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2019 年度 実績報告書

三価と五価のヒ素を分別定量可能な新規光学的ヒ素バイオセンサーの開発

研究課題

研究課題/領域番号 19J20864
研究機関北海道大学

研究代表者

松永 光司  北海道大学, 大学院工学研究院, 特別研究員(DC1)

研究期間 (年度) 2019-04-25 – 2022-03-31
キーワードヒ素 / DNAアプタマー / ナノ粒子 / 地下水 / 化学種分析
研究実績の概要

ヒ素(As)は人体に有害な金属の一つであるが,世界各地の土壌に存在するため地下水からも検出される.そのため,飲用水中のAsを除去してAs濃度が低下したことを定期的に検出する必要がある.しかし,現在のAs分析方法は操作が煩雑かつ分析装置が大型で高価であるなどの問題点がある.また,市販の簡易As分析キットはAsの化学種毎(As(Ⅲ)とAs(Ⅴ))の検出は不可能である.環境中のAsは主に上記の2種類であり,As(Ⅲ)はAs(Ⅴ)よりも約100倍毒性が高いため,Asの化学種毎の分析は正確な毒性評価に不可欠である.本研究では簡易かつ低コストで地下水中のAs(Ⅲ)とAs(Ⅴ)を検出できる手法の開発を行う.
第一に本簡易As(Ⅴ)測定手法を開発する上で必要な測定条件の検討を行った.検討項目は使用する参加セリウムナノ粒子の種類,蛍光色素修飾一本鎖DNAの塩基長,酸化セリウムナノ粒子及び一本鎖蛍光色素修飾一本鎖DNAの濃度とした.測定条件の検討後,検量線を作成した.その結果,先行研究で提案された手法よりも低い検出限界値が得られ,従来法よりも低濃度のAs(Ⅴ)の検出が可能になった.これらの研究成果をWET2019,日本分析化学会第68年会,化学系学協会北海道支部2020年冬季研究発表会,第54回日本水環境学会年会において学会発表をした.学会で得られたコメント等を参考にして,現在はAs(V)以外の各イオンに対しての選択性試験,及び実際の地下水中のAs(V)の濃尾を本手法で測定可能かどうかの検証を行っている.

現在までの達成度 (区分)
現在までの達成度 (区分)

1: 当初の計画以上に進展している

理由

本研究の目的は開発例のないアニオン性有害金属の一つである五価のヒ素(As(Ⅴ))の簡易分析法の開発である.As(Ⅴ)に関しては,これまでに分析感度に著しい影響を与えるパラメータ(セリウムナノ粒子の種類,蛍光色素修飾一本鎖DNAの塩基長,酸化セリウムナノ粒子及び一本鎖蛍光色素修飾一本鎖DNAの濃度)について検討した.多大な努力の末に先行研究よりも低い検出限界値を達成するなど,当初の計画以上に進展できた.
三価のヒ素に関しては,昨年度までに得られたデータをまとめ,論文を投稿し,2019年の1月に論文が掲載されたところであるが,引き続き追加実験を行い,さらなる性能の向上も図っているところである.具体的には蛍光分光法と電気化学的手法を用いたセンサー開発を試みている.
以上より本研究は当初の計画以上に進展しており,さらに得られた実験結果から,当初計画していた年次計画のうち一部を省略できるだろうと考えられ,計画の前倒しも行えると期待している.このまま研究を継続すれば,当初掲げた研究目的を達成可能だと思われる.

今後の研究の推進方策

昨年度までは,簡易As(Ⅴ)測定手法を開発する上で必要な測定条件の検討を行った.検討項目は使用する酸化セリウムナノ粒子の種類,蛍光色素修飾一本鎖DNAの塩基長,酸化セリウムナノ粒子及び一本鎖蛍光色素修飾一本鎖DNAの濃度とした.測定条件の検討後,検量線を作成した.その結果,先行研究で提案された手法よりも低い検出限界値が得られ,従来法よりも低濃度のAs(Ⅴ)の検出が可能になった.
今年度は実際の環境サンプル中のAs(Ⅴ)を測定することで,我々が開発した簡易As(Ⅴ)測定手法の評価を行う.具体的には,本簡易As(Ⅴ)測定手法をAs(Ⅴ)以外の様々なイオンに対して行うことで選択性試験を実施し,As(Ⅴ)以外の物質と反応するかどうかを確認する.次に,As(V)を含まない地下水にAs(Ⅴ)を添加した擬似地下水,及び自然由来のAs(V)を含む地下水に対して本手法を適用し,前者は実際に添加したAs(Ⅴ)濃度と,後者はLC-ICP-MSなどで測定したAs(Ⅴ)濃度と比較する.また,As(Ⅴ)以外の物質と反応することが判明した場合,As(Ⅴ)以外で反応した物質を除去可能な前処理法の開発,及び本簡易As(Ⅴ)測定法に適用可能かどうか検討する.その後,これまでに開発した簡易As(Ⅲ)測定手法を組み合わせることで,環境中のAsについて化学種ごとに測定可能かどうかの検討に着手する.

  • 研究成果

    (10件)

すべて 2020 2019 その他

すべて 雑誌論文 (1件) (うち査読あり 1件) 学会発表 (7件) (うち国際学会 4件) 備考 (2件)

  • [雑誌論文] Development of a simple analytical method to determine arsenite using a DNA aptamer and gold nanoparticles2019

    • 著者名/発表者名
      Matsunaga Koji、Okuyama Yu、Hirano Reiko、Okabe Satoshi、Takahashi Masahiro、Satoh Hisashi
    • 雑誌名

      Chemosphere

      巻: 224 ページ: 538~543

    • DOI

      10.1016/j.chemosphere.2019.02.182

    • 査読あり
  • [学会発表] DNAとナノ粒子を用いた簡易ヒ素(V)検出法の開発2020

    • 著者名/発表者名
      松永光司,平野麗子,佐藤久
    • 学会等名
      化学系学協会北海道支部2020年冬季研究発表会
  • [学会発表] 酸化セリウムナノ粒子を用いた簡易ヒ素(V)検出法の開発2020

    • 著者名/発表者名
      松永光司,平野麗子,佐藤久
    • 学会等名
      第54回日本水環境学会年会
  • [学会発表] Development of a Simple Analytical Method for Determination of Arsenate Using FAM-labeled DNA and Cerium Oxide Nanoparticles2020

    • 著者名/発表者名
      Koji Matsunaga, Reiko Hirano, Hisashi Satoh
    • 学会等名
      ACS Spring 2020 National Meeting & Exposition
    • 国際学会
  • [学会発表] Development of a Simple Analytical Method for Determination of Arsenite Using a DNA Aptamer and Gold Nanoparticles2019

    • 著者名/発表者名
      Koji Matsunaga, Yu Okuyama, Satoshi Okabe, Masahiro Takahashi, Hisashi Satoh
    • 学会等名
      IWA 9th International Young Water Professionals Conference
    • 国際学会
  • [学会発表] Development of a Simple Analytical Method for Determination of Arsenate Using FAM-labeled DNA and Cerium Oxide Nanoparticles2019

    • 著者名/発表者名
      Koji Matsunaga, Reiko Hirano, Satoshi Okabe, Hisashi Satoh
    • 学会等名
      Water and Environment Technology Conference 2019 (WET2019)
    • 国際学会
  • [学会発表] 蛍光色素修飾DNAと酸化セリウムナノ粒子を用いた簡易ヒ素(V)検出法の開発2019

    • 著者名/発表者名
      松永光司,平野麗子,岡部聡,佐藤久
    • 学会等名
      日本分析化学会第68年会
  • [学会発表] Development of a Simple Analytical Method for Determination of Arsenite Using a DNA Aptamer and Gold Nanoparticles2019

    • 著者名/発表者名
      Koji Matsunaga, Yu Okuyama, Satoshi Okabe, Hisashi Satoh
    • 学会等名
      IWA Water Development Congress & Exhibition 2019
    • 国際学会
  • [備考] 北大 佐藤久研究グループ

    • URL

      https://www.eng.hokudai.ac.jp/labo/aqua/contents/HisashiSatoh/index-HisashiSatoh.html

  • [備考] 北海道大学大学院 工学研究院 環境創生工学部門 水環境保全工学研究室

    • URL

      https://www.eng.hokudai.ac.jp/labo/aqua/index.html

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公開日: 2021-01-27  

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