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平成27年7月1日

物質・材料研究機構(NIMS)
理化学研究所(理研)
株式会社神戸製鋼所(神戸製鋼)
日本電子株式会社(JEOL)
科学技術振興機構(JST)

世界最高磁場のNMR装置(1020MHz)の開発に成功

〜高温超伝導体の応用が決め手 新薬創製・新物質開発の高速化にむけて大きな前進〜

世界最高磁場:1020MHz(24.0テスラ) 2015年4月17日時点

今回開発した1020MHz−NMR装置のうち超伝導磁石の部分。高さ約5m、重さ約15トン。この中に高温超伝導体で作られたコイルが入っています。液体ヘリウムを使って冷却しています。

国立研究開発法人 物質・材料研究機構、国立研究開発法人 理化学研究所、株式会社神戸製鋼所および株式会社JEOL RESONANCE(日本電子株式会社の連結子会社)からなる研究チームは、国立研究開発法人 科学技術振興機構 先端計測分析技術・機器開発プログラム「超1GHz−NMRシステムの開発」の一環として、1020MHzという世界で最も強い磁場を発生できる超高磁場NMR(核磁気共鳴)装置注1)の開発に成功しました。また、この装置を使って実際に測定を行い、従来のNMRに比べて感度と分解能が著しく向上していることを確認しました。

NMR装置はタンパク質などの生体高分子の立体構造解析、有機化学や材料研究など幅広い分野で使用されています。特に新薬創製のためには欠かすことのできない装置の一つです。新薬の開発にはより速く正確にタンパク質の構造を決定することが重要であり、このためにはNMR装置の性能向上が必要不可欠です。そのような中、NMR装置においては磁場強度が重要な指標の一つとなっており、磁場1000MHzを超える熾烈な開発競争が行われてきました。かねてから、高温超伝導技術を用いれば1000MHzを超えられると考えられていましたが、高温超伝導体は割れやすく加工しにくいなど様々な課題があり世界的にも長期間実現には至っていませんでした。

本研究チームは、1988年にNIMSで開発された高温超伝導体を線材化するなど複数の新技術の開発を経て、このたびNMR装置として世界最高磁場となる1020MHzを達成しました。構想から20年。東日本大震災で被った完成直前の損壊による開発中断、世界的なヘリウム供給危機、さらにはチームリーダーの急死など、度重なる苦難を乗り越えた末、建設開始後8年を経て今回の目標達成に至りました。

超高磁場NMRは、構造生物学、分析化学、材料工学などの諸分野に大きく貢献することが期待されます。また、NMRは磁場発生装置の中では最も精密な性能が要求される装置であり、NMR開発で培われた高温超伝導技術は、MRI(核磁気共鳴画像法)、核融合、リニアモーターカー、超伝導送電線などさまざまな先端機器に応用可能です。

本研究成果の一部は、2015年5月15日にJournal of Magnetic Resonance誌に掲載されたほか、NMR分野最大の国際会議(Experimental Nuclear Magnetic Resonance Conference、4月19−24日米国で開催)や「第57回固体NMR・材料フォーラム(2015年5月21日開催)」において発表されました。

<研究の背景>

NMRは物質の分子構造、原子の結合状態や運動状態などを調べることができる分析装置です。今までに普及しているNMRの代表的応用例は、医薬品や食品における分析業務やタンパク質などの有機化合物の研究開発です。現状のNMRは感度と分解能の点でまだ不十分であり、大きな改善の余地を残しています。NMRの感度と分解能が向上すれば、従来は分析困難だった複雑な構造を持つ生体物質や、無機物を含む各種材料などが詳細に分析できるようになり、優れた医薬品や革新的材料の開発につながります。NMRの感度と分解能は磁場が高ければ高いほど向上するので、磁石の性能を上げて磁場を強くすることは、感度と分解能の両方を一度に改善させることができる最も有力な方法です。

従来のNMR磁石注2)は金属系超伝導体で作った線材を多層コイル構造に巻いて作られています。現在実用化されている金属系超伝導体は2種類あり、ニオブチタン(NbTi)という合金系の超伝導体と、ニオブ3スズ(NbSn)という化合物系の超伝導体です。これらの金属系超伝導体は到達できる最高磁場に技術的な限界があり、900MHzを超えたあたりから限界領域に入ってきて、1000MHzが上限であると考えられています。実際、NIMSと神戸製鋼が開発した920MHz(2001年)と930MHz(2004年)およびドイツが開発した1000MHz(2009年)などが金属系超伝導体の限界領域に到達した開発例です。

この1000MHzという磁場限界を超えるには、金属系超伝導体に代えて、セラミックスの一種である高温超伝導体を用いることが唯一の解決方法であることが当初から分かっていました。高温超伝導体を用いれば1500MHzも不可能ではないと考えられていますが、セラミックであるため割れやすい性質があり、また線材のつなぎ目が超伝導となる超伝導接続注3)の技術がなく永久電流注4)による運転が不可能であることなど、高温超伝導体に特有の様々な技術的困難があります。そのため高温超伝導体発見(1986年)から20年以上が経っても、NMR磁石への応用は世界中で誰も実現できずにいました。

<研究内容と成果>

本研究チームは、割れやすい高温超伝導体を用いたNMR磁石を実現するために、厚み約5mmで総延長約3kmの高温超伝導線材を、直径約10cm、長さ約1mのコイル状に巻く特殊な巻線技術を開発しました。このコイルは永久電流による運転ができないため、常に電源から電流を流し続ける必要がありますが、NMRは磁場の変動があると測定できないので特別に安定度の高い電源と磁場安定化装置を開発しました。また、NMRは磁場が空間的に不均一だと測定できないため、高温超伝導磁石が作りだす不均一な磁場を補正して均一にする必要がありました。そこで、鉄片を使った磁場補正装置を新たに開発しました。これらの様々な新規技術と装置を開発した結果、世界で初めて高温超伝導体を用いたNMR磁石の開発に成功しました。そして、その磁石を用いた装置で、世界最高磁場となる1020MHzの磁場の発生およびNMR測定に成功しました。実際にたんぱく質と無機物を測定したデータから、1020MHz−NMR装置は従来装置よりも性能が向上していることが確認できました(図1図2)。

今回用いた高温超伝導線材は、ビスマス(Bi)系超伝導体の一種であるBi2223と呼ばれる超伝導線です。Bi系超伝導体はNIMSの(故)前田 弘氏(1936−2014)が世界に先駆けて1988年に開発した高温超伝導体の一種です。その後、様々な改良が繰り返され、電流密度はこの20年間で10倍以上向上してきました。今日では住友電気工業株式会社が製品化に成功しています。今まで高温超伝導体は広く普及するには至っていませんでしたが、今回の成功によりNMRの高磁場化に応用できる道が切り拓かれたことになります。

<今後の展開>

今後、高磁場NMRは、従来のようなタンパク質や有機化学の枠にとらわれず、無機物も含む材料科学全般への展開など新しい役割が期待されており、日米欧が開発競争をしています(図3)。すでに欧州では1200MHz−NMRの開発プロジェクトが始動しているとアナウンスされています。また米国でも、1200MHz級の次世代NMR開発の提案が全米科学アカデミーから政府に対して答申されています。

我が国では1200MHz級NMRの開発はまだ計画立案段階ですが、現在日本は二つの点で優位に立っています。一つ目は、高温超伝導線材の性能と実績において日本企業が最も優れていることであり、二つ目は日本だけが高温超伝導体を用いたNMR磁石を実際に開発した経験を持つことです。これらの優位性を活かし発展させるための次期計画を立案中です。

また、高温超伝導体に期待されているニーズは、必ずしも高磁場化だけではなくて、磁石の小型化や超大口径磁石の実現等々、多様化したユーザーニーズに幅広く応えられることにも大きい価値があります。今後は、高温超伝導体を用いた多様なNMR磁石やMRI磁石の開発が加速すると考えられます。

<参考図>

図1:膜タンパク質の炭素13Cの2次元NMRスペクトル。右下の緑図が1020MHz−NMR装置の結果。左上の青図は比較のため700MHz−NMR装置の結果。この図の見方は、全ての炭素原子同士の総当たりリーグ対戦表のようなもので、縦軸と横軸は個々の炭素の信号が現れる周波数を表し、等高線の高さが信号の強さ(対戦結果)を表わしています。ここで対戦結果とは、特定の2個の炭素間の距離が近い(信号が強い)か遠い(信号が弱い)ことを表しています。特に赤枠内の部分を比較すると、1020MHzでは一つ一つの信号がシャープになった結果として信号同士の重なり合いが減少(分解能が向上)している様子が良くわかります。

図2:1020MHzの磁場で測定した塩化カルシウムの塩素35ClのNMRスペクトル(上図、緑色が実験、茶色が理論)。比較のために示した600MHzの磁場で測定した結果(下図、緑色が実験)と比べると感度と分解能が向上している様子が良くわかります。600MHzの磁場では測定時間が320秒でしたが、1020MHzの磁場では僅か48秒にもかかわらずノイズのより少ない信号が得られています。線幅は約2倍シャープになっています。いずれも高磁場による効果です。

図3:NMR磁石の高磁場化に向けた各国の開発競争の様子。その当時の世界最高磁場を表すグラフ。1000MHzまでは金属系超伝導体だけを用いて作られていましたが、今回の1020MHzで初めて高温超伝導体が部分的に用いられました。従来の国内最高磁場だった900MHz,920MHz,930MHzはNIMSの(故)木吉 司氏(1959−2013)が中心となり神戸製鋼、理研、JEOLと共同開発した成果です。

<用語解説>

注1) NMR(核磁気共鳴)
分析装置の一種。原子核が持つ磁気的エネルギーを利用して物質や分子の構造を原子レベルで調べることができる。原子核の磁気的エネルギーは、磁石から加える磁場の強さに比例して大きくなり、比例係数は原子核の種類によって予め決まっている。NMRはその磁気的エネルギーを高周波(電磁波)に変換して観測する。高周波の周波数と磁石の磁場強度が比例関係にあるため、NMRでは磁場の強さを水素核のNMR信号が見える周波数で表現する習慣がある。今回の場合は磁石の磁場強度は24Tに固定されていて、その磁場値に対応した水素核の周波数が1020MHzとなる。
注2) NMR磁石
超伝導線を多層巻きして作ったコイルに電流を流して、中心位置に強い磁場を発生させるための装置。超伝導を維持するために液体ヘリウムを用いて極低温に冷やし続ける必要がある。他の磁石と比べ、磁場の安定度と均一度が特別に良い。
注3) 超伝導接続
2本の超伝導線を連結した際に、つなぎ目部分も超伝導である場合に、そのつなぎ目部分を超伝導接続と呼ぶ。1個のNMR磁石を作るには数本の超伝導線を連結する必要があるので、超伝導接続で連結できれば磁石全体が完全に超伝導状態になる。
注4) 永久電流
超伝導体は電気抵抗がゼロなので、超伝導状態のコイルに電流を流すと、その電流は減衰すること無く永久に流れ続ける。それを永久電流と呼ぶ。通常のNMR磁石やMRI磁石は永久電流によって運転されている。

<掲載論文>

題目 Achievement of 1020 MHz NMR
著者 Kenjiro Hashi, Shinobu Ohki, Shinji Matsumoto, Gen Nishijima, Atsushi Goto, Kenzo Deguchi, Kazuhiko Yamada, Takashi Noguchi, Shuji Sakai, Masato Takahashi, Yoshinori Yanagisawa, Seiya Iguchi, Toshio Yamazaki, Hideaki Maeda, Ryoji Tanaka, Takahiro Nemoto, Hiroto Suematsu, Takashi Miki, Kazuyoshi Saito, Tadashi Shimizu
雑誌 Journal of Magnetic Resonance
doi 10.1016/j.jmr.2015.04.009
掲載日時 2015年5月15日(現地時間)

<お問い合わせ先>

<研究内容に関すること>

清水 禎(シミズ タダシ)
国立研究開発法人 物質・材料研究機構 中核機能部門 強磁場ステーション長
Tel:029-863-5509
E-mail:

前田 秀明(マエダ ヒデアキ)
国立研究開発法人 理化学研究所 ライフサイエンス技術基盤研究センター 構造・合成生物学部門 NMR施設長
Tel:045-503-9267(内線:8029または3612)
E-mail:

斉藤 一功(サイトウ カズヨシ)
株式会社神戸製鋼所 電子技術研究所 超電導研究室長
Tel:078-992-5652
E-mail:

田中 良二(タナカ リョウジ)
株式会社JEOL RESONANCE 技術部 エキスパート
Tel:042-542-2236
E-mail:

<報道・広報に関すること>

国立研究開発法人 物質・材料研究機構 企画部門 広報室
Tel:029-859-2026 FAX:029-859-2017
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国立研究開発法人 理化学研究所 広報室 報道担当
Tel:048-467-9272
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株式会社神戸製鋼所 秘書広報部
吉川 賢(ヨシカワ ケン)
Tel:03-5739-6010
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日本電子株式会社 取締役兼執行役員 経営戦略室長
大井 泉(オオイ イズミ)
Tel:042-542-2144
E-mail:

国立研究開発法人 科学技術振興機構 広報課
Tel:03-5214-8404 Fax:03-5214-8432
E-mail:

<JST 先端計測分析技術・機器開発プログラムに関すること>

国立研究開発法人 科学技術振興機構 産学連携展開部 先端計測グループ
Tel:03-3512-3529
E-mail:

(英文)“World’s Highest Magnetic Field (1,020MHz) NMR developed