Development of analytical method of radiocarbon based on laser spectroscopy for analysis of metabolites in living organisms

• Project/Area Number: 18H03469
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 一般
• Review Section: Basic Section 80040:Quantum beam science-related
• Research Institution: Nagoya University
• Principal Investigator: Tomita Hideki 名古屋大学, 工学研究科, 准教授 (20432239)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 古川 高子 名古屋大学, 医学系研究科(保健), 教授 (00221557) ; 山本 誠一 名古屋大学, 医学系研究科(保健), 教授 (00290768) ; 寺林 稜平 東京大学, 大学院工学系研究科(工学部), 助教 (10870272) ; SONNENSCH Volker 名古屋大学, 工学研究科, 助教 (80813261)
• Project Period (FY): 2018-04-01 – 2021-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2021)
• Budget Amount: ¥17,550,000 (Direct Cost: ¥13,500,000、Indirect Cost: ¥4,050,000); Fiscal Year 2020: ¥3,510,000 (Direct Cost: ¥2,700,000、Indirect Cost: ¥810,000); Fiscal Year 2019: ¥5,070,000 (Direct Cost: ¥3,900,000、Indirect Cost: ¥1,170,000); Fiscal Year 2018: ¥8,970,000 (Direct Cost: ¥6,900,000、Indirect Cost: ¥2,070,000)
• Keywords: 放射性炭素同位体 / レーザー分光 / 同位体標識 / 代謝物分析 / 代謝イメージング

Outline of Final Research Achievements

An analytical method of radiocarbon based on cavity ring-down spectroscopy was developed for metabolites analysis. Suppression of baseline fluctuations by modulating the optical path length and separation/concentration of sample gas (carbon dioxide) by adopting adsorption columns were developed to improve the sensitivity of C-14 quantitative analysis. Using those techniques, C-14 analysis in samples fractionated by high-performance liquid chromatography was demonstrated. In addition, a La-GPS scintillator-based imaging detector was developed for in vitro metabolite distribution measurements. Imaging of bremsstrahlung caused by β-particles emitted from C-14 as well as tritium was demonstrated by using the detector. In vivo imaging of a mouse to detect the X-rays from a 14C solution orally administered was successfully demonstrated.

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

本研究により、生体内での物質動態を「定量的」に評価するためのレーザー吸収分光に基づく14C分析手法の高感度化が実現できた。高速液体クロマトグラフィーと本14C分析法を組み合わせることで代謝物プロファイル測定が実現できれば、創薬における薬物動態評価、生体内代謝メカニズムの解明や、さらに臨床現場にて応用されれば個別化治療を実現するための診断手法となりうると期待される。また、β粒子に起因する制動X線イメージングにより、体外からの14Cと3Hの分布を測定できる可能性が示された。

Research Products

• [Journal Article] Imaging of bremsstrahlung X-rays from tritium water in a plastic bag using a LaGPS radiation imaging system (2020)
  • Author(s): Seiichi Yamamoto, Kouhei Nakanishi, Takako Furukawa, Hideki Tomita, Kei Kamada and Akira Yoshikawa
  • Journal Title: Journal of Instrumentation Volume: 15 Issue: 04 Pages: P04006-P04006
  • DOI: 10.1088/1748-0221/15/04/p04006
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Possibility analysis of bremsstrahlung x-ray imaging of C-14 radionuclide using a LaGPS radiation imaging system (2019)
  • Author(s): Seiichi Yamamoto, Kouhei Nakanishi, Takako Furukawa and Hideki Tomita
  • Journal Title: Biomedical Physics & Engineering Express Volume: 5 Issue: 3 Pages: 035024-035024
  • DOI: 10.1088/2057-1976/ab12bd
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Background noise reduction in mid-infrared cavity ring-down spectroscopy for radiocarbon analysis (2019)
  • Author(s): Ryohei Terabayashi, Volker Sonnenschein, Hideki Tomita, Keisuke Saito, Shusuke Kato, Shin Takeda, Masahito Yamanaka, Norihiko Nishizawa, Mana Kano-Nakata, Kenji Yoshida, Naohiro Kamiya, Seiichi Yamamoto, Takako Furukawa, Tetsuo Iguchi
  • Journal Title: JPS conference proceedings Volume: 24 Pages: 011024-011024
  • DOI: 10.7566/jpscp.24.011024
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] A cavity ring-down spectrometer for study of biomedical radiocarbon-labeled samples (2018)
  • Author(s): Volker Sonnenschein, Ryohei Terabayashi, Hideki Tomita, Shusuke Kato, Noriyoshi Hayashi, Shin Takeda, Lei Jin, Masahito Yamanaka, Norihiko Nishizawa, Atsushi Sato, Kenji Yoshida, Tetsuo Iguchi
  • Journal Title: Journal of Applied Physics Volume: 124 Issue: 3 Pages: 033101-033101
  • DOI: 10.1063/1.5041015
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Presentation] 中赤外キャビティリングダウン分光に基づく14C分析システムの高感度化に関する研究 (2020)
  • Author(s): 寺林 稜平, 齊藤 圭亮, Volker Sonnenschein, 奥山 雄貴, 富田 英生, 仲田（狩野） 麻奈, 山中 真仁, 西澤 典彦, 吉田 賢二, 二宮 真一, 川嶋 悠太, 真野 和音, 池原 辰弥, 古宮 哲夫, 神谷 直浩, 井口 哲夫
  • Organizer: 第67回応用物理学会春季学術講演会
• [Presentation] ベータ線放出核種：炭素 14 in-vivo イメージング装置の開発 (2019)
  • Author(s): 山本誠一、中西恒平、古川高子、富田英生 、吉田賢二
  • Organizer: 日本分子イメージング学会 第14回 学会総会・学術集会
• [Presentation] ベータ線放出核種の制動X線in-vivoイメージング装置開発と応用 (2019)
  • Author(s): 山本誠一、中西恒平、古川高子、富田英生
  • Organizer: 第15回小動物インビボイメージング研究会
• [Presentation] In-vivo imaging of bremsstrahlung X-ray from C-14 radionuclide using a high resolution LaGPS radiation imaging system (2019)
  • Author(s): Seiichi Yamamoto, Hideki Tomita, Ryohei Terabayashi, Kenji Yoshida, Kouhei Nakanishi, Takako Furukawa, Kei Kamada and Akira Yoshikawa
  • Organizer: IEEE Medical Imaging Conference 2019
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Development of imaging and laser-based trace analysis of radioactive carbon isotope for biomedical applications (2019)
  • Author(s): H. Tomita, V. Sonnenschein, R. Terabayashi, K. Saito, T. Iguchi, S. Yamamoto, T. Furukawa, N. Nishizawa, M. Yamanaka, K. Yoshida, S. Ninomiya
  • Organizer: IEEE Medical Imaging Conference 2019
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 放射性炭素同位体分析のための周波数コムを用いたキャビティーリングダウン分光法の開発 (2019)
  • Author(s): 富田 英生, Volker Sonnenschein, 寺林 稜平, 齊藤 圭亮, 山中 真仁, 西澤 典彦, 井口 哲夫, 吉田 賢二, 二宮 真一, 神谷 直浩
  • Organizer: 日本原子力学会2019秋の大会
• [Presentation] レーザーによる極微量放射性物質の分析 (2019)
  • Author(s): 富田 英生
  • Organizer: 電気学会調査専門委員会「福島第一原子力発電所廃炉に関わる放射線計測技術調査専門委員会」2019年度第２回専門委員会
  • Invited
• [Presentation] Development of On-line Detection Method of Gaseous Radioisotopes by Cavity Ring-down Laser Spectroscopy (2019)
  • Author(s): Tetsuo Iguchi, Ryohei Terabayashi, Volker Sonnenschein, Hideki Tomita, Keisuke Saito, Masahito Yamanaka, Norihiko Nishizawa, Kenji Yoshida, Naohiro Kamiya
  • Organizer: International Topical Workshop on Fukushima Decommissioning Research
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Development of Radiocarbon Analysis System with Mid-Infrared Cavity Ring-down Spectroscopy for biological and environmental tracer applications (2019)
  • Author(s): Ryohei Terabayashi, Volker Sonnenschein, Hideki Tomita, Keisuke Saito, Shusuke Kato, Shin Takeda, Masahito Yamanaka, Norihiko Nishizawa, Mana Kano-Nakata, Kenji Yoshida, Naohiro Kamiya, Seiichi Yamamoto, Takako Furukawa, Tetsuo Iguchi
  • Organizer: PLATAN 2019, Mainz - International Conference Merger of the Poznan Meeting on Lasers and Trapping Devices in Atomic Nuclei Research and the International Conference on Laser Probing
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Biological Tracer Application of Radiocarbon Analysis System with Mid-Infrared Laser Absorption Spectroscopy (2019)
  • Author(s): Keisuke Saito, Ryohei Terabayashi, Mana Kano-Nakata, Volker Sonnenschein, Hideki Tomita, Kenji Yoshida, Tetsuo Iguchi
  • Organizer: THE 10th INTERNATIONAL SYMPOSIUM ON RADIATION SAFETY AND DETECTION
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 高感度中赤外レーザー分光に基づく放射性炭素分析法の開発とトレーサー応用への適用検討 (2019)
  • Author(s): 寺林 稜平, Volker Sonnenschein, 富田 英生, 齊藤 圭亮, 奥山 雄貴, 山中 真仁, 西澤 典彦, 仲田(狩野) 麻奈, 吉田 賢二, 二宮 真一, 山本 誠一, 古川 高子
  • Organizer: 次世代放射線シンポジウム2019
• [Presentation] 放射性炭素同位体分析のためのキャビティリングダウン分光におけるエタロン効果の低減 (2019)
  • Author(s): 齊藤 圭亮, 寺林 稜平, Volker Sonnenschein, 富田 英生, 吉田 賢二, 真野 和音, 池原 辰弥, 古宮 哲夫, 神谷 直浩, 井口 哲夫
  • Organizer: 第80回応用物理学会秋季学術講演会
• [Presentation] レーザー共鳴イオン化および吸収分光と用いた微量放射性核種分析法の開発 (2019)
  • Author(s): 富田 英生
  • Organizer: 日本原子力学会2019年春の大会
  • Invited
• [Presentation] 生体・環境トレーサー応用のための中赤外キャビティリングダウン分光に基づく放射性炭素分析システムの開発 (2019)
  • Author(s): 寺林 稜平, Volker Sonnenschein, 富田 英生, 仲田（狩野） 麻奈, 加藤 修介, 武田 晨, 齊藤 圭亮, 山中 真仁, 西澤 典彦, 吉田 賢二, 神谷 直浩, 井口 哲夫
  • Organizer: 第66回応用物理学会春季学術講演会
• [Presentation] 中赤外レーザー分光に基づく放射性炭素分析の生体トレーサー応用に向けた研究 (2019)
  • Author(s): 寺林 稜平, Volker Sonnenschein, 富田 英生, 加藤 修介, 武田 晨, 齊藤 圭亮, 仲田（狩野） 麻奈, 山中 真仁, 西澤 典彦, 吉田 賢二, 神谷 直浩, 井口 哲夫
  • Organizer: 第33回KEK研究会「放射線検出器とその応用」
• [Presentation] レーザー分光法を用いた高感度放射性核種分析 (2018)
  • Author(s): 富田英生
  • Organizer: 早稲田大学・東京都市大学 共同原子力専攻 第15回未来エネルギーシンポジウム 「放射線計測の最前線」
  • Invited
• [Presentation] 生体・環境中トレーサー応用に向けた中赤外キャビティーリングダウン分光に基づくC-14分析法の開発 (2018)
  • Author(s): 寺林 稜平, Volker Sonnenschein, 富田 英生, 仲田(狩野) 麻奈, 加藤 修介, 武田 晨, 金 磊, 山中 真仁, 西澤 典彦, 齊藤 圭亮 , 吉田賢二, 井口 哲夫
  • Organizer: 日本原子力学会2018年秋の大会
• [Presentation] キャビティーリングダウン分光に基づく放射性炭素同位体分析システムの開発（5） (2018)
  • Author(s): 加藤 修介, Volker Sonnenschein,寺林 稜平, 武田 晨, 富田 英生, 金 磊, 山中 真仁,西澤 典彦, 吉田 賢二, 齋藤 圭亮, 井口 哲夫
  • Organizer: 第79回応用物理学会秋季学術講演会
• [Presentation] 中赤外キャビティリングダウン分光におけるバックグラウンドノイズの低減 (2018)
  • Author(s): 武田 晨，寺林 稜平，Volker Sonnenschein，加藤 修介，富田 英生，西澤 典彦，吉田 賢二，井口 哲夫
  • Organizer: 第79回応用物理学会秋季学術講演会
• [Presentation] 中赤外キャビティーリングダウン分光に基づく微量ガス分析法の開発 (2018)
  • Author(s): 富田英生, Volker Sonnenschein, 寺林稜平, 加藤修介, 武田晨, 齊藤圭亮, 山中真仁, 西澤典彦, 井口哲夫, 吉田賢二
  • Organizer: Post-ASLIBS2017 International Symposium 第5回 先端計測技術の応用展開に関するシンポジウム Fifth symposium on applications of advanced measurement technologies (SAAMT2018)
  • Invited
• [Presentation] Mid Infrared Cavity Ring-Down Spectroscopy for Radiocarbon Analysis toward Medical Applications (2018)
  • Author(s): Ryohei Terabayashi, Volker Sonnenschein, Hideki Tomita, Noriyoshi Hayashi, Shusuke Kato, Shin Takeda, Lei Jin, Masahito Yamanaka, Norihiko Nishizawa, Atsushi Sato, Kenji Yoshida, Kohei Nozawa, Tetsuo Iguchi
  • Organizer: 7th Advanced Lasers and Photon Sources (ALPS2018)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Development of Novel Method of Radiocarbon Detection based on Mid-Infrared Cavity Ring-Down Spectroscopy (2018)
  • Author(s): Ryohei Terabayashi ,Volker Sonnenschein,Hideki Tomita,Shusuke Kato, Shin Takeda, Keisuke Saito, Masahito Yamanaka, Norihiko Nishizawa, Kenji Yoshida, Lei Jin, Tetsuo Iguchi
  • Organizer: Fukushima Research Conference on Development of Analytical Techniques in Waste Management 2018 (FRCWM2018)
  • Int'l Joint Research