Chemical Sensors
Vol. 28, No.4 (2012)

巻頭言

化学センサは安全で、高信頼性、快適な社会の創出に向けて役割がますます重要になっていることは言うまでもありません。化学センサにはバイオからガスなど、非常に広い範囲のセンサが含まれ、広範囲な分野で、あまり意識されずに使用されるようになっており、社会を支える存在になっていると思います。私はガスセンサ、とくに環境計測用のガスセンサを、研究させて頂いておりますので、エネルギーにからんで、今後の環境用ガスセンサについて、最近、思うことを書かせていただこうと思います。

現在の日本は、先進国としては驚くほど、エネルギーに疎く、エネルギーに関しては将来展望のない国になっていると思います。これは、大学に身を置いて、エネルギーのかかわる技術を開発するものとしても嘆かわしいことです。今でも省エネ先進国という過去の過信があり、ドイツなどに比べるとはるかにエネルギーを有効に使う技術や社会システムの創出が遅れている現状に気付いていないように思われます。とくに、東日本大震災に伴う福島原子力発電所の事故以来、エネルギーのロードマップが大きく変わっており、今後の日本のエネルギー有効利用のシナリオをどうするかについては種々の意見があるので、混沌としています。ところで、石油はあと30年と言われてずいぶん経ちますが、依然としてあと30年くらいと言われています。しかし、この間に確実に、石油の価格は上昇しており、石油資源の枯渇が進んでいる状況を思わせます。エネルギーにかかわる最近の大きな話題は米国を中心にシェールガス、シェールオイルが注目され、とくに米国の経済が、資源で潤ってきていることです。当たり前ですが、経済にとって資源があるということは、いかに大きな強みであるかということを思わされます。シェールガスやシェールオイルはその存在が最近までわかっていなかったような報道ですが、実はずいぶん前からその存在はわかっており、使われなかったのは、採掘する技術が環境への負荷が大きいことと、コストがかかるので、経済的に採算が取れなかったこと、アミンなどの窒素酸化物の含有量が通常の石油以上に高いためであったと思います。最近の石油価格の高騰のために、経済的に見合うようになったので採掘ができるようになったのですが、今後、その利用が広まるものと思います。しかし、これらの燃料では、窒素化合物の含有量が多いことから、その除去が課題となるでしょう。最近の報道ではこのような課題があることはほとんど報道されていませんが、窒素化合物を多く含んだ燃料が使われるようになると、窒素酸化物が発生しますし、再度、窒素酸化物を検知する新しい技術も必要性になります。難しいですが、排ガス中のNOxやNH₃検知の重要性が高まってくるので、新しい局面に応じた化学センサが必要になると思います。

また、原子力を代替できるような大きなエネルギー源を至急開発する必要にも迫られており、これは使い古された言葉ですが、「省エネルギー技術」という、エネルギー有効利用技術を再度、見直し、従来できなかった新しい技術を作り出す必要もあると思っています。これに伴い新しい化学センサも必要になってくるでしょう。社会のシステムが変わるときに、大きな技術の転換も行われますので、ある意味、化学センサもこのような動向に対応することで、そこに大きなチャンスもあるように思います。日本は今、いろんな意味で「元気」がありませんが、資源がなく、人が資源であるといって発展してきた国なので、再度、原点に立ち返り、人と技術を育てるという姿勢に戻る必要があると感じています。

化学センサの巻頭言を書かせていただける機会に恵まれ、センサにかかわって25年以上経ちますが、機会を頂けましたことを、大変、うれしく思うとともに、時の経つ早さを感じながら、日頃思うことを書かせていただきました。化学センサは広い分野の人と技術が融合した成功例と考えています。今後、必要とされるセンサは難しい課題を克服しないといけないセンサが多くなると思いますが、本研究会の皆さんが議論と分野融合を進めながら、センサが進化し、ますます広く使われるものと思っています。

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トピックス

For improvement of sensitivity and selectivity of a printable electrochemical biosensor, we have investigated availability of Wavelet transformation. Wavelet transformation (WT) was applied as a noise elimination method of amperometric glucose and algal biosensors. The drift of the baseline current was clearly removed by using the wavelet transformation. The S/N ratios, calculated by the power spectrum density, were about 8-times and 3-times larger than that calculated by the current responses, respectively. The availability of WT for eliminating the influence on interfering substances was also investigated by using simulated waves that assumed typical current responses of the amperometric biosensor. It was found that each component of two different waves was handled independently when the time constant of one wave was 3-times larger than that of the other wave. This technique will contribute to the fabrication of high sensitivity and high selectivity biosensors

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Microchip technologies are expected to perform high-throughput analysis for the function of single-cells. In previous our study, we already developed a single-cell microarray chip for high-throughput screening and analysis of antigen-specific single B-cells. Using the technology of cell microarray chip, we have developed a new system for the high-sensitive and rapid diagnosis of malaria. The microarray chip is made from polystyrene with over 20,000 microchambers, which can accommodate 130 erythrocytes. As the result, over 2,700,000 erythrocytes were dispersed on a microarray. We could detect malaria as low as 0.0001% with spreading of human erythrocytes on the microarray within 15 min. Furthermore using the same cell microarray chip, we could detect rare carcinoma cells (0.01-0.0001%) spiked into human whole blood. And also, verification of carcinoma cells in the microchambers was performed by double staining with the above monoclonal antibodies. The potential of the cell microarray chip for the detection of CTCs was shown, thus demonstrating accurate detection by double staining for cytokeratin and EpCAM at the single cell level.

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In this article, we introduce our recent research on proteins-immobilized carbon-felt (CF)-based flow-type electrochemical biosensors. The CF, which is a microelectrode ensemble of micro carbon fibers (ca. 7 μm in diameter) with a random three dimensional structure, has high surface area and shows high conductivity and high electrolytic efficiency. Various enzymes and proteins (e.g., tyrosinase, peroxidase, glucose oxidase, uricase, hemoglobin and myoglobin) were immobilized onto the CF surface by chemical modification and physical adsorption. The biomolecules-modified CFs was useful as bioelectrocatalytic flow-detector and column-type flow-reactor for the development of electrochemical flow-biosensors for the determination of not only their substrates but also inhibitors. We expect that the surface modification strategies and signal conversion principles of the biomolecule-modified CFs may be applicable to novel nano-materials and energy-conversion devices.

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