ＯＤＭＲ（光検出磁気共鳴）
温度測定方法岡山大学 学術研究院自然科学学域
大学院自然科学研究科
地球生命物質科学専攻研究教授 藤原 正澄
2022年9月29日
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技術開発に関する研究者個人の動機• 方向性• 機能性ナノ粒子を用いた新しいナノ計測技術を開拓• 量子現象を測定・制御することで新しい分析技術を提示• 信条• 物理・化学・生物をまたぐ学際基礎研究• 応用的研究は、他分野の基礎研究である• 分析技術は、「使ってもらってこそ、価値がある」

ナノ温度計はどのように役に立つのだろうか？

本資料の構成• 研究者がこれまで主に研究を行ってきた、バイオ計測での技術開発や結果を紹介• バイオ計測分野に限らず、温度計としての様々な用途の可能性を議論

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生体の温度計測

体内深部温度計測

調子が悪いと…
代謝や炎症の指標

約1 mm
最小の温度計でも50 mm
細胞レベルの温度計測には困難• 温度の重要性は認識されているが…
• 積極的に計測・制御される事は多くない（基本的に温度一定）
4細胞レベルの温度計測（蛍光ナノ温度計）
有機分子：分散性・特異性

無機ナノ粒子：安定・長期間
蛍光ナノダイヤモンド

Dyes

PolymerKriszt et al.,Sci. Rep. 7, 1383 (2017).

Fibroblast: laser heatingNeuron: nontoxic

量子ドット

Okabe et al.,Nat. Commun.
3, 705 (2012).

Kucsko et al.,Nature 500, 54 (2013).

Stem cells

Simpson et al.,
Yukawa, Fujiwara et al.,ACS Nano 11, 12077 (2017).
In review (2019).

Yang et al.,ACS Nano 5, 5067 (2011).

Ag2S NIR

Tanimoto et al.,Sci Rep. 6: 22071 (2016). Rosal et al.,Adv. Funct. Mater.
28, 1806088 (2018).
NIH/3T3 cells: Ca+ addition

5光検出磁気共鳴（ODMR）がベース
ナノダイヤモンド中の窒素欠陥（NV）中心

光検出磁気共鳴（ODMR）
レーザー

温度シフト
蛍光

蛍光検出とマイクロ波照射を組み合わせた技術であり、右図共鳴周波数の温度シフトを読むことで温度計測
7光検出磁気共鳴のメカニズム
光検出磁気共鳴（ODMR）

温度シフト• 2.87 GHz付近が共鳴周波数• 項間交差による非輻射緩和が誘起される
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ダイヤモンドナノ粒子に関して
市販ダイヤモンドナノ粒子の写真

https://www.adamasnano.c
om/product-technical-info/

合成（高温高圧・CVD）

NV形成（電子線照射・アニール）
粉砕（ボールミル）• バルク結晶ダイヤモンドから作製する場合が多い（爆縮法による場合もある）• 表面にグラファイトが発生するため、その除去も重要• 表面化学修飾は、表面のOHやCOOHを足場とする事が多い
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NV中心による量子センシング
磁場：
強磁性ドメイン壁

ランダム磁場：
回転ブラウン運動

Tetienne et al.,Science 344, 1366 (2014).

Fujiwara et al.,Sci. Reports 8, 14773 (2018).

電気：デバイスの電界分布

Iwasaki et al.,ACS Nano 11, 1238 (2017).

ダイヤモンドの色欠陥中心を利用して超高感度計測

温度：細胞内温度

Kucsko et al.,Nature 500, 54 (2013).

ナノダイヤモンドに関する最近の関連論文
Fujiwara et al., ACS Appl. Nano Mat. 2, 3710 (2019).
Fujiwara et al., RSC Adv. 9, 12606-12614 (2019).

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高速化：多点ODMR計測と粒子トラッキングの融合• 高速化のために4点（6点）を計測し、バランスで測定• 温度計測と高速粒子トラッキングの融合による実用性

12光環境の変化に対するアーティファクト補正
レーザー強度を変化

蛍光強度を変化• 事前にアーティファクトの光強度依存性を測定• 蛍光強度に補正フィルタをかける

補正前

補正前

• 特に低光域で数℃のずれ• 要因：①装置特性（～10%）
APD非線形性，DAQ確度②ODMRの光依存性（～90%）補正後補正後37℃一定

MF et al., Sci. Adv. 6, eaba9636 (2020).
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ガラス上のND温度制御
NDs oncoverslip

レンズの温度を３℃ステップで変化

粒子依存性

n=5Heating
objective

蛍光強度

蛍光強度

温度測定

温度測定

• ３℃変化で6μmドリフトする（100 nm/s）→追従・正確な温度計測• -65.4 kHz/Kと決定→

既報の-74kHz/Kより小さめ（試料依存・校正難）
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線虫（C. elegans）への蛍光ND導入
麻酔による固定

Zhao, Komatsu et al.,Angew. Chem. Int. Ed.
58, 17918 (2019).
Angew. Chem. Int. Ed.
, 1388 (2011).

100 um生殖腺• Polygrycerol (PG) 修飾の蛍光ＮＤ（高い水分散性）を生殖腺に注射• 一日リカバリー後に観察。Young adult (Bristol N2)
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線虫への温度ショック（温度感受性研究など）
BF + Red (merge)

ODMR

PL int.
Temperature
10 mm

線虫体内で動く蛍光NDを追跡しながら、外部温度変化を体内で計測することに成功
MF et al., Sci. Adv. 6, eaba9636 (2020).
16線虫の薬剤刺激（ミトコンドリア脱共役剤）• 薬剤刺激による温度上昇を観測• 温度の定量値に関しては今後の課題（dD/dT, 他の要因など）
MF et al., Sci. Adv. 6, eaba9636 (2020).
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従来技術とその問題点
既に実用化されているものには、ローダミン色
素の蛍光温度依存性による方法等があるが、微小環境に起因するアーティファクトが発生耐久性が低く、色素の褪色が問題等の問題があり、広く利用されるまでには至っていない。
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従来技術との比較• 従来技術の問題点であった、温度精度・確度を改良することに成功した。
（精度±0.14℃、確度）• 上記の実験では、４時間は少なくとも安定して温度が測定可能（別に24時間以上は確認しており、実際にはほぼ寿命はない）

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想定される用途• ターゲットの最表面の温度測定• ナノ材料の熱分析• 微小生体試料の温度測定• 薄膜製造技術や半導体製造技術の品質管理• 化粧品や食料品の熱分析技術

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実用化に向けた課題• 現在、顕微鏡に取り付け可能な装置の実機を構築済。
しかし、カメラなどの光検出機がユーザーによって異なるため、適合させるためのソフトウェア開発には多少時間がかかる• 実用化に向けて、ナノ温度計があればどのようなことができるか？という点をアプリケーション開発している（温度管理技術、熱分析技術として）

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企業への期待• ナノ温度計の技術背景は全て確立しているため、特定のアプリケーションにおいて実証研究を共に進められるような共同研究• 「空間情報を有する熱分析技術）」があればよいと考えておられる企業と意見交換を希望• 主に工業用途を探索しているが、バイオ分析などの分野でも共同研究は継続して探索中

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本技術に関する知的財産権• 発明の名称 ：ＯＤＭＲ（光検出磁気共鳴）温度測定方法• 出願番号 ：特願2019-124578
PCT/JP2020/024945
• 出願人
：岡山大学
• 発明者
：藤原正澄
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お問い合わせ先
岡山大学
研究推進機構 知的財産本部
TEL：086-251-8417
FAX：086-251-8961
e-mail：cr-ip@okayama-u.ac.jp
URL：http://www.orsd.okayama-u.ac.jp/
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