視点
高感度爆薬採取・分析システムの研究―爆薬分析技術に関する大学との共同研究を中心として―防衛省技術研究本部陸上装備研究所

システム研究部無人車両・施設器材システム研究室
防衛技官

博士（理学） 成瀬正啓

れた防衛装備品等の創製へ活用できる。本研究にお要旨いて、当研究所では、抗体という生物由来の特異性

国際貢献活動等において、爆発物等による車両被の高い認識分子を爆薬検知に利用するための爆薬認

害や人的損傷を防ぐためには、爆発物等を離隔から識技術について、国立大学法人九州大学と共同研究認識する技術が必要となる。本稿では、防衛省技術を実施するとともに（平成25年６月19日共同研究協

研究本部陸上装備研究所で取り組んでいる「高感度定 締 結 ）、 抗 原 抗 体 反 応 の 表 面 プ ラ ズ モ ン 共 鳴について紹介（SPR：Surface Plasmon Resonance）法による検出爆薬採取・分析システムの研究」

［1］

する。

における感度と計測誤差の検討のための分析評価技

また、本研究は２つの大学と個別に実施している術について、学校法人帝京平成大学と共同研究を実

２つの共同研究を含んでいる。一つは爆薬認識抗体施している（平成26年３月１日共同研究協定締結）。

を利用した爆薬認識技術の共同研究、もう一方は抗原抗体反応の検出に関わる分析評価技術の共同研究であり、本稿では研究結果を交えて解説する。

２．爆薬採取・分析システムとIED
2.1

IED

IEDとは、その日本語訳である「即製爆発装置」

１．はじめにという名が示すように、簡易製造された爆発物の総世界各地において、即製爆発装置（IED：Improvised

称であり、正規に工場等で軍用に製造された爆弾とExplosive Device）が脅威となっている。自衛隊の区別される。IED及びその被害の事例を図１に示す。

国際貢献活動の派遣先国等においても、今後、移動IEDは砲弾や地雷等を改造したものに限らず、農時や物資・人員の輸送といった任務等の際に脅威と薬をはじめとする化学薬品から非工業的に合成したなる可能性がある。防衛省技術研究本部陸上装備研
究所では、このIEDによる車両被害や人的損傷を防ぐため、「高感度爆薬採取・分析システムの研究」
として、IED表面に付着した微量爆薬を遠隔操縦の無人器材により採取し、その微量爆薬を高感度で分析可能なシステム技術の研究を実施している。
近年、防衛装備技術と民生技術との境界は薄れてきており、相互の技術のスピンオン−オフという形での技術のデュアルユース化が進んでいる。防衛省
としては、基礎的な研究領域を対象として外部研究機関等と連携し、先進的な研究技術を防衛装備品等の要素技術として取り込むことで、新たな概念の優60

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図１

IED及びその被害の事例

視点

爆薬を封入して製作した爆発物、いわゆる手製爆弾して、爆薬認識抗体による爆薬に対する高い識別性を含み、その含有物や形状は多種多様である。まを、またSPR法によって高い検出感度を目指す。次た、日用品に偽装されている場合もあるため、外見項にて、爆薬採取ユニットに係る爆薬採取技術と、のみからIEDであることを判別することは非常に困

爆薬分析ユニットに係る爆薬分析技術それぞれの研難とされている。ただし、IEDは前述したように手究の概要を述べる。

工業的に製作されているため、一般的にIEDの表面には、その製作時に極微量の爆薬が付着することが知られており、その量は指紋1個当たりに1000ng程［６］３．研究概要3.1

爆薬採取技術。従って、この表面付着爆薬を採取・爆薬採取技術については、爆薬採取ユニットによ分析することで、発見した不審物がIEDか否かの判る採取作業の操用性向上を目的として研究を実施し断が可能である。しかしながら、IEDは携帯電話等ている。近年の産業用ロボットの発展を考えると、により、人もしくは車両の接近に合わせて遠隔起爆

無人器材のアームによって対象物体表面を拭き取るされる場合が多いため、人が近づいて調査を実施すまたは吸い込むといった作業は一見簡単なように思ることは大きな危険を伴うとともに、数ng程度のえるが、IEDの可能性のある不審物はその形状・寸爆薬を検出することも技術的に容易ではない。

法が多様であり、爆薬採取ユニットからの相対位置度であるも状況により異なるため、遠隔操縦による採取には
2.2

高感度爆薬採取・分析システム

高感度爆薬採取・分析システムの概要を図２に示す。

困難が伴う。従って、対象物を認識し、操縦者の入力によって自動的に採取作業を行う機構について研究を実施している。検討中の爆薬採取方法の概要を図３に示す。

図２

高感度爆薬採取・分析システムの概要

本システムは小型無人車両に搭載された爆薬採取

図３ユニットと爆薬分析ユニットから成る。前述のよう

爆薬採取方法に、IED表面には極微量の爆薬が付着しており、爆爆薬採取ユニットはそのアームに測距センサを有薬採取ユニットにより遠隔操縦で対象物体の表面物し、それによって爆薬採取ユニットの先端近傍の表質を採取し、持ち帰った表面物質を爆薬分析ユニッ面（地表面及び対象物体表面を含む）までの距離をトにより分析することで対象物体がIEDかどうかの測定する。その距離データを用いて対象物に該当す判定をする。

る範囲を操縦者が設定することで、アーム先端を自爆薬採取ユニットは、有線または無線で遠隔操縦律的に走査させることが可能となる。なお、その際が可能であり、主に目視範囲で走行と採取を行う。に、拭き取り方式ならば押しつけ圧力等を、吸い込

当該ユニット先端の採取部については、拭き取りにみ方式ならば対象表面からの離隔距離等を対象物体よる採取と吸い込みによる採取の２方式が選択可能の材質や形状に合わせて設定する必要があると考えであり、露出した不審物等に対しては拭き取り方式ている。

を、埋没した不審物等に対しては吸い込み方式を使用することで効果的な採取を目指す。

3.2

爆薬分析技術

爆薬分析ユニットは、抗原抗体反応を利用した分爆薬分析技術に関しては、質量分析の一種である析器であり、抗体の持つ抗原特異的な結合性を生かイオンモビリティ法や化学的な呈色反応を利用した
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爆薬検知器材が製品化されており、米軍等では使用数は入射角に依存するが、このエバネッセント場のの簡便性から呈色反応を利用したものが採用されて波数と表面プラズモンの波数が一致したときに、共いる。しかしながら、本研究では不審物表面から採鳴によってエネルギーがエバネッセント場から表面取した爆薬と不純物の微粒子の混合物を対象とするプラズモンへ移行する。従って、入射角度を走査しことから、特異性の高い抗原抗体反応を利用するとながら反射光のエネルギーを計測することにより、ともに、またSPR法によって高感度な分析を目指しエネルギー共鳴の起こる入射角（共鳴角）が測定可ている。爆薬分析技術の研究の概要を図４に示し、能であり、抗原抗体反応によるプラズモンの波数の以下、抗体を用いた爆薬認識及びSPR法による抗原変化を共鳴角の変化として測定できる。

抗体反応の検出についてそれぞれ述べる。

本研究では、爆薬認識抗体による高い特異性、またSPR法による高い検出感度を利用し、後述するように現在までのところ既存の検知系に対して数千倍程度の感度での爆薬検出が可能であることを確認している。また、爆薬認識抗体による爆薬認識技術については九州大学と、SPR法による抗原抗体反応の分析評価技術については帝京平成大学と、それぞれ共同研究を実施しており、次項にて詳細を記述す

図４

爆薬分析技術の研究概要

抗体は本来生体の免疫防御、特に獲得免疫の根幹を成すものであり、各抗体産生細胞のクローン集団によって作られた抗体はその特異的な抗原のみに結る。

４．共同研究の取り組み
4.1

共同研究の概要

共同研究の概要を図５に示す。

合する。例えば、麻疹の予防接種等によって麻疹に対する免疫を獲得した人の免疫系は、麻疹ウィルスの侵入に迅速に反応して、麻疹ウィルスにのみ特異的に結合する抗体を産生することが可能である。従
来より生命医学の研究においてはこの抗体の特異的な結合性を利用し、マウス等に人為的に目的物質を投与することでその目的物質に対する抗体を作成し、目的物質の標識や微量検出といった用途に使用してきた。本研究においても、爆薬に対する抗体を

図５

共同研究の概要使用することで、不審物表面から採取した微粒子の２つの共同研究は独立したものである。まず、九混合物から特異的に対象爆薬を検出可能とする。

州大学との共同研究は、爆薬認識技術について、同次に、SPR法による抗原抗体反応の検出装置の構大学の有する爆薬認識抗体に関する技術と、当方の成は、図４に示されるように、媒質、金薄膜、ガラ有する運用模擬環境における試験データを交換する

ス薄層及び光学計測部からなる。SPRによる抗原抗枠組みである。次に、帝京平成大学との共同研究

体反応の検出は、金薄膜表面のプラズモンという自は、SPR法による抗原抗体反応の分析評価技術につ由電子の波数が、金薄膜表面上の媒質中における抗いて、同大学の有する分析に関する確率理論と、当原抗体の結合によって変化することを利用してい方の有する運用模擬環境における試験データを交換る。金薄膜に接したガラス薄層には、光学計測部よする枠組みである。

りレーザー光が入射しており、その入射角度は可変

九州大学との共同研究からは、爆薬検知器等の民である。また、光学計測部では同時に反射光のエネ生及び防衛装備のデュアルユース技術としてアウトルギーを測定している。光の全反射の際には、エバプットが期待され、帝京平成大学との共同研究からネッセント場という電磁波の浸透が起こり、この波は、SPR法による抗原抗体反応に係る、新規の分析

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視点評価方法が確立されることが期待される。
4.2

九州大学との共同研究

九州大学との共同研究の概要を図６に示す。

TNTを検出するものである。
その結果を図７右のグラフに示す。ここで、横軸は検出対象試料中のTNT濃度を表しており、単位のppb（parts per billion）は、重量比で10億分の１含まれていることを示している。縦軸は、検出対象試料と混合しない場合と、横軸に示すTNT濃度の検出対象試料を混合した場合の金薄膜への結合量の差分を、共鳴角変化量として表している。図より、共鳴角変化量はTNT濃度１〜10ppb以上で明確な増加が認められる。従って、本検出系は数ppb程度

図６

九州大学との共同研究の概要（25mプールに小さじ１杯程度）の検出感度を有していると考えられる。

爆薬認識技術については、九州大学の有する、味一方で、呈色反応を利用した既存の検知器につい覚センサや匂いセンサ等の化学物質のセンシング技て は、 同 様 の 調 査 を し た 結 果 は、10ppm（parts［８］をベースとし、トリニトロトルエン（TNT：per million）程度（1ppm=1000ppb、10ppmはドラTrinitrotoluene）並びにシクロトリメチレンニトロ

ム缶に小さじ１杯程度）が検出の限界であり、本研アミン（RDX：Research Department eXplosive）

究の検知系は、既存の検知系に対して数千倍程度のに対する抗体を使用して、その検出感度の検討を実感度を有していることが推測される。

術施している。また、TNTやRDXといった軍用に製造された爆弾に使用される爆薬だけではなく、非工業的に合成してIEDに使用される爆薬として、トリア

4.3

帝京平成大学との共同研究

帝京平成大学との共同研究の概要を図８に示す。

セトンペルオキシド（TATP：Triacetonetriperoxide）
やヘキサメチレントリペルオキシドジアミン（HMTD：Hexamethylenetriperoxidediamine）［ ６］ に つ い て の抗体作成の検討も実施している。
図７にこれまでの研究結果の一例を示す。

図８

帝京平成大学との共同研究の概要

SPR法による抗原抗体反応の分析評価技術について
は、帝京平成大学の有する、最小検出量や定量可能範囲についての確率論的な理論をベースとし、SPR法と
図７

爆薬認識技術についての共同研究成果の一例

は異なる抗原抗体反応の検出系である酵素結合免疫吸着法（ELISA：Enzyme-Linked ImmnoSorbentAssey）

ここでは、検出対象爆薬をTNTとして、間接競についての既存の計測誤差理論［９］を参考に、SPR合法による検出感度を検討した結果を示す。間接競法による抗原抗体反応の検出系についての計測誤差

合法とは、図７左に示すように、TNT模擬物質を理論の構築を検討している。また、高感度爆薬採金薄膜上に固定し、検出対象試料を先に既知濃度の取・分析システムの運用環境は、雰囲気中に爆薬が抗TNT抗体と混合した場合の抗体の金薄膜への結存在する可能性もあるため、そういったセンサに合量を、検出対象試料と混合しない場合の抗体の結とって外乱となる状況での誤検出低減に関する取り合量と比較し、その減少量により検出対象試料中の組みも計画している。
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図９にこれまでの研究結果の一例を示す。

参考文献［１］成瀬正啓、岸田浩司、勝山好嗣、森下政浩：“爆発物識別システムの研究（抗原抗体反応による爆薬検出技術の検討）”、防衛省技術研究本部技報第7156号、2014［ ２］http：//www.army.mil/article/92419/Afghan_soldiers_take_lead_in_IED_de feat/

図９

分析評価技術についての共同研究成果の一例

ここでは、前項と同じくTNTの検出系について結果を紹介するが、間接競合法ではなく、図９左に［３］http：//www.army.mil/article/134389/82nd_
Airborne_Division_s_fall_JOAX_includes_
counter_IED_scenarios/［ ４］http：/ /www.army.mil/article/16536/army-

示すように、金薄膜上の抗原模擬物質に抗体が結合

creates-electronic- warfare-care er-field/

するという単純な場合について述べる。図９右がそ［５］http：//www.army.mil/article/26877/の結果を示したものであり、横軸はセンサに流入さ［６］爆発物探知ハンドブック１章爆発物について、せたppb単位の抗体濃度であり、縦軸は計測結果の火薬学会編、pp. 2-23、2010

ばらつきの指標として、共鳴角変化量の相対標準偏［７］http：//ultrabio.ed.kyushu-u.ac.jp/

差（RSD：Relative Standard Deviation）を表して［８］Onodera T., Mizuta Y., Horikawa K., Singh P.,いる。青点は各濃度６回ずつの実験を実施して得らMatsumoto K., Miura N., and Toko K.：

れたRSDの値であり、赤線は金薄膜上の抗原模擬物“Displacement Immunosensor Based on Surface

質に抗体が結合する系について計測誤差モデルを構

Plasmon Resonance for Rapid and Highly

築して求めた理論曲線を示している。なお、計測誤

Sensitive Detection of 2,4,6-Trinitrotoluene”,

差モデルは、抗原抗体反応に対する共鳴角の検量

Sensors and Materials, Vol. 23, No. 1, pp. 39-52,

線、センサに流入する抗体濃度のばらつき、及び2011

SPR計測装置の内在的なばらつきを考慮して構築した。

［９］Hayashi Y., Matsuda R., Maitani T., Imai K.,
Nishimura W., Ito K., Maeda M.：”Precision,

結果より、実測値と理論曲線は概ね一致しておlimit of detection and range of quantitation in

り、構築した計測誤差理論が実際の誤差現象を比較

competitive ELIZA”,Analytical Chemistry, Vol.

的精度よく表しうることが示唆された。今後は、理46, pp. 1295-1301, 2004

論の更なる精度向上を図るとともに、間接競合法等の複雑な検出系における計測誤差理論の構築について検討する予定である。

５．おわりに高感度爆薬採取・分析システムの研究は、２つの共同研究を通じて、高感度の爆薬検出と、SPR法による抗原抗体反応の計測誤差理論の構築に関して、成果を得つつある。本研究のような共同研究を通じて、民生と防衛に応用可能なデュアルユース技術の研究が今後益々活性化することを期待したい。

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