交差分極

交差分極（Cross-polarization）について

交差分極（こうさぶんきょく、英: Cross-polarization、略称: CP）とは、核磁気共鳴（NMR）において、測定対象の核の緩和時間が長いため感度が低い場合に、プロトンの磁化をその核に移動させる手法です。この方法を用いることで、感度が向上し、測定にかかる時間を短縮することが可能になります。特に固体核磁気共鳴の分野で広く利用されています。

この技術は、1970年代初頭にマサチューセッツ工科大学のジョン・S・ウォー研究室に在籍していた大学院生、マイケル・ギビーとアレクサンダー・パインズによって考案されました。彼らは1972年にこの手法の特許を取得しました。当初、この手法は「Proton-enhanced nuclear induction spectroscopy（PENIS）」という名称で呼ばれていましたが、その略語が不適切とされ、一般的には「交差分極（cross-polarization）」と呼ばれるようになりました。

RF磁場の照射と系のハミルトニアン

交差分極では、異なる核種 I および S に対して、Y軸方向からオンレゾナンスで RF磁場を同時に照射します。この場合、系のハミルトニアンは、RF磁場のように照射される非ゼーマン相互作用と、双極子相互作用の和として表されます。ここで、時間発展演算子は、RF磁場のゼーマン相互作用と磁気双極子相互作用に分けられます。この分離によって、磁気双極子相互作用が時間依存性を持つようになることがわかります。

ハートマン-ハーン条件

ハートマン-ハーン条件が適用されると、時間発展演算子の中で磁気双極子相互作用の一部が不変として残ります。この残存する項は、RF磁場のゼーマンハミルトニアンと交換可能です。これにより、スピン系の相互作用がより正確に理解できるようになります。

分極の移動とスピン拡散

交差分極では、y軸を回転系のz軸として考え、y→z、z→x、x→yという巡回置換を行います。この変換により、同じ共鳴周波数を持つ核がフリップフロップ項で相互作用していることが示されます。すると、回転系でのスピン拡散が起こり、I と S の間のZ磁化が平均化されるのです。これが交差分極の本質であり、異なる核間のエネルギーの平均化を通じて起こる現象なのです。

スピンロックの役割

交差分極を実現するためには、回転系における縦磁化を生成する必要があります。この縦磁化はスピンロックによって作り出されます。具体的には、実験室系でのゼーマン相互作用下の熱平衡状態から始めます。その後、I および S スピンのZ磁化に対して、90度パルスを-X軸方向にかけ、横磁化を生成します。この段階でY軸方向にRF磁場を照射することで、スピンロックが達成されます。

スピンロックされた状態は平衡状態ではないため、系は相互作用を通じて平衡状態に向かいます。しかし、一般的な交差分極実験では、Sスピンに90度パルスを照射せず、Sの熱平衡磁化を消去する場合が多いです。これにより、より効果的な測定が実現されるのです。

もう一度検索