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~

2025-12-04 東京大学

東京大学・京都大学・理研などの共同研究チームは、光励起三重項電子を用いるトリプレットDNPにおいて、新たな偏極源としてフラーレン誘導体を開発し、従来のペンタセンの約21倍となる高効率偏極を達成した。最大の成果は、単結晶の配向制御を必要とせず、アモルファス材料中で実用化基準となる10%超(14.2%)の核偏極率を世界で初めて実現した点である。フラーレン固有の「擬回転」による電子スピン偏極の緩和が課題だったが、インデン基による化学修飾で対称性を崩すことで擬回転を抑制し、ESR線幅の先鋭化と偏極寿命の飛躍的改善に成功した。これにより、従来困難だった多様なプローブ分子の高感度化が可能となり、将来的には高感度MRIによるがん診断やドラッグスクリーニングへの応用が期待される。

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~
フラーレン誘導体による高効率なトリプレットDNP

<関連情報>

ランダム配向における光核超分極の増強のための置換フラーレン Substituted Fullerenes for Enhanced Optical Nuclear Hyperpolarization in Random Orientations

Keita Sakamoto,Katsuki Miyokawa,Tomoyuki Hamachi,Haoxuan Zhang,Jiarui Song,Kenichiro Tateishi,Tomohiro Uesaka,Hiroshi Imahori,Yasuhiro Kobori,Yuki Kurashige & Nobuhiro Yanai
Nature Communications  Published:04 December 2025
DOI:https://doi.org/10.1038/s41467-025-66211-y

Abstract

Polarized electron spins in photoexcited triplet states enable dynamic nuclear polarization (DNP) to enhance magnetic resonance imaging (MRI) sensitivity. For a practical nuclear polarization of 10%, single crystals must be precisely oriented in a magnetic field to generate narrow electron spin resonance lines, which is not appropriate for actual medical applications. Here, substituted fullerenes as triplet polarizing agents enable 1H polarizations above 10%, even for random molecular orientations. While they have not been used as polarizing agents for triplet-DNP because of electron spin relaxation via pseudo-rotation, we overcome this by chemical modification of two sites on C60 fullerenes. Symmetry considerations reveal fullerenes that avoided pseudo-rotations. Di-substituted fullerenes are ideal polarizing agents with sharp linewidths and long relaxation times that enabled 14.2% 1H polarization in randomly oriented orientations. Optimized polarizing agents represent a promising approach for ultra-sensitive MRI medical diagnostics without the need for DNP under cryogenic temperatures and severe orientation control.

0505化学装置及び設備
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