專利名稱：用于nmr譜的微型化檢測線圈架的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種用于NMR譜的微型化檢測線圈架，該線圈架包含一種多宏孔的載體材料，所述多宏孔的載體材料對置地具有一個第一表面和一個第二表面，其中在至少一個表面區域中分散布置多個離散的500納米至100微米直徑的孔，這些孔從第一表面經過載體材料延伸到第二表面，其中在所述多宏孔的載體材料中嵌入一個高頻微線圈。此外，本發明還涉及根據本發明的檢測線圈架的制造方法以及在用于對液相中化學化合物進行NMR譜分析的NMR總分析系統中的應用。
背景技術：
核共振譜，也稱NMR譜(核磁共振)，是一種研究分子結構的最重要和最具有說服力的方法。這種研究主要利用凝聚態相進行，也就是說，在液體或者固體中進行。這種方法相對其它方法的優勢在于，還可以在多成分的系統中獲得關于分子結構的信息，而無需事先了解組成成分。化學化合物的結構研究往往還采用結合的方法，這就是說這些方法中首先把一個多成分系統分離成單個的成分，然后單獨分析各個成分。這種集成系統的例子是氣相色譜-質譜分析(GC-MS)，用之還在毫微克的范圍內檢測和分析物質。然而通過質譜分析只能夠得到關于化學化合物結構的有限信息。此外，該方法的缺點是，上述研究會破壞樣品，這對于特別有價值的樣品或者只有極少量的樣品恰好是成問題的。相反，NMR譜分析沒有這種缺點，因為NMR譜研究并不損壞樣品。這樣，迫切需要一種把分離系統(譬如毛細電泳或者液相色譜)與NMR譜結合在一個集成系統中的分析方法。
然而NMR方法所固有的不靈敏性使其作為極小樣品的液相分析的探測方法的適用性受到限制。從而用市售的NMR譜儀只能夠常規地研究毫克量的物質，其中采用了5毫米直徑溶液容量500微升的樣品管。相反毫克量范圍的量只能夠通過非常耗時的測量并且用縮小的樣品管(1mm)或者說溶液容積(1微升)進行研究。然而更小的樣品體積卻難于實現，這給毛細電泳或者液相色譜結合使用造成障礙。但是在化學合成和生物技術方面需要對高吞吐量的樣品進行高效分析，從而迫切需要這種方法。
低靈敏度的問題卻可以通過在NMR測量裝置中使用微型化的檢測線圈得到解決。相對于常規線圈，通過較小的線圈可以大大提高靈敏度。在判斷測量靈敏度時，一個決定性的量是信噪比(S/N)。它與樣品體積Vp成正比并且與高頻場強B1成正比。此外S/N還與檢測線圈電阻R的平方根成反比。因為R與線圈半徑rs成正比，于是有S/N～VP·B1/rS1/2因此可以通過縮小的線圈直徑使信噪比最大化。然而為了在縮小的線圈半徑時獲得滿意的信號，必須盡可能使線圈內徑與樣品量良好的匹配。
在DE 199 27 976 A1中，針對液相分析應用說明了一種利用NMR檢測技術的總分析系統，其中有一個高頻微線圈。然而在DE 199 27976 A1所述裝置的應用中，樣品量與NMR檢測線圈尺寸大小的不相匹配，限制了NMR譜測量的靈敏度。
發明內容
因此，本發明的任務是提出一種NMR測量裝置，所述測量裝置使得能夠測量較少的樣品量，特別是可以測量低于1微升的樣品，同時卻能夠達到滿意的信噪比。
該任務通過在獨立權利要求表征的實施方式解決。
尤其提出一種用于NMR譜的微型化檢測線圈架，它包含一種多宏孔的載體材料，所述多宏孔的載體材料對置地具有一個第一表面和一個第二表面，在至少一個表面區域中分散布置多個離散的500納米至100微米直徑的孔，這些孔從第一表面經過載體材料延伸到第二表面，其中在所述多宏孔的載體材料中嵌入一個高頻微線圈。
根據本發明，通過在一個宏孔襯底中嵌入一個微型化NMR檢測線圈，或者說通過宏孔襯底引導一個微型化NMR檢測線圈，通過它同時還引導被分析物，提高NMR譜測量的靈敏度。根據本發明，所述的多宏孔載體材料或襯底起線圈基體的作用，并且同時起被分析物載體的作用。由此實現樣品量與NMR檢測線圈尺寸大小的接近于理想的匹配。
在本發明的范疇內，所述孔可以是經過載體材料從第一表面延伸到第二表面的孔，也就是通孔。當然也包括布置在載體材料中，特別是在沒有線圈繞組的區域中的，一端封閉的孔，也就是沉孔。
根據本發明的多宏孔載體材料在材料選擇方面沒有限制，只要孔的孔徑在500納米至100微米，最好為2至20微米即可。由此得出孔深對孔口徑的縱橫比大于10∶1，最好大于20∶1，更加優選地大于40∶1。多宏孔載體材料的厚度一般為100至5000微米，最好為200至600微米。孔心至孔心的間距，也就是說兩個彼此相鄰的或者說鄰接孔的間距一般地為1至100微米，最好為3至50微米。孔密度一般地在104至108/cm2的范圍內。
特別地根據本發明采用的多宏孔載體材料基于塑料、玻璃、Al2O3或硅。優選地在本發明的范疇內采用多宏孔硅作載體材料。
在此優選地采用的多宏孔硅可以進行摻雜，優選地進行n摻雜，也可以不進行摻雜。這樣一種多宏孔硅例如可以按照在EP-A1-0 296348中說明的方法制造。開孔或者說孔優選地用電化學途徑進行，其中在一個含液態酸的電解液中施加一個恒定的電位或者按時間變化的電位進行電化學腐蝕，其中由硅組成的層或者襯底連接電解池的正電極。制造這樣的孔例如可以譬如如V.Lehmann，J.Electrochem.Soc.140，1993，2836頁中說明地那樣達到。然而，在本發明的范疇內還可以用其它的半導體襯底，例如GaAs襯底，或者用Si3N4襯底覆層的玻璃襯底作為宏孔襯底。
在此所述宏孔例如可以設計成基本是上圓的、橢圓的或者基本上是正方形的。
如果用多宏孔硅作多宏孔載體材料，本發明的微型化檢測線圈架具有一個由SiO2或者Si3N4制造的絕緣層，所述絕緣層基本上敷設在多宏孔硅的整個表面上。如果上述根據本發明的襯底的絕緣層用SiO2形成，其厚度在10至100納米。
最好，所述微型化檢測線圈架的孔密度在線圈的場區域中加大。在此情況下孔密度可以是1010/cm3。
通過在根據本發明采用的多宏孔載體材料中嵌入線圈架得出直徑小于500微米×500微米的一種NMR-高頻線圈。最小的線圈繞組間距由孔間距或者說節(Pitch)距界定。
在此“線圈”或者說“檢測線圈架”是指一種產生磁場(B1)的高頻共振器，所述磁場B1與主磁場(B0)正交。一般所述線圈被設計成螺旋管線圈。
所述線圈可以用任意的優化線圈導電性能的材料形成，例如，銀、金或者銅。在本發明的一個優選的實施方式中，嵌入在多宏孔載體材料中的線圈的線圈材料基于銅。
本發明的另一個主題涉及根據本發明的微型化檢測線圈架的制造方法，所述方法包含步驟(i)制備一種上述的多孔載體材料，(ii)在一定的情況下敷設一個絕緣層，(iii)沉積一個導電的基礎金屬化層(“籽層”)，(iv)借助于雙面光刻結構化導電的基礎金屬化層(“籽層”)，并且(v)電鍍一種用于形成NMR線圈的導電材料，由此電鍍的導電材料形成一個嵌入在多宏孔載體材料中的線圈。
優選地本發明包含以下步驟(i)以多宏孔硅為基礎制備一種上述的多孔載體材料，(ii)敷設一個選自SiO2或者Si3N4的絕緣層，(iii)沉積一個導電的基礎金屬化層(“籽層”)，(iv)借助于雙面光刻對導電的基礎金屬化層(“籽層”)進行結構化，并且(v)電鍍銅，其中該電鍍的銅形成一個嵌入在多宏孔載體材料中的線圈。
例如借助于濺射技術或者CVD方法在多宏孔載體材料的整個表面上實施步驟(ii)中的敷設絕緣層，就是說包含整個多孔表面。該層另外起防止線圈繞組間短路的作用。接著在該絕緣層上極平整地沉積一層導電的基礎金屬化物(“籽層”)。接著利用雙面光刻，也就是說在正面和反面，按照所希望的線圈構型對該導電基礎金屬化層進行結構化，所述基礎金屬化層則起在隨后的步驟(v)中進行電鍍的對應的起始層的作用。這種用于對導電層結構化的光刻方法是本領域普通技術人員完全公知的技術。接著通過使載體材料接通，例如電地把一個硅晶片沉積(鍍)例如銅。該沉積選擇性地只在其上有導電基礎金屬化物(“籽層”)的位置或者說區域上進行。沉積這樣一種導電基礎金屬化物(“籽層”)可以借助于物理蒸鍍或者化學沉積(CVD)進行。導電的基礎金屬化物(“籽層”)的材料不受特定的限制。從而，例如，可以在ECD(電銅沉積)時采用蒸鍍的，例如200納米厚的銅層作“籽層”。
作為可供選擇的方案，根據本發明的方法可以包含以下步驟(i)以多宏孔硅為基礎制備一種上述的多孔載體材料，(ii)敷設一個選自SiO2或者Si3N4的絕緣層，(iii)沉積一個導電的前體層，(iv)借助于雙面光刻對所述前體層進行結構化，并且(v)借助于無電流金屬化或者說無電流鍍法敷設一種適于形成一個NMR線圈的導電材料，其中敷設的導電材料形成一個線圈。
在根據本發明的方法的步驟(v)中，此前被結構化的前體層的位置或者說區域上進行含水電解質中的適于形成一個NMR線圈的導電材料的無電流或者說化學金屬化(“化學鍍electroless-plating”)。可以用在根據本發明的方法的步驟(v)中的電解質成分原則上是表面處理技術、腐蝕處理技術或者電鍍制造技術領域內公知的。從而在本發明方法的范疇內，可以把金屬，譬如特別是鎳、銅、鉑、銀和金以及其合金，最好是銅，從水溶液，也就是說從金屬鹽中無電流地沉積出。這種電解質成分在本領域內是公知的，并且例如適用于防銹，或者在紋理復雜的、不平坦的表面上產生導電性，因為這樣的表面出于方法或者成本的關系不適于在真空中進行金屬化。如果在金屬鹽或者說含水的、含金屬離子電解質的金屬陽離子與此前被結構化的前體層之間出現一個化學勢差，從而氧化此前被結構化前體層的非貴重金屬，同時還原電解質的金屬陽離子，并且沉積在此前被結構化的前體層上。對于前體層的材料沒有特定的限制，然而優選地從由Pd和Pd-Sn膠體組成的組中選取，也就是說用鈀或者Pd-Sn膠體團簇的籽層。
根據本發明提供一種在一個宏孔襯底中的微型化銅線圈。在一個對應的NMR測量方法的范疇內被分析物直接位于線圈繞組附近，由此可以提高信噪比。在一個鈍化層布置中，例如通過濺射或者低溫CVD用SiO2或者Si3N4制造的鈍化層的安排下，可以進一步地保護線圈不受被分析物的化學影響(防止金屬條受腐蝕)。這樣的一種鈍化層也可以是聚合物基的，例如是聚對苯二甲基的。
根據本發明的微型化檢測線圈架優選地用在液相樣品的NMR譜分析中。
通常的NMR測量裝置還包含永磁體和分析電子電路。其結構對于本領域普通技術人員而言是公知的。例如可以采用大約1特拉斯的磁通量的NdFeB永磁體。由于通過根據本發明的微型化檢測線圈架使得能夠分析很小的樣品量，可以輕易地滿足對靜態磁場的均勻化要求。對于很小的樣品體積，被分析物處在線圈的中間是有利的。由于宏孔襯底中的毛細作用力把液體吸入到孔的中間。這種效應可以通過局部敷設疏水層或者親水層支持。
被分析物一般包含適當的溶劑以及包含于其中的一種或者多種有待研究的化學化合物。在引入根據本發明的微型化檢測線圈架中之前，可以借助于色譜法例如液相色譜(例如HPLC)或者借助于毛細電泳把待研究的、含有多種成分的樣品分離成單一的成分，并且先后引入到根據本發明的微型化檢測線圈中。然后可以在NMR測量裝置中相互分開地利用NMR譜檢測研究這些成分。液流可以連續地、然而也可以分階段地流經根據本發明的微型化檢測線圈架。分階段的液流指的是，每次只把一定體積的被分析物引入到根據本發明的微型化檢測線圈架中，通過NMR測量研究這種被分析物，并且接著用另一個樣品加以替代。
在附圖中圖1示出一個根據本發明的微型化檢測線圈架10的正面(圖1a和背面(圖1b)以及橫截面(圖1c)，所述檢測線圈架10由多宏孔載體材料20和嵌入其中的微型線圈組成，所述微型線圈帶有線圈繞組30以及焊接區40。在襯底中有宏孔50。此外，在橫截面圖中還示出在孔中的被分析物60。
圖2示出液相NMR譜分析部件中的根據本發明的微型化檢測線圈架10。其中根據本發明的微型化檢測線圈架10鑲嵌在一個帶有液體密封70的殼體中，并且設有被分析物的輸入管線和輸出管線。此外還示出填充金屬的孔的形式的線圈30的一個部分以及在孔中的被分析物60。
圖3示出在NMR測量裝置的一個永磁體90的磁場(Bstat)中的檢測線圈架10，以及所述永磁體的極靴。
附圖標記列表10 微型化檢測線圈架20 多宏孔的載體材料30 線圈繞組40 焊接區50 宏孔60 被分析物70 帶有液體密封的殼80 被分析物的輸入管線和輸出管線90 永磁體
權利要求
1.用于NMR譜的微型化檢測線圈架，該線圈架包含一種多宏孔的載體材料，所述多宏孔的載體材料對置地具有一個第一表面和一個第二表面，其中在至少一個表面區域中分散布置多個離散的500納米至100微米直徑的孔，這些孔從第一表面經過載體材料延伸到第二表面，其中在所述多宏孔的載體材料中嵌入一個高頻微線圈。
2.根據權利要求1所述的微型檢測線圈架，其中所述載體材料是多宏孔硅。
3.根據權利要求2所述的微型檢測線圈架，一種由SiO2或者Si3N4制造的絕緣層敷設在多宏孔硅的整個表面上。
4.根據權利要求1至3之一所述的微型檢測線圈架，其中，所述的宏孔直徑在2微米至20微米的范圍內。
5.根據權利要求1至3之一所述的微型檢測線圈架，其中在線圈的場區域內增大孔密度。
6.根據權利要求1至5之一所述的微型檢測線圈架，其中線圈材料是銅。
7.根據權利要求1至6之一所述的微型化檢測線圈架的制造方法，該方法包含以下步驟(i)制備一種上述的多孔載體材料，(ii)在一定的情況下敷設一個絕緣層，(iii)沉積一個導電的基礎金屬化層(“籽層”)，(iv)利用雙面光刻對導電的基礎金屬化層(“籽層”)進行結構化，并且(v)電鍍一個適用于形成一種NMR線圈的導電材料，由此電鍍的導電材料形成一個嵌入在多宏孔載體材料中的線圈。
8.根據權利要求7所述的方法，該方法包含以下步驟(i)以多宏孔硅為基礎制備一種上述定義的多孔載體材料，(ii)敷設一個選自SiO2或者Si3N4的絕緣層，(iii)沉積一個導電的基礎金屬化層(“籽層”)，(iv)利用雙面光刻對導電的基礎金屬化層(“籽層”)進行結構化，并且(v)電鍍銅，其中該電鍍的銅形成一個嵌入在多宏孔載體材料中的線圈。
9.根據權利要求1至6之一所述的微型化檢測線圈架的制造方法，該方法包含以下步驟(i)以多宏孔硅為基礎制備一種上述定義的多孔載體材料，(ii)敷設一個選自SiO2或者Si3N4的絕緣層，(iii)沉積一個前體層，(iv)利用雙面光刻對所述前體層進行結構化，并且(v)利用無電流金屬化或者說化學鍍敷設一種適于形成NMR線圈的導電材料，其中所敷設的導電材料形成一個線圈。
10.根據權利要求1至6之一所述的微型化檢測線圈架在液相樣品的NMR譜分析中的應用。
全文摘要
本發明涉及NMR譜的微型化檢測線圈架，該線圈架包含一種多宏孔的載體材料，所述多宏孔的載體材料對置地具有一個第一表面和一個第二表面，其中在至少一個表面區域中分散布置多個離散的500納米至100微米直徑的孔，所述孔從第一表面經過載體材料延伸到第二表面上，其中在所述多宏孔的載體材料中嵌入一個高頻微線圈。此外，本發明還涉及根據本發明的檢測線圈架的制造方法以及其在用于對液相中化學化合物進行NMR譜分析的NMR總分析系統中的應用。
文檔編號G01R33/341GK1825135SQ20061000958
公開日2006年8月30日 申請日期2006年2月24日 優先權日2005年2月25日
發明者A·馬丁 申請人:因芬尼昂技術股份公司
專業數控銑床產品供應商
20年生產經驗，實力工廠，精工品質，質量有保障
