立石科学技術振興財団

助成研究成果集(第32号) 2023

［ 研究助成 (A) ］

ダイヤモンドスピン偏極増幅器による人体分子 MRI の実現
Realization of human body molecule MRI by formation of diamond spin polarization amplifier
2221005

研究代表者

量子科学技術研究開発機構
量子生命科学研究所主任研究員

石綿整[研究の内容，成果][研 究 の 目 的]
核磁気共鳴イメージング (MRI) は人体解析

1．MRI の課題とダイヤモンド中の NV センタ

技術としてあらゆる疾病・疾患の原理解明に大核磁気共鳴イメージング (MRI) は，非侵襲きく貢献してきた。しかし，検出される分子の(体を傷つけることなく) な体内計測が可能でシグナル (偏極) が微弱であるため検出可能なあるため，医療現場で広く用いられている画像分子が高濃度に生体内に存在する水分子に限ら診断技術である。通常は生体内に豊富に存在すれている。これまで分子のシグナルを増強するる水や脂質を画像として取得し，臓器や異物の手法として，偏極分子やナノ構造を用いた動的形や大きさを見て診断を行う。MRI は様々な核偏極法 (DNP) に関する研究が行われてき分子を画像化することで人体における疾患解析た。しかし，理想の偏極源として高い偏極率をに応用可能だが，検出感度に大きな制約が存在長い時間保持する材料が存在せず，目的分子をすることで多様な応用の実現が困難である。

偏極する理想材料の開発が必要である。ダイヤ

MRI における分子検出では生体内分子が有す

モンド中の NV センタは固体量子センサの中る核スピンの偏極 (スピンの向きの偏り) が利で最も高い磁気感度を室温で有し，高い偏極率用されており，この偏極は熱偏極により物理的を長い時間保持することが可能である。そこでに定義され，室温において非常に小さい値を持

本研究では高密度 NV センタを表面近傍に生

ち MRI 計測の感度の限界を決定している。例

成し，表面化学修飾と組み合わせることにより，えば，体内での MRI を用いた腫瘍状態解析と超高感度分子 MRI に向けたダイヤモンドスピ

疾患診断の実現には，熱偏極により決定する低ン偏極増幅器を開発する。次世代量子材料であい偏極率を改善することが必要である。この問るダイヤモンドを利用し，既存の医療デバイス題を解決する技術として動的核超偏極法の応用を促進することで人間と機械の調和を促(DNP 法) が注目されている。この技術は，高進する。本研究を遂行することにより，MRIい偏極率を有する分子を用いて観測対象分子にによる体内分子計測システムの実現に向けた初偏極を転写し，MRI 感度を向上させる量子操期技術を開発し，創薬・病状早期発見などの医作技術である。MRI 感度の向上に向けて操作療応用を実現する。

技術は確立しているが，理想の偏極源の追求が課題であり，高い偏極率を長い時間保持する材料が必要とされている。
― 1 ―立石科学技術振興財団

ダイヤモンド固体中に存在する NV センタ

センタは電子スピンを持っており，窒素と超微は電子スピンを用いた量子センサである。NV細相互作用している。これまでダイヤモンド結センタの電子スピンは室温において長いコヒー晶中でのスピン偏極は 13C を利用した報告が主レンス時間を有する。また，マイクロ波によるである。そこで本研究では P1 センタを偏極スピン状態制御，光照射によるスピン状態の初ターゲットとして検出・操作する手法を確立し，期化と読み出しが可能である。1 nm 程度の非NV センタを用いた DNP 法の実現に向けて量常に小さい量子センサであり，観測対象から子操作を確立する。

10 nm 以下の領域に配置することで他の技術では 室 温・生 体 環 境 で は 不 可 能 で あ っ た 〜 (5nm) 3 程度の体積からの NMR 計測による単一タンパク質解析や，単一分子が有する電子スピン検出による DNA 検出が可能であり。非常に高感度な次世代量子技術として注目されている。

図2

DEER を用いた P1 制御

図 2 に NV センタを利用した P1 センタの検出法を示す。NV センタに対する操作に同期する形で P1 センタの電子スピンの操作を並行して行う。NV センタにはスピンエコー法を実装
図1

超高感度分子 MRI の実現する，同時に P1 センタに π パルスを与えるこ本研究では NV センタ特有の高い偏極率をとで P1 センタのスピン位相を反転し，P1 セ長い時間保持する特徴を利用し，この高感度量ンタの量子操作を NV センタの量子状態に反子センサを計測でなく偏極材として利用する。

映させる。P1 センタの電子スピン操作に用い高密度 NV センタを表面近傍に生成し，表面るラジオ波の周波数を変更しながら上記操作を化学修飾と組み合わせることで目的分子との距行うことで，P1 センタの電子スピン状態に対離を極限まで短くし，ダイヤモンドスピン偏極応する周波数において P1 センタと NV センタ増幅器を開発する。新しい偏極材料を利用し，の相互作用を変化させる。本研究では NV セ

超高感度分子 MRI を実現することで既存の医ンタを用いてこの変化を検出する。二つの電子療デバイスの応用を促進し，人間と機械の調和スピンの状態に対して行うこのような量子操作を促進する。

は 二 重 電 子 電 子 共 鳴 (Double Electron Electron Resonance (DEER)) と呼ばれている。図2．ダイヤモンド固体中のスピン操作

3 に DEER により NV センタにおいて検出さダイヤモンド結晶中には NV センタ以外にも主に二つのスピンが存在している。炭素で構成されるダイヤモンド結晶には炭素の天然存在比に対応した炭素の同位体 13C が存在し，その比率は約 1% 程度である。また，ダイヤモンド結晶中の NV センタ形成には NV センタの N(窒素)に対応する窒素を導入する必要があるが，その窒素のうち 9 割以上が NV センタでなくP1 センタ (置換窒素) の状態を形成する。P1― 2 ―

図3

検出された P1 DEER スペクトラム

Tateisi Science and Technology Foundation

れた P1 スペクトラムを示す。
P1 センタに存在する電子スピンは近傍の窒素 (N14) に起因する核スピンと超微細相互作用 (Hyperfine coupling) しており，検出された P1 センタのスペクトラムには 14 N 核スピンに由来した超微細相互作用が観測されている。
検出されたスペクトラムにおける P1 センタの超微細結合を定量的に評価するために P1 センタの電子スピンと 14N の核スピンに対応するハミルトニアンを定義し，量子計算を行った結果

図5

P1 操作に対応する P1 ラビ計測の結果を図 4 に示す。
P1 センタの電子スピンの操作を NV センタにより検出されていることがわかる。
3．ダイヤモンド表面への化学修飾法の検証
NV センタ近傍に存在する電子スピン (P1センタ) の操作を証明することで NV センタ近傍に存在する NV センタ以外のスピンの操作を証明した。
最終的な目的である表面に固定された分子へ
図4

量子計算された P1 DEER スペクトラムの偏極を実現するため，ダイヤモンド表面への量子計算の結果と今回計測された結果は完全

目的分子の化学的固定法を検証した。ダイヤモに一致しており，今回の手法を用いて P1 セン

ンド基板表面に酸素処理を行い，表面の化学結タを操作し，NV センタを用いて P1 センタを合を X 線光電子分光法 (X-ray Photoelectron検出したことが確認された。量子計算では NV

Spectroscopy (XPS)) を計測することで確認

センタにおいて検出された磁場の値を利用し，した。ダイヤモンド表面にはグラフファイトにダイヤモンド結晶中 (111) 方向に磁場が印加対応する sp 2 成分，ダイヤモンドに対応するしている状況を考慮している。過去の実験結果

sp 3 成分だけでなく，ダイヤモンド表面に存在から，NV センタは (111) 等価方向にのみ存する炭素，酸素，水素は複雑な結合状態を示し，在することを仮定している。

C-H x, C-O-C 等様々な結合状態を取りうる。

さらに P1 センタの量子操作と NV センタに偏極標的分子の固定にはカルボキシル基よる検出を検証するため P1 センタのラビ計測(−COOH) の生成が必須である。本研究ではを P1 量子操作と NV センタでの検出により検ダイヤモンド表面におけるカルボキシル基生成証した。図 5 に P1 ラビ計測の結果を示す。P1法の一つである硝酸と硫酸による熱混酸処理をを操作するためのラジオ波の印加時間を変更さ330℃で 1 時間行い，表面状態を XPS にて検証せながら NV センタのコントラストへの影響することで化学修飾に必要となるカルボキシルをプロットしたものを図 5 に示した。P1 セン基の形成を確認した。

タへのラジオ波の印加時間を変更することによ

XPS によるダイヤモンド基板表面に存在すり，P1 センタの量子操作による NV センタのる原子の検証をまずは 200-1200 eV の広範囲コントラストの変化が明確に検出されており，における XPS 計測により検証した結果を図 6― 3 ―立石科学技術振興財団

結果を示す。COOH に対応するピークの強度は低いため，COOH 近傍の C1s ピークスペク
トラムを図 8 に示す。ダイヤモンド基板表面に
お い て 観 測 さ れ た C1s ピ ー ク に は sp 2, sp 3,C-H x, C-O-C, C=O, COOH に 対 応 す る ピ ークが確認された。ピーク成分の対応には X 線によるダイヤモンドサンプルのチャージングの影響が考えられるため計測される結合エネルギーだけでは定量できない。そこで過去の参考
図6

文献における報告値を参考に sp 2, sp 3に対応す

XPS によるダイヤモンド表面の解析結果

るピークを基準に相対的に結合エネルギーの値に示す。スペクトラムから炭素に対応する C1sを評価することで決定している。

ピークと酸素に対応する O1s ピーク，酸素にピークフィッティングの結果得られたそれ対応する Auger ピークの 3 つが観測されていぞれのピーク値に対応する面積比を図 9 に示る。広範囲における XPS 計測の計測結果からす。面積比としては 1% と低い値ではあるがダイヤモンド表面が熱混酸処理により酸化してCOOH に対応するピークが観測されておりカいることが確認できる。

ルボキシル基の生成が確認出来る。このように

図 7 に熱混酸処理を行ったダイヤモンド基板

熱混酸処理後のダイヤモンド基板表面を XPS上において検出された XPS の C1s ピーク解析にて解析することでダイヤモンド表面に分子固定の最初のプロセスとなるカルボキシル基の形成を確認した。

図9

C1s ピークの解析結果

4．今後の展望
これまでの研究成果によりダイヤモンド結晶中の量子操作による NV センタ近傍に存在す
図7

XPS による C1s ピークの解析結果

る電子スピン (P1 センタ) の操作を証明し，
NV センタ近傍に存在する NV センタ以外のスピンの操作を証明した。また，ダイヤモンド表面に対する酸処理を行い XPS を用いて表面結合状態を解析することで表面への分子固定に必要となるカルボキシル基の形成を確認した。今回の研究によりダイヤモンド中のスピン操作技術，ダイヤモンド表面の化学検証法が確立した。
今後カルボジイミド (EDC) 架橋反応を行い偏極の目標となるタンパク質や分子をダイヤモンド表面に固定し，DNP を 13C や P1 センタ

図8C1s ピーク COOH 近傍の解析結果を利用して行うことで目標分子の偏極率を検証― 4 ―Tateisi Science and Technology Foundation

明に必須の技術である。量子計測を用いた生体する必要がある。
本研究成果は今後 MRI における超高感度人体分子計測の重要な初期過程を証明するだけで分子の操作・検出は量子生体領域における発展が期待される。

なく，今後量子センサと生体分子の相互作用解― 5 ―