核スピン偏極化試料での偏極中性子回折による構造解析法の開発〜水素の位置情報を選択的に抽出〜｜新着情報：プレスリリース

核スピン偏極化試料での偏極中性子回折による構造解析法の開発〜水素の位置情報を選択的に抽出〜

掲載日：2021.04.01

山形大学
日本原子力研究開発機構
J-PARCセンター
総合科学研究機構

本件のポイント

▲従来法(a) では全元素が散乱する(赤) 一方、新測定法(b) では水素の散乱成分を選択的に抽出できます。

山形大学が開発した核スピン偏極技術と日本原子力研究開発機構が開発した偏極中性子散乱測定技術を組み合わせ、従来法では得ることが難しい水素の位置情報や、水素の凝集・分散状態を抽出する中性子粉末結晶構造解析法^(*1)を開発しました。
物質の水素に関する構造を決定することで、物質の機能面を評価でき、新材料の開発につながると見込まれます。

概要

　⼭形⼤学が原⼦核物理実験⽤に開発した結晶試料の核スピン偏極^(*2)技術を、スピンコントラスト偏極中性⼦回折測定法に展開しました。これまで、同測定法では試料中の⽔素を核偏極化させる必要があるため、結晶試料の測定は困難でした。本研究では、同⼤の核スピン偏極技術により、⽔素核偏極化されたグルタミン酸（アミノ酸の1 種）試料の作製に成功し、粉末結晶試料中の⽔素の配向および凝集・分散などの構造情報を抽出できることを世界で初めて実証しました。本研究は、⽇本原⼦⼒研究開発機構及び総合科学研究機構との共同研究で、J- PARC MLF^(*3)に設置されている中性⼦⼩⾓・広⾓散乱装置（BL15 ⼤観）を⽤いて実験を⾏いました。物質中の⽔素の状態は、材料の機能性を評価・検討するために⾮常に重要な情報です。本研究⽅法は、様々な試料中の⽔素の位置・配向などの詳細な構造情報を議論できるため、機能性材料、ポリマー、⽣体⾼分⼦などの機能の解明を促進する有⽤な⼿段となるとともに、材料⼯学や⽣命科学の幅広い分野で応⽤が期待されます。この成果は2021 年3 ⽉3 ⽇付けで学術誌『Journal of Applied Crystallography』に掲載されました。

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背景

▲⽔素核スピンに対する中性⼦の感度を円の⼤きさで表しました。⽔素核スピンが中性⼦に対して平⾏か反平⾏かで⽣じる散乱強度の変化を利⽤し、⽔素核だけの散乱に焦点をあてる構造解析法がスピンコントラスト法です。

　物質の機能は、原⼦・分⼦がどのように配列しているかが鍵を握っています。たんぱく質などの⽣体内機能物質や、⽔素貯蔵材料などの機能の解明には⽔素が関与する構造情報を紐解くことが必要です。この⽔素に関する構造解析を実現する⼿法が中性⼦散乱法です。対象となる物質に中性⼦線を照射し、その散乱を観測することで⽔素が関与する構造情報を引き出すことができます。しかしながら多くの場合、機能性物質は⽔素とそれ以外の原⼦で構成されており、⽔素の構造情報を抽出することは簡単ではありません。そこで、⽔素核と中性⼦が持つスピンという性質を⽤います。中性⼦と⽔素核の散乱強度は双⽅のスピンの向きが平⾏なときと反平⾏なときで⼤きく変化します (右図)。この性質を利⽤した構造解析⽅法が⽇本原⼦⼒研究開発機構で開発されたスピンコントラスト中性⼦散乱法です。⽔素と中性⼦のスピンの異なる組み合わせでの散乱を⽐較することで、スピンの向きに依存して変化した⽔素の散乱成分だけを抽出することができます。通常の中性⼦散乱では観測が難しい⽔素が関与する構造情報にアプローチすることができます。

本研究の概要

▲上図は⼤観で得られたグルタミン酸の散乱スペクトルです。従来法では⿊で⽰した無偏極状態の結果しか得られません。新測定法では、緑と⾚で⽰した散乱を得ることができます。⿊で⽰した結果に対して、緑と⾚の状態で変化したピーク(1, 2,3 など) に結晶試料中の⽔素の位置情報や凝集・分散状態が含まれています。更に解析をすることでこれらの情報を引き出します。

　スピンコントラスト法には⽔素核偏極試料が必要です。従来、結晶試料の核偏極は難しいため、スピンコントラスト法も結晶試料以外の試料が対象となっていました。⼭形⼤学では原⼦核実験⽤に結晶試料の核スピン偏極法を開発しており、本研究ではその⼿法を⽤いてアミノ酸の１種であるグルタミン酸中の⽔素原⼦核を偏極させることに成功しました。⽔素の位置情報を解析するための中性⼦回折実験はJ-PARC MLFの中性⼦⼩⾓・広⾓散乱装置（BL15⼤観）で⾏いました。⼤観では⼊射中性⼦スピンの向きを揃えた偏極ビームによる中性⼦回折測定が可能です。実験では試料の核偏極⽅向に対して平⾏と反平⾏２通りの偏極ビームを⽤いた中性⼦回折パターンと、無偏極状態の試料からの中性⼦回折パターン、計3 種類を取得し、その変化を解析することで⽔素の位置情報の精密な解析を⾏いました。その結果、⾮偏極試料を⽤いる従来の中性⼦回折法では得られない、⽔素以外の原⼦と⽔素の位置相関や⽔素の凝集・分散状態を直接測定できることが実証されました。

見込まれる波及効果

　⽔素機能材料をはじめ、ポリマーや⽣体⾼分⼦など⽔素含有結晶試料の構造解析の解明に貢献することができます。構造解析の結果から機能の解明や、材料開発の改善などに役⽴つと考えられます。

用語解説

中性⼦結晶構造解析法 : 電気的に中性な中性⼦は原⼦核と直接散乱を起こします。原⼦ごとに固有の散乱確率を持ち、⽔素に⼤きな感度を持つのが特徴です。類似なものに X 線散乱がありますが、X 線は原⼦核まわりの電⼦と散乱を起こします。X 線散乱の感度は原⼦番号 (電⼦数) に⽐例するため、⽔素などの軽元素に感度がほとんど無い⼀⽅、⾦属などの重元素の構造解析において⼒を発揮します。
核スピン偏極 : 原⼦核が持つスピンという性質は、「上向き」「下向き」のような向きの概念を持っています。通常スピンの向きはバラバラです。核スピン偏極は原⼦核のスピンの向きを、どれか⼀つの向きに偏らせることを意味します。
J-PARC MLF : 茨城県東海村にある⼤強度陽⼦加速器施設(J-PARC)内の物質・⽣命科学実験施設 (MLF)。MLF では⼤強度陽⼦のビームを⽔銀のターゲットに照射することで、中性⼦ビームを発⽣させ、それを調べたい試料に照射し、中性⼦散乱実験を⾏っています。

掲載雑誌

雑誌名 : Journal of Applied Crystallography
著者 : 三浦⼤輔(A)、熊⽥⾼之(B)、関根由莉奈(B)、元川⻯平(B)、中川洋(B)、⼤場洋次郎(B)、⼤原⾼志(C)、⾼⽥慎⼀(C)、廣井孝介(C)、森川利明(D)、河村幸彦(D)、⼤⽯⼀城(D)、鈴⽊淳市(D)、宮地義之(A)、岩⽥⾼広(A)
題名 : Development of spin-contrast-variation neutron powder diffractometry for extracting the structure factor of hydrogen atoms
所属 : (A)⼭形⼤学、(B)⽇本原⼦⼒研究開発機構物質科学研究センター、(C)⽇本原⼦⼒研究開発機構 J-PARCセンター、(D)総合科学研究機構中性⼦科学センター

助成

本研究はMEXT基盤研究C 15K04706, 18K11926とJSPS特別研究員奨励費19J23744 の助成を受けたものです。