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電場勾配と核四重極モーメント：この 2 つによって物質の特性がどのように決まるのか？
核四重極共鳴分光法 (NQR) は、核磁気共鳴 (NMR) と密接に関連する化学分析手法です。 NMR とは異なり、NQR の核共鳴は外部磁場なしで検出できるため、NQR 分光法は「ゼロ磁場 NMR」とも呼ばれます。 NQR の共鳴は、電場勾配 (EFG) と核電荷分布の四重極モーメントの間の相互作用によって媒介されます。 NMR とは対照的に、NQR は固体にのみ適用され、液体には適用されません。これは、液体ではコア付近の電場勾配が平均してゼロになり、EFG テンソルのトレースがゼロになるためです。物質内の特定の核の位置の EFG は主に、近くにある他の核との特異的結合に関与する価電子によって決定されるため、その物質内で遷移が発生する NQR 周波数は固有です。
特定の化合物または結晶の NQR 周波数は、核四重極モーメント (原子核の特性) と原子核付近の EFG の積に比例します。
NMR では、類似しているが同一ではない現象が結合定数です。これも分析対象物中の核間の相互作用の結果です。複数の不対核粒子 (陽子または中性子) を含む原子核は、電気四重極モーメントをもたらす電荷分布を持ちます。許容される核エネルギーレベルは、電子密度の不均一な分布によってもたらされる電場勾配と核電荷の相互作用により、不均一にシフトします。
電磁放射を介して原子核に伝達されるエネルギーは、原子核にエネルギーの一部を吸収させる可能性があり、これは四重極エネルギー準位に対する摂動とみなすことができます。 NMR の場合とは異なり、NQR での吸収は外部磁場の不在下で発生します。外部静磁場を四重極コアに適用すると、ゼーマン相互作用に基づいて四重極エネルギー レベルが分割されます。
NQR テクノロジーは、コア周囲の結合の性質と対称性に非常に敏感であり、さまざまな温度での固体の相転移を特徴付けることができます。
対称性により、液相ではこれらのシフトは平均してゼロになるため、NQR スペクトルは固相でのみ測定できます。 NMR の場合、スピン ≥ 1/2 の原子核は磁気双極子モーメントを持っているため、そのエネルギーは磁場によって分割され、エネルギーの共鳴吸収がラーモア周波数に関連します。 NQR の場合、14N、17O、35Cl、63Cu などのスピン ≥ 1 の原子核も電気四重極モーメントを持ちます。核四重極モーメントは非球形の核電荷分布に関連しており、核電荷分布が球形、つまり核の楕円体または円盤の形からどの程度逸脱しているかを示します。
NQR は、四重極モーメントとその環境の局所電場勾配 (EFG) の間の相互作用を直接観察します。 NQR スイッチング周波数は、原子核の電気四重極モーメントと局所 EFG の強度に比例します。ただし、固体では EFG の強度は平方メートルあたり数千ボルトに達するため、外部磁場を選択して NMR のように特定の EFG を使用して NQR 実験を実行することは現実的ではありません。
NQR スペクトルは特定の物質に特有であるため、「化学指紋」と呼ばれます。
NQR 周波数は温度に大きく依存するため、NQR は最大 10^−4 °C の分解能を持つ正確な温度センサーとして使用できます。 NQR 分光法の応用にも幅広い展望があり、製薬業界で役割を果たす大きな可能性を秘めています。特に、14N-NQR を適用すると、D-セリンや L-セリンなどのラセミ混合物中の鏡像異性体化合物の区別が可能になります。これら 2 つの化合物は類似した組成を持っていますが、D-セリンはアルツハイマー病のバイオマーカーおよび統合失調症の治療薬になる可能性があり、L-セリンは臨床試験において FDA に承認されたヒト用医薬品です。筋萎縮性側索硬化症の治療の可能性があることで知られています。
NQR には、結晶多形を区別する機能もあります。たとえば、スルホンアミド系薬剤を含む化合物は多型に対する感受性を示します。 NQR 周波数の違い、および四重極結合定数と非対称パラメーターの違いにより、多型の区別が可能になります。この機能により、NQR は薬物の識別と偽造のための強力なツールになります。
世界中の複数の研究チームが、NQR を使用して爆発物を検出する研究に熱心に取り組んでいます。荷物の中に潜む地雷や爆発物を検出するように設計された装置は、高周波 (RF) 電源、励起磁場を生成するコイル、爆発物の RF NQR 応答を監視する検出回路で構成され、テストされています。 。 ADE 651 と呼ばれる偽のデバイスは、NQR を使用して爆発物を検出すると主張していますが、実際には検出できません。
それにもかかわらず、このデバイスはイラク政府を含む数十カ国に数百万ドルで販売されることに成功しました。
NQR の主な制限は、同位体が豊富に存在することにあります。 NQR では、ゼロ以外の四重極モーメントの存在が必要です。これは、スピンが 1 以上で、局所的な電荷分布が球対称から逸脱している原子核でのみ観察されます。既存の NQR 技術は、ほとんどの NQR 活性核の同位体存在量が低いために信号強度が低いという問題がありますが、NQR 分光技術は依然として複数の実用的なシナリオで有用性を示しています。
NQR の無限の可能性に直面して、将来的に既存の技術的限界を打ち破り、この技術をより多くの分野でより大きな役割を果たすことができるでしょうか?
