2015 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 |
平成27年度はカンチレバーを用いた磁気共鳴測定の高感度化を行った。大きな進展として、試料空間に磁場勾配を発生させるための磁気チップをフェライトからジスプロシウムに変更することでカンチレバー上の試料にはたらく磁場勾配力を増強することに成功した。その結果、信号検出感度が2桁程度改善した。その結果、ピエゾ抵抗検出方式ならびにFabry-Perot干渉計検出方式のいずれにおいても磁化検出による高感度、高周波ESR測定が可能になった。実際に測定試料として金属タンパク質のモデル物質である金属フタロシアニン錯体の高周波ESR測定を行った。その結果、銅ポルフィリン錯体では過去の結果とよい一致を示すESR信号がg=2.1付近に観測された。また、鉄ポルフィリンについても鉄イオンに特有のESR信号がg=6付近に観測された。多周波数ESR測定から得られた周波数-磁場ダイアグラムはゼロ磁場分裂を考慮に入れたスピンハミルトニアンモデルから導かれる結果とよい一致を示した。
また、後進行波管（BWO）とカンチレバーによる高周波ESR測定を組み合わせることで、測定可能な周波数-磁場領域の拡大を行った。その結果、1.1 THzに至る広い周波数領域でCo Tutton塩のESR信号検出を成功した。この結果は従来の最高記録であった370 GHzを3倍更新するものであり、機械的検出によるESR測定としては世界最高周波数に当たる。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
3: Progress in research has been slightly delayed.
Reason
動的核偏極測定に向けミリ波光学系、信号検出系、RF測定系、ステージ駆動系などの技術開発が大きく進展した。実際に構築した測定系を用いて実際にNMR測定を行ったが、以下のような予期しない問題が生じたため、現在、改善に向けた改良を行っている。そのため、平成27年度中に予定していたNMR信号の検出まで至らなかった。
NMR測定では信号強度が微弱であるため、従来のカンチレバーに比べより小さいバネ定数のカンチレバーが必要になる。申請者の研究室ではカンチレバーを自作できる開発環境を有しており、実際に厚さが2ミクロンの自作カンチレバーを用いたESR信号検出に成功した。ところが、バネ定数を小さくするためにカンチレバーの厚さを300 nmまで薄くするとカンチレバーに反りが生じてしまい、光ファイバーとFabry-Perot干渉計を構築する際に平行度が悪く測定に支障が生じることが分かった。原因究明の結果、この問題はリリースと呼ばれるプロセスで起こっていることが判明した。すでにプロセスの改良を行っている段階であり、平成28年度前半には測定用に極薄カンチレバーを供給できる予定である。
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| Strategy for Future Research Activity |
平成28年度前半はカンチレバーの作製プロセス改善により反りのない極薄カンチレバーの作製を可能にする。具体的には、リリース時の乾燥時に問題が生じていると考えられるため、ホットプレートを用いた高速乾燥法またはt-ブチルアルコールにより凍結乾燥法を行う。後者では一旦液体中に沈めたカンチレバーを凍結させたのち、真空中で昇華させることで観測プロセスにかかわる問題点を回避するものである。プロセス上の問題点を解決することでNMR信号検出に十分な感度を持ったカンチレバーの作製を可能にする。
また、カンチレバーを用いたNMR測定では測定対象として有機分子やCaF2を用いて信号検出を行う。核種が異なると磁気回転比が異なることから、核種の同定が可能になる。最初は検出が容易なCW発振モードで測定を行う。DNP測定ではパルスシーケンスが必要になることから、そのための検出テストも行う。NMR信号の検出に成功したら、ミリ波逓倍器とPINスイッチを組み合わせて構築したミリ波光学系を測定クライオスタットにセット粗、DNP検出を行う。測定では、ミリ波を試料に照射しスピン系を強励起したのち、ミリ波をオフしNMR検出を行う。ミリ波逓倍器では発振周波数の微調節が可能あるため、信号増強比が最適になる周波数を決定する。
また、平成27年度に作製したピエゾ駆動3軸ステージと組み合わせることで、空間分解測定に着手する。このステージは非常に小さいサイズながらも最小ステップ100 nm、移動距離2mmの移動が可能となっている。微弱なNMR信号をDNPにより増幅し空間イメージング測定を可能にする。
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| Causes of Carryover |
動的核偏極に必要なミリ波光学系の部品についてはNMR信号の検出結果を見極めた上で購入することを考えていたが、カンチレバーの問題から平成27年度はNMR信号の検出にまでは至らなかった。そのため、予算の一部については平成28年度の測定結果を見極めた上で購入するのが望ましいと考え、次年度予算に繰り越した。
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| Expenditure Plan for Carryover Budget |
平成28年度は最終年度であり、当初目標としていたDNP信号検出が望まれる。そのため、平成27年度に導入したミリ波逓倍増幅器と組み合わせて使用するミリ波部品を追加で購入する。これらのミリ波部品はDNP測定とESR測定の切り替えを簡便に行うためのものである。
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