ウラン等の環境負荷元素をその場分析するスマートシステムの開発

2018 年度 実施状況報告書

• 研究課題/領域番号: 18KK0148
• 研究機関: 国立研究開発法人日本原子力研究開発機構
• 研究代表者: 香西 直文 国立研究開発法人日本原子力研究開発機構, 原子力科学研究部門 原子力科学研究所 先端基礎研究センター, 研究主席 (80354877)
• 研究分担者: 山路 恵子 筑波大学, 生命環境系, 准教授 (00420076) ; 関根 由莉奈 国立研究開発法人日本原子力研究開発機構, 原子力科学研究部門 原子力科学研究所 物質科学研究センター, 研究職 (00636912) ; 青柳 登 国立研究開発法人日本原子力研究開発機構, 原子力科学研究部門 原子力科学研究所 先端基礎研究センター, 研究副主幹 (80446400)
• 研究期間 (年度): 2018-10-09 – 2022-03-31
• キーワード: マイクロ流路 / 重金属センサー / 環境分析

研究実績の概要

鉛、カドミウム、水銀、ヒ素、ウランなどの環境負荷元素を誰でも簡易かつ高精度に測定出来るシステムを構築することは重要な課題である。本研究では、米国で先行するマイクロファブリケーション技術と有害金属の抽出、検出システムを融合することにより、環境中の微量な有害金属についてハイスループット分析システムを構築することを目的とする。計画初年度である平成３０年度は、当初の計画であるマイクロ流路デバイスの作成や、元素抽出、検出剤の開発に用いる試薬や実験設備を整備した。これにより、多数の元素を同時測定することが可能なマイクロ流路の試作実験を行えることが可能になった。実験環境の整備と共に、今までに知見を有するマイクロ流路、スマートデータ分析、有害金属吸着材等の技術について、本研究目的である重金属分析システムへの適用に向けた最適化の検討を行った。また、ナノファイバーから成るポリマーメンブレンを開発し、それらに鉛、カドミウム、水銀と呈色反応する試薬を担持させることで効果的に色の違いによりそれらの元素をppbオーダーでセンシングすることが可能であることを示唆する結果を得た。現時点では検出限界に向上の余地があるが、今までに開発を行ってきた吸着剤等をメンブレンに融合させることで検出限界を向上させることが可能である結果を得ている。以上のように、本年度においては実験設備の整備、スマート分析システムの実現に必要なマイクロ流路や吸着剤技術の最適化、さらに金属元素プローブを効果的に担持し得るポリマーメンブレンの開発を行い、システム構築に向けた重要な設備及び知見を得た。

現在までの達成度 (区分)

2: おおむね順調に進展している

理由

当初の計画通り、分析に用いるマイクロ流路の作成や元素検出剤の最適化について結果を得ており、計画はおおむね順調に進展している。VISA等の取得制度の関係上、渡米スケジュールが遅れており、米国の研究グループと共同で開発予定の検出、可視化システムの構築が若干遅れている。しかし、その他の計画については順調に進んでいる。特に、流路上で分析を実現するためには元素プローブの担持が課題になるが、ポリマーナノファイバーからなるメンブレンの開発により簡易かつ低コストで分析システムが構築出来ることを示すデータを得ており、全体計画実現のための重要な結果を得た。

今後の研究の推進方策

平成３０年度に整備した実験設備や得られた結果を基に、さらにシステム構築のための実験や鋭意検討を重ねていく。平成３１年度は主に、鉛、カドミウム、水銀、ヒ素、ウランに対して高感度に検出するための反応最適化や、それらと流路を組み合わせた反応システムを構築していく。また、実際の環境試料を用いた分析や試料から元素を抽出するための技術開発も進めていく。渡米スケジュールに若干の変更が生じたが、電話会議や各々の場所で遂行出来る開発から進めていくことで全体の計画は滞りなく遂行することが可能である。

次年度使用額が生じた理由

VISA取得等の兼ね合いでH30年度に計画していた渡米をH31年度に変更したことにより、旅費等において次年度使用額が生じることとなった。次年度使用額はH31年度に予定している渡米に係る費用として使用し、H31年度研究費は当初計画どおり米国での研究活動に係る費用及び日本において実施する実験等に係る費用として使用する。

研究成果

• [国際共同研究] ノースウエスタン大学(米国)
  • 国名: 米国
  • 外国機関名: ノースウエスタン大学
• [雑誌論文] Battery-free, skin-interfaced microfluidic/electronic systems for simultaneous electrochemical, colorimetric, and volumetric analysis of sweat (2019)
  • 著者名/発表者名: Amay J. Bandodkar, Philipp Gutruf, Jungil Choi, KunHyuck Lee, Yurina Sekine
  • 雑誌名: Science Advances 巻: 5 ページ: eaav3294
  • DOI: 10.1126/sciadv.aav3294
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Passive, non-pharmacological sweat collection and analysis using a skin-interfaced, soft microfluidic system with colorimetric biomarker assays relevant to kidney disorders (2019)
  • 著者名/発表者名: Yi Zhang, Hexia Guo, Sung Bong Kim, Yixin Wu, Diana Ostojich, Sook Park
  • 雑誌名: Lab on a chip 巻: 印刷中 ページ: 印刷中
  • DOI: 10.1039/c9lc00103d
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Soft, skin-interfaced microfluidic systems with wireless, battery-free electronics for digital, real-time tracking of sweat loss and electrolyte composition (2018)
  • 著者名/発表者名: Sung Bong Kim, KunHyuck Lee, Milan S. Raj, Boram Lee, Jonathan T. Reeder, Jahyun Koo, Yurina Sekine, Jungil Choi, Yi Zhang, Jangryeol Yoon, Bong Hoon Kim, Yeojeong Yun, Seojin Lee, Jiho Shin, Jeonghyun Kim, Roozbeh Ghaffari, and John A. Rogers
  • 雑誌名: Small 巻: 14 ページ: 1802876
  • DOI: 10.1002/smll.201802876
  • 査読あり / 国際共著
• [産業財産権] 炭酸基高含有炭酸アパタイト (2019)
  • 発明者名: 関根由莉奈、南川卓也、香西直文
  • 権利者名: 日本原子力研究開発機構
  • 産業財産権種類: 特許
  • 産業財産権番号: 特願2019-002040
• [産業財産権] 炭酸アパタイトの製造方法 (2019)
  • 発明者名: 関根由莉奈、南川卓也、香西直文
  • 権利者名: 日本原子力研究開発機構
  • 産業財産権種類: 特許
  • 産業財産権番号: 特願2019-002111