(57)【要約】【課題】揮発性アルデヒドに対して高い感度と選択性を備えた分子認識材を開発し、それを用いて特定の揮発性アルデヒドを検出できる簡便かつ小型のセンサーを開発し、提供する。【解決手段】異なる二以上の、チタン及び／又はシリコンアルコキシドを重合した高分子マトリクスで構成され、該高分子マトリクスが特定の揮発性アルデヒドを鋳型とする窩洞からなる認識手段を内部及び／又は表面に有する揮発性アルデヒドの捕捉担体を含む分子捕捉部を備えた揮発性アルデヒド検出装置を提供する。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
チタン及び／又はケイ素を含む金属アルコキシドを重合した高分子マトリクスで構成される揮発性アルデヒドの捕捉担体であって、
特定の揮発性アルデヒド又はそれに類似する立体構造を有する分子を鋳型とする窩洞からなる認識手段を前記捕捉担体の内部及び／又は表面に有し、揮発性アルデヒドを立体構造的かつ化学的に認識し、捕捉する前記捕捉担体。
【請求項２】
前記金属アルコキシドがオルトケイ酸テトラエチル（TEOS）又はオルトチタン酸テトラブチル（TBOT）である、請求項１に記載の揮発性アルデヒドの捕捉担体。
【請求項３】
前記認識手段に1種又は2種以上の官能基を有する、請求項１又は２に記載の揮発性アルデヒドの捕捉担体。
【請求項４】
前記官能基はアミノ基、フェニル基、ビニル基、エポキシ基、スチリル基、メタクリル基、アクリル基、イソシアネート基からなる群から選択される一以上である、請求項３に記載の揮発性アルデヒドの捕捉担体。
【請求項５】
異なる二以上の、請求項１〜４のいずれか一項に記載の揮発性アルデヒドの捕捉担体を含み、各捕捉担体で揮発性アルデヒドを捕捉する分子捕捉部、
前記分子捕捉部の各捕捉担体で捕捉された未知の揮発性アルデヒド又は標的揮発性アルデヒドを定量する捕捉量計測部、
既知の揮発性アルデヒドを前記分子捕捉部の各捕捉担体で捕捉したときの前記捕捉量計測部における各捕捉担体の計測結果からなる計測パターン情報を蓄積する蓄積部、及び
前記未知の揮発性アルデヒド又は標的揮発性アルデヒドを前記分子捕捉部で捕捉したときの前記捕捉量計測部における各捕捉担体の計測結果から計測パターン情報を算出し、前記蓄積部に蓄積された既知の揮発性アルデヒドの計測パターン情報と照合して、その照合結果に基づいて未知の揮発性アルデヒド又は標的揮発性アルデヒドを特定する判定部
を備えた揮発性アルデヒド検出装置。
【請求項６】
前記捕捉量計測部は、水晶振動子マイクロバランス（QCM）手段、又は表面プラズモン共鳴（SPR）手段を備えた、請求項５に記載の揮発性アルデヒド検出装置。
【請求項７】
被験試料に含まれる標的揮発性アルデヒドを検出する方法であって、
チタン及び／又はケイ素を含む金属アルコキシドを重合した高分子マトリクスで構成され、特定の揮発性アルデヒド又はそれに類似する立体構造を有する分子を鋳型とする窩洞からなる認識手段をその内部及び／又は表面に有する異なる捕捉担体を二以上用いて、前記標的揮発性アルデヒドを捕捉する捕捉工程、
前記各捕捉担体で捕捉した前記標的揮発性アルデヒドを定量し、その計測結果を得る計測結果取得工程、及び
得られた各捕捉担体の計測結果から計測パターン情報を算出し、既知の揮発性アルデヒドの計測パターン情報と照合して、その照合結果に基づいて前記標的揮発性アルデヒドを検出する検出工程
を含む前記方法。
【請求項８】
前記計測結果取得工程で、標的揮発性アルデヒドを水晶振動子マイクロバランス（QCM）測定法、又は表面プラズモン共鳴（SPR）測定法を用いて定量する、請求項７に記載の方法。
【請求項９】
前記金属アルコキシドがオルトケイ酸テトラエチル（TEOS）又はオルトチタン酸テトラブチル（TBOT）である、請求項７又は８に記載の方法。
【請求項１０】
前記認識手段が1種又は2種以上の官能基を有する、請求項７〜９のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１１】
前記官能基がアミノ基、フェニル基、ビニル基、エポキシ基、スチリル基、メタクリル基、アクリル基、イソシアネート基からなる群から選択される一以上である、請求項１０に記載の方法。
【請求項１２】
前記被験試料が生物由来である、請求項７〜１１のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１３】
前記被験試料が呼気、体液、体臭原因となる揮発性有機化合物を含むガス、又は糞便である、請求項１２に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、揮発性アルデヒド捕捉担体、及びそれを備えた揮発性アルデヒド検出装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、様々な分野における揮発性アルデヒドの有害性や有用性が注目され、その検出への関心が高まっている。例えば、ホルムアルデヒド、アセトアルデヒド、及びノナナール（ノニルアルデヒド）のような揮発性有機化合物（VOC）に属する揮発性アルデヒドは、シックハウス症候群（シックビル症候群）に関連する主要な屋内汚染物質として知られている（非特許文献１）。また、呼気中に含まれるヘキサナールやノナナールが肺癌と関連性があることや、過酸化脂質の代謝中間体であるノナナールが酸化ストレスや慢性気道炎症に伴い増加することが多くの研究によって明らかとなっている（非特許文献２〜１１）。それ故、呼気や体液等の生物試料中に含まれる揮発性アルデヒドは、癌や健康状態のバイオマーカーになり得る。バイオマーカーとは、疾患等に応答して細胞が産生する物質であり、生物試料中の存在量又はその変動が、対応する特定の疾患の有無、重症度、又は予後を反映することから、疾患鑑別及び治療指針決定等の指針となることが知られている。したがって、生物試料中に含まれる揮発性アルデヒドを検出することができれば、癌の早期発見や健康状態のモニタリングが可能となり得る。
【０００３】
しかし、呼気等の生物試料中に含まれる揮発性有機化合物の組成は非常に複雑で、さらにその中に含まれるアルデヒド濃度は極めて低く、通常ppbレベルしか含まれていない(非特許文献３)。またアルデヒドは、種類間で分子構造が互いに類似しているため、生物試料から特定のアルデヒドを選択的に検出することは非常に困難であり、高感度かつ高選択的な検出装置が必要となる。ところが、従来のほとんどのガスセンサーでは、揮発性アルデヒドを検出するための十分な感度と選択性を備えていなかった。
【０００４】
非特許文献１２において、Masudaらは、肺癌の早期発見を目的としたSnO2ベースのノナナールセンサーを報告している。このセンサーは、ナノ構造化されたSnO2と貴金属触媒の組合せによって構成され、ノナナールガスをppmレベルの高感度で検出することが可能である。しかし、このセンサーも他の多くの金属酸化物半導体センサーと同様に、ノナナールの選別性が低いという欠点があった。
【０００５】
それ故、呼気等のガス試料中のノナナールを選択的に検出するためには、専用の分析装置を併備しなければならないが、その装置を用いて分析するには高度に専門的な知識を有する人材が必要であった。また、専用分析装置は一度に処理できる試料が限定される上に、一回あたりの検出費用が高額となるという問題があった。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】Abdul-Wahab, S.A., 2011, Sick Building Syndrome in Public Buildings and Workplaces; Springer Heidelberg Dordrecht London New York, 1-591.
【非特許文献２】Ligor M., et al., 2009, Clin. Chem. Lab. Med. 2009, 47: 550-560.
【非特許文献３】Fuchs P., 2010, Int. J. Cance, 126: 2663-2670.
【非特許文献４】Mansoor J.K., et al., 2014, Plos One, 9.
【非特許文献５】Amal H., et al., 2015, Int. J. Cancer, 136: E614-E622.
【非特許文献６】Pryor W.A., et al., 1996, Fund. Appl. Toxicol., 34: 148-156.
【非特許文献７】Andreoli R. et al., 2003, Rapid Commun. Mass. Spetrom., 17: 637-645.
【非特許文献８】Corradi M., et al., 2003, Am. J. Resp. Crit. Care, 2003, 167: 1380-1386.
【非特許文献９】Corradi M., et al., 2004, Eur. Respir. J., 24: 1011-1017.
【非特許文献１０】Jareno-Esteban J.J., et al., 2013, Arch. Bronconeumol., 49: 457-461.
【非特許文献１１】Ishikawa Y., et al., 2011, Excli. J., 10: 303-311.
【非特許文献１２】Masuda Y., et al., 2015, Sci. Rep., 5: 10122.
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は、上記問題を鑑み、揮発性アルデヒド、特に生物試料中に含まれるバイオマーカーとしての揮発性アルデヒドに対して高感度性と高選択性を備えた分子認識材を開発し、それを用いて特定の揮発性アルデヒドを検出できる簡便かつ小型のセンサーを提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題を解決するために、本発明者らは、分子インプリンティング・ゾル‐ゲル（Molecularly imprinted sol-gel：本明細書では、しばしば「MISG」と表記する）法を用いた分子鋳型を作製した。分子鋳型は、標的分子を立体構造的に、また化学的に選択し、捕捉する分子認識材となり得るが、標的分子以外の分子も非特異的に捕捉し得る。そこで、本発明者らは、複数の異なる分子鋳型をアレイ化し、それをQCM電極の上に配置して、各分子鋳型で捕捉された標的分子の計測結果を統計分析処理することによってパターン情報化した。このパターン情報を標的分子等の既知分子のパターン情報を比較照合することで、生物試料中に低濃度で含まれるヘキサナール、ノナナール、及びベンズアルデヒド等の揮発性アルデヒドを高感度で選択的に認識することに成功した。本発明は、当該研究結果に基づくもので、以下を提供する。
【０００９】
（１）チタン及び／又はケイ素を含む金属アルコキシドを重合した高分子マトリクスで構成される揮発性アルデヒドの捕捉担体であって、特定の揮発性アルデヒド又はそれに類似する立体構造を有する分子を鋳型とする窩洞（キャビティー）からなる認識手段を前記捕捉担体の内部及び／又は表面に有し、揮発性アルデヒドを立体構造的かつ化学的に認識し、捕捉する前記捕捉担体。
（２）前記金属アルコキシドがオルトケイ酸テトラエチル（TEOS）又はオルトチタン酸テトラブチル（TBOT）である、（１）に記載の揮発性アルデヒドの捕捉担体。
（３）前記認識手段の表面に1種又は2種以上の官能基を有する、（１）又は（２）に記載の揮発性アルデヒドの捕捉担体。
（４）前記官能基はアミノ基、フェニル基、ビニル基、エポキシ基、スチリル基、メタクリル基、アクリル基、イソシアネート基からなる群から選択される一以上である、（３）に記載の揮発性アルデヒドの捕捉担体。
（５）異なる二以上の、（１）〜（４）のいずれかに記載の揮発性アルデヒドの捕捉担体を含み、各捕捉担体で揮発性アルデヒドを捕捉する分子捕捉部、前記分子捕捉部の各捕捉担体で捕捉された未知の揮発性アルデヒド又は標的揮発性アルデヒドを定量する捕捉量計測部、既知の揮発性アルデヒドを前記分子捕捉部の各捕捉担体で捕捉したときの前記捕捉量計測部における各捕捉担体の計測結果からなる計測パターン情報を蓄積する蓄積部、及び前記未知の揮発性アルデヒド又は標的揮発性アルデヒドを前記分子捕捉部で捕捉したときの前記捕捉量計測部における各捕捉担体の計測結果から計測パターン情報を算出し、前記蓄積部に蓄積された既知の揮発性アルデヒドの計測パターン情報と照合して、その照合結果に基づいて未知の揮発性アルデヒド又は標的揮発性アルデヒドを判定する判定部を備えた揮発性アルデヒド検出装置。
（６）前記捕捉量計測部は、水晶振動子マイクロバランス（QCM）手段、又は表面プラズモン共鳴（SPR）手段を備えた、（５）に記載の揮発性アルデヒド検出装置。
【００１０】
（７）被験試料に含まれる標的揮発性アルデヒドを検出する方法であって、チタン及び／又はケイ素を含む金属アルコキシドを重合した高分子マトリクスで構成され、特定の揮発性アルデヒド又はそれに類似する立体構造を有する分子を鋳型とする窩洞からなる認識手段をその内部及び／又は表面に有する異なる捕捉担体を二以上用いて、前記標的揮発性アルデヒドを捕捉する捕捉工程、前記各捕捉担体で捕捉した前記標的揮発性アルデヒドを定量し、その計測結果を得る計測結果取得工程、及び得られた各捕捉担体の計測結果から計測パターン情報を算出し、既知の揮発性アルデヒドの計測パターン情報と照合して、その照合結果に基づいて前記標的揮発性アルデヒドを検出する検出工程を含む前記方法。
（８）前記計測結果取得工程で、標的揮発性アルデヒドを水晶振動子マイクロバランス（QCM）測定法、又は表面プラズモン共鳴（SPR）測定法を用いて定量する、（７）に記載の方法。
（９）前記金属アルコキシドがオルトケイ酸テトラエチル（TEOS）又はオルトチタン酸テトラブチル（TBOT）である、（７）又は（８）に記載の方法。
（１０）前記認識手段の表面に1種又は2種以上の官能基を有する、（７）〜（９）のいずれかに記載の方法。
（１１）前記官能基がアミノ基、フェニル基、ビニル基、エポキシ基、スチリル基、メタクリル基、アクリル基、イソシアネート基からなる群から選択される一以上である、（１０）に記載の方法。
（１２）前記被験試料が生物由来である、（７）〜（１１）のいずれかに記載の方法。
（１３）前記被験試料が呼気、体液、体臭原因となる揮発性有機化合物を含むガス、又は糞便である、（１２）に記載の方法。
【発明の効果】
【００１１】
本発明の揮発性アルデヒドの捕捉担体によれば、被験試料中に含まれる特定の揮発性アルデヒドを捕捉することができる。その性質を利用して、特定の揮発性アルデヒドを濃縮することができる。
本発明の揮発性アルデヒドの検出装置及び検出方法によれば、被験試料中に含まれる特定の揮発性アルデヒドを高感度で高精度に選別して検出することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】表１に記載の各捕捉担体を備えたセンサーチャネルを用いて、揮発性アルデヒドをセンサーチャネルに通したときのQCM電極の応答特性を示す検出結果である。（a)はHALの、（b)はBALの（c)はNALの検出結果を示す。
【図２】(a)3種の揮発性アルデヒド（HAL、NAL、及びBAL）に対して13種の捕捉担体（S1〜S13)を備えたセンサーチャネルで計測したときの応答パターンを示す。(b) 正規化した(a)の応答パターンを示すレーダー・チャートである。
【図３】異なる3種の流速で発生させた3種の揮発性アルデヒドに対して3回繰り返し計測したときのQCMセンサーアレイの計測結果に基づく主成分分析（PCA）マップを示す。
【図４】13種のQCMセンサーアレイにおけるPC1からPC5のPCA因子負荷行列（loading matrix）に基づく階層クラスター分析（HCA）の結果を示す。
【図５】S3、S6、S8、S10及びS13のセンサーチャネルからなる最適化センサーアレイのデータに基づくPCAマップを示す。
【図６】S1、S5、S7、S9及びS12のセンサーチャネルからなるランダムセンサーアレイのデータに基づくPCAマップを示す。
【図７】センサーアレイの選択性における高分子マトリクス（TEOS）と機能性モノマー（EPA）の成分比の影響を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
１．揮発性アルデヒド捕捉担体
１−１．概要
本発明の第１の態様は、揮発性アルデヒド捕捉担体（本明細書では、しばしば「捕捉担体」と略称する）である。本発明の揮発性アルデヒド捕捉担体は、特定の揮発性アルデヒド等を鋳型としてその内部や表面にMISG法によって形成された窩洞を有する分子鋳型であって、高分子マトリクスで構成された分子認識材としての特徴を有する。本発明の捕捉担体は、前記窩洞からなる認識手段で揮発性アルデヒドを立体構造的かつ化学的に認識して捕捉することができるため、特定の揮発性アルデヒドを選別することが可能である。それ故に、揮発性アルデヒドの検出や濃縮用担体として利用することができる。
【００１４】
１−２．構成
本発明の揮発性アルデヒド捕捉担体は、チタン及び／又はケイ素を含む金属アルコキシドを重合した高分子マトリクスで構成される分子鋳型である。
「分子鋳型」とは、MIP（molecularly imprinted polymer）とも呼ばれ、標的分子の形状や化学的性質を鋳型として記憶させた高分子媒体であり、標的分子を選択的に認識、捕捉することができる。本発明では、標的分子が揮発性アルデヒドに、また金属アルコキシドを重合した高分子マトリクスが高分子媒体に相当する。
【００１５】
本明細書において「金属アルコキシド」とは、一般式M(OR)n（式中、Mは金属元素、Rはアルキル基、及びnは金属元素の酸化数を示す）で表される物質である。多くの種類が知られているが、本発明の捕捉担体を構成する金属アルコキシドは、金属元素としてチタン（Ti）及び／又はケイ素（Si）を含む。すなわち、Ti(OR)4で表されるチタンアルコキシド及び／又はSi(OR)4で表されるシリコンアルコキシドが使用される。前記一般式において、Rで示すアルキル基は特に限定されない。例えば、Ti（OR)4であれば、Rがエチル基（C2H5）であるオルトチタン酸テトラエチル（Tetraethyl Orthotitanate；本明細書では、しばしば「TEOT」と表記する）、Rがイソプロピル基（CH(CH3)2）であるオルトチタン酸テトライソプロピル（Tetraisopropyl Orthotitanate；本明細書では、しばしば「TIOT」と表記する）、及びRがn-ブチル基（(CH2)3CH3）であるオルトチタン酸テトラブチル（Tetrabutyl Orthotitanate；本明細書では、しばしば「TBOT」と表記する）が挙げられる。また、Si(OR)4であれば、Rがエチル基（C2H5）であるオルトケイ酸テトラエチル（Tetraethyl orthosilicate；本明細書では、しばしば「TEOS」と表記する）、Rがプロピル基（(CH2)2CH3）であるオルトケイ酸テトラプロピル（Tetrapropyl orthosilicate；本明細書では、しばしば「TPOS」と表記する）、及びRがn-ブチル基（(CH2)3CH3）であるオルトケイ酸テトラブチル（Tetrabutyl orthosilicate；本明細書では、しばしば「TBOS」と表記する）が挙げられる。
【００１６】
本明細書において「揮発性アルデヒド」とは、常温常圧下で比較的容易に気化する液体アルデヒドをいう。ここでいう「常温」とは、外気温を超えない温度をいう。通常は0℃〜40℃、好ましくは5℃〜35℃の範囲内の温度である。また「常圧」とは、大気圧を超えない気圧であり、通常は1気圧前後、例えば、0.8〜1.3気圧の範囲である。揮発性アルデヒドの具体的な種類は問わない。天然に存在する揮発性アルデヒド、又は化学合成されたアルデヒドのいずれであってもよい。好ましくは天然に存在する揮発性アルデヒドである。本発明の目的の一つが、生物試料に含まれる揮発性アルデヒドをバイオマーカーとして、選択的かつ高感度に検出することを鑑みれば、天然に存在する揮発性アルデヒドの中でも特に生物試料に含まれ得る揮発性アルデヒドが好適である。例えば、エタナール（アセトアルデヒド：C2H4O）、プロパナール（C3H6O）、ブタナール（ブチルアルデヒド：C4H8O）、ペンタナール(バレルアルデヒド：C5H10O）、ヘキサナール（C6H12O）、ペプタナール（C7H14O）、オクタナール（C8H16O）、ノナナール（C9H18O）、ベンズアルデヒド（C7H6O）等が挙げられる。
【００１７】
本明細書において「特定の揮発性アルデヒド」とは、捕捉担体での捕捉されるべき標的となる揮発性アルデヒド（本明細書では、しばしば「標的揮発性アルデヒド」と表記する）である。原則として、高分子マトリクスの形成時に鋳型分子として使用した揮発性アルデヒドが該当する。
【００１８】
本明細書において「それに類似する立体構造を有する分子」とは、前記特定の揮発性アルデヒドに類似する立体構造を有する分子である。立体構造的に類似していれば、その種類は問わないが、特定の揮発性アルデヒドの酸化物（有機酸）等が適当である。例えば、エタナールであればその有機酸である酢酸（C2H4O2）、プロパナールであればその有機酸であるプロピオン酸（C3H6O2）、ブタナールであればその有機酸であるブタン酸（酪酸：C4H8O2）、ペンタナールであればその有機酸であるペンタン酸(吉草酸：C5H10O2）、ヘキサナールであればその有機酸であるヘキサン酸（カプロン酸：C6H12O2）、ペプタナールであればその有機酸であるヘプタン酸（エナント酸：C7H14O2）、オクタナールであればその有機酸であるオクタン酸（カプリル酸：C8H16O2）、ノナナールであればその有機酸であるノナン酸（ベラルゴン酸：C9H18O2）、そしてベンズアルデヒドであればその有機酸である安息香酸（C7H6O2）が挙げられる。
【００１９】
本発明の捕捉担体は、複数のTi(OR)4及び／又はSi(OR)4が重合し、それぞれのアルキル基で互いに共有結合によって架橋された網状の高分子マトリクスで構成される。この高分子マトリクスが本発明の捕捉担体の基盤を形成している。
【００２０】
本発明の捕捉担体を構成する高分子マトリクスは、その内部及び／又は表面に複数の認識手段を有する。本明細書において「認識手段」とは、本発明の捕捉担体における主たる機能部位であって、窩洞で構成され、特定の揮発性アルデヒドを選択的に捕捉することができる。「窩洞」（キャビティー：cavity)とは、分子インプリンティング・ゾル‐ゲル法によってTi(OR)4及び／又はSi(OR)4の重合する際に、特定の揮発性アルデヒド又はそれに類似する立体構造を有する分子を鋳型分子として混合することによって高分子マトリクス内に形成された小空間である。この窩洞の存在により、本発明の捕捉担体は多孔質構造を有している。
【００２１】
窩洞は、原則として、鋳型となった特定の揮発性アルデヒドを立体構造的かつ化学的に認識する。「化学的に認識」とは、特定の揮発性アルデヒドを官能基によるイオン結合や水素結合を介して捕捉することをいう。捕捉担体は、窩洞内表面や捕捉担体表面に、様々な官能基を有することができる。官能基の種類は特に限定しない。例えば、高分子マトリクスを構成するTi(OR)4及び／又はSi(OR)4の架橋されていない末端アルキル基（一般式ではRで示される）が挙げられる。また、必要に応じてTi(OR)4及び／又はSi(OR)4の重合時に機能性モノマーを添加することによって、様々な官能基を捕捉担体に追加付与することができる。
【００２２】
本明細書において「機能性モノマー」とは、高分子マトリクスに官能基等の様々な性質を付与する化合物をいう。例えば、シランカップリング剤が該当する。「シランカップリング剤」とは、分子内に有機材料（本発明では特定の揮発性アルデヒド）及び無機材料と反応結合する官能基を併せ持つ有機ケイ素化合物であり、一般式Y-Si(CH3)3-n(OR)nで示される。式中、Yは有機材料と反応する有機官能基であり、ORは無機材料と反応する加水分解性基である。シランカップリング剤の添加によって付与し得る官能基には、例えば、アミノ基、フェニル基、ビニル基、エポキシ基、スチリル基、メタクリル基、アクリル基、イソシアネート基等が挙げられる。シランカップリング剤は公知のシランカップリング剤を用いればよい。例えば、アミノアルキルシラン、オレフィニルシラン、アルキルシラン、アリールシラン、アリールアルキルシラン、フルオロアルキルシラン、フルオロアリールシラン等が挙げられる。より具体的には、官能基としてアミノ基を付与するシランカップリング剤には、3-アミノプロピルジメトキシシラン、3-アミノプロピルジエトキシシラン、3-アミノプロピルトリメトキシシラン、又は3-アミノプロピルトリエトキシシランが、3級アミノ基を付与するシランカップリング剤として[3-(N,N-ジエチルアミノ)プロピル]トリメトキシシラン、[3-(N,N-ジメチルアミノ)プロピル]トリエトキシシランが、フェニル基を付与するシランカップリング剤としてトリメトキシフェニルシランが、エポキシ基を付与するシランカップリング剤として2-(3,4-エポキシシクロヘキシル)エチルトリメトキシシラン、3-グリシドキシプロピルメチルジメトキシシラン、3-グリシドキシプロピルトリメトキシシランが、スチリル基を付与するシランカップリング剤としてp-スチリルトリメトキシシランが、アクリル基を付与するシランカップリング剤として3-アクリロキシプロピルトリメトキシシランが、挙げられる。
【００２３】
捕捉担体において、特定の揮発性アルデヒドを化学的に認識し、捕捉する官能基は、複数種であってもよい。例えば、前記認識手段に前記官能基の群から選択される一以上を有することができる。
捕捉担体で立体構造的に、及び／又は化学的に捕捉された揮発性アルデヒドの分子は、捕捉担体を解離条件下に曝露することで捕捉担体から解離させることができる。例えば、捕捉担体を備えた流路内に無臭空気を流通させたり、捕捉担体を30℃〜100℃の低温で加熱すればよい。
【００２４】
１−３．製造方法
本発明の揮発性アルデヒド捕捉担体の製造方法は、センサー分野等で一般に用いられる公知のMISG法に準ずればよい。例えば、Mujahid A.ら（Mujahid A. et al., 2010, Materials, 3: 2196-2217）に記載の方法を参考にすることができる。
【００２５】
Ti(OR)4及び／又はSi(OR)4を、特定の揮発性アルデヒド又はそれに類似する立体構造を有する鋳型分子と混合し、重合させることによって高分子マトリクスを形成させる。これにより鋳型分子は、その高分子マトリクス内に固定される。高分子マトリクス形成時に、必要に応じてシランカップリング剤のような官能基を付与し得る機能性モノマーを添加すればよい。重合反応後は、真空加熱等によって高分子マトリクスから鋳型分子を除去することで、高分子マトリクス内には特定の揮発性アルデヒド等を鋳型とする窩洞が残される。この窩洞が特定の揮発性アルデヒド等の立体構造を記憶すると共に、窩洞内部には機能性モノマーに由来する官能基が固定され、この官能基によって特定の揮発性アルデヒドを化学的に認識できる。
【００２６】
１−４．効果
本発明の揮発性アルデヒド捕捉担体は、認識手段と立体構造的にフィットする、及び／又は認識手段が保持する官能基と化学的に結合する、特定の揮発性アルデヒド等を認識し、認識手段で捕捉することによって、高感度で特定の揮発性アルデヒドを選択することができる。その感度と選択性を利用して、様々な揮発性化合物が含まれる気体中から特定の揮発性アルデヒドを検出する装置や濃縮する装置に応用することができる。
【００２７】
２．揮発性アルデヒド検出装置
２−１．概要
本発明の第２の態様は、揮発性アルデヒド検出装置である。本発明の揮発性アルデヒド検出装置（本明細書では、しばしば「検出装置」と表記する）は、分子捕捉部、捕捉量計測部、蓄積部、及び判定部を備える。本発明の検出装置によれば、様々な揮発性化合物を含む被験試料から、標的物質である特定の揮発性アルデヒドを高い選択性と高い感度で検出することができる、簡便かつ小型の揮発性アルデヒド検出装置を提供することができる。
【００２８】
２−２．構成
本発明の検出装置は、分子捕捉部、捕捉量計測部、蓄積部、及び判定部を備える。以下、各部について具体的に説明をする。
【００２９】
（１）分子捕捉部
「分子捕捉部」は、第１態様に記載の揮発性アルデヒド捕捉担体を分子鋳型として含む。捕捉担体の具体的な構成については第１態様で記載しているため、ここでの説明は省略する。
分子捕捉部は、前記捕捉担体の機能により試料中の揮発性アルデヒドを選択的に捕捉する部である。捕捉担体は、その内部及び／又は表面に存在する窩洞からなる認識手段の立体構造及びその内部表面に存在する官能基の化学的選択性により、それにフィットする揮発性アルデヒドを特異的に捕捉することができる。したがって、分子捕捉部で捕捉される揮発性アルデヒドは、原則として、その鋳型となった特定の揮発性アルデヒドである。ただし、実際には特定の揮発性アルデヒド以外の揮発性アルデヒド又は他のVOCも捕捉し得る。これについては、後述する蓄積部において具体的に説明をする。
【００３０】
分子捕捉部は、異なる第１態様に記載の揮発性アルデヒド捕捉担体を複数含む。個々の捕捉担体は、原則として互いに異なる。各捕捉担体間の違いには、高分子マトリクスや機能性モノマー等の組成が異なり、鋳型分子が同じ場合、高分子マトリクスや機能性モノマー等の組成が同じで、鋳型分子が異なる場合、そして高分子マトリクスや機能性モノマー等の組成と鋳型分子が異なる場合があるが、いずれであってもよい。前述のように、本発明の検出装置において、各捕捉担体は互いに異なるが、必要であれば同一の捕捉担体を追加的に含むことも可能である。
【００３１】
捕捉担体の具体的な数は限定しない。例えば、2以上、3以上、4以上、6以上、8以上、9以上、10以上、12以上等であってもよい。また、捕捉担体を支持体上に配置してアレイを構成することもできる。
【００３２】
分子捕捉部は、前記捕捉担体が単独では自己の形状を一定に保持することができない場合、必要に応じて支持体を含むことができる。例えば、捕捉担体が薄膜状の場合が該当する。
【００３３】
本明細書において「支持体」とは、前記複数の捕捉担体を担持することができ、かつ分子捕捉部の主たる形状を保持し得る固相をいう。支持体の素材は、一定の形状を保持できるものであれば、特には限定しない。例えば、プラスチック、金属、ガラス、合成ゴム、セラミックス、耐水処理や強化処理した紙、又はそれらの組み合わせ等が該当する。また、支持体は異なる構成成分からなる多層で構成されていてもよい。例えば、金（Au）の薄膜とガラス基板の二層からなる場合が該当する。
【００３４】
分子捕捉部が支持体を含む場合、通常、支持体の形状が分子捕捉部の形状を構成し得る。このとき捕捉担体は、支持体表面の全部又は一部に担持される。
【００３５】
分子捕捉部が支持体を含む場合、捕捉担体と支持体の結合方法は、捕捉担体で得られる揮発性アルデヒドの補足情報を次述の捕捉量計測部へ出力可能なように構成されていれば特に問わない。例えば、両者を直接結合していてもよいし、両者を連結する二以上の他の連結物質を介して結合していてもよい。
【００３６】
また、次述の補足量計測部において使用する測定手段によっては、分子捕捉部をそのセンサー部に直接担持させることもできる。例えば、測定手段が後述するQCM手段であればその電極に、またSPR手段であれば金属薄膜に直接被覆させる方法が挙げられる。これらの場合、電極や金属薄膜が前述の支持体になり得る。
【００３７】
分子捕捉部の担持方法は、限定はしない。例えば、電極や金属薄膜等の表面に塗布又は噴霧して担持させてもよいし、分子捕捉部を前記電極や金属薄膜表面に積層させてもよい。
【００３８】
分子捕捉部は、揮発性アルデヒド検出装置から着脱可能なように構成することができる。この場合、分子捕捉部を揮発性アルデヒド検出装置に装着及び固定し、必要に応じて固定解除できる着脱手段を有することができる。被験試料の状態や検出環境等に応じて最適な分子捕捉部を選択するときや、一度使用した分子捕捉部の連続使用によるコンタミの危険性を排除し、新たな分子捕捉部に交換可能にするときに便利である。
【００３９】
（２）捕捉量計測部
「捕捉量計測部」は、前記分子捕捉部の各捕捉担体で捕捉された揮発性アルデヒドを定量する部である。本明細書では、単一の前記分子捕捉部とそれに対応する捕捉量計測部からなるユニットをしばしば「センサーチャネル」と表記する。
【００４０】
揮発性アルデヒドの定量は、前記分子捕捉部ごとに、すなわち各センサーチャネルで、独立に行われる。ここでいう「定量」とは、前記分子捕捉部を試料に所定の時間曝露した際に、捕捉担体がどれほど揮発性アルデヒド分子を捕捉したかを計測することをいう。また「所定の時間」とは、予め定められた期間を言う。期間は任意でよい。例えば、１〜3秒間であってもよいし、1〜5分間であってもよい。
【００４１】
「水晶振動子マイクロバランス（QCM）測定手段」とは、QCM法を用いた吸着分子の測定法である。QCM法は、水晶振動子に取り付けた電極表面に物質が吸着するとその質量に応じて水晶振動子の共振周波数が減少するという現象を利用し、共振周波数の変化量によって極微量な吸着物を定量的に捕らえる質量測定方法である。QCM法における吸着物の質量測定は、Sauerbreyの式に基づいて行うことができる。この方法によれば単原子層レベルで電極に吸着した物質の質量をナノグラムレベルで測定することが可能である。QCM法は、公知の方法であり、各種プロトコルや参考文献（例えば、森泉豊榮，中本高道，1997，センサ工学，昭晃堂）に記載の方法に準じて行えばよい。
【００４２】
「弾性表面波（SAW）測定手段」とは、SAW法を用いた吸着分子の測定法である。SAW法は、圧電結晶表面に伝搬する弾性表面波の伝播速度が周囲媒質に依存することを利用して、ガス分子の吸脱着による伝播速度変化を周波数変化として検出する方法で、ガスセンサーや液相系センサーで応用されている。
【００４３】
「カンチレバー測定手段」とは、微小サイズのポリマー又はシリコン製のカンチレバーを用いた吸着分子の測定法である。金属薄膜等の受容体で表面が被覆されたカンチレバーにガス分子等の検体分子が吸着したときに、検体分子同士の立体反発等で表面応力によるたわみが発生する。カンチレバーの表面にレーザー光を照射し、反射光強度によりこのたわみを測定する方法である。
【００４４】
「表面プラズモン共鳴（SPR）測定手段」とは、SPR現象の共鳴角が金属薄膜表面上の吸着物の屈折率によって変化することを利用して、当該吸着物を高感度に測定する方法である。SPR現象とは、金属薄膜へのレーザー光の入射角度の変化に伴って反射光強度が減衰する現象である。SPR法は、反射光強度が最も減衰した時の角度である共鳴角が、金属薄膜表面上への物質の吸着前後で変化するという現象を利用し、その共鳴角の変化量によって極微量な吸着物を定量的に捕らえる質量測定方法である。
【００４５】
「局在表面プラズモン共鳴(LSPR)測定手段」とは、光によって励起された金属ナノ粒子における集団的電荷振動であるLSPR現象を利用した測定方法である。表面プラズモン共鳴は、金属を微小化してナノオーダースケールまで小さくすると、共鳴波長による電子振動で分極が起こり、高度な近接増幅を示す。ナノ構造体の近傍領域に局在化したプラズモンが発生するようになる。この現象をLSPR現象という。LSPR法は、公知の方法であり、各種プロトコルや参考文献（例えば、加沢エリト, 林正毅, センサヘッドの開発, 2013, 東京都立産業技術研究センター研究報告, 第8号, 98〜99）に記載の方法に準じて行えばよい。
【００４６】
QCM測定手段及びSPR手段では、吸着分子の有無やその質量を電気信号に変換する構成要素として、いずれも金属薄膜を備える。これらの金属薄膜を構成する金属種は、限定はしないが、一般にQCM測定手段では金（Au)が、SPR測定手段では金（Au)又は銀（Ag）が好ましく使用される。捕捉量計測部において、QCM測定手段又はSPR手段を用いる場合、この金属薄膜上に分子捕捉部の捕捉担体を固定してセンサーチャネルとすることができる。
【００４７】
捕捉量計測部では、前述のように分子捕捉部の各捕捉担体における揮発性アルデヒドの捕捉を電気信号に変換して取得する。取得される電気信号は、通常微弱であることから、必要に応じて増幅してもよい。当該増幅は増幅器を当該捕捉量計測部に設置することで解決できる。また、取得された電気信号がアナログ信号である場合には、電気信号をA/D（アナログ/デジタル）変換することもできる。A/D変換は、コンパレータ等のAD変換器を当該捕捉量計測部に設置する等ことで解決できる。電気信号は、その絶対強度や基準値との相対的差異によって、絶対値又は相対値として数値化される。本明細書では、この数値化された値を「計測結果」と表記している。
【００４８】
捕捉量計測部は、計測結果を出力可能なように構成されている。計測結果の出力先は、原則として、後述する判定部に出力されるが、それに限定はしない。例えば、当該計測結果を表示可能なモニタ等の外部表示部に出力することもできる。出力形式も限定はしない。直接配線を介した出力でもよいし、USB端子等の接続端子を設けてケーブルを介した出力でもよい。また、無線によって送出してもよい。さらに、一の検出作業において、分子捕捉部の各捕捉担体から得られた計測結果は、それぞれ別個に又はまとめて出力することができる。
【００４９】
（３）蓄積部
「蓄積部」は、既知の揮発性アルデヒドの計測パターン情報を蓄積する部である。
本明細書で「計測パターン情報」とは、既知の揮発性アルデヒドを分子捕捉部の各捕捉担体で捕捉したときに、捕捉量計測部の各捕捉担体で定量された複数の計測結果を統計分析処理した情報である。
【００５０】
分子捕捉部の捕捉担体は、本来、鋳型となった揮発性アルデヒドのみを特異的に認識し、捕捉する。しかし、実際には分子選択性に認識誤差が生じる。これは、分子間力等の非特異的結合力によって捕捉担体表面等に結合する分子が存在するためである。つまり、分子鋳型である捕捉担体は、標的以外の揮発性アルデヒドも非特異的に捕捉し得る。このような非特異的捕捉による認識誤差は、特定の揮発性アルデヒドを高精度かつ高感度で検出する上で本来的には望ましくはない。しかし、分子鋳型で捕捉担体の非特異的な捕捉を完全排除することは一般的には困難である。一方で、特定の揮発性アルデヒドに対する捕捉担体の認識誤差は、捕捉担体ごとに特有である。そこで、本発明では、分子捕捉部に複数の異なる捕捉担体を備え、それぞれの捕捉担体で特定の揮発性アルデヒドを捕捉したときの個々の捕捉担体における分子選択性の認識誤差を含んだ計測結果を、後述する判定部で統計分析処理し、様々な揮発性アルデヒドの分析結果を計測パターン情報として、蓄積部に蓄積している。
【００５１】
蓄積部は、既知の揮発性アルデヒドの計測パターン情報を予め一以上蓄積していることが望ましい。「既知の揮発性アルデヒド」とは、既に同定されている揮発性アルデヒドをいう。たとえば、ノナナールの計測パターン情報やベンズアルデヒドの計測パターン情報が該当する。既知の揮発性アルデヒドの計測パターン情報は、原則として1種の揮発性アルデヒドの情報であるが、複数種の揮発性アルデヒドからなる情報であってもよい。ただし、この場合、それぞれの揮発性アルデヒドの含有比率が計測パターン情報にリンクされている必要がある。例えば、ノナナールとベンズアルデヒドの含有比率が1：3の混合気体における計測パターン情報が該当する。
【００５２】
蓄積部は、未蓄積な計測パターン情報であっても、後述する判定部において、それが特定の揮発性アルデヒドの計測パターン情報に該当すると推定された場合には、その特定の揮発性アルデヒド情報と計測パターン情報を関連付けて新たに既知の揮発性アルデヒドの計測パターン情報として蓄積することができる。
【００５３】
さらに、蓄積部は、上述の計測パターン情報に加えて、後述の判定部において使用する様々な統計分析プログラムを格納することができる。そのようなプログラムとして、例えば、捕捉量計測部から取得した計測結果を統計処理して計測パターン情報を得るための統計プログラムや、前記統計処理の結果、新たに得られた計測パターン情報と蓄積部に蓄積されている複数の既知計測パターン情報とを照合して、合致又は近似する既知蓄積計測パターン情報を選別し、既知蓄積計測パターン情報に関連付けされている揮発性アルデヒド情報を抽出する管理プログラム等が挙げられる。
【００５４】
蓄積部は、上記計測パターン情報を蓄積可能な記録メディアとそのドライブからなるストレージを備える。例えば、ハードディスク、光ディスク、ソリッドステートドライブ（SSD)、フラッシュメモリ、ROM等の不揮発性ストレージが該当する。蓄積部は、同一の又は異なる計測パターン情報を蓄積する二以上で構成されていてもよい。また蓄積部は、本発明の検出装置から着脱可能であってもよい。
【００５５】
蓄積部は、蓄積している計測パターン情報を入出力可能なように構成されている。計測パターン情報の入出力先は、原則として、後述する判定部であるが、それに限定はしない。例えば、様々な揮発性アルデヒドの計測パターン情報を蓄積している、又は蓄積するための外部ストレージに対して、入出力を可能にして必要な計測パターン情報を取得、又は保存できるように構成されていてもよい。出力形式も限定はしない。捕捉量計測部と同様に、直接配線を介した出力でもよいし、USB端子等の接続端子を設けてケーブルを介した出力でもよい。また、無線によって送出してもよい。
【００５６】
（４）判定部
「判定部」は、未知の揮発性アルデヒド又は標的揮発性アルデヒドに対する各捕捉担体の計測結果から計測パターン情報を算出し、蓄積部に蓄積された既知の揮発性アルデヒドの計測パターン情報と照合して、未知の揮発性アルデヒド又は標的揮発性アルデヒドを特定する部である。
【００５７】
本明細書で「未知の揮発性アルデヒド」とは、新規の揮発性アルデヒドではなく、被験試料に含まれ得る未同定の揮発性アルデヒドをいう。被験試料中にどのような揮発性アルデヒドが含まれ得るのか分からない場合であっても、合致又は類似する既知の揮発性アルデヒドの計測パターン情報がある限り、当該判定部において未知の揮発性アルデヒドを特定できる。未知の揮発性アルデヒドを検出対象とする場合、本発明の検出装置は、様々な揮発性アルデヒドを鋳型とする多数の捕捉担体を含むアレイを備えていることが好ましい。
【００５８】
「標的揮発性アルデヒド」とは、被験試料中から検出すべき目的の揮発性アルデヒドをいう。例えば、生物試料中に含まれるノナナールの有無やその含有量を検出することを目的とする場合には、ノナナールが標的揮発性アルデヒドとなる。標的揮発性アルデヒドは1つに特定されている必要はなく、複数種の揮発性アルデヒドが標的揮発性アルデヒドであってもよい。例えば、ノナナールとヘキサナールを標的揮発性アルデヒドとすることができる。標的揮発性アルデヒドの場合には、判定部において被験試料中の標的揮発性アルデヒドの有無とその量を特定できる。標的揮発性アルデヒドを検出対象とする場合、本発明の検出装置は、標的揮発性アルデヒドを鋳型とする捕捉担体を含むアレイを備えていることが好ましい。
【００５９】
判定部は、CPU及び揮発性メモリを備え、前記計測パターン情報に基づいて未知の揮発性アルデヒドを同定する、又は標的揮発性アルデヒドの有無を判定するように構成されている。
【００６０】
判定部では、CPUが蓄積部に格納された統計分析プログラムを揮発性メモリ上に展開させて、そのプログラムに従った処理を行う。具体的には、例えば、捕捉量計測部からインターフェース等を介して入力された各捕捉担体の計測結果を様々な統計分析方法を実行可能な統計分析プログラムに基づいて統計処理し、計測パターン情報を算出する。
【００６１】
計測パターン情報を算出するための統計分析方法は、限定はしない。例えば、線形及び非線形の多変量解析方法が挙げられる。具体的には、主成分分析（principle component analysis：本明細書ではしばしば「PCA」と表記する）が該当する。計測パターン情報の算出に加えて、さらにセンサーアレイを最適化するために、必要に応じて多変量分散分析（multivariate analysis of variance：本明細書ではしばしば「MANOVA」と表記する）、階層クラスター分析（hierarchical cluster analysis：本明細書ではしばしば「HCA」と表記する）、及び判別分析（discriminant analysis）等を利用して、計測パターン情報を処理することができる。2以上の統計分析方法を組み合わせて用いてもよい。
【００６２】
「主成分分析（PCA)」は、多次元データのもつ情報（本明細書では、例えば、各捕捉担体から得られた計測結果が該当する）を可能な限り損なわずに低次元に縮約する方法で、多変量データにおける変数間の相関を排除し、多くの変数に重み（ウェイト）をつけて少数の合成変数を作る分析方法である。
【００６３】
「多変量共分散分析（MANCOVA）」は、従属変数（本明細書では、例えば、計測結果が該当する）が複数、すなわち多変量の場合、測定値を多変量のまま、各水準の平均値とその変動を同時分析し、様々な因子の主効果や交互作用の影響を調べ、検定を行う分析方法である。揮発性アルデヒドの鑑別において個々の捕捉担体の選択性を評価するのに好適な手法である。
【００６４】
「階層クラスター分析（Hierarchical clustering analysis: HCA）」とは、デンドログラムとも呼ばれ、パターン（本明細書では、例えば、計測結果、又は計測パターン情報）の類似したサンプルどうしをグルーピング（クラスター化）する統計的手法である。データ間の類似度（例えば、ユークリッド距離等）を定義し、その類似度を用いることにより、データパターンがより類似したサンプルどうしをツリー構造状にグループ化することができる。階層的クラスター分析は、異なる複数の捕捉担体の多様性を評価するのに好適な手法である。階層的クラスター分析は、解析用ソフトウェア「Expression View Pro」（マイクロダイアグノスティック社）、「GeneMaths XT」（インフォコム社）、「GeneSprin」（アジレント・テクノロジー社）又は「treeview」（スタンフォード大学）等を用いて行うことができる。なお、本実施例では、統計分析フリーソフトウェア「R」（http://www.statistics.co.jp/reference/software_R/free_software-R.htm）を用いた。
【００６５】
「判別分析」は、事前に与えられている情報（本明細書では、例えば、既知揮発性アルデヒドの計測パターン情報が該当する）が異なるグループに分かれる場合、新しい情報（本明細書では、未知揮発性アルデヒド又は標的揮発性アルデヒドの計測パターン情報が該当する）が得られた際に、その情報がいずれのグループに属するのかを判別するための基準（判別関数：discriminant function）を得るための正規分布を前提とした分類の手法である。判別分析は、従属変数が質的変数で、説明変数は量的変数の（重）回帰分析と解することができる。
【００６６】
また、判定方法では、CPUが、蓄積部に格納された複数の既知蓄積計測パターン情報を揮発性メモリ上に展開させて、前記統計分析プログラムに従った処理を行う。具体的には、例えば、新たに算出した計測パターン情報と既知蓄積計測パターン情報に対して、前記階層クラスター分析や判別分析等の統計分析処理を実行可能な統計分析プログラムに基づいて統計処理し、新たに算出した計測パターン情報が既知の揮発性アルデヒドのいずれの計測パターン情報グループに属するかを判定する。その分類結果から、未知の揮発性アルデヒドがいずれの揮発性アルデヒドであるかを同定又は推定し、また標的揮発性アルデヒドが包含されるか否かを判定する。
【００６７】
判定方法で得られた結果は、出力可能なように構成されている。例えば、得られた結果を表示可能なモニタ等の外部表示部に出力することもできるし、新たに算出した計測パターン情報と同定された揮発性アルデヒドの情報を関連付けて、新たな既知の揮発性アルデヒド情報として、蓄積部に出力することもできる。したがって、本発明の検出装置は、揮発性アルデヒドの検出を通して、その選択性と判定における推定機能の精度を向上することができる。
【００６８】
３．揮発性アルデヒド検出方法
３−１．概要
本発明の第３の態様は、揮発性アルデヒドの検出方法である。本発明の検出方法は、第２態様の揮発性アルデヒド検出装置で使用される方法であり、被験試料に含まれる未知の揮発性アルデヒド又は標的揮発性アルデヒドを揮発性アルデヒド捕捉担体で捕捉し、定量する。続いて、得られた計測結果から計測パターン情報を算出し、既知の揮発性アルデヒドの計測パターン情報と比較照合し、合致又は近似した既知の揮発性アルデヒドの情報を、未知の揮発性アルデヒド又は標的揮発性アルデヒドの検出結果として同定又は推定することができる。本発明は、呼気等の生物試料中に極めて低濃度で含まれる標的揮発性アルデヒドを、高感度に、また従来技術では困難であった高い選択性で検出することができる。
【００６９】
３−２．検出方法
本発明の検出方法は、捕捉工程、計測結果取得工程、及び検出工程を含む。各工程について、以下で具体的に説明をする。
【００７０】
（１）捕捉工程
「捕捉工程」は異なる二以上の揮発性アルデヒド捕捉担体を用いて、被験試料中に含まれる未知の揮発性アルデヒド又は標的揮発性アルデヒドを立体構造的かつ化学的に認識し、捕捉する工程である。本工程は、第２態様の検出装置における分子捕捉部で実行される工程である。
本工程で使用される揮発性アルデヒド捕捉担体は、前記第１態様に記載の揮発性アルデヒド捕捉担体を用いればよい。
【００７１】
「被験試料」とは、本発明の検出方法に供される試料をいう。通常は、標的揮発性アルデヒドの存在やその量を確認するための試料である。揮発性アルデヒドが包含されるか否かを確認するための資料であってもよい。
【００７２】
被験試料の状態は、原則として気体である。ただし、液体や固体であっても、それらから気化や昇華によって常温常圧下で気体が発生し得る場合には対象となり得る。被験試料の由来は、限定はしない。例えば、生物試料であってもよいし、特定の環境の、例えば新築家屋の閉鎖された個室内の空気であってもよい。本発明の主目的が、癌や健康状態のバイオマーカーとなり得る揮発性アルデヒドの検出であることを鑑みれば、被験試料は生物試料であることが好ましい。
【００７３】
本明細書において「生物試料」は、生物由来の試料をいう。生物から採取した試料であれば由来生物の生死は問わない。生体から採取した試料であってもよいし、死体から採取した試料であってもよい。好ましくは生体から採取した生体試料である。生物の種類は問わない。動物のみならず、植物も対象となり得る。好ましくは動物である。動物の場合、脊椎動物、無脊椎動物のいずれも対象となり得るが、好ましくは哺乳動物又は鳥類である。ヒト、愛玩動物（イヌ、ネコ、ウサギ、ハムスター、フェレット、インコ等）、家畜（ウシ、ブタ、ヤギ、ヒツジ、ウマ、ラクダ、リャマ、ニワトリ、ダチョウ等）、競走馬、実験動物（マウス、ラット、モルモット等）が好ましく、ヒトは特に好ましい。
【００７４】
生物試料の種類は限定しないが、前述の理由により気体試料や気化しやすい液体試料が好適である。例えば、動物であれば呼気、体液、体臭原因となる揮発性有機化合物（VOC）を含むガス（本明細書ではしばしば、単に「体臭ガス」と表記する）、及び糞便が該当する。「呼気」は、肺から排出される気体試料をいう。「体液」は、生体由来の液体試料であって、汗（アポクリン腺由来の汗、及びエクリン腺由来の汗を含む）、尿、唾液、痰、涙、鼻水、精液、膣液、腹水、血液（全血、血漿、血清を含む）、リンパ液、脳髄液を含む。「体臭ガス」とは、生体が体表や体内から発する体臭原因となるVOCを含む気体試料をいう。例えば、汗等の体液が体表面で微生物によって分解された際に発生するVOCを含んだ気体試料、腸内で微生物の作用等により発生するガスを含む屁、及び口腔粘膜や鼻粘膜から、又はげっぷのような胃等の上部消化管から発生するVOCを含んだ気体試料が挙げられる。本明細書で呼気と体臭ガスとの違いは、口や鼻から排出される肺由来の気体試料が呼気であるのに対して、それ以外の体内部位由来の気体試料を体臭ガスとする。また、体液や糞便に由来する匂いと体臭ガスに由来する匂いの違いは、体液や糞便に由来する匂いが体液そのものに含まれる匂い物質を原因とする匂いであるのに対して、体臭ガスに由来する匂いは、体液や糞便等が生体から分泌又は排出されたのち、外部要因（例えば、酸化や微生物による分解）によって新たに生成される匂い物質を原因とする匂いである。ただし、実際の生体試料において、呼気や体臭ガス等を厳密に区別することは困難であり、上記生体試料は、通常、2以上が混合された状態であることが一般的である。したがって、生体試料は、呼気や体臭ガスを含む気体試料、体液そのものである液体試料、固形成分を含み肛門から排出される糞便に分類してもよい。
【００７５】
また、生体試料であれば採取対象個体の負担を軽減するために低侵襲性の試料が好ましい。例えば、呼気、体臭ガス、汗、尿、唾液、痰、涙、鼻水、精液、膣液等が該当する。体臭ガスは、それが発生する部位周辺から採取すればよい。
【００７６】
本工程では、捕捉担体を被験試料中に曝露する。ただし、被験試料が液体又は個体の場合には、捕捉担体を被験試料に直接曝露するのではなく、それらの被験試料を封入した容器や管内の気相に曝露することが好ましい。
曝露期間は限定しない。通常は、10秒〜1時間、30秒〜30分、60秒〜10分で足りる。
【００７７】
（２）計測結果取得工程
「計測結果取得工程」は、捕捉工程において、各捕捉担体で捕捉した未知の揮発性アルデヒド又は標的揮発性アルデヒドを定量し、その計測結果を得る工程である。本工程は、第２態様の検出装置における捕捉量計側部で実行される工程である。
【００７８】
本工程では、捕捉担体が未知の揮発性アルデヒド又は標的揮発性アルデヒドを捕捉した際に捕捉担体上で生じる動的な変化を電気信号に変換し、その強度等に応じて捕捉された標的揮発性アルデヒドを定量する。定量方法は限定しない。例えばQCM測定方法、又はSPR測定方法を使用することができる。本工程で得られた定量結果は、計測結果として次の検出工程で処理される。
【００７９】
（３）検出工程
「検出工程」は、計測結果取得工程で得られた各捕捉担体の計測結果から計測パターン情報を算出し、既知の揮発性アルデヒドの計測パターン情報と照合して、その照合結果に基づいて未知の揮発性アルデヒド又は標的揮発性アルデヒドを検出する工程である。本工程は、第２態様の検出装置における蓄積部及び判定部で実行される工程である。
【００８０】
本工程では、まず、各捕捉担体から得られた複数の計測結果を総合的に統計分析処理し、計測パターン情報を得る。本工程で使用する統計分析方法は限定しないが、複数の計測結果を結果変数とするため、多変量解析で処理することが好ましい。例えば、主成分分析、多変量分散分析、階層クラスター分析、判別分析等が挙げられる。
【００８１】
続いて、統計分析処理によって得られた計測パターン情報と既知揮発性アルデヒドの計測パターン情報とを照合する。既知揮発性アルデヒドの計測パターン情報は、同様の方法により予め複数の揮発性アルデヒドから得て、蓄積しておけばよい。
【００８２】
未知の揮発性アルデヒドの場合、蓄積されている可能性のある揮発性アルデヒドに関する全ての計測パターン情報を得ればよい。
【００８３】
標的揮発性アルデヒドが1種類に特定されている場合には、蓄積されているその揮発性アルデヒドにおける計測パターン情報を得ればよい。例えば、被験試料に含まれ得るヘキサナールを標的揮発性アルデヒドとする場合には、既知の揮発性アルデヒドの計測パターン情報として蓄積されたデータからヘキサナールの計測パターン情報を抽出すればよい。被験試料由来の計測パターン情報と既知の揮発性アルデヒドの計測パターン情報を比較照合し、その結果に基づいて、被験試料で捕捉された揮発性アルデヒドが標的揮発性アルデヒドであるか否かを同定又は推定する。
【００８４】
標的揮発性アルデヒドが複数種あり、そのうちいずれか又はすべてが被検試料に含まれているか否かを検出する場合には、蓄積されているそれらの揮発性アルデヒドにおける計測パターン情報を得ればよい。例えば、ヘキサナール、ノナナール、ベンズアルデヒドを標的揮発性アルデヒドとして、被験試料に含まれ得るそれらのいずれか又は全てを検出する場合には、既知の揮発性アルデヒドの計測パターン情報として蓄積されたデータからヘキサナール、ノナナール、ベンズアルデヒドの計測パターン情報を抽出すればよい。さらに、標的揮発性アルデヒドが特定されておらず、被検試料に揮発性アルデヒドが含まれているか否かを検出する場合には、蓄積されている全ての揮発性アルデヒドにおける計測パターン情報を得ればよい。これらの場合にも、上記と同様に被験試料由来の計測パターン情報と既知の揮発性アルデヒドの計測パターン情報を比較照合し、その結果に基づいて、被験試料で捕捉された揮発性アルデヒドがいずれの標的揮発性アルデヒドであるかを同定又は推定する。
【００８５】
計測パターン情報の比較照合は、前述の統計分析方法で行えばよい。例えば、階層クラスター分析や判別分析を用いることができる。これらの統計分析法を用いて、被験試料由来の計測パターン情報が標的揮発性アルデヒドのグループに属するか否かを判定することで被験試料に含まれる標的揮発性アルデヒドを検出できる。
【００８６】
３−３．効果
本発明の揮発性アルデヒドの検出方法を用いれば、被験試料中に含まれる微量な揮発性アルデヒドを選択的に高感度で検出することができる。
【００８７】
被験試料を生物試料としたときに、その中に含まれ得るバイオマーカーとしての揮発性アルデヒド、例えば、肺癌マーカーとしてのノナナールやヘキサナール、又は酸化ストレスマーカー又は慢性気道炎症マーカーとしてのノナナールやベンズアルデヒドを選択的に、すなわち高精度に、かつ高感度に検出することができれば、バイオマーカーに対応する疾患の早期発見や、予後観察、日々の健康状態の管理にも応用することが可能となる。
【００８８】
疾患の罹患鑑別を補助する方法として、被験体から採取した被験試料と、健常体から採取した健常試料及び／又は鑑別すべき疾患に罹患している罹患体から採取した罹患試料に含まれる揮発性アルデヒドの量を本発明の検出方法における計測結果取得工程により計測し、両者の計測結果の有意差等から、被験体がその疾患に罹患しているか否かを鑑別する補助ができる。
【実施例】
【００８９】
＜実施例１：揮発性アルデヒド捕捉担体の製造＞
本発明の揮発性アルデヒド捕捉担体を、具体例を挙げて製造した。
マトリクス前駆物質には、TEOSとTBOT（いずれもWako社）を、また機能性モノマーとして、3-アミノプロピルトリエトキシシラン（以下、「APT」と略称する）（Wako社）、[3-(N,N-ジエチルアミノ)プロピル]トリメトキシシラン（以下、「EAP」と略称する）（Wako社）、及びトリメトキシフェニルシラン（以下、「TMP」と略称する）（シグマアルドリッチ社）を用いた。鋳型分子となる揮発性アルデヒドには、ヘキサナール（以下、「HAL」と略称する）の有機酸であるヘキサン酸（以下、「HA」と略称する）、ノナナール（以下、「NAL」と略称する）の有機酸であるノナン酸（以下、「NA」と略称する）、及びベンズアルデヒド（以下、「BAL」と略称する）の有機酸である安息香酸（以下、「BA」と略称する）を用いた。触媒には塩化チタン（TiCl4）（Wako社）を、また溶媒にはイソプロパノール及びエタノール（いずれもWako社）を使用した。いずれの材料も成分加工をすることなく、購入した状態で使用した。
【００９０】
TBOTを重合したチタンベースの高分子マトリクスからなる捕捉担体の製造は、まず50μLの鋳型分子を2mLのイソプロパノールに溶解した溶液中に150μLのTBOTと50μLを混合し、続いて、加水分解と重縮合反応を開始させるために25μLのTiCl4を添加した。続いて、反応溶液をかき混ぜながら60℃の水浴で1時間反応させて製造した。
【００９１】
TEOSを重合したシリコンベースの高分子マトリクスからなる捕捉担体は、150μLのTEOS、50μLの機能性モノマー、50μLの鋳型分子、及び100μLの水を2mLのエタノールに溶解し、その反応溶液をかき混ぜながら60℃でゲル化点まで反応させて製造した。
【００９２】
上記捕捉担体を製造する際に用いたマトリクス前駆物質、機能性モノマー、及び鋳型分子の組み合わせを表１に示す。
【００９３】
【表１】
2018075518.tif 000002
【００９４】
このうちS0は、機能性モノマーや鋳型分子を添加せずに製造されたチタンベースの高分子マトリクスで、TBOTのみで形成された陰性対照用の捕捉担体として使用した。S1〜S8はチタンベースの高分子マトリクスからなる捕捉担体で、鋳型分子（HA、NA、又はBA）の他、機能性モノマーとしてシランカップリング剤のAPT、EPA、又はTMPを含んでいる。S9〜S13はシリコンベースの高分子マトリクスからなる捕捉担体で、鋳型分子（HA、NA、又はBA）の他、機能性モノマーとしてAPT、EPA、又はTMPを含んでいる。
【００９５】
＜実施例２：揮発性アルデヒド検出装置におけるセンサーチャネルの製造＞
本発明の揮発性アルデヒド検出装置における主要部位である分子捕捉部と補足量計測部からなるセンサーチャネルを以下のように製造した。
揮発性アルデヒド検出装置におけるセンサーチャネルは、QCM電極の両面に実施例１で製造した各揮発性アルデヒド捕捉担体を3000rpmの速度でスピンコーティングして製造した。QCM電極には、真空蒸着した金（Au）の間に挟みこまれた9MHzの基本振動数を有するAT-カットした直径0.5cmの水晶結晶板電極を用いた。その後、電極を130℃で1時間乾燥させた。この工程により、分子捕捉部のゲル化反応が完了するだけでなく、分子捕捉部から鋳型形成時に取り込んだ鋳型分子を除去される。完成したQCM電極は、揮発性アルデヒドの検出に使用するまで、室温下、真空中で保存した。
【００９６】
＜実施例３：揮発性アルデヒド検出装置を用いた揮発性アルデヒドの検出＞
本発明の揮発性アルデヒド検出装置を用いて複数の揮発性アルデヒドを検出した。
QCM電極における周波数の変動は、マルチチャネルQCM分析システム（QCA 922：セイコーEG＆G）によって解析した。具体的な解析方法は、Jha S.K. & Hayashi K.（2015, Talanta, 134: 105-119）又はJha S.K. & Hayashi K.（2015, Sens. Actuators B, 206: 471-487）に記載の方法に準じた。
【００９７】
図１は、表１に記載の各捕捉担体を備えたセンサーチャネルを用いて、0.3mL/minの流速で3種の揮発性アルデヒド（HAL、NAL、及びBAL）をセンサーチャネルに通したときのQCM電極の応答特性を示す検出結果である。（a)はHALの、（b)はBALの（c)はNALの検出結果を示す。図中のS0、S1、S2等は、それぞれ表１の捕捉担体に相当する。陰性対照用のS0は、いずれの揮発性アルデヒドに対してもほとんど反応を示さなかった。これは、本発明で使用したTBOTを用いたチタンベースの高分子マトリクスであれば、従来のMIP材料では不可避であった非特異的な捕捉を回避できることを示唆している。また、ほとんどのセンサーチャネルにおいて、揮発性アルデヒドの捕捉により、電極に顕著な反応が認められた。
【００９８】
図１の結果から、本発明の揮発性アルデヒド捕捉担体が揮発性アルデヒドを高感度に検出できることが立証されたが、呼気や体臭に含まれる臭気成分は複雑であるため、高感度というだけでは癌の早期発見や健康状態のモニタリングためのセンサーとして適用するには十分とは言えない。そこで、揮発性アルデヒド検出担体の感度と選択性の両方を評価することによって、上記問題を解決した。具体的には、3種の揮発性アルデヒド（HAL、NAL、及びBAL）のそれぞれに対して13種の捕捉担体（S1〜S13)を備えたセンサーチャネルで計測し、それらのデータ群の応答パターン、すなわち計測パターン情報を得た。結果を図２(a)に示す。流路内に揮発性アルデヒドが存在しない対照用のブランクサンプルについても同時に検証した。またデータ群を正規化した計測パターン情報を図２(b)のレーダー・チャートに示した。
【００９９】
図３は、異なる3種の流速で発生させた3種の揮発性アルデヒドに対するアレイの計測結果（上記27種のデータと3種の対照用データ）からなるデータベースを主成分分析（PCA)スコアプロットの結果を示す。図２(b)のレーダー・チャートと図３のPCAスコアプロットの両方の結果から、異なる複数の標的揮発性アルデヒド（ここではHAL、NAL、及びBAL）を明確に選別できることが確認された。この結果から、本発明の揮発性アルデヒド捕捉担体を用いた揮発性アルデヒド検出装置の選択性が明らかとなった。
【０１００】
本実施例では複数のセンサーチャネルを用いたが、標的アルデヒドの識別ではアレイ上のセンサーチャネルの数は可能な限り少ない方が好ましい。ここで、図３のバイプロットによって示す荷重解析結果から、いくつかのセンサーチャネルでは荷重ベクトルの大きさや方向性が類似しており、強い関連性が認められた。これらのセンサーチャネルは、重複したセンサーチャネルと考えられ、検出装置の複雑性を増すのみならず、センサーアレイのパフォーマンスの低下にもなり得ると考えられた。さらに、本発明の揮発性アルデヒド検出装置により、揮発性アルデヒドを識別することには成功したものの、揮発性アルデヒド捕捉担体の認識メカニズムは明らかになっておらず、それを解明する必要もある。そこで、作成した13種の捕捉担体を最適化して、認識メカニズムを明らかにすると共に最高の検出パフォーマンスを有するセンサーアレイを決定した。センサーアレイの選択性と多様性の両方を最大化することが最適化の基本原則である。本実施例では、揮発性アルデヒドの識別において個々の捕捉担体の選択性を評価するために多変量共分散分析（MANCOVA）を適用した。個々のセンサーの識別能は、Wilk’s Λ統計のF値によって評価した。MANCOVAによって算出された13種のセンサーチャネルのF値を表２に示す。
【０１０１】
【表２】
2018075518.tif 000003
【０１０２】
上記結果は、図３に示される個々のチャンネルの荷重分析と基本的に一致する。したがって、F値が、個々の揮発性アルデヒド捕捉担体の選択性を評価する量的標準として使用できることが明らかとなった。
【０１０３】
図４は、PC1からPC5のPCA因子負荷行列（loading matrix）を用いてWard法に基づいて行った階層クラスター分析（HCA）の結果である。この結果からS5/S7、S6/S11、S2/S13、及びS9/S10には高い類似性が見られ、どちらかのセンサーチャネルを用いれば重複がないことが明らかとなった。
【０１０４】
また、図４において同一クラスター内のS5とS7は、高分子マトリクス（TBOT）と鋳型分子（NA）に関しては同じであったが、機能性モノマーは、S5がAPTで、S7がEPAと、互いに異なっていた。この結果は、これらの捕捉担体における揮発性アルデヒドの識別能が分子鋳型効果に基づくことを示している。
【０１０５】
一方、同一クラスター内のS9とS10は、高分子マトリクス（TBOT）と機能性モノマー（EPA）は同じであったが、鋳型分子がS9ではHAで、S10はNAと、互いに異なっていた。この結果は、これらの捕捉担体における揮発性アルデヒドの識別能がマトリックス効果に基づくことを示している。また、高分子マトリクスに機能性モノマーを加えることで、異なる揮発性アルデヒドに対する感度と選択性が、高分子マトリクス単体のときよりも高くなることを示唆している。
【０１０６】
さらに、S6/S8/S11及びS2/S3/S13のような他のクラスターに関しては、より複雑で、分子鋳型効果とマトリックス効果の両方が捕捉担体における識別能に寄与していると考えられた。
【０１０７】
以上の結果から、本実施例で作成した13種のセンサーチャネルをS3、S6、S8、S10及びS13の5種に最適化した。
【０１０８】
図５に、上記5種のセンサーチャネルからなる最適化したセンサーアレイのデータに基づくPCA分析の結果を示す。この図から、標的揮発性アルデヒドとして用いた3種の揮発性アルデヒド（ヘキサナール、ノナナール、及びベンズアルデヒド）を十分に識別することができることがわかった。
【０１０９】
また、図６に、S1、S5、S7、S9及びS12からなるランダムセンサーアレイのPCA分析の結果を示す。
【０１１０】
上記２つのセンサーアレイの感度と選択性は、Chaudryら（Chaudry A.N., et al., 2000, Sens. Actuators B, 69: 236-242）の提唱する方法を用いて定量した。Chaudryらによれば、センサーアレイの感度は二乗和平方根（SRSS）として定義され、また選択性はユークリッド距離の総和（SED）として定義されている。つまり、あらゆる捕捉担体の総合的な感度は、所定の揮発性アルデヒドに対する正規化した反応の二乗和（RSS）によって算出できる。また、あらゆる捕捉担体の選択性は、単に二以上の反応ベクトルが互いにどれほど異なるかを測定すればよく、それは反応マトリックス間のユークリッド距離を計算することで定量できる。
【０１１１】
表３は、最適化センサーアレイとランダムセンサーアレイにおけるSRSSとSEDの結果を示す。
【０１１２】
【表３】
2018075518.tif 000004
【０１１３】
2つのセンサーアレイのSRSS値はほとんど同じであったが、SEDは最適化センサーアレイがランダムセンサーアレイよりも高い値を示した。
【０１１４】
＜実施例４：揮発性アルデヒド検出装置を用いた揮発性アルデヒドの検出＞
高分子マトリクスのインプリンティング効果が、官能基、鋳型及びマトリックスの比率のような調製条件に影響されることがよく知られている。上記実施例では、高分子マトリクスと機能性モノマーの比を全て3：1（150μL/50μL）に固定して揮発性アルデヒド捕捉担体を作製した。そこで、本実施例では、TEOSとEPA又はTMPの比を1：1（100μL/100μL）に合わせて、センサーアレイの選択性における機能性モノマーの比率の増加による影響について検証した。
結果を表４、表５、及び図７に示す。
【０１１５】
【表４】
2018075518.tif 000005
【０１１６】
【表５】
2018075518.tif 000006
【０１１７】
表４で示すセンサーアレイAは、新たに作製した捕捉担体で、TEOSとEPA又はTMPが1：1の比を有し、センサーアレイBは、上記実施例で作製した捕捉担体で、TEOSとEPA又はTMPが3：1の比を有する。図７では、両アレイに関して、鋳型分子の量は、いずれも50μLとした。3種の上記アルデヒドにおける6種のセンサーチャネルの正規化応答を示す。図７から、センサーアレイA（A1、A2、A3）とセンサーアレイB（B1、B2、B3）の応答パターンは視覚的に類似していたことから、両センサーアレイにおけるパフォーマンスを定量するためにSRSSとSEDの値を算出した。その結果が表５である。この結果から、センサーアレイAはセンサーアレイBよりもSRSS値とSED値が高いことが明らかとなった。さらにハイブリッドセンサーアレイC(B1、A2、A3）は、センサーアレイA及びBとは異なる応答パターンを示した。センサーアレイのSED値は他の2つのセンサーアレイよりも高い感度を有することが明らかとなった。以上の結果は、センサーアレイのパフォーマンスが捕捉担体の成分を変えることでよりチューニングできることが立証された。
【図１】
2018075518.tif 000007
【図２】
2018075518.tif 000008
【図３】
2018075518.tif 000009
【図４】
2018075518.tif 000010
【図５】
2018075518.tif 000011
【図６】
2018075518.tif 000012
【図７】
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