1細胞内の多点で多項目を同時計測できる新型量子センサ、京工繊と広大が開発

京都工芸繊維大学(京工繊)と広島大学は、ひとつの細胞内で多点の量子センシングを可能にする新たなハイブリッド量子センサ「CQD-FND」を開発したと5月30日に共同発表。量子センサとして知られる「蛍光ナノダイヤモンド」(FND)に、炭素系ナノ材料の「カーボン量子ドット」(CQD)を融合させ、カーボン量子ドットの多色蛍光性と蛍光ナノダイヤモンドの量子特性を活用したものだ。

CQD-FNDの合成スキーム
(出所:京工繊ニュースリリースPDF)

同成果は、京工繊大学院工芸科学研究科の白矢昂汰大学院生、広島大大学院統合生命科学研究科の中根有梨奈大学院生、同・杉拓磨准教授、京工繊分子化学系の吉田裕美教授、同・前田耕治教授、同・外間進悟助教、量子科学技術研究開発機構の共同研究チームによるもの。詳細は、低次元ナノ材料を含めた炭素材料を扱う学術誌「Carbon」に掲載された。

近年、細胞機能や生命現象の制御において、温度、粘性、電場といった物理化学量が重要な役割を果たしていることがわかってきた。そのため、細胞内部の微小環境をリアルタイムかつ高精度に計測する量子センサの開発が進められている。

そうした量子センサのひとつとして期待されるのが、蛍光ナノダイヤモンドだ。同物質はナノスケールのダイヤモンド粒子で、内部に「窒素-空孔中心(NVセンタ)」を持つ。このNVセンタが蛍光を発する性質を持ち、生体適合性も高いことを特徴とする。NVセンタの量子状態を光で読み取ることができ、温度、磁場、電場、ラジカルなど、細胞内の物理化学量を非侵襲的に計測できるため、次世代のバイオセンシング技術として注目されている。

しかし、蛍光ナノダイヤモンドは単一の物理化学量の計測には優れる一方で、粒子ごとに異なる複数の物理化学量を同時に計測するのは困難だった。細胞内の複数の部位で温度と粘性など、多様なパラメータを同時に読み取る多項目計測には課題が残っていたのである。そこで研究チームは今回、蛍光ナノダイヤモンドに、カーボン量子ドットを融合させた新しいハイブリッド型の量子センサの開発を試みることにした。

カーボン量子ドットとは、直径が約数ナノメートルの炭素ベースのナノ粒子であり、励起波長に応じてさまざまな蛍光色を発する特性を持つ。粒子の大きさや構造、前駆物質の種類によって発光波長を制御でき、バイオイメージングやバイオセンシングなど、多用途に利用されている。また、光安定性が高く、低毒性であることから生体適合性も高く、機能化も容易な点が特長だ。

今回の研究の核となるアイデアは、蛍光ナノダイヤモンドの量子センシング機能を維持しつつ、異なる蛍光色を持つカーボン量子ドットを蛍光ナノダイヤモンドにラベリングすることで、粒子ごとに異なるパラメータを測定し、それを色で識別する点にある。これにより、たとえば青色カーボン量子ドットを付与した蛍光ナノダイヤモンドが温度を、緑色カーボン量子ドットを付与した蛍光ナノダイヤモンドが粘性を計測するといった、多項目センシングが可能となる。

しかし、カーボン量子ドットと蛍光ナノダイヤモンドを直接結合させると、カーボン量子ドットの蛍光が著しく減衰するという問題があった。そこで今回の研究では、両者の間にシリカ層を介在させる手法が採用された。その結果、カーボン量子ドットの蛍光特性を維持したまま、安定な複合体を構築することに成功し、CQD-FNDと命名された。この方法により、ひとつの細胞内で、複数の異なる量子センサを同時に識別・運用する多項目量子センシングが実現された。

直接結合とシリカを介した結合によるCQD発光強度の比較。(出所:京工繊ニュースリリースPDF)
(出所:京工繊ニュースリリースPDF)

細胞および線虫を用いた実験において、カラーラベリングした蛍光ナノダイヤモンド、具体的には、青発光カーボン量子ドットでラベルした蛍光ナノダイヤモンド量子センサ「b-CQD-FND」と、緑発光カーボン量子ドットでラベルした蛍光ナノダイヤモンド量子センサ「g-CQD-FND」は安定な磁気共鳴信号を発し、センサとしての機能が実証された。

青発光カーボン量子ドット(b-CQD)と緑発光カーボン量子ドット(g-CQD)による蛍光ナノダイヤモンドのラベリングおよび、細胞・線虫内における磁気共鳴信号の検出
(出所:京工繊ニュースリリースPDF)

今回開発されたCQD-FNDは、色で識別が可能な点を活かし、細胞内の温度、粘性、ラジカル、pHなど、複数の物理化学量を同時に高精度で可視化する新たなツールとして期待されるとする。研究チームは今後、細胞内の液-液相分離現象やがん細胞の代謝環境の解析、神経変性疾患の進行メカニズムの解明など、複雑な生命現象における物理化学量の役割を解明することで、生命科学・医療分野の発展につなげていきたいとしている。