Сверхпроводящие ЯМР спектрометры

Автор:

В.И. Щербаков

Разработкой и производством ЯМР спектрометров в мире занимается около десяти компаний, которые можно разделить на три основные группы: производители спектрометров низкого разрешения (как правило, на постоянных магнитах), производители сверхпроводящих ЯМР спектрометров, а также производителей электроники, программного обеспечения и аксессуаров для ЯМР спектрометрии.

 

При производстве ЯМР спектрометров среднего разрешения также часто прибегают к контрактному производству, что не вносит ясности в вопрос о том, кто же конкретно изготовил сверхпроводящую магнитную систему спектрометра и ее криостат. ЯМР спектрометры можно разбить на несколько групп, каждая из которых рассчитана на решение своего круга задач:

 

· ЯМР Спектрометры низкого разрешения, рабочая частота 100 МГц или менее. Как правило, такие установки часто выполнены на базе постоянных магнитов или несверхпроводящих электромагнитов; их разрешающей способности недостаточно чтобы отличить одно сложное органическое соединение от другого. Основное назначение таких ЯМР спектрометров - проведение различных экспресс тестов, как для научных задач, так и для задач контроля качества химической и пищевой продукции.

 

· ЯМР спектрометры среднего разрешения, рабочие частоты 400 и 500 МГц (9,36 и 11,75 Тл), в год в мире выпускается около тысячи штук. Применяются для широкого круга химических и биологических исследований, задач контроля качества и сертификации в фармацевтике и на производствах со сложной химической технологией (производство полимеров, нефтехимия). Следует отметить, что прогресс в электронике привел к тому, что современные ЯМР спектрометры с частотами 400 и 500 МГц по своим характеристикам часто не уступают устройствам на 600 МГц двадцатилетней давности. Магнитная экранировка соленоида является обязательной для ЯМР спектрометров данного класса, за счет чего он может быть установлен в любой лаборатории без специальной подготовки помещения.

 

· ЯМР спектрометры высокого разрешения с рабочими частотами 600 и 700 МГц (14,04 и 16,38 Тл) предназначены для исследований в области молекулярной биологии, биохимии, химии и физике наносистем. Они стали обязательным атрибутом лаборатории любой крупной фармацевтической компании. В фармацевтике ЯМР спектрометрия высокого разрешения помогает значительно ускорить процесс химического анализа и сократить сроки разработки новых лекарств. Разрешающая способность этих устройств позволяет производить детальный анализ нуклеиновых кислот и протеинов. Как правило, спектрометры этого класса имеют экранированную магнитную систему, что снижает воздействие магнитного поля на другое лабораторное оборудование и позволяет разместить его более компактно. В год в мире производится несколько сот таких ЯМР спектрометров.

 

· Для исследований в молекулярной биологии, физике и химии наносистем и в целом ряде других областей необходимы ЯМР спектрометры с максимально возможным разрешением. Стоимость подобных устройств чрезвычайно высока; используемые в них технические решения лежат на пределе возможностей современной сверхпроводящей технологии. Если ЯМР спектрометры с частотами 800 - 900 МГц (18,72 - 21,06 Тл) еще производятся малыми сериями (суммарно по всем производителям несколько десятков единиц в год), то рекордные спектрометры на 1000 МГц (23,5 Тл) представлены единичными образцами далекими от законченного коммерческого продукта (в основном, по причине отсутствия экранировки магнитного поля). Как, правило, такие спектрометры охлаждаются жидким гелием с пониженной до 2,2 К температурой, что сильно затрудняет их эксплуатацию. Высокая стоимость и необходимость выделения под ЯМР спектрометр сверхвысокого разрешения специального помещения ограничивает их использование центрами коллективного использования в крупных научных центрах.

 

Высокой разрешающей способности в современных ЯМР спектрометрах удалось добиться за счет использования так называемых криогенных проб, высокочастотная часть которых охлаждается до температуры жидкого гелия с целью уменьшения шумов. Современные криогенные пробы позволяют снимать ЯМР спектр на водороде, углероде, фторе и фосфоре без перекоммутации аппаратуры, что сильно ускоряет работу экспериментатора.

 

Недавно были разработаны специальные криогенные пробы способные превратить ЯМР спектрометр в миниатюрный МРТ томограф с пространственным разрешением до 10 мкм и уникальной возможностью совмещения данных ЯМР спектрометрии и МРТ томографии. К сожалению, размер образцов, которые можно исследовать по данной технологии ограничен одним-двумя сантиметрами.

 

Следует обратить внимание на технологию усиления ЯМР сигнала при помощи сверхпроводящего гиротрона (источника СВЧ излучения) с частотой 263 ГГц (магнитное поле соленоида гиротрона 9,7 Тл) и мощностью 25 Вт, за счет чего чувствительность спектрометра возрастает в 20-80 раз. Данный метод будет полезен при обнаружении следовых количеств различных веществ. Технология была успешно опробована на стандартном ЯМР спектрометре с частотой 400 МГц (9,36 Тл).

 

Появление ВТСП проводников второго поколения открывает широкие перспективы в создании ЯМР спектрометров сверхвысокого разрешения, становится возможной разработка и изготовление установок на частоты 1100 МГц, 1200 МГц и в перспективе даже 1500 МГц (поле 35,25 Тл). Рост разрешающей способности ЯМР спектрометров в 1,5 раза сулит некоторую революцию в молекулярной биологии, биохимии, фармацевтике. Использование ВТСП вставок в сверхпроводящие магнитные системы ЯМР спектрометров позволит не только сделать ряд уникальных установок на рекордные параметры, но и превратить ЯМР спектрометры на 800-1000 МГц из единичных уникальных установок в серийное лабораторное оборудование.