ナノ量子センサーによるAll-opticalな細胞内熱伝導計測

胞内には熱力学法則に反する異常に高い温度勾配が形成されていることが知られているが、そのような高い温度勾配が形成される要因については明らかにされていない。申請者はこれまでに、ナノ量子センサーを利用し、細胞内の熱伝導率が水より著しく低くまた大きなばらつきを有することを明らかにした。本研究を発展し熱伝導率の局所性を探る上で、ナノ量子センサーや計測技術のさらなる改善が急務であった。これまで温度計として利用していた蛍光性ナノダイヤモンドFNDは、ODMR信号を得る際の磁気共鳴周波数が2.87GHzであり、これは水の吸収帯(2.4GHz)と近いため、　細胞計測におけるアーティファクトとなる可能性があった。一方で、All-opticalな温度計測は、637nmのゼロフォノン線を計測することで温度計測を達成できるが、その変化は0.015nm/℃と非常に小さく実時間での温度計測は困難であった。そこで本研究ではFNDと並行して、温度計測可能な炭化ケイ素ナノ粒子の開発を進めた。SiC内部には格子欠陥であるSi-空孔中心(SiV: Silicon-vacancy center)を人工的に導入することができる。SiVは近赤外(800ー000 nm)の蛍光を発し、NDと同様にODMR特性を有することが報告されている。しかし、このような発光・ODMR特性に関する研究は、1ミリメートル角の板状のSiC内部のSiVに関して報告されたもののみであり、SiCナノ粒子に関する報告は皆無である。そこで本申請では、NDの合成・加工経験を通して培った技術を駆使し、細胞量子センシングに資するSiV内包型SiCナノ量子センサーを世界に先駆けて新開発し、細胞への親和性を評価、その後、標的蛋白質への選択的標識を達成した。

胞内には熱力学法則に反する異常に高い温度勾配が形成されていることが知られているが、そのような高い温度勾配が形成される要因については明らかにされていない。申請者はこれまでに、ナノ量子センサーを利用し、細胞内の熱伝導率が水より著しく低くまた大きなばらつきを有することを明らかにした。本研究を発展し熱伝導率の局所性を探る上で、ナノ量子センサーや計測技術のさらなる改善が急務であった。これまで温度計として利用していた蛍光性ナノダイヤモンドFNDは、ODMR信号を得る際の磁気共鳴周波数が2.87GHzであり、これは水の吸収帯(2.4GHz)と近いため、　細胞計測におけるアーティファクトとなる可能性があった。一方で、All-opticalな温度計測は、637nmのゼロフォノン線を計測することで温度計測を達成できるが、その変化は0.015nm/℃と非常に小さく実時間での温度計測は困難であった。そこで本研究ではFNDと並行して、温度計測可能な炭化ケイ素ナノ粒子の開発を進めた。SiC内部には格子欠陥であるSi-空孔中心(SiV: Silicon-vacancy center)を人工的に導入することができる。SiVは近赤外(800ー000 nm)の蛍光を発し、NDと同様にODMR特性を有することが報告されている。しかし、このような発光・ODMR特性に関する研究は、1ミリメートル角の板状のSiC内部のSiVに関して報告されたもののみであり、SiCナノ粒子に関する報告は皆無である。そこで本申請では、NDの合成・加工経験を通して培った技術を駆使し、細胞量子センシングに資するSiV内包型SiCナノ量子センサーを世界に先駆けて新開発し、細胞への親和性を評価、その後、標的蛋白質への選択的標識を達成した。