Настольный ядерный магнитно-резонансный спектрометр ( настольный ЯМР-спектрометр ) относится к Фурье- спектрометру ядерного магнитного резонанса (ФТ-ЯМР), который значительно более компактен и портативен, чем обычные эквиваленты, так что он портативен и может находиться на лабораторном столе. Это удобство достигается за счет использования постоянных магнитов, которые имеют более слабое магнитное поле и пониженную чувствительность по сравнению с гораздо более крупными и более дорогими криогенно охлаждаемыми сверхпроводящими ЯМР-магнитами. Вместо того, чтобы требовать специальной инфраструктуры, помещений и обширных установок, эти настольные приборы можно размещать непосредственно на столе в лаборатории и перемещать по мере необходимости ( например, в вытяжку). Эти спектрометры предлагают улучшенный рабочий процесс даже для начинающих пользователей, поскольку они проще и удобнее в использовании. Они отличаются от релаксометров тем, что их можно использовать для измерения спектров ЯМР высокого разрешения и не ограничиваются определением параметров релаксации или диффузии ( например, T1, T2 и D).
Первое поколение ЯМР-спектрометров использовало большие электромагниты весом в сотни килограммов и более. Немного меньшие системы постоянных магнитов были разработаны в 1960-70-х годах на частотах протонного резонанса 60 и 90 МГц и широко использовались для химического анализа с использованием методов непрерывной волны , но эти постоянные магниты все еще весили сотни килограммов и не могли быть размещены на рабочем столе. Сверхпроводящие магниты были разработаны для достижения более сильных магнитных полей для более высокого разрешения и повышенной чувствительности. Однако эти сверхпроводящие магниты дороги, велики и требуют специализированных строительных помещений. [1] Кроме того, криогены, необходимые для сверхпроводников, опасны и требуют постоянных затрат на техническое обслуживание. [2] [3] [ ненадежный источник? ] В результате эти приборы обычно устанавливаются в специальных помещениях или помещениях ЯМР для использования несколькими исследовательскими группами.
С начала 2000-х годов наблюдается ренессанс в технологии и дизайне постоянных магнитов [4] , с достижениями, достаточными для разработки гораздо меньших ЯМР-инструментов с полезным разрешением и чувствительностью для образования, исследований и промышленных приложений. [5] Самарий-кобальтовые и неодимовые жесткие ферромагнетики уменьшили размер постоянных магнитов ЯМР, и были достигнуты поля до 2,9 Тл, что соответствует 125 МГц протонной ларморовской частоте. Эти конструкции, которые работают при температурах магнитов от комнатной температуры до 60 °C, позволяют делать приборы достаточно маленькими, чтобы поместиться на лабораторном столе, и безопасны для работы в типичной лабораторной среде. Для них требуется только однофазное локальное питание, а с системами бесперебойного питания их можно сделать портативными и выполнять ЯМР-анализы в разных точках производственной зоны.
Одним из самых больших недостатков ЯМР-спектрометров с низким полем (0,3–1,5 Тл) является температурная зависимость постоянных магнитов, используемых для создания основного магнитного поля. Для небольших магнитов существовала обеспокоенность тем, что интенсивность внешних магнитных полей может отрицательно влиять на основное поле, однако использование магнитных экранирующих материалов внутри спектрометра устраняет эту проблему. Доступные в настоящее время спектрометры легко перемещаются из одного места в другое, включая некоторые, которые установлены на переносных тележках с непрерывными источниками питания. [6] Другая связанная с этим трудность заключается в том, что доступные в настоящее время спектрометры не поддерживают повышенные температуры образцов, которые могут потребоваться для некоторых измерений in situ в химических реакциях.
В недавней статье предполагается, что специальная экспериментальная установка с двумя или более катушками и синхронными осцилляторами может помочь преодолеть эту проблему [7] и позволить работать с нестабильными магнитными полями и с доступными осцилляторами.
Спектры ЯМР, полученные в слабом поле, страдают от меньшей дисперсии сигнала, что также приводит к более сложным спектрам с перекрывающимися сигналами и эффектами более высокого порядка. [8] Полная интерпретация таких спектров требует вычислительного квантово-механического спектрального анализа [9] для спектров ЯМР 1H-1D, также известного как HiFSA. [10]
Спектроскопию ЯМР можно использовать для химического анализа, [11] [12] мониторинга реакций, [13] и экспериментов по обеспечению/контролю качества. Приборы с более высоким полем обеспечивают непревзойденное разрешение для определения структуры, особенно для сложных молекул. Более дешевые, более надежные и более универсальные приборы со средним и низким полем обладают достаточной чувствительностью и разрешением для мониторинга реакций и анализов QA/QC. [1] Таким образом, технология постоянных магнитов предлагает потенциал для расширения доступности и наличия ЯМР для учреждений, которые не имеют доступа к сверхпроводящим спектрометрам ( например, начинающие студенты [14] или малые предприятия).
За последнее десятилетие было разработано множество автоматизированных приложений, использующих подходы многомерного статистического анализа (хемометрики) для получения корреляций между структурой и свойствами, а также химическими и физическими свойствами между спектрами ЯМР 1H 60 МГц и данными первичного анализа, особенно для приложений управления нефтяными и нефтехимическими процессами. [15] [16]
Разработка этого нового класса спектрометров началась в середине 2000-х годов, и теперь это один из последних методов молекулярной спектроскопии, который стал доступен для настольных приборов.
Инструмент Spinsolve компании Magritek , базирующейся в Новой Зеландии и Германии , работающий на частотах 90 МГц, [17] 80 МГц, [18] и 60 МГц, [19] обеспечивает очень хорошую чувствительность и разрешение менее 0,4 Гц и весит 115 кг, 73 кг и 60 кг соответственно. Модель ULTRA [20] имеет еще более высокое разрешение 0,2 Гц с формой линии 0,2 Гц/6 Гц/12 Гц, что сопоставимо со спецификациями ЯМР с высоким полем. Можно измерять 1H-протон, 19F-фтор, 13C-углерод, 31P-фосфор и другие X-ядра, такие как 7Li, 23Na, 29Si и другие. Несколько X-ядер могут быть включены в один спектрометр без потери чувствительности с помощью опции Multi X. [21] Можно получить широкий спектр спектров ЯМР, включая 1D, 1D с развязкой, подавлением растворителя , спектры DEPT, T1, T2 и 2D HETCOR, HMBC, HMQC, COSY и JRES . Включены градиенты импульсного поля для спектроскопии, а также могут быть добавлены дополнительные градиенты диффузионного импульсного поля [22] . Магнит стабилизирован внешним замком, что означает, что он не требует использования дейтерированных растворителей . Доступны аксессуар для мониторинга реакции в режиме онлайн с использованием проточной ячейки и автосэмплер. Образцы измеряются с использованием стандартных 5-миллиметровых ЯМР-трубок , а спектрометр управляется через внешний компьютер, на котором происходит стандартный сбор и обработка данных ЯМР.
В 2009 году компания picoSpin LLC, базирующаяся в Боулдере, штат Колорадо, выпустила первый настольный ЯМР-спектрометр picoSpin 45. Небольшой (7 x 5,75 x 11,5 дюймов) 45 МГц спектрометр с хорошим разрешением (< 1,8 Гц) и чувствительностью в среднем и нижнем диапазоне, который весит 4,76 кг (10,5 фунта) и может получать 1D спектры 1H или 19F. PicoSpin была приобретена Thermo Fisher Scientific в декабре 2012 года и впоследствии переименовала продукт в Thermo Scientific picoSpin 45. [23] Вместо традиционных статических 5-миллиметровых ЯМР-трубок спектрометр picoSpin 45 использует проточную систему, которая требует ввода образца в капилляр из ПТФЭ и кварца с внутренним диаметром 0,4 мм . [ 24] Дейтерированные растворители необязательны из-за наличия программной блокировки. Для управления нужен только веб-браузер на любом внешнем компьютере или мобильном устройстве, поскольку спектрометр имеет встроенную плату веб-сервера; не требуется установка программного обеспечения на выделенном ПК. В августе 2013 года была представлена вторая версия, Thermo Scientific picoSpin 80, которая работает на частоте 82 МГц с разрешением 1,2 Гц и в десять раз большей чувствительностью, чем оригинальный picoSpin 45.
Компания Nanalysis Corp из Калгари, Альберта, Канада, предлагает две настольные платформы ЯМР: 60 и 100 МГц, что составляет 1,4 Тл и 2,35 Тл соответственно. Спектрометры находятся в корпусе «все в одном» (магнит, электроника и компьютер с сенсорным экраном), что упрощает их размещение, но все системы могут управляться локально или удаленно с помощью внешнего компьютера по желанию пользователя. 60 МГц — это наименьший 60 МГц, доступный на рынке, весом около 25 кг, а 100 МГц — чуть менее 100 кг.
Обе платформы поставляются в модели «e», которая может получать 1H/19F, или в модели «PRO», которая наблюдает 1H/19F/X (где X определяется заказчиком, но чаще всего это 7Li, 11B, 13C, 31P). В зависимости от модели прибора, он может выполнять эксперименты 1D 1H, 13C{1H}, 19F, 31P, 31P{1H}, COSY, JRES, DEPT, APT, HSQC, HSQC-ME, HMBC, T1 и T2. Спектрометры используют стандартные 5-миллиметровые ЯМР-трубки и совместимы с большинством сторонних программных пакетов ЯМР.
Nanalysis приобрела RS2D в 2020 году, расширив свой портфель технологий магнитного резонанса, включив в него превосходную технологию cameleon4, консоли ЯМР, доклиническую МРТ и линейки продуктов МРТ. В 2021 году Nanalysis также приобрела базирующуюся в Нью-Йорке компанию-разработчика программного обеспечения One Moon Scientific, чтобы предложить как рутинную высокопроизводительную обработку данных, так и расширить анализ данных ЯМР, включая машинное обучение, построение баз данных и алгоритмы поиска.
В 2019 году Oxford Instruments выпустила новый спектрометр 60 МГц под названием X-Pulse. [25] Этот прибор является значительным улучшением предыдущей системы Pulsar, выпущенной в 2013 году. X-Pulse имеет самое высокое, как стандарт, разрешение (<0,35 Гц / 10 Гц) из имеющихся в настоящее время настольных анализаторов ЯМР без криогена. Он включает в себя редкоземельный постоянный магнит 60 МГц. X-Pulse является единственной настольной системой ЯМР, которая предлагает полный широкополосный X-канал для измерения 1H, 19F, 13C, 31P, 7Li, 29Si, 11B и 23Na на одном зонде. Широкий спектр 1D и 2D измерений может быть выполнен на всех ядрах, 1D спектрах, T1, T2, HETCOR, COSY, HSQC, HMBC, JRES и многих других, включая подавление растворителя и селективное возбуждение. X-Pulse также имеет опции для проточного ЯМР и зонда с переменной температурой, что позволяет измерять образцы в ЯМР-трубках при температурах от 20 °C до 60 °C. Магнит и спектрометр находятся в двух отдельных коробках, при этом магнит весит 149 кг [26] , а электроника — 22 кг. Для X-Pulse требуется стандартное сетевое электропитание, и он использует стандартные 5-миллиметровые ЯМР-трубки. Управление прибором осуществляется из пакета рабочего процесса SpinFlow, в то время как обработка и манипулирование данными достигаются с помощью сторонних программных пакетов ЯМР. Приборы Pulsar были сняты с производства в 2019 году после запуска X-Pulse.
В 2019 году компания Bruker , давний производитель и лидер рынка высокопроизводительных ЯМР-машин, представила настольную ЯМР-машину Fourier 80 FT-NMR. Машина использует постоянные магниты и работает с использованием стандартного программного обеспечения Bruker (полное будущее программное обеспечение TopSpin 4 для Windows и Linux; а также API на основе Python из Windows и Linux; и упрощенное приложение GoScan). Машину можно настроить для спектров 1H и 13C (возможно, больше по индивидуальному заказу) в режимах 1D и 2D, и она работает на частоте 80 МГц (1,88 Тл). Машина весит около 93 кг и потребляет менее 300 Вт во время работы. [27]
В конце 2021 года компания Q Magnetics представила QM-125, настольный ЯМР-спектрометр 1H с частотой 125 МГц (2,9 Тл) и разрешением лучше 0,5 Гц. [28] Прибор заключен в один корпус массой 28 кг и подключен к управляющему компьютеру через интерфейс USB. Спектрометр QM-125 не требует от пользователя предварительного переноса образца в ЯМР-трубку. Его можно использовать двумя способами: в режиме walkup, когда образец извлекается из источника с помощью шприца, а затем вводится в спектрометр; и в автоматическом или смешанном режиме, когда образец доставляется в РЧ-катушку потоком из другого прибора. Другими функциями, которые поддерживают автоматизированные и смешанные приложения, являются стабильная прокладка, программное обеспечение для управления Python с открытым исходным кодом и жидкостные соединения на передней панели. Потребляемая мощность менее 50 Вт и относительно низкая стоимость поддерживают интеграцию в вертикальные и специализированные приложения.