Creation of an integrated chemical sensor system that combines molecular filtering, concentration, and sensing functions

点击翻译按钮获取中文摘要

本研究プロジェクトでは、空間選択的な無機ナノ材料合成技術とナノ固体表面機能の設計により、多成分夾雑分子群存在下における微量標的分子の検出を実現ことを目的として、基板上に分子フィルタ・濃縮・検知機能を有する集積化化学センサシステムの創成に関する検討を行った。そこで、大きな比表面積を有する酸化亜鉛ナノワイヤアレイを基板上の特定一に空間選択的に成長させる手法を開発し、加熱機構と組み合わせることで分子フィルタおよび濃縮部として機能させる手法を開発した。バイオマーカーとして知られる揮発性有機化合物（低分子アルコール類）を用いて本機構の機能検証を行い、低温下での分子吸着後に昇温による分子脱離を行うことで、空間内に存在する微量の揮発性有機化合物を濃縮可能であることを実証した。さらに、本濃縮部からの脱離温度は、ナノワイヤと吸着分子との相互作用の強さを反映し、化学種によって異なる値を示した。本現象を利用することで、脱離時の温度変調により、本濃縮システムが分子フィルタとして作用しうることを見出した。この分子フィルタ・濃縮機構を抵抗変化型化学センサによる検知機構と組み合わせて集積化分子認識センサシステムを作製し、分子の濃縮および検知を逐次的に行うことで、環境中の揮発性有機化合物をセンシングすることに成功した。さらに、生体ガスセンシングへの適用性を実証するために、ガスクロマトグラフィを用いて生体ガスデータの収集を行い、バイオマーカー分子評価を行った。機械学習を用いた解析の結果、生体状態を追跡するために検知すべき分子群を見出すことが可能となった。これは、我々が提案するセンサシステムが、異なる時間軸で多成分分子群のセンシングを行うことで分子識別機能の劇的な改善が期待できることを示すものである。