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

分子化学系の外間進悟助教らの研究グループは、二次元材料である六方晶窒化ホウ素(hBN)ナノ粒子を用いた生体量子センサの開発に成功した。粒子内部にホウ素空孔中心(VB)と呼ばれる欠陥を高密度に導入し、その量子スピンに由来する蛍光信号を利用して微小な温度変化を光学的に検出できることを実証した。さらに、シリカ薄膜コートと高分枝鎖ポリグリセロール修飾による二段階の表面改質で粒子の安定性と分散性を高め、生体環境でも凝集やタンパク質吸着を抑制した。作製したナノ粒子をHeLa細胞に取り込ませ、細胞内部から量子信号を検出することにも成功し、hBN量子センサが細胞内で機能することを世界で初めて示した。細胞内温度などの物理量を非侵襲で測定する新しいバイオセンシング技術として期待される。

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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