卓上型核磁気共鳴分光計(卓上型NMR分光計)とは、従来のものに比べて大幅に小型で持ち運びやすいフーリエ変換核磁気共鳴(FT-NMR)分光計のことで、実験室のベンチトップに設置できます。この利便性は、より大型で高価な極低温冷却超伝導NMR磁石に比べて磁場が弱く感度が低い永久磁石を使用していることに由来します。専用のインフラ、部屋、大規模な設備を必要とせず、これらの卓上型装置は実験室のベンチに直接設置でき、必要に応じて移動できます(例えば、ドラフトチャンバーへ)。これらの分光計は、操作が簡単で初心者でもワークフローを改善できます。高分解能NMRスペクトルを測定できる点で緩和計とは異なり、緩和パラメータや拡散パラメータ(例えば、 T1、T2、D)の測定に限定されません。
第一世代のNMR分光計は、数百キログラム以上の重さの大型電磁石を使用していた。 1960年代から70年代にかけて、60MHzと90MHzのプロトン共鳴周波数でやや小型の永久磁石システムが開発され、連続波法を用いた化学分析に広く使用された が、これらの永久磁石も依然として数百キログラムの重さがあり、ベンチトップに置くことはできなかった。 より高い分解能と感度を得るために、より強力な磁場を実現するために超伝導磁石が開発された。しかし、これらの超伝導磁石は高価で大型であり、専用の建物設備を必要とする。 [ 1 ]さらに、超伝導体に必要な極低温物質は危険であり、継続的なメンテナンス費用がかかる。[ 2 ] [ 3 ]そのため、これらの装置は通常、複数の研究グループが使用する専用のNMR室または施設に設置される。
2000年代初頭から永久磁石技術と設計にルネッサンスが起こり[ 4 ]、教育、研究、産業用途に有用な分解能と感度を備えたはるかに小型のNMR装置の開発を可能にするほどの進歩が見られました[ 5 ] 。サマリウムコバルトおよびネオジム硬磁性体によりNMR永久磁石のサイズが縮小され、125 MHzのプロトンラーモア周波数に相当する最大2.9 Tの磁場が達成されました。これらの設計は、室温から60 °Cの 磁石温度で動作し、装置を実験台に収まるほど小型化することができ、一般的な実験室環境で安全に操作できます。単相の局所電源のみが必要で、UPSシステムを使用するとポータブルになり、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。小型磁石の場合、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、分光計内部に磁気遮蔽材を使用することでこの問題は解消されます。現在利用可能な分光計は、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を含め、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、現在利用可能な分光計が、化学反応のin-situ測定で必要となる可能性のある高温のサンプル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問題を克服し[ 7 ] 、不安定な磁場や安価な発振器でも動作できるようにする可能性があることが示唆されている。
低磁場で取得したNMRスペクトルは信号分散が少なく、その結果、信号の重なりや高次の効果を伴うより複雑なスペクトルになります。[ 8 ]このようなスペクトルを完全に解釈するには、計算量子力学的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。高磁場装置は、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実現します。より安価で堅牢かつ汎用性の高い中磁場および低磁場装置は、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、超伝導分光計にアクセスできない機関(例えば、学部生[ 14 ]や中小企業)にNMRへのアクセスと利用可能性を拡大する可能性を提供します。
過去 10 年間で、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、 60 MHz 1H NMR スペクトルと一次分析データ間の構造-特性および化学的および物理的特性の相関関係を導出するために多変量統計分析(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てきた。[ 15 ] [ 16 ]
この新しいタイプの分光計の開発は2000年代半ばに始まり、卓上型で利用可能となる最後の分子分光技術の一つとなった。
ニュージーランドとドイツに拠点を置くMagritekの Spinsolve 装置は、90 MHz [ 17 ] 、 80 MHz [ 18 ] 、および 60 MHz [ 19 ]で動作し、非常に優れた感度と 0.4 Hz 未満の分解能を提供し 、重量はそれぞれ 115 kg、73 kg、および 60 kg です。ULTRA モデル[ 20 ]は、0.2 Hz のさらに高い分解能と、高磁場 NMR 仕様に匹敵する 0.2 Hz/ 6 Hz/ 12 Hz の線形形状を備えています。1H プロトン、19F フッ素、13C 炭素、31P リン、および 7Li、23Na、29Si などの他の X 原子核を測定できます。Multi X オプションを使用すると、感度の低下なしに、複数の X 原子核を単一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。分光法用のパルス磁場勾配が含まれており、オプションの拡散パルス磁場勾配[ 22 ]も追加できます。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はありません。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。サンプルは標準的な5 mm NMRチューブを使用して測定され、分光計は外部コンピュータを介して制御され、そこで標準的なNMRデータ収集と処理が行われます。
2009年、コロラド州ボルダーに拠点を置くpicoSpin LLCは、 picoSpin 45という初の卓上型NMR分光計を発売した。小型(7 x 5.75 x 11.5インチ)で、 分解能(< 1.8 Hz)と中低域感度に優れた45 MHz分光計。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Thermo Fisher Scientificに買収され、その後製品名がThermo Scientific picoSpin 45に変更されました。[ 23 ] 従来の静的5 mm NMRチューブ の代わりに、 picoSpin 45 分光計は、0.4 mm IDの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システムを使用しています。[ 24 ]ソフトウェアロックが存在するため、重水素化溶媒はオプションです。分光計にはWebサーバーボード が内蔵されているため、制御には外部のコンピュータまたはモバイルデバイスのWebブラウザのみが必要で、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、第2バージョンとして、Thermo Scientific picoSpin 80が発表されました。これは82 MHzで動作し、分解能は1.2 Hz、感度は初代picoSpin 45の10倍です。
カナダ、アルバータ州カルガリーに拠点を置くNanalysis Corpは、60MHz (1.4T)と100MHz(2.35T)の2種類の卓上型NMR装置を提供しています。これらの分光計は、磁石、電子機器、タッチスクリーンコンピュータが一体となった筐体に収められているため、設置場所を選びません。また、すべてのシステムは、ユーザーの希望に応じて、外部コンピュータからローカルまたはリモートで制御できます。60MHzモデルは、市場で入手可能な 60MHz装置の中で最小の約25kg 、100MHzモデルは100kg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は顧客が定義しますが、最も一般的なのは7Li、11B、13C、31Pです)を観測できる「PRO」モデルがあります。装置のモデルによっては、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。分光計は標準的な5mm NMRチューブを使用し、ほとんどのサードパーティ製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技術ポートフォリオを拡大しました。2021年には、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、ルーチン的な高性能データ処理を提供するとともに、機械学習、データベース構築、検索アルゴリズムなどを含むNMRデータの分析機能を拡張しました。
2019年、オックスフォード・インスツルメンツは 、X-Pulseと呼ばれる新しい60 MHz分光計を発表しました。 [ 25 ]この装置は、2013年に発表された以前のPulsarシステムを大幅に改良したものです。X-Pulseは、現在入手可能な卓上型クライオジェンフリーNMRアナライザーの中で、標準で最高レベルの分解能(<0.35 Hz / 10 Hz)を備えています。60 MHzの希土類永久磁石を内蔵しています。X-Pulseは、1つのプローブで1H、19F、13C、31P、7Li、29Si、11B、23Naを測定できるフルブロードバンドXチャンネルを提供する唯一の卓上型NMRシステムです。すべての核種に対して、1Dスペクトル、T1、T2、HETCOR、COSY、HSQC、HMBC、JRES、および溶媒抑制や選択的励起を含むその他多くの1Dおよび2D測定を幅広く実行できます。 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 ℃から60 ℃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は標準的な主電源が必要で、標準的な5mm NMRチューブを使用します。装置の制御は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装置は、X-Pulseの発売に伴い2019年に製造中止となりました。
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Brukerは、ベンチトップNMR、Fourier 80 FT-NMRを発表しました。この装置は永久磁石を使用し、Bruker標準ソフトウェア(WindowsおよびLinux用のフル機能のTopSpin 4ソフトウェア、WindowsおよびLinux用のPythonベースのAPI、GoScanと呼ばれる簡略化されたアプリ)を使用して動作します。この装置は、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追加可能)用に構成でき、80 MHz(1.88 T)で動作します。装置の重量は約93 kgで、動作時の消費電力は300W未満です。[ 27 ]
2021年後半、Q Magneticsは、分解能が0.5 Hz より優れている125 MHz (2.9 T) 1H卓上NMR分光計である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インターフェースを介して制御コンピュータ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はありません。2つの方法で使用できます。1つは、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、もう1つは、サンプルを別の装置からの流れによってRFコイルに供給する自動モードまたはハイフネーションモードです。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には、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をサポートします。