@phdthesis{oai:sucra.repo.nii.ac.jp:00019596,
 author = {小杉, 恵太},
 month = {},
 note = {83p, 医療の高度化と共にこれまで治療が困難だった疾病などについて多くの新薬が開発されるようになってきている。新薬の種類の一つに、毒性が少ないことが特徴に挙げられる酵素阻害剤がある。新薬の開発において数多くの試行錯誤を繰り返すための費用と時間が問題になっており、初期段階の候補化合物を見つけるためのスクリーニング過程の効率化が重要となっている。本研究では近年多くの新薬が開発されている酵素阻害剤に着目し、酵素阻害剤のスクリーニングに応用可能な計測技術の研究を行った。酵素阻害を評価するために必要な酵素反応の検出機構として、現在多く利用されている蛍光測定法に代わり、電気化学測定法を検討した。
　効率的な測定方法の一つである電気化学測定法は、高速測定が可能や測定の手順が簡易などの特性が挙げられるが、測定数が増えると配線数が増えるため測定環境が制限されることにより同時測定が難しいという問題点があった。本研究室で開発されたセンサであるLight Addressable Amperometric Senor (LAAS) は、従来の電気化学測定方法に比べて、配線数が少なくハイスループットに測定できることが特徴である。しかし、このセンサ構造により、センサの表面積が小さくなり、感度が低下してしまう問題点があった。この問題を解決するために、本研究は測定システムやデバイス構造などの異なる観点のアプローチから高感度法に取り組み、高感度化手法を明らかにすることを目的とした。
　本研究では LAAS の挙動を解明して性能を改善するため、以下の５つの項目について研究を行った。

〇LAAS によるグルコースオキシダーゼを用いたグルコース濃度測定の研究(本論文 4 章)
本章は酸化還元酵素の一つであるグルコースオキシダーゼを用いて、種々のグルコース濃度に対する電流値を測定した。その結果、 40 mM ~ 1 µM のグルコースに対して電流値の濃度依存性があることが判明した。また、グルコースとグルコース以外の単糖類も測定した結果を比較すると、グルコースの電流値は他の単糖類と比べ約 8 倍から 10 倍の電流値を示した。これにより本章の測定システムはグルコースに対しての選択性を持つことも明らかにした。グルコースオキシダーゼを適用できたことより、他の酸化還元酵素に対しても応用が可能であることが期待される。

〇金属 /p 型半導体ショットキー接合を用いた LAAS の研究（本論文 5 章）
酸化還元物質が電子を与える系の酵素反応の測定に適した系として、金属/p 型半導体ショットキー接合を用いた LAAS の製作方法の検討及び性能の確認を行った。Cu/Si ショットキー接合、Al/Si ショットキー接合を用いた 2 種類の LAAS を測定した結果、 検出限界はAl/Si ショットキー接合を用いた LAAS は 6.2 µMと Cu/Si ショットキー接合を用いたデバイスは 74 µM を示した。 Al/Si ショットキー接合を用いた LAAS の方が高い検出限界を示す結果となった。これは Al の仕事関数が Cu に比べて低いため、より広い空乏層を形成し、変換効率が上昇した結果であると想定した。そのため仕事関数の低い金属電極を選定は高い検出限界を持つデバイスの製作につながることが期待される。

〇非水溶液系溶媒を用いた LAAS 測定の研究(本論文 6 章)
LAAS に限らずセンサを高感度化するためにはノイズを排除して信号を抽出することが重要であり、得られた測定値を構成する要素を適切に把握する必要がある。ここでは LAAS のノイズ成分と推察されるサンプル溶液の水の電気分解の影響を調べるために、非水溶液溶媒を用いて種々の酸化還元物質濃度に対する電流値を測定して検証を行った 。その結果、非水溶液溶媒のブランクのサンプル溶液測定時の電流値が存在することから LAAS のノイズ成分は水の電気分解の影響でないことが判明した。

〇裏面電界を用いた LAAS デバイスの研究(本論文 7 章)
他の電気化学センサの報告にある電流値の増大が検出限界向上につながるという考え方を基に、太陽光電池の分野で用いられる電流値を増大させる技術について本研究のデバイスへの適用を試みた。光励起電流値の向上に用いられる裏面電界を導入した LAAS デバイスの製作方法の検討及び性能の確認を行い、裏面電界を用いた LAAS デバイスが製作可能でありセンサとして 10 mM ~ 1 µM [Fe(CN)6］3-/[Fe(CN)6］4-に濃度特性を持つことより十分な機能を持つことを明らかにした。また、裏面電界適用 LAAS と裏面電界適用無 LAAS を比較すると、裏面電界適用 LAAS の検出限界が 17 µM を示した。これは裏面電界適用無 LAAS の 270 µM に比べて高い検出限界を示すことから、裏面電界は高感度化に有効な手法であることを示した。

〇対極と作用極を同素材とした LAAS 測定方法の研究(本論文 8 章)
第６章と同様にノイズ成分を特定して排除する試みとして、酸化還元物質濃度に依存する電極電位変動について検討した。 ネルンストの式によると酸化還元物質が存在する状態では、酸化還元物質が電極電位を決定しているため、本研究のような二電極系において電極電位差は無いとされてきた。しかし、電極電位が異なる状態において酸化還元物質が低濃度の時(10 nM ~ 100 pM)に電極電位を測定した結果、250 mV ~200 mV ほどの電位差があることが判明した。またこの電位差を打ち消すため、対極と作用極が異なる素材を用いる方法に対して同素材を用いる新しい方法を提案した。種々の酸化還元物質濃度の測定において、同素材の方法と異素材の方法を比較した結果、同素材の方法は低濃度時の電流値の上昇が抑制され、17 nM の検出限界を示した。これは異素材時の方法の 210 µM より高い検出限界である。これにより、対極と作用極をそろえる方法は高感度化に有効であることが判明した。

以上より、本研究では LAAS の動作原理を含めた高感度化への手法を明らかにした。その結果、LAAS の高感度化に有用な手法を統合 することで検出限界は 17 nM と推定され、本研究の目的は達成されたと考えられる。, 【要旨】..............................................................................................................2
第 1 章.　序論 .......................................................................................................7
　1.1　酵素阻害剤 ....................................................................................................7
　1.2　スクリーニング ................................................................................................8
　1.3　電気化学測定 ..................................................................................................9
　1.4　本研究の目的 .................................................................................................13
　1.5　本論文の構成 .................................................................................................14
第 2 章.　測定原理 ..................................................................................................16
　2.1　LAAS の測定原理 ..............................................................................................16
　2.2　酵素測定の原理 ...............................................................................................18
　2.3　測定システム .................................................................................................21
　　2.3.1　測定システムの構成 .......................................................................................21
　　2.3.2　データの処理方法 .........................................................................................21
　　2.3.3　実験式の定義 .............................................................................................23
　　2.3.3.1　反応モデル .............................................................................................23
　　2.3.3.2　実験式 .................................................................................................24
　　2.3.4　検出限界 .................................................................................................25
　2.4　I-V 測定 .....................................................................................................27
　2.5　光励起電流値測定 .............................................................................................28
第 3 章.　予備実験 ..................................................................................................29
　3.1　測定点の性能差について .......................................................................................29
　3.2　励起光強度について ...........................................................................................31
第 4 章.　LAAS によるグルコースオキシダーゼを用いたグルコース濃度測定の研究 .........................................33
　4.1　グルコースオキシダーゼについて ...............................................................................33
　4.2　実験方法 .....................................................................................................34
　　4.2.1　デバイス製作方法 .........................................................................................34
　　4.2.2　測定環境 .................................................................................................35
　4.3　結果 .........................................................................................................36
　　4.3.1　メディエータのみの濃度依存特性 ...........................................................................36
　　4.3.2　基質の濃度依存特性 .......................................................................................37
　　4.3.3　選択性について ...........................................................................................38
　4.4　考察 .........................................................................................................39
第 5 章.　金属/p 型半導体ショットキー接合を用いた LAAS の研究 .......................................................40
　5.1　酸化還元酵素の反応について ...................................................................................40
　5.2　実験方法 .....................................................................................................42
　　5.2.1　メディエータのみの濃度依存特性 ...........................................................................42
　　5.2.2　測定環境 .................................................................................................42
　5.3　結果 .........................................................................................................43
　　5.3.1　I-V 特性 .................................................................................................43
　　5.3.2　２種類のデバイスの濃度依存特性 ...........................................................................44
　　5.3.3　酸化型メディエータに対する濃度依存特性 ...................................................................45
　　5.3.4　二次元測定 ...............................................................................................46
　5.4　考察 .........................................................................................................47
第 6 章.　非水溶液系溶媒を用いた LAAS 測定の研究 ....................................................................49
　6.1　非水溶液溶媒について .........................................................................................49
　6.2　測定環境 .....................................................................................................50
　6.3　結果 .........................................................................................................51
　6.4　考察 .........................................................................................................52
第 7 章.　裏面電界を用いた LAAS デバイスの研究 ......................................................................53
　7.1　裏面電界について .............................................................................................53
　7.2　実験方法 .....................................................................................................55
　　7.2.1　デバイス製作方法 .........................................................................................55
　　7.2.2　測定環境 .................................................................................................56
　7.3　結果 .........................................................................................................57
　　7.3.1　I-V 特性 .................................................................................................57
　　7.3.2　光励起電流値 .............................................................................................57
　　7.3.3　二次元測定 ...............................................................................................58
　　7.3.4　濃度依存特性 .............................................................................................59
　7.4　考察 .........................................................................................................60
第 8 章.　対極と作用極を同素材とした LAAS 測定方法の研究 ............................................................63
　8.1　電極電位について .............................................................................................63
　8.2　測定方法 .....................................................................................................64
　　8.2.1　電位差測定 ...............................................................................................64
　　8.2.2　実験条件 .................................................................................................65
　8.3　結果 .........................................................................................................66
　　8.3.1　電位差測定 ...............................................................................................66
　　8.3.2　I-V 特性 .................................................................................................67
　　8.3.3　濃度依存特性 .............................................................................................68
　8.4　考察 .........................................................................................................70
第 9 章.　結論 ......................................................................................................72
【参考文献】.........................................................................................................74
【謝辞】.............................................................................................................82
【研究業績】.........................................................................................................83, 指導教員 : 内田秀和教授, text, application/pdf},
 school = {埼玉大学},
 title = {電流計測法を用いた二次元電気化学センサの研究},
 year = {2021},
 yomi = {コスギ, ケイタ}
}