情報通信技術と融合した新しいデジタルヘルスが新規市場として注目されている。2020 年からのパンデミックによるコロナ禍は,従来の対面診断による医療システムを見直すための機会となり,まだ十分には普及していないものの医療オンライン診断が始まったことは画期的と思われる。デジタルヘルス技術は,科学的データを根拠とした医療オンライン診断に大きく貢献できる。さらに,個々人の健康状態を医療機関が遠隔情報管理できる自立分散型健康管理を促進し,with/post コロナ社会における医療現場の負担の低減に貢献できることはもとより,今後の世界的な超高齢化社会への到来による医療と介護の社会的負担が加速するなかでのソリューションの一つとしても注目される。今まさに,世界レベルでデジタルヘルスへの期待は極めて大きい。
血圧や心電図などの光センサや生体信号を計測するバイタルセンサは,スマートウォッチなどのウェアラブルデバイスとの相性も良く,今後,加速度的にデジタルヘルスによる自立分散型健康管理を促進するであろう。一方,化学センサをベースとしたデジタルヘルスはまだ発展の途上にあるものの,世界的に熱望される技術である。ごく近い将来には一気に市場が急拡大することが予想される。酵素バイオセンサ・酵素バイオ電池によるデバイスは,従来のバイタルウェアラブルセンサと融合して,従来の医療診断・健康管理のゲームチェンジャーとなる可能性が大きい。
最後に,本分野の第一線でご活躍されている超ご多忙な諸先生には原稿依頼を快くお引き受け頂きました。心から感謝申し上げます。本書を通じて,産学官の研究開発者の多くの方々にご参画頂き,本領域の飛躍的な発展を心から期待するとともに,本書がその発展に少しでも貢献できることを念じています。
(「はじめに」より抜粋)
目次
【第Ⅰ編 デジタルヘルスにおけるウェアラブルデバイスの将来展望】
第1章 ウェアラブルネットワークの近未来
1 ウェアラブル機器の進展
2 ウェアラブルの分類
3 環境ウェアラブルの時代へ
4 環境ウェアラブルの近未来
第2章 ウェアラブルデバイスの将来展望とバイオデバイスが果たす役割
1 ウェアラブルデバイスの現状
2 ウェアラブルデバイス向け電源技術と酵素バイオ発電の位置づけ
3 ウェアラブルデバイスの展望 デジタルヘルスからデジタル生物へ
4 バイオデバイスが果たす役割
【第Ⅱ編 酵素と電極反応の基礎】
第1章 タンパク質・酵素の電極反応のこれまで(その歴史)
1 はじめに
2 水銀電極上での接触タンパク波の計測から固体電極を用いた電気化学へ
3 タンパク質の電気化学:間接法と直接法
4 機能電極を用いた金属タンパク質の直接電気化学
4.1 金属タンパク質シトクロムcの電極反応のための機能電極
4.2 機能電極表面の解明の進展
4.3 チオール系分子を用いた表面改質法の発展
5 生物電気化学の発展
5.1 フェレドキシンのための機能電極の開発と生体分子の機能解明
5.2 ミオグロビンの生物電気化学
6 酵素類の電気化学
7 タンパク質の電気化学反応の応用展開:応用生物電気化学領域の拡がり
7.1 バイオセンサ
7.2 生物燃料電池の開発
8 むすびに
第2章 酵素機能電極反応の基礎概念と実際
1 酸化還元酵素と酵素機能電極
2 MET型酵素機能電極反応におけるメディエータの選択
3 MET型酵素機能電極反応の定常触媒電流解析
4 DET型酵素機能電極反応の解析法
5 DET型酵素機能電極反応の実現
第3章 電極用触媒としての好熱菌酵素改変技術
1 はじめに
2 遺伝子工学的手法による好熱性酵素の高効率電極用触媒への改変
3 電極表面への配向固定するための遺伝子工学的手法によるペプチドタグ付加酵素の構築
4 おわりに
【第Ⅲ編 電極材と電極界面の開発技術】
第1章 酵素固定化技術
1 はじめに
2 酵素固定化法の種類
2.1 吸着,イオン結合を利用した固定化
2.2 共有結合による酵素固定化
2.3 親和性分子を利用した固定化
2.4 包括やマイクロカプセル化による固定化
3 酵素固定化において注意すべきポイント
4 固定化方法の例
4.1 ポリエレクトロライト複合体を用いた膜形成方法と酵素固定化
4.2 化学的に安定な材料を用いた酵素固定化
4.3 アプタマー固定化技術とバイオセンサ
5 おわりに
第2章 金ナノ粒子修飾電極
1 はじめに
2 金ナノ粒子修飾電極作製法
3 金ナノ粒子修飾電極の電極表面積
4 金ナノ粒子修飾電極上への酵素固定
4.1 表面増強共鳴ラマン分光法による銀ナノ粒子修飾電極上の酵素の観察
4.2 金ナノ粒子修飾酵素電極の電気化学
5 おわりに
第3章 ナノ界面形状制御型電極
1 はじめに
2 多孔質炭素
3 カーボンブラック
4 カーボンナノチューブ
5 多孔質金
5.1 BODのDET反応の足場として
5.2 微小金多孔質電極を用いたバイオセンシング
6 多孔質透明電極
6.1 多孔質ITO電極表面に吸着させたシトクロムによる過酸化水素の触媒的な還元
6.2 多孔質ITO電極表面に吸着させたフェレドキシン-NADP+リダクターゼ
7 おわりに
第4章 電極界面における酵素と電場
1 電解質溶液中での静電相互作用
2 電極の形状と電気二重層
3 固定化酵素の活性と電場
4 固定化酵素の配向と電場
5 おわりに
第5章 高分子型メディエータ固定化電極
1 はじめに
2 高分子型メディエータ
3 高分子型メディエータ固定化電極
3.1 レドックスハイドロゲル電極における高分子型メディエータの分子構造制御
3.2 高分子型メディエータグラフト電極
3.3 薄膜レドックスハイドロゲル電極
4 まとめ
第6章 グラフェン系材料の電極への適用
1 グラフェンおよびグラフェン類似物質について
2 欠陥を有するグラフェンの製法と特性
3 生体分子のグラフェン上への固定
4 金属および金属酸化物粒子の担持
5 3次元構造体
6 まとめと今後の展開
第7章 カーボンナノチューブ(CNT)酵素電極の作製と応用
1 はじめに
2 CNTによる電極の作製と機能化
2.1 電極基板(集電体)へのCNT修飾
2.2 自立したCNT集合体の作製と利用
2.3 CNTの機能化
3 CNTの特徴を活かす酵素電極の作製
3.1 CNTフィルム内への酵素高密度配向複合化
3.2 CNTストレッチャブル電極
4 おわりに
第8章 セルロースナノファイバー基板電極
1 はじめに
2 導電性CNFの作製
2.1 キャスト法によるKB導電剤CNFシート
2.2 キャスト法によるMWCNT導電剤CNFシート
2.3 スプレー法によるMWCNT導電剤ACC-CNFシート
2.4 塗布法による積層型MWCNT導電剤ACC-CNFシート
3 おわりに
第9章 カーボン系薄膜電極材料
1 ナノカーボン薄膜とその応用
2 金属ナノ粒子埋め込みカーボン薄膜電極
3 酵素/ナノカーボン修飾電極
4 まとめ
【第Ⅳ編 酵素バイオセンサの研究開発ならびに関連技術】
第1章 電気化学バイオセンサの基礎
1 酵素分析法
2 化学センサ・バイオセンサ・酵素センサ
3 バイオセンサと電気化学
4 第一,二,三世代バイオセンサ
5 繰り返し使用するセンサと使い捨てセンサ
6 微生物センサ
7 酵素標識免疫センサ
8 酵素反応の高感度測定
8.1 サイクリックな反応の利用
8.2 電極表面への生成物の蓄積
9 まとめ
第2章 血糖自己測定用グルコースセンサ
～商品化を実現した技術開発～
1 糖尿病と血糖自己測定
2 SMBGシステムの概要,使用方法
3 技術開発
3.1 センサ構造
3.2 電極形成
3.3 反応試薬
4 性能評価
5 最後に
第3章 生体ガスの可視化バイオセンサ
1 はじめに
2 アセトンガスの可視化計測システム
2.1 アセトンガスの可視化計測システムの構築
2.2 可視化システムの特性評価と画像解析
3 アセトンガスの可視化計測システムの評価
3.1 酵素固定化担体および固定化材の評価と選定
3.2 アセトンガス用可視化システムの特性評価
3.3 可視化システムを用いた呼気中アセトンの計測への応用
4 結論
第4章 次世代乳酸センサ
1 はじめに
2 近年の乳酸センサ研究動向と課題
3 溶存酸素濃度の影響を受けない乳酸センサの開発
4 乳酸の連続計測にむけて～擬直接電子移動型酵素の創出
5 乳酸の連続計測にむけて～直接電子移動型酵素の創出
6 乳酸ウェアラブルセンサへの応用
7 おわりに
第5章 アンペロメトリック酵素センサによる尿中癌マーカー検出
1 序論
2 CcPDHの直接電子移動反応
2.1 全長CcPDHの直接電子移動反応
2.2 PQQドメインの直接電子移動反応
3 妨害物質の影響を受けないセンサ
4 まとめ
第6章 電気化学法による簡易迅速な遺伝子センサ
―ポイントオブケア診断に向けた遺伝子センサーの開発―
1 はじめに
2 電気化学バイオセンサーの優位性
3 電気化学遺伝子センサーの開発
4 歯周病菌のモニタリング
5 MRSA菌のモニタリング
6 マイクロ流体PCRでチップを用いた迅速インフルエンザウイルス遺伝子センサー
7 等温遺伝子増幅反応を用いた電気化学遺伝子センサー
8 SNPsセンサー
9 その他の遺伝子センサーの応用例
10 おわりに
第7章 有機トランジスタ型バイオセンサの開発と安静時汗成分センシングへの応用
1 はじめに
2 トランジスタ型バイオセンサ
3 汗成分センシングに向けた皮膚・センサ界面設計
4 おわりに
第8章 電界効果トランジスタを用いたバイオセンサ
1 はじめに
2 酵素FETセンサ
3 pH-FETセンサ以外の課題
4 デバイ長を延長する
4.1 抗体FETセンサ
4.2 糖鎖FETセンサ
5 受容体の小型化と電荷の増感
5.1 Fab-FETセンサ
5.2 抗原FETセンサ
5.3 レクチンFETセンサ
5.4 色素FETセンサ
6 標的分子への電荷の付与
6.1 Fab-FETセンサと色素FETセンサでの例
6.2 DNA-FETセンサ
7 電荷のないものを測る
8 まとめ
第9章 オンサイト化学分析を指向した分子集積デバイス
1 はじめに
2 集積による分子認識場の構築
3 分子集積デバイスによる生体アミン類の計測
4 おわりに
第10章 迅速・簡便なバイオマーカー計測
1 はじめに
2 アミノ酸代謝異常症の診断・健康管理のための酵素センサの開発
3 バイオマーカーとなる酵素基質のマルチセンシング技術の開発
4 基質バイオマーカーをより迅速・簡便に計測するための第3世代酵素センサの開発
5 今後の展望
第11章 バイポーラ電極によるバイオセンシング・イメージング
1 はじめに
2 バイポーラ電気化学とセンサへの応用
3 バイポーラ電極を用いるバイオセンサ
4 バイオイメージングデバイスへの展開
5 おわりに
第12章 酵素を用いた高度集積化バイオケミカルイメージング
1 はじめに
2 蛍光センサ色素薄膜を用いた酸素イメージング
3 固定化酵素と蛍光色素を組み合わせたバイオイメージング
4 固定化酵素の高度集積化技術
5 バイオケミカルイメージングデバイスへの展開
6 最後に
第13章 静電相互作用に基づく酵素反応速度増大効果
1 はじめに
2 GOx酵素反応におけるメディエータの電荷の効果とεPLの作用
3 εPLのGOx酵素反応速度増大効果
4 εPL効果のpH依存性
5 εPL効果に対するメディエータの電荷の効果
6 εPL以外のカチオン性高分子の場合
7 εPL効果のグルコースセンサーへの応用
8 おわりに
第14章 弾性表面波を利用した電気化学反応の高効率化
1 緒言
2 弾性表面波による溶液撹拌と電気化学反応
2.1 SAW撹拌による温度変化挙動
3 結言
第15章 マイクロpHセンサによる歯の健康状態モニタ
1 はじめに
2 マイクロpHセンサの製作と基礎評価
3 う蝕歯のin vitro pHマッピング
4 チェアサイドう蝕検査を目的としたニードル型ワイヤレスpHセンサの製作
5 おわりに
第16章 走査電子誘電率顕微鏡による生物試料の液中高分解能観察
1 はじめに
2 従来の電子顕微鏡による溶液試料ホルダーの概要
3 走査電子誘電率顕微鏡の概要
4 走査電子誘電率顕微鏡による生物試料の観察と構造解析
5 走査電子誘電率顕微鏡による牛乳試料の直接観察と分析
6 まとめ
【第Ⅴ編 酵素バイオ発電の研究開発ならびに関連技術】
第1章 酵素バイオ電池に求められる酵素特性
1 はじめに
2 生物電気化学的エネルギーサイクル
3 1段階完全酸化系とカスケード型酸化系
4 MPT酵素の利用
5 ガス拡散バイオ電極
6 酵素改変
第2章 酵素修飾繊維を用いた医療用眼計測レンズの開発
1 はじめに
2 酵素修飾繊維
3 無線給電素子
4 無線給電式バイオセンシングレンズ
5 おわりに
第3章 酵素バイオ技術を用いた自立駆動スマートコンタクトレンズ型持続血糖センサ
1 はじめに
2 研究背景
3 グルコース発電素子と融合した単独自立動作可能な持続血糖モニタリング機能付きスマートコンタクトレンズ
4 無線レス単独自立動作可能な持続血糖モニタリングスマートコンタクトレンズ
5 さいごに
第4章 改変酵素による高性能バイオカソードの構築
1 はじめに
2 マルチ銅オキシダーゼ
3 電極に固定化されたMcoPの配向制御によるバイオカソードの電気化学特性の向上
3.1 McoP C及びMcoP N発現用プラスミドの構築および発現・精製
3.2 MWCNT-McoP複合体の作製及び電気化学的評価
4 McoPの酸化還元電位改変によるバイオ電池の電池電圧向上
4.1 470番目のメチオニン(野生型McoP)をロイシン(McoP M470L)もしくはフェニルアラニン(McoP M470F)へ置換したMcoP発現用プラスミドの構築
4.2 各McoPの酵素化学的性質
4.3 各McoPの熱,pH及び長期安定性
4.4 各変異体McoPの酸素の還元に対する電気化学的評価
5 まとめ
第5章 好熱性酵素と人工多段階酸化代謝経路によるバイオ燃料電池アノードの開発
1 はじめに
2 バイオ燃料電池を長期間連続稼働可能にする耐久性電極用素子の開発
3 人工多段階酵素反応を利用したバイオ燃料電池用電極の開発
4 おわりに
第6章 糖や乳酸を基質とする紙基板バイオ燃料電池
1 はじめに
2 紙基板バイオ燃料電池の概要
2.1 スクリーン印刷について
2.2 紙基板について
2.3 紙基板バイオ燃料電池について
3 紙基板バイオ燃料電池のウェアラブルデバイスへの応用
3.1 自己駆動型バイオセンサについて
3.2 汗から発電する絆創膏型センサ
3.3 尿から発電するおむつ電池
4 おわりに
第7章 グラフェン3D電極を基板としたグルコースバイオ電池
1 はじめに
2 3Dグラフェンの作製法とバイオ燃料電池への適用
3 グルコースバイオ燃料電池の電極への3Dグラフェンの適用
3.1 化学気相蒸着(CVD)法による作製
3.2 電気泳動堆積法(EPD法)による作製
3.3 減圧濾過による自立膜の作製
3.4 水熱ゲル化法
4 まとめ
第8章 MgO鋳型細孔径制御型炭素によるバイオ燃料電池
1 はじめに
2 ナノ構造を活用することで表面積を増やすだけではない効果
3 どんな多孔質炭素(ナノ炭素)が利用できるか?
4 MgO鋳型炭素について
5 MgO鋳型炭素を用いたバイオアノードとバイオカソード
5.1 バイオアノード
5.2 カソード
6 MgO鋳型炭素を用いたバイオ燃料電池
7 まとめ
第9章 多段階酵素反応によるバイオ燃料電池の高発電化
1 はじめに
2 バイオ燃料電池の原理と酵素触媒
3 バイオ燃料電池の実用化に対する問題点
4 多段階酵素反応によるバイオ燃料電池の高容量化
5 多段階酵素反応によるバイオ燃料電池(乳酸バイオ燃料電池)
6 多段階酵素反応によるバイオ燃料電池(ブドウ糖バイオ燃料電池)
7 多段階酵素反応のための酵素改変
8 おわりに
第10章 バイオ発電スキンパッチ
1 はじめに
2 ソフト酵素電極システム
2.1 伸縮性酵素電極とバイオ発電シート
2.2 直列化した高電圧バイオ電池
3 創傷治癒パッチ
4 経皮投薬パッチ
5 おわりに
第11章 イオンの膜透過を利用した発電法
―電気魚による発電と逆電気透析発電―
1 はじめに
2 電気魚の発電方法について
2.1 電気魚の発電器官とその発電方法
2.2 電気魚の発電器官を模倣した発電システム
3 逆電気透析発電について
3.1 逆電気透析発電の発電原理
3.2 逆電気透析発電の現状と課題
3.3 塩分濃度差発電のさらなる高出力化について
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