九州大学＆京都大学⾼核偏極化のための⾼性能な⾊素分⼦の開発に成功入試情報

九州大学と京都⼤学理学研究科と理化学研究所開拓研究本部及び仁科加速器科学研究センターは応⽤上重要なガラス材料中での triplet-DNP において過去最⾼値となる約14,000 倍の NMR の感度向上を達成したと発表した。今回の研究がMRI 癌診断などの応用に繋がる可能性がある。

　核磁気共鳴分光法 (NMR)*1 や磁気共鳴イメージング (MRI)*2 は⾮破壊・⾮侵襲な分光法であり、現代の化学や医療分野では⽋かすことのできない技術だ。⼀⽅で、NMR や MRI は感度が低く、特にMRI ではその観測対象が体内に多量に存在する⽔分⼦に限られ、応⽤範囲の拡⼤を妨げている。そのため、NMR や MRI を⾼感度化する⼿法として、⾊素分⼦の光励起三重項電⼦スピンを⽤いた動的核偏極法 (triplet-DNP)*3 が注⽬されている。

　今回、九州⼤学⼤学院⼯学研究院の坂本啓太⼤学院⽣、濱地智之⼤学院⽣、楊井伸浩准教授、京都⼤学理学研究科の御代川克輝⼤学院⽣、倉重佑輝准教授、理化学研究所開拓研究本部及び仁科加速器科学研究センターの⽴⽯健⼀郎研究員、上坂友洋主任研究員の研究グループは、応⽤上重要なガラス材料中での triplet-DNP において過去最⾼値となる約14,000 倍の NMR の感度向上を達成した。

　これまで NMR の感度を実⽤レベルまで向上させるには単結晶を⽤いて偏極源となる⾊素分⼦の配向を揃える必要があったが、単結晶材料には観測対象のプローブ分⼦をドープできないためNMR や MRI への応⽤は困難だった。本研究では有機⾊素分⼦の電⼦構造に着⽬した分⼦開発により、ガラス材料中においてランダム配向であっても実⽤レベルの NMR 増感が得られることを初めて実証した。また量⼦化学計算による理論解析を⾏うことで、理想的な⾊素分⼦の設計指針を構築することにも成功した。

　今回の成果により、これまで実⽤化に向け⼤きな障壁となっていたプローブ分⼦への偏極移⾏を⾼効率で⾏うことができるようになるため、MRI 癌診断などへの応⽤に繋がると期待される。

【用語解説】

(※1) 核磁気共鳴分光法 (NMR)

核スピンは磁場中でゼーマン効果により磁場に対して同じ⽅向と逆向きの⽅向に分かれ、異なる2 つのエネルギー状態（α、β）をとる。2 つのエネルギー状態間に共鳴するラジオ波を照射することで NMR 信号が得られる。このエネルギー差は分⼦の置かれている周辺環境によって異なることから、NMR によって分⼦の構造やダイナミクスを解析することができる。

(※2) 磁気共鳴イメージング (MRI)

MRI は NMR の原理を⽤いて⽣体内部の画像化を⾏う⽅法で、医療診断に使⽤される⾮侵襲的なイメージング技術の⼀つ。

(※3) 光励起三重項電⼦を利⽤した triplet-DNP

Triplet-DNP のスキーム。偏極源の光励起によって⽣成する励起三重項電⼦の偏極を核スピンに移すことで、超核偏極状態を⽣成する。

※本記事の内容は掲載日時点の情報です。詳しい情報は大学公式HPから確認してください。

■参考ページ

https://www.kyushu-u.ac.jp/ja/researches/view/996/

https://www.kyoto-u.ac.jp/ja/research-news/2023-10-27

■九州大学

https://www.kyushu-u.ac.jp/ja/

■京都大学

https://www.kyoto-u.ac.jp/ja