量子符号化による超高感度ＮＭＲ技術の創出

使用量子编码创建超灵敏核磁共振技术

• 批准号: 19J10976
• 负责人: 宮西 孝一郎
• 金额: $ 1.09万
• 依托单位: Osaka University
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• 财政年份: 2019
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2019-04-25 至 2021-03-31
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-19J10976/
• 关键词: 量子符号化; 動的確偏極(DNP); 光励起三重項; 量子科学計算; 分子動力学計算; ダイヤモンド中欠陥中心

核スピンのシングレット状態への量子符号化による、核スピン偏極の長寿命化に向けた数値計算研究を行った。液体中の核スピン偏極は、一般に最近接核スピンとの双極子相互作用によって数秒から数十秒の緩和時間によって熱平衡状態へと緩和してしまうが、双極子相互作用に耐性を持つシングレット状態へと符号化することで、緩和時間を数分から数十分まで伸ばすことができ、偏極核スピンの応用範囲を広げることができる。本研究では、核スピン緩和時間を量子化学計算(Gaussian)と分子動力学計算(Amber)を組み合わせた数値シミュレーションを行った。作成したプログラムでいくつかの分子の縦緩和時間計算を行い、高い精度で数値計算結果と実験結果が一致した。シングレット状態の緩和時間に対しては、実験結果と一致する分子と誤差を生じる分子が存在した。この結果に対して考察を行い、どのメカニズムが緩和に最も寄与しているかを明らかにし、より詳細に考慮すべきパラメータについても知見を得ることができた。この成果は、NMR討論会でポスター発表が行われ、ポスター賞を受賞している。また、本年度は室温超偏極技術の向上に向けて、NV中心を用いた室温超偏極実験も行った。NV中心とは、ダイヤモンド中に存在する欠陥中心の一つであり、隣接する炭素原子が窒素(N)と空孔(V)に置換されたものである。本研究では、これまで我々が行ってきた手法であるパルスDNP法で、NV中心によるダイヤモンド中13Cスピンの高偏極化を行った。同様の系でペンタセン分子を用いた安息香酸中13Cスピンの高偏極化実験を行った。異なる二つの系の結果を比較して、室温超偏極技術の向上に必要なパラメータについて議論し、高偏極化を目指したサンプル作製に関する知見を得ることができた。これらの成果は、国内外で学会発表を行い、論文がMagnetic Resonance誌に掲載されている。

进行了数值计算研究，以通过将量子编码纳入核自旋的单线状态来增加核自旋极化的寿命。液体中的核自旋极化通常通过与最近的核自旋相互作用几秒钟到数十秒钟的松弛时间放松到热平衡状态，但是通过将其编码为抗偶极子相互作用的单线状态，可以将放松时间从几分钟扩展到几分钟，从而扩展到极化核辛的应用范围。在这项研究中，使用量子化学计算（高斯）和分子动力学计算（Amber）进行了数值模拟。创建的程序用于计算几个分子的纵向松弛时间，并且数值计算结果具有高精度。对于单线状态的放松时间，有一些分子与产生误差的实验结果和分子一致。我们讨论了这些结果，阐明了哪些机制对缓解最大的贡献，并深入了解了应更详细地考虑的参数。这项成就是在NMR讨论会上提出的，并获得了海报奖。此外，今年，我们还使用NV中心进行了室温超极化实验，以改善室温超极化技术。 NV中心是存在于钻石中的缺陷中心之一，在该中心中心被氮原子（N）和空位（V）取代。在这项研究中，我们使用了脉冲DNP方法，这是我们到目前为止使用的一种方法，并且在NV中心的钻石中旋转高度极化的13C旋转。在类似的系统中，使用五苯分子进行了苯甲酸中13C自旋的高极化实验。比较了两个不同系统的结果，并讨论了改善室温超极化技术所需的参数，并获得了针对高极化的样品制备的知识。这些结果已在日本和国外的学术会议上提出，并且论文已发表在磁共振中。

项目成果

Room-temperature hyperpolarization of polycrystalline samples with optically polarized triplet electrons: pentacene or nitrogen-vacancy center in diamond?

• DOI: 10.5194/mr-2-33-2021
• 发表时间: 2021
• 期刊: Magnetic resonance (Gottingen, Germany)
• 作者: Miyanishi K;Segawa TF;Takeda K;Ohki I;Onoda S;Ohshima T;Abe H;Takashima H;Takeuchi S;Shames AI;Morita K;Wang Y;So FT;Terada D;Igarashi R;Kagawa A;Kitagawa M;Mizuochi N;Shirakawa M;Negoro M
• 通讯作者: Negoro M

高磁場における溶解トリプレットDNP実験

高磁场中溶解三重态 DNP 实验

• 发表时间: 2019
• 作者: 宮西 孝一郎，一条 直規;本山 誠;香川 晃徳;根来 誠;中村 祐士;江野澤 英穂;村田 剛志;森田 靖;北川 勝浩
• 通讯作者: 北川 勝浩

13C pulsed dynamic nuclear polarization using pentacene or NV- centers in diamond at room temperature

室温下使用金刚石中的并五苯或 NV 中心进行 13C 脉冲动态核极化

• 发表时间: 2020
• 作者: Miyanishi Koichiro;Tsujimoto Yoshiaki;Ikuta Rikizo;Miki Shigehito;Yabuno Masahiro;Yamashita Taro;Terai Hirotaka;Yamamoto Takashi;Koashi Masato;Imoto Nobuyuki;宮西 孝一郎;Koichiro Miyanishi
• 通讯作者: Koichiro Miyanishi

Long-lived state of a four-nuclear-spin system hyperpolarized at room temperature

室温下超极化四核自旋系统的长寿命状态

• 发表时间: 2019
• 作者: K. Miyanishi;N. Ichijo;A. Kagawa;M. Negoro and M. Kitagawa
• 通讯作者: M. Negoro and M. Kitagawa

Long-lived state in a four-spin system hyperpolarized at room temperature

室温下超极化四自旋系统的长寿命状态

• DOI: 10.1088/2058-9565/ab7734
• 发表时间: 2020
• 期刊: Quantum Science and Technology
• 影响因子: 6.7
• 作者: Miyanishi Koichiro;Ichijo Naoki;Motoyama Makoto;Kagawa Akinori;Negoro Makoto;Kitagawa Masahiro
• 通讯作者: Kitagawa Masahiro