2020 Fiscal Year Research-status Report
Wearable self-powered biosensors using stabilized enzyme-immobilized carbon-felt.
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18K06605
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| Research Institution | Saitama Institute of Technology |
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Principal Investigator |
長谷部 靖 埼玉工業大学, 工学部, 教授 (20212144)
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| Project Period (FY) |
2018-04-01 – 2022-03-31
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| Keywords | バイオセンサ / 自己駆動式センサ / グルコース / 乳酸 / 炭素繊維 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
自身の健康を自分で管理するセルフケアの観点から、身体装着型（ウェアラブル）生体情報計測デバイスの開発が期待されている。本研究では、汗に含まれる代謝物（乳酸、グルコース）を、非侵襲的・連続的に日常生活の中で測定できるウェアラブルバイオセンサ（身体装着型バイオセンサ）を開発することを目的としている。本研究で開発するバイオセンサは、酵素型バイオ燃料電池の原理を利用し、アノードの燃料となる汗中のグルコースや乳酸の濃度を発電量の大きさの違いから検出する"自己駆動式センサ"である。
初年度は、バイオアノードに利用する2種の酵素（グルコースオキシダーゼ：GODと乳酸オキシダーゼ：LOD）、およびバイオカソードに利用する酵素（ビリルビンオキシダーゼ：BOD）に関して、酵素を安定化させ、電極触媒活性を向上させるリガンドを見出すことができた。2年目は、これら3種の酵素を炭素繊維（カーボンフェルト：CF）に固定化して、その触媒活性を電気化学手法により評価した。良好な触媒電流応答を得るための電子メディエーターや、作動pH、温度などを最適化した。2020年度は、GODやLOD固定化CFをバイオアノード、BOD固定化CFをバイオカソードとする酵素型バイオ電池を構築して、電池性能（最大出力、最大電流密度、安定性など）を評価した。当初予定していなかった耐熱性グルコースデヒドロゲナーゼを用いるバイオアノードや、ペルオキシダーゼとGOD、およびペルオキシダーゼとLODを組み合わせた2酵素同時固定化バイオカソードの作製にも成功した。これらのバイオアノードおよびバイオカソードを組み合わせることにより、自己駆動式のグルコースおよび乳酸センサを開発した。
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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
（①予定通りの内容、②うまく進んでいない内容、③予想外の内容）
① GODやLOD固定化CFに関して、固定化酵素を安定化するリガンド固定化法を確立できた。BOD固定化CFに関して、直接電子移動（DET)型のO2還元触媒電流を得るための有効な固定化法を確立できた。
② ラッカーゼ固定化CFによるバイオカソード開発に関して、直接電子移動（DET）型のO2還元電流を得るための有効な固定化法が見いだせていない。
③ カソード用酵素として、ペルオキシダーゼの直接電子移動（DET）型の過酸化水素還元反応を活用し、GODやLODなどのオキダーゼとペルオキシダーゼを同時固定化した2酵素型バイオアノードでグルコースや乳酸を燃料とする還元電流を得ることができた。
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| Strategy for Future Research Activity |
① 予定通りの方策
GODまたはLOD固定化バイオアノードとBOD固定化バイオカソードを組み合わせた自己駆動式のグルコースおよび乳酸センサの開発を進める。グルコースや乳酸濃度に応じた発電量を指標として、感度、定量範囲、安定性、繰り返し再現性などの性能評価を行う。
② 計画の変更
アノード用酵素として、新たに耐熱性グルコースデヒドロゲナーゼを利用する。
また、カソード用酵素として、ペルオキシダーゼの直接電子移動（DET）型の過酸化水素還元反応を活用し、GODやLODなどのオキダーゼとペルオキシダーゼを同時に固定化した2酵素型バイオアノードを作製する。これらの酵素固定化CFを用いる自己駆動式グルコースおよび乳酸センサを開発する。
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| Causes of Carryover |
新型コロナウイルス感染拡大の影響による研究の中断（半年）により、研究計画の遂行が遅れ、次年度使用額が生じた。本年度、酵素・試薬他、消耗品費として使用する予定である。
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