2021 Fiscal Year Research-status Report
法薬毒物分析を指向した分子認識が可能な電気化学発光システムの開発
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20K10553
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| Research Institution | Shinshu University |
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Principal Investigator |
高橋 史樹 信州大学, 学術研究院理学系, 准教授 (40754958)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
金 継業 信州大学, 学術研究院理学系, 教授 (40252118)
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| Project Period (FY) |
2020-04-01 – 2024-03-31
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| Keywords | 分子インプリントポリマー / 電気化学発光 / 薬毒物分析 / リドカイン / モルヒネ / 電位変調 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
電気化学発光（ECL）は高感度分析法として着目されている一方，選択性が比較的低いことが問題視されていたため，生体試料などの実試料分析への適用は限定的であった。本研究では，鋳型分子に対する特異的な吸脱着挙動を示す分子インプリントポリマー（MIP）法に着目し，規制薬毒物分析を指向した特異的なECL検出法の確立を試みた。令和3年度では以下の項目を実施した。
前年度（令和2年度）までに，沈澱合成法を用いて局所麻酔薬の成分であるリドカインを鋳型としたMIPを合成し，類似麻酔薬の成分であるプロカインおよびテトラカインと識別できることを確認した。ただし，リドカインとMIPの分子認識空間との間の相互作用は完全には解明されていなかったため，Scatchard解析によってリドカインのMIPへの最大吸着量および結合強度を見積もった。その結果，リドカインはMIPの分子認識空間に分子間力と水素結合による比較的強い相互作用によって固定される場合と，MIPのポリマー表面上に比較的弱い相互作用で吸着していることが提案され，洗浄液の条件（メタノールおよび酢酸濃度）を調整することでリドカインを特異的にMIPに固定できる条件が決定された。
続いて，MIPを法科学分析に展開させるためモルヒネを鋳型としたMIPを合成し，評価した。リドカインと同様にバルク重合法によってモルヒネを鋳型としたMIPを合成しScatchard解析を行ったところ，分子認識空間への特異的な吸着の他に，ポリマー表面への非選択的な吸着も認められた。法薬毒分析では高い選択性が求められる場合が多いため，洗浄条件の詳細な検討を行ったところ，非選択的なモルヒネを除去できることが分かった。一連のMIPへのモルヒネの再吸着挙動を利用した分離分析条件を用いることで，類似薬毒物のコデインおよびジヒドロコデインから選択的に分離できた。
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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3年度の研究進捗状況において，MIPの合成方法について基礎的検討を行った。薬毒物の基本骨格に含まれる場合が多いアミド結合およびアミノ骨格を有するリドカイン，並びに法薬毒物分析で分析対象となる場合があるモルヒネを鋳型分子の代表化学種に用いて，効果的な再吸着および洗浄効果の条件を確認している。この再吸着（固定化）の過程を明確にするため，Schatchard plotによってMIPへの分析対象化学種の吸着量を定量的に評価したところ，一般的なMIPの吸着量の関係と比較して小さな値を示した。合成したMIPへのリドカインの絶対量は条件検討によって導き出された洗浄液の条件下では，一部が溶液中に分配したと考えられた。しかし，非特異的に吸着している分子インプリント空間以外に吸着している分析対象化学種は結合強度が弱いため，効果的に除去できることが分かった。そこで，分子インプリント空間が類似の化学構造を有する化学種の再吸着挙動について調査したところ，選択的に分析対象物を検出できることが分かった。
現在合成したMIPを用いて，ECLによる簡便な分析法に展開するため，カーボンペースト電極による検出を行った。リドカインを鋳型分子としたMIPをカーボンペーストと混合した電極について，リドカイン溶液に浸漬させることで再びリドカインを再吸着させた。その電極を洗浄した後，ECLエミッターであるトリス(2,2’-ビピリジル)ルテニウム(II)錯体を含む溶液中で電位を印加したところ，明瞭にECL応答を示し，類似麻酔薬の成分と識別できることが分かった。ただし，十分な洗浄効果を示す洗浄液を用いているため，電極に固定されているリドカインの物質量が比較的少なく，ECL強度が低い傾向が認められた。そこで，ECLの検出感度を向上させることが可能である電位変調ECL測定法に本法を適用させることで，高感度測定への展開を図っている。
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| Strategy for Future Research Activity |
令和3年度に得られた基礎的な知見に基づき，以下の項目について研究を推進する。
（1）種々の薬毒物を鋳型分子としたMIPの合成
引き続き，種々の薬毒物を鋳型分子とした沈澱合成法によってMIPを調製する。現在，麻薬成分のモルヒネおよびコデインを鋳型分子としたMIPを合成し，類似化学種と分離分析できることを確認している。メタンフェタミンおよびコカインを鋳型分子としたMIPをそれぞれ合成・評価する。この際，鋳型分子を含まないポリマーについても比較評価し，特異吸着量に関する相補的な情報を得ることで，薬毒物スクリーニングに向けた前処理技術として確立する。この過程で，MIPと鋳型分子との間の結合について，反応速度および熱力学的な安定性を含めて基礎的な情報を調査するため，計算化学的な手法も組み合わせて検討する。併せて，実際の医薬品中の薬毒物分析に向けた濃縮法としての利用および実際の生体試料中の薬毒物分析への応用を行う。
（2）MIPと組み合わせたECL法による薬毒物検出
MIPをカーボンペーストと混合し，電極として用いることで選択的なセンサとしての利用を試みる。現在，局所麻酔薬であるリドカインのECL測定が達成されているため，上記（1）で合成した種々のMIPについても同様に評価する。再結合条件と結合プロセスの解析を電気化学的な分析法を用いて基礎的な知見を得る。併せて，電子顕微鏡による形態観察および赤外・ラマン分光測定を行うことでMIPへの目的化学種の結合状態や構造を正確に決定する。ただし，電極上へ修飾されたMIPは電気化学的な抵抗を示し，ECL強度が逆に減少する可能性がある。その際は電気化学インピーダンス測定および電気化学水晶振動子計測を行うことでMIPが電気化学挙動におよぼす影響を調べる。得られた基礎的知見に基づき，感度を劇的に向上できる電位変調-ECL測定法と組み合わせる予定である。
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| Causes of Carryover |
新型コロナウイルス感染症の感染状況の関係で，当初計画の学会発表がオンライン開催されたことに伴い，旅費について残額が発生した。また，一部の標準試薬について世界情勢による物流の停滞の影響で納品が遅れたことによって，予定された物品費についても残額が発生した。それぞれ令和4年度以降の学会発表旅費，並びに試薬購入物品費に充当する予定である。
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