2015 Fiscal Year Research-status Report
無臭ガスの情報コード化と知覚画像化（無臭ガス用カメラ）
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15K12060
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| Research Institution | Tokyo Medical and Dental University |
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Principal Investigator |
三林 浩二 東京医科歯科大学, 生体材料工学研究所, 教授 (40307236)
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| Project Period (FY) |
2015-04-01 – 2018-03-31
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| Keywords | 無臭ガス / 情報コード / 画像化 / 酵素 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究の目的は、「無色・無臭の化学成分」と「その成分を認識する酵素」を実験にて検討し、次に高感度な無臭ガス計測へと展開する。さらにインクジェットプリンタを用い、無臭ガス成分での情報コード印刷を進め、無臭ガスを生化学的に発光や蛍光へと誘導し、高感度カメラで撮影することで、知覚画像化する。つまり無臭ガスを使った秘匿性の高い、化学的な情報コードシステムを構築すると共に、人では知覚できない無色無臭ガスを知覚化することで「新たな情報化社会」を創生することである。
初年度（27年度）には無臭成分バイオ測定について、無臭情報コードのための無臭ガス成分について、認識酵素の選出を実施した。本課題ではまず乳酸、過酸化水素の２種の揮発性を有する成分について、それぞれを触媒する酵素として、乳酸酸化酵素（LOD）とカタラーゼ(catalase)について、そのセンシング利用が可能か検討した。LOD は酸素を電子受容体として、「乳酸」を酸化することで、ピルビン酸をそれぞれ生成する。この酸素濃度の減少を酸素分析装置で測定したところ、無色無臭成分である乳酸の検出が可能であった。一方、カタラーゼは「過酸化水素」を基質として、水と酸素を生成することから、酸素濃度の増加を酸素分析装置で測定した結果、カタラーゼにて無臭の過酸化水素の検出が可能であることがわかった。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
医療用バイオセンサの技術は、僅かな化学成分を特異的に検出できることから、申請者がこの技術を利用し、開発してきた生化学式のガスセンサ（バイオスニファ）は混合ガス中でも、対象とするガス成分だけを検知できる。また、本センサ技術は嗅覚ではなく、体内での薬物代謝で機能する酵素を利用することから、人の嗅覚では知覚できないような無臭ガス成分を対象としたガスセンサの構築も可能である。そこで27年度には、まず乳酸やコリン、過酸化水素、ウルソル酸、バルプロ酸、安息香酸などは人の嗅覚で認識できず、知覚することができない成分のなかで、無臭情報コードのための無臭ガス成分および認識酵素の選出を実施することである。
これに対して本課題では、まず乳酸、過酸化水素の２種の揮発性を有する成分について、それぞれを触媒する酵素として、乳酸酸化酵素（LOD）とカタラーゼ(catalase)について、そのセンシング利用が可能か検討した。その結果、LODを用いることで酸素濃度の減少を酸素分析装置で測定し、無色無臭の乳酸ガスの検出が可能であった。またカタラーゼを認識素子とすることで「過酸化水素」を基質として、生成される酸素濃度の増加を酸素分析装置で測定し、カタラーゼにて無色無臭の過酸化水素の検出であることを示した。現在、同様な手法にて無臭成分であるコリンについての実験を実施している。また光計測の可能性についても検討を進めている。
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| Strategy for Future Research Activity |
28 年度には前年度の結果を踏まえ、他の無臭成分（コリンなど）および酵素の選択を実施し、混合ガスでの相互作用を調べると共に、インクジェットプリンタを導入し、複数の無臭成分にて無臭情報コードの印刷を行う。前年度に無臭ガス成分である乳酸と乳酸酸化酵素の組み合わせ、また過酸化水素とカタラーゼの組み合わせを確認しており、同様な手法にて無臭成分であるコリンについて、コリン酸化酵素を利用した無臭ガス計測の可能性を調べる。また無臭ガスのコード化では、互いのガス成分が他のセンサに影響をしないことが重要である。各酵素はその立体構造で基質成分を構造認識することから、高い基質特異性が有するが、基質以外の成分が影響を示すかを実際の無臭ガス（複数種）とガスセンサ（複数種）を用いて確認して、互いにクロストークをしないこと調べる。
一方、無臭情報コードを媒体に印刷するためにインクジェットプリンタを導入し、無臭ガス成分の印刷を実施する。対象成分は揮発性を有することから非加熱型のプリンタが必要で、加えて長期保存可能な無臭コードとするため無臭ガス成分を樹脂と混合したジェルを印刷できること、また複数の成分を印刷できること、PC で印刷を制御できることなどの諸条件を考慮して、インクジェットプリンタを選定する。実験では、複数の無臭ガス成分の溶液を対象に、カートリッジ内に装填して、PC 制御にて無臭ガスコードの印刷が可能かを実証する。
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| Causes of Carryover |
27年度では無臭成分バイオ測定について、無臭情報コードのための無臭ガス成分について、認識酵素の選出にあたり、まず乳酸、過酸化水素の２種の揮発性を有する成分について、乳酸酸化酵素（LOD）とカタラーゼについて、無臭センシングが可能か検討した。その際にLOD は酸素を電子受容体として、「乳酸」を酸化することから、この酸素濃度の減少を現有設備である酸素分析装置で測定することが可能であった。同様に、過酸化水素についてもカタラーゼを用いて、酵素反応で生成される酸素を酸素分析装置で測定することができ、まだ光計測器を導入することなく評価することができた。28年度では高感度な光計測系の利用を予定しており、光学計測において自家蛍光を抑制した酵素固定化ポリマーの合成を行い、光学素子や各種の酵素群、化学試薬、機械・電気部品などを購入し、センサ素子の開発と特性評価を行うことから、当初の計画以上の費用支出が発生する。
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| Expenditure Plan for Carryover Budget |
28年度では光センサの開発と特性評価を行うことから、高感度な光計測系の利用を予定しており、光学計測において自家蛍光を抑制した酵素固定化ポリマーの合成を行い、光学素子や各種の酵素群、化学試薬、機械・電気部品などを購入し、実施する。実験用設備としては現有設備である高感度分光器、ファンクションジェネレータ、高度ドラフトチャンバ、緩衝液冷却系、二重式暗ブースを用いて、既製品の光学素子や各種の酵素群、化学試薬、機械・電気部品などの物品費に支出し研究を進める。またこれまでの実験結果の国内外学会会議での発表や、学術論文への投稿費用にも充当する。また研究を加速するため、実験補助等への謝金にも支出する。
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