著者の所属・活動拠点の国は、中国です。

掲載誌：Molecules

ライセンス: CC BY 4.0　対象: 公開論文　確認元: 論文PDF

研究の目的

過酸化水素などの過酸化物は、食品中の細菌やウイルス、カビを短時間で殺す酸化剤として使われます。一方で著者らは、摂りすぎると胃腸を刺激して腹痛や嘔吐を起こすこと、また強い酸化力で食品中のビタミンやたんぱく質の構造を壊すことを背景に挙げています。

過酸化水素を電気信号で検出するセンサーには、過酸化水素を分解する酵素（ペルオキシダーゼ）を使うものと、酵素の代わりに似た働きをする材料を使うものがあります。研究チームは、酵素を使わないセンサーを、銅のナノ粒子、植物由来の成分であるフィチン酸、金属元素のセリウムを組み合わせてつくりました。そして、3つの成分が協力して反応を促す仕組みを調べ、過酸化水素の検出性能と実用性を確かめることを目指しました。著者らは、高性能で低コストなセンサーづくりに新しい考え方と実験上の根拠を示すことを目的に掲げています。

何を、どのように調べたか

土台には、電気化学の測定でよく使われる「グラッシーカーボン電極」（ガラス状の炭素でできた電極）を使いました。研磨した電極を硫酸銅を含む液に浸し、一定の電圧をかけて粒子の大きさが20〜50ナノメートルほどの銅ナノ粒子を表面に析出させました。次にこの電極をフィチン酸の溶液に浸しました。フィチン酸は銅を一部溶かしながら銅イオンと強く結びつき、膜をつくります。最後にセリウムのイオン（Ce3+）を吸着させ、3層構造の電極に仕上げました。材料の構造は、X線回折と赤外分光という2つの分析法で確認しています。

性能を比べるため、何も付けていない電極、銅だけを付けた電極、銅とフィチン酸を付けた電極、3層すべてを付けた電極の4種類を用意しました。これらを過酸化水素（50マイクロモル毎リットル）を含む中性に近いリン酸緩衝液（pH6.8）に入れ、電圧を変えながら流れる電流を測る「ボルタンメトリー」という方法で、過酸化水素の酸化に伴う電流の大きさを比べました。

さらに、銅を析出させる時間、フィチン酸に浸す時間、セリウムを吸着させる時間、過酸化水素と反応させる時間を段階的に変え、電流が最も大きくなる条件を探しました。そのうえで、0.1〜100マイクロモル毎リットルの濃度範囲で測定を各3回行い、濃度と電流の関係を調べました。牛乳飲料に含まれる成分を想定し、カルシウムやマグネシウムのイオン、ブドウ糖、尿酸、脂質、たんぱく質、アスコルビン酸（ビタミンC）を過酸化水素の100倍の濃度で用意して、誤って反応しないかも確かめました。加えて、同じ手順で6本の電極をつくって測定値のばらつきを調べ、乾燥した暗所で室温保存した電極の応答を28日目まで追跡しました。

主な報告結果

3層すべてを付けた電極が、過酸化水素に対して最も大きな電流を示しました。酸化電流の大きさは、何も付けていない電極の12倍、銅だけの電極の2倍、銅とフィチン酸の電極の3.4倍でした。何も付けていない電極では、過酸化水素の酸化を示す電流のピークが見られませんでした。銅にフィチン酸を重ねた段階では電流がいったん小さくなり、セリウムを加えると最大になりました。

最も良い作製条件は、銅の析出が700秒、フィチン酸への浸漬が60分、セリウムの吸着が60分、過酸化水素との反応が15分でした。この条件では、0.1〜100マイクロモル毎リットルの範囲で、電流が過酸化水素の濃度に対して直線的に増えました。報告された関係式は「電流（マイクロアンペア）＝1.46×濃度（マイクロモル毎リットル）＋13.34」で、濃度がゼロでも13.34マイクロアンペア分の値を持つ一次式です（直線への当てはまりの指標R²は0.99）。直線の傾きにあたる感度は、濃度1マイクロモル毎リットルあたり1.46マイクロアンペアで、検出できる最低濃度（検出限界）は0.89マイクロモル毎リットルと報告されています。

妨害物質を加えた試験では、それぞれの物質による電流が10マイクロアンペア未満だったのに対し、過酸化水素では56マイクロアンペアの電流が得られました。6本の電極の測定値のばらつきは、平均値に対する標準偏差の割合（相対標準偏差）で1.013%でした。室温保存では保存初期の低下が最も大きく、その後は下がり方が緩やかになり、28日目でも当初の約84%の応答を保っていました。60℃のオーブンで7日間置いた場合は89.0%、湿度90%で7日間置いた場合は88.6%の応答が残りました。

X線回折では、フィチン酸、続いてセリウムを加えるたびに銅の結晶を示す信号が弱まりました。著者らは、フィチン酸とセリウムが銅の表面を部分的に溶かして作り変え、反応の場となる部位の多い多孔質の構造をつくったと解釈しています。セリウム自体の結晶を示す信号は見られず、著者らはセリウムが結晶をつくらない形か、細かく分散した状態で存在すると推測しています。

この報告が示すこと

研究チームは、銅ナノ粒子、フィチン酸の膜、セリウムを順に重ねることで、酵素を使わずに過酸化水素を検出できる電極ができたと結論づけています。著者らの説明では、銅ナノ粒子が電子を電極へ直接運ぶ通り道になり、フィチン酸の膜が銅の酸化や凝集を防ぎながらセリウムを保持し、セリウムが3価と4価の間で行き来する性質が過酸化水素の反応を速めます。著者らは、この検出限界が従来の酵素型センサーより低く、多くのナノ材料型センサーより測定範囲が広いとも述べています。

一方、今回示された性能は、主に実験室で調製した緩衝液中での測定にもとづいています。著者らは牛乳中の過酸化水素の検出を想定していますが、実際の牛乳試料での測定結果と、著者らが認める研究の限界は、今回参照できた抜粋からは確認できませんでした。

原著論文の著者・所属：Boxin Dou（Key Laboratory of Food Science and Engineering of Heilongjiang Ordinary Higher Colleges, College of Food Engineering, Harbin University of Commerce, Harbin 150000, China; Postdoctoral Research Workstation of Northeast Asia Service Outsourcing Research Center, Harbin University of Commerce, Harbin 150028, China）、Minrong Li（Key Laboratory of Food Science and Engineering of Heilongjiang Ordinary Higher Colleges, College of Food Engineering, Harbin University of Commerce, Harbin 150000, China）、Mingyu Li（Key Laboratory of Food Science and Engineering of Heilongjiang Ordinary Higher Colleges, College of Food Engineering, Harbin University of Commerce, Harbin 150000, China）、Yan Wang（Key Laboratory of Food Science and Engineering of Heilongjiang Ordinary Higher Colleges, College of Food Engineering, Harbin University of Commerce, Harbin 150000, China）、Jianhui Jia（College of Life Science and Technology, Mudanjiang Normal University, Mudanjiang 157011, China）、Ying Liu（Key Laboratory of Food Science and Engineering of Heilongjiang Ordinary Higher Colleges, College of Food Engineering, Harbin University of Commerce, Harbin 150000, China）

※本記事は原著論文をもとに、日本語で要約・説明を加えた研究紹介です。 出典（原著論文）：Boxin Dou, Minrong Li, Mingyu Li, et al. Peroxidase Sensor Based on Electroactive Ce3+-Phytic Acid-Cu2+@Cu Composite. Molecules（出版社：Multidisciplinary Digital Publishing Institute） 2026-09-28. DOI: 10.3390/molecules31193448. 原著ライセンス：CC BY.