ダイヤモンドNVセンタを活用する光パルス磁気共鳴法の創薬応用を目指した高度化

2018 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 17H02751
• Research Institution: Waseda University
• Principal Investigator: 谷井 孝至 早稲田大学, 理工学術院, 教授 (20339708)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 磯谷 順一 筑波大学, 数理物質系, 研究員 (60011756) ; 星野 忠次 千葉大学, 大学院薬学研究院, 准教授 (90257220)
• Project Period (FY): 2017-04-01 – 2020-03-31
• Keywords: ダイヤモンド / ＮＶセンタ / ＮＭＲ / １分子計測 / 創薬応用

Outline of Annual Research Achievements

医薬品開発における薬物探索など、創薬への応用展開を念頭に、１分子のタンパク質を標的とする光パルス磁気共鳴法の実行可能性評価を行う。このために、標的タンパク質と薬物候補の結合状態を、ダイヤモンド基板表面の浅い窒素-空孔複合欠陥を用いた光パルス磁気共鳴法を用いて測定することが本研究の最終目標である。２０１７年度に共焦点顕微鏡の光学系のセットアップと改良を行ったが、２０１８年度には光パルス磁気共鳴法の実装を行い、単一ＮＶセンタの単一電子スピン操作およびスピン状態の計測を室温で実行できることを確認した。具体的にはローエンドＦＰＧＡを用いて、電子回路を自作のＨＤＬで記述し、その周辺回路を自作した。これにより汎用装置に比して１／５０程度まで安価に実装できることを示した（2019年春季応用物理学会Poster Award）。並行して、１分子のタンパク質を標的とする光パルス磁気共鳴法の実装を行った。具体的には、ダイヤモンド表面にナノスケールの微小容器（これに１分子タンパク質閉じ込める）を形成し、その容器の直下に単一ＮＶセンタを形成するプロセスを構築した。１２Ｃ濃縮ＣＶＤダイヤモンド（１００）薄膜に電子線リソグラフィー、窒素イオン注入、ＩＣＰドライエッチングを行うことにより、微小容器形成とその直下の単一ＮＶセンタの形成を試みた。ダイヤモンド表面近傍に単一ＮＶセンターを配列形成でき、それらすべてがナノＮＭＲ応用（ダイヤモンド表面の少数個のプロトン検出）に適用できることを示した（2018年秋季応用物理学会Poster Award）。ドライエッチングとの組み合わせにより、さらに微小容器を自己整合的に形成でき、原子間力顕微鏡と共焦点顕微鏡観察により配列形成した微小容器の直下に単一ＮＶセンタが形成できていること、加えて、単一ＮＶセンタが十分な電荷安定性およびコヒーレンス特性を示すことを確認した。

Current Status of Research Progress

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

Reason

１２Ｃ濃縮ＣＶＤダイヤモンド（１００）薄膜に電子線リソグラフィー、窒素イオン注入、ＩＣＰドライエッチングを行うことにより、微小容器形成とその直下の単一ＮＶセンタの形成できることは当初から予想できていたが、それらが十分な電荷安定性およびコヒーレンス特性を示すかどうかについては、試作するまで不明であった。今回の初めての試作で十分な電荷安定性およびコヒーレンス特性を獲得できたため。

Strategy for Future Research Activity

これまでの研究実施により、光学測定系のセットアップおよびダイヤモンドの加工をおおむね完了できたので、最終年度には最終目標である１分子のタンパク質を標的とする光パルス磁気共鳴法の実行可能性評価を行う。特に、ダイヤモンド表面に微小容器を配列形成することにより、その中の少数個の分子の並進・回転運動を妨げないが、微小容器直下の単一ＮＶセンターの観察体積外への分子拡散を防止できることのメリットを十分に引き出す。このため、タンパク質だけでなく小分子（例えばＨ２Ｏ）のナノＮＭＲも試みる。

Research Products

• [Int'l Joint Research] Ulm University(ドイツ)
  • Country Name: GERMANY
  • Counterpart Institution: Ulm University
• [Int'l Joint Research] CNR/Politecnico di Milano(イタリア)
  • Country Name: ITALY
  • Counterpart Institution: CNR/Politecnico di Milano
• [Journal Article] Nitrogen-Terminated Diamond Surface for Nanoscale NMR by Shallow Nitrogen-Vacancy Centers (2019)
  • Author(s): S. Kawai, H. Yamano, T. Sonoda, K. Kato, J. Buendia, T. Kageura, R. Fukuda, T. Okada, T. Tanii, T. Higuchi, M. Haruyama, K. Yamada, S. Onoda, T. Ohshima, W. Kada, O. Hanaizumi, A. Stacey, T. Teraji, S. Kono, J. Isoya, H. Kawarada
  • Journal Title: J. Phys. Chem. C Volume: 123 Pages: 3594
  • DOI: 10.1021/acs.jpcc.8b11274
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Room Temperature Resonant Photocurrent in an Erbium Low-doped Silicon Transistor at Telecom Wavelength (2019)
  • Author(s): M. Celebrano, L. Ghirardini, M. FInazzi, G. Ferrari, Y. Chiba, A. Abdelghafar, M. Yano, T. Shinada, T. Tanii, E. Prati
  • Journal Title: Nanomaterials Volume: 9 Pages: 416
  • DOI: 10.3390/nano9030416
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Compact integrated magnetometer based on nitrogen-vacancy centres in diamond (2019)
  • Author(s): F. M. Stuerner, A. Brenneis, J. Kassel, U. Wostradowski, R. Roelver, T. Fuchs, K. Nakamura, H. Sumiya, S. Onoda, J. Isoya, F. Jelezko
  • Journal Title: Diamond and Related Materials Volume: 93 Pages: 59-65
  • DOI: 10.1016/j.diamond.2019.01.008
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Lithographically Engineered Shallow Nitrogen-Vacancy Centers in Diamond for External Nuclear Spin Sensing (2018)
  • Author(s): R. Fukuda, P. Balasubramanian, I. Higashimata, G. Koike, T. Okada, R. Kagami, T. Teraji, S. Onoda, M. Haruyama, K. Yamada, M. Inaba, H. Yamano, F. Stuerner, S. Schmitt, L. P. McGuinness, F. Jelezko, T. Ohshima, T. Shinada, H. Kawarada, W. Kada, O. Hanaizumi, T. Tanii, J. Isoya
  • Journal Title: New Journal of Physics Volume: 20 Pages: 083029
  • DOI: 10.1088/1367-2630/aad997
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] GeVn complexes for silicon-based room-temperature single-atom nanoelectronics (2018)
  • Author(s): S. Achilli, N. Manini, G. Onida, T. Shinada, T. Tanii, E. Prati
  • Journal Title: Scientific Reports Volume: 8 Pages: 18054
  • DOI: 10.1038/s41598-018-36441-w
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Impact of modular organization on dynamical richness in cortical networks (2018)
  • Author(s): H. Yamamoto, S. Moriya, K. Ide, T. Hayakawa, H. Akima, S. Sato, S. Kubota, T. Tanii, M. Niwano, S. Teller, J. Soriano, A. Hirano-Iwata
  • Journal Title: Science Advances Volume: 4 Pages: eaau4914
  • DOI: 10.1126/sciadv.aau4914
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Superradiant emission from colour centres in diamond (2018)
  • Author(s): A. Angerer, K. Streltsov, T. Astner, S. Putz, H. Sumiya, S. Onoda, J. Isoya, W. J. Munro, K. Nemoto, J. Schmiedmayer, J. Majer
  • Journal Title: Nature Physics Volume: 14 Pages: 1168-1172
  • DOI: 10.1038/s41567-018-0269-7
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Presentation] ダイヤモンド中単一NVセンターのパルス光磁気共鳴測 定のためのローエンドFPGAへのフォトンカウンタの実装 (2019)
  • Author(s): 永岡 希朗, 畑 雄貴, 川勝 一斗, 石井 邑, 福田 諒 介, 寺地 徳之, 小野田 忍, 大島 武, 品田 高宏 , 川 原田 洋, 磯谷 順一, 谷井 孝至
  • Organizer: 第66回応用物理学会春季学術講演会
• [Presentation] Implantation of nitrogen compound ion beam for fabricating coupled triple NV centers (2019)
  • Author(s): Shinobu Onoda, Moriyoshi Haruyama, Taisei Higuchi, Wataru Kada, Atsuya Chiba, Yoshimi Hirano,Tokuyuki Teraji, Ryuji Igarashi, Sora Kawai, Hiroshi Kawarada, Yu Ishii, Ryosuke Fukuda, Takashi Tanii, Junichi Isoya, Takeshi Ohshima, Osamu Hanaizumi
  • Organizer: Hasselt Diamond Workshop 2019
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] C5N4Hnイオン注入による双極子結合したNVセンターの 形成 (2019)
  • Author(s): 春山 盛善, 小野田 忍, 樋口 泰成, 加田 渉, 千葉 敦也, 平野 貴美, 寺地 徳之, 五十嵐 龍治, 河合 空, 川原田 洋, 石井 邑, 福田 諒介, 谷井 孝至, 磯谷 順一, 大島 武, 花泉 修
  • Organizer: 第66回応用物理学会春季学術講演会
• [Presentation] 高被覆率窒素終端(111)ダイヤモンドの作製 (2019)
  • Author(s): 立石 哲也, 薗田 隆弘, 河合 空, 山野 颯, Jorge J. Buendia, 蔭浦 泰資, 石井 邑 , 永岡 希朗, 福田 諒介, 谷井 孝至, 春山 盛善, 山田 圭介, 小 野田 忍, 加田 渉, 花泉 修, Alastair Stacey, 神田 一浩, 上村 雅治, 寺地 徳之, 磯谷 順一, 河野 省 三, 川原田 洋
  • Organizer: 第66回応用物理学会春季学術講演会
• [Presentation] イオン注入による単一不純物欠陥の規則的配列形成をその応用 (2019)
  • Author(s): 谷井孝至、品田高宏、寺地徳之、小野田忍、大島武、McGuuinness Liam, Jelezko Fedor, Liu Yan, Wu E, 加田渉、花泉修、川原田洋、磯谷順一
  • Organizer: 第66回応用物理学会春季学術講演会
  • Invited
• [Presentation] Fabrication of color centers for quantum applications from singles to ensemble in HPHT single crystal diamond (2019)
  • Author(s): J. Isoya
  • Organizer: Hasselt Diamond Workshop 2019
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Fabrication of spin defects in diamond for quantum science and technology: from single to ensemble (2018)
  • Author(s): Shinobu Onoda, Tokuyuki Teraji, Hitoshi Sumiyama, Takashi Tanii, Junichi Isoya
  • Organizer: International Conference on challenges in Quantum Information Science CQIS2018
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Growth of single crystal diamond and fabrication of spin defects for quantum science and thchnology applications (2018)
  • Author(s): Junichi Isoya, Tokuyuki Teraji, Hitoshi Sumiyama, Shinobu Onoda, Takashi Tanii and Hiroshi Kawarada
  • Organizer: The 69th Diamond Conference
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Properties of Shallow Nitorogen Vacancy Centers in Nitrogen Terminated Diamond and Detection of Nuclear Magnetic Resonance (2018)
  • Author(s): Takahiro Sonoda, Sora Kawai, Hayate Yamano, Kanami, Kato, Jorge J, Buendia, Taisuke Kageura, Yu Ishii, Kiro Nagaoka, Ryosuke Fukuda, Takuma Okada, Moriyoshi Haruyama, Takashi, Tanii, Keisuke Yamada, Shinobu Onoda, Wataru Kada, Osamu Hanaizumi, Alastair Stacy, Tokuyuki Teraji, Shozo Kono, Junichi Isoya, Hiroshi Kawarada
  • Organizer: Solid State devices and Materials (SSDM) 2018
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] シリコン中におけるエルビウム－酸素複合体の室温発光特性の理解 (2018)
  • Author(s): 清水 康雄、アブデルガファ 愛満、鈴木 雄大、魏 啓楠、谷井 孝至、品田 高宏、Prati Enrico、Celebrano Michele、Finazzi Marco、Ghirardini Lavinia、井上 耕治、永井 康介
  • Organizer: 第79回応用物理学会秋季学術講演会
• [Presentation] Controlled Creation of Erbium-Oxygen Centers in Silicon by Deterministic Ion Implantation for Room-Temperature Photoluminescence at Telecom Wavelength (2018)
  • Author(s): T. Tanii, Y. Suzuki, K. Gi, M. Celebrano, L. Ghirardini, P. Biagioni, M. Finazzi, Y. Shimizu, Y. Tu, K. Inoue, Y. Nagai, E. Prati, and T. Shinada
  • Organizer: 22nd International Conference on Ion Implantation Technology
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 浅い単一NVセンターの規則配列を用いたナノNMRのスピンノイズ解析 (2018)
  • Author(s): 石井邑、福田諒介、P. Balasubramanian、東又格、永岡希朗、河合空、薗田隆弘、寺地徳之、小野田忍、春山盛善、山田圭介、稲葉優文、山野颯、F. Stuerner、S. Schmitt、L. P. McGuinness、F. Jelezko、大島武、品田高宏、川原田洋、加田渉、花泉修、磯谷順一、谷井孝至
  • Organizer: 第79回応用物理学会秋季学術講演会
• [Presentation] 窒素終端ダイヤモンド中の浅い単一NVセンターを用いたNMR測定(Ⅱ) (2018)
  • Author(s): 立石哲也、薗田隆弘、河合空、山野颯、J. J. Buendia、蔭浦泰資、石井邑、永岡希朗、福田諒介、谷井孝至、春山盛善、山田圭介、小野田忍、加田渉、花泉修、A. Stacey、神田一浩、上村雅治、寺地徳之、磯谷順一、河野省三、川原田洋
  • Organizer: 第79回応用物理学会秋季学術講演会
• [Presentation] Lithographically Engineered Shallow Nitrogen-Vacancy Centers in Diamond for External Nuclear Spin Sensing (2018)
  • Author(s): 立石哲也、薗田隆弘、河合空、山野颯、J. J. Buendia、蔭浦泰資、石井邑、永岡希朗、福田諒介、谷井孝至、春山盛善、山田圭介、小野田忍、加田渉、花泉修、A. Stacey、神田一浩、上村雅治、寺地徳之、磯谷順一、河野省三、川原田洋
  • Organizer: 14th International Conference on Atomically Controlled Surfaces, Interfaces and Nanostructures (ACSIN-14)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Computational Modeling of Spontaneous Firing Patterns Generated by Single Autaptic Neurons (2018)
  • Author(s): Kouhei Hattori, Takeshi Hayakawa, Akira Nakanishi, Mihoko Ishida, Hideaki Yamamoto, Ayumi Hirano-Iwata, Takashi Tanii
  • Organizer: The 28th Annual Conference of the Japanese Neural Network Society
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 有機化合物イオン注入によるNVセンターの多量子ビット形成 (2018)
  • Author(s): 小野田忍、春山盛善、樋口泰成、加田渉、千葉敦也、平野貴美、寺地徳之、五十嵐龍治、河合空、川原田洋、石井邑、福田諒介、谷井孝至、磯谷順一、花泉修、大島武
  • Organizer: 第32回ダイヤモンドシンポジウム
• [Presentation] 窒素終端ダイヤモンド中の浅いNVセンターを用いた1H-NMR (2018)
  • Author(s): 立石哲也、薗田隆弘、河合空、山野颯、Jorge J. Buendia, 蔭浦泰資、石井邑、永岡希朗、福田諒介、谷井孝至、春山盛善、山田圭介、小野田忍、加田渉、花泉修、Alastair Stacey, 神田一浩、上村雅治、寺地徳之、磯谷順一、河野省三、川原田洋
  • Organizer: 第32回ダイヤモンドシンポジウム
• [Presentation] 1H NMR Detection on Nitrogen Terminated Diamond by Shallow Nitrogen Vacancy Centers (2018)
  • Author(s): Takahiro Sonoda, Sora Kawai, Hayate Yamano, Jorge J. Buendia, Taisuke Kageura, Yu Ishii, Kiro Nagaoka, Ryosuke Fukuda, Moriyoshi Haruyama, Takashi Tanii, Keisuke Yamada, Shinobu Onoda, Wataru Kada,Osamu Hanaizumi, Alastair Stacey, Kazuhiro Kanda, Takuyuki Teraji, Shozo Kono, Junichi Isoya, Hiroshi Kawarada
  • Organizer: 2018 MRS Fall Meeting
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Fabrication of coupled Nv centers by adenine ion beam implantation (2018)
  • Author(s): Shinobu Onoda, Moriyoshi Haruyama, Taisei Higuchi, Wataru Kada, Atsuya Chiba, Yoshimi Hirano,Tokuyuki Teraji, Ryuji Igarashi, Sora Kawai, Hiroshi Kawarada, Yu Ishii, Ryosuke Fukuda, Takashi Tanii, Junichi Isoya, Takeshi Ohshima, Osamu Hanaizumi
  • Organizer: The 1st International forum on Quantum sensing
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Surface modification with visible-light-responsible TiO2 thin film (2018)
  • Author(s): Atsushi Kurotobi, Sho Kono, Takayuki Ichikawa, Hideaki Yamamoto, Ayumi Hirano-Iwata and Tanii Takashi
  • Organizer: The 7th RIEC International Symposium on Brain Functions and Brain Computer
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] An experimental study on spontaneous firing of a single neuron on micropatterned substrates (2018)
  • Author(s): Koki Sato, Takahiro Nakane, Honoka Takahashi, Kouhei Hattori, Hideaki Yamamoto, Ayumi Hirano-Iwata and Takashi Tanii
  • Organizer: The 7th RIEC International Symposium on Brain Functions and Brain Computer
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Computational modeling of spontaneous firing patterns generated by single autaptic neurons (2018)
  • Author(s): Kouhei Hattori, Takeshi Hayakawa, Akira Nakanishi, Mihoko Ishida, Hideaki Yamamoto, Ayumi Hirano-Iwata, Takashi Tanii
  • Organizer: The 7th RIEC International Symposium on Brain Functions and Brain Computer
  • Int'l Joint Research