日本九州大學全球首次在室溫下使納米多孔材料實現高度核極化

科技 11-27

通過根據電磁波的吸收和發射觀測原子的微小磁鐵——核自旋的動作，能夠非破壞性地分析分子的結構和運動性。該技術在化學領域作為核磁共振（NMR）光譜法、在醫療現場作為磁共振成像法（MRI）都是不可或缺的工具。不過，這些方法的靈敏度與其他分析法相比非常低，例如MRI主要用於對體內大量存在的水分子1H核進行成像。

靈敏度低的原因是核自旋的極化率比較低，提高極化率的技術為動態核極化（Dynamic Nuclear Polarization; DNP）法。尤其是 Triplet-DNP 法，該方法能對特定的分子（極化源）進行光激發，將三重態電子中出現的較大極化轉移至核的極化中，可在室溫下大幅提高核自旋的極化率，近年來備受關注。不過，以往的 Triplet-DNP 法只能在有機晶體或玻璃中進行，前者難以放入想提高靈敏度的生物分子，後者難以在室溫下積累極化，在高靈敏度MRI上的應用受到限制。

此次，日本九州大學的研發小組與理化學研究所通過共同研究，對納米多孔材料實施了核極化，利用納米多孔材料能在室溫下對生物分子進行高靈敏度的 MRI 觀測。多孔材料採用近年來備受矚目的多孔金屬絡合物（MOF），通過Triplet-DNP 法，成功在室溫下使MOF骨架的1H核實現了高度極化。

為延長極化保持的時間，在部分實施了重氫化的 MOF 中導入新設計的極化源（並五苯衍生物），針對得到的複合體，通過光照射形成了電子自旋極化，然後通過微波照射將極化轉移至1H核。經過 Triplet-DNP 處理後確認，複合體的NMR 信號強度明顯增強，MOF 骨架的 1H 核被高度極化約50倍。

這項研究首次證實可利用 Triplet-DNP 法使 MOF 實現高度極化，根據構成分子和金屬離子種類的不同，MOF 能輕鬆控制細孔的大小和表面特性，因此，今後能使各種生物分子在細孔內實現高度極化，有望開發出實現高靈敏度 MRI 觀測的系統。

相關研究成果於2018年11月8日在線發布在美國化學學會的國際學術雜誌《美國化學會志》上。