固体表面の金属成分の簡易分析、タッチテストデバイス
長岡技術科学大学

技学研究院 物質生物系
准教授 高橋 由紀子
2022年6月9日

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本技術の概要

特願2021-143567

固体表面の金属成分の簡易分析、タッチテストデバイス

ヒドロゲル

呈色!
検出部

固体との接触
イオン化

多孔質体

3 mm

ナノ薄膜試験紙（有機比色試薬微粒子の薄膜）

Image analysis

タッチ!
接触 ＋ ラテラル
フロー
固体表面Distance2従来技術
固体表面の元素分析
EPMA ：電子線、〜１𝜇m、真空（電子プローブマイクロアナライザー）

AES：電子線、数nm、超高真空（オージェ電子分光法）

XPS：軟X線、数nm、超高真空（X線光電子分光法）

SIMS：イオン、数nm、真空（二次イオン質量分析法）

ラボ、試料採取、真空下。材料開発がメイン
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有害物質の規制

 スクリーニング法

ハンドヘルド XRF（蛍光X線）

精度、感度問題

EN1811:2011

EN71-3

ニッケル溶出試験

玩具の安全性 精密(湿式)分析

酸溶出

IEC62321

ICP
ICP-MS
AAS

ラボ、専門分析者、手間4従来技術の問題点
固体表面の元素分析

機器分析

ラボでの分析
試料採取（加工）真空下
電子線、X線
専門分析者が必須
時間がかかる

材料研究開発に限定

拡がる表面分析ニーズ
製品のコンプライアンス

機器分析前の・暴露試験・負荷試験・ スクリーニング 現場分析
 製品そのもの、そのまま
 誰でも、迅速に
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本技術
ナノ薄膜試験紙 (特許第4185982号)

１）ナノ薄膜構造

ナノ繊維

有機比色試薬のナノ粒子薄膜構造

２ m

１ m

◎有機比色試薬のナノ粒子からなる薄膜
表面積が大きく、反応性が高い

市販の試験紙の断面図

LL
L
L
400-500 μm
L✔ 検出感度が高い
すべてのシグナルを検知可能な薄膜に濃縮!

試薬が400〜700 nmの薄膜として存在

L
L
L

試薬が濾紙層にまんべんなく存在L

濾紙

数十ppm以上

L L L L L L L L L L
メンブレンフィルター

3〜4桁の高感度化！

110 μmppbレベル
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色素ナ ノ 粒子も し く は
ナ ノ コ ン ポ ジ ッ ト 保持膜

試験紙法
Im m ersion test

大量の検水

膜の色変化

検水を通液

• 濃縮によ る 感度上昇
• マスキン グ剤によ る 妨害の除去

検水

Filtrationenrichment

Dithizone
nanofiber
SH
N N
N N
H

Dithizone nanofiber
coated membrane 5 ㎛<1

色彩計による色彩測定

2110 50 100 500ppb

目視判定

2 mm
16 mm
suction0251020Hg [ppb]50100

Y. TAKAHASHI, et. al., Analyst, 134,1380 (2009)

Y. TAKAHASHI, Angew. Chem. Int. Ed.,45, 913(2006)１ m

高橋由紀子、分析化学、70(7･8), 459 (2021)72）ppbレベルの水試料用高感度イオン試験紙
流し ても 良い

環境基準

排水基準

カドミウム
鉛
六価クロム
総水銀
ニッケル
モリブデン
全もしくは溶解性マンガン
全亜鉛
銅
溶解性鉄
セレン

3 ppb
10 ppb
50 ppb
0.5 ppb—70 ppb

30 ppb100 ppb
500 ppb
5 ppb

200 ppb

10 ppm30 ppb

ほう素

1 ppm

2 ppm
3 ppm
10 ppm100 ppb
海域以外10 ppm
海域230 ppm
海域以外8 ppm
海域15 ppm
100 ppb

10 ppb

ふっ素

800 ppb砒素10 ppb

050

100
300
Mn / ppb

500

700025[F ]

As

10ppm

1000"ppb

700"ppb

500"ppb

300"ppb

100"ppba)

0"ppb

項目

飲んでも 良い15208

ナノ薄膜構造の利点
ppbレベルのイオン試験紙
最表面のみに試薬局在

さらに進化
試薬薄膜
400-700 nm

高感度

ナノ粒子

タッチテストデバイス
最表面のみに試薬局在

ナノ粒子
50〜100 nm

メンブレンフィルター

固体表面との接触に有利構造化が容易比表面積大
反応性高コーティング
積層化に有利

独立した固相

多孔質体の利用高選択性

ラテラルフローの利用
ナノ薄膜試験紙の断面図
9タッチテストデバイス (特願2021-143567)
溶出部：ヒドロゲル
多孔質体

3 mm

検出部：ナノ薄膜試験紙

Image analysis

接触 ＋ 展開Distance

展開溶媒

呈色による分析10１）呈色挙動例）スズ(Sn)検出

展開時間 : 平均 7分17秒 ± 48 秒 (n = 4)
10 s
60 s
300 s

ジチゾン

600 s

酸を含んだヒドロゲル

 試薬固相が維持

Fig. Top view and Cross sectional microscope images

 接触時間と展開時間を合わせて，分析時間20分以内
11 溶出速度２）溶出部の特性

固体試料
溶出部：
ヒドロゲル

多孔質体

検出部：
ナノ薄膜

Sn dissolution amount [ nmol ]0.296 nmol cm-2 s-1
18161412108640200400600

800

Contact time [ s ]ヒドロゲル例）
セラチン、コラーケン分解物、ペクチン、カラギーナン、グルコマンナン、有機電解質オリゴマー、相互侵入高分子網目、PVA・・・

Fig. Contact timedependence

 溶解深さ数〜数十nm

接触時間 60 s：13.4 nm
300 s：29.0 nm
1210.8Rf

0.6
0.40.200200400600

800

Contact time [ s ]Fig. Contact time vs Rf.
11Detection zone
Color bandRf =Intensity

0.75
0.5

Integrated area
“Color intensity area”

0.250203040

Discoloration zone
Detection zone

Sn dissolution amount [ nmol ]３）検出特性
ICP-OES分析

10864200200400600800

Contact time [s]Fig. Contact time vs Sn amount byICP-OES

 Snは溶出部でSn2+となり、Sn2+はジチゾンナノ薄膜へ抽出されジチゾンと錯体を形成し呈色50Transfer distance [ mm ]13 測定見本

Rf
00.25 0.5 0.75

04.61

9.4 14.1

Sn dissolution [ nmol ] 感度
約4.6 ~ 14 nmol
Fig. Calibration curve14４）タッチテストデバイスの種類

 分離型

Dissolution layerMetal

溶出部
Lateral flow

Developing Development
solvent 一体型

15ターゲットに合わせて設計可能
有機比色試薬（顔料および染料）多数を用いることができる

Ni

FePb暴露試験、負荷試験が可能
ヒドロゲル（溶出部）にさまざまな物質を保持させることができる。
例）塩類、マスキング剤、酸、塩基、抽出剤、緩衝溶液
・・・
以上を組み合わせた、人工汗、人工体液、海水、雨など
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新技術の従来技術に対する優位性
ラ ボでの分析
試料採取（ 加工） 真空下
電子線、 X 線
専門分析者が必須
時間がかかる

従来技術
機器分析“タッチテストデバイス”

現場分
析

数
誰
安製
製
全 で 分
品
品 に もそそのの安価まままま材料研究開発に限定

コンプライアンス
暴露試験
負荷試験
スクリーニング↓
高頻度な表面分析

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想定される用途
COP26

現場分析、その場診断技術、またより強いレベルの製品の検証が求められると予想されます。
• RoHSやREARCHなどのスクリーニングに• 精密分析や溶出試験など、酸溶出が必要な分析の代替• EN1811:2011やEN71-3などの溶出試験、暴露試験の代替• リサイクル金属の目安、製品の安全性の確認、材料開発の際の表面分析など
18実用化に向けた課題
1. 直接的なニーズがつかめず。より実用的なタッチテストデバイスの開発を行いたい。
2. １にて、最適化を行い、タッチテストデバイスの機能を評価したい。
3. １にて、判定のための色検出方法確立のための研究を行いたい。

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企業への期待
1. ニーズが知りたい。

2. 具体的に使用用途やターゲットなどが決まっている企業と、プロトタイプに向けた共同研究、開発を行いたい。
3. タッチテストデバイス全般を開発・販売したい企業とのライセンシングに向けた共同研究を行いたい。

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本技術に関する知的財産権• 発明の名称： 固体表面の金属成分を検出する検出材、検出システムおよび検出方法• 出願番号 ： 特願2021-143567• 出願人： 国立大学法人長岡技術科学大学• 発明者： 高橋由紀子、木菱隆志、大角空ノ輔

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研究室HP☝

長岡技術科学大学 物質生物工学分野 環境ナノ材料研究室

https://msb.nagaokaut.ac.jp/labo/nano_dyes_and_thin_films/
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イノベーション・ジャパン2022 出展予定☝

オンライン 2022 年 10 月 4 日(火)~10 月 31 日(月)固体表面の金属成分を色検出するタッチテストデバイス

23産学連携の経歴
 共同研究 ５件
2009-2012 年、2010-2012 年、2010−2011 年、2016-2020 年、2019−2022 年（特許第4185982号、特許第5649407号）◆ 事業化用予算
2020年-2021年

JST A-STEPトライアウト（特許第5649407号）

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お問い合わせ先
国立大学法人長岡技術科学大学

研究・地域連携課

知的財産係

ＴＥＬ
：0258-47-9279
ＦＡＸ：0258-47-9040
Ｅ－ｍａｉｌ ： patent@jcom.nagaokaut.ac.jp25