特定課題利用 利用報告書（概要）

実施課題名

14N solid‐state NMR【背景】
生体科学・物質科 学・材料科学など広い範囲で窒素原子は重要な位置を占めており、窒素核のNMRは原子レベルの理解のために非常に重要である。窒素核には14N,15Nの二つの安定同位体が存在するが、ほとんどすべての窒素NMRは15Nを用いて行われている。これは15NがI=1/2であり、測定・解析が容易であるためである。しかしながら、15Nは0.4%以下の天然存在比しか持たず、多くの場合高価な同位体標識などを用いて測定するか、長時間の積算により測定する必要があり、日常的な活用には壁がある。一方、窒素原子の99.6%を占める14N核はスピンI=1である困難さのため、ほとんど利用されてこなかった。

【実施内容】
14N NMRの測定に必要なパルスシーケンスの整備、および標準試料を用いた参照用データの取得を行った。測定手法としては、WURST以外のすべての測定法を網羅した。Spin‐1/2を用いた間接測定、spin‐1/2を用いかつOvertone 14N測定による測定。これらの測定では14Nの局所的な環境を与えるパラメーター(四極子定数、化学シフト)が得られる。さらに14N/14Nの相関測定を開発し、核間のconnectivityをえる新規手法を開発した。これにより14Nの局所的環境のみならず、三次元立体構造の構築へとつながる。

•Fig.1

Fig.1 14N/14N相関に用いるシーケンス

•

Fig.2

Fig.2 L‐histidine HCｌH2Oの14N/14N相関スペクトル

NMR 共用プラットフォーム 特定課題利用
利用報告書
申請番号PF002

課題受付番号

PF13-100-001

実施機関名

株式会社 JEOL RESONANCE

実施部署名

技術部

実施責任者管理職名・氏名

職名

実施部署所在地

東京都昭島市武蔵野 3-1-2

利用課題名

14N solid-state NMR

本課題の概要・目的

実用的な固体試料の 14N NMR 法を確立する。生体科学・物質科 学・材料科学など（字数制限はありませんが

広い範囲で窒素原子は重要な位置を占めており、窒素核の NMR は原子レベルの理解400 字～600 字以内(程度)でのために非常に重要である。窒素核には 14N,15N の二つの安定同位体が存在するお書きください。）

が、ほとんどすべての窒素 NMR は 15N を用いて行われている。これは 15N が I=1/2エキスパート

氏名西山裕介であり、測定・解析が容易であるためである。しかしながら、15N は 0.4%以下の天然存在比しか持たず、多くの場合高価な同位体標識などを用いて測定するか、長時間の積算により測定する必要があり、日常的な活用には壁がある。一方、窒素原子の 99.6%を占める 14N 核はスピン I=1 である困難さのため、ほとんど利用されてこなかった。近年、WURST-CPMG 測定(WURST パルスによる広帯域励起および CPMG による高感度測定)、spin-1/2 を用いた間接測定、overtone 14N NMR 測定など実用的な
14N NMR 測定法が開発されてきた。これらの手法の網羅的な比較を行い、14N NMRの実用的なガイドラインを作成する。

利用実施時期、及び期間

平成 26 年 1 月 27 日～平成

総利用日数： 21 日

当初計画どおり・当初計画変更(変更理由)

1

27 年 3 月

31 日

利用施設

ＮＭＲ装置

利用装置①

理化学研究所（該当部分に・(○）)溶液 600MHz、()溶液 700MHz、()溶液 800MHz､()溶液 900MHz(○)固体 700MHz

利用期間 1：平成 26 年 1 月

27 日～平成 26 年 2 月3日

利用期間 2：平成 26 年 2 月

20 日～平成 26 年 2 月

23 日

利用期間 3：平成 26 年 4 月

18 日～平成 26 年 4 月

22 日

利用期間 4：平成 26 年 7 月

7 日～平成 26 年 7 月

14 日

利用装置②
・((立体構造解析
パイプライン

その他の)溶液 600MHz、()溶液 700MHz、()溶液 800MHz､()溶液 900MHz)固体 700MHz

利用期間 1：平成年月日～平成年月日

利用期間 2：平成年月日～平成年月日

利用期間 3：平成年月日～平成年月日

・発現確認 ：

利用回数・フォールド判定

回： 利用回数回・大量調製 ：

利用回数回・構造決定 ：

利用回数回

理研 CLST-JEOL 連携センター ECZ600R

利用施設

成果の実施内容

14N NMR の測定に必要なパルスシーケンスの整備、および標準試料を用いた参概要（字数制限はあり照用データの取得を行った。測定手法としては、WURST 以外のすべての測定法ませんが 400 字～を網羅した。Spin-1/2 を用いた間接測定、spin-1/2 を用いかつ Overtone 14N

800 字以内(程度)で測定による測定。これらの測定では 14N の局所的な環境を与えるパラメーターお書きください。）(四極子定数、化学シフト)が得られる。さらに 14N/14N の相関測定を開発し、核間の connectivity をえる新規手法を開発した。これにより 14N の局所的環境のみならず、三次元立体構造の構築へとつながる。

2

本課題により得らWURST による広帯域励起手法以外のすべての手法の実装を行い、当初目標を達れた成果と当初目成した。当初目標に加えて、14N-14N の核間の相関を得る手法を開発した。14N

標との比較

原子核間の相関を得る手法はこれまでに存在しておらず、世界で初めての試み（字数制限はありに成功した。これは spin-1/2 で広く用いられている、同種核、異種核間相関ませんが 400 字～を用いた三次元構造解析法を spin-1 へと拡張する非常に大きな進展であり、800 字以内(程度)で14N を用いた実用的構造解析へと大きな一歩を刻んだ。

お書きください。）

成果発表

Manoj

Kumar

Pandey,YusukeNishiyama,

Proton-detected

3D

14N/14N/1H chemical shift correlation experiment mediated through 1H-1H
RFDR mixing on a natural abundant sample under Ultrafast MAS, J. Magn.
Reson. 258 (2015) 96-101.
今後の展開

Spin-1/2 を用いた固体 NMR による構造解析技術はほぼ完成の域にある。化学シ（字数制限はあり

フトによる局所的構造解析、また量子化学計算を用いた化学シフトの理解はルませんが 300 字～ーチン的ツールになっている。さらに異種核間、同種核間相関を元にした600 字以内(程度)でconnectivity の解析、またその build up curve 等を用いた距離測定が精密なお書きください。）３次元構造解析を可能とした。これらの構造解析法を N-14 にも適用可能なように開発を継続する。N-14 シフトの解析、距離情報の収集などが課題としてあげられる。

社会・経済への波及効果の見 化学、生物、材料科学など広い分野において窒素核は重要な役割を果たしてい通しる。しかしながら、二つある窒素の同位体 N-14 および N-15 のうち、ほとんど（字数制限はありません 300 の場合、わずか 0.4%以下の存在比しか持たない N-15 のみが用いられてきた。
字～600 字以内(程度)でお書 この低い天然存在比は、一般的な窒素 NMR の利用の妨げとなってきた。低いスきください。
）

ループットは常に大きな問題であり、その解決のために N-15 ラベル体も用いられているが、今度は高いコストが大きな壁となる。さらに窒素核間の相関に至っては N-15 の場合にはわずか 13ppm しか存在していない N-15 ペアを観測する必要があり、現実的に不可能であった。N-14 の利用によりこれらの問題を一気に解決し、ハイスループット、ローコスト、高情報量の窒素核 NMR が実現する。これによりアカデミックのみならず、industry を含む広い世界で窒素 NMRによる情報が利用可能となる。

利用における感想

マシンタイムが限られており、アウトプットを出すボトルネックとなっていた。も（改善要望等を含む）

う少しマシンタイムを配分していただければ、よりアウトプットを出すことが可能

利用周辺環境に関する希望です。

今後の NMR 共用プラットフォ 高磁場のみならず、低磁場(400MHz など)の装置があるとより応用範囲、スループームに対する期待ットが上がります。

3成果公開延期の希望の有無(○) あり：（）なし「あり」の場合理由：論文投稿中のため（⇒投稿済みとなったため公開）
その他（上記の項目以外でご意見等お願いします。）

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