核磁共振测定方法和装置

技术领域

本公开涉及核磁共振测定方法和装置，特别涉及在固体试样中产生的核磁共振的测定。

背景技术

核磁共振(NMR：Nuclear Magnetic Resonance)测定装置是通过对试样照射电磁波并观测试样中产生的NMR来生成NMR光谱的装置。通过分析NMR光谱，能确定试样的化学结构等。

当在固体试样中包含成为分析对象的晶体(关注晶体)以及除此以外的晶体(非关注晶体)的情况下，存在想要取得来自关注晶体的NMR信息而不受非关注晶体的影响这样的需求。例如，在作为粉剂或片剂的医药品中，关注晶体是该医药品中包含的有效成分的晶体，非关注晶体是该医药品中包含的赋形剂成分的晶体。在医药品中通常包含许多赋形剂成分。具体来说，上述需求是想要仅取得来自有效成分的晶体的NMR信息而不受许多赋形剂成分的影响。对于非晶质(amorphous)材料中的特定的畴(domain)或聚合物共混物(polymer blend)中的特定的畴，也有与上述同样的需求。但是，以往并没有实现满足这些需求的技术。

在特开2013-92436号公报中记载有能够除去或减弱由不希望测定的分子种类(molecular species)引起的信号的NMR测定方法。但是，在该公报中没有公开能够以晶体、畴等粒子(也就是固体要素)为单位来选择测定对象的技术。

发明内容

本公开的目的在于实现如下技术：当在试样中包含关注粒子和非关注粒子的情况下，从关注粒子中取得NMR信息而不受非关注粒子的影响。或者，本公开的目的在于，关于包含有效成分和赋形剂成分的医药品，对有效成分进行NMR测定而不受赋形剂成分的影响。

本公开的核磁共振测定方法的特征在于，包含：初始工序，通过操作特殊性地存在于关注粒子内的特定原子的核自旋，使在上述关注粒子内存在于上述特定原子附近的附近氢原子产生规定磁化；以及观测工序，在上述关注粒子内上述附近氢原子的规定磁化向存在于上述附近氢原子周围的周围氢原子扩散之后，直接或间接地观测扩散到上述关注粒子内的磁化。

本公开的核磁共振测定装置的特征在于，包含：通过按照初始状态形成用子脉冲序列对固体试样照射电磁波来操作特殊性地存在于上述固体试样中的关注粒子内的特定原子的核自旋，从而使在上述关注粒子内存在于上述特定原子附近的附近氢原子产生规定磁化的单元；以及在上述关注粒子内上述附近氢原子的规定磁化向存在于上述附近氢原子周围的周围氢原子扩散之后，直接或间接地观测扩散到上述关注粒子内的磁化的单元。

附图说明

图1是示出实施方式的NMR测定装置的构成例的图。

图2是示出实施方式的NMR测定方法的原理的图。

图3是示出实施方式的NMR测定方法的一例的图。

图4是示出实施了实施方式的NMR测定方法后的结果的图。

图5是示出进行磁化的调制和磁化的转移的方法的变形的图。

图6是示出自旋扩散方法的变形的图。

图7是示出观测方法的变形的图。

图8是示出另一实施方式的NMR测定方法的原理的图。

具体实施方式

以下，基于附图来说明实施方式。

(1)实施方式的概要

实施方式的核磁共振测定方法具有初始工序和观测工序。初始工序是通过操作特殊性地存在于关注粒子内的特定原子的核自旋而使在关注粒子内存在于特定原子附近的附近氢原子产生规定磁化的工序。观测工序是在关注粒子内附近氢原子的规定磁化向存在于附近氢原子周围的周围氢原子扩散之后直接或间接地观测扩散到关注粒子内的磁化的工序。

上述方法是利用特定原子特殊性地(distinctively；限定性地(restrictively)或局部性地(localizedly))存在于关注粒子内、以及、磁化的扩散不波及到粒子外这些点，选择性地观测来自关注粒子的NMR信息。

具体来说，在特定原子的核自旋(nuclear spin)与附近氢原子的核自旋之间存在直接的相互作用和间接的相互作用。通过利用电磁波的照射来操作特定原子的核自旋，能够改变与之相互作用的附近氢原子的核自旋。也就是说，能在附近氢原子中产生由上述操作而来的固有磁化(规定磁化)。如以下说明的那样，规定磁化是调制磁化成分或转移磁化成分。从扩散源的观点来看，规定磁化也可以说是作为扩散源的种子磁化。

在关注粒子内，在氢原子的核自旋间存在直接的相互作用和间接的相互作用。通过这样的相互作用，在附近氢原子中产生的规定磁化向周围氢原子扩散。换言之，氢原子的核自旋在关注粒子内扩散。磁化的扩散是能自然产生的，但也能利用电磁波照射来促进磁化的扩散。磁化的扩散基本上只在关注粒子内，而不会波及到关注粒子外。这是因为晶体间的距离大，核自旋基本上不会在晶体间扩散。其结果是，关注粒子内的氢原子的全部或一部分产生由上述操作而来的固有磁化，该磁化会被直接或间接地观测到。

即使在关注粒子以外的粒子(非关注粒子)中包含氢原子，也不会在该粒子中产生规定磁化，因此，非关注粒子会从测定对象中自然地排除在外。即便在非关注粒子内中产生了规定磁化，那也会是非常微小的，因此，事实上可以将其忽略。此外，特定原子是氢原子以外的原子。氢原子基本上是1H。在本申请说明书中，1H＝

在实施方式中，规定磁化是由特定原子的核自旋调制的磁化。即，在附近氢原子具有磁化的状态下，通过操作特定原子的核自旋，附近氢原子的磁化会改变。即，产生调制磁化成分。该调制磁化成分是扩散源，另外也是观测对象。

在实施方式中，规定磁化是从特定原子向附近氢原子转移的磁化。也就是转移磁化成分。磁化的调制和磁化的转移均利用原子核间的相互作用。作为相互作用的例子，可举出偶极－偶极相互作用(dipole-dipole interaction)、自旋－自旋相互作用(spin-spininteraction；J耦合：J-coupling)等。极化转移(polarization transfer)也是相互作用的一种方式。

在实施方式中，在初始工序中，按照通过特定原子的核自旋使附近氢原子产生规定磁化的子脉冲序列，对包含关注粒子的固体试样照射电磁波。作为这种子脉冲序列，能使用公知的各种脉冲序列。此外，子脉冲序列是指以工序为单位执行的脉冲序列。由与一系列的多个工序对应的多个子脉冲序列构成脉冲序列。

在实施方式中，在初始工序与观测工序之间设置扩散工序。扩散工序是按照在关注粒子内使附近氢原子的规定磁化向周围氢原子扩散的子脉冲序列对包含关注粒子的固体试样照射电磁波的工序。在实施方式中，在扩散工序中要扩散的磁化是纵向磁化(longitudinal magnetization)或横向磁化(transverse magnetization)。在要使纵向磁化扩散的情况下，在初始工序的最后照射电磁波，使得由于特定原子的核自旋而在附近氢原子中产生纵向磁化。在要使横向磁化扩散的情况下，在初始工序的最后照射电磁波，使得由于特定原子的核自旋而在附近氢原子中产生横向磁化。作为用于磁化的扩散的子脉冲序列，能使用公知的各种脉冲序列。在按照MAS(魔角旋转；Magic Angle Spinning)法驱动收纳有固体试样的容器以倾斜状态旋转的情况下，能利用使1H核自旋间的相互作用恢复的重耦(Recoupling；再耦合)技术。

在实施方式中，在观测工序中，扩散到关注粒子内的磁化的弛豫被观测到。所观测的磁化通常是横向磁化。当在扩散工序中选择了纵向磁化的扩散的情况下，在观测工序的最开始，对固体试样照射使纵向磁化产生横向磁化的脉冲。当在扩散工序中选择了横向磁化的扩散的情况下，不需要这种脉冲的照射。可以在扩散后直接地观测氢原子所具有的磁化，也可以使磁化从氢原子向其它原子转移，观测转移后的磁化。即，也可以间接地观测氢原子所具有的磁化。

在实施方式中，关注粒子是医药品中包含的有效成分的晶体。能基于从该晶体得到的NMR信息来分析有效成分的晶体形状等。通常，医药品中也包含赋形剂，但根据上述方法，能够防止混入来自赋形剂的NMR信息。磁化的扩散基本上不会波及到晶体外。上述方法是利用这一性质来形成仅有晶体内的氢原子具有固有磁化的状态。也可以在非晶质材料中的特定畴内使磁化扩散。或者，也可以在聚合物共混物中的特定畴内使磁化扩散。在这些情况下，特定畴成为关注粒子。此外，上述方法在不应用MAS法的情况下也能实施。

实施方式的核磁共振测定装置具有初始状态形成单元以及扩散磁化观测单元。初始状态形成单元是通过按照初始状态形成用子脉冲序列对固体试样照射电磁波来操作特殊性地存在于固体试样中的关注粒子内的特定原子的核自旋，从而使在关注粒子内存在于特定原子附近的附近氢原子产生规定磁化的单元。扩散磁化观测单元是在关注粒子内附近氢原子的规定磁化向存在于附近氢原子周围的周围氢原子扩散之后直接或间接地观测扩散到关注粒子内的磁化的单元。也可以设置通过对固体试样照射电磁波来促进磁化的扩散的磁化扩散单元。

上述初始状态形成单元相当于控制部、序列发生器(sequencer)、发送部以及NMR探针。上述扩散磁化观测单元相当于控制部、序列发生器、接收部以及NMR探针。上述磁化扩散单元相当于控制部、序列发生器、发送部以及NMR探针。控制部包含按照程序进行动作的处理器。同样地，序列发生器包含在控制部的控制下生成各脉冲序列的处理器。上述初始状态形成单元包含至少1个处理器，上述扩散磁化观测单元包含至少1个处理器，上述磁化扩散单元包含至少1个处理器。这些处理器可以在物理上由同一处理器构成，也可以在物理上由单独的处理器构成。

实施方式的核磁共振测定装置包含使收纳有固体试样的容器一边倾斜一边旋转的旋转机构。在容器进行旋转的状态下，在附近氢原子中产生磁化，并且扩散到关注粒子内的磁化被观测。

(2)实施方式的详细情况

在图1中示出了实施方式的NMR测定装置的构成例。图示的NMR测定装置是执行实施方式的NMR测定方法的装置。具体来说，该方法是选择性地取得在作为医药品的片剂中包含的、来自有效成分(API：Active Pharmaceutical Ingredient；活性药物组分)的晶体的NMR信号的方法。有效成分的晶体也可以说是关注粒子。相对于此，片剂中包含的各赋形剂的晶体各自也可以说是非关注粒子。各个粒子是固体元素。

在图1中，NMR测定装置具有分光计10。分光计10具有控制计算机25。控制计算机25由个人计算机、专用计算机、其它信息处理装置构成。控制计算机25生成用于执行以下说明的多个工序的脉冲序列程序(命令列)。脉冲序列程序是定义脉冲序列的程序，通过对其进行解释来生成实际的脉冲序列。当然，用户也可以直接记述或指定脉冲序列。在控制计算机25中包含作为运算部和控制部发挥功能的处理器。

序列发生器26按照脉冲序列程序生成脉冲序列。具体来说，序列发生器26控制发送部27的动作以生成遵照脉冲序列的发送信号(发送脉冲列)。脉冲序列相当于与多个工序对应的多个子脉冲序列的连结体。在序列发生器26中包含处理器。在图示的构成例中，序列发生器26也控制接收部28的动作。发送部27是具有信号发生电路、信号加法器、功率放大器等的电子电路。发送信号被传送到NMR探针18。发送部27和接收部28作为发送接收单元发挥功能。

测定部12具有静磁场发生器16和NMR探针18。NMR探针18作为观测单元的主要部分发挥功能，其由插入部20和基部22构成。在形成于静磁场发生器16的孔14内插入有插入部20。在插入部20的下端设置有基部22。插入部20的顶端部分构成探针头，在其内部设置有驱动试样管24旋转的旋转机构(旋转器)25。旋转机构25一边使试样管24相对于静磁场方向(z方向)倾斜规定角度(魔角)一边驱动其旋转。

NMR探针18基于发送信号对试样照射RF(radio frequency；射频)波，另外，检测来自试样的NMR信号(FID信号(free induction decay signal；自由感应衰减信号))并输出接收信号。在NMR探针18内设置有用于此目的的电气电路。该电气电路包含检测线圈、调谐用电容器、匹配用电容器等。在试样管24内收纳有经过规定处理的固体试样(具体来说是加工成粉末状的药物)。

接收部28是具有检波器、A/D转换器等的电子电路。从接收部28输出的数字接收信号被传送到FFT(Fast Fourier Transformation；快速傅里叶变换)电路29。FFT电路29通过对FID信号进行FFT运算生成NMR光谱。基于NMR光谱，能对固体试样进行定量分析、结构分析等。也可以在控制计算机25中执行NMR光谱的分析。通过NMR光谱的分析，能确定有效成分的晶体的晶体形状、晶体结构等。

在图2中示出了实施方式的NMR测定方法的原理的概念图。(A)示出了处于初始状态的药物30。(B)示出了处于扩散状态的药物30。在图示的例子中，药物30中包含有效成分的晶体32以及各种赋形剂34～40。赋形剂34～40通常也分别作为晶体存在。在有效成分的晶体32内包含14N和1H。在此，14N特殊性地包含在有效成分的晶体32内(参照附图标记43)。也就是说，14N没有包含在赋形剂34～40中。1H包含在有效成分的晶体32和赋形剂34～40这两者之中。此外，在图2中，在晶体32内示出了1个14N，但实际上在晶体32内存在许多个14N。同样地，在晶体32内也存在许多个1H。

在实施方式中，在初始状态的形成时，对药物30照射电磁波(参照附图标记42)，从而，通过操作14N(参照附图标记43)的核自旋，仅使在晶体32内与14N直接结合的附近1H(参照附图标记44)产生规定磁化(由核自旋的操作而来的磁化成分)(另外，不使赋形剂34～40内的1H产生该磁化成分)。

作为用于此目的的第1方法，可举出通过14N的核自旋来调制附近1H所具有的磁化的方法。在这种情况下，由调制产生的磁化成分所引起的信号成分成为观测对象。除此以外的信号成分在信号处理过程(具体来说是累计过程)中被消除。作为仅使附近1H产生磁化的第2方法，可举出使14N的磁化向附近1H转移的方法。在这种情况下，转移后的磁化成分所引起的信号成分成为观测对象。

在初始状态的形成后，如图2的(B)所示，执行使附近1H所具有的规定磁化在晶体32内扩散的工序。在这种情况下，可以利用核自旋的自然扩散，也可以按照自旋扩散用的子脉冲序列，对药物30照射电磁波来促进核自旋的扩散。以附近1H(参照附图标记44)的规定磁化为出发点，周围1H(参照附图标记46)变得具有规定磁化。在图示的例子中，规定磁化扩散到晶体32的大致整个范围内。不过，也可以存在不具有规定磁化的一部分1H(参照附图标记48)。磁化扩散基本上仅在晶体32内产生，不会波及到晶体32的外侧。这是因为晶体间的距离大，核自旋基本上不会在晶体间扩散。

此外，即便在某个晶体中的14N附近存在其它晶体中的1H并且由于14N的核自旋的变化而在1H中产生了磁化，那也是很微小的，从整体来看是可以忽略的程度。虽然在图2中示出了1个晶体32，但实际上会在药物30中的各晶体32内产生磁化扩散。

然后，如附图标记49所示，扩散后的磁化的弛豫被直接或间接地观测到。在这种情况下，可以观测晶体32中的1H所具有的磁化的弛豫，也可以使该磁化向其它原子转移，观测转移后的磁化的弛豫。还可以使转移后的磁化再次转移到1H，观测转移后的磁化的弛豫。

根据实施方式的NMR测定方法，能够不受药物中包含的赋形剂34～40的影响，而仅将有效成分的晶体32作为观测对象。因此，能精度良好地分析晶体32的化学结构等。同样的手法也可以应用于工业材料中包含的晶体。另外，同样的手法也可以应用于非晶质材料中的特定畴或聚合物共混物中的特定畴。关于作为磁化调制用原子或磁化转移用原子的特定原子，除了14N以外，还可举出15N、19F、33S、35Cl、37Cl、79Br、81Br等。

接下来，使用图3和图4来说明实施例。具体来说，作为测定对象的有效成分是L-半胱氨酸(L-cysteine)。关注粒子是L-cysteine的晶体，为进行磁化调制而操作的核自旋是14N的核自旋。14N仅包含在L-cysteine中，未包含在赋形剂中(在图3中，14N表达为原子Y)。

在图3中，(A)示出了构成实施例的NMR测定方法的3个工序。即，示出了初始工序(调制或转移的工序)50、扩散工序52以及观测工序54。各工序由NMR测定装置自动执行。此外，药物收纳在容器内，按照MAS法驱动该容器连续地旋转。

在图3中，(B)示出了脉冲序列。脉冲序列由与3个工序对应的3个子脉冲序列构成。脉冲序列的上段示出了作用于1H的脉冲列(其中也包含接收过程)。脉冲序列的下段示出了作用于14N的脉冲列。此外，为了提取调制磁化成分，一边变更一部分条件一边重复执行n次脉冲序列。累计通过n次测定而得到的n个接收信号。

在图3所示的实施例中，在初始工序50中，按照遵循HMQC(HeteronuclearMultiple Quantum Correlation；异核多量子相关)的子脉冲序列，对作为固体试样的药物照射电磁波。在药物中的1H内产生的磁化之中，位于14N附近的1H的磁化被14N的核自旋调制。例如，通过一边改变90度脉冲的相位(φ1)一边进行多次照射，并对由此得到的多个接收信号进行累计，能仅提取出调制磁化成分。

此外，在随后的扩散工序52中，在进行纵向磁化的扩散的情况下，在初始工序50的最后，纵向磁化会作为调制磁化成分被残留。在这种情况下，照射90度脉冲62。在扩散工序52中，在进行横向磁化的扩散的情况下，在初始工序50的最后，横向磁化会作为调制磁化成分被残留。在这种情况下，不需要照射90度脉冲62。能在初始工序50中使用各种方法。之后使用图5来说明其变形例。

扩散工序52是使晶体内的附近1H所具有的磁化在晶体内扩散的工序。在图示的例子中，实施了产生1H-1H重耦的方法(RFDR(Radio-Frequency Driven Recoupling；射频驱动重耦)法)。这是在容器的旋转角度处于规定范围内的情况下通过照射规定脉冲来恢复在MAS法下消失的1H-1H耦合的方法。之后使用图6来说明磁化扩散方法的变形例。磁化的扩散仅在各个晶体内产生。

在观测工序54中，晶体中的1H所具有的磁化的弛豫被直接或间接地观测到。在图示的例子中，是使用90度脉冲(单脉冲)来观测磁化的弛豫。之后使用图7来说明观测方法的变形例。如上所述，对一边改变规定脉冲的相位一边取得的多个NMR接收信号进行累计。

在图4中示出了执行了实施例的结果。在图4的最上段示出了通过观测遍及药物整体的1H所具有的磁化而生成的NMR光谱70。在NMR光谱70中包含来自有效成分的信号成分和来自赋形剂的信号成分，从中仅识别并提取前者的信号成分是非常难的。在图4的中段上侧示出了通过观测位于14N附近(与14N直接结合)的1H所具有的磁化而生成的NMR光谱72。该NMR光谱72虽然来自于有效成分，但由于没有经过扩散工序，因而相当于有效成分的信号成分是微弱的。

在图4的中段下侧示出了通过实施例的方法而生成的NMR光谱74。观测到来自包含在有效成分的晶体中的大量1H的信号。另外，在图4的下段示出了仅将有效成分作为测定对象并通过通常的方法观测到的1H的NMR光谱76。实施例的NMR光谱74具有与该NMR光谱76相近的形态。这证实了实施例的方法的有效性。

在图5中例示出初始工序50的变形。如附图标记78所示，也可以使用REDOR(Rotational Echo Double Resonance；旋转回波双共振)法或REAPDOR(Rotational EchoAdiabatic Passage Double Resonance；旋转回波绝热通道双共振)法，使与14N直接结合的1H产生调制磁化成分。在这种情况下，一边切换反转脉冲的有无一边执行n次脉冲序列。此外，附图标记79示出了90度脉冲。在进行横向磁化的扩散的情况下，照射该90度脉冲79。这一点在以下说明的其它子脉冲序列中也是同样的。

为了使与14N直接结合的1H产生调制磁化成分，如附图标记80所示，也可以使用RESPDOR(Resonance Echo Saturation Pulse Double Resonance；共振回波饱和脉冲双共振)法。其是切换饱和脉冲的有无。如附图标记82所示，也可以使用HSQC(HeteronuclearSingle Quantum Correlation；异核单量子相关)法。其是改变脉冲的相位。如附图标记84所示，在REDOR中，也可以切换重耦脉冲的有无。

如附图标记86所示，也可以进行基于CP(Cross Polarization；交叉极化)法的磁化的转移。如附图标记88所示，也可以进行基于Double CP(双交叉极化)法的磁化的转移。而且，如附图标记90所示，也可以进行根据Refocused(再聚焦)INEPT(Insensitive NucleiEnhanced by Polarization Transfer；偏振转移增强的不灵敏核)法的磁化的转移。图5所示的子脉冲序列均为例示。

在图6中例示出扩散工序52的变形。(A)示出了纵向磁化的混合方法，(B)示出了横向磁化的混合方法。

关于纵向磁化的混合，如附图标记92所示，可以不进行任何脉冲照射而只进行自然的磁化扩散。该方法是比较费时间的方法，但能够期待更纯粹的磁化扩散。如附图标记94所示，也可以一边在1H-1H间进行自然的磁化扩散，一边在1H与X或Y之间产生重耦。在此，X是14N和1H这两者以外的原子。如附图标记96所示，也可以在1H-1H间产生重耦的同时，在1H与X或Y之间产生重耦。重耦是在MAS法下消失的耦合的恢复。即，使得耦合不会在MAS法下被时间平均化。作为该手法的一例，可举出上述RFDR。

关于横向磁化的混合，可以如附图标记98所示对1H应用自旋锁法。另外，也可以如附图标记100所示在1H-1H间产生重耦。而且，还可以如附图标记102所示，在1H-1H间产生重耦的同时，在1H与X或Y之间产生重耦。图6所示的变形为例示。

在图7中例示出观测工序54的变形。可以如上所述使用单脉冲来测定1H的磁化的弛豫，但也可以使1H的磁化转移到X或Y，测定该转移后的磁化的弛豫。也可以考虑使转移后的磁化返回到1H并测定该磁化的弛豫。另外，也可以执行1H/1H相关光谱测定或1H/X相关光谱测定等。此外，在扩散工序中，当在磁化的扩散对象中包含X或Y的情况下，能在观测工序中保持原样地测定在X或Y中产生的磁化。在这种情况下，扩散工序会作为用于观测工序的准备工序发挥功能。图7所示的变形为例示。

在图8中示出了另一实施方式的测定方法。在药物110中包含第1有效成分的晶体112和第2有效成分的晶体114。另外，在药物110中包含多个赋形剂的晶体。在晶体112中包含19F和1H，在晶体114中包含14N和1H。尽管在各赋形剂中包含1H，但不包含19F或14N。即，在晶体112中特殊性地包含19F，在晶体114中特殊性地包含14N。

通过将已经说明的方法分别单独地应用于各个晶体112、114，能够从各晶体112、114分别单独地取得NMR信息。从而，能分别单独地确定各晶体112、114的晶体形状等。