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）分光法や磁気共鳴画像法（ＭＲＩ）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、私たち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いだしました。

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そろえ、「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。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（マイナス１５０度以下）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良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つな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。