富永 雄一

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富永, 雄一

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分子認識材料の多様化と環境・バイオ技術への応用

博士学位論文の要旨及び審査結果の要旨 (Summary of Thesis(DR))othe

Tohoku University Repository (TOUR) / 東北大学機関リポジトリ

分子認識材料の多様化と環境・バイオ技術への応用著者 富永 雄一号 10学位授与機関 Tohoku University学位授与番号 学術(環)博第176号URL http://hdl.handle.net/10097/59049とみなが ゅういち氏 名富永雄一授与学位博士(学術)学位記番号学術(環)博第 176 号学位授与年月日平成 2 5 年 3 月 2 7 日学位授与の根拠法規 学位規則第 4 条第 1 項研究科，専攻の名称 東北大学大学院環境科学研究科(博士課程)環境科学専攻学位論文題目 分子認識材料の多様化と環境・バイオ技術への応用指 導 教 員東北大学教授井上千弘論文審査委員主査東北大学教授井上千弘 東北大学教授石田秀輝東北大学准教授萱岐伸彦京都大学准教授久保拓也論文内容要旨近年，揮発性有機化合物 (volatile organic compound, VOC)，ダイオキシン類のポリ塩素化ピフェニル (polychlorinated biphenyl, PCB) などに代表される人工化学物質，あるいはミクロシスチン，テトロドトキシンやサキシトキシン (saxitoxin， STX) などの生物由来の天然毒物が環境汚染物質として問題となっている。これらの環境汚染物質は極微量でも生体に影響を及ぼすため，環境保護やリスク管理の点から，高感度な定量分析や効率的な除去に寄与する分離・分析技術の開発が急務である。そこで，上述のような物理的・化学的性質の異なる環境汚染物質を選択的に吸着・分離する分離材料の開発が求められている。また，同様の分離材料は，精製が困難な抗体医薬品の単離，生体試料中の特定成分の定量等にも応用可能で，バイオ分野への展開も期待できる。一方，特定の分子を選択的に吸着する方法として，分子インプリント法と呼ばれる分子鋳型法が注目されている。分子インプリント法は文字通り特定の分子や官能基の配置を架橋ポリマーに転写し，人工レセプタ一様の分子認識能を獲得する手法である。具体的には，ターゲット分子を直接鋳型分子とし，ターゲット分子と化学的に相互作用する機能性モノマーを複合化し，架橋剤存在下で重合することで架橋ポリマー内に分子認識場を構築する手法である。同法では，比較的簡単な操作で選択的な分子認識能を得ることができるため，固相抽出担体，センサー材料など種々の応用研究が報告されている。しかしながら，一般的な分子インプリント法には下記に挙げられるいくつかの間題点がある。(1)合成時にターゲット分子を必要とする， (2) 非水系の架橋剤，機能性モノマ139 ーに制限される， (3) 架橋構造内部の鋳型分子の完全除去が難しい， (4) 架橋構造内部に官能基が埋まる(閉鎖的な部位が出来る)， (5) 過剰量の機能性モノマーを使用するため認識場が不均ーとなる，等が挙げられる。さらに，分子インプリント法の研究の多くは液体試料を対象としており，気体試料に対する研究例は非常に少ない。そのため，上述した毒性物質や希少な物質，特異的な官能基を持たない物質，親水性化合物や構造柔軟性化合物など多くの環境汚染物質に従来の分子インプリント法を適用できない。そこで本研究では，分子インプリント法に基づく種々の応用技術を新たに創成することで，物理的・化学的性質の異なる種々の対象物質を選択的に吸着・分離する新規分子認識材料を開発し，固相抽出担体，ハイブリッド材料やドラッグデリパリー材料など環境・バイオ技術へ応用することを目的とした。本研究において，第 1 章では，溶媒インプリント法を用いて気体試料である VOC に対して選択的吸着能を示す架橋ポリマー基材の分子認識材料を合成し，手法の有効性および機能性モノマーを加えることによる選択性の向上に関して論じている。第 2 章では，溶媒インプリント法を用いて合成した架橋ポリマー基材にスルホキシド基を導入することにより，絶縁油と PCB の選択的分離を可能とする分子認識材料を合成し，その分離性能について論じている。第 3 章では，高親水性の天然毒物の選択的分離を目的とし，官能基間距離固定化法を用いて架橋ポリマー基材の分子認識材料を合成し，距離認識の有効性について論じている。第 4 章では，光分解機能を有する酸化チタンに官能基間距離固定化法を適用することで，選択的吸着・分解能を示す光触媒ハイブリッド分子認識材料を合成し，吸着・分解性能について論じている。第 5 章では，ポリエチレングリコール基材の伸縮性ヒドロゲルを合成し，距離認識による体積変化の挙動，さらに，タンパク質に対する吸着性能および特異的な体積変化に関する詳細な考察について論じた。以下に，各章の詳細について述べる。第 l 章の揮発性有機化合物の選択的吸着に関する検討では，ターゲット分子を架橋ポリマ一合成時の多孔質化溶媒として使用する溶媒インプリント法を用い，ターゲット分子の構造のみを架橋ポリマー骨格に転写することで，溶媒インプリントポリマー(porogen imprinted polymer, PIP) を合成し，手法の有効性を検討した。種々の多孔質化溶媒(ターゲット分子)を用いて PIP を合成した結果， PIP の比表面積は架橋剤と多孔質化溶媒の親和性に依存し，両者のオクタノーノレ/水分配係数が近いほど，比表面積が増加することが示された。さらに， PIP の各 VOC に対する選択性を評価した結果，多孔140 質化溶媒として用いたターゲット分子が混合気相中から選択的に吸着され，溶媒インプリント法が有効であることが示された。さらに，機能性モノマーを加えることでターゲット分子に対する選択性が増加した。第 2 章のハロゲン化芳香族の選択的分離に関する検討では，はじめに，溶媒インプリント法の概念に基づく PIP を合成した。合成した PIP をステンレスカラムに充填し，高速液体クロマトグラフィーの充填剤として評価した結果， xylene を多孔質化溶媒として用いた PIP において，構造認識により塩素化芳香族化合物に対する保持が増加した。次に，種々の塩基や分散溶媒を用いて PIP にスルホキシド基を導入し，スルホキシドポリマー (sulfoxide-modified polymer, SMP) を合成した。その結果，スルホキシド基の導入量は調製条件によって変化し，ハロゲン化物として sodium iodide，塩基を溶解する溶媒として methanol を用いることで，スルホキシド基の効果的な導入が可能となった。合成した SMP を用いて PCB と絶縁油の分離実験を行った結果，溶媒インプリント効果とスルホキシド基と PCB の相互作用により PCB の選択的な保持が確認された。第 3 章の官能基間距離認識による高親水性化合物の選択的分離に関する検討では，官能基間距離固定化法 (interval immobilization technique, IIT) を用いて，天然毒物であるSTX に対して選択的吸着能を示す分子認識材料を合成した。 IIT は，鋳型分子と機能性モノマーのイオン結合型錯体を架橋ポリマーや無機材料に化学的に修飾し，機能性モノマ一間の距離を固定することで距離認識によりターゲット分子を選択的に吸着する手法である。まず，基材となる架橋ポリマー (control polymer, Cont.P) を合成し，臭素との付加反応によって Cont.P 中のピ、ニル基の状態を評価した結果， IIT が適用可能なビ、ニル基量，ピニル基間距離であることが示された。次に， IIT を利用して合成した架橋ポリマー (interval immobilized polymer, IIP) を用いてフロンタル解析や吸着等温解析を行った結果， IIP は官能基間距離に基づく選択的認識能を示し，高い結合定数を有することが明らかとなった。さらに，パッチ吸着法や固相抽出法を用いて， STX の同族体である decarbamoylsaxitoxin (dcSTX) に対する選択吸着能を評価した結果，固定化した官能基間距離が dcSTX と同等の IIP において，央雑成分中に存在する低濃度の dcSTX の選択的吸着に成功した。第 4 章の光触媒ハイブリッド分子認識材料による高親水性化合物の選択的吸着・分解に関する検討では，第 3 章同様にターゲット分子として STX を用い， IIT を光触媒である酸化チタン (Ti02) に適用することで，ターゲット分子の選択的吸着・分解を可能と141 する光触媒ノ、ィブリッド分子認識材料を合成した。本章では，まず， Ti02 の水酸基を利用した脱水反応やシランカップリング反応を用いて Ti02 にイオン基を修飾した。その結果，修飾法の違いに関わらず，イオン基を修飾した Ti02 はイオン性相互作用に基づく吸着能および光分解能を示した。さらに ， Ti02 に IIT を適用して光触媒ハイブリッド分子認識材料を合成し， dcSTX の吸着・分解実験を行った結果，光触媒ハイブリッド分子認識材料は央雑成分中で dcSTX を選択的に吸着し， uv 照射によって吸着物質が効率よく分解されることが示された。第 5 章の距離認識を利用した伸縮性ヒドロゲ、ルの開発とタンパク質の選択的吸着に関する検討では，はじめに，種々の条件で poly(ethyleneglycol) (PEG) 基材の伸縮性ヒドロゲル (PEG gel) を合成し，その基礎特性を評価した。 PEG gel の単位質量当りの吸水量(平衡膨張率)を測定した結果，架橋剤として用いた PEG dimethacl)匂te(PEG-DMA) のエチレンオキシドユニット数，機能性モノマー，多孔質化溶媒，およびそれらの組成によって平衡膨張率が大きく変化し，合成条件によって伸縮性の制御が可能であることが示された。さらに，スルホ基を含む PEG gel を用いて，酸，塩基，アニオン性化合物やカチオン性化合物に対する体積変化を観察した結果， PEG gel はイオン強度の増加に伴って収縮し，特に，二官能のカチオン性化合物に対して距離認識により大きく収縮した。最後に，ヒドロゲ、ルの伸縮性を利用してタンパク質インプリントヒドロゲ、ル(protein imprinted gel, PI gel) を合成した結果， PI gel はターゲットとして用いたタンパク質を選択的に吸着し，特異的な体積変化を示した。本研究では，第 l 章で，溶媒インプリント法と機能性モノマーによる相互作用を利用することで，気体試料に対する効率的な分子認識場の構築に成功し，第 2 章で，溶媒インプリント効果とスルホキシド基と PCB の相互作用を利用することで，絶縁油と PCBの選択的分離に成功した。また，第 3 章で， IIT を用いることで高親水性化合物の選択的吸着に成功し，第 4 章で， IIT が無機材料にも適用可能であることを示した。さらに，第 5 章で，距離認識によるヒドロゲ、ルの特異的な体積変化の挙動を明らかにし，タンパク質の選択的吸着の可能性を示した。このように，分子インプリント法に基づく種々の新規手法を創成し，物理的・化学的性質の異なる種々の対象物質を選択的に吸着する新規分子認識材料の開発に成功した。これらの手法を用いて合成した分子認識材料は，固相抽出担体などの吸着媒体だけでなく，センサー材料，ドラッグデリパリー材料など環境・バイオ技術への応用も期待できる。-142 論文審査結果の要旨本申請論文では，分子インプリント法に基づく種々の応用技術を新たに創成し，物理的・化学的性質の異なる種々の対象物質を選択的に吸着・分離する新都汗認謝オ料を開発，固相抽出担体，ノ\イブリッド材料や刺激芯答性ヒド、ロゲ、ルなど環境・バイオ技術へ応用について述べられている.第 1 章では，揮発性有機化合物の濁尺的吸着を目的として，樹某インプリント法を適用した架橋ポリマーを合成した結果，合成した架橋ポリマーの比表面積は，架橋剤と多孔質化溶媒のオクタノーノレ/水分配係数で制御で、きることを明らかにした。さらに，機能性モノマーを加えることで，溶媒インプリント効果と化学的な相互作用により気相中の VOC に対して高い選択性を有する分子認識材料の開発に成功している。第 2 章では，炭化水素化合物とハロゲ、ン化芳香族の選択的分離を目的として，樹某インプリント法を用し 1て架橋ポリマーを合成し，制某インプリント効果により塩素化芳香族化合物に対する選択的な保持を議論した。さらに，架橋ポリマーにスルホキシド基を導入することで，化学的性質が類似した炭イ七水素化合物の混合物で、ある絶縁油とノ\ロゲ、ン化芳香族の PCB の選択的分離を可能とする分子言雷樹オ料の開発に成功してし、る。第 3 章では，高親水性化合物の選択的分離を目的として，官能基間距離固定化法を架橋ポリマーに適用し，種々の官能基間Z鴎佐を有する分子を蹴佐認識によって選択的分離を達成した。さらに，官能基間醐監を最適化することで，央雑成分中の高親水性化合物の酎尺的吸着を可能とする分子認識材料の開発に成功している。第 4 章では，高親水性化合物の選択的吸着・分解を目的として，官能基間距離固定化法をう間虫媒に適用し，種々の分子をE関脇識によって選択的な吸着.光分解を可能とするハイブリッド材料の開発に成功している。第 5 章では，ポリエチレングリコール基材の伸縮'1主ヒドロゲルの基礎特性の解明とタンパク質の選択的吸着を目的として， 1È鴎佐認識によって特異的に体積変化する新たな分子認識刺働芯答性ヒドロゲルの開発に成功した。さらに，分子インプリント法をヒドロゲルに適用することで，特定のタンパク質を選択的に吸着し，特異的に体積変化する分子認五樹寸料の開発の可能性を示している.以上の通り，いずれの材料に関しても，これまでに報告例のない新たな分子諒樹オ料であり，目的こ応じた材料の合成法を確立しており，物附に見ても新規性，糊リ性が認められる。また，審査時の質疑に対しても，実験事実に裏付けられた結果を基に的確に答えており，申請者の知見も十分であると判断できる。さらに，本申請論文で得られた種々の知見は，今後，環境技術開発，バイオ技術開発の発展に寄与することが期待できる。よって，材命文同等士(勃情)の学位論文として合格と認める。143 

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