量子の力で生体分析!?シングレット・フィッションを用いたNMR感度の増大

2023.05.12 From Chem-Station By 野口真司

第504回のスポットライトリサーチは、九州大学 工学府(楊井研究室)・川嶋さん濱地さんにお願いしました。

 

楊井准教授率いる研究グループは⽔を⾼核偏極化する⾊素材料の開発に成功しました。

 

本研究成果はNature Communications誌 原著論文およびプレスリリースに公開されています。

 

“Singlet fission as a polarized spin generator for dynamic nuclear polarization”
Nature Communications | (2023) 14:1056,  doi:10.1038/s41467-023-36698-4

 

研究室を主宰されている楊井准教授から、川嶋さん濱地さんについて以下のコメントを頂いています。

 

 今回の研究は川嶋君と濱地君という全くキャラクターの異なる二人が力を合わせて強力に進めました。今回のスポットライトムービーを見て頂けるとすぐに分かるかと思いますが、川嶋君は独特のキャラクターで研究室配属当初から異彩を放っていました。川嶋君が研究室に馴染んでくれるか心配していましたが、時間を追うごとにその心配は無用であることが分かりました。研究において(他の分野でもそうかもしれませんが)人と違うということは非常に強みになることを、川嶋君から改めて教えてもらいました。川嶋君の考えを初めて聞いたときは皆そこまで共感できず、後になって(時には数年後に)あの時の川嶋君の言っていたことは正しかった、と思い直すことが何度かありました。また、今回の論文は川嶋君が研究を開始してから5年以上経ってようやく掲載となりましたが、川嶋君は中途半端なところで小さく論文化せず、出来る限り完成度を上げて大きな論文にしたいという意思を最後まで突き通しました。川嶋君の今回の研究への情熱を無くしてはこのような形での論文発表には至らなかったと思います。
川嶋君は先輩の河野宏徳君と素晴らしいタッグを組み、従来困難であった水中でのトリプレット超核偏極への挑戦を開始しました。当時所属していた君塚研で山田鉄兵先生のグループが熱化学電池の研究にシクロデキストリンを用いていたため馴染み深かったこともあり、水中に展開するにはシクロデキストリンとの超分子形成が良いだろうと考えて研究をスタートしました。実は研究開始当初はシングレット・フィッションを狙っていたわけではなく、ペンタセン一分子を水中に分散させて偏極源として用いることを検討していました。その研究を進める中で、川嶋君が後輩の中島悠真君と更にタッグを組んでテーマを拡張する形でシングレット・フィッションにも取り組むことになりました。溶媒組成や温度を少し変えるだけで集合構造が変わるトリッキーな系でしたが、二人の粘り強い検討により最適なサンプル調整条件が見いだされました。
しかし最適化したサンプルを用いて超核偏極を起こすためには低温でレーザー光とマイクロ波を照射し、サンプルを移動させてNMRを測定するセットアップを作るという難題がありました。そこで大活躍したのが濱地君です。クライオスタットに入れることが出来ないという装置の都合上、霜との闘いになり、何度も自作のNMRコイルを壊してしまっては作り直し、サンプル周りの部品を3Dプリンターで作るといったアップデートを繰り返し、難易度の高い実験をやり切りました。基本的な超核偏極の装置自体は共同研究者の理研の立石博士のサポートのもとに九州大学にセットアップしたものになりますが、このような日々生じる問題に対しては自分たちで対処するしかなく、西村亘生君のサポートを受けながら濱地君が解決していきました。濱地君は材料合成を精力的に行いながらも装置やスピン計測法の構築まで行うスーパーマンです。化学から物理までの非常に幅広い興味と優れた理解力、実行力、忍耐力を併せ持つ濱地君がいなければ、今回の研究は絵に描いた餅に終わっていたことでしょう。
そして今回の研究は我々のグループだけでは全く実現できず、いくつものグループとの共同研究により初めて可能となったものです。宮田先生、恩田先生が九州大学にいらっしゃったことで、超高速分光が必須のシングレット・フィッションの研究を安心して進めることが出来ました。北里大学の渡辺先生には今回のトリッキーな分子集合形成についてMDシミュレーションにより多くの理解を与えて頂きました。超核偏極の研究開始当初より理研の上坂博士、立石博士に装置構築の指導、サポートをして頂きました。神戸大学の小堀先生が独自に開発されたESRシミュレーションに基づくシングレット・フィッション過程の深い理解をなくしては、論文化は出来ていませんでした。このような素晴らしい異分野の研究者とチームを組めたことは誇りであり、これからも一緒に異分野融合研究を発展させていきたいと考えています。

 

また、共著者でもある宮田准教授からは以下のコメントを頂いています。

 

 この研究には実はケムステが深く関わっています。というのも、宮田が楊井先生と初めて議論したのが、第二回ケムステVシンポ「光化学へようこそ!」のリハーサルの時だったんですね。あのとき楊井先生に講演を快諾いただけていなかったら、この研究はまだなかったかもしれません。コロナ禍が産んだ偶然が重なり、3年を経て論文掲載まで至れたのは本当に感慨深いです。何より自身が持つ超高速分光の技術が光化学の機能開拓に結び付いた点は心底嬉しさを感じます。超高速分光チームからは特に笠君(現D2)と西郷君(2023年博士卒)の粘りと、川嶋君をはじめとした楊井グループとの学生間チームワークが光って測定を成功に導くことができました。シングレットフィッションは個人的に思い入れのある電子ダイナミクスなのですが、その歴史に残る仕事に関われて感無量です。楊井先生とはじめとして、関係の皆様と日ごろからサポートいただいている皆様に心より感謝を申し上げます。引き続き精進します!

 

今回は、インタビューに加えて、スポットライトリサーチムービーも撮影させていただきました。以下動画となります。

 

 

それでは今回もインタビューもお楽しみください。

 

Q1. 今回プレスリリースとなったのはどんな研究ですか?簡単にご説明ください。

身の回りの分子は原子核と電子で構成されており、それぞれにスピンと呼ばれる磁石のような性質が備わっています。色素分子に光を当てて活性化した励起状態には電子スピンの向きが互いに打ち消しあった励起一重項状態と、2つの電子スピンの向きが揃った励起三重項状態が存在します。

 

励起子一重項分裂(Singlet Fission, SF)とは、密集した色素分子の間でエネルギーが共有される事によって、一つの分子の励起一重項状態から2つの分子の励起三重項状態が生成される現象です。一重項分裂は一度に2つの分子にエネルギーを与える事ができるため、光エネルギーの効率的な利用という観点から太陽電池などの分野への応用が盛んに研究されてきました。

 

一重項分裂の過程では2つの分子がエネルギーを共有しますが、このとき4つの電子スピンの向きが揃った五重項状態と呼ばれる特殊な量子状態が生成されることが知られています。五重項状態では取りうるエネルギーの状態が5通りありますが、そのエネルギー状態の分布の度合い(偏極率)は温度によらず大きく偏っています。

 

しかしながら、一重項分裂によって生成されるこの特殊な量子状態の応用はこれまで未開拓でした。


図 1 一重項分裂の概略図

 

集合化している色素に光を照射すると、③のように光エネルギーを得た色素が励起一重項状態となる。励起一重項状態となった色素は周囲の分子とエネルギーを共有し、④のように2分子のペアで五重項状態と呼ばれる特殊な量子状態を生成した後、独立した2分子の励起三重項状態へと分かれる。

 

五重項状態の分子のペアは五通りのエネルギー状態を取ることが知られているが、そのエネルギーの分布には偏りがあり、特定の状態が多く生成される。

 

この論文ではこの五重項状態に着目し、マイクロ波照射によって電子スピンのエネルギー状態の偏り(偏極)を核スピンへと移すことで核磁気共鳴(NMR)シグナルを増大することのできる動的核偏極(DNP)へと応用し、水分子のNMR感度を増大することに成功しています。

 

水分子のNMR感度の増大は、病院などで体内を画像化することで病気の診断に用いられているMRIや、タンパク質の構造解析など、バイオ系の分野への応用が期待されています。SFはこれまで太陽電池の高効率化などエネルギー分野への応用が中心に研究されていたため、SFの全く新しい応用先を提案することに成功しています。

 

具体的な手法として、一重項分裂に利用される色素であるペンタセン誘導体に対して、親水性の官能基の導入と、内部に疎水性分子を取り込む性質を持つシクロデキストリンの導入によって、水系溶媒中で分子間の距離や並び方といった色素の集合構造を制御することに成功し、一重項分裂特性の制御に成功しました。

 

このようにして得られた偏極源(NMR増感剤)となる色素の集合体の溶液を急冷によってガラス化し、光励起によって五重項状態を生成させ、マイクロ波を照射することで一重項分裂によって生成された電子スピンの偏極を用いで水分子のNMR感度を増大しました。

 

五重項状態では、電子スピンの回転する速度であるラビ周波数が三重項状態よりも大きいため、従来法よりも弱いマイクロ波でNMR感度の増大を行うことに成功しています。これは、従来過剰なマイクロ波照射によるサンプルの加熱が問題となっていたDNPにおいて、五重項状態の利用によってこの問題を解決しうることを示しています。


図 2 A 本研究で用いた分子集合体。一重項分裂を起こすことが知られているペンタセン骨格に対して親水性の部位を付与したNaPDBAを用いて水系溶媒中で集合化させた。また、集合化させたNaPDBAに対しシクロデキストリン(γCD)を加えることで集合状態を変化させ、一重項分裂特性の変化を観測している。
図 2 B 実際に得られたNMRスペクトル。通常のNMRスペクトル(黒線)と比較して、光照射によって一重項分裂による五重項状態の電子スピン偏極を発生させ、マイクロ波照射によって核スピンに偏極を移動したスペクトル

 

Q2. 本研究テーマについて、自分なりに工夫したところ、思い入れがあるところを教えてください。

このテーマとは、前身となるテーマまで含めてかなり長い付き合いだったので思い入れがある部分は沢山あるのですが、中でもサンプルの調整方法に関してはかなり試行錯誤を重ねています。

 

ペンタセン骨格は光に非常に弱く、溶液中で分子分散した状態では部屋の照明程度の光でも1分ほどで酸化されて色がなくなってしまいます。これでは再現が取れないため、今思えば危ないことですが、研究の初期段階では暗闇の中で実験するために誰もいない早朝にラボに来ていました。

 

本当の意味での闇実験です。毎朝4時に起きて夜の10時に寝るという生活を1年ほど続けていましたが、たまに夜遅くまで残っていた人と交代して研究室が24時間営業になったり、実験をしている途中に朝早く来た河野さんに部屋の電気を付けられて急いで切ってもらうといった一幕もありました。

 

また、研究当初は研究室に装置が無かったため、共同研究先である理化学研究所の立石さんのところへ出張し、測定を行って頂いていました。

 

その測定の事前評価として過渡吸収測定による三重項寿命の評価によって偏極源分子の分散性を検討できると考えたのですが、前述の通りペンタセン骨格が光に弱いため、通常の状態では測定が行えないという問題点がありました。

 

僕は当時三重項-三重項消滅によるフォトン・アップコンバージョン(TTA-UC)の研究も同時並行で行っており、脱酸素状態が前提となるTTA-UCの分野でよく使われる手法だった凍結脱気処理を、窒素バブリングと組み合わせる事によって溶液中の酸素を除去することで過渡吸収測定を行うことができました。

 

こういった部分では、複数の分野を掛け持ちしていた経験が活きていると思います。(川嶋)

 

今回の研究を行っていく中でシングレットフィッションや超分子化学の知識が増えたのはもちろんですが、それ以上にNMRやDNPに対する理解が深まりました。

 

NMRコイルの作製やパルスシーケンスの構築、円筒空洞共振器、反転増幅回路の作製等を行っていく中で、自分たちが使う装置に詳しくなれたのは今後の研究に対してプラスになると思っています。

 

装置を設計、組み立てる際は理研の立石さんに何度もアドバイスをいただき、銅板や真鍮の加工は九大技術部の方々に手伝っていただきました。試行錯誤を繰り返してようやく装置が完成し、DNPによる増感したNMRシグナルが得られたときは大変感動しました。

 

SF-DNPの測定では、ペンタセンのみ、βシクロデキストリン、γシクロデキストリンの3つの試料に対してそれぞれ5つのデータを取得する必要がありました。そのため、前半は測定の最適化に多くの時間を費やしました。

 

サンプルの量が少なすぎるとシグナルが弱く、量が多すぎると十分にサンプルが冷やされず、測定中にペンタセンが分解するため、最適な量を決めました。また、高い再現性のために、どれくらいの長さでDNPを行って何回NMRをスキャンするという点も試行錯誤を繰り返しました。

 

最初の測定からリバイズの測定まで数十回測定を重ねましたが、川嶋さんや西村さんをはじめとした方々に手伝っていただき、なんとか良い結果が得られました。(濱地)

 

Q3. 研究テーマの難しかったところはどこですか?またそれをどのように乗り越えましたか?

やはり複数の研究分野にまたがるテーマだったことや、研究室としてはほぼ初めてシングレットフィッションに関わったこともあり、勉強することや試行錯誤することが多かったように思います。

 

測定一つとっても自身でサンプルの調整法や測定法を模索するだけではなく、研究室内の上手い人の力を借りたり、更には研究室外の方に助けていただくなど、到底一人ではなし得ないことだらけでした。

 

また、裏話として特に思い出に残っている事としては、研究室自作のESRがとある事情から故障してしまい、感度が大幅に落ちてしまった時のことが挙げられます。当時は五重項状態の発生自体はほぼ確実視できていたのですが、それを証明するためのデータがきれいに取れないという状況でした。

 

そのためできるだけ装置由来のノイズを減らそうと延長コードを買ってきて電源の位置を色々と変えてみる、といったことを試したりしていました。その後、アルミホイルをコードに巻くことでノイズが改善することに気づき、様々なパターンを試しました。

 

最終的にはアルミホイルでは密着性が良くないと考えて大学の近くにある某ホームセンターでアルミテープを購入し、コードにしっかりと巻くことできれいなESRスペクトルを取ることができました。この論文を読んで頂ける機会があれば是非アルミテープの存在に想いを馳せて頂きたいです。(川嶋)

 

DNP-NMRは手作りのため何度も発生するトラブルに頭を抱えていました。低温測定で発生する霜によってせっかく作ったNMRコイルが何度も破壊されました。また、全く同じ測定条件で測定してもどこかのコードが断線、あるいは部品が破損しているとDNPやNMRがうまく測定できません。

 

そのため、朝から測定を始めたのに結局本番測定は夜からということも多々ありました。周りは化学の実験をしているのに対して、自分はコイルを巻き直したりはんだ付けをしたりと「自分はいったい何をしているんだろう」と感じることもありました。

 

そんな時は「化学も装置作りも課題に対して試行錯誤して解決の糸口を探るのは一緒だ」と割り切って我慢しました。

 

今となっては後輩が測定するときに何かトラブルが生じた際、オシロスコープの波形を見てどこが機能していないのか瞬時に分かるようになったので、あの苦悶の時間は無駄ではなかったなと感じています。(濱地)

 

Q4. 将来は化学とどう関わっていきたいですか?

僕は、様々な分野の物質的な基盤になるハード面を支えているのが化学の魅力だと考えています。化学の道を志したきっかけは化学の幅広さを活かして研究を通じて社会に貢献したいと思ったからで、現在は化学メーカーに勤務しています。

 

ただ、近年ではソフト面である情報科学の発達も無視できないなと感じていて、研究室の先輩の中にもそういった分野に進んだ方が何人かいます。僕もそういった先輩方に触発されてまだまだ付け焼き刃ですが独学でプログラミングなどを学んでいるところです。

 

この研究を通じて様々な分野の方と交流し、僅かではあると思いますが沢山の分野の考え方を学ぶことができました。今後も色々な人たちとの共同研究を通じて、また自身の中でも知識を広げて「分野融合」を続けてマルチな研究者として成長していきたいと考えています。(川嶋)

 

これは僕が楊井先生と普段話して思うようになったことですが、化学を通して自分が持っている知識を何かしらの機能材料へと昇華させ、社会に還元したいと考えています。今回の研究では、超分子やスピンといった知識をもとに、超核偏極という機能が発現しました。

 

この機能が社会に還元されるにはまだまだ改善が必要ですが、そのような姿勢で今回の研究を振り返ってみると、今後どのような戦略が必要なのか見えてきます。

 

これからも、どのような工夫をしたらこの材料は優れた機能を発現するのかという意識を常にもちながら化学と関わっていきたいです。(濱地)

 

Q5. 最後に、読者の皆さんにメッセージをお願いします。

僕自身あまり人にアドバイスできる立場では無いですが、複数の分野を組み合わせる面白さをもっと多くの人に知ってもらいたいなと思います。

 

複数の分野の融合領域を研究するメリットとして挙げられる事としては、幅広い学問を学べるという事の他に、この分野とこの分野を組み合わせられるのは世界でも自分達だけだろうと自負できることだと思います。

 

デメリットとしてはやはり器用貧乏になりがちというか、一つの分野に注目したときに、その分野だけを極めた人に勝つことは難しい事が挙げられます。

 

ただ、この論文はそういった複数の分野を掛け持ちしている人や、ある分野を極めた人といった様々な人が協力した結果だと思うので、一口に分野融合と言ってもいろいろな関わり方があっていいんじゃないかなと思いました。

 

最後に研究室の皆さんへ、また、この研究に関わっていただいた共著者の皆さんへ、何よりこの研究に興味を持っていただいた読者の皆さんへ感謝の気持ちを伝えたいです。(川嶋)

 

私は今年度からD2ですが、この世代の人はコロナの影響で最近やっと初めて対面学会に参加した人が多いのではないでしょうか。私も昨年度の光化学討論会や日化年会が初めての対面学会でしたが、オンライン会議で知り合った同期の人や先生方とお話しでき、DNPに興味を持っていただけたのがほんとうにうれしかったです。

 

この分野は化学の人たちがほとんど参入していないため、超分子だけでなく他の材料と組み合わせれば新しい機能がどんどん発現するのではないかと考えています。

 

これからの学会でもしお話しできる機会があれば、ぜひディスカッションしてください!(濱地)

 

関連リンク

  1. 研究室HP:
    https://sites.google.com/view/nobuhiroyanai/home?authuser=0
    https://www.chem.kyushu-u.ac.jp/~kimizuka/
  2. 第3回 けむすい論文紹介対談 九大院工 楊井 伸浩 先生・九大院理 宮田 潔志 先生
    https://www.youtube.com/live/ueV-Tim__7I?feature=share
  3. プレスリリース
    https://www.kyushu-u.ac.jp/ja/researches/view/889/
    https://www.kitasato.ac.jp/jp/news/20230301-02.html
    https://www.riken.jp/press/2023/20230302_1/index.html
    https://www.kobe-u.ac.jp/research_at_kobe/NEWS/news/2023_03_01_01.html
    https://www.jst.go.jp/pr/announce/20230301-2/index.
    htmlhttps://www.nikkei.com/article/DGXZRSP650339_S3A300C2000000/

 

研究者の略歴

名前:川嶋優介
所属:九州大学工学部 楊井研究室(当時君塚研究室楊井グループ)
研究テーマ:超分子化学
略歴:
2017 年4 月 1 日 九州大学大学院工学府物質創造工学専攻修士課程入学
2019 年4 月 1 日 九州大学大学院工学府物質創造工学専攻博士後期課程進学
2020 年4 月 1 日 日本学術振興会特別研究員 DC2 採用
2017年4 月 1 日-2022年 4 月 1 日 九州大学大学院工学府において超分子化学に基づく三重項機能材料の開発に従事
2022年 4 月 1 日 三菱ガス化学株式会社入社 現在同社東京研究所勤務

 

名前:濱地智之
所属:九州大学工学府 楊井研究室
研究テーマ:スピン化学
略歴:
2020 年4 月 1 日 九州大学大学院工学府応用化学専攻修士課程入学
2022 年4 月 1 日 九州大学大学院工学府応用化学専攻博士後期課程進学
2022 年4 月 1 日 日本学術振興会特別研究員 DC1 採用
2020年4 月 1 日- 九州大学大学院工学府において分子集合を利用したスピン機能材料の開発に従事

(記事協力:Chem-Station)