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、従来の同等装置よりも大幅にコンパクトで持ち運び可能なフーリエ変換 核磁気共鳴（FT-NMR）分光計のことであり、持ち運び可能で、実験室のベンチトップに置くことができます。この利便性は、はるかに大きくて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する代わりに、これらのベンチトップ機器は実験室のベンチに直接配置し、必要に応じて移動することができます（例：ドラフトチャンバーへ）。これらの分光計は、より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 スペクトルの測定に使用でき、緩和または拡散パラメータ（例： T1、T2、D） の測定に限定されないという点で、リラクソメーターとは異なります。

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 わずかに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、特殊な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コストがかかります。^{[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できる施設に設置されています。

2000年代初頭以来、永久磁石の技術と設計が復興を遂げており、^[4]教育、研究、産業用途で有用な分解能と感度を備えたはるかに小型の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とネオジムの硬質強磁性体により、NMR永久磁石のサイズが縮小され、最大2.9 Tの磁場が達成され、これは125 MHzの陽子ラーモア周波数に相当します。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にすることができ、一般的な研究室環境で安全に操作できます。単相ローカル電源のみを必要とし、UPSシステムによりポータブルにすることができ、製造エリアのさまざまな場所でNMR分析を実行できます。

低磁場（0.3-1.5T）NMR分光計の最大の欠点の1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。小さな磁石の場合、外部磁場の強度が主磁場に悪影響を与える可能性があるという懸念がありましたが、分光計内部に磁気シールド材料を使用することでこの問題は解消されました。現在入手可能な分光計は、連続電源を備えたポータブルトロリーに搭載されているものも含め、ある場所から別の場所に簡単に移動できます。^[6]関連するもう1つの問題は、現在入手可能な分光計が、化学反応のその場測定で必要となる可能性のあるサンプルの高温をサポート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課題を克服し、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なる可能性 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としても知られています。^[10]

^{NMR分光法は化学分析、 [11] [12]、}反応モニタリング、^[13] 、品質保証/品質管理実験に使用できます。高磁場機器は、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可能にします。より安価で、より堅牢で、より多用途の中磁場および低磁場機器は、反応モニタリングおよび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1年生^[14]または中小企業） にNMRのアクセス性と利用可能性を拡大する可能性を提供します。

過去10年間に、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]}

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。

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の分解能を持ち、線形は0.2Hz/6Hz/12Hzで、高磁場NMR仕様に匹敵します。1H陽子、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ると、感度を低下させることなく、複数のX核を1つ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、2D HETCOR、HMBC、HMQC、COSY、JRESスペクトルなど、幅広い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]を追加することもできます。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。

2009年、コロラド州ボルダーに拠点を置くpicoSpin LLCは、picoSpin 45で初のベンチトップNMR分光計を発売しました。小型（7 x 5.75 x 11.5インチ）の45 MHz分光計は、優れた分解能（< 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、その後製品名がサーモサイエンティフィックpicoSpin 45に変更されました。 ^{[23] picoSpin 45分光計は、従来の静的5 mm NMRチューブの代わりに、0.4 mm ID PTFEおよび石英}キャピラリー へのサンプル注入を必要とする フロースルーシステムを使用します。[ ^24]分光計には Web サーバー ボードが内蔵されているため、制御には外部コンピューターまたはモバイル デバイスの Web ブラウザーのみが必要です。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 が導入されました。これは、82 MHz で動作し、1.2 Hz の解像度を持ち、オリジナルの picoSpin 45 の 10 倍の感度を備えています。

カナダ、アルバータ州カルガリーに拠点を置くNanalysis Corp は、 60 MHz と 100 MHz の 2 つのベンチトップ NMR プラットフォームを提供しています。それぞれ 1.4 T と 2.35 T です。分光計はオールインワンの筐体 (磁石、電子機器、タッチスクリーン コンピューター) に収められており、設置が簡単ですが、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ーでリモートで制御できます。60 MHz は市場で入手可能な最小の 60 MHz で、重量は約 25 kg、100 MHz は 100 kg 弱です。

どちらのプラットフォームも、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、最も一般的には 7Li、11B、13C、31P) を観測する「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 実験を実行できます。分光計は標準の 5mm NMR チューブを使用し、ほとんどのサードパーティ 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、優れた cameleon4 テクノロジー、NMR コンソール、前臨床 MRI、MR 製品ラインを含む磁気共鳴テクノロジー ポートフォリオを拡大しました。2021 年には、Nanalysis はニューヨークを拠点とするソフトウェア会社 One Moon Scientific も買収し、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 データの分析の拡張の両方を実現しました。

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年に発売された以前の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のクライオジェンフリーNMR分析装置の中で、標準として最高の分解能（<0.35Hz / 10Hz）を備えています。60MHzの希土類永久磁石が組み込まれています。X-Pulseは、1H、19F、13C、31P、7Li、29Si、11B、23Naを単一のプローブで測定できる完全なブロードバンドXチャネルを提供する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、および溶媒抑制や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149kg ^[26]、電子機器の重量は22kg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われ、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われます。Pulsar機器は、X-Pulseの発売に伴い2019年に製造中止になりました。

2019年、高性能NMR装置の長年の製造業者であり市場リーダーであるブルカーは、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、ブルカーの標準ソフトウェア（WindowsおよびLinux用の完全な将来的なTopSpin 4ソフトウェア、WindowsおよびLinuxからのPythonベースのAPI、および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（カスタムオーダーでさらに多く可能）用に構成でき、80MHz（1.88T）で動作します。装置の重量は約93kgで、動作時の消費電力は300W未満です。^[27]

2021年後半、Q Magneticsは、0.5 Hzを超える分解能を備えた125 MHz（2.9 T）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28 kg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コンピューターに接続されています。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、サンプルをシリンジでソースから吸い上げて分光計に注入するウォークアップモードと、サンプルが別の装置からの流れによってRFコイルに送られる自動またはハイフネーションモードの2つの方法で使用できます。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。50 W未満の消費電力と比較的低コストにより、垂直および専用アプリケーションへの統合がサポートされています。