[スポンサーリンク]

化学者のつぶやき

JEOL RESONANCE「UltraCOOL プローブ」: 極低温で感度MAX! ②

[スポンサーリンク]

 

前回の記事で、株式会社JEOL RESONANCEの開発している「UlrraCOOLプローブ」を紹介するにあたり、基本知識について紹介させていただきました。例えば、NMRの利点と問題点、感度をあげるためのプローブの開発の試み、UltraCOOLプローブの名前の由来、極低温にするとどうして感度があがるのだろうか?などです。今回の記事では実際、UltraCOOLプローブの謎に迫っていきたいと思います。

S/N比と極低温プローブの環境

前回の記事で、極低温にすることで熱的なノイズを減少させてS(signal)/N(noise)比を高めることができるとお話しました。具体的には、極低温プローブでは、一般に検出コイルと信号増幅回路であるプリアンプをそれぞれ冷却します。これらの回路に使用される金属材料は、冷却されることによって電気抵抗が減少します(Q値の増大)。これと同時に熱的ノイズも減少されるため、極低温プローブの感度は、温度の逆数に比例することになります。S/N比を求める式は以下の通り。


cryo3.png

 

式からも明らかなように、極低温に冷却された検出回路は、感度を大幅に向上させます。検出回路の冷却は、冷凍機によって極低温に冷却されたHeガスを循環させることで実現されます。この際に検出回路のみが冷却され、試料は室温に保たれていなければなりません。極低温のコイルと室温の試料との温度差は300K以上に達しますが、それらの間は真空断熱層で熱的に分離されています。(下図)

cryo4.png

また、プローブ内部は断熱のために高真空に保たれている必要があります。極低温プローブは、高真空と極低温を発生させ、そのような過酷な環境下で動作させるため、かなり大掛かりな装置となります。


cryo5.png

一般的には、He冷凍機による冷却によって、室温の4倍から5倍程度の感度向上が達成されます。NMRにおける信号の積算は信号の強度増加と同時にノイズの増加もあるため、SN比は積算回数の1/2乗に比例することになります。従って、感度が4倍から5倍であれば、同じSN比のスペクトルを得るために必要な積算回数は1/16から1/25で良いことになります。これはとりもなおさず、測定時間を極端に短縮することができることを意味します。これまで数日かかっていた測定が数時間で完了するため、装置の運転効率を著しく向上させることが可能となります。

 

極低温で感度MAX!「UltraCOOLプローブ」

では、実際のUltraCOOLプローブをみてみましょう。といっても記事のトップに掲載されている画像がソレです。

UltraCOOLプローブは、極低温プローブの特長である超高感度測定だけでなく、ポリマーなどの分析に必要となる、安定した高温測定が可能です。運転中は閉鎖系での冷却によりHeを消費することはありません。長い実績のあるオートチューニング・マッチング機構も装備しているため、大がかりな装置ではありますが、一旦起動、冷却してしまえば、全ては通常の室温プローブとほとんど変わらない使用感で利用できます。

例えば、?13Cの感度向上に最適化されたプローブでは、室温プローブと比較して5倍以上の感度を達成(下図)し、測定時間を1/25以下に短縮します。


cryo6.png

13Cは、室温プローブでは積算を重ねないと信号が得られませんが、UltraCOOLプローブでは1 scanでほぼ全ての信号が確認できます。(下図)

cryo7.png

また、13C-13Cの結合を明らかにするINADEQUATE測定では、現実的な時間でほぼ全ての結合を検出することができています。(下図)正直普通のNMRではINADEQUATE測定は事実上不可能です。

cryo8.png

例えば、この試料では43時間で結果が得られていますが、同じ測定を室温プローブでおこなった場合、25倍の1075時間に及ぶ積算が必要になります。45日間の積算はまったく現実的ではありません。

さらに、UltraCOOLプローブは、150℃までの高温測定を安定して実行することができます。150℃での測定では、近傍にあるコイルと試料の温度差が400℃を越えますが、長時間に渡る測定でも安定して検出が可能です。

 

おわりに

筆者自身これを体験できるのはあと半月先になりますが、これまで学生時や以前の職場でブルカー社のクライオプローブを使ってきました。正直普通のNMRとは全く別物です。勘違いしないでいただきたいのは、操作は全く同じ普通のNMRです。感度が圧倒的に異なり、1mgほどしかない複雑な骨格を有する化合物でも1時間ほどで非常にきれいな13CNMR測定ができました。このプローブは13Cの感度向上に特化していますが、1H-NMRにおいても圧倒的な感度が得られます。普通のNMRではどんなに積算してもノイズしかみられないごく少量サンプルでも、積算を重ねると数mgあるようなきれいなNMRスペクトルが得られました。副生成物や極少量のサンプルの構造決定に大変威力を発揮すると期待しています。

問題は価格。

このプローブ自体が通常のNMRマシンと同じ程の価格であること。600MHzのNMRとUltraCOOLプローブを導入するとなると具体的な価格はいえませんが、値引きを考慮しても普通の予算では厳しいです。さらには、極低温を維持するための寒剤や電気代がかさむことです。昔に比べたら良くなったというらしいですが、年間500万近くかかります。これは相当大きな予算を抱えていないと運用できないかもしれません。

とはいえど、使用者の立場から言えば、感度が高いということは測定時間も短くてよく、多くの研究者が使っても問題ありません。特に溶解度の低い化合物や四級炭素ばかりの化合物でNMR測定がまともに出来なかった研究を加速する、さらには新しい化学を創出する可能性も大いに考えられます。そんな夢のプローブ、ぜひ使ってみませんか?

 

参考サイト

本記事はJEOL RESONANCE社から寄稿いただいた文章に加筆したものです。

関連書籍

 

webmaster

webmaster

投稿者の記事一覧

Chem-Station代表。早稲田大学理工学術院教授。専門は有機化学。主に有機合成化学。分子レベルでモノを自由自在につくる、最小の構造物設計の匠となるため分子設計化学を確立したいと考えている。趣味は旅行(日本は全県制覇、海外はまだ20カ国ほど)、ドライブ、そしてすべての化学情報をインターネットで発信できるポータルサイトを作ること。

関連記事

  1. 創薬人育成サマースクール2019(関東地区) ~くすりを創る研究…
  2. 「夢・化学-21」 夏休み子ども化学実験ショー
  3. キラルアニオン相関移動-パラジウム触媒系による触媒的不斉1,1-…
  4. ボロン酸エステルをモノ・ジフルオロメチル基に変える
  5. ハリーポッターが参考文献に登場する化学論文
  6. 不安定化合物ヒドロシランをうまくつくる方法
  7. 量子力学が予言した化学反応理論を実験で証明する
  8. 含『鉛』芳香族化合物ジリチオプルンボールの合成に成功!①

コメント、感想はこちらへ

注目情報

ピックアップ記事

  1. 電子豊富芳香環に対する触媒的芳香族求核置換反応
  2. 発想の逆転で糖鎖合成
  3. ロジャーアダムス賞・受賞者一覧
  4. 有機合成から無機固体材料設計・固体物理へ: 分子でないものの分子科学を求めて –ジャン ロッシェ材料研究所より
  5. 塩化ラジウム223
  6. 香月 勗 Tsutomu Katsuki
  7. ケムステイブニングミキサー2019に参加しよう!
  8. 【なんと簡単な!】 カーボンナノリングを用いた多孔性ナノシートのボトムアップ合成
  9. シラフィン silaffin
  10. 有機合成化学協会誌2018年9月号:キラルバナジウム触媒・ナフタレン多量体・バイオインスパイアード物質変換・エラジタンニン・モルヒナン骨格・ドナー・アクセプター置換シクロプロパン・フッ素化多環式芳香族炭化水素

関連商品

ケムステYoutube

ケムステSlack

注目情報

注目情報

最新記事

国際化学オリンピック、日本の高校生4名「銀」獲得

文部科学省は2020年7月31日、オンラインで開催された「第52回国際化学オリンピック」に参加した高…

有機合成化学協会誌2020年8月号:E2212製法・ヘリセン・炭素架橋オリゴフェニレンビニレン・ジケトホスファニル・水素結合性分子集合体

有機合成化学協会が発行する有機合成化学協会誌、2020年8月号がオンライン公開されました。今回は担当…

第八回ケムステVシンポジウム「有機無機ハイブリッド」を開催します!

夏真っ盛りですね。某ウイルスのもろもろに目を奪われがちですが、この季節は熱中症にも気をつけましょう。…

巧みに設計されたホウ素化合物と可視光からアルキルラジカルを発生させる

第268回のスポットライトリサーチは、金沢大学医薬保健研究域薬学系(大宮研究室)の佐藤 由季也(さと…

第111回―「予防・診断に有効なナノバイオセンサーと太陽電池の開発」Ted Sargent教授

第111回の海外化学者インタビューは、Ted Sargent教授です。トロント大学電気・計算機工学科…

アレノフィルを用いるアレーンオキシドとオキセピンの合成

脱芳香族化を伴う直接的な酸化により芳香族化合物からアレーンオキシドとオキセピンを合成する手法が開発さ…

ケムステニュース 化学企業のグローバル・トップ50が発表【2020年版】

It's no secret that the COVID-19 pandemic ha…

スポットライトリサーチムービー:動画であなたの研究を紹介します

5年前、ケムステ15周年の際に新たな試みとしてはじめたコンテンツ「スポットライトリサーチ」。…

Chem-Station Twitter

PAGE TOP