2018 Fiscal Year Annual Research Report
Deepening of plasma induced chemical reaction in liquid considering RNS and its distribution in liquid
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18H01205
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| Research Institution | Osaka University |
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Principal Investigator |
北野 勝久 大阪大学, 工学研究科, 准教授 (20379118)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
座古 保 愛媛大学, 理工学研究科(理学系), 教授 (50399440)
白木 賢太郎 筑波大学, 数理物質系, 教授 (90334797)
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| Project Period (FY) |
2018-04-01 – 2021-03-31
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| Keywords | プラズマ医療 / 大気圧プラズマ / 活性窒素種 / プラズマ誘起液中化学反応 / 反応速度論 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
プラズマにより液中に生成された化学種による生体への影響を評価するため、生体高分子を化学プローブとして、化学修飾を評価する。プラズマからは様々な化学種が供給されるが、その反応基素過程として、生体高分子レベルの化学修飾は非常に重要であるにも関わらず、これまで当該分野ではこのようなコンセプトに基づく研究がほとんどなされてなかった。生体高分子の中でも生化学的な活性を持つタンパク質への化学修飾が最も重要であると考えるが、反応単位はアミノ酸残基が主であると考えており、２０種類のアミノ酸に対する化学修飾を反応速度論的な解釈により評価を行う。アミノ酸レベルでの化学反応は、それぞれ、アミノ酸と化学種の化学反応マトリクスを求めると良い。しなしながら、我々が着目している過硝酸（HOONO2）に関しては、そのようなデータベースが無いために、特に集中して反応速度の評価を進める。また、活性化エネルギーを求める必要があるため、温度を変化させながら反応速度を評価する。多くの活性化学種は文献により活性化エネルギーが判明する場合もあるが、このようにして化学種とアミノ酸との活性化エネルギーを求めることにより、プラズマ医療などにおける主たる化学修飾が明らかになると考える。しかしながら、反応系は化学種とアミノ酸の１次的なもので終わらず、反応生成物がさらに反応するなどの現象も想定される。生体応用を考えると、多種多様な生体高分子が存在するために、基本的には最も反応定数が高い反応が優位に進むはずであり、このような反応を見つけるというのが実用的な反応経路の理解には役に立つと考える。速度定数が小さくで反応がほとんど進まない経路であっても、生物学的には致命的となる場合もあるので、この辺りも考慮しながら研究を進める必要がある。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
アミノ酸と過硝酸の化学反応定数を求める実験系の構築を進めている。本来は二次反応になるが、両者の濃度の時間変化を同時に定量するのは困難であるために、過硝酸に対してアミノ酸濃度を十分に高くしておき、過硝酸のみの濃度が減少する擬一次反応となるような実験系を用いて評価を進めることにした。アミノ酸２０種類を用意して、それぞれ過硝酸の濃度減衰を評価する実験を進めた。これまでに開発した発色試薬による過硝酸の濃度定量法が、一部のアミノ酸に対して問題があることが明らかになった。吸光度の時間変化を測定したところ、発色後の色素が、アミノ酸によって還元され脱色反応が同時に進んだ。そのため、新たな定量方法が必要となったが、初発の発色の時間変化の傾きから、発色試薬を混合直後の過硝酸の濃度を定量する新しい方法を開発することで問題解決を行った。検量線も十分に引くことが出来た。また、一部のアミノ酸は、反応定数が非常に高く、混合サンプルからピペットによりサンプリングする数秒オーダーの時間で、アミノ酸との化学反応がさらに進む事が明らかになった。このアミノ酸ならびに酸化物の吸収スペクトルと、過硝酸の吸収スペクトルがかぶらない波長があることがわかったために、過硝酸の濃度を直接吸収法により測定することにした。このように、アミノ酸２０種類に対して反応定数を求める実験系の構築が完了した。また、過硝酸以外の化学種の反応定数に関しては、文献調査を進めており、おおよそのデータベースの構築は完了した。
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| Strategy for Future Research Activity |
過硝酸とアミノ酸の反応定数を求める実験系の構築は完了し予備実験も完了しているため、正確な速度乗数を求める実験を集中して行うこととする。さらに、反応速度乗数は温度依存であるために、このような反応定数を求める実験を行うときは、温度を固定して実験を行うが、温度を振って反応速度乗数を求める実験を進めることにより、アレニウスプロットより反応の活性化エネルギーを求める実験を進めることとする。反応速度定数の正確なデータベースを構築するためには、そのほかのpHなどのパラメーターも重要であり、アミノ酸のpKa前後で電荷分布状態が変化して速度乗数が変わる可能性もある。また、アミノ酸が多段階で酸化される反応が存在することがわかったために、それらの反応系を明らかにするために、他の化学種による多段階酸化反応を参考にして、評価を進めることとする。
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