フラーレン誘導体が光誘起超核偏極に有用であることを発見

-高感度化MRIへの応用に必要な実用化レベルの高偏極率を達成-

先導物質化学研究所
濱地 智之 助教 

ポイント

・単結晶の配向制御を必要とせず、アモルファス材料中でも高い核スピン偏極を実現。トリプレット動的核偏極(DNP)による核磁気共鳴(NMR)の高感度化に新たな道を開いた。
・フラーレンへの化学修飾により擬回転を抑えることで、電子スピン偏極の緩和の課題を克服した。
・今後は生体適合的なマトリクス材料と組み合わせることで、高感度化MRIを用いたがん診断への応用が期待される。

概要

東京大学大学院理学系研究科の坂本啓太大学院生、濱地智之大学院生(現 九州大学先導物質化学研究所 助教)、楊井伸浩教授らの研究グループは、京都大学大学院理学研究科の御代川克輝博士課程学生、倉重佑輝准教授、京都大学大学院工学研究科の今堀博教授、理化学研究所開拓研究所および仁科加速器科学研究センターの立石健一郎研究員、上坂友洋主任研究員・兼部長、神戸大学分子フォトサイエンス研究センターの小堀康博教授らと共同で、トリプレットDNP(注1)の新規偏極源分子としてフラーレン誘導体(注2)の開発を行うことで、高効率なトリプレットDNPを実現しました。

光励起三重項電子(注3)の高いスピン偏極率を利用したトリプレットDNPは、低磁場、室温でも駆動するため、簡便で低コストな超核偏極法(注4)として注目されています。本研究では、新規偏極源としてフラーレンの電子構造に着目し、化学修飾することで電子スピン偏極の緩和を抑制することに成功しました。これまで一般的に偏極源として用いられてきたペンタセンと比較して、フラーレン誘導体を用いることで約21倍のトリプレットDNP効率の向上を実現しました。また、応用に重要なアモルファス材料(注5)中において、初めて実用化レベルとされる10%以上の偏極率を達成したことから、今後の高感度化MRIへの実用化が期待されます。

用語解説

(注1)トリプレットDNP
偏極源の光励起(Photoexcitation)により生成する三重項電子スピンは、複数のスピンが一つの準位に大きく偏った高いスピン偏極(Polarized triplet electrons)を持っています。このスピン偏極をマイクロ波(Microwave)照射と磁場掃引(MF sweep)によって核スピンへ移す(Polarization transfer)ことで、超核偏極状態(Hyperpolarized nuclear spins)を作り出します。

(注2)フラーレン誘導体
フラーレンは、炭素原子(C)だけでできたサッカーボールのような中空構造を持つ分子で、高い電子受容性(電子を引き付ける能力)を有することが知られています。フラーレンに化学基(置換基)を修飾することで溶解性や電子特性をチューニングすることができるため、特に有機太陽電池や有機エレクトロニクス分野においてさまざまな置換基を修飾したフラーレン誘導体は電子輸送・受容材料として幅広く研究されています。

(注3)光励起三重項電子
光を吸収した分子の中で、電子のスピンがそろった特殊な励起状態の電子。光励起直後の三重項電子は熱平衡状態にある電子スピンより大きな偏極を持つため、スピン偏極の源となります。

(注4)超核偏極法
核スピンはスピン偏極率が低いため通常のNMRやMRIでは感度が低くなります。超核偏極法は、電子スピンの高いスピン偏極を核スピンに移すことで、核スピンのスピン偏極率を高めNMRやMRIの感度を上げる手法です。

(注5)アモルファス材料
原子や分子が規則正しく並んでいない“非晶質”の物質。ガラスなどが代表例で、方向によらず均一な性質を持ちます。

詳細

本件の詳細についてはこちら

お問い合わせ先

先導物質化学研究所 濱地智之 助教

ヒト遺伝子の“型”を網羅 データベース「JoGo」一般公開

APRU SDG Education for Global Citizenship Program 2025に本学学生が参加!

関連記事

  1. 「電気自動車の国際動向と カーボンニュートラルに…

    エネルギー研究教育機構教授 吉田 謙太郎九州大学アジア・オセアニ…

  2. 難治性⼩細胞肺がんの新たなる治療法を発⾒

    〜難治性がんの根底に秘められた悪性化メカニズムを解明〜ポイント…

  3. マイクロ空間内に均一な原子層を形成させる新技術

    ~ 狭窄空間内への新たな原子層堆積手法の開発 ~ ポイント・き…

  4. 【10/16開催】第161回アジア・オセアニア研…

    山内 美穂 教授(先導物質化学研究所 分子集積化学部門)九州大学アジ…

  5. 細胞分化で遺伝子が正確に働くための新たな仕組みを…

    —がん研究や幹細胞研究、再生医療など広い分野での貢献に期待—ポイント…

  6. 「九大水素プロジェクト:脱炭素社会実現を目指して…

    工学研究院/水素エネルギー国際研究センター教授/センター長 佐々木 一成…

  7. 世界初!4次元トモグラフィ、プラズマの特異な挙動…

    —核融合炉実現の要である乱流プラズマの理解に期待— 自然界には、太陽…

  8. 九州大学医師会 市民公開講座(ほっとくと怖い肝臓…

    ~「ほっとくと怖い肝臓病」「身近な脳神経内科~頭痛・しびれ・認知症」~ …