発表のポイント

• 常温で量子情報の3D画像を観察する技術を開発
• 電子スピンの作る微弱な磁力変化を電子スピン密度分布画像に変換
• 人工的なノイズ信号の利用により高精度な画像化に成功
• 生きた細胞内部を観察する量子生命科学^注1技術としての応用に期待

概要

細胞内部の生命活動を非破壊で解明する観察技術は、生命現象の解明や創薬の研究等で重要な要素技術であり、生命科学分野においてその進展が期待されています。東北大学大学院工学研究科の戸田雅也准教授と小野崇人教授は、マイクロメートルの微小試料に対して、ナノメートルの分解能で電子スピン（ラジカル）のイメージングを可能にする超小型3D MRI^注2技術を開発しました。この技術は、電子スピン共鳴（ESR）^注3とよばれる量子効果を磁力として検出し画像化する磁気共鳴力顕微鏡（MRFM）の技術をベースにしています。

これまでの高分解能MRFMでは、スキャニングに長時間を要するという課題がありますが、本研究成果により、その問題を解決し、かつ高感度と広範囲な計測を両立する超小型3D MRIの開発につながることが期待されます。

本研究成果は、「Journal of Magnetic Resonance」誌に掲載されました(7月27日よりオンライン公開)。

詳細な説明

細胞内部の生命活動を非破壊で解明する観察技術は、今後生命科学分野において応用が期待される技術です。今回、小型コイルや小型磁力センサー、スキャニングステージなど、MRFM計測システムの主要精密機械構成要素の大部分を独自開発し、それらを精度良く組み立て、観察技術を実用化レベルにすることに成功しました。

これまで、MRFMの実用化に向けて課題となっていたのは、その長い観測時間です。そこで試みたのが、きわめて高感度なSiナノワイヤー型磁力センサー^注4を使用することと、画像処理に必要な応答関数^注5を正確に定義することです。その結果、観測データ数が少なくても広範囲の電子スピン密度分布を高精度に画像化することを可能にしました。さらに、応答関数にノイズパラメータを使用した波数空間での単純な畳み込みを使用するフーリエ変換を用いることによって、3D画像化処理にかかる時間の短縮に成功しました。

電子スピンを含む2×5×8 µm3の微小試料を用いて実測したところ、電子スピンの濃度分布を3D画像に変換した後のサンプルの形状は光学画像の形状と一致しており、内部密度構造の精度が示されました。今回，磁気共鳴検出に使用しているSiナノワイヤーと球状磁性粒子の組み合わせは、今後、生きた細胞のMRI画像の取得や種々のサンプル内部観察に向けた高速MRFM計測システム構成要素の優れた組み合わせ候補であると考えています。

研究支援

本研究は、科学研究費補助金（No.19H02568）による支援を受けて、東北大学大学院工学研究科附属マイクロ・ナノマシニング研究教育センター、東北大学マイクロシステム融合研究開発センターにて行われました。

論文情報