【注目ニュース】微小ナノダイヤモンド量子センサで安定的に温度計測実現 ― 細胞内などの微小領域での量子センシングに期待 ―

2024年5月17日 08:06

発表日：2024年5月16日

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概要

水落憲和京都大学化学研究所教授と蘇梓傑博士（現：量子科学技術研究開発機構（QST）量子生命科学研究所博士研究員）、藤原正規特定研究員、五十嵐龍治QST量子生命科学研究所チームリーダー、株式会社ダイセルらの共同研究グループは、独自に開発した爆轟ナノダイヤモンドにおいて、強く安定した光検出磁気共鳴（ODMR）信号を持つ窒素-空孔（NV）中心を多数計測することに成功しました。

これにより、NV中心を含む爆轟ナノダイヤモンドでは初めて温度感度計測を実現しました。開発された爆轟ナノダイヤモンドの粒径は約11 nmであり、温度感度を計測したダイヤモンドセンサとして世界最小径です。

NV中心はODMR信号を利用することで温度、磁場、電場などを高感度に計測できるため、優れた量子センサとして幅広い分野で注目されています。特に生命科学分野では、NV中心を含むナノダイヤモンドを細胞核やミトコンドリア等の細胞小器官に導入することで、微小領域における高感度計測が期待されます。

しかし、これまで生体計測に用いられてきたナノダイヤモンドの粒径は主に100 nm前後で、細胞膜や核膜へのダメージを抑えて細胞深部に導入するには粒径30 nm以下が要求されます。

小粒径のナノダイヤモンドの合成には爆轟法が有力ですが、従来の爆轟ナノダイヤモンドにはNV中心の濃度が低い、ODMR信号が低く不安定という問題がありました。

今回実現したNV中心爆轟ナノダイヤモンドの技術により、今後、細胞内などの微小領域での量子センシングが期待できます。

この研究成果は、2024年5月10日に国際学術誌「APL Materials」に掲載されました。

図: (上) 爆轟ナノダイヤモンド中のNV中心を用いた温度計測。 (下) 爆轟ナノダイヤモンドの粒径は約11 nmと核膜孔よりも小さく、細胞核、ミトコンドリア等への導入や温度計測が期待できる。（引用元）

解説

近年、ダイヤモンド中の発光中心が様々な分野で注目されています。発光中心とは結晶内の特定の不純物や欠陥からなる発光体で、不純物と欠陥の種類に応じて様々な特性を持ちます。

最も著名な発光中心は窒素-空孔（NV）中心です。NV中心は、負電荷の状態（NV－）において、室温で操作可能な電子スピンを持ち、光で電子スピン状態の初期化と読み出しが可能です。

そのため、可視光とマイクロ波を照射して光検出磁気共鳴（ODMR）スペクトルを測定できます。このスペクトルのピーク周波数が温度、磁場、電場等に依存するため、複数の物理量を高感度に計測可能な量子センサとして期待されています。

また、シリコン-空孔（SiV）中心も注目されています。SiV中心は、鋭く安定した発光スペクトルを持ち、スペクトルのピーク波長が温度に依存するため、光だけで温度計測ができるという優れた性質を持ちます。これにより、温度計測の用途においても非常に有用な特性を提供します。

生命科学分野では、発光中心を含むナノダイヤモンドが注目されています。これまで温度感度が計測された最小粒径はNV中心で約50 nm、SiV中心で約200 nmでしたが、細胞内への導入には30 nm以下が望まれます。

今回実現したNV中心爆轟ナノダイヤモンドを用いることで、今後、細胞内などの微小領域での量子センシングが期待できるとのことですね。

図2: (a) Si-DND中のNV中心に対して２つの温度で測定したODMRスペクトル。(b)ODMRスペクトルピーク周波数の温度依存性。(c) Si-DND中のSiV中心に対して2つの温度で測定した発光スペクトル。（d）発光スペクトルピーク波長の温度依存性。（引用元）

参考文献

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