2021 Fiscal Year Research-status Report
超香紋：分子レベルでニオイを識別する流体熱力学「全分子量スペクトル」法の創出
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21K18859
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| Research Institution | National Institute for Materials Science |
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Principal Investigator |
柴 弘太 国立研究開発法人物質・材料研究機構, 機能性材料研究拠点, 主任研究員 (20638126)
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| Project Period (FY) |
2021-07-09 – 2023-03-31
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| Keywords | ニオイ / 流体熱力学 / 質量分析 / 分子量 / モバイル |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では、物理的に分子を測る独自手法（流体熱力学質量分析；AMA）をもとに、ニオイ識別のための新コンセプト「超香紋」を提案する。AMAは従来の質量分析に必須の試料のイオン化を必要としないため測定系を大幅に小型化でき、モバイル用途が視野に入る。また、物質固有の分子量をリアルタイム測定可能という特長を有する。そこで、ニオイを吸着材へ捕集し、昇温・吸引により脱離させた分子をAMAによって逐次測定することで、ニオイの全成分に基づく「全分子量スペクトル＝超香紋」を取得する。これはニオイの中身を反映するため、指紋認証のように、ニオイ間の比較を定量的な情報に基づいて超高精度に行うことができる。様々な吸着材を用いることで、いかなるニオイに対しても全分子量スペクトルを取得するための条件最適化・指針獲得を行う。以上のように、呼気診断など挑戦的かつ有意義なニオイ識別を、手軽に実施するための成果を創出する。
昨年度は上記目的に向け、ニオイの分離・濃縮機構の立ち上げに取り組んだ。ガスクロマトグラフィーを利用した分離・濃縮に利用されることの多いTenaxをモデル材料として選定し、2、3成分が混合されたモデル試料について、分離・濃縮と続く検出が可能であることを、いくつかのセンサを用いて予備的に検討した。小型のポンプを用いた測定系が問題なく動作することも確認済みである。
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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
2021年度は、全分子量スペクトルを取得する上で土台となる分離・濃縮機構の立ち上げに注力した。様々な気体試料の分離・濃縮に標準的に使用されるTenaxが、いくつかのセンサと組み合わせることで動作することを確認しており、次年度におけるAMAとの組み合わせにスムーズに移行できるものと見込んでいる。複数成分が混ざったサンプルを対象に、様々な条件下での分離などを試行し、比較的安定して実施可能な条件を見出しつつある状況である。これらのことからも、本研究は概ね計画通りに進展していると考えている。
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| Strategy for Future Research Activity |
2022年度は、申請者がこれまでに報告した構造や表面特性の異なるナノ材料も吸着材として利用することで、材料特性と様々なニオイ試料の全分子量スペクトルとの相関（特に成分分離の成否）を網羅的に検討する。これにより、識別可能なニオイ種を増やしつつ、用途ごとに最適な材料・条件を選定する指針を得る。また、小型デバイスの試作にも着手する。ヒーターは高温対応のペルチェ素子（200 ℃、抵抗線タイプで300 ℃）で代替する。ポンプはガスサンプリング用のマイクロポンプなどを用いることで、小型化対応を実現する。このように測定系全体を手の平サイズまで小型化したデバイスにより、まずは数種類の化合物蒸気からなるニオイ試料の識別を試みることで、オンサイト測定に向けた基礎的な動作確認を行う。研究の進捗状況次第では呼気の測定にも挑戦することを視野に入れている。連携関係にある医療機関から疾病罹患者の呼気試料入手が可能であるため、それを用いた識別も検討する。
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| Causes of Carryover |
2021年度に行った各種検討の結果、分離・濃縮機構における流路構造と気体の流れが、分離・濃縮の効率に影響を与える可能性が示唆された。構造の異なる流路を多数作製して一つ一つについて実験を行うのは時間と手間を要するため、シミュレーションによりこれらを詳細に解析するためのソフトウエアの導入が研究を加速する上で有用と考えている。これにはまとまった予算額が必要となるため、2021年度予算の一部を2022年度予算と併せて使用することにより、当該ソフトウエアを導入する予定である。
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