2019 Fiscal Year Research-status Report
Development of highly sensitive nitrogen oxide measurement method using nano porous materials and its application for biogas monitoring
| Project/Area Number |
17K00601
|
|---|
| Research Institution | Tohoku Institute of Technology |
|---|
Principal Investigator |
丸尾 容子 東北工業大学, 工学部, 教授 (50545845)
|
|---|
| Project Period (FY) |
2017-04-01 – 2021-03-31
|
| Keywords | 簡易分析 / 多孔質ガラス / 一酸化窒素 / ＰＴＩＯ / 生体ガス / 比色反応 / 呼気分析 |
|---|
| Outline of Annual Research Achievements |
気体の簡易測定は、環境を考慮した持続可能な社会を構築していく上で重要な技術となり、測定対象が人関連物質である場合は生体計測への適用により人の健康管理が可能となる。2017年度より、呼吸器疾患に関係があると考えられている一酸化窒素（NO）を検出対象として、莫大な表面積を持つナノ多孔体の表面及びその表面に存在する数層の水溶液中でのNOと有機ラジカルであるPTIOの反応により検出を試みている。昨年度PTIOの分析チップの測定可能範囲を検証し0.34ー4ppmhourであることを確認した。しかしこれは人の呼気中に存在するNOの濃度である～数十ppbには至っていなかった。そこで今年度はNOを高感度で測定する方法として、化学反応式の上ではNOの減少とともに1:1で生成することが予想されるNO2に着目した。PTIO分析チップのNO雰囲気への曝露により、曝露雰囲気中のNOが減少しNO2が増加することを実測により確認できたため、このNO2をすでに研究室において開発済みであるNO2分析チップにより検出する方法を考案した。そしてこの方法を用いてNOの測定が高感度で可能なことを実証でき、方法について特許の出願を行った。さらに呼気を模した有限体積（１～２L）での実験を行った。初めに50%湿度条件で実験を行いPTIO分析チップのみを用いた場合のNO減少速度及びNO2生成速度の評価を行い、NO減少割合と曝露時間の関係を導き出し、次にPTIO分析チップとNO2分析チップの両方を用いた場合の分析チップの吸光度の変化量と初期曝露濃度との関係を導き、測定に要する曝露時間の評価を行うとともに、両チップによる分析可能濃度範囲の評価を行った。また、呼気は温度32℃、湿度90～100％と報告されているためNO濃度に影響を及ぼさない湿度低減方法の検討を行った。
|
| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
今年度は第一に昨年度までの研究結果をまとめて論文として投稿し、受理・掲載された。また研究計画立案時の目標であった微量ガスの人工曝露環境評価系を構築し、センシングチップの測定限界及び、微量ガスの計測に必要な時間を実測により評価することが出来るようになったのに加えて、呼気測定に必要な湿度低減方法を検討し実際の呼気測定（対象；健常者）を実現できた。当初PTIO分析チップのみでNO分析を行うことを考え、感度向上のため添加物等を検討していたが、１桁以上の分析は実現できなかった。しかし検討の過程でNOを分析チップに曝露すると、化学反応式より予想されるように減少したNOと同濃度でNO2が生成され、また生成されたNO2はPTIO分析チップに吸着されることなく雰囲気中に放出されることが明らかになった。そこでこのNO2をすでに研究室で開発しているNO2分析チップ中で反応させてNO2を測定し、それをNO濃度とする分析方法を考案した。実際にppbオーダーの微量濃度の曝露雰囲気を調整し、分析チップ2種類（PTIO分析チップ及びNO2分析チップ）を同時に曝露することにより、ppbオーダーのNOの測定が可能なことが確認出来た。この測定方法について特許の出願を行った。次に曝露雰囲気の体積を、呼気を模した有限体積（1～2L）として検討を行った。その結果2種類の分析チップを用いた方法により、1～150ppbのNO濃度が測定できることが明らかになった。濃度が30ppb以上であればPTIOチップによりNOの測定も可能であり、NO2分析チップの結果を検証可能であることが明らかになった。さらに呼気は温度32℃、湿度90～100％気体でありここに含まれる水分量を低減し、20℃、50%の状態として分析可能な前処理方法を確立し、この方法を用いて実際の健常者の呼気の測定を実現した。
|
| Strategy for Future Research Activity |
2020度は最終年となる。2種類の分析チップを用いる測定方法に関しての特許出願は2019年度に完了しているが、今後の実験により明らかになる点があった場合1年以内であれば国内優先権を用いて特許の補強を行う。また新規に考案した2種類の分析チップを用いるNO測定方法により実際人の呼気を用いた実験を行い、結果を得ているためこれらをまとめて論文の投稿を行いプライオリティの確保につなげる。その後喘息を罹患している患者の呼気測定を行う予定であったが、新型コロナウィルス感染の恐れがあるため当面は患者の呼気の測定は中止する。またNO測定機器は環境測定のみならず喘息患者の診療において診療報酬が付き認知された方法であるため興味を示しているメーカーがあるため共同研究への発展を検討する。
その他、研究計画を立案した当初の計画である呼気ガスと人体の様々な部分の皮膚ガスの同時測定を行い、相関について考察する。ただし対象の人数を増やすことは新型コロナウィルス感染の恐れがあり難しいため、当面研究従事者2名のデータを取得し、測定方法の堅牢性の検証・確立と再現性の評価に主眼を置く。さらに、呼吸器科の医師へのヒアリングにより、測定時間の短縮への要望があったため、その解決策の検討として流体系の実験系の構築を行い測定時間短縮の可能性を研究する。
|
| Causes of Carryover |
使用額が生じた理由：3月の学会で発表を予定しており、その旅費として用いる予定であったが新型コロナウィルスの流行により、学会の開催が中止されたため。
使用計画：2020年度は呼気ガスと人体の様々な部分の皮膚ガスの同時測定及び呼吸器科の医師へのヒアリングにより明らかになった測定時間短縮の要望への解決策として流体系の実験系の構築を行う。そこで流体系の実験構築に必要なポンプ、配管部材などの購入を行う。また皮膚ガス測定に必要な部材の購入を行う。さらに消耗品としてセンシングチップ基板用の多孔質ガラス、薬品類及びテドラーバッグを購入する。
|
Research Products
(6 results)
