DE69925111T2

DE69925111T2 - Industrielle online-analyse mittels kernspinresonanzspektroskopie

Info

Publication number: DE69925111T2
Application number: DE69925111T
Authority: DE
Inventors: Brian Philip Hills; Kevin Michael Wright
Original assignee: Institute of Food Research Ltd
Current assignee: Quadram Institute Bioscience
Priority date: 1998-02-20
Filing date: 1999-02-12
Publication date: 2006-03-02
Anticipated expiration: 2019-02-13
Also published as: US6479994B1; IL137916A; DE69925111D1; ES2242378T3; GB9803487D0; IL137916A0; ATE294962T1; EP1060402B1; AU2534199A; WO1999042852A1; EP1060402A1; JP2002504691A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf Kernmagnetresonanzphänomene und insbesondere auf deren Verwendung in spektroskopischer Analyse.
Die Online-Analyse der chemischen Zusammensetzung von Proben während einer kontinuierlichen Translationsbewegung, beispielsweise durch Rohre oder auf Förderbändern, ist in der gesamten Lebensmittel-, chemischen und pharmazeutischen Industrie bedeutsam. Bis heute werden eine Anzahl spektroskopischer und physikalischer Verfahren zur Online-Zusammensetzungsanalyse, einschließlich Nah-Infrarot-Spektroskopie (NIR), Mikrowellen-Sensoren und Ultraschall, verwendet.
Jedoch wurde Kernmagnetresonanz (NMR) trotz etablierter analytischer Rolle im analytischen Offline-Labor bis jetzt nicht in einem derartigen Online-Modus bei sich kontinuierlich bewegenden Objekten ausgenutzt. Eine mögliche Ausnahme zu dieser Aussage ist ihre Verwendung in der Online-Analyse von langsam fließenden Flüssigkeiten und Pasten (C. Tellier und F. Mariette, Online applications in Food Science, Annual Reports on NMR spectroscopy, Band 31, 1995, 105–122).
Derartige Anwendungen verwenden jedoch herkömmliche NMR-Verfahren und Hardware, und die Fluidgeschwindigkeit ist daher durch das eingeschränkte Volumen, über das das Magnetfeld und/oder Funkfrequenzfeld homogen ist, beschränkt.
Eine weitere vorbekannte analytische Online-Anwendung ist die Analyse von Pulvern durch NMR (C. I. Nicolls und A. De Los Santos, Hydrogen transient NMR for industrial moisture sensing, Drying technology, Band 9, 1991, 849–873). Dies basiert jedoch auf der Entnahme einer Pulverprobe (z.B. mit einer Kolbenanordnung) zur Analyse, während sie stationär ist, mittels herkömmlicher NMR-Verfahren. Es gibt mehrere Gründe dafür, dass NMR auf eine allgemeine Art und Weise für die Online-Analyse von sich kontinuierlich bewegender Proben nicht ausgenutzt wurde.
Zuerst wird die meiste Information in einem NMR-Spektrum erhalten, wenn die spektralen Peaks, die aus unterschiedlichen molekularen Art entstehen, gut aufgelöst sind. Das Spektrum ist dann leichter zu interpretieren, und die spektralen Peakflächen, die sich auf die Anzahl von Spins beziehen, die zu dem Peak beitragen, können aus jedem aufgelösten Peak durch einfache Integration erhalten werden. Dies bedeutet, dass es in analytischen Offline-Laboratorien bevorzugt ist, mit hohen (d.h. starken) Magnetfeldern zu arbeiten, da die Peaktrennung mit zunehmender Feldstärke ansteigt. Leider erfordert das Erzeugen von hohen, räumlich gleichmäßigen Magnetfeldern (z.B. oberhalb von Protonenresonanzfrequenzen von 100 MHz) die Verwendung von supraleitenden Magneten. Diese Magneten sind sehr kostspielig und erfordern ein regelmäßiges Füllen mit flüssigen Stickstoff und flüssigem Helium und sind daher für die Routineausnutzung und Verwendung in der Fabrikhalle nicht geeignet. Wenn niedrigere Magnetfelder verwendet werden, wie beispielsweise solche, die mit kostengünstigen robusten Permanentmagnet-Magneten (mit Protonenresonanz-Frequenzen geringer als ungefähr 20 MHz) verfügbar sind, werden die Spektralpeak von unterschiedlichen Molekulararten gewöhnlich nicht in dem NMR-Spektrum aufgelöst, was die Zusammensetzungsanalyse des Spektrums kompliziert. Dies ist wahrscheinlich ein Grund, warum Niedrigfeld-NMR-Spektren zur Zusammensetzungsanalyse noch nicht ausgenutzt wurden.
Ein weiterer Grund für die langsame Ausnutzung von herkömmlicher NMR in einem Online-Modus ist die Anforderung der Feldhomogenität sowohl in dem Hauptmagnetfeld B₀ als auch in dem Radio- bzw. Funkfrequenzfeld B₁. Herkömmliche Hardware zum Erzeugen von räumlich gleichmäßigen Funkfrequenzfeldern, die beispielsweise auf Helmholtz-Spulen, Sattelspulen und Vogelkäfig-Spulen basieren, erzeugt eine gleichmäßige Funkfrequenz-Strahlung nur über ein begrenztes Volumen. Das NMR-Spektrum der sich bewegenden Probe muss daher erfasst werden, während die Probe in diesem begrenzten Volumen liegt. Dies schränkt die Probengeschwindigkeit stark ein und bedeutet, dass die meiste NMR-Analyse entweder in einem Seitenlinien-Modus, wobei die Probengeschwindigkeit verlangsamt ist, oder in einem Offline-Modus an stationären Proben durchgeführt wird.
K. Carr-Brion, "Funk and microwave frequency techniques for on-line analysis", Transactions of the Institute of Measurement and Control, Jan–Mar 1987, erläutert kurz gefasst Anwendungen für Online-NMR-Analyse. Die US 5 371 464 beschreibt eine Vorrichtung für die Online-Analyse von fließenden Flüssigkeitsströmen und/oder Feststoffen bei der Lebensmittelfertigung. Die US 5 363 942 beschreibt mit Bezug auf 8 ein Durchfluss-Spektrometer. Die US 3 693 071 beschreibt eine NMR-Technik zum Bestimmen von Oktan-Einstufungen von Benzinen. Die ZA 880732 und die EP 0 726 458 beschreiben NMR-Techniken für die Erfassung von Diamanten. Das letztere Dokument schlägt ESR (Elektronenspinresonanz)-Mikrowellenanregung und DMP (dynamische Kernpolarisation) vor, um die longitudinale Relaxionszeit des 13C-Diamantenkerns zu verkürzen und sie in Steinen vorzumagnetisieren, so dass sie in einem herkömmlichen NMR-Modul analysiert werden können, wenn die Steine auf einem Luftkissen in einer kontinuierlichen Strömung hindurch fallen. Das Dokument erwähnt nicht spezifisch den Typ der verwendeten RF-Spule.
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zum Erhalten von Magnetresonanz-Spektroskopiedaten und Herleiten von chemischen Zusammensetzungsdaten bereitzustellen.
Es ist eine weitere Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung bereitzustellen, um homogene B₀- und B₁ (RF)-Felder über eine ausreichende Bewegungslänge eines Objekts aufrecht zu erhalten, das eine Translationsbewegung erfährt, um die Sammlung von spektroskopischen Kernmagnetresonanzdaten zum Bestimmen der chemischen Zusammensetzung des Objekts zu ermöglichen.
Gemäß einem Aspekt liefert die Erfindung ein Verfahren der Kernmagnetresonanz-Spektroskopie gemäß Anspruch 1.
Gemäß einem weiteren Aspekt liefert die Erfindung eine Vorrichtung zum Zusammenstellen von Spektroskopie-Kernmagnetresonanzdaten gemäß Anspruch 23.
Ausführungsformen der Erfindung werden nun beispielhaft und mit Bezug auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben, in denen zeigen:
1 ein schematisches Diagramm, das Prinzipien einer Vorrichtung oder eines Moduls für die Kernmagnetresonanz gemäß der Erfindung zeigt;
2 ein schematisches Diagramm einer beispielhaften RF-Felderzeugungseinheit, die zur Verwendung bei der Erfindung geeignet ist;
3 ein schematisches Diagramm einer beispielhaften G_x-Felderzeugungseinheit, die zur Verwendung bei der Erfindung geeignet ist;
4 Beispiele von schlecht aufgelösten Protonenspektren zum Bestimmen der chemischen Zusammensetzung gemäß Prinzipien der Erfindung;
5 eine Anordnung zum Gewichten von Bewegungsechos mit T₁ (Niedrigfeld) Relaxation gemäß der Erfindung;
6 eine Simulation der Magnetfeldrichtung und -stärke als eine Funktion von x- und z-Raumkoordinaten für eine G_x-Einheit;
7 eine Simulation der Magnetfeldstärke B_z entlang der Achse einer Stromschleife als eine Funktion von z bei x = 0 für die G_x-Einheit von 6;
8 eine Simulation der Magnetfeldstärke B_z in der Ebene einer Stromschleife als eine Funktion von x bei z = 0 für die G_x-Einheit von 6; und
9 eine Simulation der Quadratwurzel der Magnetfeldstärke B_z – 1 in der Ebene einer Stromschleife als eine Funktion von x bei z = 0 für die G_x-Einheit von 6.
Eine Ausgestaltung einer Funkfrequenzspule, die die Erzeugung von gleichmäßigen Funkfrequenzfeldern über erweiterte Volumen ermöglicht, ermöglicht, dass NMR über viel größere Raumvolumen, und insbesondere über eine verlängerte Länge eines Pfades eines Objekts, das eine Translationsbewegung erfährt, ausgeführt wird. Dies ermöglicht, dass sie zur Online-NMR-Zusammensetzungsanalyse verwendet wird.
Diese Spezifikation beschreibt die Entwicklung eines kostengünstigen, robusten und schnellen Online-Kernmagnetresonanz-Spektrometers (NMR-Spektrometer) (und zugeordnete Protokolle), das zum Erfassen von Niedrigfeld, schlecht aufgelösten NMR-Spektren von Feststoff-Proben (d.h. Nicht-Fluid-Proben) geeignet ist, die eine kontinuierliche Translationsbewegung erfahren, obwohl die Vorrichtung ebenfalls für die Analyse von halbfesten, Fluid- oder Pulverproben verwendet werden kann, die eine ähnliche kontinuierliche Translationsbewegung erfahren. Es zeigt ebenfalls, dass, ähnlich NIR, ein gutaufgelöstes NMR-Spektrum keine wesentliche Anforderung für die Zusammensetzungsanalyse ist, so dass kostengünstige, robuste, Niedrigfeld-Permanentmagneten (oder Elektromagneten) verwendet werden können. Außerdem nutzt es eine neue modifizierte RF-Spule zusammen mit einem zylinderförmigen kostengünstigen Magneten aus, um das Volumen zu erweitern, über das das Feld räumlich gleichmäßig ist, wodurch eine Haupteinschränkung auf die Probengeschwindigkeit beseitigt wird.
Es sei angenommen, dass sich ein zu analysierendes Objekt mit einer Momentangeschwindigkeit V(t) bewegt, die nicht konstant sein muss. Dann bewegt es sich in der Mindestzeit, die zum Erfassen eines NMR-Signal benötigt wird (AQ (Erfassungszeit)), um einen Abstand von mindestens L_min, der durch das Integral
angegeben wird. Dies bedeutet, dass, damit herkömmliche NMR erfolgreich ist, das Magnetfeld B₀ und das Funkfrequenzfeld B₁ beide räumlich homogen über einen Abstand von mindestens L_min sind. Dies schränkt den Bereich von Geschwindigkeiten und Erfassungszeiten stark ein, die mit herkömmlichen NMR-Protokollen verwendet werden können. Das eindeutige geometrische Merkmal der Vorrichtung der Erfindung, wie nachstehend beschrieben, zum Erzeugen des B₀- und des Funkfrequenzfeldes B₁ besteht darin, dass sie beide Zylinder sind, deren Länge zumindest im Prinzip unendlich verlängert werden kann. Sie können daher räumlich homogene B₀- und B₁-Felder über jede gewünschte Länge erzeugen, wodurch die Beschränkungen vorbekannter Vorgehensweisen entfernt werden.
Es sei angenommen, dass die zu analysierenden Objekte ein Beförderungsrohr, ein Druckrohr, ein Band oder ein anderes geeignete Mittel, das schematisch in 2 als Beförderungsband 1 gezeigt ist, hinunterlaufen. Das Beförderungsband 1 und alle Objekte 2 darauf bewegen sich vorzugsweise mit einer konstanten Geschwindigkeit v.
Die Hardware, die erforderlich ist, um ein NMR-Spektrum zu erhalten, besteht aus getrennten zylinderförmigen Einheiten, die das Beförderungsband 1 umschließen und die an verschiedenen Positionen entlang des Beförderungsbandes positioniert sein können. Das Beförderungsband, das die Objekte trägt, bewegt sich dann die Mittelachse der zylindrischen Einheiten hinunter. Die modulare Art der Hardware gewährleistet eine größere Anpassbarkeit auf eine Mehrzahl von Anwendungen.
Da sich die zu analysierenden Objekte mit der Geschwindigkeit v bewegen und eine endliche Zeit AQ benötigt wird, um die NMR-Signale zu erfassen, ist es notwendig, dass das B₀-Feld und das Funkfrequenzfeld B₁ räumlich über einen Abstand von mindestens v × AQ entlang des Beförderungsbandes homogen sind. Gemäß der dargestellten bevorzugten Ausführungsform sind die Hardware-Vorrichtungen, wie nachstehend beschrieben, zum Erzeugen des B₀-Feldes und des Funkfrequenzfeldes B₁ alle zylindrisch mit Längen geformt, die zumindest im Prinzip unendlich verlängert werden können. Dies unterscheidet sie von herkömmlichen NMR-Anordnungen, wie beispielsweise U-förmigen Magneten, Funkfrequenz-Helmholtz-Spulen, Vogelkäfig-Spulen etc., die homogene Felder nur über einen begrenzten Abstand entlang des Beförderungsbandes erzeugen würden.
Die Polarisatoreinheit
Diese wird in 1 dargestellt. Wir betrachten ein Objekt 2, das sich mit der Geschwindigkeit v(t) bewegt. Der erste Schritt beim Erhalten eines Bildes des Objekts besteht darin, eine longitudinale Magnetisierung darin durch Anregen eines konstanten externen Magnetfelds zu induzieren. Dies wird in einer Einheit durchgeführt, die wir den Polarisator 3 nannten. Wenn das Objekt eine kurze T₁ aufweist, dann besteht der Polarisator 3 entweder aus einem einzigen geraden, hohlen zylindrischen Permanentmagneten der Länge L oder einem Solenoidspulen-Elektromagneten der Länge L. Das Objekt bewegt sich auf dem Beförderungsband 1 die zentrale Achse in dem zylindrischen Polarisator hinunter. Die in dem Polarisator zugebrachte Zeit beträgt L/v, und diese sollte für 100%-ige Polarisation mindestens 5 T₁ betragen. Eine 100%-ige Polarisation ist jedoch keine wesentliche Anforderung des Online-Analysators, und niedrigere Grade der Polarisation können berücksichtigt werden. Wenn T₁ lang ist (mehrere Sekunden), dann kann L unpraktisch groß sein, wobei in diesem Fall eine Reihe von Solenoiden oder Permanentmagneten beispielsweise in einer spiralförmigen Anordnung angeordnet sein können, und das Beförderungsband entlang der Spirale geleitet wird.
Sobald das Objekt ausreichend polarisiert ist, läuft es mit der Geschwindigkeit v in das Detektormodul, das ein NMR-Signal von dem sich bewegenden Objekt erzeugt und erfasst.
Das Detektormodul
Abhängig von der Anwendung besteht das Detektormodul 4 aus zwei unterschiedlichen Hardware-Einheiten. Diese werden die B₀-Einheit und die RF-Einheit genannt.
Die B₀-Einheit
Diese wird in 1 dargestellt. Das von dem Polarisator 3 auf das Beförderungsband 1 hinaustretende polarisierte Objekt 2 läuft in ein räumlich gleichmäßiges, konstantes Magnetfeld B₀ in den Detektormodul 4. Ähnlich der Polarisatoreinheit 3 kann das B₀-Feld des Detektormoduls 4 durch einen hohlen zylindrischen Permanentmagneten oder durch einen hohlen zylindrischen Solenoid-Elektromagneten erzeugt werden, der zweckmäßigerweise die B₀-Einheit genannt wird.
Das die polarisierte Probe befördernde Beförderungsband bewegt sich dann in der Mitte des Zylinders in einer Richtung parallel zu der Zylinderachse und vorzugsweise entlang der Zylinderachse hinunter. Die Richtung der polarisierten longitudinalen Magnetisierung in der Probe, die den Polarisator verlässt, sollte in der gleichen Richtung wie B₀ in der B₀-Einheit sein. Der Magnet kann von jeder gewünschten Länge sein, vorausgesetzt, dass das B₀-Feld in dem Objekt überall räumlich gleichmäßig ist. Wenn das Objekt T₁ ausreichend kurz ist, dann kann der Polarisator und die B₀-Einheiten in eine einzige kontinuierliche Einheit kombiniert werden. Dies ist für Fluidobjekte bedeutsam, um sicherzustellen, dass die Magnetisierung parallel zu B₀ ist.
Die RF-Einheit
Diese wird in 2 dargestellt. Das An-Resonanz-Funkfrequenzfeld B₁, das transversal zu B₀ sein muss, kann durch eine besonders ausgestaltete zylindrische Funkfrequenz, solenoidähnliche Spule erzeugt werden, die wir die "RF-Einheit" nennen werden. Vorzugsweise wirkt diese ebenfalls als eine Empfängerspule und wird vollständig in der Referenz "A solenoid-like coil producing transverse funkfrequency fields for MR imaging" von E. K. Jeong, D. H. Kim, M. J. Kim, S. H. Lee, J. S. Suh und Y. K. Kwong in J. Magn. Reson. 127 (1997) 73–79, Artikel Nr. MN 971172 beschrieben.
Die RF-Einheit 20, wie darin beschrieben, umfasst ein Paar von zylindrischen Spulen: eine erste äußere Spule 21, bei der die Ebene jeder Schleife 22 mit Bezug auf die Zylinderachse (z-Achse) geneigt ist, um ein RF-Feld mit einer Komponente senkrecht zu der Zylinderachse zu erzeugen. Eine zweite innere Spule 23 wirkt als eine Wirbelstromspule, die die longitudinale Komponente des RF-Feldes beseitigt, wobei ein RF-Feld vollständig senkrecht zu der Zylinderachse zurückgelassen wird.
Eine besondere Eigenschaft dieser Vorrichtung ist die Erzeugung eines gleichmäßigen Funkfrequenzfeldes über einen langen Abstand z. Dies unterscheidet sie von herkömmlichen RF-Generatoren, wie beispielsweise der Standard-Sattelspule, dem Vogelkäfig- oder Hohlraumresonator. Die Solenoid-ähnliche RF-Spuleneinheit 20a überwindet diese Einschränkung und kann ohne weiteres innerhalb und konzentrisch mit der Solenoid- Spule der B₀-Einheit oder des Permanentmagneten gelegen sein. Die RF-Einheit 20 ist schnittstellenmäßig mit herkömmlichen elektronischen Gerät und Computern zur Steuerung, Erfassung und Datenverarbeitung verbunden.
Die G_x-Einheit
Diese wird schematisch in 3 dargestellt. Wo diffusionsgewichtete Online-Spektroskopie erforderlich ist, kann eine optionale dritte Art von Hardware-Einheit, die eine einzige elektrische Feldspule umfasst, verwendet werden, die die B₀-Einheit 41 umgibt. Die G_x-Einheit erzeugt einen stationären, räumlich lokalisierten nicht-gleichmäßigen Magnet-Gradienten G_x transversal zu B₀. Die Spule wird um den Gradienten der RF-Solenoid-Einheit an einer einzigen Stelle gewickelt. Die durch die Spule 40 erzeugten Magnetfelder werden in 6 bis 9 simuliert.
Auslösen einer NMR-Impulsfolge
Mit zusätzlichem Bezug auf 1 kann dies elektronisch getan werden, indem das zu analysierende Objekt angeordnet wird, um einen Laser- oder Infrarot-Strahl zu schneiden, der das Beförderungsband 1 durchläuft, wenn das Objekt 2 in die Detektoreinheit 4 eintritt. Dies wird durch eine geeignete herkömmliche Lichtquelle 5 und eine mit einer Steuerschaltung 7 gekoppelten Empfängereinheit 6 bereitgestellt. Eine elektronische Verzögerung kann dann eine geeignete Impulsfolge auslösen, wie es durch das verwendete Analysenverfahren gefordert wird. Wenn zwei Laserstrahlen entlang des Beförderungsbandes beabstandet sind, kann die Geschwindigkeit v des Objekts gemessen werden, und diese wird verwendet, um die Zeitsteuerung der Funkfrequenzimpulse automatisch zu berechnen.
ONLINE-ANALYSEPROTOKOLLE
A) Der Frequenzbereich: Online-NMR-Spektroskopie
Die einfache Kombination des Polarisators, der B₀- und RF-Einheiten erlaubt entweder, dass ein freier Induktionszerfall (FID), das Spinecho oder das stimulierte Echo "im Fluge" von einer sich bewegenden Probe erfasst werden kann. Eine einfache Fourier-Transformation des FID, des Spinechos oder des stimulierten Echos wird somit ein durch chemische Verschiebung aufgelöstes Spektrum der sich bewegenden Probe erzeugen. Bei niedrigen B₀-Feldstärken und/oder mit Proben, die kurze transversale Relaxationszeiten aufweisen, kann die Spektralauflösung nicht ausreichend sein, um alle spektralen Spitzen von unterschiedlichen chemischen Bestandteilen in der Probe aufzulösen. In diesem Fall gibt es verschiedene Protokolle, die verwendet werden können, um die chemische Zusammensetzung der sich bewegenden Probe zu analysieren:
1) Eichverfahren
Die Abhängigkeit der Spektralintensität bei verschiedenen Frequenzen von der chemischen Zusammensetzung kann mit mehrdimensionaler Analyse verwendet werden, um die Zusammensetzung des sich bewegenden Objekts zu bestimmen. Eine analoge Prozedur wird bereits handelsüblich bei Online-NMR-Sensoren (Nah-Infrarot-Sensoren) verwendet. Anhang 2 umreisst eine beispielhafte Verfahrensweise.
Ein Beispiel eines mangelhaft aufgelösten Protonenspektrums wird in 4 gezeigt. Die Spektren entsprechen drei unterschiedlichen Mousse-Proben mit veränderlichem Fett- und Stärkeinhalt. Getrennte Spitzen von Fett, Wasser und Stärkeprotonen sind nicht auflösbar, sondern erscheinen als Schultern in dem Spektrum. Durch mehrdimensionale Analyse der Intensitäten bei drei (oder mehr) Spektralfrequenzen (vorzugsweise entsprechend den Spitzenmaximum jeder Komponente) ist es möglich, eine Eichkurve zu erzeugen, die ermöglicht, dass die Zusammensetzung aus dem Spektrum hergeleitet werden kann.
2) Spektrale Gewichtungsverfahren
Die unterschiedlichen chemischen Bestandteile in dem Objekt können häufig nicht nur durch Unterschiede in ihren chemischen Verschiebungen sondern ebenfalls durch Unterschiede in ihren anderen intrinsischen NMR-Eigenschaften unterschieden werden. Diese NMR-Eigenschaften umfassen beispielsweise die Relaxationszeiten T₂*, T₂, T₁, T_1ρ, die Magnetisierungstransferraten oder den Selbstdiffusionskoeffizienten D. Die folgenden Protokolle beschreiben, wie FIDs und/oder Spinechos oder stimulierte Echos verwendet werden können, um durch jeden dieser Parameter gewichtete Spektren zu erzeugen. Das oben beschriebene Eichverfahren kann dann mit den parametergewichteten Spektren verwendet werden.
T₂-gewichtete Spinecho-Spektroskopie
T₂-gewichtete Spektroskopie kann mit Spinechos unternommen werden, die durch harte 180°-Impulse mit einem Standard-Hahn-Echo oder einer CPMG(Carr-Purcell-Meiboom-Gill)-Impulsfolge erzeugt werden, die an das sich bewegende Objekt angelegt werden. T₂-gewichtete Spektroskopie ist bedeutsam, weil unterschiedliche chemische Bestandteile in einem Lebensmittel häufig unterschiedliche intrinsische transversale Relaxationszeiten aufweisen. Das Erfassen von Spektren mit unterschiedlicher T₂-Gewichtung ermöglicht daher, dass unterschiedliche Bestandteile unterschieden werden können.
T₂*-Gewichtung in einem Spektrum
Bei einigen Proben wird das Signal mit einer schnelleren Rate als die geschwächt, die durch eine einfache transversale Relaxation (T₂) verursacht wird. Dies wird durch lokale Feld- Inhomogenitäten verursacht und gibt Anlass zu einer Relaxation mit einer Zeitkonstante T₂*. Ein durch einen einzigen 90°-Impuls erzeugte FID wird durch die Relaxationszeit T₂* gewichtet, so dass das durch Verarbeiten des FID erhaltene Spektrum durch T₂* gewichtet werden wird.
T₁-Gewichtung in dem Spektrum
Es gibt mehrere mögliche Wege, eine T₁-Gewichtung in die Spektren einzuführen. Die einfachste besteht darin, die Umkehrungs-Wiederherstellungsfolge zu verwenden, wodurch die polarisierte Magnetisierung M(0) durch einen harten 180°-Impuls umgekehrt wird und erlaubt wird, sich für eine feste Zeit t₁ zu erholen, die für jede Anwendung eingestellt wird. Nach der Zeitverzögerung t₁ wird ein FID durch einen harten 90°-Impuls in der RF-Einheit erzeugt. Eine alternative Impulsfolge, die den Vorteil aufweist, dass zwei Spektren erhalten und verglichen werden können, eines mit T₁-Gewichtung und das andere ohne, beinhaltet die stimulierte Echo-Impulsfolge.
T₁(Niedrigfeld)-Gewichtung in dem Spektrum
Zwischen der Polarisatoreinheit 3 und dem Detektormodul 4 enthalten die analysierten Objekt 2 eine longitudinale Magnetisierung, die sich in dem Magnetfeld der Erde entspannt. Durch Verändern der Länge der Zeit, die zwischen dem Polarisator 3 und dem Detektormodul 4 zugebracht wird, können verschiedene Mengen von T₁ (Niedrigfeld)-Relaxation eingeführt werden. Eine geeignete Anordnung wird in 5 gezeigt. Wie gezeigt, wird der Grad der Rest-Magnetisierung zur Zeit t durch den Ausdruck M₂(t) = M(0)exp[–t/T₁(ω = 0) ] gegeben, wobei M(0) die durch die Polarisatoreinheit 3 induzierte Anfangsmagnetisierung ist. Die Zeit t, zwischen der das Objekt die Polarisatoreinheit 3 verlässt und an dem Detektormodul 4 ankommt, wird natürlich durch die Länge L = vt bestimmt.
Diffusionsgewichtung in dem Spektrum
Diffusionsgewichtung kann explizit mit zwei oder mehr G_x-Einheiten erzeugt werden. Jede G_x-Einheit erzeugt einen konstanten lokalisierten, nicht gleichmäßigen Gradienten G_x über die Solenoidachse und transversal zu dem B₀-Feld. Die Bewegung des Objekts durch die statischen G_x-Gradienten ist dem Auferlegen von zeitveränderlichen (gepulsten) Feldgradienten äquivalent. Das gepulste Standard-Gradienten-Spinecho oder stimulierte Echo-Impuls-Folgen können dann verwendet werden, um das Spektrum zu wichten, das durch Fourier-Transformieren des Spinechos oder stimulierten Echos erhalten wird.
3) Online-Zusammensetzungsanalyse bei einem sich bewegenden Objekt durch Differenz-Spektroskopie mit Spin- oder stimulierten Echos
Bei einigen Anwendungen ist die Erfassung eines einzigen parametergewichteten Spektrums unzureichend, um die chemische Zusammensetzung zu bestimmen. In solchen Fällen kann es notwendig sein, die Differenz zwischen einem Spektrum (genannt das erste Spektrum), das mit einer Dämpfungsgewichtung erfasst wird, die gegen die Anwesenheit einer bestimmten Komponente unempfindlich ist, und einem zweiten Spektrum, das mit einem Parameter (wie beispielsweise T₂*, T₂, T₁ oder D) gewichtet ist, das gegen die Anwesenheit der chemischen Komponente empfindlicher ist, zu nehmen. Geeignet verarbeitete Differenzen zwischen den ersten und zweiten Spektren können dann verwendet werden, um die Menge der Komponente in dem Lebensmittel zu bestimmen.
Das erste Spektrum kann aus dem FID berechnet werden, der durch den ersten 90°-Impuls in den oben angeführten Impuls-Folgen erzeugt werden. Das zweite Spektrum kann aus einem (oder mehreren) der Spinechos oder der anschließend erzeugten stimulierten Echos berechnet werden.
Das Differenzprotokoll kann, falls notwendig, mit Spektrum-Registrierungssoftware und/oder Signalverarbeitungssoftware, wie beispielsweise Wiener-Filterung, kombiniert werden. Alle derartigen Vorgänge können in der geringstmöglichen Zeit mit einem schnellen Computer, wie beispielsweise einem 233 MHz-PC durchgeführt werden.
B) Der Zeitbereich
Bei einigen Anwendungen ist es nicht notwendig, das Zeitbereichssignal einer Fouriertransformation zu unterziehen. Beispielsweise können herkömmliche Festkörper-/Flüssigkeitsverhältnisse aus dem freien Induktionszerfall in dem Zeitbereich bestimmt werden. Auf ähnliche Weise ist eine Online-Bestimmung der Emulsionströpfchengrößenverteilung aus dem diffusionsgewichteten stimulierten Echo ebenfalls möglich. Diese Protokolle sind Standardtechniken in Offline-NMR-Analyse, wobei es jedoch erkannt wurde, dass diese ebenfalls auf den Online-Modus mit der zuvor beschriebenen Hardware angewendet werden können.
Die Erfindung wurde bis jetzt mit Bezug auf spezifische Ausführungsformen beschrieben. Es ist jedoch ersichtlich, dass eine Anzahl von Modifikationen daran durchgeführt werden können. Beispielsweise kann, obwohl die bevorzugte Ausführungsform erfordert, dass ein Objekt eine kontinuierliche gleichmäßige Translationsbewegung erfährt, das Objekt tatsächlich jede Geschwindigkeit ungleich Null oder endliche Beschleunigung erfahren.
Dies hat besondere Bedeutung, wobei zu analysierende Objekte beispielsweise von den Enden eines Beförderungsbandes abfallen. In dieser Situation kann die Bewegung eines Objekts genau gekennzeichnet werden, wo es die kontinuierliche Beschleunigung erfährt. Die Ankunft des Objektes in dem NMR-System und/oder die Bestimmung seiner Translationsbewegung kann durch optische Strahlen, wie zuvor erläutert, bestimmt werden.
SPEZIFISCHE BEISPIELE
Eine Anzahl von Beispielen von kommerziellen Anwendungen des oben beschriebenen Online-NMR-Spektrometers werden nun gegeben. Diese Liste ist rein veranschaulichend und weit von erschöpfend.
Beispiel 1. Analyse von Fett/Wasser-Verhältnissen. Bei einer Protonen-Resonanzfrequenz von 20 MHz ist eine chemische Verschiebung von 3 ppm (die etwa der chemischen Verschiebungsdifferenz zwischen CH-Fett-Protonen und Wasser entspricht) 60 HZ äquivalent, somit sind, vorausgesetzt, dass das B₀-Feld ausreichend homogen ist, um Linienbreiten von weniger als 60 Hz zu geben, getrennte Fett- und Wasserspitzen normalerweise auflösbar. Sogar wenn sie nicht auflösbar sind, können entweder die Fett- oder Wassersignale häufig durch das T₁-Null Verfahren, das die Umkehrungs-Wiederherstellungsfolge verwendet, oder durch Verwenden der T₂-Wichtung, die mit einem Hahn-Echo erzeugt wurde, und einer Impulsbeabstandung, die gewählt wurde, um eine oder die andere der chemischen Komponenten zu verringern oder zu beseitigen, beseitigt werden. Die Signalintensität kann dann als ein Online-Monitor des Fett-/Wasserverhältnisses verwendet werden.
Beispiel 2. Online-Überwachung der Protein-/Polysaccharide-/Wasser-/Zucker-/Fett-Zusammensetzung von Lebensmittelstoffen.
Beispiel 3. Online-Erfassung des Reifegrades von Früchten, insbesondere, wenn das Reifen Änderungen der chemischen Zusammensetzung, wie beispielsweise erhöhtem Zuckergehalt (Süße) und verringertem Stärkegehalt (Aufweichen der Textur), zugeordnet ist.
Beispiel 4. Online-Überwachung der Teilchengrößen in Pulvern. Unterschiedliche Teilchengrößen sind unterschiedlichen Suszeptibilitätsgradienten und somit unterschiedlichen T₂*-Werten zugeordnet. Dies verursacht unterschiedliche spektrale Verbreiterung.
Beispiel 5. Online-Überwachung der Zusammensetzung von fließenden chemischen Mischungen in den chemischen und pharmazeutischen Industrien.
Beispiel 6. Online-Messungen von Feststoff/Flüssigkeits-Verhältnissen aus dem freien Induktionsverfall.
Beispiel 7. Online-Messungen von Tröpfchengrößenverteilungen in Emulsionen.
ANHANG 1. Berechnung der durch eine einzige Stromschleife (der G_x-Einheit) erzeugten Feldgradienten.
Ein MADLAB-Programm wurde geschrieben, um das Magnetfeld zu berechnen, das auf eine kreisförmigen Stromschleife oder auf eine an dem Ursprung in der x-y-Ebene zentrierten Spule beruht. Dies umfasst "die G_x-Einheit". Die Ergebnisse werden in 6 bis 9 gezeigt. Die durch diese Einheit erzeugten nicht-linearen G_x- und G_z-Gradienten sind bemerkenswert.
ANHANG 2. Beispielhafte Verfahrensweise für die Zusammensetzungsanalyse mit einem schlecht aufgelösten Online-NMR-Spektrum.
Hier zeigen wir, wie es im Prinzip möglich ist, ein Gemisch aus chemischen Arten mit einem schlecht aufgelösten Online-Niedrigfeld-NMR-Spektrum, wie das in 4 dargestellte, zu analysieren.

1. Es sei ein Gemisch aus n chemischen Arten betrachtet, wobei jede Art durch den tiefgestellten Index i bezeichnet wird, so dass i = 1, 2, ... N ist.
2. Wir nehmen an, dass jede chemische Art durch ein NMR-Spektrum I_i(ω) gekennzeichnet ist, wobei ω die NMR-Beobachtungsfrequenz ist. I_i(ω) kann für jede reine chemische Art in dem in diesem Patent beschriebenen Online-NMR-Spektrometer gemessen werden. I_i(ω) würde typischerweise eine Lorentz'sche oder Gauß'sche Spektrallinienform sein, wobei dies jedoch keine notwendige Annahme ist.
3. Wir nehmen ferner zwecks veranschaulichender Einfachheit an, dass die Funktionsform von I_i(ω) nicht von der Anwesenheit anderer Arten j abhängt, die nicht die gleichen wie I sind. Mit anderen Worten nehmen wir eine einfache Additivität von Komponentenspektren in dem Gemisch an.
4. Das Gesamt-NMR-Spektrum S(ω), das für ein Gemisch von N Arten beobachtet wurde, ist eine einfache Summe der Komponentenspektren. S(ω) = ΣixiIi(ω)i = 1, 2, ..., N; Σ_ix_i = 1

Um die Gemischzusammensetzung x₁, x₂, ... x_N zu analysieren, müssen wir lediglich S(ω) bei N unterschiedlichen Frequenzen ω_j für j = 1, 2, ..., N messen. Dann S(ωj) = S(ω) = ΣixiIi(ωj)
Dies kann in Matrixform geschrieben werden: S = I·xwobei I_ij das Matrixelement I_i(ω_j) ist.
Die Gemischzusammensetzung wird dann durch einfache Matrixlösung erhalten: x = Γ–1·S
Dies zeigt, dass, um die Gemischzusammensetzung aus einem schlecht aufgelösten NMR-Spektrum zu analysieren, es lediglich notwendig ist, die intrinsischen Koeffizienten I_ij zu messen. Dies kann durch Messen des Spektrums I_i(ω) für eine bekannte Menge jeder reinen Art i unter identischen NMR-Spektrometer-Bedingungen durchgeführt werden.
Die Annahme einer einfachen Additivität kann auf Kosten erhöhter Komplexität entfernt werden und erfordert zusätzliches Eichen der wechselwirkenden Gemische. Ein typisches analytisches Verfahren, bei dem es Nicht-Additivität gibt, würde das der Principle Component Analysis sein, wie es beispielsweise in dem Buch "Factor Analysis in Chemistry", zweite Auflage, John Wiley and Sons, von E. R. Malinowski beschrieben ist.

Claims

Verfahren der Kernmagnetresonanzspektroskopie mit den folgenden Schritten: Befördern eines zu analysierenden Objektes (2) durch ein NMR-Modul (4) mit einer vorbestimmten Geschwindigkeit v; Erzeugen in dem NMR-Modul (4) eines zeitlich konstanten Magnetfelds B₀, das im wesentlichen parallel zu der Richtung der Geschwindigkeit v ist und eine bekannte räumliche Eigenschaft aufweist; Erzeugen in dem NMR-Modul (4) eines gepulsten Radiofrequenzfelds B₁ transversal zu dem Feld B₀ mit einer Spule (20), die eine zylindrische Geometrie aufweist, deren Zylinderachse entlang der Richtung der Geschwindigkeit ausgerichtet ist, mittels einer ersten Reihe von Schleifen (22) in der Spule (21), wobei die Ebene jeder Schleife in Bezug auf die Zylinderachse geneigt ist, um ein Feld mit einer Komponente senkrecht zu der Zylinderachse zu erzeugen, und mit einer zweiten Reihe von Schleifen (23) in der Spule, die ein Feld erzeugt, das im wesentlichen die longitudinale Komponente des durch die erste Reihe von Schleifen erzeugten Radiofrequenzfelds eliminiert; Bereitstellen einer ausreichenden kontinuierlichen Länge in der Richtung von v in der Radiofrequenzspule (20) in dem NMR-Modul gemäß der Geschwindigkeit v von Objekten, die durchlaufen, und der erforderlichen Datenerfassungszeit, um den Schritt des Erfassens von nuklearen Magnetresonanzsignalen zu ermöglichen, die mit mindestens einem ausgewählten Kernmagnetresonanzparameter von dem Objekt gewichtet sind, während sich das Objekt mit der vorbestimmten Geschwindigkeit bewegt; Erzeugen eines nach der chemischen Verschiebung aufgelösten Spektrums des beförderten Objekts in dem NMR-Modul.
Verfahren gemäß Anspruch 1, bei dem der Erfassungsschritt ein Erfassen eines freien Induktionszerfallsignals von dem durch das NMR-Modul laufenden Objekts umfasst.
Verfahren gemäß Anspruch 1, bei dem der Erfassungsschritt ein Erfassen eines Spinechos oder stimulierten Echos des durch das NMR-Modul laufenden Objekts umfasst.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem das konstante Magnetfeld B₀ mit bekannter räumlicher Eigenschaft im wesentlichen räumlich gleichförmig ist.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, ferner mit dem Schritt eines Bereitstellens der B₀- und B₁-Felder als räumlich homogene Felder über eine Modullänge in der Richtung von v von mindestens L_min = ∫ AQ / 0dtv(t), wobei AQ die Datenerfassungszeit, die erforderlich ist, um die Magnetresonanzmessungen zu bestimmen, und v(t) die momentane Geschwindigkeit ist.
Verfahren gemäß Anspruch 1, bei dem der Schritt des Erzeugens des Radiofrequenzfeldimpulses B₁ den Schritt eines Auslösens eines ersten Impulses mit Bezug auf die Ankunft des Objekts in dem Modul aufweist.
Verfahren gemäß Anspruch 6, ferner mit dem Schritt eines Bestimmens der Zeitsteuerung von aufeinanderfolgenden Radiofrequenzimpulsen B₁ gemäß einer Echtzeitbestimmung der Objektgeschwindigkeit v.
Verfahren gemäß Anspruch 1, ferner mit dem Schritt eines Induzierens einer longitudinalen Magnetisierung in dem Objekt parallel oder antiparallel zu seiner Bewegungsrichtung vor seinem Eintritt in das NMR-Modul.
Verfahren gemäß Anspruch 8, bei dem der Schritt des Induzierens der longitudinalen Magnetisierung in dem Objekt den Schritt des Laufens des Objekts durch ein Polarisationsmodul (3) für eine vorbestimmte Zeitspanne umfasst, wobei das Polarisationsmodul ein Magnetfeld parallel zu der Bewegungsrichtung des Objekts bereitstellt.
Verfahren gemäß Anspruch 9, bei dem die vorbestimmte Zeitspanne mindestens 5 × T₁ ist, wobei T₁ die longitudinale Relaxationszeit ist.
Verfahren gemäß Anspruch 1, ferner mit dem Schritt eines wesentlichen Verhinderns einer Rotationsbewegung des Objekts.
Verfahren gemäß Anspruch 1, ferner mit dem Schritt eines wesentlichen Verhinderns der Bewegung des Objekts in jeder Richtung transversal zu der vorbestimmten Geschwindigkeit v.
Verfahren gemäß Anspruch 1, bei dem das Objekt ein Element eines durch das NMR-Modul (4) beförderten Fluids ist.
Verfahren gemäß Anspruch 1, bei dem der Schritt des Erzeugens eines nach der chemischen Verschiebung aufgelösten Spektrums den Schritt eines Durchführens einer Fouriertransformation an einem freien Induktionszerfallsignals, einem Spinechosignal oder einem stimulierten Echosignal umfasst.
Verfahren gemäß Anspruch 1, ferner mit dem Schritt eines Erzeugens des chemischen Spektrums des beförderten Objekts von einem erfassten freien Induktionszerfallssignals und Wichten des Spektrums mit einem weiteren Kernmagnetresonanzparameter.
Verfahren gemäß Anspruch 15, bei dem der weitere Parameter einer oder mehrere von T₂*, T₂, T₁, T_1ρ, D oder die Magnetisierungstransferrate ist, wobei T₂* die transversale Spin-Dephasing-Zeit; T₂ die transversale Relaxationszeit; T₁ die longitudinale Relaxationszeit; und D der Selbstdiffusionskoeffizient ist.
Verfahren gemäß Anspruch 16, bei dem der weitere Parameter T₁ ist, und wobei der Radiofrequenzimpulserzeugungsschritt die Umkehrung der durch das B₀-Feld polarisierten Magnetisierung des Objekts durch einen harten 180°-Impuls gefolgt von der Wiederherstellung über eine vorbestimmte Zeit t₁ vor dem transversalen Radiofrequenzimpuls umfasst.
Verfahren gemäß Anspruch 9, ferner mit dem Schritt eines Erzeugens des chemischen Spektrums des beförderten Objekts von einem erfassten freien Induktionszerfallssignal und Wichten des Signals mit einem weiteren Kernmagnetresonanzparameter T₁, und wobei ein vorbestimmter Betrag der T₁-Relaxation durch Verändern einer Zeitverzögerung zwischen dem beförderten Objekt, das das Polarizer-Modul verlässt und in das NMR-Modul eintritt, eingeführt wird.
Verfahren gemäß Anspruch 16, bei dem der weitere Parameter D ist, ferner mit dem Schritt eines Erzeugens in dem NMR-Modul eines räumlich lokalisierten, nicht gleichförmigen Magnetfeldgradienten G_x, der im wesentlichen transversal zu B₀ ist.
Verfahren gemäß Anspruch 16, bei dem der weitere Parameter T₂ ist, wobei der Radiofrequenzimpulserzeugungsschritt ein Erzeugen einer Reihe von harten 180°-Impulsen in einer Hahn-Echo- oder einer Carr-Purcell-Meiboom-Gill-Impulssequenz umfasst.
Verfahren gemäß Anspruch 16, bei dem der weitere Parameter T₂* ist, wobei der Radiofrequenzimpulserzeugungsschritt einen einzigen 90°-Impuls umfasst.
Verfahren gemäß Anspruch 1, ferner mit dem Schritt eines Beförderns einer Reihe von zu analysierenden diskreten Objekten durch das NMR-Modul mit vorbestimmten Intervallen.
Vorrichtung zum Sammeln von spektroskopischen Kernmagnetresonanzdaten mit: einem ersten Felderzeugungsmittel (4) zum Erzeugen eines zeitlich konstanten Magnetfelds B₀ mit bekannter räumlicher Eigenschaft in einem NMR-Modulvolumen, das eine vorbestimmte Länge entlang einer longitudinalen Achse aufweist, wobei das B₀-Feld parallel zu der longitudinalen Achse ist; einem zweiten Felderzeugungsmittel (20) zum Erzeugen von Impulsen eines Radiofrequenzfeldes in dem NMR-Modulvolumen B₁ transversal zu dem Feld B₀, wobei das zweite Felderzeugungsmittel eine Spule mit einer zylindrischen Geometrie umfasst, deren Zylinderachse entlang der longitudinalen Richtung ausgerichtet ist, wobei die Spule (21) eine erste Reihe von Schleifen (22) aufweist, wobei die Ebene jeder Schleife mit Bezug auf die Zylinderachse geneigt ist, um ein Feld mit einer Komponente senkrecht zu der Zylinderachse zu erzeugen, und einer zweiten Reihe von Schleifen (23), die ein Feld erzeugen, dass im wesentlichen die longitudinale Komponente des durch die erste Reihe von Schleifen erzeugten Radiofrequenzfeldes eliminiert; einem Mittel (1) zum Befördern einer Reihe von Objekten mit einer vorbestimmten Geschwindigkeit entlang der longitudinalen Achse durch das erste und zweite Felderzeugungsmittel; einem Empfangsmittel zum Erfassen von Kernmagnetresonanzsignalen, die mit mindestens einem ausgewählten Kernmagnetresonanzmittel gewichtet sind, von den Objekten, während sich die Objekte mit der vorbestimmten Geschwindigkeit durch das NMR-Modulvolumen bewegen, und einem Mittel zum Erzeugen eines nach der chemischen Verschiebung aufgelösten Spektrums der in dem NMR-Modul beförderten Objekte.
Vorrichtung gemäß Anspruch 23, bei der die ersten und zweiten Felderzeugungsmittel jeweils eine zylindrische Geometrie koaxial miteinander aufweisen.
Vorrichtung gemäß Anspruch 23 oder 24, bei der das erste Felderzeugungsmittel einen hohlen zylindrischen Permanentmagneten umfasst.