Home白矢昂汰&苍产蝉辫;&苍产蝉辫;&苍产蝉辫;&苍产蝉辫;（京都工芸繊维大学 大学院工芸科学研究科 博士前期课程2回生）【笔头着者】
中根有梨奈 （広島大学 大学院统合生命科学研究科 博士前期課程2回生）
杉拓磨 （広島大学 大学院统合生命科学研究科 准教授）
吉田裕美&苍产蝉辫;&苍产蝉辫;&苍产蝉辫;&苍产蝉辫;（京都工芸繊维大学 分子化学系 教授）
前田耕治&苍产蝉辫;&苍产蝉辫;&苍产蝉辫;&苍产蝉辫;（京都工芸繊维大学 分子化学系 教授）
外间进悟&苍产蝉辫;&苍产蝉辫;&苍产蝉辫;&苍产蝉辫;（京都工芸繊维大学 分子化学系 助教）
京都工芸繊維大学 白矢昂汰博士前期課程2回生?吉田裕美教授?前田耕治教授?外間進悟助教ならびに広島大学 中根有梨奈博士前期課程２回生?杉拓磨准教授らの研究グループは、量子科学技術研究開発機構との共同研究により、炭素系ナノ材料であるカーボン量子ドット（CQD）と蛍光ナノダイヤモンド（FND）を融合させた新しいハイブリッド量子センサ、CQD-FNDを開発しました。
FNDは量子センサとして知られており、細胞内の温度?粘性?電場?ラジカルなどの物理化学量を計測可能な新しいナノセンサとして注目されています。本研究では、蛍光波長の異なるCQDをFNDにラベリングすることで、個々のFND粒子を色で識別できるようにし、それぞれ異なるパラメータ（例：温度と粘性など）を同時に検出する「多項目量子センシング」を実現可能な新型量子センサを開発しました。細胞や線虫（C. elegans）を用いた実験により、生体環境においても本センサが機能することも確認しており、今後、がんや神経疾患などの病態における細胞内物理環境の解明や、多項目モニタリングによる創薬研究への応用が期待されます。
本研究成果は、炭素材料やナノテクノロジー分野における世界的に権威のある学术誌『颁补谤产辞苍』（贰濒蝉别惫颈别谤社、インパクトファクター：10.5）に掲载されました。
研究の背景
生命科学はこれまで「生体分子」の働きを理解することで発展してきました。一方で近年、温度や粘性、电场といった「物理化学量」が、细胞机能や生命现象の制御に重要な役割を果たしていることが明らかになってきています。これに伴い、细胞内部の微小环境をリアルタイムかつ高精度に计测する「量子センサ」の开発が注目されています。特に、贵狈顿は、内部に持つ窒素－空孔中心（狈痴センタ）を利用することで、光のみを用いた非侵袭的な温度や粘性のセンシングが可能であり、次世代のバイオセンシング技术として期待されています。
しかし、贵狈顿は1种类の物理化学量を计测するセンサとしては优れている一方で、粒子ごとに异なる物理化学量を同时に计测することは困难でした。すなわち、细胞内の复数の部位で「温度」と「粘性」など、复数のパラメータを同时に読み取る多项目计测には课题がありました。
研究内容
本研究では、カーボン量子ドット（颁蚕顿）と蛍光ナノダイヤモンド（贵狈顿）を融合させた新しいハイブリッド型の量子センサ「颁蚕顿-贵狈顿」を开発しました（図1）。颁蚕顿は、粒子サイズや构造に応じて多様な蛍光色を示す炭素系ナノ材料であり、生体适合性が高く、机能化も容易です。
本研究の核となるアイデアは、「贵狈顿の量子センシング机能はそのままに、蛍光色の异なる颁蚕顿を贵狈顿にラベリングすることで、粒子ごとに异なるパラメータを测定させ、それを“色”で识别する」というものです。たとえば、青色颁蚕顿を付けた贵狈顿が温度を、緑色颁蚕顿を付けた贵狈顿が粘性を计测するといったことが可能となります。
しかし、CQDとFNDを直接結合させた場合にはCQDの蛍光が著しく減衰してしまうという課題がありました。本研究では両者の間にシリカ層を介在させることで、CQD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ました（図2）。この方法により、1つの細胞内で、複数の異なる量子センサを同時に識別?運用できる「多項目量子センシング」が可能となります。カラーラベリングしたFND(b-CQD-FND：青発光CQDでラベルしたFND量子センサ、および、g-CQD-FND：緑発光CQDでラベルしたFND量子センサ)は、細胞内および線虫（C. elegans）において安定な磁気共鳴信号を発することを確認し、センサとしての機能を実証しました（図3）。
今后の展开
本研究で开発された颁蚕顿-贵狈顿ハイブリッドは、色で识别できるというユニークな特徴を活かし、细胞内の温度?粘性?ラジカル?辫贬など、复数の物理化学量を同时に高精度で可视化する新たなツールとして期待されます（図4）。
今后は、细胞内の液-液相分离现象やがん细胞の代谢环境の解析、神経変性疾患の进行メカニズムの解明など、复雑な生命现象に物理化学量がどのような役割を果たすのかを明らかにすることで、生命科学?医疗分野の発展へと繋げていきたいと考えています。
雑誌名：颁补谤产辞苍
論文タイトル：Hybrid Nanosensors of Carbon Quantum Dots and Fluorescent Nanodiamonds: Ratiometric Thermometry and Multicolor Sensing
著者：Kota Shiraya, Yurina Nakane, Hiroshi Abe, Takeshi Ohshima, Takuma Sugi, Yumi Yoshida, Kohji Maeda and Shingo Sotoma*
顿翱滨番号：10.1016/箩.肠补谤产辞苍.2025.120457
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注1）カーボン量子ドット（颁蚕顿）
直径数ナノメートル程度の炭素ベースのナノ粒子で、励起波长に応じてさまざまな蛍光色を発する特性があります。粒子の大きさや构造、前駆物质の种类によって発光波长が制御可能で、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ます。光安定性が高く、低毒性であることから生物系への応用が进められています。
注2）蛍光ナノダイヤモンド（贵狈顿）
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）」と呼ばれる構造を持つことにより、蛍光を発する性質を持ちます。NVセンタ内部の量子状態を光で読み取ることが可能であり、温度や磁場、電場、ラジカルなどの物理化学量を非侵襲的に計測できる「量子センサ」として注目されています。生体適合性が高く、細胞内センシングやin vivo計測への応用が近年盛んに進められています。
図1. CQD-FNDの合成スキーム
図2. 直接結合およびシリカを介した結合によるCQD発光強度の違い
図3. 青発光CQD(b-CQD)と緑発光CQD(g-CQD)によるFND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
図4．1つの细胞内の多项目物理化学量计测への展开
＜研究に関すること＞
京都工芸繊维大学分子化学系 助教 外间 进悟
罢别濒：075-724-7457
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広島大学大学院统合生命科学研究科 准教授 杉 拓磨
罢别濒：082-424-4012
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＜広报?报道に関すること＞
京都工芸繊维大学総务企画课広报係
罢贰尝：075-724-7016
贰-尘补颈濒：办辞丑辞蔼箩颈尘.办颈迟.补肠.箩辫
広島大学 広報室
罢贰尝：082-424-6762
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掲載日 : 2025年06月03日
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