動的非線形特性に基づく高次元情報を活用した化学センサの開発

味覚・嗅覚において重要となる、神経細胞の電気インパルスの発生と伝播が、非線形・非平衡下で生じる現象であることに着目して、非線形・非平衡を活用した分子認識システムの開発について研究を行った。まず、半導体ガスセンサの非線形応答を指標としたガス分析について、これまで識別が困難であった炭化水素ガスを定量的に判別することが可能になった。これは、センサとガス種との表面反応の違い(反応速度、活性化エネルギー、反応過程)が非線形応答として反映されることを利用したもので、入力信号に対する出力信号の歪み(非線形応答)をフーリエ変換の高調波成分として定量的に評価する方法である。また、混合ガス系についても、応答波形の重ね合わせから2成分ガスからの特定ガスの検出が可能になった。次に、ガス種の非線形応答を理論的に解明するために、半導体のバリアポテンシャル、電子密度、化学反応速度、活性化エネルギーをパラメータとした計算機シミュレーションを行った。これにより、活性化エネルギーや反応速度の違いにより特徴的な非線形応答を再現することに成功した。また、電気化学的非線形性を指標としたタンパク質の吸着特性の評価への応用についても研究を行った。実際には、吸着物質により形成される電気二重層容量は、タンパク質の化学構造に依存して特徴的な電圧依存性を示す。実際には、チオール基を導入したタンパク質を金電極に共有結合で固定化し、電極界面のみの情報を抽出した。また、原子間力顕微鏡観察、水晶振動子による測定を行い、電極表面への定量的な吸着量や吸着状態の確認をした。

味覚・嗅覚において重要となる、神経細胞の電気インパルスの発生と伝播が、非線形・非平衡下で生じる現象であることに着目して、非線形・非平衡を活用した分子認識システムの開発について研究を行った。まず、半導体ガスセンサの非線形応答を指標としたガス分析について、これまで識別が困難であった炭化水素ガスを定量的に判別することが可能になった。これは、センサとガス種との表面反応の違い(反応速度、活性化エネルギー、反応過程)が非線形応答として反映されることを利用したもので、入力信号に対する出力信号の歪み(非線形応答)をフーリエ変換の高調波成分として定量的に評価する方法である。また、混合ガス系についても、応答波形の重ね合わせから2成分ガスからの特定ガスの検出が可能になった。次に、ガス種の非線形応答を理論的に解明するために、半導体のバリアポテンシャル、電子密度、化学反応速度、活性化エネルギーをパラメータとした計算機シミュレーションを行った。これにより、活性化エネルギーや反応速度の違いにより特徴的な非線形応答を再現することに成功した。また、電気化学的非線形性を指標としたタンパク質の吸着特性の評価への応用についても研究を行った。実際には、吸着物質により形成される電気二重層容量は、タンパク質の化学構造に依存して特徴的な電圧依存性を示す。実際には、チオール基を導入したタンパク質を金電極に共有結合で固定化し、電極界面のみの情報を抽出した。また、原子間力顕微鏡観察、水晶振動子による測定を行い、電極表面への定量的な吸着量や吸着状態の確認をした。