金沢大学理工研究域物質化学系の栗原拓也助教は，徳島大学大学院社会産業理工学研究部物理科学分野の犬飼宗弘准教授，大阪大学量子情報・量子生命研究センターの宮西孝一郎講師，根来誠准教授，大阪大学ヒューマン・メタバース疾患研究拠点の香川晃徳特任准教授（常勤），筑波大学計算科学研究センターの堀優太助教，重田育昭教授らからなる研究チームで，トリプレット DNP （※1）の適用できる分子の種類を増やす共結晶（※2）化技術を開発しました。さらに，MRI分子プローブ（※3）である尿素を含む複数分子のトリプレット DNP を室温で実現しました。
核スピン（原子核が持つ磁石のような性質）の振る舞いを見る NMR（核磁気共鳴）(※4) やMRI（磁気共鳴イメージング）(※5)の検出感度は，核スピンの向きの揃い具合（偏極率）（※6）に比例します。一般的な偏極率は極めて低く，より高度な NMR や MRI 測定，例えば微小な腫瘍のMRI 検出などは困難です。極低温で核スピンの向きを揃える動的核偏極（DNP）(※7)と呼ばれる方法が盛んに研究されていますが，高価な装置や液体ヘリウムなどの寒剤がネックとなり，広く社会に普及していません。
そこで本研究チームは，光とマイクロ波を照射することで引き起こされる量子力学的過程によって，室温でスピンの向きを揃えられる光励起三重項の電子スピンを用いた DNP（トリプレット DNP）に注目しました。トリプレット DNP は古くから研究されている手法ですが，この技術を応用するためには課題が残されており，適用できる分子の種類が限られていました。
本研究では，トリプレット DNP が適用できる分子の種類を劇的に増やす方法として，共結晶化技術を開発しました。トリプレット DNP により感度を向上させたいターゲット分子，補助分子，そして感度向上の元となる偏極源から組み上がる共結晶を開発し，MRI 分子プローブである尿素を含む複数分子のトリプレット DNP を室温で実現しました。
これらの知見は，将来，本研究が提案する共結晶化技術と MRI を組み合わせることで，従来法では困難であった精密ながんの診断や治療判定を可能とする超高感度 MRI が期待されます。
本成果は令和 6 年 5 月 17 日 10 時（日本時間）に米国化学会の『Journal of the American Chemical Society』オンライン版に公開されました。
図： ターゲット分子，補助分子，偏極源を含む共結晶の開発に成功しました。トリプレット DNPにより共結晶全体の核スピンの NMR 信号を室温で増大することができます。
【用語解説】
※1：トリプレット DNP
DNP の一種です。分子の光励起三重項が持つ電子スピンの偏りを核スピンに転写することで，NMR の検出感度を高感度化することができます。電子スピンの偏りは，温度や磁場の強度に依存しないため，温和な環境（例えば，寒剤を使用しない室温，そして電子スピンが共鳴する周波数がマイクロ波領域となる 0.1～0.6 T の低磁場環境）で DNP をすることができます。
※2：共結晶
複数種の分子が水素結合やπ- π結合で組み上がる結晶です。本成果は色々な種類の共結晶に注目し，トリプレット DNP ができることを示しました。
※3：MRI分子プローブ
分子センサーの一種で，生体内の環境や反応に応じて，NMR もしくは MRI 信号が変化する分子です。
※4：NMR（核磁気共鳴，NMR：Nuclear Magnetic Resonance）
核スピンに静磁場をかけると，その磁場のまわりをコマのように歳差運動（首ふり運動）を行います。その歳差運動の周波数の電磁波（例えば、0.4 テスラの磁場中の水素核スピンなら 17 MHz の電磁波）を与えると，それに共鳴して首ふり運動の角度が変化し，放出された電磁波からその様子を観察できます。このような現象を核磁気共鳴（NMR）現象と呼びます。原子核の種類や分子構造の違いによって周波数が異なるので，この電磁波を解析することによって分子構造情報を調べることができます。これは NMR 分光法と呼ばれ，化学分析に必要不可欠な方法となっています。
※5：MRI（核磁気共鳴画像， MRI：Magnetic Resonance Imaging）
スピンの歳差運動の周波数，共鳴する電磁波の周波数は静磁場の強さに比例します。そのため，試料に勾配のある磁場を与えておくと，同じ分子でも場所によって共鳴する電磁波の周波数が変わることになります。MRI は，勾配磁場を用いて人体内部に含まれる水分子などの量の分布を，共鳴する電磁波を解析することで画像化する方法で，けがや病気の診断や脳機能の研究などに欠かせない分析法となっています。
※6：偏極率
静磁場中の水素核スピンや電子スピンのエネルギー準位は，スピンが磁場に対して平行な状態のエネルギーと反平行な状態のエネルギーに分裂します。それぞれのエネルギーを持つスピンの占有数の差を総スピン数で割ったものが偏極率と定義されています。一般的な環境下での熱平衡状態では，偏極率はスピンの磁気回転比と静磁場強度に比例し，温度に反比例します。電子スピンの磁気回転比は水素核スピンに比べ 660 倍大きいので，同環境下では電子スピンの方が偏極率は 660 倍大きくなります。
※7：動的核偏極（DNP：Dynamic Nuclear Polarization）
通常の分子中では，スピンの向きが反対の二つの電子が対になり，電子スピンによる電磁波の吸収，放出は打ち消されます。しかし，ラジカルと呼ばれる分子では不対電子が安定して存在しています。このようなラジカルを少量添加した試料に電子スピンが共鳴するマイクロ波を照射すると，電子スピンの首ふり運動の角度が変化します。この角度の変化する速度に，核スピンが共鳴する周波数が含まれるとき，電子スピンと核スピンの偏極率が交換されます。これによって核スピンの向きを揃えることを動的核偏極と呼びます。熱平衡状態の電子スピンを使った DNP では原理的には水素核スピンに対して最大 660 倍の信号強度増大が可能となります。温度が低いほど熱平衡状態の電子スピンの偏極率は大きくなるので，従来の DNP ではより高感度化を求めて極低温下で行われています。
ジャーナル名：Journal of the American Chemical Society
研究者情報：栗原 拓也
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