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量子センサを用いた光熱マイクロバブルの実時間3次元温度測定

研究課題

研究課題/領域番号 19K15422
研究種目

若手研究

配分区分基金
審査区分 小区分28050:ナノマイクロシステム関連
研究機関国立研究開発法人量子科学技術研究開発機構 (2020-2021)
大阪市立大学 (2019)

研究代表者

西村 勇姿  国立研究開発法人量子科学技術研究開発機構, 量子生命科学研究所, 博士研究員 (00824434)

研究期間 (年度) 2019-04-01 – 2022-03-31
研究課題ステータス 完了 (2021年度)
配分額 *注記
4,290千円 (直接経費: 3,300千円、間接経費: 990千円)
2020年度: 520千円 (直接経費: 400千円、間接経費: 120千円)
2019年度: 3,770千円 (直接経費: 2,900千円、間接経費: 870千円)
キーワード蛍光ナノダイヤモンド / ODMR / 温度 / 光検出磁気共鳴 / 温度計測 / ナノダイヤ / 対流
研究開始時の研究の概要

本研究は,光熱流体力学(フォトサーマルフルイディクス)における光熱バブル発生時に生じる熱対流の温度場を3次元的に可視化する計測手法の確立を行い,光熱効果による光濃縮メカニズムの解明を目的とする.温度によって蛍光強度が変化する蛍光ナノダイヤモンドを流体中に導入し,バブル周辺の流れ場の正確な温度分布イメージングを行う.これをマランゴニ効果として熱流体解析に取り入れ,バブル発生と流体制御の関係性に関する指導原理を与える.本研究は,食品や医療分野における微量物質検出技術への応用が期待されるフォトサーマルフルイディクスを確信的に進展させることが可能な挑戦的かつ独創的な研究課題である.

研究成果の概要

多点同時温度計測を可能にするワイドフィールドODMR顕微鏡を開発し,その特性を詳細に分析した.同じ蛍光ナノダイヤモンドについて共焦点検出とワイドフィールド検出で得られたODMRスペクトルを比較したところ、共焦点検出では広視野検出に比べてODMRが深くなることが分かった.ワイドフィールドODMR検出におけるピクセル飽和と位置ドリフトの影響を調べて,測定アーティファクトと感度低下を評価した.このシステムの特性評価から測定パラメーターを調整し,生きた細胞内の複数の蛍光ナノダイヤモンドによるODMR測定を行った.

研究成果の学術的意義や社会的意義

本研究は,微小領域の高速・高精度な温度マッピングを可能にしようとするものである.共焦点検出とワイドフィールド検出はこれまで別々に扱われてきたが,1台の顕微鏡に組み込むことで初めて各々の特性を詳細に比較することができた.また,細胞内温度計測という観点においてはワイドフィールド検出の有用性を示すことができた.本研究成果は,カメラによる生きた細胞のリアルタイム大面積スピンベース測定の開発に役立つと期待される.

報告書

(4件)
  • 2021 実績報告書   研究成果報告書 ( PDF )
  • 2020 実施状況報告書
  • 2019 実施状況報告書
  • 研究成果

    (21件)

すべて 2022 2021 2020 2019

すべて 雑誌論文 (6件) (うち国際共著 3件、 査読あり 5件、 オープンアクセス 5件) 学会発表 (15件) (うち国際学会 1件、 招待講演 1件)

  • [雑誌論文] Glass-patternable notch-shaped microwave architecture for on-chip spin detection in biological samples2022

    • 著者名/発表者名
      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
    • 雑誌名

      Lab on a Chip

      巻: ー 号: 13 ページ: 2519-2530

    • DOI

      10.1039/d2lc00112h

    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
  • [雑誌論文] Wide-field fluorescent nanodiamond spin measurements toward real-time large-area intracellular thermometry2021

    • 著者名/発表者名
      Yushi Nishimura, Keisuke Oshimi, Yumi Umehara, Yuka Kumon, Kazu Miyaji, Hiroshi Yukawa, Yutaka Shikano, Tsutomu Matsubara, Masazumi Fujiwara, Yoshinobu Baba, Yoshio Teki
    • 雑誌名

      Scientific Reports

      巻: 11 号: 1 ページ: 4248-4248

    • DOI

      10.1038/s41598-021-83285-y

    • 関連する報告書
      2021 実績報告書 2020 実施状況報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Real-time estimation of the optically detected magnetic resonance shift in diamond quantum thermometry toward biological applications2020

    • 著者名/発表者名
      Masazumi Fujiwara, Alexander Dohms, Ken Suto, Yushi Nishimura, Keisuke Oshimi, Yoshio Teki, Kai Cai, Oliver Benson, and Yutaka Shikano
    • 雑誌名

      Phys. Rev. Research

      巻: 2 号: 4 ページ: 043415-043415

    • DOI

      10.1103/physrevresearch.2.043415

    • 関連する報告書
      2020 実施状況報告書
    • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
  • [雑誌論文] Real-time nanodiamond thermometry probing in vivo thermogenic responses2020

    • 著者名/発表者名
      Masazumi Fujiwara, Simo Sun, Alexander Dohms, Yushi Nishimura, Ken Suto, Yuka Takezawa, Keisuke Oshimi, Li Zhao, Nikola Sadzak, Yumi Umehara, Yoshio Teki, Naoki Komatsu, Oliver Benson, Yutaka Shikano, Eriko Kage-Nakadai
    • 雑誌名

      Science Advances

      巻: 6 号: 37 ページ: eaba9636

    • DOI

      10.1126/sciadv.aba9636

    • NAID

      120006886567

    • URL

      https://ocu-omu.repo.nii.ac.jp/records/2020469

    • 関連する報告書
      2020 実施状況報告書
    • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
  • [雑誌論文] A quantum thermometric sensing and analysis system using fluorescent nanodiamonds for the evaluation of living stem cell functions according to intracellular temperature2020

    • 著者名/発表者名
      Hiroshi Yukawa, Masazumi Fujiwara, Kaori Kobayashi, Yuka Kumon, Kazu Miyaji, Yushi Nishimura, Keisuke Oshimi, Yumi Umehara, Yoshio Teki, Takayuki Iwasaki, Mutsuko Hatano, Hideki Hashimoto and Yoshinobu Baba
    • 雑誌名

      Nanoscale Advances

      巻: 2 号: 5 ページ: 1859-1868

    • DOI

      10.1039/d0na00146e

    • 関連する報告書
      2020 実施状況報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] 蛍光ナノダイヤモンドによる幹細胞再生機能温度センシング2020

    • 著者名/発表者名
      宮地 冬、小林 香央里、西村 勇姿、藤原 正澄、湯川 博、馬場 嘉信
    • 雑誌名

      Organ Biology

      巻: 27 ページ: 185-190

    • NAID

      130007888695

    • 関連する報告書
      2020 実施状況報告書
  • [学会発表] ナノ量子センサーを用いたiPS細胞由来再生脳オルガノイド機能解明2021

    • 著者名/発表者名
      徳永真登、湯川博、三輪田勤、須賀英隆、有馬寛、西村勇姿、馬場嘉信
    • 学会等名
      第15回日本分子イメージング学会学術集会
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
  • [学会発表] ナノ量子センサーを用いたiPS細胞由来再生脳オルガノイド機能解明2021

    • 著者名/発表者名
      徳永真登、湯川博、西村勇姿、須賀英隆、馬場嘉信
    • 学会等名
      量子生命科学会第3回大会
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
  • [学会発表] ナノ量子センサーを用いたiPS細胞由来再生脳オルガノイド機能解明2021

    • 著者名/発表者名
      徳永真登、湯川博、西村勇姿、須賀英隆、馬場嘉信
    • 学会等名
      第52回中部化学関係協会支部連合秋季大会
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
  • [学会発表] ナノ量子センサーを用いたiPS細胞由来再生脳オルガノイド機能解明2021

    • 著者名/発表者名
      徳永真登、湯川博、西村勇姿、須賀英隆、馬場嘉信
    • 学会等名
      第47回日本臓器保存生物医学会
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
  • [学会発表] ナノ量子センサーを用いたiPS細胞由来再生脳オルガノイド機能解明2021

    • 著者名/発表者名
      徳永真登、湯川博、西村勇姿、須賀英隆、馬場嘉信
    • 学会等名
      第21回日本再生医療学会総会
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
  • [学会発表] ナノ量子センサーを用いたiPS細胞由来再生脳オルガノイド温度計測と機能解明2021

    • 著者名/発表者名
      徳永真登、湯川博、西村勇姿、須賀英隆、馬場嘉信
    • 学会等名
      量子先端科学フォーラム2021
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
  • [学会発表] 生体ナノセンサーによる細胞内温度イメージング2021

    • 著者名/発表者名
      西村勇姿
    • 学会等名
      バイオインダストリー奨励賞受賞者企画講演会~生命現象の根本的解明を目指す量子生命科学について~
    • 関連する報告書
      2020 実施状況報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] 量子ドットを用いた計測による幹細胞内温度の環境依存性2020

    • 著者名/発表者名
      西村勇姿,藤原正澄,湯川博,馬場嘉信
    • 学会等名
      量子生命科学会第2回大会
    • 関連する報告書
      2020 実施状況報告書
  • [学会発表] 広領域マイクロ波照射が可能な細胞培養ディッシュの開発2020

    • 著者名/発表者名
      押味佳裕,西村勇姿,田中益明,仕幸英治,松原勤,藤原正澄,手木芳男
    • 学会等名
      第67回応用物理学会春季学術講演会
    • 関連する報告書
      2019 実施状況報告書
  • [学会発表] リアルタイム蛍光ナノダイヤモンド温度計測による細胞熱産生の検出2020

    • 著者名/発表者名
      藤原正澄,Simo S,Dohms A,西村勇姿,首藤健,竹澤有華,押味佳裕,Zhao L,Sadzak N,梅原有美,手木芳男,小松直樹,Benson O,鹿野豊,中台(鹿毛)枝里子
    • 学会等名
      第67回応用物理学会春季学術講演会
    • 関連する報告書
      2019 実施状況報告書
  • [学会発表] 蛍光ナノダイヤモンドによる幹細胞再生機能温度センシング2019

    • 著者名/発表者名
      宮地冬,湯川博,小野島大介,藤原正澄,西村勇姿,馬場嘉信
    • 学会等名
      量子生命科学会第1回大会
    • 関連する報告書
      2019 実施状況報告書
  • [学会発表] 蛍光ナノダイヤモンドを用いたリアルタイム温度計測2019

    • 著者名/発表者名
      藤原正澄,Dohms Alexande,西村勇姿,手木芳男,Benson Oliver,鹿野豊
    • 学会等名
      第80回応用物理学会秋季学術講演会
    • 関連する報告書
      2019 実施状況報告書
  • [学会発表] 広い空間領域で光検出磁気共鳴が検出可能なアンテナ集積化培養ディッシュの開発2019

    • 著者名/発表者名
      押味佳裕,西村勇姿,田中益明,仕幸英治,藤原正澄,手木芳男
    • 学会等名
      第80回応用物理学会秋季学術講演会
    • 関連する報告書
      2019 実施状況報告書
  • [学会発表] 量子ドットによる細胞内温度計測2019

    • 著者名/発表者名
      西村勇姿,宮地冬,公文優花,湯川博,馬場嘉信,藤原正澄,手木芳男
    • 学会等名
      第80回応用物理学会秋季学術講演会
    • 関連する報告書
      2019 実施状況報告書
  • [学会発表] Quantum sensing technology for intracellular temperature measurement2019

    • 著者名/発表者名
      Yushi Nishimura, Kazu Miyaji, Yuka Kumon, Hiroshi Yukawa, Yoshinobu Baba, Yoshio Teki, Masazumi Fujiwara
    • 学会等名
      International Workshop on Quantum Sensing & Biophotonics 2019
    • 関連する報告書
      2019 実施状況報告書
    • 国際学会

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公開日: 2019-04-18   更新日: 2023-01-30  

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