CMOS-Based Multiplexed NMR Acquisition toward High-Throughput Spectroscopy

化学分析は、しばしば時間との戦いのように感じられます。特に、科学者が何百、何千もの異なるサンプルの組成を理解する必要がある場合です。この仕事において最も強力なツールのひとつが核磁気共鳴（NMR）であり、これは強力な磁場と電波を用いて分子の精密な構造を明らかにする技術です。これはサンプルを破壊しない穏やかな手法であり、研究者が原子がどのように配置され、どのように相互作用しているかを正確に把握することを可能にします。しかし、この技術を用いる従来の方法は時間がかかります。標準的な装置は一度に一つのサンプルを見るように設計されており、複数のサンプルを見ることができる場合でも、それらすべてを同時に受信するために必要な機器は、かさばり、高価で、ケーブルが絡まり合った複雑なものになります。このボトルネックが、科学者が新薬のスクリーニングを行ったり、複雑な生物学的混合物を研究したりする速度を制限しており、データの質を犠牲にすることなくプロセスを加速させる方法への切実なニーズを生み出しています。

ドイツのカールスルーエ工科大学の研究チームは、並列検出に必要な複雑な電子回路を小さなコンピュータチップへと縮小することで、この問題を解決する新しいアプローチを開発しました。彼らの研究は、複数の無線信号を干渉させることなく単一のワイヤーに同時に流すことができる「マルチプレクシング（多重化）」と呼ばれる手法に焦点を当てています。このアイデアをテストするために、彼らは標準的なシリコン製造技術を用いて、わずか3ミリメートル×4ミリメートルのカスタムチップを製作しました。この小さなデバイスは電波の交通整理役として機能し、4つの異なるサンプル検出器からの信号を取り込み、コンピュータでの分析用に単一のストリームへと統合します。このようにすることで、4つの個別のレシーバーポートや、通常それらをコンピュータに接続する重いケーブルの束を排除し、ハードウェアの複雑さとコストを4分の1に削減しました。

研究チームは、このシステムが現実世界の条件下で対応できるかどうかを確認するために、2つの異なるシナリオでテストを行いました。最初の実験では、それぞれ異なる液体サンプルが入った4つの独立した検出器を含む特殊なプローブを使用しました。2つの検出器は水素原子を聞き取るように調整され、残りの2つはフッ素原子を聞き取るように調整されました。彼らはこのプローブを強力な磁石の中に設置し、サンプルをシステムに通しました。彼らの新しいチップがなければ、マシンはデータをコンピュータに送るために4本の個別のケーブルを必要としたはずです。代わりに、チップはこれら4つの信号を1本のケーブルに統合しました。結果は極めて良好でした。コンピュータは信号を再び分離し、4つのサンプルすべての明瞭なスペクトルを同時に生成することができました。一部のチャンネルで信号の鮮明さが約8％から32％ほどわずかに低下しましたが、研究者たちは、単に測定を繰り返して結果を平均化することで、品質を回復できることを見出しました。32回のスキャンを平均化したところ、信号の質は5倍以上の係数で向上し、このプロセスにおいて期待される理論的限界にほぼ達しました。

設計の柔軟性をさらに証明するため、チームは、単一のサンプルを保持しているものの、水素と炭素という異なる種類の原子に調整された2つのコイルを含む、異なるプローブを用いた第2の実験を行いました。このセットアップにより、チップが異なる元素からの信号を同時に処理できるかどうかをテストすることができました。彼らは少し小さめの磁石の中で実験を行い、再び2つの信号を1本のケーブルにまとめました。結果は、チップが非常に異なる周波数で振動する異なる原子核からの信号を、正常に管理できることを裏付けました。信号の質は高く維持され、水素信号の鮮明さはわずかな低下にとどまり、炭素信号の低下はほとんど感知できないレベルでした。16回のスキャンを平均することで、彼らは再び信号強度をほぼ完全に回復させ、システムが長期実験に対して十分に安定していることを示しました。

この新しい手法の最も大きな利点の一つは、時間の節約です。従来のセットアップでは、もし科学者が4つの異なるサンプルに対して32回の測定を行いたい場合、マシンが1つのサンプルの測定を終え、次に次のサンプル、というように、そのプロセスを4回繰り返して待たなければなりません。マルチプレクス・システムを使用すれば、これら32サイクルの間に4つのサンプルすべてが同時に測定されます。これは、実験に必要な総時間が4分の1に短縮されることを意味し、創薬のようなハイスループットな作業において極めて大きな利点となります。研究者たちはまた、信号が静止状態に戻るまでの時間を測定するために使用されるような複雑なパルスシーケンスを、安定性を失うことなく処理できることも実証しました。さらに、ソフトウェアを使用して微細なチャンネル間の干渉をクリーンアップし、あるサンプルのデータが別のサンプルのデータに混入しないようにすることもできることを示しました。

この研究の成功は、核磁気共鳴分光法の未来が、より狭いスペースに詰め込まれた、より高密度な検出器アレイへと向かう可能性を示唆しています。このチップは非常に小さく、多くの機能を統合しているため、サンプルに非常に近づけて配置することができ、電気が長いワイヤーを通る際に通常発生する信号の損失を低減できます。研究者たちは、現在のチップは標準的な製造プロセスで作られているものの、将来のバージョンはさらに小さな特徴量で作ることができ、これにより、単一のデバイスにより多くのチャンネルを詰め込むことが可能になると指摘しています。これは、最終的には一度に数十のサンプルを分析できる分光計へとつながり、大規模な化学的スクリーニングへの科学者たちのアプローチを変えることになるでしょう。この研究は、かさばるマルチケーブル・システムの伝統的な制限を回避することが可能であることを裏付けており、より速く、より効率的で、より手頃な価格の化学分析への実用的な道筋を提示しています。