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量子操作で蛍光検出効率100倍に成功 ~ウイルス感染症の早期・迅速診断への応用に期待~

 国立研究開発法人 量子科学技術研究開発機構(量研)と群馬大学は2021年8月3日,量研 量子生命・医学部門量子生命科学研究所の五十嵐 龍治 グループリーダーらが,群馬大学の花泉 修 教授らと共同で,細胞イメージングや極微量ウイルス検出などへの活用が期待される蛍光ナノダイヤモンドの検出効率を大幅に向上する新規イメージング手法の開発に成功したことを発表した.本研究は,文部科学省 光・量子飛躍フラッグシッププログラム(Q-Leap)などの支援を受け,成果は米国化学会発行のACS Nano誌に掲載された(注).

 蛍光を用いた生体イメージングは,細胞や生体内の分子局在やその機能の解析において,今や欠かせない技術となっており,また,病理診断やウイルス検査の際にも,蛍光抗体法(蛍光色素により標識した抗体を用い抗原の分布を観察する手法)や新型コロナウイルスの検出にも応用されているリアルタイムPCR法(polymerase chain reaction:DNAポリメラーゼ連鎖反応)に利用されている.しかし,自家蛍光や夾雑物(不純物など余計な混ざりもの)の蛍光など,背景光が蛍光検出の妨げとなり,偽陽性などの誤った結果をもたらすことがある.そこで,「信号/背景光比(SBR値)」が重要になる.ランダムに発生するノイズであれば計測時間を長く取ることで排除できるが,背景光は信号光とほぼ同じ性質を持つため,計測時間を長く取っても取り除くことができない.このため,従来の蛍光観察技術でSBR値を高めるのには限界があった.

 この背景光の問題への対策として,五十嵐氏は2012年に,“N Vセンター(ダイヤモンド結晶中の不純物窒素(Nitrogen)と結晶格子空孔(Vacancy)のペアで,周辺環境の変化に極めて敏感に検知して量子状態が変わる特性がある)”を蛍光体として含む蛍光ナノダイヤモンドを蛍光標識剤として,マイクロ波照射により量子操作をすることで背景光を排除するイメージング技術を開発した.しかし,マイクロ波で電子スピンの状態を操作するシステムが複雑・高価で普及が進まなかった.

 そこで研究グループは,マイクロ波の代わりに緑色励起光の照射間隔の制御のみでNVセンターのスピン量子状態を操作することを考えた,NVセンターには,(1)長周期のレーザーパルス中では乱雑なスピン量子状態を,短周期のレーザーパルス中では秩序的なスピン量子状態を取り,(2)この秩序的なスピン量子状態では,乱雑なスピン量子状態と比較して蛍光強度が増強するという,性質がある,そこで,波長532nmのCWレーザーの光を音響光学変調器(AOM)で長周期から短周期のレーザーパルスにして蛍光ナノダイヤモンドに照射した.短周期を背景光では蛍光強度変化が起こらない周期にし,長短両周期の差分を取ることにより,蛍光ナノダイヤモンドから発する蛍光を選択的に取得し,画像化することが可能となる.この結果,一般的な蛍光イメージングと比較して信号/背景光比が100倍以上を確認し,蛍光ナノダイヤモンドを培養細胞や線虫(C. elegans),ラットの海馬などに導入し,開発した技術をさまざまな生体試料に対して適用することで,その有用性を示した.

(注)T. Yanagi, K. Kaminaga, M. Suzuki, H. Abe, H. Yamamoto, T. Ohshima, A. Kuwahata, M. Sekino, T. Imaoka, S. Kakinuma, T. Sugi, W. Kada, O. Hanaizumi, and R. Igarashi, "All-Optical Wide-field Se-lective Imaging of Fluorescent Nanodiamonds in Cells, In Vivo and Ex Vivo", ACS Nano (2021), doi: 10.1021/acsnano.0c07740; Publication Date: August 2, 2021