タンパク質は，精緻な生命現象を担うための高度な機能を有している．したがって，タンパク質は優れた材料としての側面を有し，分析化学におけるシグナル増幅や分子認識のためのツールとしても使用されている．一方で，人工材料も生体分子とは異なる特有の機能を有するものが多くあり，これをタンパク質と複合化させることで新規な機能を有する魅力的な材料を創出できる可能性がある．著者らは，酵素を中心としたタンパク質と無機ナノシートから成る新規ハイブリッド材料の開発について研究を行っている．本論文では，著者らが開発したこれらの材料について，分析化学的な応用に重点を置き紹介する．

既存の化学センサの基本概念である鍵と鍵穴モデルに則ると，化学センサの認識部位が分析検体の構造に合致する必要がある．しかしながら，生体内での検出に目を向けると，検体及び化学センサが様々なコンフォメーションを有し，予想もできない溶媒和殻が形成される．この結果として，低感度・低選択性を付することが多々ある．このような従来法と相補的な代替戦略として，著者らは「超分子アロステリックシグナル増幅センシング」（Supramolecular Allosteric Signal-amplification Sensing; SASS）手法を提唱した．本法の特徴は，精密な構造合致の必要がなく，アロステリズムを鍵過程として錯形成定数，ひいてはシグナル応答を増幅させることである．シグナル増幅リポーターとしてポリチオフェンやグルカンを用いることにより，これまでに分析が困難であったアミノ酸，ペプチド，オリゴ糖の高感度な検出を達成している．本稿では，このSASSの計測原理とその研究事例について紹介する．

アンバランスマグネトロン（UBM）や電子サイクロトロン共鳴（ECR）スパッタリング装置を用いて，カーボン薄膜電極を開発した．またUBMスパッタリング装置で金（Au）とカーボンの共スパッタを行い，カーボン薄膜中にAuナノ粒子が埋め込まれた（AuNP-C）電極を開発した．さらにAuNP-C電極上のAuNPのみにAuを電析させ，AuNP表面積の大きな薄膜電極（Au/AuNP-C）を作製した．これらの電極を用いて，4種類の重金属イオンの測定を行った．カドミウムイオン（Cd^2＋），鉛イオン（Pb^2＋）検出においては，カーボン薄膜電極でアノーディックストリッピングボルタンメトリー測定を行うことで，それぞれ，Cd^2＋では0.25 ppb，Pb^2＋では1.0 ppbと環境基準値以下，かつ，グラッシーカーボン（GC）電極に比べて優れた検出下限濃度を達成した．一方，カーボン薄膜電極上に還元濃縮できないヒ素イオン（As^3＋）の検出においてはAuNP-C電極を用いて，環境基準以下の0.55 ppbの検出限界が得られた．さらにAuNPがカーボン薄膜に埋め込まれているため，AuNPの脱離を防ぐことができ，安定な繰返し測定を可能とした．セレンイオン（Se^4＋）の検出においては，高感度化のために表面積を拡張したAu/AuNP-C電極を用いることで，電析前と比較して高い感度と低い検出下限濃度を達成した．

分子インプリントポリマー（Molecularly Imprinted Polymers，MIPs）は不安定な天然の受容体に代わる人工分子認識材料として注目されている．以前著者らはビスフェノールA（Bisphenol A，BPA）に対するMIPsを合成し，このMIPsがBPAだけでなくエストロゲンである17β-エストラジオールとも吸着を示すことを報告した．つまりこのMIPsはエストロゲン受容体に類似する結合特性を持つと言える．本研究では計算化学的手法により，化合物の立体構造からMIPsとの結合特性について解析を試みた．BPAを含む化合物群の最安定構造を算出し，相互作用原子の位置，ファンデルワールス体積，相互作用原子間距離，酸解離定数が吸着の強さと関係することが示唆された．また，化合物から計算された分子記述子を用いて，定量的構造物性相関解析によりリテンションファクターの予測モデルを導出したところ，計算値と実験値が高い相関を示す予測モデルの導出に成功した．吸着の強い7化合物から共通ファーマコフォアを抽出し，相互作用に重要な構造的要素を明らかにした．これらのモデルは，化合物のMIPsに対する結合の強さの予測だけでなく，実際の結合実験に入る前の候補化合物のスクリーニングへの活用，また逆解析的に，吸着の強い化合物の予測や設計への活用が期待される．

本研究では，インクジェットプリンティングを用いて一つのポリジメチルシロキサン（Poly(dimethylsiloxane), PDMS）製マイクロ流路内に2種類の反応試薬を固定化した1ステップ均一系競合型バイオアッセイマイクロデバイスを開発した．インクジェットプリンターは試薬をナノリットルサイズの液滴として正確な量を位置選択的に吐出するため，互いに反応する2種類の試薬を混ざることなく微少空間内に独立して固定化できる．そのため，先行研究でデバイスを作製する際に課題となった，相互に反応する試薬を固定化した二つのマイクロ流路を精密に組み合わせる操作が不要となる．本研究ではその一例として，ビオチン固定化酸化グラフェン（BG）と蛍光標識ストレプトアビジン（F-SA）を1本のマイクロ流路内に固定してビオチンアッセイマイクロデバイスを試作し，基礎検討として試薬の固定化位置や試薬及び添加剤種の評価を行った．その結果，液滴を流路壁面寄りに吐出すると再現性よく流路底面の両サイドに試薬固定できること，添加剤としてトレハロースが適すること及び，試料導入操作のみでの1ステップ検出で，検出下限は0.68 ng mL⁻¹となり，先行研究と比較して約1/600倍改善することを明らかにした．

ビスベンゾボロキソール（bisBB）レセプター─ジヒドロキシアゾベンゼン（DHAB）色素錯体が高分子の架橋点となるセミ相互侵入構造を有するジメチルアクリルアミド（DMAA）共重合オプティカルグルコースセンシングフィルムを開発した．このセンシングフィルムは，高分子の架橋点となっているレセプター─色素錯体がレセプターのグルコースとの競争的錯形成により解離し，架橋点減少に伴う高分子ゲルの膨潤によりグルコースに対する色変化応答が増幅される．8種類の組成の異なるフィルムを調製しグルコースに対する応答を評価した結果，DMAAに対して0.5 mol％のbisBBレセプターと0.14 mol％のDHAB色素を含むフィルムが生理的濃度範囲（0〜5.6 × 10⁻² mol L⁻¹）のグルコースに対して可逆で最大（5.6 × 10⁻² mol L⁻¹のグルコースに対し20％の吸光度変化）の応答を示した．

優れたグルコースレセプターとして知られているビスフェニルボロン酸アントラセンレセプター（bis-PBA-AN）の糖認識部位であるフェニルボロン酸（PBA）をベンゾボロキソール（BB）に置き換えたかたちのビスベンゾボロキソールレセプター（bis-BB-AN）を合成し，これらのレセプターのグルコース認識能をアリザリンレッドS（ARS）比色アッセイ法及び蛍光アッセイ法に基づき評価した．ARS比色アッセイ法で見積もったグルコースとの錯形成定数はbis-PBA-ANレセプターでは0.6 mol⁻¹ L，bis-BB-ANレセプターでは30 mol⁻¹ Lであり，BBのPBAよりも高いグルコース認識能を反映してbis-BB-ANレセプターの錯形成定数のほうが大きい．一方，蛍光アッセイ法で見積もったグルコースとの錯形成定数はbis-PBA-ANでは3600 mol⁻¹ L，bis-BB-ANでは170 mol⁻¹ Lでありbis-PBA-ANレセプターがbis-BB-ANレセプターより約20倍大きなグルコース認識能を示した．この結果は，bis-PBA-ANの優れた蛍光強度変化に基づくグルコース認識能が，グルコースと安定な錯体を形成する能力に依存するのではなく，グルコースとの弱い相互作用に伴う特異的な蛍光のスィッチング機構によるものであることを示唆している．

HIV-1 TAR（trans-activation responsive region）RNAを標的とするFID（fluorescent indicator displacement）assayのインジケータとして，モノメチンシアニン蛍光色素チアゾールオレンジ（thiazole orange, TO）が優れた機能を有することを見いだした．TOはTAR RNAに対して選択的に結合し，解離定数K_dは60±7 nM（N＝4）に達する（pH 6.5, 5℃）．TOはoff-on型の明瞭なlight-up応答を示し（ϕ_free<0.01, ϕ_bound＝0.198），結合に伴い蛍光強度は約370倍増大する（λ_ex＝501.5 nm，λ_em＝530.4 nm）．さらに，TOを活用するFIDアッセイは，ハイスループットスクリーニング（high throughput screening, HTS）に適用しうる十分な特性（Z'値>0.5）を持つ．これらの結果は，阻害剤探索ための基盤技術（スクリーニング法）の要となる蛍光インジケータ開発において有用な知見になると期待できる．

連続的に血糖値測定できる皮下埋め込み型オプティカル糖センサの開発を目的とし，グルコースレセプターとの錯形成に伴い，近赤外波長領域の吸収スペクトルが変化する色素の開発を行った．カテコール部位を有する6種類のazaBODIPY色素を合成した結果，いずれの色素も糖レセプターのモデル化合物であるフェニルボロン酸（PBA）との錯形成に伴い，その吸収スペクトルが変化することが分かった．合成したレセプター感受性色素のうち，分子内に三つのチエニル基を導入したthienyl-azaBODIPYが最も長波長側の最大吸収波長（732 nm）を示した．開発したthienyl-azaBODIPYとグルコースレセプターであるビスベンゾボロキソール（bisBB）の錯体溶液にグルコースを添加すると，グルコース濃度に応じて近赤外波長領域の吸光度が大きく変化することが分かった．

唾液中のイオン成分分析は，健康状態を調べるうえで有効な手段として注目されている．本研究では，唾液中のNa^＋, K^＋, Ca^2＋のイオン選択性オプトード（ISOs）による同時定量分析が可能で簡便かつ使い捨て可能なマイクロ流体紙基板デバイス（μPADs）を開発した．このμPADsは，ろ紙の3層構造を持ち，サンプル注入領域へのサンプル滴下後，検出領域での比色応答を確認することでイオンの多項目定量分析が可能となる．各イオンの選択係数を元に他イオンからの干渉を補正することで，3種イオンの同時定量を達成した．また，被験者から採取した唾液サンプルを用いた添加回収試験では，78〜132％ の回収率が得られ，開発したμPADsによる唾液中のNa^＋の定量分析を実証した．最後に，その場分析（POCT）に向け，μPADsのiPhoneを用いた検出系を確立した．開発したμPADsは低コスト（<33円/μPADs），迅速（<5分）かつ簡便な分析操作が可能である．

比色分析における距離検出法は，温度計のように検出試薬の色変化の境界の位置を変色距離として読み取る直感的判定手法である．本研究では，この検出法を利用して尿検査の簡易化を目指し，尿中のタンパク質アルブミン，グルコース，ヘモグロビンを同時定量可能な距離検出型紙基板分析デバイスの開発を試みた．その結果，人工尿を用いた評価系において，それぞれの検査項目について定量的な変色距離応答を確認した．測定可能濃度域は，アルブミンで15〜1000 mg dL⁻¹，グルコースで25〜2000 mg dL⁻¹，ヘモグロビンで0.10〜2.0 mg dL⁻¹であった．アルブミン及びグルコース測定においては，変色境界の視認性向上のために，それぞれアニオン性ポリマー，バイオポリマーによる紙基板の表面修飾を検討した．また，実応用を踏まえ，人工尿中の含有物質が距離検出結果に及ぼす影響を評価した．

Methylene blue is widely utilized as an indicator and dye in bioassays. For the simultaneous detection of many samples in bioassays, a multiple assay device is desired. Here, we present an array device based on local redox cycling for the detection of small droplets of methylene blue. The device consists of 8 row, 8 column electrodes connected to interdigitated array (IDA) electrodes at individual crossing points to form 64 sensor points. By segmenting the sensor points with droplets, each point works as an electrochemical cell, thus allowing multi-point detection of the analyte. In this study, methylene blue was successfully detected using redox cycling. Also, multiple detection of methylene blue was achieved. Because methylene blue binds strongly to DNA via intercalation, this interaction will be detected as an electrochemical signal via redox cycling. In particular, the proposed method will be useful for the simultaneous detection of multiple samples in droplet digital PCR.

The proton spin-spin relaxation times (T₂) of ion-selective electrode membranes prepared from different solvents were investigated. The potentiometric polymeric membranes based on bis(12-crown-4) as an ionophore for the Na⁺ ion-selective electrodes were chosen as model ISE membranes. The solvents applied to the preparation of the potentiometric polymeric membranes were tetrahydrofuran (THF), 1,4-dioxane, acetone, methylethylketone (MEK) and chloroform. T₂ measurements were performed using the Hahn-Echo, Solid-Echo and Carr-Purcell-Meiboom-Gill (CPMG) pulse sequences. Analyses of the T₂ measurements by Hahn-Echo pulse sequences could provide the average T₂ values of the whole potentiometric polymeric membranes. The average T₂ values will indicate the degree of plasticization for the whole membranes. Moreover, the normalized derivative spectra by T₂ measurements of the Solid-Echo and CPMG pulse sequences could visualize the degree of plasticization for such potentiometric polymeric membranes. On the other hand, differences in the solvents were found to affect the electromotive force (EMF) response in the low-concentration region of the Na⁺ ions and selectivity coefficients for the ISE membranes. These results reveal a relationship of the acquired T₂ measurement data with the EMF response and the ion-selectivity for a series of the Na⁺-ISEs based on bis(12-crown-4). The most plasticized ISE membrane by THF exhibited the best EMF response and ion-selectivity.

Porphyromonas gingivalis, known as an anaerobic gram-negative bacteria, is associated with the progress of a periodontitis. Since gingipain (gp), a specific protease secreted from its bacteria, is its main pathogenicity, gp has been utilized as a marker of the periodontitis. Here, an electrochemical protease assay using a ferrocenylpeptide probes was applied to the detection of gp activity; the probe was cleaved with its protease activity and current peak decreased by the released ferrocene part to balk solution. A series of ferrocenylpeptides as specific substrates of Arg-gp (Rgp) and Lys-gp (Kgp) was synthesized: FRC and FKC having cysteine residue; FRSS and FKSS having lipoic acid; FRpra and FKpra having propargylglycine; FRDE and FRDK having cysteine and D-type amino acid. The electron transfer rate constant of all of ferrocenylpeptide immobilized on a gold electrode were estimated by Lavirons analysis. The obtained electron transfer rate constant were 400-3500 s⁻¹, where fastest one of 3500 s⁻¹ was obtained from FRC immobilized electrode. Peak currents of these electrodes were decreased after the treatment of a sample containing Porphyromonas gingivalis. The detection limits of Porphyromonas gingivalis were 1.0 × 10⁷, 5.0 × 10⁶, 3.3 × 10⁶, 5.0 × 10⁶, and 5.0 × 10⁶ cells, for FRPra- FKPra-, FRC-, FRDE-, and FRDK-immobilized electrodes, respectively. FRDE- and FRDK-immobilized electrodes were applied for patients suffering from periodontitis. It was successfully classified between the patients and healthy peoples using the FRDK-immobilized electrode. These results suggest that gp activity is connected with a clinical condition of periodontitis, and it is expected to be applied to a periodontal disease screening.

We developed lanthanoid-doped upconversion nanoparticles (UCNPs) and attempted to apply them as wavelength conversion devices to near-infrared luminescent sugar sensors. By doping yttrium fluoride with ytterbium and thulium, UCNPs (NaYF₄: Yb/Tm) showing upconversion (UC) emission in the near-infrared region (800 nm) were synthesized. A receptor-sensitive near-infrared absorbing dye that increases the absorbance in the near-infrared region (700-800 nm) by complex formation with phenylboronic acid (PBA) as a sugar receptor was immobilized on core-shell type lanthanoid UCNPs covered with a silica layer. When fructose was added to a dye-immobilized core-shell type UCNPs dispersion solution containing a certain amount of PBA (1.0 × 10⁻³ mol L⁻¹), the UC emission intensity at 800 nm increased with increasing the concentration of fructose (0 mol L⁻¹ to 3.0 × 10⁻¹ mol L⁻¹). This result indicates that the internal filter effect between the dye and UCNPs is eliminated by a change in the absorption spectrum of the immobilized receptor-sensitive dye due to a competitive complex formation reaction accompanying the increase in the fructose concentration. And as a result, the UC emission intensity increased. It was found that when the fructose concentration was 3.0 × 10⁻¹ mol L⁻¹, the UC emission intensity increased by 14.6% compared to the case without fructose.