В Новый Свет. : Криогенные зондыРазработка зондов «UltraCOOL» и «SuperCOOL»
В 2013 году компания JEOL RESONANCE выпустила системы криогенных ЯМР-зондов «UltraCOOL» и «SuperCOOL». Обеспечивая чувствительность, намного превышающую обычные датчики комнатной температуры, а также простоту использования, которая ранее была связана с охлаждаемыми датчиками, например, возможность замены датчика во время охлаждения и возможность измерения переменной температуры, продукты получили множество положительных отзывов. Однако за рождением этих продуктов стоит немало 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, когда он был студентом университета (теперь помощник менеджера по маркетингу решений, JEOL RESONANCE), присоединился к JEOL Ltd., материнской компании JEOL RESONANCE. В том же году конкурент JEOL выпустил на рынок первый низкотемпературный зонд.
Чтобы доказать, что вы достойны доверия пользователя
10 лет спустя, 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 заказчик доверял нам и выбрал нас в конкурентной 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 истечения срока контракта усилия команды разработчиков принесли свои плоды. Первый криогенный зонд JEOL RESONANCE, «зонд UltraCOOL», 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 к Асакуре пришел запрос по поводу «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 характеристики ничуть не уступают, но оказалось, что их датчик имеет чувствительность в десять раз выше, чем датчик комнатной температуры, а наш — примерно в 5 раз. Я попросил разрешить нам предпринять дальнейшие усилия, хотя разница была значительной».
Однако это поражение подогрело боевой настрой команды.
В результате постоянных улучшений в последующие дни и ночи, путем тщательной доработки и настройки каждой части, им удалось улучшить производительность, чтобы соответствовать и превосходить производительность конкурента в течение месяца.
«Это сотая 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 охлаждающим шлангам, даже 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.
В продуктах конкурентов пользователю сложно заменить низкотемпературные датчики, а удаление 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 изменить ситуацию к лучшему. Об этом подумали, когда все были на мозговом штурме. Пользователь был очень доволен инструментом Probe Lifter».
А различий больше. JEOL RESONANCE всегда превосходно контролировал температуру образца, а датчик UltraCOOL обеспечивает точный контроль в диапазоне от -40 ℃ до +150 ℃, несмотря на то, что это криогенный датчик. Это очень полезная особенность, 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.
Продукт нашего конкурента охлаждается жидким азотом, модель JEOL Resonance охлаждается холодильным чиллером. Это явно намного безопаснее, чем обращение с криогенными жидкостями, выкипание которых может снизить локальный уровень кислорода.
«Для модели с охлаждением жидким азотом резервуар для подачи жидкого азота необходимо заправлять еженедельно, в то время 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 и не думали. Вполне возможно, что при медицинском осмотре в медицинском центре будет проведена комплексная проверка метаболитов в моче и крови с помощью ЯМР, и риск заболевания может быть снижен».
Задача Асакуры и других продолжается и сегодня.
Кацуо Асакура
Помощник менеджера по маркетингу решений (в то время)