Highly effective volatile organic compound dissolving strategy based on mist atomization for odorant biosensors

Analytica Chimica Acta
Volume 1139, 1 December 2020, Pages 178-188
Available online 28 September 2020, Version of Record 10 October 2020.

1. 導入：デジタル化されない「香り」という最後のフロンティア

私たちは今、視覚や聴覚が完璧にデジタル化された世界に生きています。写真はデータとして瞬時に送られ、音楽はストリーミングで耳に届きます。しかし、五感の中で「嗅覚」だけは、依然としてデジタル技術が踏み込みきれない最後のフロンティアとして残されています。

なぜ「匂い」のデジタル化はこれほどまでに難しいのでしょうか。その最大のボトルネックは、匂いの正体である「揮発性有機化合物（VOC）」の性質にあります。自然界に存在する多くの匂い物質は、水に溶けにくい（疎水性）という特徴を持っており、これをセンサーで検知可能な液体状態へと効率よく取り込むことが極めて困難だったのです。従来の技術では、匂いを「捕まえる」だけで膨大な時間を要してしまい、リアルタイムな分析には程遠いのが現状でした。

2. 驚きのスピード：わずか1分で「空気」を「液体」に変える技術

この停滞した状況を打ち破る画期的な手法が、東京大学の研究チームらによって発表されました。彼らが注目したのは、超音波振動を利用して液体を微細なミスト（霧）にする「アトマイザー（霧化装置）」の活用です。

この技術の真髄は、従来のような有機溶媒（DMSOなど）を一切使わず、**「蒸留水のみ」**で溶解を完結させた点にあります。これにより、後の工程で使用する繊細な生物細胞（バイオセンサー）へのダメージを回避し、極めてクリーンな検知を可能にしました。従来の気液接触法（空気を液体表面にさらす方法）と比較して、その効率は圧倒的です。

「アトマイザーを用いた溶解速度は、気液接触法を用いた場合の約7倍であった。（The dissolution rate using the atomizer was thus approximately seven times faster than when using the gas-liquid exposure method.）」

この驚異的な効率性により、水に溶けにくいVOCであっても、わずか1分間という短時間で、センサーが反応可能な濃度まで溶解させることに成功したのです。

3. 物理学の魔法：超微細な「泡」が溶解を加速させる

なぜ「霧（ミスト）」にするだけで、これほどまでに溶解が早まるのでしょうか。そこには、目に見えない微細な世界で繰り広げられる「物理学の魔法」が存在します。

特筆すべきは、ミストの粒子が液面に衝突する**「瞬間の物理現象」**です。噴霧された微細な霧が水面に激しく衝突する際、水中に「ウルトラファインバブル（UFB）」と呼ばれる超微細な気泡が生成されます。この気泡の直径はわずか152.5ナノメートル。この極小の泡の内部には、「ラプラス圧」という物理法則によって、約1.9メガパスカル（約19気圧）という巨大な圧力がかかっています。

この技術の驚くべき点は、装置全体は**「常圧（大気圧）」**の下で作動しているにもかかわらず、泡の内部というナノスケールの空間だけでこの超高圧を実現していることです。この局所的な高圧と、霧化によって飛躍的に増大した表面積が相乗効果を生み、匂い物質を強引かつ瞬時に水の中へと押し込むのです。

4. 自然の設計図を活用：昆虫の受容体を用いた「バイオセンサー」の凄み

溶解した匂い物質を検知する「鼻」の役割を果たすのは、人工物ではなく、自然界の設計図を応用した「バイオセンサー」です。研究チームは、ショウジョウバエの嗅覚受容体を発現させた「Sf21細胞（Or13a細胞）」を利用しました。

今回の手法が画期的なのは、有機溶媒を使わず純水に匂いを溶かし込んでいるため、生物由来の細胞センサーを常に健康的で高感度な状態に保てる点です。実験では、キノコのような匂いで、穀物の腐敗や人の汗に含まれる「1-オクテン-3-オール」を標的としました。

このバイオセンサーは非常に優秀で、混合物の中から特定の匂いだけを高い精度で嗅ぎ分けることができます。さらに、このシステムは1-オクテン-3-オールだけでなく、以下のような多様な化学グループ（VOC）に対しても有効であることが証明されています。

チオール類（タマネギのような匂いなど）
ケトン類（特有の芳香を持つ化合物）
エーテル類、アルデヒド類

これは、この技術が「特定の匂い専用」ではなく、デジタル嗅覚における**「汎用アダプター」**として機能することを意味しています。

5. 実用化への布石：ポータブルデバイス「O-Vacs」の誕生

この「生体細胞による高度な鼻」を社会で役立てるためには、研究室の大型装置から飛び出し、フィールドを自在に動き回るための「機械の体」が必要でした。そこで誕生したのが、ポータブルなプロトタイプ**「O-Vacs (Odorant VACuum and dissolution System)」**です。

O-Vacsは、小型ファン、ホース、アトマイザー、コントローラーというシンプルな構成ながら、極めて高い信頼性を誇ります。実験では、時間の経過とともに匂い物質の回収量が**「直線的に増加（Linear Increase）」**していくことが確認されており、一時的な検知ではなく、連続的で安定したモニタリングが可能であることを証明しました。

この「持ち運べるデジタルの鼻」は、私たちの生活を劇的に変える可能性を秘めています。

災害現場での救助: 瓦礫の下に取り残された被害者が発するわずかな匂いを非侵襲的に検知。
呼気による病気診断: 呼気に含まれる微量なVOCから、ガンの初期症状などを察知。
食品の品質管理: 倉庫内の穀物の腐敗や、食品の鮮度変化をリアルタイムで監視。

6. 結び：香りがデータとして流通する世界へ

「霧」と「泡」という、一見シンプルで身近な物理現象を掛け合わせることで、これまで捨てられていた「匂い」という膨大な情報が、ついにデジタルデータとして流通し始めようとしています。

生物が数億年かけて磨き上げてきた「嗅覚受容体」と、現代の「物理工学」が融合したこの技術は、私たちの生活の安全性や利便性を根底から変えるはずです。

もし、あなたのスマートフォンが毎朝の挨拶とともに、あなたの健康状態を「匂い」で察知してアドバイスしてくれるようになったら。そんな未来が訪れたとき、私たちの世界はどのように彩られているでしょうか。嗅覚のデジタル化は、今まさにその扉を開けようとしています。

本稿は、掲載論文に基づき生成AIを用いて要約・表現を作成しています。内容の正確性には配慮していますが、解釈や表現の過程で不正確な記載が含まれる可能性があります。特に構造式については不正確です。正式な情報は原論文をご確認ください。