2次元材料である六方晶窒化ホウ素（hBN）の生体量子センサー化に成功～欠陥導入と構造制御で細胞計測を実現～

ポイント

• 六方晶窒化ホウ素（hBN）ナノ粒子に「ホウ素空孔中心」と呼ばれる欠陥を多数導入し、光で微小環境の情報を読み取れる新しい量子センサーを開発しました。
• 2次元材料の脆（もろ）い性質をシリカ被覆で克服し、さらに親水性高分子で表面修飾する手法を用いて、細胞内環境で機能する量子センサー化に世界で初めて成功しました。
• これまでナノダイヤモンドに限られていた細胞量子センシングに新たな選択肢をもたらす成果であり、細胞内微小環境の可視化を通じて生命現象の解明に寄与するとともに、がんや神経疾患の病態解明や創薬研究への応用が期待されます。

京都工芸繊維大学の下村 鈴音 博士前期課程学生、外間 進悟 助教らは、広島大学の中根 有梨奈 博士前期課程学生（卓越大学院プログラム履修生）、杉 拓磨 准教授および量子科学技術研究開発機構との共同研究により、六方晶窒化ホウ素（hBN）ナノ粒子を用いた新しい量子センサーの開発に成功しました。本研究では、hBNナノ粒子内部に多数の「ホウ素空孔中心」と呼ばれる欠陥を導入し、この欠陥の持つ量子特性に基づく蛍光信号を利用することで、光を使って周囲の微小な温度変化を検出できることを実証しました。さらに、2次元材料の欠点である「構造的に脆い」という性質をシリカ（酸化ケイ素）の薄膜でコートすることにより安定化し、その上に高分枝鎖ポリグリセロールを付加する2段階の表面修飾を施すことで、粒子同士が凝集せず水中で安定に分散し、たんぱく質の付着も強力に抑制できることを確認しました。この表面修飾により、生体内のような複雑な環境下でもナノ粒子が量子センサーとして機能することが可能となりました。実際に、調製したhBNナノ粒子をヒト培養細胞（HeLa細胞）内に取り込ませ、細胞内部から発せられる量子特性信号を検出することにも成功しました。2次元材料であるhBNに基づく量子センサーが細胞内で機能することを示したのは世界で初めてであり、細胞内部の温度分布など物理量を非侵襲的に計測する新たな手法として注目されます。本研究成果は、科学技術振興機構 創発的研究支援事業の異なるパネルに属する研究者間の異分野融合研究であり、量子センサーを用いたバイオセンシングの可能性を大きく広げるものです。

本研究成果は、2026年3月13日（日本時間）付で、ナノテクノロジー分野の国際的な学術誌「Nano Letters」（米国化学会）にオンライン掲載されました。

本研究は、科学技術振興機構 創発的研究支援事業（JPMJFR2428、JPMJFR214R）、日本学術振興会 科学研究費助成事業（若手研究：JP19K16089、JP21K15053；基盤研究（A）：JP24H00577；学術変革領域研究（B）：JP23H03845）、徳山科学技術振興財団 研究助成、および京都技術科学センター 研究助成の支援を受けて実施されました。

＜プレスリリース資料＞

• 本文 PDF（1.71MB）

＜論文タイトル＞

“Defect-Activated and Surface-Modified Hexagonal Boron Nitride Nanoparticles toward Intracellular Quantum Sensing”

DOI：10.1021/acs.nanolett.5c05398

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