Multimodal quantum sensing for reliable nanothermometry

• Project/Area Number: 20KK0317
• Research Category: Fund for the Promotion of Joint International Research (Fostering Joint International Research (A))
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Review Section: Medium-sized Section 28:Nano/micro science and related fields
• Research Institution: Okayama University (2021-2023); Osaka City University (2020)
• Principal Investigator: 藤原 正澄 岡山大学, 環境生命自然科学学域, 研究教授 (30540190)
• Project Period (FY): 2021 – 2024
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2023)
• Budget Amount: ¥14,040,000 (Direct Cost: ¥10,800,000、Indirect Cost: ¥3,240,000)
• Keywords: 蛍光ナノダイヤモンド / 温度計測 / プラズモン / 温度測定 / 量子計測

Outline of Research at the Start

本国際共同研究では、蛍光ナノダイヤモンドを用いたナノ温度測定を異なる測定原理にもとづく複数の測定モードで同時に行うマルチモーダル温度量子センシング技術を開発する。これにより、ナノ温度計測において障壁となる測定アーティファクトを削減し、高い信頼性を有する生体内温度計測として基課題に技術移植し、生体内一細胞温度のより精密な定量を実現する。外国研究者としては、蛍光寿命量子センシングハイブリッド技術を有するBenson教授（独国）がホスト研究者として参画する。また、微細加工や補償光学実装に関して、Schroeder博士（独国）・Patton博士（英国）が協力者として参画する。

Outline of Annual Research Achievements

本国際共同研究では、蛍光ナノダイヤモンドを用いたナノ温度測定を異なる測定原理にもとづく複数の測定モードで同時に行うマルチモーダル温度量子センシング技術を開発する。これにより、ナノ温度計測において障壁となる測定アーティファクトを削減し、高い信頼性を有する生体内温度計測として基課題に技術移植し、生体内一細胞温度のより精密な定量を実現する。外国研究者としては、蛍光寿命量子センシングハイブリッド技術を有するBenson教授（独国）がホスト研究者として参画する。また、微細加工や補償光学実装に関して、Schroeder博士（独国）・Patton博士（英国）が協力者として参画する。
2023年度は本格的な長期渡航による共同研究を実施した。ナノダイヤモンドの共焦点顕微鏡系の再構築、および、ODMR測定系の再構築を行った。また、蛍光寿命測定に必須のパルスレーザー励起による測定も可能とした。これをもとに、生体試料内の蛍光ナノダイヤモンド寿命測定を行った。温度測定については、Benson教授研究室のメンバーと共に、より生体環境に近い状況で行うことを今後予定している。また、金や銀のナノ粒子構造がナノヒーターとして働くことから、プラズモン励起による極微少熱源によるナノダイヤモンド温度計校正法という着想を、Benson教授との議論で得たため、この実験にも取り組んだ。AFMを用いてこれらナノ粒子を位置操作しつつ、ナノ熱加熱実験系の構築を行った。現在、論文化のメドが立ちつつあるが、より詳細な補完実験、追実験を加える必要があり、遂行中である。また、今回の渡航では、関連研究分野の研究者を、ドイツ・英国・フランスに積極的に訪問し、研究議論・意見交換を行った。この中から、本研究をより発展させることが可能なアイデアも生まれ、これについても今後取り組む予定である。

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

2023年度に通算半年以上の渡航を行うことができ、研究を進展させることができたため。

Strategy for Future Research Activity

2023年度の渡航によって行った研究により、7割方の実験が完了した。一方、残り3割については、実験は主にBenson教授研究室の大学院生とKews博士が継続している。今年度は、この継続実験の結果に関する議論や追実験を行うための渡航を予定している。また、新たなドイツの研究者（Kaiserslautern大・Widera教授）と研究議論・意見交換を積極的に行った結果、スピン寿命測定をもとにした温度測定、高精度化技術の可能性が生まれたため、これに関する研究も今年度遂行する。

Research Products

• [Journal Article] Diamond quantum sensors in microfluidics technology (2023)
  • Author(s): Masazumi Fujiwara
  • Journal Title: Biomicrofluidics Volume: 17 Issue: 5 Pages: 54107-54107
  • DOI: 10.1063/5.0172795
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Glass-patternable notch-shaped microwave architecture for on-chip spin detection in biological samples (2022)
  • Author(s): Oshimi Keisuke、Nishimura Yushi、Matsubara Tsutomu、Tanaka Masuaki、Shikoh Eiji、Zhao Li、Zou Yajuan、Komatsu Naoki、Ikado Yuta、Takezawa Yuka、Kage-Nakadai Eriko、Izutsu Yumi、Yoshizato Katsutoshi、Morita Saho、Tokunaga Masato、Yukawa Hiroshi、Baba Yoshinobu、Teki Yoshio、Fujiwara Masazumi
  • Journal Title: Lab on a Chip Volume: ー Issue: 13 Pages: 2519-2530
  • DOI: 10.1039/d2lc00112h
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Presentation] Mobile quantum sensing setup based on Nitrogen-Vacancy centers in diamond (2024)
  • Author(s): Wanrong Li, Oliver Gerull, Mike Johannes, Florian Boehm, Masazumi Fujiwara, and Oliver Benson
  • Organizer: 2024, Spring Meeting of DFG
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] On-chip quantum sensing for cellular analysis with ultrabright 12C-enriched fluorescent nanodiamonds (2024)
  • Author(s): Keisuke Oshimi, Minori Teramoto, Hirokazu Tsuji, Yoshiki Nishibayashi, and Masazumi Fujiwara
  • Organizer: Photonics West 2024
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 蛍光ナノダイヤモンドを用いたプラズマジェット照射下における表面温度計則 (2024)
  • Author(s): 押味佳裕, 藤原正澄
  • Organizer: 第71回応用物理学会春季学術講演会
• [Presentation] 不純物制御蛍光ナノダイヤモンドの評価および生体応用 (2024)
  • Author(s): 押味佳裕, 中島大夢, Mandi? Sara, 小林陽奈, 寺本三記, 辻拡和, 西林良樹, 鹿野豊, 安東秀, 藤原正澄
  • Organizer: 第71回応用物理学会春季学術講演会
• [Presentation] 12C-enriched fluorescent nanodiamonds prepared from CVD-grown diamond (2024)
  • Author(s): Mina Tavakkoli, Keisuke Oshimi, Takaki Arakawa, Tokuyuki Teraji, Masazumi Fujiwara
  • Organizer: 第71回応用物理学会春季学術講演会
• [Presentation] 量子センサ型バイオ分析デバイスの開発 (2023)
  • Author(s): 押味佳裕，中島大夢，藤原正澄
  • Organizer: 量子生命科学会第5回大会
  • Invited
• [Presentation] Evaluating ZIF-8 metal organic framework toxicity using Caenorhabditis elegans model (2023)
  • Author(s): Muhammad Wahyu Nugraha
  • Organizer: 複雑生命系秩序懇談会
• [Presentation] ナノダイヤモンド温度計測を目指した3次元マイクロ波共振器の開発 (2023)
  • Author(s): 中島大夢
  • Organizer: 複雑生命系秩序懇談会
• [Presentation] ナノダイヤモンド内包リポソームの作製と評価 (2023)
  • Author(s): 荒川貴紀
  • Organizer: 複雑生命系秩序懇談会
• [Presentation] Multimodal single cell nanothermalmetabolomic analysis (2023)
  • Author(s): Mandic Sara
  • Organizer: 複雑生命系秩序懇談会
• [Presentation] Glass-patternable notch-shaped microwave architecture for on-chip spin detection in biological samples (2023)
  • Author(s): Keisuke Oshimi, Yushi Nishimura, Tsutomu Matsubara, Masuaki Tanaka, Eiji Shikoh, Li Zhao, Yajuan Zou, Naoki Komatsu, Yuta Ikado, Yuka Takezawa, Eriko Kage-Nakadai, Yumi Izutsu, Katsutoshi Yoshizato, Saho Morita, Masato Tokunaga, Hiroshi Yukawa, Yoshinobu Baba, Yoshio Teki, and Masazumi Fujiwara
  • Organizer: GRS quantum sensing
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Glass-patternable notch-shaped microwave architecture for on-chip spin detection in biological samples (2023)
  • Author(s): Keisuke Oshimi, Yushi Nishimura, Tsutomu Matsubara, Masuaki Tanaka, Eiji Shikoh, Li Zhao, Yajuan Zou, Naoki Komatsu, Yuta Ikado, Yuka Takezawa, Eriko Kage-Nakadai, Yumi Izutsu, Katsutoshi Yoshizato, Saho Morita, Masato Tokunaga, Hiroshi Yukawa, Yoshinobu Baba, Yoshio Teki, and Masazumi Fujiwara
  • Organizer: GRC quantum sensing
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] ナノダイヤモンド温度計測への応用を目指した3次元マイクロ波共振器の開発 (2023)
  • Author(s): 中島大夢，押味佳裕，藤原正澄
  • Organizer: 日本物理学会第78回年次大会
• [Presentation] ナノダイヤモンド温度計測への応用を目指した3次元マイクロ波共振器の開発 (2023)
  • Author(s): 中島大夢，押味佳裕，藤原正澄
  • Organizer: 応用物理学会秋季学術講演会
• [Presentation] Preparation and imaging of longitudinally sectioned C. elegans (2023)
  • Author(s): Sara Mandic, Bryn Flinders, Michiel Vandenbosch, Ron M.A. Heeren, Masazumi Fujiwara
  • Organizer: 1st IMSIS Conference
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] ナノダイヤモンドを用いたODMR計測の開発と応用 (2023)
  • Author(s): 藤原正澄
  • Organizer: 第62回電子スピンサイエンス学会年会
  • Invited
• [Presentation] On-chip detection of optically detected magnetic resonance of fluorescent nanodiamonds for biological applications (2023)
  • Author(s): Masazumi Fujiwara, Keisuke Oshimi
  • Organizer: 33rd International Conference on Diamond and Carbon Materials
  • Int'l Joint Research
• [Remarks] 岡山大学ナノ化学研究室ホームページ
  • URL: https://www.nanochem-okayama-u.net/
• [Remarks] フンボルト大学ナノ光学研究室ホームページ
  • URL: https://www.physik.hu-berlin.de/de/nano
• [Remarks] 研究室ホームページ
  • URL: https://www.nanochem-okayama-u.net/