フラーレン誘導体が光誘起超核偏極に有用であることを発見

――高感度化MRIへの応用に必要な実用化レベルの高偏極率を達成―― 先導物質化学研究所　濱地　智之　助教

【注目の成果：共同研究・産学連携のためのチェックポイント】

生体適合的なマトリクス材料と組み合わせることで、高感度化MRIを用いたがん診断への応用が期待

【産学連携対象全学共通分野 Discovery Saga】

数物系科学化学総合理工工学医歯薬学

【持続可能な開発目標（SDGs）】

【Sagaキーワード】

2025.12.04 研究成果Physics & ChemistryMaterials

発表のポイント

単結晶の配向制御を必要とせず、アモルファス材料中でも高い核スピン偏極を実現。トリプレット動的核偏極（DNP）による核磁気共鳴（NMR）の高感度化に新たな道を開いた。
フラーレンへの化学修飾により擬回転を抑えることで、電子スピン偏極の緩和の課題を克服した。
今後は生体適合的なマトリクス材料と組み合わせることで、高感度化MRIを用いたがん診断への応用が期待される。

発表概要

東京大学大学院理学系研究科の坂本啓太大学院生、濱地智之大学院生（現九州大学先導物質化学研究所助教）、楊井伸浩教授らの研究グループは、京都大学大学院理学研究科の御代川克輝博士課程学生、倉重佑輝准教授、京都大学大学院工学研究科の今堀博教授、理化学研究所開拓研究所および仁科加速器科学研究センターの立石健一郎研究員、上坂友洋主任研究員・兼部長、神戸大学分子フォトサイエンス研究センターの小堀康博教授らと共同で、トリプレットDNP（注1）の新規偏極源分子としてフラーレン誘導体（注2）の開発を行うことで、高効率なトリプレットDNPを実現しました。
光励起三重項電子（注3）の高いスピン偏極率を利用したトリプレットDNPは、低磁場、室温でも駆動するため、簡便で低コストな超核偏極法（注4）として注目されています。本研究では、新規偏極源としてフラーレンの電子構造に着目し、化学修飾することで電子スピン偏極の緩和を抑制することに成功しました。これまで一般的に偏極源として用いられてきたペンタセンと比較して、フラーレン誘導体を用いることで約21倍のトリプレットDNP効率の向上を実現しました。また、応用に重要なアモルファス材料（注5）中において、初めて実用化レベルとされる10％以上の偏極率を達成したことから、今後の高感度化MRIへの実用化が期待されます。

フラーレン誘導体による高効率なトリプレットDNP

用語解説

（注1）トリプレットDNP
偏極源の光励起（Photoexcitation）により生成する三重項電子スピンは、複数のスピンが一つの準位に大きく偏った高いスピン偏極（Polarized triplet electrons）を持っています。このスピン偏極をマイクロ波（Microwave）照射と磁場掃引（MF sweep）によって核スピンへ移す（Polarization transfer）ことで、超核偏極状態（Hyperpolarized nuclear spins）を作り出します。
（注2）フラーレン誘導体
フラーレンは、炭素原子（C）だけでできたサッカーボールのような中空構造を持つ分子で、高い電子受容性（電子を引き付ける能力）を有することが知られています。フラーレンに化学基（置換基）を修飾することで溶解性や電子特性をチューニングすることができるため、特に有機太陽電池や有機エレクトロニクス分野においてさまざまな置換基を修飾したフラーレン誘導体は電子輸送・受容材料として幅広く研究されています。
（注3）光励起三重項電子
光を吸収した分子の中で、電子のスピンがそろった特殊な励起状態の電子。光励起直後の三重項電子は熱平衡状態にある電子スピンより大きな偏極を持つため、スピン偏極の源となります。
（注4）超核偏極法
核スピンはスピン偏極率が低いため通常のNMRやMRIでは感度が低くなります。超核偏極法は、電子スピンの高いスピン偏極を核スピンに移すことで、核スピンのスピン偏極率を高めNMRやMRIの感度を上げる手法です。
（注5）アモルファス材料
原子や分子が規則正しく並んでいない“非晶質”の物質。ガラスなどが代表例で、方向によらず均一な性質を持ちます。

トリプレットDNPのスキーム

論文情報