2020 Fiscal Year Research-status Report
Development of minimally invasive blood glucose sensors based on near-infrared emitting upconversion nanoparticles
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19K05540
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| Research Institution | University of Toyama |
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Principal Investigator |
遠田 浩司 富山大学, 学術研究部工学系, 教授 (60212065)
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| Project Period (FY) |
2019-04-01 – 2022-03-31
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| Keywords | オプティカル血糖センサ / コアシェル型ランタノイドナノ粒子 / ビスベンゾボロキソール型グルコースレセプター / レセプター感受性近赤外吸収色素 / 競争的錯形成反応 / 内部フィルター効果 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
皮膚組織による光学的妨害の極めて少ない近赤外光(NIR)を発するアップコンバージョンナノ粒子(UCNPs)に基づく糖センシングシステムを開発することを目的とし，令和2年度はレセプター感受性NIR吸収azaBODIPY色素固定化NIR発光コアシェル型UCNPsを，bis-benzoboroxole (bis-BB) グルコースレセプター共重合フィルムに包埋したかたちのグルコースセンシングフィルムを構築し，グルコースに対するNIR発光特性の評価を行った。
1. NIR発光UCNPs合成の最適化： NaYF4:YbTmナノ粒子合成の最適化を試み，アニーリング温度を350℃から420℃とすることによりナノ粒子径が大きくなるとともに，発光強度が約20％増大することを見出した。
2. レセプター感受性NIR吸収色素固定化UCNPs分散溶液のグルコースに対するNIR発光応答の評価：レセプター感受性色素固定化UCNPsをPBSに分散させ， bis-BBを添加すると，980 nmレーザー光照射に伴う800 nmの発光強度が減少した。これはUCNPs表面固定化色素とbis-BBの錯形成に伴う吸収スペクトル変化により内部フィルター効果が生じているためと考えられる。このUCNPs分散溶液にグルコースを添加すると，競争的錯形成反応に伴う内部フィルター効果の解消によって，800 nmにおける発光強度が増大することを見出した。
3. UCNPs包埋bis-BB共重合フィルムのグルコースに対するNIR発光応答の評価：レセプター感受性NIR吸収色素固定化UCNPsを， bis-BB及びHEMAモノマー溶液に分散させ，熱重合することによりグルコースセンシングフィルムを構築した。このセンシングフィルムは，その応答は小さいものの，グルコース濃度に応じて800 nmにおける発光強度が可逆的に変化することを見出した。
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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
令和元年度研究計画として，1）NIR発光コアシェル型ランタノイドUCNPsの合成と評価及び2）ナノ粒子表面固定化用グルコースレセプター及びレセプター感受性NIR吸収色素の合成を挙げている。また令和2年度以降の研究計画では，3)色素固定化UCNPsを重合性官能基導入グルコースレセプター及び単官能モノマー溶液に分散させ共重合することにより近赤外発光グルコースセンシングフィルムの構築を挙げている。
1)のNIR発光ランタノイドUCNPsの合成については，我々は水熱エマルジョン合成におけるアニーリング温度を350℃から420℃に上げることにより，波長800 nmの極めて強い発光を示すNaYF4:YbTmナノ粒子を合成する技術を確立した。
2)のナノ粒子表面固定化用グルコースレセプター及びレセプター感受性NIR吸収色素の合成については，レセプター感受性NIR吸収azaBODIPY色素のコアシェル型UCNPs表面への固定化を達成している。更に，NIR色素固定化UCNPs分散液に我々が開発したグルコースレセプターであるbis-benzoboroxole(bis-BB)を加えた後グルコースを添加すると，内部フィルター効果によりNIR発光強度が増大することを見出している。
3)の近赤外発光グルコースセンシングフィルムについては，我々は既にレセプター感受性azaBODIPY固定化コアシェル型UCNPsをアクリルアミドbis-BBレセプターを含むヒドロキシエチルメタクリレート(HEMA)モノマー溶液に分散させ熱重合することによりグルコースセンシングフィルムを構築することに成功している。このセンシングフィルムは，その強度変化は小さいものの，グルコース濃度に応じて800 nmの発光強度が可逆的に変化することを見出している。
以上の理由により，本研究は概ね当初の計画通り順調に進展しているといえる。
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| Strategy for Future Research Activity |
令和2年度の研究では，レセプター感受性azaBODIPY固定化コアシェル型UCNPsをアクリルアミドbis-BBレセプターを含むヒドロキシエチルメタクリレート(HEMA)モノマー溶液に分散させ熱重合することによりグルコースセンシングフィルムを構築することに成功している。しかしこのセンシングフィルムは、グルコース濃度を0 mMから56 mMまで変化させても800 nmの発光強度は4%程度しか変化しない。この理由は，使用したレセプター感受性azaBODIPY色素の最大吸収波長が720 nmであり，レセプターとの錯形成に伴う800 nmにおける吸光度変化が10 %程度であることに起因していると考えられる。一方我々は，レセプター感受性azaBODIPY色素の分子構造と吸収スペクトルの関係を詳細に検討しており，azaBODIPYに電子豊富なチエニル基やジメチルアミノ基を導入することで吸収スペクトルが大きくレッドシフトすることを見出している。そこで，令和3年度の研究ではチエニル基あるいはジメチルアミノ基を導入したレセプター感受性azaBODIPY色素固定化コアシェル型UCNPsを用いることで，グルコースに対するNIR発光応答変化を増大させることを試みる。さらに，UCNPsへの色素固定化量，ポリマー中のレセプター密度，単官能性モノマーの種類等について詳細に検討し，グルコースに対して可逆で最大のNIR発光応答を示すセンシングフィルムを開発する。
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