藻類毒素発生の早期警報スクリーニング用のグラフェン電気化学的センサの開発

开发用于藻类毒素爆发预警筛查的石墨烯电化学传感器

• 批准号: 15F15712
• 负责人: 古米 弘明
• 金额: $ 1.47万
• 依托单位: The University of Tokyo
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• 财政年份: 2015
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2015-10-09 至 2018-03-31
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-15F15712/
• 关键词: 環境質定量化; センシング技術; 藻類毒; 水道水源; Microcystin-LR; Electrochemical sensor; Environmental water; Detection

本研究では、富栄養化した湖沼における藍藻類由来の毒素であるミクロシスチン-LR（Microcystin-LR）を対象として、そのモニタリングや定量評価の手法について検討を行った。従来の液クロマトグラフによるMicrocystin-LR検出や定量分析法のような、時間がかかり、高価で、分析技能を要求する方法に代わって、新規なグラフェンフィルム（ＧＦ）複合電極バイオセンサを開発した。環境水試料中でのMicrocystin -LRに特異的なモノクローナル抗体のインキュベーション、そして、Microcystin -LRを固定化したGF電極センサの試料へ浸漬という2段階の検出反応を介して、GF電極センサの電気化学インピーダンス測定を介して濃度測定を行うものである。開発したセンサは、Microcystin-LRの広い濃度範囲、すなわち0.05~100μg/ Lにわたって濃度と電気化学インピーダンスの間に優れた線形相関関係（R2 = 0.99）が得られた。このセンサは、世界保健機関（WHO）のMicrocystin-LR暫定ガイドライン濃度（すなわち1μg/ L）よりもはるかに低い濃度レベルで十分な感度を有しており、Microcystin-LRを特異的に検出することができる。この感度の良さは、グラフェン膜の大きな活性表面積および高い伝導率によって達成でき、効率的な電荷移動プロセスに起因しているものと考えられる。また、特異性は、Microcystin -LRに特異的なモノクローナル抗体を試料水に十分量を添加してインキュベーションする手順を加えたことによる。センサに結合させたMicrocystinがインキュベーション試料に残存するモノクローナル抗体量に比例して共役的に結合することにより、センサの電気化学インピーダンスの変化として測定する方式である。したがって、環境水中の他の潜在的な干渉物質の影響を受けにくいセンサであり、現場での検出・測定にも応用する可能性を秘めている。

在本研究中，我们研究了微囊藻毒素-LR（一种源自富营养化湖泊蓝绿藻的毒素）的监测和定量评估方法。我们开发了一种新型石墨烯薄膜（GF）复合电极生物传感器，以取代传统液相色谱微囊藻毒素-LR检测和定量分析方法等耗时、昂贵且对分析技能要求较高的方法。通过两步检测反应来检测 GF 电极传感器的电化学：在环境水样中孵育微囊藻毒素 -LR 特异性单克隆抗体，并将固定有微囊藻毒素 -LR 浓度的 GF 电极传感器浸入样品中。测量通过阻抗测量来执行。所开发的传感器在微囊藻毒素-LR的较宽浓度范围（即0.05~100μg/L）内显示出浓度和电化学阻抗之间良好的线性相关性（R2 = 0.99）。该传感器在远低于世界卫生组织 (WHO) 微囊藻毒素-LR 临时指导浓度（即 1 μg/L）的浓度水平下具有足够的灵敏度，可以特异性检测微囊藻毒素-LR。这种高灵敏度可以通过石墨烯薄膜的大活性表面积和高电导率来实现，并且可能归因于有效的电荷转移过程。此外，通过添加足量的微囊藻毒素-LR特异性单克隆抗体至水样中并孵育的步骤来实现特异性。该方法通过与传感器结合的微囊藻毒素与孵育样品中剩余的单克隆抗体的量成比例地共轭结合来测量传感器的电化学阻抗的变化。因此，该传感器不易受到环境水中其他潜在干扰物质的影响，具有应用于现场检测和测量的潜力。

项目成果

Developing graphene-based biosensor as an early Microcystin-LR screening tool in water

开发基于石墨烯的生物传感器作为水中微囊藻毒素-LR 的早期筛选工具

• 发表时间: 2017
• 作者: Belinda J Goldie;Dan Ohtan Wang;Murray J Cairns;Wei Zhang and Hiroaki Furumai
• 通讯作者: Wei Zhang and Hiroaki Furumai

JSPS POSTDOCTORAL FELLOW : Dr. Zhang, Wei

JSPS博士后：张伟博士