硬くて柔らかいナノ多孔性材料が実現する室温核偏極

　化学分野や医療現場で活躍している核磁気共鳴（NMR）分光法^*1や磁気共鳴画像法（MRI)^*2は、物質が持つ原子の微小な磁石の性質（核スピン）を利用し、そこから放出・吸収される電磁波を観測することで、私達の体を画像化したり生体分子の構造を調べたりしています。しかし、これらの方法は感度が非常に低く、MRIでは人体に膨大に存在する水分子の検出に限られていることもあり、がんや代謝に関わるさまざまな分子を画像化することはこれまで困難でした。
　今回、九州大学大学院工学研究院（楊井伸浩准教授、君塚信夫教授）、同大学大学院工学府博士課程の藤原才也大学院生と理化学研究所開拓研究本部・仁科加速器科学研究センター（立石健一郎研究員、上坂友洋主任研究員・室長）の研究グループは、硬さ（結晶性）と柔らかさ（構造変化）を併せ持つユニークなナノ多孔性材料に着目し、これに取り込んだ分子を用いることで、NMRやMRIの感度を室温で数十倍にも向上できる技術を見出しました。
　NMRやMRIで感度を向上するには、観測したい分子が持つ多数の核スピンの方向を同じ方向に揃え、「核偏極」と呼ばれる核スピンの向きの偏りを大きくする必要があります^*3。そのためには、人工的に作り出した大きな核偏極を観測したい分子へ移す過程がありますが、分子の動きを固体のように止める必要があるため、従来は極低温（－150℃以下）で行っていました。研究グループは、ナノ多孔性材料の細孔構造が観測したい分子に対して柔軟にフィットする性質に着目し、ナノ多孔性材料を介して、室温で観測したい分子に大きな核偏極を効率よく移すことに初めて成功しました。
　今回実証された柔軟な多孔性結晶の応用は、材料化学の分野で培われた細孔構造制御と組み合わせることで、今後さまざまな分子の高感度核磁気共鳴観測を可能にする量子技術に繋がると期待されます。
　本研究成果は、2021年12月22日（水）にドイツの国際学術誌「Angewandte Chemie International Edition」にオンライン掲載されました。また、本研究は、JSTさきがけ「量子技術を適用した生命科学基盤の創出」（JPMJPR18GB）、日本学術振興会科学研究費（JP19J21421, JP20H02713, JP20K21211, JP20H05676, JP21J13049）、積水化学 自然に学ぶものづくり研究助成プログラム、理研－九大科学技術ハブ共同研究プログラム、理化学研究所独創的研究課題「動的構造生物学」からの支援により行われました。

*１) 核磁気共鳴（Nuclear Magnetic Resonance, NMR）分光法
¹H核や¹⁹F核スピンの集合を静磁場下に置くと、磁場の方向に対して平行、反平行の向きをとる2つの状態に分かれます（図3）。このとき、2つの状態間のエネルギー差に対応する周波数のラジオ波を照射すると、核スピンがラジオ波を吸収し、スピンの向きが反転する核磁気共鳴（NMR）現象が現れます。NMR分光法はこのとき吸収されるラジオ波の周波数が核を取り巻く化学的環境に応じて変化することを利用して物質の構造や運動性を原子レベルで解析する分析法です。

¹H核スピンの静磁場下あり/なしにおける配向の変化と共鳴

*２) 磁気共鳴画像法（Magnetic Resonance Imaging, MRI）
　ラジオ波と共鳴してそのエネルギーを吸収した核スピンは、再び元の状態に緩和するまでの時間が核スピンを取り巻く環境によって異なります。このことを利用し、その緩和にかかる時間の違いを画像化する手法です。人体を非侵襲的に検査できる有力な手法の一つとして医療現場で応用されています。

*３) 核スピンの向きの偏りとNMR/MRI感度
　NMR/MRIでは核スピンがその向きを反転させる際の信号を取得するため、対象とする物質や分子を構成する核スピンの向きの偏り（核偏極）が大きいほど測定感度は向上します。

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研究に関するお問い合わせ先

工学研究院　楊井　伸浩　准教授