主要成果
研究チームは、トリメス酸で被覆した酸化銅ナノ粒子を統合した光ファイバー表面プラズモン共鳴（SPR）センサーを構築し、環境汚染物質であるPFOA（ペルフルオロオクタン酸）とPFOS（ペルフルオロオクタンスルホン酸）の検出に成功しました。測定の結果、PFOAでは最大感度3.59 nm/μM、検出限界1.40 μMを達成し、PFOSでは最大感度2.76 nm/μM、検出限界4.73 μMという性能を示しました。このセンサーは、分析物の濃度上昇に伴って共鳴信号のシフトが増大する濃度依存的な光学応答を示します。
技術・詳細
本センサーでは、光ファイバーSPRプラットフォームの屈折率感度を高め、かつリガンド機能化を受け入れやすい化学的に活性な表面を持つ酸化銅ナノ粒子が採用されました。表面の機能化（表面修飾）の成否は、FTIR、熱重量分析、TEM、SEM、動的光散乱（DLS）、ゼータ電位測定によって検証されています。
構造解析において、粒子径に関する重要な知見が得られました。クライオTEM（低温透過電子顕微鏡）では一次粒子径は約6 nmであることが確認されましたが、一方で水溶液中でのDLS測定ではミクロン規模の流体力学的凝集体が観察されました。つまり、ナノ粒子は個々には微小であるものの、水条件下では凝集する挙動を示すことが明らかになりました。
また、PFOAの方がPFOSよりも強い応答を示した点について、X線光電子分光分析（XPS）の結果から、機能化されたセンシングインターフェースにおいてPFOAの方がより高い保持率を持つことが示唆されています。
背景・業界の文脈
PFOAやPFOSは、分解されにくいため「永遠の化学物質（forever chemicals）」と呼ばれ、環境および健康への影響が懸念されている物質です。これらの物質を迅速かつ高感度に検出する手法の確立は急務となっています。本研究では、金属酸化物ナノ粒子の表面を機能化することで、特定の化学物質に対して調整可能な光学センシングインターフェースを構築できることを実証しました。
今後の展望
本研究は、トリメス酸による酸化銅ナノ粒子の機能化が、PFOAおよびPFOS検出のためのシンプルかつ調整可能なインターフェースを提供することを証明しました。しかし、カルボン酸末端の表面がなぜスルホン酸基を持つPFOSよりもPFOAを優先的に捕捉するのかという具体的な分子相互作用のメカニズムはまだ解明されていません。また、水溶液中での凝集挙動が確認されており、今回の感度および検出限界は制御された条件下でのラボデバイスとしての数値であるため、実地展開に向けた検証が今後の課題となります。
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