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Development of on-site synthesis of functional reactive species composed of hydrogen, nitrogen, and oxygen

Research Project

Project/Area Number 23K26084
Project/Area Number (Other) 23H01389 (2023)
Research Category

Grant-in-Aid for Scientific Research (B)

Allocation TypeMulti-year Fund (2024)
Single-year Grants (2023)
Section一般
Review Section Basic Section 21010:Power engineering-related
Research InstitutionTohoku University

Principal Investigator

佐々木 渉太  東北大学, 工学研究科, 助教 (90823526)

Project Period (FY) 2023-04-01 – 2026-03-31
Project Status Granted (Fiscal Year 2024)
Budget Amount *help
¥19,110,000 (Direct Cost: ¥14,700,000、Indirect Cost: ¥4,410,000)
Fiscal Year 2025: ¥3,380,000 (Direct Cost: ¥2,600,000、Indirect Cost: ¥780,000)
Fiscal Year 2024: ¥3,770,000 (Direct Cost: ¥2,900,000、Indirect Cost: ¥870,000)
Fiscal Year 2023: ¥11,960,000 (Direct Cost: ¥9,200,000、Indirect Cost: ¥2,760,000)
Keywords大気圧プラズマ / 活性種制御合成 / 五酸化二窒素 / 窒化水素 / コロナウイルス
Outline of Research at the Start

身近にある空気と水から,水素・窒素・酸素から成る活性種(HxNyOz)をその場合成可能な大気圧プラズマ技術は,空気の活用度を大幅に向上させる画期的な技術として期待されているが,HxNyOzの合成制御性には大きな課題がある.
本研究では,申請者が近年開発してきた,広範なHxNyOz合成制御域を有するプラズマ反応システムに,空気分子組成を変える空気分離前処理を導入して,放電後化学を理解し積極利用することで,高い応用性を有する新規 HxNyOzをその場で精密制御合成できる技術を創生する.

Outline of Annual Research Achievements

本研究では,これまで研究代表者が開発してきた,広範な水素・窒素・酸素から成る活性種(HxNyOz)合成制御域を有するプラズマ反応システムに,空気分子組成を変える空気分離前処理を導入して,放電後化学を理解し積極利用することで,高い応用性を有する新規HxNyOzをその場で精密制御合成できる技術を創生することを目的としており,当該年度は以下の研究成果を得た.
①ハイブリッドプラズマ反応システムの開発:超低露点に制御された乾燥流路と加湿流路をそれぞれ有し,空気,窒素,酸素,アルゴン等を8台の質量流量制御装置を用いて混合することで,ガス組成が厳密に制御可能なガス供給システムの構築を行った.また,組成制御されたガスが供給された複数のプラズマ反応炉を通して得たプラズマ活性ガスを混合する実験系を確立した.
②プラズマ合成HxNyOz組成の時間発展多点計測と反応モデルの構築:ハイブリッドプラズマ反応システムの流路内にて,上流と下流にフーリエ変換赤外線分光光度計(FT-IR)を設置することで,同時多点計測を可能にした.
③プラズマ合成HxNyOzによるアミノ酸修飾作用解析とヒトコロナウイルス不活化作用の計測:研究代表者が保有する,空気から五酸化二窒素(N2O5)を,選択的(10以上の選択比)かつ高濃度(300 ppm以上)に合成可能な技術を用いて,N2O5のアミノ酸化学修飾効果を高速液体クロマトグラフィ質量分析計(LC-MS)により調べた.その結果,N2O5が液中に溶解する際に一時生成する中間体の効果により,気液界面付近で特異な反応修飾を行うことが明らかとなった.また,N2O5のヒトコロナウイルス不活化効果を調べたところ,オゾン(O3)よりも高い不活化作用が検出され,ウイルス不活化に非常に有望なガス状化学種であることを見出した.

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

1: Research has progressed more than it was originally planned.

Reason

当初の計画にあったハイブリッドプラズマ反応システムと活性種HxNyOzの多点同時計測システムの構築はどちらも完了した.それに加え,当初の計画には無かった,五酸化二窒素のアミノ酸化学修飾メカニズムと他の化学種よりも高いヒトコロナウイルス不活化効果を明らかにし,五酸化二窒素の新たな機能を見出すに至ったため.

Strategy for Future Research Activity

今後は,FT-IRによる活性種HxNyOzの多点同時計測実験と化学反応モデルによる計算シミュレーションを併用し,特に脱酸素環境の化学種HxNy反応系の解明を試みる.また,それらの知見を活用して,生物作用の知見が全くない活性種の制御合成に挑戦し,その作用を明らかにしていくことで,有望な新規化学種HxNyOzのスクリーニングを行う.

Report

(1 results)
  • 2023 Annual Research Report
  • Research Products

    (32 results)

All 2024 2023 Other

All Journal Article (1 results) (of which Peer Reviewed: 1 results,  Open Access: 1 results) Presentation (29 results) (of which Int'l Joint Research: 16 results,  Invited: 10 results) Remarks (2 results)

  • [Journal Article] Application of nonthermal atmospheric-pressure plasma irradiation as a new method for noncatalytic liquid-phase selective oxidation of polyhydric alcohols2024

    • Author(s)
      T. Chida,K. Hiromori,N. Shibasaki-Kitakawa,S. Sasaki,T. Kaneko,and A. Takahashi
    • Journal Title

      Plasma Processes and Polymers

      Volume: 21 Issue: 4 Pages: 2300163-2300163

    • DOI

      10.1002/ppap.202300163

    • Related Report
      2023 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Presentation] プラズマ活性種の計測・反応理解・制御と植物応答2024

    • Author(s)
      佐々木 渉太,高島 圭介,金子 俊郎
    • Organizer
      第二回プラズマ種子科学研究会
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    • Invited
  • [Presentation] Inactivation of Human Coronavirus Using Reactive Oxygen and Nitrogen Species Generated by Atmospheric Pressure Plasmas2023

    • Author(s)
      S. Sasaki,S. Osana,M. Yamaya,H. Nishimura,R. Nagatomi,and T. Kaneko
    • Organizer
      4th International Conference on Data Driven Plasma Science (ICDDPS-4)/14th EU Japan Joint Symposium on Plasma Processing (JSPP-14)
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  • [Presentation] Chemical reaction of amino acids with plasma-generated dinitrogen pentoxide2023

    • Author(s)
      Y. Oba,S. Sasaki,K. Takashima,T. Kaneko
    • Organizer
      25th International Symposium on Plasma Chemistry
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  • [Presentation] Nitrogen Fertilization with Plasma Generated Dinitrogen Pentoxide2023

    • Author(s)
      S. Takeshi,K. Takashima,S. Sasaki,A. Higashitani,T. Kaneko
    • Organizer
      25th International Symposium on Plasma Chemistry
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  • [Presentation] Development of BB-CEAS (broadband cavity-enhanced absorption spectroscopy) measurement for reactive nitrogen species2023

    • Author(s)
      S. Kawano,K. Takashima,S. Sasaki,T. Kaneko
    • Organizer
      25th International Symposium on Plasma Chemistry
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  • [Presentation] Roles of electric field and current in composite gene transfection with plasma and pulsed electric field2023

    • Author(s)
      Y. Takashima,S.Sasaki,R. Honda,K. Takashima,M. Kanzaki,T. Kaneko
    • Organizer
      25th International Symposium on Plasma Chemistry
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  • [Presentation] Evaluation of interfacial OH radical transport using plasmaexposed high-speed water jet2023

    • Author(s)
      K. Takeda,S. Sasaki,K. Takashima,T. Kaneko
    • Organizer
      25th International Symposium on Plasma Chemistry
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    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Inactivation effect of plasma-generated reactive oxygen and nitrogen species on human coronavirus2023

    • Author(s)
      S. Sasaki,S. Osana,M. Yamaya,H. Nishimura,R. Nagatomi,and T. Kaneko
    • Organizer
      25th International Symposium on Plasma Chemistry
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  • [Presentation] Development of Atmospheric Pressure Plasma Source with Liquid Column Interface for Plasma-Liquid Interfacial Reactions in Spatio-Temporal Dynamics2023

    • Author(s)
      K. Takashima,R. Fujita,K. Muratomi,S.Sasaki,and T. Kaneko
    • Organizer
      25th International Symposium on Plasma Chemistry
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    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Innovative technology for controlled synthesis of reactive species using gas-liquid interfacial plasmas and its applications2023

    • Author(s)
      T. Kaneko,S.Sasaki,K.Takashima
    • Organizer
      25th International Symposium on Plasma Chemistry
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    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] Plasma Generated Dinitrogen Pentoxide Activating Plant Immunity2023

    • Author(s)
      T. Kaneko,S.Sasaki,K.Takashima,A. Higashitani,S. Ando,H. Takahashi
    • Organizer
      4th International Workshop on Plasma Agriculture (IWOPA4)
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    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] プラズマ生成五酸化二窒素による窒素施肥効果と変換効率2023

    • Author(s)
      S. Takeshi,K. Takashima,S. Sasaki,A. Higashitani,T. Kaneko
    • Organizer
      2023年度電気関係学会東北支部連合大会
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      2023 Annual Research Report
  • [Presentation] 活性窒素種計測のための広帯域キャビティ吸収分光法の開発2023

    • Author(s)
      S. Kawano,K. Takashima,S. Sasaki,T. Kaneko
    • Organizer
      2023年度電気関係学会東北支部連合大会
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      2023 Annual Research Report
  • [Presentation] プラズマ・短パルス電場による複合遺伝子導入法における電場・電流の役割の探索2023

    • Author(s)
      Y. Takashima,S. Sasaki,R. Honda,T. Kaneko
    • Organizer
      2023年度電気関係学会東北支部連合大会
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      2023 Annual Research Report
  • [Presentation] 大気圧空気プラズマ合成活性窒素種による植物免疫誘導2023

    • Author(s)
      金子 俊郎,高島 圭介,佐々木 渉太,安藤 杉尋,高橋 英樹,東谷 篤志
    • Organizer
      第40回日本植物バイオテクノロジー学会
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      2023 Annual Research Report
    • Invited
  • [Presentation] Plant pathogens control using air atmospheric pressure plasmas2023

    • Author(s)
      T. Kaneko,S.Sasaki,K.Takashima
    • Organizer
      Technical Meeting on Emerging Applications of Plasma Science and Technology,International Atomic Energy Agency
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      2023 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] 大気圧空気プラズマを活用した持続可能な食糧生産システム2023

    • Author(s)
      高島 圭介,佐々木 渉太,金子 俊郎
    • Organizer
      第84回応用物理学会秋季学術講演会
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      2023 Annual Research Report
    • Invited
  • [Presentation] プラズマ合成五酸化二窒素によるアミノ酸化学修飾の分析2023

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      大場 優人,佐々木 渉太,高島 圭介,金子 俊郎
    • Organizer
      第84回応用物理学会秋季学術講演会
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      2023 Annual Research Report
  • [Presentation] プラズマ・パルス電場によるヒトT細胞への高効率遺伝子導入2023

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      及川 和起,佐々木 渉太,金子 俊郎
    • Organizer
      第84回応用物理学会秋季学術講演会
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  • [Presentation] プラズマー液体界面における短寿命活性種の挙動解析2023

    • Author(s)
      武田 一希,佐々木 渉太,高島 圭介,金子 俊郎
    • Organizer
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  • [Presentation] Analysis of short-lived reactive species in gas-liquid interfacial plasma with high-speed liquid column flow2023

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      T. Kaneko,K. Takeda,S. Sasaki,and K. Takashima
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      The 76th Annual Gaseous Electronics Conference
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  • [Presentation] Decaying Characteristics of Short-lived Reactive Nitrogen Species Generated by Gas-liquid Interfacial Plasma2023

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      T. Kaneko,K. Taketa,S. Sasaki,K. Takashima
    • Organizer
      the 13th Asian-European International Conference on Plasma Surface Engineering (AEPSE 2023)
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  • [Presentation] Calcium Response and Large Cation Uptake Induced by Atmospheric Pressure Plasma2023

    • Author(s)
      S. Sasaki,R. Honda,M. Kanzaki,and T. Kaneko
    • Organizer
      Twentieth International Conference on Flow Dynamics
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  • [Presentation] Gas-liquid interfacial plasmas: Controlled generation of short-lived reactive species and its applications2023

    • Author(s)
      T. Kaneko,K.Takeda,S.Sasaki,K.Takashima
    • Organizer
      7th Asia-Pacific Conference on Plasma Physics and (AAPPS-DPP 2023)
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    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] 実験と数値計算によるプラズマ誘起液相化学反応の理解2023

    • Author(s)
      佐々木 渉太,高島 圭介,金子 俊郎
    • Organizer
      第33回日本MRS年次大会
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    • Invited
  • [Presentation] プラズマ生成五酸化二窒素の植物直接処理による窒素施肥効果と自家蛍光への影響2023

    • Author(s)
      武士 将熙,高島 圭介,佐々木 渉太,東谷 篤志,金子 俊郎
    • Organizer
      第33回日本MRS年次大会
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      2023 Annual Research Report
  • [Presentation] 空気プラズマ排ガス中のNO3ラジカル生成の促進2023

    • Author(s)
      川野 翔平,高島 圭介,佐々木 渉太,金子 俊郎
    • Organizer
      第33回日本MRS年次大会
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      2023 Annual Research Report
  • [Presentation] オゾン低排出型プラズマ活性ミスト源の開発2023

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      佐々木 渉太,丸子 高志,西牧 真木夫,河合 伸典,北川 清太郎,金子 俊郎
    • Organizer
      第40回 プラズマ・核融合学会 年会
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  • [Presentation] Atmospheric pressure plasma with high-speed liquid flow: basic science and its application2023

    • Author(s)
      T. Kaneko,K.Takeda,S.Sasaki,K.Takashima
    • Organizer
      97th IUVSTA Workshop on plasma-assisted conversion of gases for a sustainable future
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    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Remarks] 東北大学大学院工学研究科 金子・加藤研究室

    • URL

      https://www.ecei.tohoku.ac.jp/plasma/

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      2023 Annual Research Report
  • [Remarks] 東北大学 研究者紹介

    • URL

      https://www.r-info.tohoku.ac.jp/ja/16727afd960fb0fe4ddbcd2842f7767a.html

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Published: 2023-04-18   Modified: 2024-12-25  

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