NMR 분광계의 구성 -2) Probe (일본 wiki 번역)

NMR 분광계의 구성

2) Probe

시료에 대해, 전자파 펄스를 쬐고, 또한 시료의 자석화 벡터의 검출을 행하는 것이 probe이다. 외관은 원통형의 장치의 상부에 투입하는 시료관을 받는 요철이 있다. 이 요철의 주위로 펄스의 조사 및 시그날의 검출을 행하기 위한 코일이 감겨 있다. 사용하는 시료관이 액체용인지 고체용인지, 또한 시료관의 굵기의 차이에 의해 사용할 수 있는 probe는 정해져 버린다. probe는 마그넷 하부 중앙에서 마그넷내로 삽입되고, 필요가 있으면 교환하는 것이 가능하다.

probe에는 많은 경우, 2개의 코일이 감겨 있다. 하나는 프로톤과 중수소의 신호로 tuning 되는 코일이다. 다른 하나는 탄소 혹은 기타의 원자(다핵 라고 칭해진다)에 tuning 되는 코일이 되어 있다. 2개의 코일 중에, 시료에 가까운 안쪽에 감겨 있는 코일의 방향이 감도가 높다. 감도가 낮은 것이 많은 탄소 혹은 다핵용의 코일을 안쪽에 감고 있는 probe가 일반적이지만, 미량시료의 H-NMR용으로 프로톤용의 코일을 내측에 감고 있는 probe도 존재한다. 코일은 마그넷이 발생시키는 자기장에 대해 수직 방향의 자장 펄스를 발생시킨다. 영구자석과 초전도 자석에서는 발생시키는 자장의 방향이 다르기 때문에, probe의 코일의 형상도 다르다. 액체용 probe로서 영구자석을 사용한 장치에 사용하는 probe는 solenoid형의 코일이 사용되고, 초전도자석을 사용한 장치에 사용하는 probe는 saddle형의 코일이 사용된다. solenoid형의 방향이 임피던스 정합 를 잡기 쉽고, 또 시료가 돌게 긴밀하게 감는 것이 가능하므로, 조사 가능한 펄스의 강도나 검출 감도를 보다 높게 할 수 있다. 고체용의 probe에는 고분해능 측정용으로 강력한 펄스의 조사가 필요하기 때문에, solenoid형의 코일이 사용된다. 또 자장 경사 펄스를 사용할 수 있는 probe에서는 자장 경사 펄스 발생용의 전용 코일이 더 감겨 있다.

코일을 초전도체에 장착한 cryoprobe는 저온의 헬륨 가스에 의해 회로 전체를 20K 정도로 냉각해 사용한다. 코일의 전기저항이 없기 때문에, 공진 Q값이 대단히 높아져 감도가 향상한다. 또 회로 전체의 냉각에 의해 열에의한 잡음이 억제되기 때문에 S/N비 도 높아진다.

시료관을 코일 내부에 넣기 때문에 시료에 의한 probe의 공명 주파수가 영향을 받는다. 그 때문에 시료마다 tuning를 잡아 고칠 필요가 있다. tuning가 바르게 하지 않은 경우, 검출 감도가 저하한다. 또 내리쬐어지는 펄스의 자장 강도가 저하하기 때문에, 펄스에 의해 쓰러지는 자석화 벡터의 각도가 변해 버린다. 그 결과 decoupling의 효과가 저하하거나, 펄스 시퀀스를 사용하는 측정으로는 측정 자체가 불가능하게 된다.