改善でき、導入メリットが大きい。特に、比較的小規模の実験施設でも
900MHz級の大型実験装置に近い高品位なデータ取得が可能になる。
The present invention is also suitable for protein interaction screening studies. In the post-genomic era, it is considered that competition for structural analysis of proteins will progress, and when the era of using proteins whose structures have been clarified is reached, the need for mutual relationships among known proteins, that is, interaction screening will increase. It is expected. Specifically, it is widely applied in tailor-made drug discovery, bioindustry, food and medical fields. In the
1…磁場の発生方向が水平方向なNb3Al 超電導磁石、2…磁場の発生方向が水平方向なNb3Sn 超電導磁石、3…磁場の発生方向が水平方向なNbTi超電導磁石、4…水溶液に溶解したタンパク質試料、5…ソレノイド式NMR信号検出コイル、6…信号線、10…開放空間、11…トロイダル式超電導磁石、12…試料及び検出プローブ、14…プリアンプ、15…アナライザ、17…ソレノイド式検出コイル、26…漏洩磁気シールド。 1 ... magnetic field generator direction horizontal direction Nb 3 Al superconducting magnets, 2 ... magnetic field generating direction horizontal direction Nb 3 Sn superconducting magnets, 3 ... magnetic field generator direction horizontal direction NbTi superconducting magnet, 4 ... in an aqueous solution Dissolved protein sample, 5 ... solenoid type NMR signal detection coil, 6 ... signal line, 10 ... open space, 11 ... toroidal superconducting magnet, 12 ... sample and detection probe, 14 ... preamplifier, 15 ... analyzer, 17 ... solenoid type Detection coil, 26 ... Leakage magnetic shield.
Claims (8)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2006330102A JP2007114209A (en) | 2006-12-07 | 2006-12-07 | Nuclear magnetic resonance analyzer for solution |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2006330102A JP2007114209A (en) | 2006-12-07 | 2006-12-07 | Nuclear magnetic resonance analyzer for solution |
Related Parent Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2001325760A Division JP2003130937A (en) | 2001-10-24 | 2001-10-24 | Nuclear magnetic resonance analyzer for solution |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2007114209A true JP2007114209A (en) | 2007-05-10 |
Family
ID=38096510
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2006330102A Pending JP2007114209A (en) | 2006-12-07 | 2006-12-07 | Nuclear magnetic resonance analyzer for solution |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP2007114209A (en) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2009043759A (en) * | 2007-08-06 | 2009-02-26 | Kobe Steel Ltd | Superconducting electromagnet |
Citations (11)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPS4637034Y1 (en) * | 1967-11-25 | 1971-12-20 | ||
US3771055A (en) * | 1972-03-17 | 1973-11-06 | Varian Associates | Double nuclear magnetic resonance coil |
JPH04504067A (en) * | 1989-03-11 | 1992-07-23 | ブルーケル・アナリティク・ゲゼルシヤフト・ミト・ベシユレンクテル・ハフツング | magnet device |
JPH07240310A (en) * | 1994-03-01 | 1995-09-12 | Mitsubishi Electric Corp | Superconducting magnet for nuclear magnetic resonance analyzer |
JPH07303624A (en) * | 1993-06-21 | 1995-11-21 | Picker Internatl Inc | Gradient coil |
JPH07333311A (en) * | 1994-06-10 | 1995-12-22 | Hitachi Ltd | Nuclear magnetic resonance device |
JP2000147082A (en) * | 1998-11-16 | 2000-05-26 | Kobe Steel Ltd | Persistent current superconducting magnet |
JP2000508054A (en) * | 1995-06-05 | 2000-06-27 | ブルーカー インスツルメンツ,インコーポレイテッド | Coil for nuclear magnetic resonance probe and its manufacturing method |
JP2000292515A (en) * | 1999-04-01 | 2000-10-20 | Ricoh Co Ltd | Probe fixing device for nmr apparatus |
JP2001513201A (en) * | 1997-11-07 | 2001-08-28 | バリアン・インコーポレイテッド | Reduction of effective susceptibility of superconducting materials in nuclear magnetic resonance (NMR) probe |
JP2001264402A (en) * | 2000-03-17 | 2001-09-26 | National Institute For Materials Science | High magnetic field and high homogeneous superconducting magnet device |
-
2006
- 2006-12-07 JP JP2006330102A patent/JP2007114209A/en active Pending
Patent Citations (11)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPS4637034Y1 (en) * | 1967-11-25 | 1971-12-20 | ||
US3771055A (en) * | 1972-03-17 | 1973-11-06 | Varian Associates | Double nuclear magnetic resonance coil |
JPH04504067A (en) * | 1989-03-11 | 1992-07-23 | ブルーケル・アナリティク・ゲゼルシヤフト・ミト・ベシユレンクテル・ハフツング | magnet device |
JPH07303624A (en) * | 1993-06-21 | 1995-11-21 | Picker Internatl Inc | Gradient coil |
JPH07240310A (en) * | 1994-03-01 | 1995-09-12 | Mitsubishi Electric Corp | Superconducting magnet for nuclear magnetic resonance analyzer |
JPH07333311A (en) * | 1994-06-10 | 1995-12-22 | Hitachi Ltd | Nuclear magnetic resonance device |
JP2000508054A (en) * | 1995-06-05 | 2000-06-27 | ブルーカー インスツルメンツ,インコーポレイテッド | Coil for nuclear magnetic resonance probe and its manufacturing method |
JP2001513201A (en) * | 1997-11-07 | 2001-08-28 | バリアン・インコーポレイテッド | Reduction of effective susceptibility of superconducting materials in nuclear magnetic resonance (NMR) probe |
JP2000147082A (en) * | 1998-11-16 | 2000-05-26 | Kobe Steel Ltd | Persistent current superconducting magnet |
JP2000292515A (en) * | 1999-04-01 | 2000-10-20 | Ricoh Co Ltd | Probe fixing device for nmr apparatus |
JP2001264402A (en) * | 2000-03-17 | 2001-09-26 | National Institute For Materials Science | High magnetic field and high homogeneous superconducting magnet device |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2009043759A (en) * | 2007-08-06 | 2009-02-26 | Kobe Steel Ltd | Superconducting electromagnet |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US7190167B2 (en) | Nuclear magnetic resonance spectrometer for liquid-solution | |
US6975118B2 (en) | Supersensitive nuclear magnetic resonance micro imaging apparatus | |
CN1287160C (en) | SQUID detected NMR and MRI at ultralow fields | |
CA2683411C (en) | Magnetic resonance imaging apparatus and method | |
JP3879584B2 (en) | NMR analyzer | |
US20110121830A1 (en) | Superconductor rf coil array | |
JP4030910B2 (en) | Magnet for NMR analyzer and NMR analyzer using the same | |
JP2019508666A (en) | Inductive coupling and use of multiple resonance circuits of nuclear magnetic resonance probes | |
CN111904420A (en) | Magnetic resonance tomography system | |
Chen et al. | Low-temperature magnetic resonance imaging with 2.8 μm isotropic resolution | |
JP2009530596A (en) | MNR spectroscopy with multiple coil probes | |
Liu et al. | Pulsed-field nuclear magnetic resonance: Status and prospects | |
Tschaggelar et al. | Cryogenic 35 GHz pulse ENDOR probehead accommodating large sample sizes: Performance and applications | |
JP5203128B2 (en) | NMR probe head with multiple resonator systems for simultaneous measurement of multiple samples in coupled mode | |
Badilita et al. | 3D solenoidal microcoil arrays with CMOS integrated amplifiers for parallel MR imaging and spectroscopy | |
CN111650234B (en) | Method and system for testing oil-water capillary pressure curve of compact core | |
JP2007114209A (en) | Nuclear magnetic resonance analyzer for solution | |
EP1477822A1 (en) | Nuclear magnetic resonance spectrometer for liquid-solution | |
JP4034224B2 (en) | Magnet for nuclear magnetic resonance apparatus and nuclear magnetic resonance analyzer using the same | |
JP2007090089A (en) | Supersensitive nuclear magnetic resonance imaging apparatus | |
JP4034223B2 (en) | Superconducting magnet for NMR apparatus and NMR apparatus | |
JP4319641B2 (en) | NMR apparatus and measurement method thereof |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20091201 |
|
A521 | Written amendment |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20100201 |
|
A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20100302 |
|
A02 | Decision of refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A02 Effective date: 20100706 |