[論文レビュー] Room temperature "Optical Nanodiamond Hyperpolarizer": physics, design and operation

Ashok Ajoy, Raffi Nazaryan+13 more|PubMed|Nov 26, 2018

Atomic and Subatomic Physics Research被引用数 4

ひとこと要約

本論文では、低出力の光およびマイクロ波照射を用いて室温で13C核の720倍を超えるハイパーポラリゼーションを達成する室温型光学ナノダイヤモンドハイパーポラライザーを提案する。このデバイスは、ナノダイヤモンド内の窒素・バケーション（NV）中心を活用し、常温条件下で効率的なスピンポラライゼーション転送を実現し、ハイパーポラリゼーションを数分間保持可能であり、バックグラウンド信号は2桁以上抑制される。

ABSTRACT

Dynamic Nuclear Polarization (DNP) is a powerful suite of techniques that deliver multifold signal enhancements in nuclear magnetic resonance (NMR) and MRI. The generated athermal spin states can also be exploited for quantum sensing and as probes for many-body physics. Typical DNP methods require the use of cryogens, large magnetic fields, and high power microwave excitation, which are expensive and unwieldy. Nanodiamond particles, rich in Nitrogen-Vacancy (NV) centers, have attracted attention as alternative DNP agents because they can potentially be optically hyperpolarized at room temperature. Here, unraveling new physics underlying an optical DNP mechanism first introduced by Ajoy et al. [Sci. Adv. 4, eaar5492 (2018)], we report the realization of a miniature "optical nanodiamond hyperpolarizer," where ¹³C nuclei within the diamond particles are hyperpolarized via the NV centers. The device occupies a compact footprint and operates at room temperature. Instrumental requirements are very modest: low polarizing fields, low optical and microwave irradiation powers, and convenient frequency ranges that enable miniaturization. We obtain the best reported optical ¹³C hyperpolarization in diamond particles exceeding 720 times of the thermal 7 T value (0.86% bulk polarization), corresponding to a ten-million-fold gain in averaging time to detect them by NMR. In addition, the hyperpolarization signal can be background-suppressed by over two-orders of magnitude, retained for multiple-minute long periods at low fields, and deployed efficiently even to ¹³C enriched particles. Besides applications in quantum sensing and bright-contrast MRI imaging, this work opens possibilities for low-cost room-temperature DNP platforms that relay the ¹³C polarization to liquids in contact with the high surface-area particles.

研究の動機と目的

• ナノダイヤモンドに窒素・バケーション（NV）中心を有する低コストで室温での動的核スピン極化（DNP）プラットフォームの開発を目的とする。
• 冷却が必要な低温、高磁場、高出力マイクロ波を要する従来のDNP法の限界を克服することを目的とする。
• ナノダイヤモンド内の13C核を常温でハイパーポラライズすることにより、実用的で小型化可能なNMRおよびMRIシステムの実現を目的とする。
• 長寿命のハイパーポラリゼーションを実現し、バックグラウンド信号を効果的に抑制するとともに、液体相分子への効率的なポラライゼーション転送を達成することを目的とする。

提案手法

• 100 nmの直径を有するナノダイヤモンド粒子を用い、NV中心密度は約1 ppmとする。800 mWのダイオードレーザーを八角形アレイで配置し、均一な照照明を実現する。
• 2つの乗算型DAC（LTC1590）を用いて、マイクロ波周波数スイープ（100 MHz～1 GHz）を生成し、ESRスペクトル全体をカバーする。これにより、広帯域DNP増幅が可能となる。
• 電圧制御発振器（VCO）とパワー合成マイクロ波送り出しシステム（総出力<1.5 W）を用い、低出力マイクロ波照射（ラビ周波数～430 kHz）を実現。これにより、効率的なポラライゼーション転送が可能となる。
• ヘルムホルツコイルにより弱い極化磁場（14 mT）を生成し、DNPを実行。イン・サイトホールセンサを用いて磁場のリアルタイムフィードバック制御を実現し、高精度な制御を可能にする。
• 機械的磁場サイクリングステージを介して7TのNMR磁石と統合し、ハイパーポラライズド状態から磁場の端縁領域での検出まで迅速なサンプル移行を実現する。
• ナノダイヤモンド粒子の濃度を段階的に半減させることで、バックグラウンド信号の抑制を実現。DMSO中のFmoc-Gly-OH-13C2へのポラライゼーション転送を定量的に評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 低出力の光およびマイクロ波照射のみを用いて、ナノダイヤモンドにおける室温下での効率的13Cハイパーポラリゼーションが達成可能か？
• RQ2 最小限の装置で、常温下におけるナノダイヤモンド内13C核の最大ハイパーポラリゼーション収率はどの程度か？
• RQ3 ハイパーポラリゼーションはどの程度の期間保持可能であり、ダイヤモンド粒子由来のバックグラウンド信号は効果的に抑制可能か？
• RQ4 ナノダイヤモンドに接触する液体相分子内の13C核へのハイパーポラリゼーションは、効率的に転送可能か？
• RQ5 本システムにおけるDNP増幅を最大化するための最適なマイクロ波スイープパラメータおよび磁場設定は何か？

主な発見

• 本デバイスは、室温下でナノダイヤモンド内の13C核に対して記録的な720倍のハイパーポラリゼーションを達成した。これは0.86%のバルクポラライゼーションに相当し、7Tにおける熱的ポラライゼーションと比較して1000万倍も効果的である。
• ハイパーポラリゼーションは2分以上にわたり保持可能であり、延長されたNMR検出および信号平均化が可能である。
• 粒子濃度の制御と信号正規化により、ダイヤモンド粒子由来のバックグラウンド信号が2桁以上抑制された。
• 極めて低いマイクロ波出力（推定値<1.5 W）と低出力の光照射を用いるため、コンactで低コストかつポータブルなNMR/MRIプラットフォームの実現が可能である。
• Fmoc-Gly-OH-13C2中の外部および内部13C核の比率は、質量および幾何的要因を用いて定量的に評価された。
• ハイパーポラリゼーション効率は磁場に依存し、10–70 mTの広い範囲の極化磁場で最適な増幅が観察された。11%の誤差範囲を有する二重範囲磁場スイープ実験により、その妥当性が検証された。