広報活動

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2016年1月8日

理化学研究所
ジャパンスーパーコンダクタテクノロジー株式会社
物質・材料研究機構
日本電子株式会社
千葉大学
科学技術振興機構

コンパクト超高磁場NMRの実現へ

-レアアース系高温超伝導ワイヤを使用したNMR装置を開発-

私たちの体の中ではたらく小さなタンパク質を詳しく観察するには、分子の持つ物理的な性質を測定してデータから形を読み解く作業が必要となります。核磁気共鳴装置(NMR)は、そのための測定装置の一つ。強い磁場に置かれたときに分子が示す特徴的な振る舞い(この現象を核磁気共鳴と呼びます)を測定し、正確な分子構造を分析します。

NMRでは、分子にかける磁場が強ければ強いほど精密な測定ができるので、磁力の強い電磁石を使います。しかし、普通の金属線で電磁石を作ると、大きな電流によって発熱し、あまり大きな磁場を出せません。この問題を解決したのが、非常に低い温度に置かれた金属化合物の電気抵抗がゼロとなる「超伝導」という物理現象です。超伝導技術をNMRに応用したことで、NMRの高磁場化が一気に加速しました。

現在稼働しているNMR装置には液体ヘリウム温度(-269℃)で超伝導状態になるワイヤで作製した「低温超伝導磁石」が用いられています。しかし、装置の大型化や高磁場化の限界といった課題が浮かび上がってきました。そこで期待されるのが、金属の低温超伝導よりはるかに高い磁場を出せるセラミックスの高温超伝導です。特に、高い磁場の中で大きな電流を流すことに向いている希土類(レアアース)元素を使用した高温超伝導ワイヤ使うことで、電磁石のさらなる高磁場化・小型化が可能となります。

共同研究グループは、レアアース系高温超伝導ワイヤをNMR装置に応用する際の最大の課題となっていた、磁場の空間的な乱れを解決する超精密磁場発生手法を開発しました。これにより、レアアース系高温超伝導ワイヤを用いたNMR装置で、実際にタンパク質を高分解能で測定することに初めて成功しました。この超精密磁場発生手法は、今後のコンパクト超高磁場NMR開発に不可欠な要素技術です。超伝導技術を応用した機器の中で、最も精密な磁場が要求されるのがNMR装置。ここで開発された新しい技術は、MRI(磁気共鳴画像法)装置やリニアモーターなど、他の超伝導機器の開発への大きな波及効果が期待できます。

NMRの高磁場化を支える超伝導磁石技術の歴史

図 NMRの高磁場化を支える超伝導磁石技術の歴史

理化学研究所
ライフサイエンス技術基盤研究センター 構造・合成生物学部門 NMR施設
施設長 前田 秀明
基礎科学特別研究員 柳澤 吉紀