日本九州大学全球首次在室温下使纳米多孔材料实现高度核极化

新技术 2018年11月26日
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通过根据电磁波的吸收和发射观测原子的微小磁铁——核自旋的动作,能够非破坏性地分析分子的结构和运动性。该技术在化学领域作为核磁共振(NMR)光谱法、在医疗现场作为磁共振成像法(MRI)都是不可或缺的工具。不过,这些方法的灵敏度与其他分析法相比非常低,例如MRI主要用于对体内大量存在的水分子1H核进行成像。

灵敏度低的原因是核自旋的极化率比较低,提高极化率的技术为动态核极化(Dynamic Nuclear Polarization; DNP)法。尤其是Triplet-DNP法,该方法能对特定的分子(极化源)进行光激发,将三重态电子中出现的较大极化转移至核的极化中,可在室温下大幅提高核自旋的极化率,近年来备受关注。不过,以往的Triplet-DNP法只能在有机晶体或玻璃中进行,前者难以放入想提高灵敏度的生物分子,后者难以在室温下积累极化,在高灵敏度MRI上的应用受到限制。

此次,日本九州大学的研发小组与理化学研究所通过共同研究,对纳米多孔材料实施了核极化,利用纳米多孔材料能在室温下对生物分子进行高灵敏度的MRI观测。多孔材料采用近年来备受瞩目的多孔金属络合物(MOF),通过Triplet-DNP法,成功在室温下使MOF骨架的1H核实现了高度极化。

为延长极化保持的时间,在部分实施了重氢化的MOF中导入新设计的极化源(并五苯衍生物),针对得到的复合体,通过光照射形成了电子自旋极化,然后通过微波照射将极化转移至1H核。经过Triplet-DNP处理后确认,复合体的NMR信号强度明显增强,MOF骨架的1H核被高度极化约50倍。

这项研究首次证实可利用Triplet-DNP法使MOF实现高度极化,根据构成分子和金属离子种类的不同,MOF能轻松控制细孔的大小和表面特性,因此,今后能使各种生物分子在细孔内实现高度极化,有望开发出实现高灵敏度MRI观测的系统。

相关研究成果于2018年11月8日在线发布在美国化学学会的国际学术杂志《美国化学会志》上。

日本九州大学全球首次在室温下使纳米多孔材料实现高度核极化

图1:1H核自旋的(a)能级图以及(b)磁共振(NMR)与缓和

日本九州大学全球首次在室温下使纳米多孔材料实现高度核极化

图2:1H核自旋的极化率与检测灵敏度之间的关系

日本九州大学全球首次在室温下使纳米多孔材料实现高度核极化

图3:光激发三重态电子的生成与次能级之间的电子自旋极化

日本九州大学全球首次在室温下使纳米多孔材料实现高度核极化

图4:多孔金属络合物的形成

文 客观日本编辑部

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