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

2019 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センター / ナノNMR / 創薬応用

Outline of Annual Research Achievements

電子線リソグラフィ―、イオン注入、ドライエッチングからなる自己整合プロセスにより、12C濃縮ダイヤモンド薄膜に、底部に単一NVセンターをもつ微小容器を配列形成し、この微小容器内に生体分子溶液サンプルを封入することで達成可能となる、医薬品開発における薬物探索などの創薬応用展開に資する新型のナノNMR計測法を構築した。
本研究では、ダイヤモンド基板に化学気相成長（CVD）法によりエピタキシャル成長させた12C 濃度99.98%のホモエピタキシャル薄膜中にイオン注入とドライエッチングを施して微小容器を配列形成し、微小容器内に生体分子サンプルを封入する新型のナノNMR計測法の実行可能性評価を行った。はじめに、リソグラフィーとイオン注入により配列形成したNVセンターを用いたナノNMR の実行可能性評価を定量的に行った。これにより、単一NVセンターの規則配列を形成することに成功した。形成した配列中の単一NVセンターを用いて1H核スピン計測を実行したところ、配列中のほぼすべての単一NVセンターがNMRのスピンプローブとしての性能を有すること、さらに、リソグラフィ―およびエッチングプロセスによるスピンノイズの増加がないことを実験的に確認した。19F核スピンの検出も可能であることも実験的に確認された。次に、上記のプロセスに加え、自己整合的に微小容器を配列形成するプロセスを構築し、その実行可能性を評価した。NVセンターの生成収率から、ドライエッチングによるダメージの導入が確認されたが、光磁気共鳴計測において、Rabi振動およびHahn エコー計測によるNVセンターの性能の劣化が見られないことが実験的に確認された。

Research Progress Status

令和元年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

令和元年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Int'l Joint Research] Ulm Univ.(ドイツ)
  • Country Name: GERMANY
  • Counterpart Institution: Ulm Univ.
• [Int'l Joint Research] CNR(イタリア)
  • Country Name: ITALY
  • Counterpart Institution: CNR
• [Journal Article] Triple nitrogen-vacancy centre fabrication by C5N4Hn ion implantation (2019)
  • Author(s): Moriyoshi Haruyama, Shinobu Onoda, 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
  • Journal Title: Nature communications Volume: 10 Pages: 2664
  • DOI: 10.1038/s41467-019-1052-x
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Microwave-Free Vector Magnetometry with Nitrogen-Vacancy Centers along a Single Axis in Diamond (2019)
  • Author(s): Huijie Zheng, Zhiyin Sun, Georgios Chatzidrosos, Chen Zhang, Kazuo Nakamura, Hitoshi Sumiya, Takeshi Ohshima, Junichi Isoya, Joerg Wrachtrup, Arne Wickenbrock, Dmitry Budker
  • Journal Title: Phys. Rev. Applied. Volume: 13 Pages: 4904-4910
  • DOI: 10.1103/PhysRevApplied.13.044023
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [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
• [Presentation] 高分解能ナノ NMR に向けたダイヤモンドへの NV センターと微小容器の一括形成 (2020)
  • Author(s): 齋藤悠太、石井邑、川勝一斗、永岡希朗、畑雄貴、中村洸介、榎田尊昭、徐海州、薗田隆弘、立石哲也、金久京太郎、寺地徳之、小野田 忍、樋口泰成、山田圭介、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67回応用物理学会春季学術講演会
• [Presentation] 2針電極を用いた神経細胞刺激の応答計測とその理論解析 (2020)
  • Author(s): 服部 晃平, 石田 実穂子, 鞍掛 碧流, 今井 絢子, 橋本 拓弥, 佐藤 晃揮, 髙橋 穂乃歌, 小熊 奏一郎, 山本 英明, 平野 愛弓, 谷井 孝 至
  • Organizer: 第67回応用物理学会春季学術講演会
• [Presentation] 2針電極を用いた神経細胞刺激の応答計測とその理論解析 (2020)
  • Author(s): 鞍掛 碧流, 服部 晃平, 今井 絢子, 橋本 拓弥, 佐藤 晃揮, 髙橋 穂乃歌, 小熊 奏一郎, 石田 実穂子, 山本 英明, 平野 愛弓, 谷井 孝 至
  • Organizer: 第67回応用物理学会春季学術講演会
• [Presentation] An experimental study on the spontaneous firing of single isolated neurons in autaptic culture using micropatterned substrates (2020)
  • Author(s): Kouhei Hattori, Koki Sato, Honoka Takahashi, Soichiro Oguma, Mihoko Ishida, Hideaki Yamamoto, Ayumi Hirano-Iwata, Takashi Tanii
  • Organizer: the 8th RIEC International Symposium on Brain Functions and Brain Computer
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Stimulation of micropatterned neurons with a pair of needles electrodes and the activity measurement (2020)
  • Author(s): Junko Imai, Hekiru Kurakake, Takuya Hashimoto, Kouhei Hattori, Koki Sato, Honoka Takahashi, Soichiro Oguma, Mihoko Ishida, Hideaki Yamamoto, Ayumi Hirano-Iwata, Takashi Tanii
  • Organizer: the 8th RIEC International Symposium on Brain Functions and Brain Compu
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] ワイドギャップ半導体を利用した量子センサ開発 (2019)
  • Author(s): 小野田忍、大島武、磯谷順一、寺地徳之、川原田洋、谷井孝至、加田渉、波多野睦子
  • Organizer: 電子デバイス研究会
  • Invited
• [Presentation] Synaptic plasticity in an isolated single autaptic neuron on a micropattern (2019)
  • Author(s): Akira Nakanishi, Kouhei Hattori, Takeshi Hayakawa, Mihoko Ishida, Hekiru Kurakake, Hideaki Yamamoto, Ayumi Hirano-Iwata, Takashi Tanii
  • Organizer: 日本神経回路学会 第29回全国大会
• [Presentation] 2本針型刺激電極の試作とマイクロパターン上神経細胞回路への刺激導入に関する実行可能性評価 (2019)
  • Author(s): 服部 晃平、鞍掛 碧流、今井 絢子、橋本 拓弥、佐藤 晃揮、髙橋 穂乃歌、早川 岳志、山本 英明、平野 愛弓、谷井 孝至
  • Organizer: 第80回応用物理学会秋季学術講演会
• [Presentation] A computational study on the spontaneous firing pattern of single autaptic neurons - The contribution of AMPA and NMDA current - (2019)
  • Author(s): Mihoko Ishida, Kouhei Hattori, Akira Nakanishi, Takeshi Hayakawa, Hideaki Yamamoto, Ayumi Hirano-Iwata, Takashi Tanii
  • Organizer: The 4th International Symposium on Creation of Life Innovation Materials for Interdisciplinary and International Researcher Development
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] An experimental study on the spontaneous firing of single isolated autaptic neurons using micropatterned substrates (2019)
  • Author(s): Honoka Takahashi, Koki Sato, Mihoko Ishida, Soichiro Oguma, Takeshi Hayakawa, Kouhei Hattori, Hideaki Yamamoto, Ayumi Hirano-Iwata, Takashi Tanii
  • Organizer: The 4th International Symposium on Creation of Life Innovation Materials for Interdisciplinary and International Researcher Development
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Self-align fabrication of nano-reservoir with NV center in diamond surface for nuclear magnetic resonance of small molecules (2019)
  • Author(s): Kazuto Kawakatsu, Yu Ishii, Yuki Hata, Yuta Saito, Kosuke Nakamura, Kirou Nagaoka, Takahiro Sonoda, Tetsuya, Tatsuishi, Tokuyuki Teraji, Shinobu Onoda, Taisei Higuchi, Keisuke Yamada, Takeshi Oshima, Takahiro Shinada, Hiroshi Kawarada, Wataru Kada, Osamu Hanaizumi, Junichi Isoya and Takashi Tanii
  • Organizer: 32nd International Microprocesses and Nanotechnology Conference
• [Presentation] MOSトランジスタへのErイオン注入と 1.5 μm帯光励起電流の計測 (2019)
  • Author(s): 藤本宇郁、魏啓楠, 鈴木雄大,清水康雄,井上耕治,永井康介, M.Celebrano,E.Prati, L.Ghirardini, M.Finazzi,品田高宏,谷井孝至
  • Organizer: 東北大学金属材料研究所付属量子エネルギー材料科学国際研究センター 2019年度大洗アルファ合同研究会
• [Presentation] Resonant Photocurrent at 1550 nm in an Erbium Low-Doped Silicon Transistor at Room Temperature (2019)
  • Author(s): E.Prati,M.Celebrano, L.Ghirardini, M.Finazzi,G.Ferrari, T.Shinada, K.Gi, Y.Chiba, A.Abdelghafar, M.Yano, T.Tanii
  • Organizer: 2019 Silicon Nanoelectronics Workshop
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 単一NVセンター規則配列と単一細胞パターニングを用いた神経細胞回路の自発発火パターンの長期計測に向けて (2019)
  • Author(s): 石田実穂子、石井邑、谷井孝至
  • Organizer: 量子生命科学会第1回大会
• [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] 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
  • 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] 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] 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 2
  • Int'l Joint Research / Invited