[論文レビュー] Is a quantum biosensing revolution approaching?

Giulia Petrini, Ekaterina Moreva+6 more|arXiv (Cornell University)|Jun 1, 2020

Atomic and Subatomic Physics Research参考文献 169被引用数 13

ひとこと要約

このレビューでは、窒素空孔（NV）中心が生物学的系における微弱な電磁界および熱的場を検出する生体適合性量子センサーとしての可能性を検討する。光学的磁気共鳴（ODMR）を活用することで、室温下でナノスケールの空間分解能と1mK未満の温度感度を達成でき、神経細胞および心筋の磁界を実際に検出可能なことが示された。これにより、神経科学および診断分野における変容的ツールとしての可能性が示された。

ABSTRACT

Understanding the human brain remains one of the most significant challenges of the 21st century. As theoretical studies continue to improve the description of the complex mechanisms that regulate biological processes, in parallel numerous experiments are conducted to enrich or verify these theoretical predictions and with the aim of extrapolating more accurate models. In the field of magnetometers for biological application, among the various sensors proposed for this purpose, NV centers have emerged as a promising solution due to their perfect biocompatibility and the possibility of being positioned in close proximity and even inside the cell, allowing a nanometric spatial resolution. There are still many difficulties that must be overcome in order to obtain both spatial resolution and sensitivity capable of revealing the very weak biological electromagnetic fields generated by neurons (or other cells). However, over the last few years, significant improvements have been achieved in this direction, thanks to the use of innovative techniques, which allow us to hope for an early application of these sensors for the measurement of fields such as the one generated by cardiac tissue, if not, in perspective, for the nerve fibers fields. In this review, we will analyze the new results regarding the application of NV centers and we will discuss the main challenges that currently prevent these quantum sensors from reaching their full potential.

研究の動機と目的

• NV中心が微弱な生物学的電磁界を検出可能な量子バイオセンサーとしての実現可能性を評価すること。
• 生体の生物学的系において高い空間分解能と感度を達成する挑戦に応えること。
• 神経活動および心筋活動のNVベースのセンシングに関する最近の実験的進展を分析すること。
• レーザー出力制限やコher-エンス時間といった、生体内応用を制限する主な技術的障壁を同定すること。
• 微弱なバイオ電磁界信号の検出によって神経変性疾患の早期診断が可能になる可能性を評価すること。

提案手法

• 光学的にアドレス可能なスピン状態を有する合成ダイヤモンド内の窒素空孔（NV）欠陥を量子センサーとして使用する。
• 室温下でのNVスピン状態の初期化および読み出しに光学的磁気共鳴（ODMR）を採用する。
• スピンコher-エンス時間を延長し、信号対雑音比を向上させるためにパルス測定プロトコルを適用する。
• 生細胞環境における感度と生体適合性の両立を図るため、レーザー励起出力を数mWまで最適化する。
• 温度センシング感度を向上させるために、横方向のバイアス磁界（約3 mT）を用いる。
• ナノスケールの空間分解能を維持しながら光傷害を最小限に抑えるために、センシング体積を約1 µm³に設定する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 NV中心は、ヒト神経細胞のアクションポテンシャルが生成する微弱な磁界を検出可能か？
• RQ2 生物学的文脈におけるNVベースのセンサーが検出可能な最小磁界強度はどの程度か？
• RQ3 細胞の生存性を保ちながら高いセンシング感度を維持するために、どのようにしてレーザー出力を最小限にできるか？
• RQ4 NVセンサーは、細胞内マイクロドメインにおける局所的熱勾配をどの程度解像可能か？
• RQ5 ニューロンにおける1回のアクションポテンシャル検出を可能にするために、どのような技術的改善が必要か？

主な発見

• 80 mWのレーザー出力下で、1 µm³のセンシング体積において、NV中心は約4.8 mK/Hz¹ᐟ²の温度感度を達成しており、大多数の生物学的プロセスの要件を上回っている。
• 数mWにまでレーザー出力を低下させても、温度感度は生物学的プロセスを1度未塔の精度で解像するのに十分な水準を維持している。
• NVベースのセンサーは、ヒトの神経細胞の磁界よりもはるかに強い磁界を発する磁気細菌およびイカの軸索からの磁界を実際に検出している。
• 最適化されたNVセンサーがパルスプロトコルおよび設計されたダイヤモンド試料を用いることで、心臓表面における心筋磁界の推定値は現在の検出能力範囲内にある。
• 1回のアクションポテンシャル磁界の検出は、カップリングが弱いため依然として困難であるが、集団的な神経活動の検出は近い将来の現実的目標である。
• ミトコンドリアの活動や神経伝達物質放出に関連する局所的熱勾配は、NVベースの温度計測により信頼性高くモニタリング可能である。