多孔質ガラスを用いた
ヒト皮膚より放散する代謝物質の超高感度センサの研究
東北工業大学
工学部 環境エネルギー学科
丸尾 容子

目次
♦️ 生体ガスと疾病♦️ 多孔質ガラスの状態と化学反応♦️ 一酸化窒素分析チップの検討♦️ 今後に向けて

呼気成分と臨床的意義
生体ガス：肺を介して排気される呼気
皮膚（経皮）ガス

生体に侵入することなく、生体が自ら発する情報

ガス成分

臨床的意義・体調との関連

アセトン

糖尿病，肥満，ダイエット

アンモニア

肝疾患，ピロリ菌

一酸化炭素

慢性気管支炎，酸化ストレス，喫煙

水素

消化不良症候群，高齢者介護の消化管モニタ

メタン

消化不良症候群

イソプレン

コレステロール合成中間体

硫化水素

歯周炎，口腔内衛生管理

ノナナール

肺がん

ホルムアルデヒド

前立腺がん

一酸化窒素

気管支喘息
申ウソク，他，Synthesiology, 8(2015)214-222.

生体ガス簡易分析法の特徴
簡単・迅速非侵襲❤️医療施設外でも検査ができる❤️苦痛・不安がない❤️病態・生理が詳しくわかる❤️予防健康管理に役立つ❤️自分でできる❤️感染の不安がない❤️資格がいらない❤️病理部位がわかる❤️特別な器具がいらない❤️普通の状態で測定できる

生体ガス分析： 個々人が正常範囲が異なる。
平常値を把握し、それからのズレを計測することが重要となる

多孔質ガラス
比表面積が非常に大きい

気体中のガスを吸着する能力が大きい

SEM image of porous glass surface

TEM image of porous glass
気体成分の分析法として高感度を実現できる

Properties of porous glass
apparent density (g cm-3)

1.45 - 1.50

vacancy (%)

28

average diameter (nm)4.6specific surface area (m2 g -1)

195

孔サイズが小さいため分子は多孔質ガラスの壁面からの力を両サイドより受ける

多孔質ガラス中の化学反応
多孔質ガラス表面；親水性のため1−2層の水の層が存在

水の相に溶け込んだ低分子のガスの移動や平面構造に近い分子の移動に対する障壁は比較的低い
これら分子の組み合わせによる化学反応は３分子反応であっても比較的障壁は低い
かさ高い分子、水の相に溶け込まずガス状で反応するガス分子の移動、比較的大きな分子の回転運動に対しては障壁が高い
反応物、生成物はガラス表面からの力を受け、分子構造に影響
反応場の特徴をうまく利用した化学反応を組み立て微量物質の検出に用いる

多孔質ガラスとザルツマン反応
0.8solution

Absorbance

0.6

0.4

0.2

00200
400
Time(hours)

600

porous glass

Y. Y. Maruo, et al.,Sens. and Actua.,173(2012)191-196.

一酸化窒素簡易分析法の目標
室温で反応する小型の高感度分析チップ
目指す性能
測定範囲：数ppb～数百ppb
温湿度：5～40 ˚C, 30～90%
高選択性, パッシブ型

気管支喘息の患者の呼気より測定されるＮＯ：〜30ppb

検出試薬
2-フェニル-4,4,5,5-テトラメチルイミダゾリン-3-オキシド-1-オキシル (PTIO)

分子量233.29

物理状態

固体

形状

結晶～粉末

色

青色～濃い青色

その他

熱、光を避けて保管

大気中のNOをNO2へ酸化させる試薬として用いられる

多孔質ガラス内でのPTIO電子状態
1.5
Sensor element
Porousglass

Relative absorbanceWaterEthanol

10.5

0300

400

500600
Wavelength (nm)700800

多孔質ガラス内PTIOとPTIO水溶液のスペクトル形状が一致
多孔質ガラス内はPTIOが水が溶媒和した状態安定性：光EFD22EL(Panasonic)●,FHF32EX-N-H ：3.16 W/m2●,EFD22EL ：43.8 W/m2

今後の実験は光を遮光した状態で行う
FHF32EX-N-H(Panasonic)
S. Hino, et al., Chem. Sens., 31(2015)43-45.

水溶液系スペクトル変化
0 min
0.5min1.5min6.5min
11.5min
16.5min21.5min26.5min

0 min
0.5min1.5min6.5min11.5min
16.5min21.5min26.5min

Absorbance(a.u.)2

1.5

1Absorbance(a.u.)

0.2

0.1

0300

400

0.5500600
Wavelength(nm)7000200300

400
500
600
Wavelength(nm)

700

800

・ PTIO による吸光度の吸収が減少
・ 430 nm付近、290 nm、236 nm、216 nmの吸光度が増加
・ 482 nm、375 nm、301 nm、271 nmに等吸収点

水溶液系速度論的解析

𝑘′=

PTIO減少の反応速度式
𝑑[𝑃𝑇𝐼𝑂]= −𝑘[𝑃𝑇𝐼𝑂][𝑁𝑂]𝑑𝑡k’ = 4.80×10-3min-1
25 ℃、1 atmと仮定[NO]0 = 100ppm
k = 4.80×10-5 ppm-1min-1（𝑘：速度定数）0.16y = 4.80E-03x + 8.27E-03
R² = 9.85E-01

ln([PTIO]t /[PTIO]0)水溶液系での反応速度定数−ln[PTIO]t/[PTIO]0 = k[NO]0 t

0.120.08

0.040051015Time(min)202530K. Asanuma, et al., Chem. Sens., 33(2017)34-36.

分析チップ暴露

開閉バルブ

シールクリップ

R.H.50%, NO雰囲気(乾燥空気+イオン交換水+NO/N2)

分析チップ

50 L テドラーバッグ

分析チップスペクトル変化

暴露濃度：0.833ppm
3 hour

1 hour8 hour・PTIO の吸収が減少
・413 nm、241 nm、216 nmの吸光度が増加
・477 nm、372 nm、261 nmに等吸収点

1.41.2
10.80.60.40.200.80.6y = 2.94E-03x + 2.80E-01
R² = 9.79E-01
01002003000.4y = 1.19E-03x + 1.90E-01
R² = 9.84E-01

0.200400200400600

Time(min)Time(min)[NO]0 = 2.5ppm[NO]0 = 1.25ppm

800

0.80.6－ ln([PTIO]t /[PTIO]0)－ ln([PTIO]t /[PTIO]0)

1－ ln([PTIO]t /[PTIO]0)－ ln([PTIO]t /[PTIO]0)

速度論的解析

0.60.40.40.2

y = 5.78E-04x + 3.87E-02
R² = 9.99E-01

00200400600

80010000.2y = 5.89E-04x + 3.44E-02R² = 9.85E-01

00300

600900Time(min)Time(min)[NO]0 = 0.83ppm[NO]0 = 0.625ppm

1200速度定数比較
4

分析チップにおける速度定数3y = 1.21E+00x - 1.92E-01
R² = 9.69E-01

k'1×10-3

k’ = k[NO]02k =1.21×10-3 ppm-1min-1

1001

2[NO](ppm)

水溶液系：k =4.80×10-5 ppm-1min-1
分析チップ：k =1.21×10-3 ppm-1min-1
水溶液系よりも高感度

25倍

3

検量線
・ 検量線：直線関係（0.167ー0.83ppm）

・ 蓄積濃度：直線関係（30ー600 ppm×min)
吸光度を測定することで、NO濃度の算出が可能
0.80.80.83ppm

y = 8.14E-01x
R² = 9.95E-010.625ppm
0.6

0.313ppmln(Abst /Abs0)ln(Abst /Abs0)

0.6

0.167ppm

0.4

0.4

0.20.20000.2

0.4
0.6[NO]0ppm

0.8

12時間暴露時における検量線

10200

400

600ppm×min

蓄積性能評価800

安定性：干渉物質物質

濃度(ppm)

吸光度差(567 nm)

空気中の存在量
(ppm)

エタノール

1000

-0.011

0.18

メタノール

1000

+0.011

0.41

アセトン

1000

-0.0360.000617

酢酸

10-0.015

0.00221キシレン

1-0.0190.00019

ホルムアルデヒド

0.13-0.018

0.00231

クロロホルム0.1-0.015

0.0000638

ブランク

0-0.02―

S. Hino, et al., Chem. Sens., 32(2016)105-107.

干渉物質の考察

水とアセトンのモル吸光係数の差によって吸光度変化が大きくなったと考えられる。
実際の空気中に存在する量を考えると影響は考慮しなくてよい。

ホルムアルデヒド分析チップ

暴露前

14ppbｘ24hr

24ppbｘ24hr

110ppbｘ24hr

62ppbｘ24hr

y = 0.941x

3HCHO conc. with sensor element ( mg/m )300+NH4+ +2

R = 0.96200

100

00x=CH3, Y=CH3100200300

HCHO conc. with DNPH method ( mg/m )3Y. Y. Maruo, et al., Ana. Chem. Acta, 702(2011)247-253.

アセトン分析チップ
Absorbance (a.u.)

45ppm acetone: 3hBefore exposure

3210200300

400
Wavelength (nm)

500

600

12080

Reaction rate (%)

多孔質ガラス(左)、分析チップ(右)(8 mm×8 mm×1 mm)

Reaction rate (%)

10060
4020504030
y = 12.9x + 4.48
R² = 0.956

20100012345

Exposure accumulation (ppm×h)

00

10

2030
4050
Exposure accumulation (ppm×h)

60K. Tachibana, et al., IEEE Nano 2016,196-198.

ガスと疾病の関係
ガス成分

臨床的意義・体調との関連

アセトン

糖尿病，肥満，ダイエット

アンモニア

肝疾患，ピロリ菌

一酸化炭素

慢性気管支炎，酸化ストレス，喫煙

水素

消化不良症候群，高齢者介護の消化管モニタ

メタン

消化不良症候群

イソプレン

コレステロール合成中間体

硫化水素

歯周炎，口腔内衛生管理

ノナナール

肺がん

ホルムアルデヒド

前立腺がん

一酸化窒素

気管支喘息

ご静聴ありがとうございました。