超偏極キセノンNMRの頑強化と持続可能化および新素材開発基盤技術としての新展開

2022 Fiscal Year Research-status Report

• Project/Area Number: 21K18980
• Research Institution: Osaka University
• Principal Investigator: 木村 敦臣 大阪大学, 大学院医学系研究科, 准教授 (70303972)
• Project Period (FY): 2021-07-09 – 2024-03-31
• Keywords: 超偏極キセノンNMR / 超偏極キセノン生成装置の改良 / 高分子自由体積

Outline of Annual Research Achievements

医療用のMRI(磁気共鳴画像法)や化学分析用のNMR(核磁気共鳴分光法)の基本となるMR(磁気共鳴)の研究は誕生以来77年を経過したが、今や健康で科学的に進んだ国民生活の基盤を支えるまでに発展した。この分野では、現在でも基礎技術の発展が探求されさらなる発展の途上にある。その１つが超偏極技術の展開である。本研究では超偏極技術の１つである超偏極キセノン法を取り上げる。この方法によりキセノン（Xe）ガスのMR感度を顕著に増強でき、キセノンMRI（NMR）の実用的な発展の基盤を形成できる。
著者らは独自の研究により、MR感度を数万倍にまで増強できる「連続供給型超偏極キセノン生成装置」の開発に成功し、医療用としてマウスを使った病態診断法の研究や、化学分析用としてゼオライト等の多孔質微粒子を用いたナノ素材解析法の研究に応用してきた。その中で、当該法の有用性を確認すると共に、本法の利用分野がもっと大きな広がりを見せるはずとの考えから、本研究において新規応用分野の開拓に取り組むこととした。本研究の目的は、具体的には、超偏極キセノン生成装置の長時間使用に伴う性能劣化を徹底的に防止し「装置の頑強化」を計り、Xeガス消費量を劇的に削減し資源節約による「持続可能化」を完成させ（SDGｓへの貢献）、その上で、この装置の特徴を生かして化学分析・素材解析における画期的な新展開の途を拓き、汎用化と普及の基盤を構築することである。より具体的には、高分子の自由体積あるいは自由体積分率の評価法として簡便な適用方法を構築し、新素材開発ツールとしての超偏極キセノン法の汎用の途を探る。

Current Status of Research Progress

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

Reason

令和4年度は、超偏極キセノン生成装置の改良では、偏極セル内のガス流路に沿った長軸方向に温度分布を与える実験の検討を行った。昨年度行ったセル窓の曇り防止対策によりセルの長寿命化に成功したが、セル減衰定数の改良には、セル上部の空冷では不十分であり、空冷以下の冷却の必要性が認められた。
高分子自由体積の定量的評価法開発のため、Dual Mode Sorption Modelによる解析を進めるべく、ポリウレタンやポリスチレンのような単純な高分子について、129Xe NMRの圧力依存性を調べた。ポリウレタンについては、超偏極Xeを用いた実験で、200 kPaから5kPaまでの圧力変化を行い、214ppmピークは低圧でも1024回の積算（待ち時間2～3秒）で観察可能であった。129Xe NMRの圧力依存性は、化学シフトでは2～3ppm以下と非常に小さく、また、信号強度は圧力に直線的となった（18点測定）。この小さな化学シフト変化と直線的な信号強度変化は、我々の従来のゼオライトに関する同様の圧力依存性測定(Anal. Sci., 2021, 37,1803)とは大きな違いであった。同様の傾向は、熱平衡Xeを使ったポリスチレンについての実験でも確認された。これらの測定では、ピークの広がりを避ける意味で50～70℃での測定を行っていたが、温度上昇による親和性定数bの低下が原因であることが分かった。即ち、室温(25℃)での測定で飽和型の圧力依存曲線が観察出来た。高分子内細孔（自由体積空間）でのXeのLangmuir型吸着のエンタルピー変化が小さいため、温度上昇による吸着効果の減衰が顕著に表れたと理解できる。
Dual Mode Sorption Modelによる信号強度の圧力依存性の解析は、ポリスチレンの熱平衡Xeデータについて予備的な計算を実施した（下記「今後の研究の推進方策」参照）。

Strategy for Future Research Activity

上記「現在までの進捗状況」記載のように、高分子自由体積へのNMRの適用結果、特に化学シフトに大きな圧力依存性が見られないことは、信号強度の解析の重要性を指摘している。超偏極Xeの信号強度の精確な測定が必要となるが、我々の連続供給型の偏極装置はこの点では優位である。但し、折に触れ、参照信号の採用や熱平衡Xeとの比較など、強度データの信頼性確認・向上は必要と考える。Dual Mode Sorption Modelによる信号強度の圧力依存性の解析は、基本式は、Xeのゼオライト等への吸着等温線の解析に適用するLangmuir式に圧力比例項を追加した形である（下式）。
I(p)= SXeC(p)= SXekDp+SXeCH’bp/(1+bp)
ここで、I(p)はNMR強度、pは圧力、SXeはNMR強度のXe濃度比例係数、また、kD、CH’及びbはDual Mode Sorption Model式のパラメーターである。
現状の予備解析では、ポリスチレンについて、CH’は文献値の半分程度、bは文献値と同程度の値が得られている。なお、kD（圧力比例項）については、測定圧力が数気圧以下の低圧であり、省略できることが確かめられた。今後は、高分子内の自由体積に細孔分布を考慮するとか、室温以下の低温での圧力依存性の測定などの検討を加え、解析結果の信頼度向上を計る。同時に、自由体積分率FFVの導出方法の検討も行う。
超偏極Xeを用いた場合は、熱平衡Xeに比べ測定時間は早いが、高分子表面からの浸透に時間を要する問題があり、フィルムを使った実験等により、より効率的な実験系を設定する。超偏極装置の性能向上については、マシンタイムの許す範囲で、偏極セルの温度分布の改良実験を行う。生体材料開発への応用に関しては、上記実験の経過を踏まえて、絹フィブロインのフィルムを作製し自由体積と自由体積分率導出の実験を行う。

Causes of Carryover

初年度に超偏極キセノン製造に必要な狭帯域レーザーを購入したが、当初予算よりも低価格で購入することができた。このため次年度および次々年度に使用額が生じた。この使用額については、NMRを維持するための寒剤（液化窒素、液化ヘリウム）価格が上がった分に充当する予定である。