JP7842469B2

JP7842469B2 - 温度計測装置、および温度計測方法

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Publication number: JP7842469B2
Application number: JP2023522646A
Authority: JP
Inventors: 博湯川; 司鳥本; 嘉信馬場; 達矢亀山; 諒都澤
Original assignee: Tokai National Higher Education and Research System NUC
Current assignee: Tokai National Higher Education and Research System NUC
Priority date: 2021-05-19
Filing date: 2022-05-16
Publication date: 2026-04-08
Anticipated expiration: 2042-05-16
Also published as: JPWO2022244716A1; WO2022244716A1

Description

本開示は、コアシェル型の量子ドットを用いた温度計測装置、および温度計測方法に関するものである。

近年、再生医療の技術が著しく進展し、幹細胞や再生細胞の細胞温度が高次元再生機能（再生因子産生能、分化能、生着能、センシング能など）に大きく影響を及ぼすことが分かってきている。そのため、細胞の温度を正確に計る技術が求められている。

従来の細胞温度の計測方法としては、以下の方法がある。

非特許文献１には、量子ドットの蛍光強度が温度により変化することを利用して細胞温度を計測する方法が記載されている。

非特許文献２には、高分子蛍光プローブの蛍光寿命変化の温度依存を利用してＣＯＳ７細胞（サル腎臓由来細胞）の温度を計測することが記載されている。

非特許文献３には、温度センサータンパク質であるｔｓＧＦＰを開発し、ｔｓＧＦＰの蛍光の変化によってオルガネラにおける温度分布を計測することが記載されている。

非特許文献４には、マイクロ熱電対を用いてＨｅｐＧ２細胞（ヒト肝がん細胞株）の細胞内温度を測定することが記載されている。

非特許文献５－７には、蛍光ナノダイヤモンドを用いて細胞の温度を測定することが記載されている。

Scientific Reports, 6, 22071 (2016) Nature Communications, 3, 705 (2012) Nature Methods, 10, 1232 (2013) Scientific Reports, 7, 1721 (2017) Nature 500, 54 (2013) ACS Nano 11, 12077 (2017) Nanoscale Advances, 2, 1859 (2020)

しかし、非特許文献１の方法では、蛍光強度は生体内の深度によって変化するため、生体内の細胞の温度計測には応用することができない。

また、非特許文献２－４の方法では、蛍光強度や耐光性の問題に加え、生体透過性の問題もあり、生体内での計測は実現されていない。

また、非特許文献５－７では、蛍光ナノダイヤモンドの蛍光波長が可視光であり、非特許文献２－４と同様に生体透過性の問題がある。また、電磁波を蛍光ナノダイヤモンドに照射する必要があり、生体深部の特定位置に電磁波を照射することが極めて難しく、現状では生体内の温度計測には利用できない。

そこで本開示の目的は、生体内の細胞温度の計測が可能な温度計測装置および温度計則方法を提供することである。

本開示は、測定対象物の近傍に配置され、結晶欠陥を有したコアとコアを覆うシェルとを有したコアシェル型の量子ドットと、量子ドットに、コアのバンドギャップエネルギーよりも大きなエネルギーの波長である励起光を照射する光照射部と、量子ドットのバンド端発光のピーク波長における光強度と、量子ドットの欠陥発光のピーク波長における光強度とを計測する光検出部と、光検出部により検出した２つの光強度の光強度比を算出する光強度比算出部と、光強度比と量子ドットの周囲の温度との関係を示した検量線を記憶する検量線記憶部と、光強度比算出部により算出した光強度比と、検量線記憶部に記憶された検量線とから、測定対象物の温度を算出する温度算出部と、を有することを特徴とする温度計測装置である。

本開示によれば、生体内の細胞の温度が計測可能となる。

第１実施形態の温度計測装置の構成を示した図。量子ドット１のコア１０のバンド図。量子ドット１のＴＥＭ像。量子ドット１の蛍光スペクトルを測定した結果を示したグラフ。欠陥発光のスペクトルを示したグラフ。量子ドット１の欠陥発光のスペクトルの温度依存性を示したグラフ。バンド端発光のピーク波長における光強度Ｉ１と、欠陥発光のピーク波長における光強度Ｉ２の温度依存性を示したグラフ。水溶液中の量子ドット１について、光強度比Ｉ２／Ｉ１の温度依存性を示したグラフ。ＡＳＣｓ内の量子ドット１について、光強度比Ｉ２／Ｉ１の温度依存性を示したグラフ。光強度比Ｉ２／Ｉ１の温度依存性を示したグラフ。光強度比Ｉ２／Ｉ１の温度依存性を示したグラフ。３つの状態における光強度比Ｉ２／Ｉ１を、検量線上にプロットしたグラフ。量子ドット１の蛍光スペクトルを測定した結果を示したグラフ。

（温度計測の原理）
まず、本開示の温度計測原理について説明する。発明者らは、量子ドットを利用して生体内の温度計測ができないか検討した。そして、発明者らはコアシェル型の量子ドットのエネルギー準位構造に注目し、バンド端発光のピークと欠陥発光のピークの光強度比が、量子ドット周囲の環境温度により線形に変化することを発見した。本開示の温度計測装置および温度計則方法は、この光強度比と温度の対応を検量線として利用し、光強度比を測定することで温度を算出するものである。

（第１実施形態）
図１は、第１実施形態の温度計測装置の構成を示した図である。図１のように、第１実施形態の温度計測装置は、量子ドット１と、光照射部２と、光検出部３と、光強度比算出部４と、検量線記憶部５と、温度算出部６と、によって構成されている。

量子ドット１は、温度計測のプローブとして使用するものである。量子ドット１を測定対象物の近傍に配置することで、測定対象物の温度を計測する。もちろん、量子ドット１と測定対象物が接していてもよい。量子ドット１は、直径が小さいために量子閉じ込め効果が現れた半導体粒子である。量子ドット１は、コアシェル型の構造のものを用いる。コアシェル型は、球状のコア１０と、コア１０を覆うシェル１１とにより構成されている。シェル１１はコア１０のエネルギー準位を保持し、失活化しないように保護するものである。

量子ドット１のコア１０は、結晶欠陥を有している。図２は、量子ドット１のコア１０のバンド図を示している。図２のように、結晶欠陥によってバンドギャップ中に結晶欠陥準位が形成される。そのため、励起光（バンドギャップエネルギーよりも大きなエネルギーの光）の照射により生成されたキャリアの一部は再結合してバンド端発光し、一部は結晶欠陥準位にトラップされた後に再結合して欠陥発光する。したがって、量子ドット１のコア１０の蛍光スペクトルは、バンド端発光のピークと欠陥発光のピークを有する。また、欠陥発光は、バンド端発光のピークよりも長波長側となる。欠陥発光のピーク波長は、量子ドット１の周囲環境に応じて変化する場合がある。

量子ドット１のコア１０の材料は、結晶欠陥が形成される半導体材料であれば任意でよく、ＩＩ－ＶＩ族半導体、ＩＩＩ－Ｖ族半導体、ＩＶ－ＶＩ族半導体、Ｉ－ＶＩ族半導体、Ｉ－ＩＩＩ－Ｖ族半導体、Ｉ－ＩＩ－ＩＶ－ＶＩ族半導体、などを用いることができる。たとえば、ＡｇＩｎＳ_２、ＡｇＩｎＳｅ_２、ＡｇＩｎＴｅ_２、ＡｇＩｎＧａＳ、ＡｇＩｎＺｎＳ_２、ＡｇＩｎＴｅ_２、ＡｇＩｎＺｎＴｅ_２、ＡｇＩｎＧａＳｅ_２、ＣｕＩｎＳ_２、ＣｕＩｎＳｅ_２、ＩｎＰ、ＧａＰ、などを用いることができる。生体の温度計測の場合には、Ｃｄ、Ｐｂなどの強い毒性を有した元素を含まない材料がよい。

量子ドット１のシェル１１の材料は、コア１０を保護できる材料であれば任意であり、ＺｎＳ、ＧａＳ、ＺｎＧａＳ、ＺｎＯ、Ｉｎ_２Ｓ_３、ＧａＳ_ｘなどを用いることができる。

量子ドット１のコア１０のバンドギャップエネルギーは、材料の種類やコア１０の直径などによって決まる。よって、それらを変更することによってバンドギャップエネルギーを制御することができ、バンド端発光のピーク波長や欠陥発光のピーク波長を制御することができる。多元系の材料である場合には、組成比によってバンドギャップエネルギーを制御することができる。たとえば、ＡｇＩｎＧａＳを用いる場合、Ａｇ、Ｉｎ、Ｇａの組成比によってバンドギャップエネルギーを制御することができる。

バンド端発光のピーク波長と欠陥発光のピーク波長の差は１００ｎｍ以上が好ましい。１００ｎｍ以上であれば、２つのピークを十分に分離して検出することができ、光強度比Ｉ２／Ｉ１を精度よく測定することが可能となる。

量子ドット１のコア１０の直径は、量子閉じ込め効果が現れる範囲であれば任意であり、たとえば１００ｎｍ以下である。ここで直径は量子ドット１の外接球の直径とする。好ましくは５０ｎｍ以下、さらに好ましくは２０ｎｍ以下である。直径の下限は特に規定しないが、たとえば１ｎｍ以上である。また、量子ドット１のシェル１１の厚さは、コア１０を保護できる範囲であれば任意である。シェル１１は１重である必要はなく、２重以上としてもよい。

量子ドット１は、表面には各種物質を結合させてもよい。たとえば、ヒドロキシ基、アミノ基、カルボキシ基、スルホ基、それらの塩などの親水基を結合させてもよい。これにより、量子ドット１を水溶性とすることができ、生体の温度計測の利便性を高めることができる。また、量子ドット１の表面に膜透過性ペプチドやカチオン性リポソームを結合させてもよい。これにより、細胞に量子ドット１を取り込ませることができ、細胞内の温度を計測可能となる。膜透過性ペプチドは、たとえば、オクタアルギニン（Ｒ８）、ＴＡＴペプチド、などである。

光照射部２は、量子ドット１に対して励起光を照射する装置である。照射する励起光の波長は、量子ドット１のコア１０のバンドギャップエネルギーよりも大きなエネルギーの波長であれば任意の波長でよい。たとえば、ＬＥＤ、ＬＤ、キセノンランプ、などを用いることができる。生体の温度計測を行う場合には、生体透過性の高い赤外線を励起光として用いるとよい。特に、ヘモグロビンと水の双方の透過率が高い波長７００～１５００ｎｍの範囲が好ましい。たとえば、励起光の波長は７００～１５００ｎｍとし、量子ドット１のバンド端発光のピーク波長が励起光の波長よりも長波長となるように、量子ドット１の直径や材料の組成比を調整する。
励起光として赤外線を使用可能な量子ドット１の材料の一例は、ＡｇＩｎＧａＳｅ_２である。図１３は、論文（Tatsuya Kameyama, et al., ACS Appl. Nano Mater. 2020, 3, 3275-3287）からの引用であり、Ａｇ_ｘＩｎ_ｙＧａ_{（１－ｙ）}Ｓｅ_２からなる量子ドットの蛍光スペクトルを示したグラフである。ここで、Ａｇのモル比ｘは０．６７に固定し、ＩｎとＧａの合計に対するＩｎのモル比ｙを０．２５から１まで変化させている。図１３のように、ｙが増加するにつれてバンド端発光のピークが長波長側にシフトしており、ｙが０．６以上でバンド端発光のピークは７４０ｎｍ以上となっていることがわかる。欠陥発光のピークは、バンド端発光のピークよりも長波長側に見られ、ｙが０．２５～０．５ではそのピークが明瞭に見られる。ｙが０．６以上では、欠陥発光のピークは明瞭ではないが存在している。したがって、ｙが０．６以上であれば、近赤外線でバンド端発光と欠陥発光を励起可能であることがわかる。たとえば、ｙ＝０．６のとき、バンド端発光のピークは７４０ｎｍ、欠陥発光のピークは８４０ｎｍとなり、波長７００ｎｍ以上７４０ｎｍ未満の励起光で励起可能であることがわかる。このように、量子ドット１の材料や組成比を調整することで赤外線（特に波長７００～１５００ｎｍ）を励起光として使用可能となる。

光検出部３は、量子ドット１からのバンド端発光および欠陥発光を検出し、バンド端発光のピーク波長における光強度Ｉ１と、欠陥発光のピーク波長における光強度Ｉ２を測定する装置である。たとえば、量子ドット１からの蛍光スペクトルを測定し、バンド端発光のピークと欠陥発光のピークを抽出することで光強度Ｉ１、Ｉ２を測定する。蛍光スペクトルは、分光器により蛍光波長を走査し、光電子増倍管やフォトダイオードにより光強度を測定することで得られる。光照射部２および光検出部３として、蛍光強度計を用いることができる。また、蛍光イメージング装置を用いて蛍光画像を取得し、その蛍光画像を解析することにより光強度Ｉ１、Ｉ２を測定してもよい。なお、欠陥発光のピークが複数存在する場合には、それらのうち任意の１つをＩ２としてもよいし、任意の２以上の平均を取ってもよい。

光強度Ｉ１、Ｉ２は、精度の点でピーク位置での光強度が好ましいが、多少ずれた位置での光強度であっても許容される。たとえば、ピークから２０ｎｍ以内のずれであれば十分な精度で温度計測ができる。また、光強度Ｉ１、Ｉ２は、ピークを含む所定の波長幅の光強度の平均であってもよい。所定の波長幅は、好ましくは３０ｎｍ以下、より好ましくは２０ｎｍ以下である。

光強度比算出部４は、光検出部３によって測定されたバンド端発光のピーク波長における光強度Ｉ１と、欠陥発光のピーク波長における光強度Ｉ２から、その光強度比Ｉ２／Ｉ１を算出する装置である。光強度比算出部４は、コンピュータによって実現される。

検量線記憶部５は、光強度比Ｉ２／Ｉ１と、量子ドット１周囲の温度との対応を示す検量線を記憶する装置である。検量線は量子ドット１の周囲環境ごとに複数記憶されている。光強度比Ｉ２／Ｉ１と温度は、１対１に対応し、およそ直線的に対応し、その直線は負の傾きを有する。つまり、温度をＴ（℃）として、Ｔ＝－ａ（Ｉ２／Ｉ１）＋ｂ、ここでａ、ｂは正の実数、で表される。ａ、ｂは、量子ドット１の周囲環境によって決まる。より具体的には、光照射部２から量子ドット１までの経路と、量子ドット１から光検出部３までの経路における物質により決まる。そのため、量子ドット１の周囲環境に応じてａ、ｂを実験的に決めて、検量線記憶部５に記憶しておく。なお、光強度比Ｉ２／Ｉ１と温度の関係を直線で近似せずに、そのまま対応関係を記憶してもよいし、他の関数によって近似してもよい。

温度算出部６は、光強度比算出部４によって算出された光強度比Ｉ２／Ｉ１と、検量線記憶部５に記憶された検量線とから、量子ドット１の周囲の温度を算出する装置である。温度算出部６は、コンピュータによって実現される。

次に、第１実施形態の温度計測装置による温度の計測について説明する。

まず、量子ドット１を測定対象物の近傍に配置する。配置の方法は任意である。生体の特定部位の温度計測を行う場合、量子ドット１の表面に親水基を結合させ、水に量子ドット１を溶解して水溶液とするとよい。水溶液の注射などによって容易に生体の特定部位に量子ドット１を配置することができる。また、生体内部の温度計測を行う場合、励起光の波長は生体透過性の高い赤外線を用い、たとえば波長７００～１５００ｎｍである。したがって、量子ドット１はバンドギャップエネルギーがそれよりも小さなものを用いる。また、細胞内の温度計測を行う場合、量子ドット１表面に膜透過性ペプチドを結合させ、量子ドット１を細胞内に取り込ませるとよい。

次に、光照射部２によって量子ドット１に励起光を照射する。そして、光検出部３によって量子ドット１からの光を検出し、量子ドット１のバンド端発光のピーク波長における光強度Ｉ１と、欠陥発光のピーク波長における光強度Ｉ２を測定する。励起光が赤外線であれば、量子ドット１が生体内部であっても、励起光は生体を透過して量子ドット１に十分な強度で到達する。また、量子ドット１からの蛍光も生体を透過して光検出部３に十分な強度で到達する。

次に、光強度比算出部４によって、それらの光強度比Ｉ２／Ｉ１を算出する。

次に、温度算出部６によって、光強度比算出部４で算出した光強度比Ｉ２／Ｉ１と、検量線記憶部５に記憶された検量線とから、量子ドット１の周囲の温度を算出する。量子ドット１は測定対象物の近傍に配置されているので、量子ドット１の周囲の温度は、測定対象物の温度と一致する。ここで、検量線は、量子ドット１の周囲環境に応じたものを選択する。検量線の選択は、手動で行ってもよいし、自動化してもよい。

以上、第１実施形態の温度計測装置によれば、量子ドット１周囲の測定対象物の温度を計測することができる。特に、第１の実施形態の温度計測装置では、生体内部の特定部位の温度計測が可能であり、細胞の内部あるいはその周辺に量子ドット１を配置することで細胞の温度計測が可能である。たとえば、オルガノイド内部温度を計測可能である。また、第１実施形態の温度計測装置によれば、温度を高精度に計測可能であり、誤差０．１Ｋ以下の精度で計測することができる。

なお、第１実施形態では光強度比Ｉ２／Ｉ１を算出しているが、光強度比Ｉ１／Ｉ２を算出し、光強度比Ｉ１／Ｉ２と温度との対応を示す検量線から温度を算出してもよい。

また、量子ドット１は、生体試料標識用の蛍光プローブを兼ねることができる。したがって、第１実施形態の温度計測装置は、生体の特定部位を量子ドット１の蛍光によって可視化しつつ、その特定部位の温度を計測することができる。

以下、本開示の具体的な実施例について図を参照に説明するが、実施例に限定されるものではない。

コアをＡｇＩｎＧａＳとし、シェルをＺｎＧａＳとするコアシェル型の量子ドット１を次の方法により作製した。

まず、金属源として酢酸銀（Ａｇ（ＯＡｃ））（１３ｍｇ）、インジウムアセチルアセトナ－ト（Ｉｎ（ａｃａｃ）_３）（３１ｍｇ）、ガリウムアセチルアセトナート（Ｇａ（ａｃａｃ）_３）（１８ｍｇ）、硫黄源として粉末硫黄（７．４ｍｇ）をオレイルアミン（ＯＬＡ、１時間１００℃で減圧乾燥することで脱水したもの）（２．８ｍＬ）と１－ドデカンチオール（ＤＤＴ）（０．２５ｍＬ）の混合液に分散させ、窒素雰囲気下で３００℃、１０分間加熱した。８分放冷した後、遠心分離して得られた上澄み溶液を回収し、さらにメンブレンフィルター（孔径０．２０ μｍ）に通して凝集した粒子を除去した。この溶液に、メタノール（３．０ｍＬ）を加えて遠心分離し、沈殿を得た。得られた沈殿物にエタノール（３．０ｍＬ）を加えて懸濁させた後、再度、遠心分離することで沈殿を洗浄した。このようにして、コアとなるＡｇＩｎＧａＳ量子ドット（平均粒径：４．３ｎｍ）を沈殿物として得た。

次に、上記ＡｇＩｎＧａＳ量子ドットをコアとして、以下の方法によりシェル被覆を行った。得られたＡｇＩｎＧａＳ量子ドット（１．０×１０^－５ｍｍｏｌ（粒子））、金属源として、Ｇａ（ａｃａｃ）_３（５９ｍｇ）、ステアリン酸亜鉛（Ｚｎ（Ｃ_１７Ｈ_３５ＣＯＯ）_２）（２００ｍｇ）、硫黄源としてチオ尿素（４３ｍｇ）をＯＬＡ（３．０ｍＬ）に分散させ、窒素雰囲気下１５０℃で１０分間加熱したのち、すぐに２５０℃で３０分間加熱した。４５分間放冷した後、遠心分離によって溶液中に生じた沈殿を回収した。この沈殿にメタノール（３．０ｍＬ）を加えて懸濁させたのち遠心分離することで沈殿を洗浄した。

得られた沈殿は、目的とする量子ドットを含むが、さらに各粒子のシェル膜厚を増大させるために、再度被覆操作を行った。１度目のシェル被覆操作で得た沈殿粒子（１．０×１０^－５ｍｍｏｌ（粒子））とともに、金属源として、Ｚｎ（Ｃ_１７Ｈ_３５ＣＯＯ）_２（１００ｍｇ）、硫黄源としてチオ尿素（１２ｍｇ）をＯＬＡ（３．０ｍＬ）に加えて分散させ、窒素雰囲気下、１５０℃で１０分間加熱したのち、すぐに２５０℃で３０分間加熱した。４５分間放冷した後、遠心分離によって溶液中に生じた沈殿を回収した。この沈殿にメタノール（３．０ｍＬ）を加えて懸濁させたのち遠心分離し、沈殿を回収した。得られた沈殿物にエタノール（３．０ｍＬ）を加えて、再度懸濁させたのち遠心分離することで、沈殿を洗浄した。このようにして、コアをＡｇＩｎＧａＳとし、シェルをＺｎＧａＳとするコアシェル型の量子ドット１（平均粒径：５．４ｎｍ）を得た。

次に、得られた量子ドット１をクロロホルム（３．０ｍＬ）に溶解し、表面がＯＬＡで修飾された量子ドット１のクロロホルム溶液を得た。そして、３－メルカプトプロピオン酸（ＭＰＡ）（０．１０ｍＬ）、テトラメチルアンモニウムヒドロキシド（０．７３ｍＬ）、エタノール（０．２７ｍＬ）をこの溶液（１．０ｍＬ）に混合し、窒素雰囲気下で７０℃、３時間加熱した。これにより、量子ドット１表面のＯＬＡをＭＰＡで置換した。以上により、表面がＭＰＡで修飾された量子ドット１を得た。ＭＰＡは親水基であるカルボキシ基を有するため、量子ドット１の表面をＭＰＡで修飾したことにより、量子ドット１を水に溶解させることが可能となった。

図３は、量子ドット１のＴＥＭ像である。図３（ａ）は、クロロホルム溶液中の量子ドット１（表面がＯＬＡで修飾されたもの）、図３（ｂ）は、水溶液中の量子ドット１（表面がＭＰＡで修飾されたもの）である。図３のように、粒径が５．４ｎｍの量子ドット１が得られていることがわかった。

図４は、量子ドット１（ただしシェルで覆う前の段階）の蛍光スペクトルを測定した結果を示したグラフである。励起光は３６５ｎｍとした。図４のように、蛍光スペクトルは２つのピークを有し、５５０ｎｍ付近にバンド端発光のピーク、７００ｎｍ付近に欠陥発光のピークを有していることがわかった。

図５は、欠陥発光のスペクトルを示したグラフであり、クロロホルム溶液中の量子ドット１と水溶液中の量子ドット１とで比較したものである。励起光は３６５ｎｍとした。図５のように、水溶液中の場合は、クロロホルム溶液中の場合に比べて欠陥発光のピーク波長が長波長側にシフトすることがわかった。このことから、検量線は量子ドット１の周囲環境に応じて設定する必要があることがわかった。

図６は、水溶液中の量子ドット１の欠陥発光のスペクトルについて、温度による違いを比較したグラフである。励起光は３６５ｎｍとした。温度は５℃から４５℃まで１０℃刻みで変化させた。温度はヒータを用いて変化させ、温度測定は熱電対を水溶液に接触させて行った。図６のように、温度が高くなるほど欠陥発光の光強度は低下し、ピーク波長が少し短波長側にシフトすることがわかった。

図７は、水溶液中の量子ドット１について、バンド端発光のピーク波長における光強度Ｉ１と、欠陥発光のピーク波長における光強度Ｉ２の温度依存性を示したグラフである。いずれの光強度も温度変化に対して直線的に減少することがわかり、その減少の傾きに違いがあることがわかった。

図８は、水溶液中の量子ドット１について、バンド端発光のピーク波長における光強度Ｉ１に対する欠陥発光のピーク波長における光強度Ｉ２の比Ｉ２／Ｉ１の温度依存性を示したグラフである。励起光の波長や温度測定の方法は図７と同様である。図８のように、光強度比Ｉ２／Ｉ１と温度は１対１に対応していることがわかった。また、その対応関係は直線で精度よく近似できることがわかった。したがって、光強度比Ｉ２／Ｉ１と温度との対応関係を検量線として用いることで、少なくとも５～４５℃の範囲で光強度比Ｉ２／Ｉ１から温度を精度よく測定できることがわかった。

実施例１により作製した表面がＭＰＡで修飾された量子ドット１を水溶液に溶解させ、その水溶液にオクタアルギニン（Ｒ８）（２ｍＭ）を混合し、室温で１５分間静置した。これにより、表面がＲ８で修飾された量子ドット１を作製した。Ｒ８は膜透過性ペプチドである。

次に、表面がＲ８で修飾された量子ドット１を溶解させ、その水溶液をマウス脂肪組織由来幹細胞（ＡＳＣｓ）の培養液に混合し、ＡＳＣｓ内に量子ドット１を取り込ませた。そして、量子ドット１に波長３６５ｎｍの励起光を照射して蛍光スペクトルを測定した。蛍光スペクトルは、培養液の温度をヒータによって変化させて複数回測定した。

図９は、ＡＳＣｓ内の量子ドット１について、バンド端発光のピーク波長における光強度Ｉ１に対する欠陥発光のピーク波長における光強度Ｉ２の比Ｉ２／Ｉ１の温度依存性を示したグラフである。図９のように、光強度比Ｉ２／Ｉ１と温度は１対１に対応していることがわかった。また、その対応関係は直線で精度よく近似できることがわかった。したがって、量子ドット１を用いることで細胞内の温度も計測可能であることがわかった。

実施例１により作製した表面がＭＰＡで修飾された量子ドット１を水溶液に溶解させ、その水溶液５０μＬを容器に入れてヒータ上に配置し、容器の蛍光画像を生体イメージング装置（パーキンエルマー社製、IVIS Lumina K Series III）を用いて取得した。水溶液はヒータにより加熱し、温度を変えて蛍光画像を取得した。励起光のバンドパスフィルタは４２０～４４０ｎｍとした。また、バンド端発光のピーク波長における光強度Ｉ１を、波長５７０～５９０ｎｍにおける容器の蛍光画像から測定した。また、欠陥発光のピーク波長における光強度Ｉ２を、波長６９０～７１０ｎｍにおける容器の蛍光画像から取得した。

図１０は、光強度比Ｉ２／Ｉ１の温度依存性を示したグラフである。図１０のように、光強度比Ｉ２／Ｉ１と温度は１対１に対応し、その対応関係は直線で精度よく近似できることがわかった。したがって、生体イメージング装置を用いて温度計測が可能であることがわかった。

実施例１により作製した表面がＭＰＡで修飾された量子ドット１を水溶液に溶解させ、その水溶液５０μＬをＢＡＬＢ／ｃヌードマウスに皮下注射した。そして、実施例３と同様に、生体イメージング装置を用いてマウスのうち水溶液が皮下注射された領域の蛍光画像を取得し、光強度比Ｉ２／Ｉ１を測定した。励起光のバンドパスフィルタは４８５～５１５ｎｍとし、それ以外の条件は実施例３と同様とした。

図１１は、光強度比Ｉ２／Ｉ１の温度依存性を示したグラフである。図１１のように、光強度比Ｉ２／Ｉ１と、マウスのうち水溶液が皮下注射された領域の温度は１対１に対応し、その対応関係は直線で精度よく近似できることがわかった。したがって、生体イメージング装置を用いて生体の特定部位の温度計測が可能であることがわかった。

実施例１により作製した表面がＭＰＡで修飾された量子ドット１を水溶液に溶解させ、その水溶液５０μＬをＢＡＬＢ／ｃヌードマウスに皮下注射した。そして、そのマウスを冷却状態、通常状態、加熱状態の３つの状態にし、赤外線サーモグラフィカメラ（フリアー社製、FLIR C2 ）により撮影した。その結果、マウスのうち水溶液が皮下注射された領域の温度は、冷却状態で２１．３℃、通常状態で３２．３℃、加熱状態で３６．７℃であった。

次に、実施例４と同様にして、生体イメージング装置を用いてマウスのうち水溶液が皮下注射された領域の蛍光画像を取得した。マウスの状態は上述の冷却状態、通常状態、加熱状態の３つの状態としてそれぞれ蛍光画像を取得した。励起光のバンドパスフィルタは４９０～５１０ｎｍとし、それ以外の条件は実施例４と同様とした。そして、蛍光画像から光強度比Ｉ２／Ｉ１を測定した。

次に、実施例４で求めた図１１の光強度比Ｉ２／Ｉ１との温度の対応の直線を検量線として、冷却状態、通常状態、加熱状態の３つの状態における光強度比Ｉ２／Ｉ１から、温度を算出した。図１２は、３つの状態における光強度比Ｉ２／Ｉ１を、検量線上にプロットしたグラフである。図１２から、マウスのうち水溶液が皮下注射された領域の温度は、冷却状態で２２．０℃、通常状態で３２．５℃、加熱状態で３７．４℃と算出された。この結果は、赤外線サーモグラフィカメラによる測定結果と比較的一致しており、光強度比Ｉ２／Ｉ１と温度の対応関係を検量線として温度計測可能であることが確かめられた。

本開示の温度計測装置は、生体内の細胞の温度計測に好適である。

１：量子ドット
２：光照射部
３：光検出部
４：光強度比算出部
５：検量線記憶部
６：温度算出部
１０：コア
１１：シェル

Claims

測定対象物の近傍に配置され、結晶欠陥を有したコアと前記コアを覆うシェルとを有したコアシェル型の量子ドットと、
前記量子ドットに、前記コアのバンドギャップエネルギーよりも大きなエネルギーの波長である励起光を照射する光照射部と、
前記量子ドットのバンド端発光のピーク波長における光強度と、前記量子ドットの欠陥発光のピーク波長における光強度とを計測する光検出部と、
前記光検出部により検出した２つの光強度の光強度比を算出する光強度比算出部と、
前記光強度比と前記量子ドットの周囲の温度との関係を示した検量線を記憶する検量線記憶部と、
前記光強度比算出部により算出した前記光強度比と、前記検量線記憶部に記憶された前記検量線とから、前記測定対象物の温度を算出する温度算出部と、
を有することを特徴とする温度計測装置。
前記検量線は直線である、ことを特徴とする請求項１に記載の温度計測装置。
前記検量線は、前記量子ドットの周囲環境ごとに設定されている、ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の温度計測装置。
前記温度計測装置は、生体内の温度計測用であり、前記励起光の波長は７００～１５００ｎｍであり、前記量子ドットの表面に親水基が結合されている、ことを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の温度計測装置。
前記温度計測装置は、細胞内の温度計測用であり、前記励起光の波長は７００～１５００ｎｍであり、前記量子ドットの表面に膜透過性ペプチドまたはカチオン性リポソームが結合されている、ことを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の温度計測装置。
結晶欠陥を有したコアと、前記コアを覆うシェルとを有したコアシェル型の量子ドットを、測定対象物の近傍に配置し、
前記量子ドットに励起光を照射し、
前記量子ドットのバンド端発光のピーク波長における光強度と、前記量子ドットの欠陥発光のピーク波長における光強度とを計測し、その２つの光強度の光強度比を算出し、
前記光強度比と、あらかじめ求めておいた前記光強度比と前記量子ドットの周囲の温度との関係を示した検量線とから、前記量子ドットの周囲の温度を算出する、
ことを特徴とする温度計測方法。