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高比表面積な有機結晶材料が実現する水の室温超核偏極

研究課題

研究課題/領域番号 23KJ1715
研究種目

特別研究員奨励費

配分区分基金
応募区分国内
審査区分 小区分32020:機能物性化学関連
研究機関九州大学

研究代表者

松本 尚士  九州大学, 工学府, 特別研究員(DC1)

研究期間 (年度) 2023-04-25 – 2026-03-31
研究課題ステータス 交付 (2023年度)
配分額 *注記
4,200千円 (直接経費: 4,200千円)
2025年度: 1,400千円 (直接経費: 1,400千円)
2024年度: 1,400千円 (直接経費: 1,400千円)
2023年度: 1,400千円 (直接経費: 1,400千円)
キーワード動的核偏極 / NMR / 光励起三重項 / 多孔質モノリス / エネルギー移動 / アップコンバージョン
研究開始時の研究の概要

Triplet-DNPは室温、低磁場といった温和な条件でNMRやMRIの検出感度を飛躍的に向上することができる技術である。一方で、triplet-DNPは固体中でしか駆動しないため、水をはじめとした液体分子の超核偏極は難しく、これまでに得られた増感倍率もごくわずかであった。本研究では、室温で水分子の増感倍率を更に高め、超偏極水を永続的に分光器へ供給することで永続的にタンパク質をはじめとした目的分子のNMR感度向上を実現できるシステムの開発を目指す。

研究実績の概要

本研究の目的は、光励起三重項電子を用いた動的核偏極 (triplet-DNP) による室温での水の超核偏極を通じて、超偏極水を連続的に NMR 分光器へ供給することでタンパク質をはじめとした微小試料の連続的な NMR 高感度化システムを実現することである。これまでに有機ナノ結晶を用いて水の超核偏極に成功した一方で、材料の収率や水の NMR 増感倍率の向上が課題とされていた。そこで、バルクで作製可能かつ比表面積の大きな材料として多孔質モノリスに着目した。シリカモノリスを鋳型としてその構造を有機結晶に転写することにより、p-ターフェニル結晶モノリスの作製を行った。得られた結晶モノリスについて、結晶表面における核スピン偏極移行を志向してドナー分子からの三重項エネルギー移動を調査したところ、モノリス表面にて効率よくエネルギー移行が起こることがわかった。加えて、モノリスからアップコンバージョン発光が観測され、結晶モノリスの光機能性材料としての可能性を見出した。
また、界面における偏極移行に関する更なる知見を得るためシリカナノ粒子に担持させたラジカルと溶液中の光励起三重項電子スピン間における偏極移行について調査したところ、固体表面での分子の運動性が偏極移行に大きな影響を及ぼすことが明らかとなった。
これらの知見を踏まえて今後偏極源を導入した結晶モノリスに対して効率よく水への偏極移行が起こるように分子修飾を施し、triplet-DNPによる水のNMR信号の増感倍率が改善されるか検討する予定である。

現在までの達成度 (区分)
現在までの達成度 (区分)

2: おおむね順調に進展している

理由

鋳型であるシリカモノリスに対してp-ターフェニルの融液を導入し、p-ターフェニル結晶モノリスの作製を行った。加えて、結晶モノリスの構造がシリカモノリスの構造に応じて制御できることを見出し、結晶モノリス作製及びその構造制御方法の確立に至った。得られた結晶モノリスはその表面においてドナー分子からのエネルギー移動が効率よく起こることから、比較的高い比表面積を有することが確認された。これは有機結晶から水への偏極移行が有効に起こる可能性を示唆する結果である。更に、ラジカルと光励起三重項分子間の偏極移行において分子の運動性が関係していることを見出し、水への偏極移行の高効率化のための結晶モノリス表面の分子修飾における新たな知見を得た。以上のことから、水のNMR増感倍率の向上に向けておおむね順調に研究が進展していると評価した。

今後の研究の推進方策

最適化した結晶モノリスの表面に分子修飾を施し、水への偏極移行効率の向上を図る。偏極移行には水分子の運動性が重要であるとの知見を得たことから、様々な分子を表面に修飾することで水分子との相互作用を変化させ運動性を制御し、偏極移行効率との相関を確認する。加えて、ブリッジマン法を用いて偏極源を導入した単結晶モノリスを作製を試みる。偏極源の磁場に対する配向を揃えることで結晶自体の NMR 増感倍率を向上させ、水に受け渡すことのできる核スピン偏極の最大化を検討する。

報告書

(1件)
  • 2023 実施状況報告書
  • 研究成果

    (3件)

すべて 2024 2023

すべて 雑誌論文 (1件) (うち査読あり 1件) 学会発表 (1件) 産業財産権 (1件)

  • [雑誌論文] Generation and Transfer of Triplet Electron Spin Polarization at the Solid-Liquid Interface2023

    • 著者名/発表者名
      Reiya Yabuki, Koki Nishimura, Tomoyuki Hamachi, Naoto Matsumoto, and Nobuhiro Yanai
    • 雑誌名

      The Journal of Physical Chemistry Letters

      巻: 14 号: 20 ページ: 4754-4759

    • DOI

      10.1021/acs.jpclett.3c00627

    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
    • 査読あり
  • [学会発表] 界面を通じたエネルギー移動を志向した多孔質有機結晶モノリスの開発2023

    • 著者名/発表者名
      松本 尚士、森里 恵、金森 主祥、中西 和樹、楊井 伸浩
    • 学会等名
      2023年光化学討論会
    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
  • [産業財産権] フォトン・アップコンバージョン多孔質体およびその製造方法、光照射方法、光照射流路2024

    • 発明者名
      楊井伸浩、松本尚士、中川さくら、宇治雅記、中西和樹ほか
    • 権利者名
      楊井伸浩、松本尚士、中川さくら、宇治雅記、中西和樹ほか
    • 産業財産権種類
      特許
    • 出願年月日
      2024
    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書

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公開日: 2023-04-26   更新日: 2024-12-25  

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