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。

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）

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。

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。

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）

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。

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。

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