2022 Fiscal Year Research-status Report
Development of compact, simple, and highly sensitive environmental analytical instruments using information technology devices
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21K12279
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| Research Institution | Kanazawa Institute of Technology |
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Principal Investigator |
鈴木 保任 金沢工業大学, バイオ・化学部, 教授 (20262644)
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2021-04-01 – 2024-03-31
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| Keywords | 簡易分析 / 環境分析 / 比色分析法 / 流れ分析法 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では、環境分析や化学教育の現場などで利用できる、簡易な分析法及び分析装置の開発を目的としている。小型で現場に持ち込んで使用できる分析装置があれば、その場で化学分析の結果を得られるので、多少性能が劣るとしても、研究室で精密な分析が必要かどうかの判定に利用できる。さらに、非常に安価な装置であれば、学校の教育現場での活用も期待できる。
このような目的のため、原理が簡単な物質の色を測定する色彩計測法や特定の波長の色の濃さから分析する比色分析法と、高性能化と低価格化の著しいタブレット、スマートフォン端末を組み合わせて、環境試料などの現場での分析に足る実用的な装置の開発を進めている。また、様々な物質をより低い濃度まで測定するための簡便な前処理法として、発色させた目的物質をフィルターでろ過して捕集する方法を検討している。このフィルターの着色をそのまま測定できれば、迅速に高感度定量を行うことができる
今年度は、実際分析に応用可能な比色計の高性能、高機能化を図った。本研究の対象物質としてヒ素を挙げており、フィルター濃縮法の活用を検討している。ヒ素の定量においては共存するリンが妨害となるため、分離する必要がある。分離のための条件を検討するために、この比色計を流れ分析法の吸光度検出器として用い、ヒ素の3価と5価の酸化・還元の条件検討を行った。また、環境あるいは化学教育の教材としての活用を目的とし、非常に簡易な色彩計測装置を試作した。光源には白色LEDを用い、検出器には小型で安価な半導体色センサーを用いた。色センサーは赤、緑、青の3原色の強度を数値化できるもので、これを活用することでわずかな部品数で実用的な性能を有する装置を開発できた。
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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
当初の計画では、スマートデバイス側の開発も同時に進める予定であったが、引き続き機器開発とリン、ヒ素の定量法の開発を先に進めている。昨年度、リン-モリブデンブルー法により発色させた試料をフィルター捕集して測定する方法を開発できたので、今年度はこれをヒ素に応用するため、ヒ素の酸化-還元反応の最適化を試みた。ヒ素の5価はリンと同様にモリブデンブルーを生成するが、3価は生成しない。そこで、3価に還元してリンのみを測定し、5価に酸化してリンとヒ素の合計を測定する。酸化剤、還元剤の最適濃度を、今年度開発した5波長測定可能な吸光度検出器と流れ分析法を組合せて検討した。次年度は、得られた酸化-還元条件を用いて、流れ分析法よりも高感度なフィルター濃縮法での定量を検討する。
色彩計測装置は、白色LEDと色センサーの他には、結果を表示するディスプレイと全体を制御するマイクロコントローラーからなり、それ以外の部品はコネクターやスイッチ、若干の抵抗とコンデンサーのみである。色センサーの内部で各色の強度をデジタル化してコントローラーに送るので、測定値も安定している。現在、この装置を流れ分析法の検出器として利用するためのソフトウェアを開発している。また、体験入学などの際の教材として利用することを検討している。
スマートデバイスの開発については、PC上でPythonを用いて制御ソフトウェアを開発しており、色彩計測装置の制御が可能になった。PCと同じGUIライブラリーであるKivyを用いることで、スマートフォン用ソフトウェアを開発できる。
また、分析操作の自動化については、コントローラーでポンプと3方電磁弁を制御できるフローシステムの設計に着手した。試薬、試料の送液や流路を自動的に切り替えることで、試薬使用量の低減や、定量の途中で反応条件を変更できるようになる。
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| Strategy for Future Research Activity |
最終年度であり、目的とした項目すべての開発を進める。
スマートデバイスのソフトウェア開発については、内蔵のカメラ画像から試料の色情報を得る色彩測定プログラムと、本研究で開発した比色計及び色彩計測装置を制御するプログラムを開発する。実際の分析は、ヒ素のモリブデンブルー-フィルター濃縮法への応用を検討する。定量結果は、流れ分析法及び既開発の反射型比色計と比較して評価する。
分析の前処理及び測定の自動化については、まず流れ分析装置の流路中に3方の電磁弁を設けることを検討する。試料を導入していない時は試薬の代わりに水を流すことで、試薬の使用量を低減できる。比較的単純な分析法に応用して、感度や精度などの定量性能を評価する。続いてポンプの制御のコントローラーから行うようにすれば、間欠運転が可能となる。現在用いているポンプはマイクロリングポンプで、構造上、流速が完全には一定でない。このことが、測定にどのような影響を与えるか検討し、必要であれば1回の吐出量が一定であるソレノイドポンプを用いることも検討する。また、ヒ素の分析では酸化と還元処理が必要になるが、酸化の条件 (ヒ素とリン) と還元の条件 (リンのみ) を自動的に切り替えることができる。バッチ法 (手で操作して反応させる) とは試薬濃度などの条件が異なるので、この最適化についても実施する。
今年度は学術論文としての発表ができなかった。いずれの成果についても、論文と国際学会での発表を目指す。
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| Causes of Carryover |
今年度もコロナウイルスの感染状況が完全に落ち着いたとは言えず、国際学会発表を行うことができなかった。また、成果発表のうち学術論文発表を行なっておらず、そのための投稿料、別刷料の支出がなかった。来年度は、国際学会発表及び論文発表を行い、それらでの支出を計画している。
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