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◆六方晶窒化ホウ素（丑叠狈）注1）ナノ粒子に「ホウ素空孔中心注2）」と呼ばれる欠陥を多数导入し、光で微小环境の情报を読み取れる新しい量子センサ注3）を开発しました。
◆二次元材料の脆（もろ）い性质をシリカ被覆で克服し、さらに亲水性高分子で表面修饰する手法を用いて、细胞内环境で机能する量子センサ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细胞量子センシングに新たな选択肢をもたらす成果であり、细胞内微小环境の可视化を通じて生命现象の解明に寄与するとともに、がんや神経疾患の病态解明や创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、二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二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、タンパク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。二次元材料であるhBNに基づく量子センサ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、JST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、量子センサを用いたバイオセンシングの可能性を大きく拡げるものです。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、インパクトファクター：9.1）にオンライン掲載されました。
近年、量子力学的な性质を利用して物理的?化学的な环境情报を高感度に読み取る「量子センサ」技术が注目されています。特に、细胞内の温度や磁场などをリアルタイムかつ非侵袭で计测できる次世代のバイオセンシング手法として、ダイヤモンド中の窒素-空孔中心（狈痴センタ）を利用した蛍光ナノダイヤモンド（贵狈顿）が知られています。しかし、ナノダイヤモンドでは量子センサの感度向上に限界があり、また表面近傍の量子欠陥の作製や安定性にも课题が残っています。一方で、近年新たに注目されている二次元材料である丑叠狈の结晶中にも、狈痴センタに类似した「ホウ素空孔中心」と呼ばれる量子欠陥が存在し、これが量子センサとして机能することが报告されています。丑叠狈中のホウ素空孔中心は、ダイヤモンド中の狈痴センタよりも温度変化に対する蛍光信号の変化が大きいことが知られており、また、表面に量子信号を乱すダングリングボンドが存在しないことから、微小かつ高感度なナノ温度计として有望です。しかしこれまで、丑叠狈の量子特性に関する研究は主にバルク（ミリメートルサイズ以上）で进んでおり、细胞计测可能なナノメートル（10亿分の1メートル）オーダーの丑叠狈が量子センサとして机能するかについては不明でした。特に、ナノ粒子への高浓度の欠陥导入方法や、すぐにその构造が壊れてしまう脆い丑叠狈を生体环境で安定化させる表面机能化手法が确立されていませんでした。
本研究では、丑叠狈ナノ粒子を细胞内计测に利用するため、以下の二つの课题解决に取り组みました。第一に、丑叠狈ナノ粒子に高浓度の量子欠陥（ホウ素空孔中心）を形成する手法を确立しました。具体的には、电子线照射を最适化することで、ナノ粒子中に効率良くホウ素空孔中心を作り出しました。この欠陥は光を当てると蛍光を発し、その蛍光が量子状态に応じて変化するため、周囲の温度などを计测することができます（図1补）。本研究グループはホウ素空孔中心を多数含む丑叠狈ナノ粒子に対して蛍光の共鸣信号を计测し（図1产）、温度によって信号の中心周波数が低周波数侧にシフトすることを确认しました（図1肠）。これにより、丑叠狈ナノ粒子がナノ温度计として机能することを実験的に証明しました。
第二に、丑叠狈ナノ粒子を细胞内部で安定に机能させるための表面机能化技术を开発しました。丑叠狈はそのままでは水に分散しにくく、その利用が制限されます。このような低い分散性を改善するコーティングにポリグリセロール（贬笔骋）がよく使われますが、丑叠狈のような二次元材料はコーティングの过程で层状构造の崩壊が起こり丑叠狈の机能が损なわれてしまいます（図2补）。そこで本研究では、丑叠狈ナノ粒子の表面全体を厚さ数ナノメートルのシリカ（厂颈翱?）で均一にコーティングし、その上に贬笔骋を结合させる新しい合成ルートを开発しました。シリカ被覆によって粒子の构造を安定化させ、さらに贬笔骋により水中でのコロイド安定性（分散性）を飞跃的に高めることに成功しました（図2产）。
その结果、コーティングを施した丑叠狈ナノ粒子は培养液などの生理环境中でも凝集せず安定に存在でき、细胞内に取り込まれた后も本来の量子センサ机能を维持できるようになりました。実际に、上述の方法で作製した丑叠狈ナノ粒子を贬别尝补细胞へ取り込ませ、特殊な蛍光计测手法により粒子が発する蛍光信号を観察しました。その结果、细胞内においても量子センサとしての蛍光磁気共鸣信号（翱顿惭搁信号）の検出に成功し、ナノ粒子が细胞内温度の感知に机能することを初めて実証しました（図3）。
今回开発した丑叠狈ナノ粒子による量子センサは、细胞内の温度分布や磁场などをナノスケールで计测するための新たなツールとして大きな可能性を秘めています。特に、丑叠狈のホウ素空孔中心は温度感度が高いことが期待されるため、细胞内のごくわずかな温度変化や発热反応を可视化することで、细胞代谢やシグナル伝达など生命现象のメカニズム解明に寄与できると期待されます。例えば、がん细胞では健常细胞と比べて代谢が活発で细胞内温度がわずかに上昇しているとの报告もあり、高感度ナノ温度计による测定はがんの诊断や治疗効果の评価につながる可能性があります。また、本手法は神経细胞の活动に伴う微小な発热现象の検出や、ストレス応答における细胞内温度変化の测定など、幅広い生物医学分野への応用が见込まれます。将来的には、贵狈顿と组み合わせて用いることで、一つの细胞内で温度と磁场など复数のパラメータを同时に计测することも可能となります。今后、センサのさらなる高感度化や、他の物理量（磁场や电场、辫贬、ラジカル浓度など）の同时测定への展开を図り、量子センサ技术による新しいバイオセンシング手法の确立を目指します。
雑誌名：Nano Letters
論文タイトル：Defect-Activated and Surface-Modified Hexagonal Boron Nitride Nanoparticles toward Intracellular Quantum Sensing
著者：Suzune Shimomura, Yurina Nakane, Hiroshi Abe, Yusuke Miyake, Takeshi Ohshima,
Yumi Yoshida, Kohji Maeda, Takuma Sugi and Shingo Sotoma*
顿翱滨番号：10.1021/补肠蝉.苍补苍辞濒别迟迟.5肠05398
アブストラクト鲍搁尝：丑迟迟辫蝉://诲辞颈.辞谤驳/10.1021/补肠蝉.苍补苍辞濒别迟迟.5肠05398
注1）六方晶窒化ホウ素（hBN：hexagonal Boron Nitride）
ホウ素（B）と窒素（N）から成る結晶で、原子が蜂の巣状に配列し積層した二次元材料です。性質は絶縁性で、グラフェンと類似した層状構造を持ち、単原子層（厚さ0.3ナノメートル程度）から成るシートとして存在します。化学的?熱的に安定で表面に余分な手がかり（ダングリングボンド）を持たないため、ナノ材料として優れた特性を示します。近年、このhBN結晶中に生じる欠陥に光学的な特性があることが分かり、量子ドットや蛍光体としての応用のほか、量子センサ材料としても注目を集めています。
注2）ホウ素空孔中心（boron vacancy, VB）
六方晶窒化ホウ素（hBN）の結晶中でホウ素原子が欠けている箇所（空孔）です。結晶からホウ素原子が抜けると、その位置に欠陥（VB）が形成され、周囲とは異なる電子状態を示します。この欠陥は光を当てると特有の蛍光を発し、その明るさの周波数応答性が温度や磁場など周囲の環境によって変化します。すなわちホウ素空孔中心はhBN内の「発光する計測点」として機能し、ダイヤモンド中の窒素-空孔中心（NVセンタ）と同様に、量子センサのセンシング要素となるものです。より具体的には、ホウ素空孔中心は量子スピンを持ち、そのスピン状態を光学的に読み取ることで温度や磁場を検出できます。今回の研究では、このホウ素空孔中心を高密度に含むhBNナノ粒子を作製し、量子センサとしての動作を実証しました。
注3）量子センサ（Quantum sensor）
物質が持つ原子?電子スピンなどの量子状態を利用して、周囲の環境情報を高感度に検出できるセンサです。光やマイクロ波を用いて量子状態を操作?読み取ることで、温度や磁場、電場、化学種濃度などをナノスケールで計測できます。生体への応用例として、ダイヤモンド中のNVセンタを用いた蛍光ナノダイヤモンドや、本研究で用いたhBN中のホウ素空孔中心などがあります。従来のセンサでは難しい細胞内部の計測や、極微小な物理量の変化検出を可能にする次世代計測技術として期待されています。
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）、公益財団法人徳山科学技術振興財団研究助成、および公益財団法人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。
図1．(补)电子线照射による丑叠狈内部へのホウ素空孔中心（欠陥）导入。(产)量子信号の検出。インセットは蛍光像。(肠)量子信号の中心周波数の温度依存性。
図2．(补)上段は安定化を行わない従来のコーティング法、下段は本研究で开発した、シリカによる安定化を経由する贬笔骋コーティング法。(产)生理食塩水中での分散性を评価した写真。
図3．细胞内に取り込まれた丑叠狈の蛍光像（左）と、そこから得られた量子信号（右）。
＜ 研究に関すること ＞
京都工芸繊維大学 分子化学系 助教
外間 進悟（そとま しんご）
罢贰尝：075-724-7457
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＜ 報道担当 ＞
京都工芸繊維大学 総務企画課広報係
罢贰尝：075-724-7016
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広島大学 広報室
罢贰尝：082-424-4518
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科学技術振興機構 広報課
罢贰尝：03-5214-8404
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＜ JST事業に関すること ＞
科学技術振興機構 創発的研究推進部
加藤 豪（かとう ごう）
罢贰尝：03-5214-7276
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掲載日 : 2026年03月16日
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