様 式 C-19 F-19 Z-19( 共 通 ) 1. 研 究 開 始 当 初 の 背 景 光 を 効 率 よく 伝 搬 するものに 光 ファイバ がある 光 ファイバをセンサに 用 いる 研 究 は いくつか 知 られており ひずみセンサや 切 断 面 に 金 などを 蒸 着 したSPR 様 センサなど が 挙 げられるが 入 射 光 と 反 射 光 が 混 在 した 状 態 で 情 報 取 得 に 複 雑 な 信 号 処 理 が 必 要 に なる 一 方 我 々は 光 ファイバをある 曲 率 以 上 に 曲 げただけのセンサシステムを 提 唱 し 物 質 界 面 センサとして 応 用 してきた 本 課 題 では 提 唱 するセンサシステムの 基 本 性 能 を 明 らかにし 生 物 反 応 を 伴 う 場 で 光 センシン グに 応 用 するとともに スペクトル 計 測 への 挑 戦 を 行 うことで 本 センサシステムの 応 用 拡 大 を 目 指 す 食 品 の 赤 外 分 光 計 測 に 良 く 用 いられる 手 法 のひとつに 全 反 射 減 衰 (ATR) 法 があり 主 に 据 え 置 き 型 の 分 光 器 にてサンプルを 測 定 する 4はかなり 挑 戦 的 な 課 題 であるが こ れを 投 げ 込 み 型 にできればプロセス 計 測 を はじめ 様 々な 用 途 への 拡 大 が 期 待 できる 3. 研 究 の 方 法 (1) 実 験 試 料 実 験 試 料 として 単 純 な 食 品 モデルとして 糖 水 溶 液, 塩 水 溶 液,さらにこれらを 混 合 した 糖 - 塩 水 溶 液 を 用 いた. 糖 と 塩 にはスクロー スと 塩 化 ナトリウム( 共 に 和 光 純 薬 工 業 社 製 の 試 薬 特 級 )を 採 用 した. 試 料 調 製 値 の 詳 細 を 表 1および 表 2 に 示 す. 2. 研 究 の 目 的 光 を 用 いた 計 測 手 法 ( 光 センシング)は 迅 速 かつ 非 破 壊 的 に 生 体 関 連 物 質 の 多 成 分 同 時 計 測 ができる 半 面 特 定 の 物 質 に 対 する 測 定 精 度 はあまり 良 くない しかし 様 々な エネルギー( 波 長 )の 光 を 用 いて 得 られるス ペクトルには 原 理 的 にその 場 に 関 わる 全 て の 物 質 の 情 報 を 含 む( 光 指 紋 情 報 )ことから 分 離 分 析 を 主 とする 化 学 分 析 にはない 特 徴 が 生 まれる われわれは 曲 げた 光 ファイバ に 注 目 し,これを 光 センシングプローブとし て 用 いる 着 想 に 至 った しかし 曲 げた 光 フ ァイバの 先 端 から 漏 出 する 光 量 が 接 触 する 物 質 の 性 質 に 依 存 する 現 象 は 既 知 であるも のの そのプローブ(センサ)としての 性 能 や 可 能 性 は 未 知 である 本 研 究 では 以 下 の 研 究 課 題 を 設 定 した 1 曲 げた 光 ファイバ 部 の 形 状 再 現 性 の 問 題 を 解 決 する 基 本 性 能 試 験 2 光 の 減 衰 率 と 水 溶 液 の 溶 質 濃 度 との 関 係 を 明 らかにする 基 本 性 能 試 験 3バイオケミカルセンサとしての 性 能 確 保 とそのプロセス 計 測 ( 経 時 的 変 化 を 伴 う 反 応 系 )への 応 用 ( 可 能 性 のある 挑 戦 的 課 題 ) 4スペクトル 測 定 ( 逆 ATR 法 )への 挑 戦 表 1 スクロース 糖 水 溶 液 の 試 料 調 製 値 質 量 溶 液 モル 濃 度 百 分 率 密 度 Brix% factor [mol/l] [wt%] [g/cm 3 ].125 4.2 1.1 4.2.9689.25 8.3 1.3 8.3.9425.375 12.3 1.4 12.3.9159.5 16.1 1.6 16.1.891 また 反 応 を 伴 って 糖 濃 度 が 変 化 する 試 料 として アラビドプシス 細 胞 をスクロースで 13 日 間 培 養 し 経 時 的 にサンプリングするこ とで 複 雑 系 かつ 反 応 に 伴 って 糖 濃 度 が 変 化 する 試 料 とした 曲 げた 光 ファイバセンサに よる 光 量 減 衰 率 の 測 定 とともに 対 照 として 平 成 2~22 年 度 基 盤 研 究 C(256729)にて 開 発 した 赤 外 分 光 法 による 糖 濃 度 糖 消 費 速 度 計 測 を 行 った
様 式 C-19 F-19 Z-19( 共 通 ) 表 2 糖 - 塩 水 溶 液 試 料 名 Suc モル 濃 度 [mol/l] NaCl モル 濃 度 [mol/l] Suc 質 量 百 分 率 [wt%] NaCl 質 量 百 分 率 [wt%] 溶 液 密 度 電 気 伝 導 度 [s/m] [g/cm 3 ] Suc+NaCl..5. 2.9 1. 3.6 4.39.9861. 1.. 5.6 1.2 6.7 7.7.9774. 2.. 1.9 1.4 12.7 13.17.9562. 4.. 2.4 1.7 23.1 19.51.9134.125.5 4.1 2.9 1.15 7.7 3.98.964.125 1. 4.1 5.6 1.1 1.7 7.1.9512.125 2. 3.9 1.7 1.3 16.4 11.96.9312.125 4. 3.7 2.1 1.5 26.5 17.9.8865.25.5 8.2 2.8 1.9 11.5 3.75.9327.25 1. 8. 5.5 1.16 14.5 6.74.9238.25 2. 7.7 1.6 1.3 2. 11.34.938.25 4. 7.3 19.8 1.5 29.8 16.44.859.375.5 12.1 2.8 1.7 15.4 3.43.965.375 1. 11.8 5.4 1.11 18.3 6.1.8968.375 2. 11.5 1.4 1.18 23.6 1.2.8759.375 4. 1.8 19.6 1.4 33. 14.8.8314.5.5 4.1 2.9 1.6 19.2 3.13.886.5 1. 4.1 5.6 1.8 21.9 5.52.878.5 2. 3.9 1.7 1.12 27. 9.29.8492.5 4. 3.7 2.1 1.19 36.1 13.32.857 Water 1.6..6 1 ³ Brix% factor (2) 実 験 装 置 本 研 究 にて 設 計 構 築 した 実 験 装 置 の 外 観 と 概 略 図 を 図 1に 示 す. 光 源 ( 浜 松 ホトニク ス 社 製 L1671)と 分 光 器 ( 浜 松 ホトニクス 社 製 C183CAH, C11118GA)を 石 英 製 光 ファ イバを 介 して 曲 げたプラスチック 製 光 ファ イバ( 三 菱 レイヨン 社 製 SK6, CK12)に 接 続 した 4. 研 究 成 果 (1) 基 本 性 能 試 験 1 装 置 安 定 性 光 源 分 光 器 の 電 源 投 入 後 の 出 力 安 定 性 を 調 べるため 経 時 的 にスペクトルを 測 定 した ( 図 2a) いくつかのピーク 値 について 時 間 変 化 をプロットした 結 果 電 源 投 入 後 約 3 時 間 程 度 で 出 力 や 温 度 (c)が 安 定 すること がわかった ( 図 2b, c) 1 2 3 4 6 8 7 9 1 (c) 5 1 暗 室 システム 2プラスチック 製 光 ファイバー 3アルミ 帯 4 試 料 5 試 料 台 6 光 源 接 続 用 石 英 光 ファイバー 7 分 光 器 接 続 用 石 英 光 ファイバー 8 光 源 9 分 光 器 1PC 図 1 実 験 装 置 外 観 と 概 略 図 図 2 光 源 分 光 器 の 電 源 投 入 時 からの 出 力 特 性 変 化
2ファイバ 先 端 形 状 安 定 性 ファイバの 曲 げ 幅 を 2-3 mm の 範 囲 で 変 え 空 気 に 対 する 水 の 光 量 減 衰 率 を 調 べた ファ イバ 先 端 に 異 なる 物 質 が 接 触 すると,ファイ バを 透 過 する 光 量 が 変 化 することが 確 認 で きた( 図 3a, b).また 曲 げ 幅 と 減 衰 率 (77 nm)の 関 係 を 図 3c に 示 した 曲 げ 幅 2 mm ではほとんど 減 衰 せず 8 mm 以 下 から 急 激 に 減 衰 率 が 大 きくなった 本 研 究 では 光 の 減 衰 が 大 きい 5 mm 幅 を 最 適 値 と 決 定 した A/D count, I [ - ] 6 3mm_air 4mm_air 5mm_air 5 6mm_air 7mm_air 8mm_air 1mm_air 4 2mm_air 3mm_water 4mm_water 3 5mm_water 6mm_water 7mm_water 8mm_water 2 1mm_water 2mm_water 1 Attenuation ratio (I a )/I a [-].4 Bending width 3mm 7mm.3 4mm 8mm 5mm 1mm 6mm 2mm.2 77.1. (2) 糖 塩 水 溶 液 系 の 計 測 糖 水 溶 液, 塩 水 溶 液,およびそれらを 混 合 させ た 糖 - 塩 水 溶 液 を 用 いて, 質 量 百 分 率 濃 度, Brix% および 密 度 に 対 する 光 の 減 衰 率 変 化 の 関 係 を 調 べた 糖 水 溶 液 において 水 溶 液 中 の 溶 質 (スクロー ス) 量 の 増 加 に 伴 って 光 の 減 衰 率 は 増 加 した( 図 5) また 塩 水 溶 液 においても 同 様 であった(デ ータ 示 さず) 曲 げた 光 ファイバを 用 いて 光 の 減 衰 量 を 測 定 することで 溶 質 量 に 応 じた 光 の 減 衰 が 確 認 できたことから 溶 液 中 の 物 質 濃 度 の 測 定 の 可 能 性 が 示 された 4 5 6 7 8 9 1 Wavelength, λ [ nm ] -.1 4 5 6 7 8 9 1 Wavelength, λ [ nm ] A/Dカウント 値 [-] 7 6 5 4 3 2 1 図 3 曲 げ 幅 を 変 えた 時 の 空 気 基 準 の 水 の 減 衰 率 変 化 3ファイバ 断 面 ( 接 合 部 )の 加 工 法 本 研 究 課 題 で 提 案 するセンサシステムは 構 造 が 非 常 に 単 純 であり 光 ファイバを 手 軽 にセンサ 部 が 加 工 成 形 できる しかしそれは 加 工 成 形 したときの 性 状 が 不 安 定 になる 可 能 性 をもっている 実 際 に ファイバ 両 端 を 研 磨 したにも 関 わらず 複 数 本 切 り 出 した 際 にかなりのバラツキが 観 察 された( 図 4a) そこで スペクトル 強 度 を 観 察 しながら 両 端 を 研 磨 する 工 程 (ノウハウとして 公 開 せず) を 決 定 した 結 果 バラツキを 抑 えた 加 工 がで きた( 図 4b) さらに3D プリンタで 曲 げた ファイバを 固 定 する 部 品 を 作 成 することで 安 定 したセンサ 部 を 構 築 することに 成 功 し た Attenuation ratio (I a )/I a [-].15.1.5 4 5 6 7 8 9 1 波 長 [nm]. 2 4 6 8 1 12 14 16 18 2 Width [mm] 図 4 加 工 法 決 定 前 後 のセンサバラツキ (c) ファイバ 番 号 - 測 定 回 数 1-1 1-2 7 1-3 2-1 2-2 2-3 6 3-1 3-2 3-3 4-1 5 4-2 4-3 5-1 5-2 4 5-3 6-1 6-2 3 6-3 7-1 7-2 7-3 2 8-1 8-2 8-3 9-1 1 9-2 9-3 1-1 1-2 1-3 4 5 6 7 8 9 1 11-1 11-2 A/Dカウント 値 [-] 波 長 [nm] ファイバ 番 号 - 測 定 回 数 1-1 1-2 1-3 2-1 2-2 2-3 3-1 3-2 3-3 4-1 4-2 4-3 5-1 5-2 5-3 6-1 6-2 6-3 7-1 7-2 7-3 8-1 8-2 8-3 9-1 9-2 9-3 1-1 1-2 1-3 11-1 11-2 11-3 図 5 糖 水 溶 液 における 計 測 結 果 つぎに 糖 - 塩 水 溶 液 についての 測 定 結 果 を 図 6に 示 す 糖 に 着 目 した 場 合, 溶 質 量 ( 質 量 百 分 率 濃 度 )に 対 する 曲 げた 光 ファイバの 光 の 減 衰 率 は 総 じて 指 数 関 数 的 な 変 化 をしているものと 思 われる そこで 減 衰 率 の 対 数 値 を 計 算 し 糖 ま たは 塩 の 質 量 百 分 率 濃 度 に 対 する 関 係 をプロッ トした( 図 7) 減 衰 率 の 対 数 値 は, 溶 質 濃 度 と 直 線 関 係 となった すなわち ランバートベール の 法 則 に 則 った 現 象 が 観 察 された したがって 曲 げた 光 ファイバによって 得 られる 光 の 減 衰 率 は 分 光 計 測 における 光 の 透 過 率 に 相 当 すること また 本 法 は 光 計 測 手 法 の 原 理 原 則 に 則 ったデー タが 得 られる 計 測 手 法 であるといえる Attenuation ratio (I a )/I a [-].5.4.3.2.1 NaCl.M+Suc NaCl.5M+Suc NaCl 1.M+Suc NaCl 2.M+Suc NaCl 4.M+Suc. 4 8 12 16 2 24 Percent concentration of mass (sucrose) [wt%] 図 6 糖 塩 水 溶 液 における 溶 質 組 成 と 減 衰 率 の 関 係
1 れも 誤 差 を 生 じる 原 因 であると 考 えられた log [(I a )/I a ] 1-1 1-2 NaCl.M+Suc NaCl.5M+Suc NaCl 1.M+Suc NaCl 2.M+Suc NaCl 4.M+Suc y=.676exp.477x R 2 =.9939 y=.82exp.477x R 2 =.9897 y=.971exp.477x R 2 =.991 y=.1141exp.477x R 2 =.9887 y=.1498exp.477x R 2 =.977 4 8 12 16 2 24 Percent concentration of mass (sucrose) [wt%] 図 7 糖 塩 水 溶 液 における 溶 質 組 成 と 減 衰 率 対 数 値 の 関 係 (3) バイオケミカルセンサへの 展 開 1 複 雑 系 かつ 希 薄 糖 - 塩 水 溶 液 系 の 計 測 これまでの 研 究 成 果 から 本 課 題 で 提 案 した 曲 げた 光 ファイバを 用 いる 計 測 手 法 は 分 光 吸 収 ス ペクトル 測 定 において 最 も 重 要 なランバートベ ールの 法 則 に 準 じた 光 の 減 衰 率 データが 得 られ ることがわかった しかし この 結 果 は 糖 の 質 量 百 分 率 濃 度 ~24wt%( 全 質 量 34wt%)と 非 常 に 濃 い 濃 度 範 囲 での 基 礎 検 討 結 果 であり また 糖 塩 水 溶 液 は 単 純 な3 成 分 系 であるので 現 実 的 ではない そこで 生 体 モデルとして あるい は 実 際 の 食 品 や 発 酵 化 学 反 応 の 場 を 想 定 し 様 々な 物 質 の 混 合 物 であり 濃 度 ~3 g dm -3 ( ~.3wt% 程 度 )の 糖 を 含 んだムラシゲ-スクーグ (MS) 培 地 を 用 いて センサ 応 答 を 調 べた( 図 8) ただし 減 衰 率 計 算 の 対 照 は 水 としている Sucrose concentration [g/dm 3 ] 図 8 糖 塩 水 溶 液 における 溶 質 組 成 と 減 衰 率 対 数 値 の 関 係 この 濃 度 範 囲 では 直 線 関 係 は 得 られなかった 特 に 1 g/dm 3 (.1wt%) 以 下 の 濃 度 範 囲 ( 白 抜 シンボル)でバラツキが 顕 著 であり この 濃 度 範 囲 での 計 測 は 難 しいと 思 われる これは 水 を 基 準 とした 場 合 希 薄 糖 - 塩 水 溶 液 では 曲 げた 光 ファ イバを 通 過 する 光 の 減 衰 率 が 極 めて 小 さいため であると 思 われる また 構 築 したセンサシステ ムは 対 照 とサンプルを 別 々に 測 定 しており そ A/D count, I [ - ] 2フォトダイオードと LED を 用 いたセンサ 回 路 構 築 対 象 である 水 とサンプルを 同 時 に 測 定 し かつ わずかな 光 の 減 衰 率 ( 光 量 差 )を 増 幅 する 工 夫 を おこなった 具 体 的 には フォトダイオード(PD) と LED を 用 いて 水 -サンプル 間 の 差 動 増 幅 回 路 を 作 成 した( 図 9) MS 培 地 を 用 いたアラビド プシス 細 胞 培 養 系 の 経 時 的 な 糖 濃 度 変 化 の 計 測 に 適 用 し 赤 外 分 光 法 を 援 用 した 糖 濃 度 測 定 値 と 比 較 した その 結 果 極 めて 濃 度 が 薄 い 領 域 では 塩 やその 他 の 成 分 による 影 響 はみられるものの 全 体 的 には 赤 外 分 光 法 による 糖 濃 度 計 測 値 と 光 ファイバセンサの 光 減 衰 値 による 糖 濃 度 の 計 算 結 果 はよく 一 致 した( 図 1) 6 5 4 3 2 1. 4 5 6 7 8 9 1 Wavelength, λ [ nm ] 図 9 センサ 構 築 に 用 いた PD と LED の 特 性 とセンサ 概 略 図 増 幅 回 路 あり 光 ファイバ 計 測 による 測 定 値 [g/l] 5 45 4 35 3 25 2 15 1 5 LED Photodiode 赤 外 分 光 法 による 測 定 値 [g/l] 図 1 赤 外 分 光 法 を 援 用 した 糖 濃 度 計 測 値 と 光 ファイバセン サによる 全 糖 濃 度 の 対 角 線 プロット 培 養 中 経 時 的 に 取 得 した 全 糖 濃 度 を 用 いて ロジスティック 曲 線 によるカーブフィッティン グを 行 った( 図 11) また 反 応 速 度 式 から 算 出 される 糖 消 費 速 度 を 赤 外 分 光 法 による 計 算 値 と 比 較 した( 図 12) 複 雑 系 かつ 低 濃 度 の 溶 質 計 測 が 可 能 となり バイオケミカルセンサとしての 適 応 可 能 性 が 示 された.5.4.3.2.1 Responsivity [A/W] -5-5 5 1 15 2 25 3 35 4 45 5
全 糖 濃 度 [g/l] 培 養 期 間 [d] 図 11 全 糖 濃 度 変 化 に 対 するカーブフィッティング 結 果 ( 光 ファイバセンサと 回 路 を 用 いた 計 測 ) 全 糖 消 費 速 度 [(g/l)/d] 4 35 3 25 2 15 1 5-5 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1 11 12 13 14 15 1 8 6 4 2 赤 外 分 光 法 回 路 付 きファイバーセンサ 5 1 15 2 25 3 培 養 期 間 [d] 図 12 糖 消 費 速 度 の 計 算 結 果 ( 赤 外 分 光 法 との 比 較 ) (4) 分 光 センサ 化 への 挑 戦 図 13 に 試 作 した 分 光 センサプローブ 外 観 とスペクトル 計 測 結 果 を 示 す 非 常 に 濃 い 色 素 溶 液 を 用 いているが 曲 げた 光 ファイバ は 投 げ 込 み 型 逆 ATRプローブとしての 用 途 開 発 が 可 能 ではないかと 思 われる ファイ バ 曲 部 に 固 定 化 した 色 素 や 抗 体 などの 光 量 変 化 検 出 には 4.3(2)で 示 したような 工 夫 が 必 要 だと 思 われた しかし 連 続 したファイ バを 光 が 通 過 している 構 造 を 有 する 本 手 法 は その 工 夫 が 比 較 的 簡 単 に 行 えるであろう 以 上 のことから 基 本 性 能 とその 実 用 化 指 針 (バイオケミカルセンサへの 展 開 と 分 光 センサ 化 )を 通 して 提 案 する 光 ファイバセ ンサの 本 センサシステムの 応 用 拡 大 に 関 す る 重 要 な 知 見 を 得 ることができたことから 挑 戦 的 萌 芽 としての 本 研 究 の 当 初 の 目 的 は ほぼ 達 成 できたと 思 われる 5. 主 な 発 表 論 文 等 ( 研 究 代 表 者 研 究 分 担 者 及 び 連 携 研 究 者 に は 下 線 ) 学 会 発 表 ( 計 1 件 ) 末 原 憲 一 郎 中 村 友 香 亀 岡 孝 治 橋 本 篤, 曲 げた 光 ファイバを 用 いた 糖 - 塩 水 溶 液 系 の 計 測, 日 本 食 品 工 学 会 第 16 回 大 会 会 (215 年 8 月 1-11 日 広 島 市 立 大 学 広 島 市 ) 6. 研 究 組 織 (1) 研 究 代 表 者 末 原 憲 一 郎 (SUEHARA, Ken-ichiro) 三 重 大 学 大 学 院 生 物 資 源 学 研 究 科 准 教 授 研 究 者 番 号 :7291614 (2) 研 究 分 担 者 橋 本 篤 (HASHIMOTO, Atsushi) 三 重 大 学 大 学 院 生 物 資 源 学 研 究 科 教 授 研 究 者 番 号 :4242937 Attenuation ratio (I w )/I w [-].25.2.15.1.5 ローダミンB メチレンブルー 以 上. 4 5 6 7 8 9 Wavelength [nm] 図 13 試 作 した 分 光 センサプローブとそれを 用 いて 取 得 された 色 素 の 分 光 スペクトル