Первый в мире коммерческий ЯМР-спектрометр выпущен компанией Varian в 1952 г. За это время сделан значительный прогресс в усовершенствовании оборудования для ЯМР-спектроскопии и эти разработки неразрывно связаны с именем этой компании. Спустя более полувека, в 2005 г., Varian, используя более чем полувековой опыт в этой области, предлагает новую концепцию устройства ЯМР-спектрометра, ныне известную как ЯМР-система (NMR system). Отныне все спектрометры Varian создаются на основе данного конструкторского решения, и, как утверждает производитель, обеспечивают значительный запас конкурентоспособности на рынке этой техники. На чём же основаны эти утверждения?

Итак, в устройстве новой системе воплощена идея, так называемого, прямого привода (Direct Drive). Блок-схема спектрометра такой архитектуры показана на Рис. 1.

Рис. 1. Архитектура современного спектрометра Varian (детали в тексте).

Обращает на себя модульное строение. Все блоки являются интеллигентными, т.е. программируются и управляются платой контроллера, и связаны в одну локальную Ethernet-сеть. Схема контроллера радиочастотного канала приведена на Рис. 2.

Рис. 2. Схема платы контроллера радиочастотного канала.

Плата снабжена процессором PowerPC (IBM 405GPr, рабочая частота 333 МГц, 64 Мб RAM) и программируемой вентильной матрицей (FPGA) (один миллион ворот с математическим сопроцессором). Её использование позволяет устранить скрытые задержки при программировании импульсных последовательностей. Временное разрешение при программировании импульсных последовательностей составляете 12.5 нсек. При этом минимальная длительность задержки, которая необходима для задания амплитуды, фазы, или частотной модуляции радиочастотного импульса составит 50 нсек. Большой объём памяти предоставляет неограниченные возможности для придания нужной формы радиочастотным импульсам.

Каждый радиочастотный канал осуществляет связь с базовым компьютером по коммутатору Ethernet, используя стандартные коммуникационные протоколы сетевых технологий. Это гарантирует надёжность такого взаимодействия. Каждый контроллер и трансмиттер синхронизованы одним опорным генератором тактовых импульсов на частоте 80 МГц. Главный контроллер, также синхронизованный с таким же тактовым генератором, стартует все параллельные каналы, обеспечивая их полную синхронность. Наличие математического сопроцессора в контроллере радиочастотных каналов позволяет использовать расчёты задержек непосредственно в процессе генерирования спин-лок-импульсов. Это упрощает программирование сложных импульсных последовательностей, делая его в тоже время более понятным и доступным. Более точным становится также задание фазы радиочастотных импульсов. Разрешение при этом составляет 0.044о (360о/8192).

Модульный дизайн и архитектура DirectDrive предусматривают простоту наращивания функциональных возможностей (масштабируемость) за счёт увеличения количества радиочастотных каналов (всего до 5 каналов). По каждому из каналов может осуществляться модуляция радиочастотных импульсов любой сложности (будь то подавление растворителя на нескольких частотах или селективное декаплирование) при их полной синхронизации. Это достигается за счёт непосредственной коммутации и абсолютной синхронизации каждого контроллера канала с соответствующим фазовращателем и линейным амплитудным модулятором.

Канал для генерации импульсов градиентов магнитного поля также полностью синхронизован с радиочастотными каналами по схеме DirectDrive. Исполнение градиентных импульсов и их точные временные рамки, могут быть точно определены в импульсной последовательности совместно с радиочастотными импульсами. В частности, одновременно можно генерировать градиентные импульсы по всем трём осям. Градиентный канал также оснащен таким же контроллером, как и радиочастотные каналы (Рис. 2). Это обеспечивает широкие возможности для придания градиентным импульсам формы. Использующееся для этого временное разрешение составляет 12.5 нсек. Контроль амплитуды может осуществляться ступенчато (±32768 линейных шагов). Минимальная длительность градиентного импульса составляет 12.4 мксек. Усилители градиентных импульсов являются линейными малошумящими усилителями постоянного тока с компенсацией нагрузки, что обеспечивает высокую стабильность и воспроизводимость импульсов.

Дейтериевый лок является самонастраивающимся. В этом канале используется квадратурная детекция с одновременным сбором данных во время захвата лока. Коррекция поля является непрерывной, поэтому компенсируются как краткосрочные флуктуации магнитного поля, возникающие из-за возмущений, вносимых фоном, так и долговременный дрейф магнитного поля. Работа локового канала совместима с функционированием канала градиентных импульсов и дейтериевым декаплированием. Так же, как и радиочастотные каналы, локовый канал снабжён контроллером с процессором PowerPC и программируемой вентильной матрицей (FPGA) Xilinx Virtex II. Особого рассмотрения заслуживает приёмный канал, получивший аббревиатуру DDR (Direct Digital Receiver, непосредственно цифровой приёмник). В нём используется быстрый аналого-цифровой преобразователь (ADC) с частотой оцифровки 80 МГц. Такие микросхемы появились сравнительно недавно и были использованы в системах магниторезонансной томографии. В таких системах их использовали все основные производители такого оборудование. Но именно Varian применила их в ЯМР- спектрометрах высокого разрешения. Оцифровка ЯМР-сигнала осуществляется на этапе снижения его частоты до IF (промежуточной частоты) в 20 МГц (Рис. 3). В этом случае необходимость в квадратурном детектировании с присущими ему артефактами отпадает.

Рис. 3. Схема работы DDR-приёмника для спектрометра с частотой 600 МГц.

Приёмник также оснащён контроллером, как и другие каналы (Рис. 2), синхронизованным с опорным генератором тактовых импульсов на частоте 80 МГц. Эффективное разрешение цифрового преобразователя составляет 14 бит. Это эквивалентно 20-битному ADC при типичной ширине спектрального захвата для жидкостного ЯМР в 10 кГц. Помимо использования сверхвысокой частоты сбора данных, в плате используются уникальные алгоритмы цифровой фильтрации, работающие в режиме реального времени и запатентованные Varian. Это позволяет работать с шириной спектрального захвата до 5 МГц. Все эти факторы обеспечивают высокую чувствительность и широкий динамический диапазон, а вмести с ними и высокое качество ЯМР-спектров. Наиболее востребованы эти характеристики при изучении разбавленных водных растворов белков и других метаболитов. При этом сохраняется компактность платы за счёт высокой интегрированности на ней микросхем (Рис. 4). Этой же особенностью обладают и другие вышеупомянутые платы (не показаны).

Рис. 4. Плата DDR-приёмника. Для представления о размере показан стандартный CD- диск.

Влияние использования DDR-приёмника может быть проиллюстрировано рядом примеров. На рис. 5 сравниваются спектры, накопленные на обычном приборе с использованием квадратурного детектирования и с помощью DDR-приёмника. Видно отсутствие артефактов, типичных для квадратурного детектирования).

Рис. 5. Спектры, накопленные с одного скана, с помощью обычного 16-битного ADC с оверсамплингом (oversampling) (слева) и DDR-приёмника (справа). Отсутствие квадратурных артефактов (quad. images) и спайка на нулевой частоте (center spike) указано стрелками.

Интересной особенностью DDR является независимость отношения сигнал/шум в спектрах от используемого коэффициента усиления приёмника. Это указывает на то, что шум, вносимый оцифровывателем является пренебрежимо малым (Рис. 6).

Рис. 6. ³¹Р-ЯМР спектры, накопленные при разных коэффициентах усиления DDR- приёмника (указаны слева).

Обращает на себя внимание и высокий динамический диапазон, обеспечиваемый DDR-приёмником. Это иллюстрируется на Рис. 7, где показан спектр, накопленный на 700 МГц с 16-ти сканов и содержащий пики веществ, мольные соотношения между которым составляют 10000:100:10:1. Видно, что ошибки интегралов пиков, соответствующих этим веществам составляют менее 5%.

Рис. 7. Динамический диапазон DDR-приёмника.

И, наконец, особенности цифровой фильтрации, используемой в DDR-приёмнике. Искажения первых точек сигнала спада свободной индукции не происходит. При этом базовая линия становится более плоской, чем в случае аналоговых цифровых фильтров, использующихся повсеместно. Коррекции базовой линии в этом случае не требуется. Двумерные спектры, иллюстрирующие эту особенность работы DDR-приёмника, показаны на Рис. 8.

Рис. 8. Двумерный срез NOESY спектра, без 13С и 15N-направлений, водного раствора белка (5% D2O), накопленного с использованием традиционного аналогового фильтра (слева) или фильтра Varian (справа).

Дополнительные преимущества даёт DDR-приёмник с цифровой фильтрацией Varian при необходимости вырезать участок спектра. В этом случае в спектре практически отсутствуют отражённые сигналы (Рис. 9).

Рис. 9. Полный спектр (вверху) и его фрагмент с шириной 2 кГц, записанный с использованием DDR-приёмника. Растянутый по вертикали спектр (в середине) демонстрирует отсутствие отражённых в спектре пиков.

Архитектура DirectDrive обеспечивает полную независимость DDR-приёмника от радиочастотных каналов. В то же время все каналы вместе полностью синхронизованы. Это значительно упрощает реализацию импульсных последовательностей, требующих чередование радиочастотных импульсов с периодами сбора данных (гомоядерное декаплирование, CRAMPS, декаплирование методом WURST и др.).

И в заключение отметим, что ключевым свойством ЯМР-системы Varian является удобство в ремонте и обслуживании. Все платы, будь то из радиочастотного или градиентного каналов, содержат идентичные блоки контроллера. Их можно конфигурировать, перебрасывая с канала на канал, и легко тестировать. Кроме того, функциональность плат обеспечивается их прошивкой. Так что апгрейды можно осуществлять на уровне замены программного обеспечения, а не на уровне «железа».