2014 Fiscal Year Annual Research Report
動的核偏極磁気共鳴力顕微鏡(DNP-MRFM)の開発
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26287081
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| Research Institution | Kobe University |
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Principal Investigator |
大道 英二 神戸大学, 理学(系)研究科(研究院), 准教授 (00323634)
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| Project Period (FY) |
2014-04-01 – 2017-03-31
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| Keywords | 電子スピン共鳴 / 磁気共鳴 / カンチレバー / DNP |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究の目的は、カンチレバーを用いた動的核偏極装置の開発である。そのためにはカンチレバーを用いて核磁気共鳴（NMR）測定法と電子スピン共鳴（ESR）測定を組み合わせる必要がある。我々の研究グループでは近年、カンチレバーを用いた新しい高周波ESR測定法の開発を行ってきたが、動的核偏極測定を実現するには更なる装置の高感度化が必要である。
我々の測定系では磁気共鳴に伴うカンチレバーの微小変位を検出する方法として波長可変レーザーを用いたFabry-Perot干渉計方式を採用している。この方式ではFabry-Perotキャビティの共振器長を最適化する必要があるが、本研究では波長可変レーザーを用いているため可動部分がなく、装置を非常に小型化かつ低ドリフト化することが可能である。本年度は測定装置の高感度化を進め、最終的な測定対象として考えている生体タンパク質の高周波ESR信号検出を目指した。
本研究では、具体的には、ミオグロビンと呼ばれる生体金属タンパク質を取り上げた。このタンパク質は筋肉中の酸素貯蔵に関する働きを担っており、Feイオンが活性中心として機能することが知られている。ミオグロビンは分子量が約17000と非常に大きいため、スピン濃度が薄く、通常の高周波ESR測定法では信号検出が難しい。本研究では100ミクロン程度の大きさしかないカンチレバーへの試料搭載方法などの検討を重ね、初めて100 ng程度の微量凍結試料について80-105 GHzの領域でのESR信号検出に成功した。この測定ではスピン感度としては10＾5 spins/Gという値を得ることに成功したが、この値は市販のXバンドESR装置の10000倍の感度に当たる。このような微量試料の高周波ESR測定の例はこれまでに報告がなく、今後、動的核偏極装置の作製にとって極めて重要な成果であるといえる。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
3: Progress in research has been slightly delayed.
Reason
本研究の目的は、カンチレバーを用いた動的核偏極装置の開発である。そのためにはカンチレバーを用いて核磁気共鳴（NMR）測定法と電子スピン共鳴（ESR）測定を組み合わせる必要があり、ミリ波光学系とRF信号系の両方を構築する必要がある。しかし、これまでのカンチレバーを用いた磁気共鳴測定ではXバンド帯のESR測定単独かNMR測定単独に限られており、両者を組み合わせた例は見当たらない。
試料の磁化成分を制御してエコー信号を検出するため、ミリ波光学系、RF光学系ともにパルスシーケンスを用いる必要がある。ミリ波光学系として10 GHz領域の出力を増幅逓倍器によりWバンド帯まで逓倍して用いることを計画した。ところが、実際に増幅逓倍器を発注したところ、先方の技術的な理由により製造不可という回答があり、本年度の納入ができなかった。このため、パルスESR測定の開発は先送りせざるを得ないという結果になった。
そのため、本年度は高周波ESR測定装置の更なる高感度化と、生体タンパク質試料への応用を中心に開発を行った。本年度測定を行ったミオグロビン試料ではFeイオンが活性中心となっており、その電子状態を詳細に調べるためには高周波ESR測定が極めて有効なことが知られている。本研究ではカンチレバーを用いた微量溶液試料のESR信号検出を目指した。微量の溶液試料では瞬く間に蒸発してしまうため、グリセリンを添加することでこの問題を回避した。カンチレバー上に100 ng程度の微量試料を載せて4.2 Kで測定を行ったところ、再現性のあるESR信号の観測に成功した。スピン感度は10＾5 spins/Gという値を得ることができたが、この値は我々の装置の従来の検出感度を3桁更新するものであり、予想を上回るペースでの装置開発が進んだと考えている。
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| Strategy for Future Research Activity |
本年度はカンチレバーを用いたNMR測定系の構築を主に行う。本研究ではカンチレバー直近に微小なRFコイルを設置し、核スピン系を励起する。カンチレバー上の試料は非常に小さいため、1 W程度のRF出力で十分核スピン系を飽和させることが可能である。この目的のため本年度はRF発振器、パルスジェネレータ、パワー増幅器、ミキサなどのRF高周波部品と組み合わせてNMR測定系を構築する。
カンチレバーを用いたNMR測定では、磁場勾配を用いて磁気共鳴に伴う縦磁化成分の変化を検出している。そのため、試料内部には磁場勾配が必然的に存在する。そのため、これまでのCW測定法では磁場不均一に伴う吸収線幅の増大が避けられない。これは磁性体試料のように強い交換相互作用ですでに線幅が増大している場合には問題となりにくいが、生体試料や孤立スピン系ではスペクトル分解能が大幅に低下してしまう。そこで本課題ではスピンエコーによるNMR信号検出を行うことで磁場勾配の影響を排除する。
具体的にはRFコイルを用いてカンチレバー上の試料にπ/2パルス、πパルスを続けて加えたのち、さらに磁化のz成分（縦磁化成分Mz）を検出するために、再びπ/2パルスを加える。このようなシーケンスにより、試料のMz成分をカンチレバーの振幅変化として検出することが可能になる。Mz成分の検出にはinterrupted cyclic adiabatic inversionと呼ばれるプローブシーケンスを用いる。パルス間隔を変えた測定を行い、nutation信号を得たのち、フーリエ変換することでNMRスペクトルを取得する。
本年度は信号検出手法の確立を目指し、まずはNMR測定用標準試料の測定を行う。緩和時間測定、温度依存性などの測定を行い、従来法との比較からカンチレバーを用いたNMR測定法の感度評価を行う。
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| Causes of Carryover |
計画時に導入を予定していた高額備品（ミリ波逓倍増幅器）が発注後、業者都合によりキャンセルとなったため。
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| Expenditure Plan for Carryover Budget |
次年度使用額は本年度予算と合わせて、再びミリ波増幅逓倍器の購入に充当する計画である。
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Research Products
(3 results)
