ナノ空間を用いたゲスト分子の超核偏極とその応用

2021 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 21F50330
• Allocation Type: Single-year Grants
• Research Institution: Kyushu University
• Principal Investigator: 楊井 伸浩 九州大学, 工学研究院, 准教授 (90649740)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): SINGH BALJEET 九州大学, 工学(系)研究科(研究院), 外国人特別研究員
• Project Period (FY): 2021-11-18 – 2024-03-31
• Keywords: 動的核偏極 / NMR / 光励起三重項 / ナノ多孔体

Outline of Annual Research Achievements

核磁気共鳴分光法(nuclear magnetic resonance, NMR)や磁気共鳴画像化法(magnetic resonance imagingm, MRI)は分子構造解析や診断に用いられ、現代の科学や医療において必須の技術である。しかし、これらの技術は極めて感度が低いという課題を抱えていた。その原因は核スピンの偏極率が低いことにあり、電子スピンのより高い偏極率を用いて核スピンの偏極率を高める方法を動的核偏極(dynamic nuclear polarization, DNP)という。従来のラジカルを用いたDNPでは1 K程度の極低温条件が必要であるが、励起三重項を用いたDNP（triplet-DNP）は室温付近でも機能するという特徴がある。
本研究の目的は、triplet-DNPをナノ多孔性材料中にて実現し、その核偏極をゲスト分子に移行することで、これまで困難であった室温での高感度NMR・MRI測定を可能にすることである。ナノ多孔性材料として、ナノ細孔を有するシリカを用いた。偏極源色素としては高い偏極率を示すことが報告されているポルフィリン誘導体を用いた。
高度に偏極を生成するためにはシリカ表面に色素を凝集させることなく分散させる必要がある。そこで本年度はシリカ表面構造の制御により色素分子を分散させる手法を開発することを目指した。シリカ表面の構造を化学修飾にへり変換し、ポルフィリン誘導体を物理吸着及び化学吸着により導入を行った。ポルフィリン色素の分散状態は吸収スペクトルにより評価を行い、シリカ表面上においても溶液中と同様の位置に吸収スペクトルのピークを観測したことから、シリカ表面上に凝集させることなくポルフィリン色素を分散できていることを確認した。

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

本年度は用いる多孔性材料と色素材料のスクリーニング、および多孔性材料の表面構造制御により、多孔性シリカの表面上に偏極源であるポルフィリン色素を凝集させることなく分散させることに成功した。これは本研究の目的であるナノポーラス材料中でのtriplet-DNPの達成に向け重要なステップであり、目的達成に向けておおむね順調に研究が進展していると判断できる。

Strategy for Future Research Activity

これまでに達成した多孔性シリカへの色素分散手法を基に、シリカ以外のアルミナなどの多孔性材料上にも色素分子を分散することを検討する。得られた複合材料のプロトンのスピン格子緩和時間を測定し、triplet-DNPにおけるポテンシャルを検討する。スピン格子緩和時間が短い場合は追加の表面処理によりtriplet-DNPに用いるだけに十分なスピン格子緩和時間を得る手法を開発する。