二次元材料である六方晶窒化ホウ素(hBN)の生体量子センサ化に成功 – 欠陥導入と構造制御で細胞計測を実現 –

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2026-03-13 京都工芸繊維大学

分子化学外間助教研究グループは、二次元材料ある六方ホウ素(hBN)ナノ粒子生体量子センサ開発成功した。粒子内部ホウ素中心(VB)呼ばれる欠陥高密度導入し、その量子スピン由来する蛍光信号利用微小温度変化光学検出できること実証した。さらに、リカ薄膜コート分枝ポリグリセロール修飾による段階表面粒子安定性分散高め、生体環境でも凝集タンパク質吸着抑制した。作製したナノ粒子HeLa細胞取りせ、細胞内部から量子信号検出することに成功し、hBN量子センサ細胞機能すること世界初めて示した。細胞温度など物理侵襲測定する新しいバイオセンシング技術として期待れる。

二次元材料である六方晶窒化ホウ素(hBN)の生体量子センサ化に成功 – 欠陥導入と構造制御で細胞計測を実現 –

<関連情報>

欠陥活性化および表面修飾された六方晶窒化ホウ素ナノ粒子を用いた細胞内量子センシング Defect-Activated and Surface-Modified Hexagonal Boron Nitride Nanoparticles toward Intracellular Quantum Sensing

Suzune Shimomura,Yurina Nakane,Hiroshi Abe,Yusuke Miyake,Takeshi Ohshima,Yumi Yoshida,Kohji Maeda,Takuma Sugi,and Shingo Sotoma
Nano Letters  Published: March 12, 2026
DOI:https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.5c05398

Abstract

van der Waals materials hosting spin defects have emerged as a new platform for solid-state quantum sensing. We report hexagonal boron nitride (hBN) nanoparticles containing negatively charged boron vacancy (VB) centers that function as nanoscale quantum sensors. High-energy electron irradiation efficiently generated VB centers, enabling clear optically detected magnetic resonance (ODMR) detection from nanoparticle ensembles. To improve dispersion and suppress nonspecific protein adsorption, we developed a two-step surface modification process using silica encapsulation followed by hyperbranched polyglycerol (HPG) grafting. The HPG coating enhanced colloidal stability and reduced nonspecific protein adsorption. ODMR thermometry revealed temperature-dependent frequency shifts with a thermal coefficient of approximately – 300 kHz/°C. Finally, we demonstrated proof-of-concept detection of ODMR signal in HeLa cells after uptake of the nanoparticles. These results establish VB-containing hBN nanoparticles as promising nanoscale quantum sensors for future intracellular applications.

生物化学工学
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