В Новый Свет. : Криогенные зондыРазработка зондов "UltraCOOL" и "SuperCOOL"
В 2013 году компания JEOL RESONANCE Ltd. (объединилась с JEOL Ltd. в 2022 году) выпустила криогенные системы зондов ЯМР «UltraCOOL» и «SuperCOOL». Обеспечивая чувствительность, намного превосходящую обычные зонды комнатной температуры, а также простоту использования, превосходящую ту, что ранее ассоциировалась с охлаждаемыми зондами, например, замену зонда в охлажденном состоянии и возможность измерения переменной температуры, эти продукты получили множество положительных отзывов. Однако за рождением этих продуктов стоит множество драматических историй.
Зонд UltraCOOL
Зонд SuperCOOL
История для улучшения чувствительности
История ЯМР — это история улучшения чувствительности.
Используя только низкоэнергетические радиочастоты, ЯМР имеет чрезвычайно низкую чувствительность по сравнению с другими спектроскопическими методами. Однако, поскольку ЯМР дает непревзойденную информацию о молекулярной структуре, он быстро стал методом выбора для структурного анализа органических соединений. Поэтому, начиная с первых коммерческих ЯМР в 1950-х годах, рынок всегда требовал более высокой чувствительности.
Поэтому было удивительно, что появился зонд, работающий при очень низких температурах, повышающий чувствительность в два-пять раз.
Слабые сигналы, которые были ниже уровня теплового шума, теперь проявлялись отчетливо, а время, необходимое для измерения, сократилось с одной четверти до одной двадцатой.
Это было в 2001 году, когда Кацуо Асакура, пользователь ЯМР во время учебы в университете (сейчас помощник менеджера по маркетингу решений JEOL RESONANCE), присоединился к JEOL Ltd., материнской компании JEOL RESONANCE Ltd. (объединенной с JEOL Ltd. в 2022 году). Именно в этом году конкурент JEOL выпустил на рынок первый низкотемпературный зонд.
Чтобы заслужить доверие пользователя
Спустя 10 лет, став руководителем проекта по разработке криогенных зондов, Асакура поставил перед собой задачу разработать два новых типа зондов:
тот, который будет работать при -250 ℃ на частоте 800 МГц,
тот, который будет работать при -200 ℃.
Первая задача была полна испытаний и трудностей.
В то время, когда Асакура получил письмо о назначении, компания уже обсуждала поставку первого криогенного зонда.
Компания установила систему ЯМР 800 МГц с пониманием того, что криогенный зонд, способный обеспечить требуемую чувствительность, должен быть доставлен к согласованному сроку.
«Поскольку клиент доверился нам и выбрал нас в борьбе с нашим конкурентом, мы не можем нарушить свое обещание. Просто сделай это, сказал я себе».
Конечно, положительные признаки уже были. На момент понимания технической команде удалось провести базовые эксперименты на частоте 600 МГц. Учитывая результаты эксперимента, заказчик понял вероятность успеха на частоте 800 МГц. Однако на частоте 800 МГц катушка и детектор должны иметь совершенно другую конструкцию.
И вот начались многодневные тяжелые работы. Асакура подстегнул техническую команду, которая хорошо отреагировала, поэтому разработка быстро набрала обороты. Национальные и летние праздники пришли и ушли незамеченными.
Незадолго до наступления срока исполнения контракта усилия команды разработчиков принесли плоды. Первый криогенный зонд JEOL RESONANCE Ltd. (объединен с JEOL Ltd. в 2022 году) «UltraCOOL probe» был доставлен заказчику и установлен.
Пока холодильная установка издавала низкий мурлыкающий звук, образец был впервые загружен в зонд.
Результат был ошеломляющим; стандартная чувствительность 13С составила более 3600:1. Это позволило провести НЕАДЕКВАТНЫЙ эксперимент (прямое наблюдение за углерод-углеродными связями) только с 10 мг образца наркотика (молекулярная масса 480) всего за 43 часа.
Такое же измерение с помощью обычного датчика комнатной температуры заняло бы 45 дней, что примерно в 25 раз больше.
С большим облегчением Асакура и его команда вернулись в свой отдел исследований и разработок. Им предстояло еще много работы.
15 мг AM-2201 бензинидазола вместе с (FUBIMINA,1) в CDCl3 13C
2D-INADEQUATE, 256 сканирований, зонд UltraCOOL 800 МГц. Данные были любезно предоставлены доктором Года (NIHS).
Зонд UltraCOOL для 800 МГц
Полное поражение
Однажды в Асакуру поступил запрос относительно «зонда UltraCOOL».
Поскольку датчик SuperCOOL на частоте 600 МГц вот-вот должен был быть представлен, его попросили принять участие в конкурсной демонстрации. Зонд UltraCOOL на 600 МГц уже был доступен как продукт, даже во время разработки модели на 800 МГц. Производительность была хорошей, и он был уверен в цене. Асакура был рад согласиться, однако результаты полностью предали их ожидания.
«Это было полное поражение. Я считал, что наши результаты ничуть не хуже, но оказалось, что их зонд имел чувствительность в десять раз выше, чем зонд комнатной температуры, в то время как наш — примерно в пять раз. Я попросил разрешить нам продолжить работу, хотя разница была значительной».
Однако это поражение подогрело боевой настрой команды.
В результате постоянных улучшений в последующие дни и ночи, тщательной доработки и настройки каждой детали, им удалось в течение месяца улучшить характеристики, сравнявшись с показателями конкурентов и превзойдя их.
«Это сотая часть по времени измерения. Другой мир»
— сказал Асакура с горящими глазами.
Сделать разницу
Подъемник зонда
Разработка зонда продолжалась, несмотря на эту неудачу, и впоследствии Асакура снова посетил пользователя. В тот день он предложил уникальный и привлекательный вариант зонда UltraCOOL.
«Подъемник зонда» облегчает ручную установку и снятие зонда с магнита даже пользователем.
Низкотемпературные зонды по самой своей природе тяжелые, особенно если учесть подключенные к ним охлаждающие шланги. Однако многим пользователям по-прежнему необходимо проводить наблюдения X-ядра, поэтому требуется обмен зондами. Например, заменить двойной датчик CH на настраиваемый, HX и т. д.
Использование подъемника зонда позволяет демонтировать зонд, пока он все еще подключен к шлангам хладагента, даже если он все еще находится при очень низкой температуре, и заменить его другим зондом.
Обычно требуется один полный день, чтобы снизить температуру криогенного зонда до рабочей температуры. Однако при наличии двух холодильных машин два датчика могут охлаждаться одновременно, поэтому пользователь может поменять датчики и перейти к следующему измерению, не теряя времени.
При использовании продукции конкурентов пользователю сложно заменять низкотемпературные датчики, а снятие датчика обычно возможно только инженером производителя.
Кроме того, поскольку зонд необходимо охладить после установки в магнит, прибор нельзя использовать в течение этого времени. Это было известно Асакуре.
«Поскольку мы отставали, я хотел внести позитивные изменения. Это было задумано, когда все были на мозговом штурме. Пользователь был очень доволен инструментом «Probe Lifter».
И есть еще различия. JEOL RESONANCE Ltd. (объединенная с JEOL Ltd. в 2022 году) всегда отличалась превосходным контролем температуры образцов, а зонд UltraCOOL обеспечивает точный контроль в диапазоне от -40℃ до +150℃, даже несмотря на то, что это криогенный зонд. Это очень положительная функция, особенно для наблюдения за полимерами и т. д.
Стремитесь к новому рынку
В 2013 году команда запустила систему низкотемпературных зондов «SuperCOOL», которая работает при температуре -200 ℃. Это была вторая часть миссии Асакуры.
Продукция нашего конкурента охлаждается жидким азотом, модель JEOL RESONANCE Ltd. (объединена с JEOL Ltd. в 2022 году) охлаждается холодильным чиллером. Это явно намного безопаснее, чем обращение с криогенными жидкостями, испарение которых может снизить локальный уровень кислорода.
«Для модели с охлаждением жидким азотом резервуар для подачи жидкого азота необходимо заправлять еженедельно, тогда как модель с холодильным агрегатом работает безотказно. Это устройство также было очень хорошо принято многими пользователями».
Асакура с энтузиазмом предлагает альтернативные конфигурации зондов и открывает новые горизонты.
«Если время измерения можно сократить до одной сотой, то теперь можно ожидать применения ЯМР в областях, о которых раньше не думали. Возможно, что при медицинском осмотре в медицинском центре будет проводиться комплексная проверка метаболитов в моче и крови с помощью ЯМР, и риск заболеваний может быть снижен».
Задача Асакуры и других продолжается и сегодня.
Кацуо Асакура
Помощник менеджера по маркетингу решений (в то время)