[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

[amazonjs asin=”4062803038″ locale=”JP” title=”よくある質問 NMRの基本 (よくある質問シリーズ)”][amazonjs asin=”4781912958″ locale=”JP” title=”磁気共鳴‐NMR―核スピンの分光学 (新・物質科学ライブラリ)”][amazonjs asin=”4759811931″ locale=”JP” title=”有機化学のためのスペクトル解析法-UV、IR、NMR、MSの解説と演習”][amazonjs asin=”480790633X” locale=”JP” title=”有機化合物のスペクトルによる同定法―MS,IR,NMRの併用”]

 

Avatar photo

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. フッ素をホウ素に変換する触媒 :簡便なPETプローブ合成への応用…
  2. 暑いほどエコな太陽熱冷房
  3. 有機反応を俯瞰する ー挿入的 [1,2] 転位
  4. 原子量に捧げる詩
  5. 溶液を流すだけで誰でも簡単に高分子を合成できるリサイクル可能な不…
  6. 若手研究者vsノーベル賞受賞者 【基礎編】
  7. AIによる創薬に新たな可能性 その研究と最新技術に迫る ~米・I…
  8. 生命が居住できる星の条件

注目情報

ピックアップ記事

  1. ノーベル化学賞明日発表
  2. 有機薄膜太陽電池の”最新”開発動向
  3. 結晶世界のウェイトリフティング
  4. 世界最高の耐久性を示すプロパン脱水素触媒
  5. 池田 菊苗 Kikunae Ikeda
  6. 【11月開催】第十三回 マツモトファインケミカル技術セミナー   二酸化炭素を原料とした有機化学物質の合成における有機金属化合物触媒の利用
  7. フルエッギン Flueggine
  8. マイヤー・シュスター転位/ループ転位 Meyer-Schuster/Rupe Rearrangement
  9. ディーター・ゼーバッハ Dieter Seebach
  10. ゴム状硫黄は何色?

関連商品

ケムステYoutube

ケムステSlack

月別アーカイブ

2013年12月
 1
2345678
9101112131415
16171819202122
23242526272829
3031  

注目情報

最新記事

アンモニウム構造によりラジカル種の発生位置を完全に制御!

第710回のスポットライトリサーチは、関西学院大学理工学研究科 村上研究室の榊原 陽太(さかきばら …

化学つれづれ草【ある研究者の回想】

概要物理化学者で量子機能材料を専門とする著者によるエッセイ集.化学者としての研究,教育,人生…

第60回有機反応若手の会

開催概要有機反応若手の会は、有機化学分野で研究を行う全国の大学院生を中心とした若手研究者が集い、…

ノーベル賞受賞者と語り合う5日間!「第18回HOPEミーティング」参加者募集!

申し込みはこちら概要主催:独立行政法人 日本学術振興会(JSPS)開催地:神奈川…

光触媒による高効率なCO2還元の実現―まさかの光を弱く当てることが重要だった―

第709回のスポットライトリサーチは、東京科学大学 理学院(前田研究室)博士後期課程2年の仲田竜一 …

「π-πスタッキング」という言葉が生む誤解【芳香環の相互作用を見直す: 前編】

芳香環が平行に並んで近接しているとき、その構造を「π–π スタッキング」と表されることがよくあります…

一重項酸素によるC(sp2)−P結合切断を用いた長波長光によるリン化合物のアンケージング

第 708 回のスポットライトリサーチは、同志社女子大学 薬学部 医療薬学科 5…

マテリアルズ・インフォマティクスにおける画像解析の活用ガイド

開催概要材料開発において、電子顕微鏡やX線トモグラフィーを用いて材料の微細構造を観察するために画…

世界初のPROTAC医薬、ついに承認 ―「タンパク質を阻害する」から「分解する」時代へ

2026年5月、創薬化学の歴史に残る大きな出来事が起きました。米国 FDA は、…

有機蛍光とは異なる新しい有機りん光の分子設計指針の発見

第707回のスポットライトリサーチは、電気通信大学 情報理工学研究科(牧昌次郎研究室)の林希久也 助…

実験器具・用品を試してみたシリーズ

スポットライトリサーチムービー

PAGE TOP