2018 Fiscal Year Annual Research Report
運動時の汗に含まれる糖・乳酸・電解質の自己駆動リアルタイムモニタリングシステム
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17H02162
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| Research Institution | Tokyo University of Science |
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Principal Investigator |
四反田 功 東京理科大学, 理工学部先端化学科, 講師 (70434024)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
辻村 清也 筑波大学, 数理物質系, 准教授 (30362429)
柳田 信也 東京理科大学, 理工学部教養, 准教授 (80461755)
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| Project Period (FY) |
2017-04-01 – 2020-03-31
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| Keywords | センシング / ヘルスケア / 印刷 / バイオ燃料電池 / バイオセンサ / ウェアラブル / イオンセンサ |
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| Outline of Annual Research Achievements |
アスリートの国際競技力向上のために，これまでのスポーツ科学に先端的工学・情報科学をより積極的に連携させる取り組みが活発になっている．スポーツにおけるパフォーマンス評価をインターネット技術によりリアルタイムに測定することで，トレーニング効果のフィードバックや，オーバートレーニングの予防，効果的なリカバリー方法の提案が可能になると期待されている．このため，心拍や汗などのバイタルサインを非侵襲でモニタリングするためのウェアラブルセンサが求められている．アスリートの血中もしくは汗中の成分（乳酸値やグルコース値）はアスリートのコンディションの重要な指標となるため，試合期やトレーニング期におけるトレーニングと休息のバランスを決定し、適切なトレーニングプログラムの選定に役立つ非常に重要な要素である．一方で，従来の血液の採取による成分測定は負荷が大きく，また測定結果が出るまでに時間を要する．そこで本研究では，運動時の汗に含まれる成分で発電しながら，その成分濃度をリアルタイムにモニタリングし，無線伝送するためのバイオ燃料電池を搭載した非侵襲・自己駆動型センシングデバイスを開発する．2018年度は，前年度に引き続き，ウェアラブルバイオ燃料電池の開発を継続した．また無線伝送デバイスとバイオ燃料電池を組み合わせた糖および乳酸のセンシングシステム開発を行った．また，乳酸や糖に対する濃度依存性，温度・pH依存性，妨害物質の影響の排除の検討，保存安定性評価を行った．イオンセンサについては，ウェアラブルタイプのナトリウムイオンならびにアンモニウムイオンセンサを同時にモニタリング可能なマルチイオンセンサの作製と評価を行った．
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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
バイオ燃料電池用電極の駆動安定性向上のために，電子線照射によるMgO鋳型炭素(MgOC)表面へのラジカルの導入により，酵素の修飾固定化方法について検討した．メタクリル酸グリシジン(GMA)を用いて，酵素であるFAD-GDHを修飾した電極において，グルコース脱水素酵素(GDH)とメディエータとして固定化したナフトキノンとのメディエーションが観測されて目的通りの大きな触媒酸化電流を得ることができた．また，一週間後の保存安定性が100％となり，バイオ燃料電池アノードの出力低下は見られなかった．
転写印刷によるナトリウムイオン・アンモニウムイオンの同時モニタリングが可能なマルチイオンセンサの形成に成功し，模擬汗を用いたウェアラブルセンシングにも成功している．
さらに，乳酸を用いたバイオ燃料電池においては，無線伝送デバイスによる自己駆動型乳酸センサの作製に成功した．これらは当該年度の目的をすべて満たす結果となっており，研究の進捗に支障はない．
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| Strategy for Future Research Activity |
前年度に引き続き，汗中の成分のマルチセンシングについて検討する．特に電解液中の各種イオン種（Na+やK+）は糖・乳酸と併せて，アスリートの健康管理上非常に重要なパラメータである．これらを計測するために，イオノフォアを固定化した転写型のウェアラブルイオンセンサを作製する．作製したpH, イオンセンサの応答特性については，自然電位測定およびインピーダンス測定によって評価する．
また，これまでのデバイスの評価結果をフィードバックし，最適な自己駆動型センシングデバイスを構築し，研究分担者と連携して，運動中の汗中の乳酸・糖・電解質成分のマルチモニタリングを行い，他のバイタルパラメータとの相関性・疲労度との関連性について詳細に検証する．
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