３．測定作業に対する市場要求と水質計器のトレンド

pH電極としての技術は前回紹介したように、小型化・安価を目指して日々進歩しているが、既存の測定シーンにおいてはまた違った視点での市場要求も存在する。例えば、河川から上水に至るまで環境水の水質モニタリングにおいてはpHの他、電気伝導率、溶存酸素、濁度など複数の項目を測定することが必須となっている。各項目を個別に測定していては時間と労力がかかるため、そのようなシーンでは他項目を同時に測定できるマルチ水質計がしばしば用いられる。これまでも工業用として販売されている多くのオンライン型計器では、複数のセンサで同時多項目測定をしてきたが、近年では、オフライン型の低価格な水質計器においても簡易な操作で多項目測定を行いたいという需要が増えつつあり、小型のマルチ水質計も開発されている。加えて、これまで計器側にあった電子基板をセンサ側に移すことで、校正結果をセンサ側に保存し、計器に接続するセンサを交換した際の再設定・再校正が不要となったデジタルセンサも登場している。こちらは実験室でセンサを校正してから現場へ持っていくことで、現場での校正作業の負担を減らすことができる点がメリットとなっており、これにより操作性も一段と向上した¹⁴⁾。またセンサ部でpH信号をデジタル化することでIoTの一部に組み込み、センサと他の機器を連携させることもできる。例えば、値が基準値より低い場合には付属の装置を作動させ自動で薬液を投入するといったシステム構築などが考えられるが、今後はこのような方法でスマート工場などにおける省人化に向けた取り組みも加速していくだろう。

またpH電極としても、より労力をかけずに簡易に測定したいという要望は強い。上述したような内部液が不要な電極の開発により参照電極の技術も進歩しつつあるが、実用的にはまだ一部を除いてKCl塩橋が主流である。一般的な電極では内部液の補充や液絡の目詰まりに対する洗浄などが必要であるが、そのような負担を軽減できる電極として、KClポリマーゲルを比較極に充填したタイプも好んで使用されている。ポリマーゲルタイプはKClの流出が遅く、都度の液補充が不要であることが特徴である。中には液絡を完全に開放したタイプもあり、こちらはサンプルによる液絡の目詰まりがなく、さらにメンテナンスの手間が軽減されるよう工夫されたものとなっている。特に工業用のpH電極ではメンテナンスフリーであることは必須であり、非水性で溶出しにくく、耐薬品性も高いゲルが使用されている。またKClの顆粒を添加することで比較極を長寿命化するなどKCl塩橋技術としての改良も続けられている。このように低メンテナンス性を追求することもひいてはpH測定の省人化につながるものとなっており、将来的には測定準備からデータ解析・後工程を一連の作業を無人あるいは遠隔操作で行い、異常時の処置まで自動で完了するようなシステム構築がさらに求められるようになると予想される。

４．今後のセンサ技術の展開

近年、健康管理への関心の高まりやセンシング技術の進歩により、心拍数や活動量などの生体情報のモニタリングを可能とするウェアラブルデバイスが普及しつつある。中でも汗中のイオンやpHなどの測定は簡易に体内状態を知るための1つの手段であり、そのモニタリングを可能とするデバイスの開発は盛んに行われている。しかし、固体化・小型化への課題を完全にクリアできてないことから、pHセンサの搭載されたウェアラブルデバイスは未だ市販されるには至っていない。上記に紹介した技術の進展によって安価で小型化なpHセンサが利用可能になれば、pH以外のイオンセンサあるいは導電率センサとの組み合わせも含め、このような新しい測定アプリケーションが大幅に拡大する可能性もある。ウェアラブルだけでなく、例えば、微小センサにワイヤレス通信を組み合わせることで、体内投与したセンサで臓器の情報をリアルタイム監視しながら薬剤の投与タイミングを計ることも可能と考えられる。農園、牧場、漁場や工場においては環境のモニタリングの他、個体識別や追跡と合わせて測定データを管理し、品質の分析が進むだろう。このようにそれぞれのシーンに適した性能・コストのpHセンサに、デジタル化・無線化に代表されるIoT技術を掛け合わせることで、今まで見えなかったデータを可視化し、ばらばらに取得されていたデータ間の関連性を評価することができる。これにより今までにないような高付加価値なデータを提供できるようになり、その結果、商品・サービスの高品質化、高効率化のためにpH測定が当たり前に行われる時代が到来すると考えられる。

【著者紹介】
辻　皓平（つじ　こうへい）
株式会社堀場アドバンスドテクノ　開発本部

■略歴
2016年　株式会社堀場製作所へ入社。
                   pH、イオンセンサの開発業務に従事。
2017年　株式会社堀場アドバンスドテクノへ転籍。
                   引き続きセンサ開発業務に従事し、現在に至る。

３.＜pHの可視化＞

実際の医療の現場で用いられているMRIに代表されるように、物理量をその位置情報と同時に可視化する技術は有用である。微小空間中のpHにおいても、その変化と位置を同時に可視化することで、細胞生物学において重要な知見が得られると考えられる。我々のグループでは、これまでに開発したFNDを用いたpHセンシング技術を応用することで、微小空間のpH情報と位置情報を同時に可視化する方法を開発した³⁾。まず、カルボキシ化したFNDを用いて、種々のpH条件下で蛍光画像を取得した。そしてピクセル毎のT₁に対して重み付けを行うことで、T₁強調画像を作成した。カルボキシ化したFNDのT₁はpHを反映するため、T₁強調画像はpH依存的に変化した(図4)。したがって、今回開発した微小なpHセンサを用いることで、微小空間のpHとその位置を同時にモニターすることが可能である。

４.＜pH感受領域の制御＞

これまでに示した通り、FNDをカルボキシ化することで、pH3から9の範囲でpH変化をセンシング可能であることを示した。しかしながら、一般的な状況では、測定したいpHの範囲が3から9であるとは限らない。したがって、測定可能なpHの範囲を制御する必要がある。この目的のために、FNDをカルボキシ基と異なるチオール基で修飾する方法を考案した。チオール基はpH10から11以下では電荷を持たない状態(-SH)であるが、それ以上の塩基性条件下で負電荷状態(-S-)に変化する。それに対応して、チオール基を修飾したFNDは、pH10から11付近でそのT₁が大きく変化した(図5b)。また、pHを7と11で交互に変化させたところ、T₁が交互に変化したことから、可逆的にpHをセンシング可能であることが示された。したがって、修飾する官能基を変化させることで、測定可能なpHの範囲を制御できることが示された。この手法は、より汎用的な場面で、FNDを用いたpHセンシングを可能にすると考えられる。

＜終わりに＞

本項ではFNDを用いた微小空間のpHセンシング技術についてまとめた。この技術は、たとえば、細胞内に存在している局所的なpH分布が、実際にどのように生命現象に関連しているのかを明らかにすることに役立つと期待される。それによって、がんや心不全、脳卒中をはじめとする様々な病気の詳細なpHの特異性が明らかになり、これら病気の早期診断につながると考えられる。
また、今回開発したFNDによるpHセンシング手法は、従来の方法と比較してセンサの小ささや空間分解能の点で優位性があるが、感度の面では未だに改善の余地があると考えている。その上、FNDのT₁はpH以外の物理量からも干渉を受けることが知られているため、今後選択性の強化も重要であると考えられる。このような改善を一つずつ加えていくことで、FNDを用いたpHセンシングが、より汎用的な場面で使用可能な技術に成熟していくことを期待している。

【著者紹介】
藤咲　貴大（ふじさく　たかひろ）
京都大学　大学院工学研究科　分子工学専攻

■略歴
2016年京都大学工学部工業科学科卒業。2018年京都大学大学院工学研究科分子工学専攻修士課程卒業。2018年から現在まで同博士課程に在籍。
これまで、NVCを用いた新規pHセンシング手法の開発に取り組んできた。今後は、pH以外の物理量の測定方法の開発や生体への応用など、NVCを用いた量子センシング技術の汎用化に挑戦していきたい。

XPRIZEにおけるトーナメント結果

Wendy Schmidt Ocean Health XPRIZE では、次の課題が設定された。「海洋の酸性化を知る手段は、少数の科学者の研究結果からもたらされている。しかしこの分野での民間の投資はほとんどない。海洋pH計測は海の健康をはかる大事な指標の一つだが、大規模な展開をするには高価すぎる。操作が複雑で、専門家のメンテナンスと再較正が必要。イノベーションの速度が遅いので、年単位の変化に十分なほど対応出来ていないし、長く持続できていない。新世代の改良された経済的なpHセンサの作成を促進させることが必要で、より安価で正確で、すべての海洋深度で操作できるpHセンサの提供が、最終的な目標である。」そこで、Wendy Schmidt Ocean Health XPRIZEには2つの賞が用意された。Affordability Prize (手頃な価格で使いやすく正確なpHセンサの開発)と、Accuracy Prize (最も正確で安定に機能するpHセンサの開発)である。これらを競うため、4つのフェーズをクリアし、勝ち抜き戦を繰り広げた。
　フェーズ1は書類審査で、世界中の企業や大学、高校まで含め77チームがエントリーした。HpHSチームも、2014年6月にエントリーを済ませ、モントレー湾水族館研究所の試験水槽でフェーズ2の作動試験を実施した。ガレージにて組み立て、水槽内に設置し、pHの変動をとらえられるかのトライアルが行われた。実に多様のpHセンサが試された。(図3)

フェーズ３においては、ワシントン州のシアトルにあるシアトル水族館において、ピアから海水をくみ上げ、水族館の来訪者に観覧されながら、数か月の長期計測が実施された。フェーズ２～３では、バッテリーの交換などのメンテナンスだけとし、同一の機体を用いた。ファイナルフェーズにおいては、2015年5月にハワイ沖のSatation Alohaの海域において、ハワイ大学の「キロモアナ号」を用いた観測試験を行った（図４）。この決勝戦には5チームが進出し、HpHSチームもファイナリストとして参加した。われわれのほかは、イギリス、アメリカ、ノルウェーのチームであり、海洋観測における世界的なメーカー2社からのチームも含まれていた。海表面から水深3,000mまでの鉛直観察を行い、同時に行った採水器からサンプリングした海水のpHデータと比較して、評価された。
　最終審査はフェーズ２～４の結果を総合的に判断し、決められた。観測値の正確性（審査側が定めた標準値からの誤差の小ささ）、繰り返し性（複数回計測時の値のバラつきの少なさ）などに加え、長期安定性（長時間の計測におけるドリフトの小ささ）、扱いやすさや丈夫さなどが評価され、Accuracy Prizeにおいて、HpHSチームは３位を獲得した。

XPRIZEでイノベーションは加速したのか

Accuracy（正確性）とAffordability（手ごろ感）の両方で勝者となったのは、モンタナ大学からのベンチャー企業であるSunburst Sensorsチームであった。彼らのpH計測法は比色法であり、海洋pH計測においては、比色法の信頼性が高いことがあらためて示された。２位についたのは、海洋機器の世界的大手メーカーからのDurafetチームであった。ISFET半導体電極法を採用し、丈夫さとともに、実用展開に最も近い海洋pHセンサを自負した。これらの２機体は、XPRIZEが開催される前から米国で著名な装置であり、より改良が進んできている。HpHSはガラス電極法としてはもっとも良い成績を示したが、比色法も採用しているため、データそのものはSunburst Sensorsチームと引けを取らなかった。何が評価を下げたのかをみると、装置全体の大きさや、製造価格などAffordabilityが至らなかったことであった。２つの異なるセンサをハイブリッドさせたため、どうしても装置が長くなり、また全重量が重くなったため外装などを省略していた。Sunburst SensorsチームとXPRIZE後に情報交流を行い、制御基板の整理・流路設計のコンパクト化や、試薬使用量の少量化など、特許部分に触れないところでの課題を抽出した。比色法と他の手法を組み合わせた私たちの海洋pH計測法は、無理なく安定した値が得られる方法として発展改良が可能であり、XPRIZE参加前に比較的軽視していた扱いやすさを大幅に改善した次世代型のHpHSの開発を進めており、将来的にマイクロ流路技術を取り入れていこうとしている。

JAMSTECは西太平洋亜寒帯域の時系列観測点Station K2の海洋酸性化研究を継続しており、2015年からHpHSを係留設置し、精度の高い高頻度のpHデータの取得を実施している。2016年には北極域で、2019年には南極底層水の生成過程の解明を目指して、南極沿岸に2台を係留し、観測を行っている。XPRIZEが目指していたイノベーションの加速という点では、次世代型のHpHS開発において、海洋酸性化研究の用途だけではなく、二酸化炭素の地層回収・貯留(CCS)における海底での二酸化炭素漏洩モニタリングや、海底熱水鉱床などの開発に伴う環境影響評価への活用も見込んでいる。また、二酸化炭素排出を吸収し、温室効果ガスの増大を止めるカーボン・オフセットを評価する指標とするためにも、人の行けない環境の状態をはかるため、様々な海洋や水中の現場で、高精度高頻度なpHデータを取得し、海洋研究に貢献していく。ゆくゆくは、養殖業や水産業など、科学研究目標以外のユーザーに、海洋pH計測の活用が広がっていくことを期待したい。
最後に、2015年にHpHSが 「Wendy Schmidt Ocean Health XPRIZE」で3位を獲得した際のリリース⁷⁾およびPR動画をYouTube公開⁸⁾しているので、ご覧いただければ幸いである。

【著者紹介】
三輪　哲也（みわ　てつや）
国立研究開発法人海洋研究開発機構　研究プラットフォーム運用開発部門
技術開発部　調査役

■略歴
愛知県名古屋市生まれ
1991年　東京工業大学大学院理工学研究科化学工学専攻博士課程修了
同年　新技術事業団創造科学技術推進事業 永山たん白集積プロジェクト　研究員
1995年　東京大学大学院工学系研究科応用化学専攻藤嶋研究室　助手
1998年　海洋科学技術センター 深海環境フロンティア　研究員
2008年　独立行政法人海洋研究開発機構 海洋工学センター先端技術研究プログラム　グループリーダー
2019年　国立研究開発法人海洋研究開発機構　研究プラットフォーム運用開発部門　技術開発部　調査役　現在に至る。　博士(工学)。

明治大学大学院理工学研究科　客員教授
横浜市立大学大学院生命ナノシステム科学研究科　客員教授

3.光スキャナ式画像センサ(センサ+アクチュエータ)

アクチュエータを組み合わせたセンサの例として光スキャナ式画像センサを紹介する。図8に電磁駆動による2軸光スキャナの構造を示す⁹⁾。シリコンのジンバル構造に駆動用コイルと鏡が形成されており、電流を流したコイルと外部の磁石の間に働く電磁力により鏡を2方向に偏向させることができる。なおこのセンサではガラス上の検出用コイルで鏡の向きを検出することも可能である。

この2軸光スキャナは、3次元的な距離画像センサ(レンジイメージャ)として用いられている。図9にその原理を示すが、光は1nsで30cm進むため、パルスレーザの光が対象で反射されて戻るまでの飛行時間から、対象までの距離を知ることができる。レーザ光をスキャンし反射してきた光を検出するのを電磁駆動2軸光スキャナを用いて行うことにより、距離画像を得ることができる¹⁰⁾。図9中に示す画像の色が距離に対応している。このシステムは東京の山手線の駅に設置されているプラットフォームドアに用いられており、飛び乗る人などを検知し事故を防ぐのに役立っている。なおこのレンジイメージャは、これからの自動車の自動運転に必要なLIDAR(Laser Imaging Detection and Ranging)としても開発されている。このシステムの場合は、光スキャナを通して戻ってきた光を検出するため、背景光の影響を受けにくい。