経皮ガス計測デバイスを評価可能な清浄環境構築

2021-03-31

世界初、60pptレベルの標準ガス生成により革新的な生体計測を推進

世界初、60pptレベルの標準ガス生成により革新的な生体計測を推進

2021-03-31 新エネルギー・産業技術総合開発機構,東京医科歯科大学,技術研究組合NMEMS技術研究機構

NEDOは経皮ガスに含まれる極微量の揮発性成分（血液由来）を超高感度に計測する「ガス計測デバイス」の開発に取り組んでおり、このたび東京医科歯科大学とNMEMS技術研究機構は「極低濃度ガス発生装置」と「クリーンブース」を組み合わせることで経皮ガス計測デバイスを評価できる清浄環境を同大学に構築しました。

清浄環境を作るために開発した「経皮ガス計測デバイス評価用清浄環境および極低濃度ガス発生装置」は、極めて清浄な気相環境を構築し、経皮ガス計測用デバイスを評価できる蒸気圧制御の高精度な標準ガス［アセトンガス：60ppt（体積比率）、精度±5％）］を世界で初めて生成するもので、高感度ガス計測デバイスの評価（感度、応答性、選択性など）や皮膚からの極微量な経皮ガスを計測できます。これにより、体を傷つけずに代謝・疾病に関わる体内の揮発性化学成分を計測できます。

今後、本事業では近未来の健康長寿を支えるバイオIoT社会の実現に向け、薄膜ナノ増強蛍光と気相バイオセンシング技術を融合した「超高感度ガス計測デバイス」を開発し、通信機能を有する「小型ウエアラブル計測端末」の開発を目指します。

図1　開発した経皮ガス計測デバイス評価用の清浄環境（左）および極低濃度ガス発生装置（右）

図2　経皮ガス計測デバイス評価用清浄環境および極低濃度ガス発生装置の概略図

1．概要

国立研究開発法人新エネルギー・産業技術総合開発機構（NEDO）は、2019年度よりサイバー空間（仮想空間）とフィジカル空間（現実空間）を高度に融合させる革新的なセンシング技術を導入することによって、人やあらゆる「もの」からの豊富なリアルデータで現状を精緻に見える化し、社会課題の早期解決と新たな価値創造を両立する未来社会Society5.0^※1の実現を目指して「IoT社会実現のための革新的センシング技術開発^※2」に取り組んでいます。

本プロジェクトでは、日本の強みである最先端の材料技術やナノテクノロジー、バイオテクノロジーを利用し、既存のIoT技術では実現困難な極微量の生体ガス成分の検出や過酷環境下での動作、非接触・非破壊での測定などを可能とする革新的センシングデバイスを世界に先駆けて開発しており、併せて、革新的センシングデバイスの信頼性向上に寄与する基盤技術を開発しています。

特に健康分野では、生体から放出されるガス（生体ガス）に含まれる揮発性成分の中に、代謝・疾病との関係が明らかな成分も多く、疾病検査に有効な揮発性バイオマーカー^※3になり得ると期待されています。中でも、皮膚ガスには血液由来のガス成分（経皮ガス成分）が極微量含まれており、その経皮ガス成分を高感度に計測することで、体を傷つけず（非侵襲）に血中成分濃度を評価できると考えられます。しかし、現状では、生体ガスに含まれる揮発性成分を超高感度に連続センシングできる装置は開発されていません。

そこでこのたび、NEDOと国立大学法人東京医科歯科大学、技術研究組合NMEMS技術研究機構は、同プロジェクトの研究開発テーマの一つとして「薄膜ナノ増強蛍光^※4による経皮ガス成分^※5の超高感度バイオ計測^※6端末の開発」に取り組み、「経皮ガス計測デバイス評価用の清浄環境および極低濃度ガス発生装置」を開発し、同大学に構築しました。本装置は、極めて清浄な気相環境を構築し、経皮ガス計測用デバイスを評価できる高精度な標準ガス［アセトンガス：60ppt^※7（体積比率）、精度±5％］を世界で初めて生成するもので、高感度ガス計測デバイスの評価（感度、応答性、選択性など）や、皮膚からの極微量な経皮ガスを計測できます。これにより代謝・疾病に関わる体内の揮発性成分を非侵襲に情報化することが可能になります。

2．今回の成果

本事業で東京医科歯科大学、NMEMS技術研究機構は、「高精度・極低濃度ガス発生装置」（株式会社ガステック製）と「クリーンブース」（ヤマト科学株式会社製）を組み合わせて新規に「経皮ガス計測デバイス評価用の清浄環境および極低濃度ガス発生装置」を開発しました。開発した装置での高精度・極低濃度ガスの生成では、温度調整精度±0.01℃以下、高精度のキャリアガス流量制御0.2～4L／min、5℃以下の低温での蒸気圧制御によりアセトンガス：60ppt（体積比率）、精度±5％の達成に成功しました。さらに高純度高圧ボンベガスのキャリアガスやガス成分の吸着を抑えた電解研磨の配管使用により、化学物質の混入や大気中の成分による汚染を大幅に低減する設計になっています。開発した清浄な気相環境を用いることで、被験者の経皮ガス中に含まれる微量な化学成分の計測を高精度で効率的に実施することができます。

3．今後の予定

本事業では代謝・疾病に関わる体内の揮発性成分を、体を傷つけず（非侵襲性）に情報化する近未来の健康長寿を支えるバイオIoT社会の実現に向けて、「気相バイオセンシング」、「薄膜ナノ増強蛍光」、「MEMS集積化」の各技術を融合した通信機能を持つ「超高感度ガス計測デバイス」を搭載した「小型ウエアラブル計測端末」を開発し、非侵襲での経皮ガス計測による実証実験により有効性を確認するとともに、次世代の健康IoT社会に不可欠なウエアラブル・バイオセンシングの具現化を進めます。

【注釈】

※1 Society5.0: 第5期科学技術基本計画（2016年1月22日閣議決定）において、日本が目指すべき未来社会の姿として提唱された概念で、狩猟社会（Society1.0）、農耕社会（Society2.0）、工業社会（Society3.0）、情報社会（Society4.0）に続くものとして、サイバー空間（仮想空間）とフィジカル空間（現実空間）を高度に融合させたシステムにより、社会課題の早期解決と新産業の創出を両立する新たな社会を指します。
※2 IoT社会実現のための革新的センシング技術開発: 研究開発項目：革新的センシング技術開発／薄膜ナノ増強蛍光による経皮ガス成分の超高感度バイオ計測端末の開発
事業期間：2019年度～最大2023年度
※3 揮発性バイオマーカー: 血液由来の揮発性のガス成分において、疾患の有無や生体の代謝状態を示す目安となる生理学的な指標のことです。
※4 薄膜ナノ増強蛍光: 本プロジェクトで開発を目指している、ナノオーダーの薄膜構造体により蛍光の励起と集光効率を改善し、蛍光信号を増幅する技術です。
※5 経皮ガス成分: 血液中の揮発性化学成分（volatile organic components, VOCs）の一部が、皮膚表面より放出される生体ガスです。この経皮ガスには疾病や代謝に基づく成分も含まれ、ウエアラブル装置にて非侵襲で連続的に、その極微量の経皮ガス成分を高感度に計測することで、血中成分濃度を非侵襲にモニタリングし、疾病や代謝の簡便な評価が可能と考えられます。
※6 超高感度バイオ計測: 本プロジェクトの計測技術である、酵素を認識素子とし、ガス成分に対する選択性に優れたバイオ蛍光式ガスセンサ（バイオスニファ）を用いた計測方法です。
※7 ppt: parts per trillionの頭文字をとったもので、1兆分のいくらであるかという割合を示す数値です。1／10¹²（1兆分の1）