実時間化学イメージングシステムの開発

本グループでは、電解質溶液またはゲル状試料中におけるpH等の化学的情報の2次元的な空間分布を画像化することができる、化学イメージングセンサの開発を行ってきた。この方法では、センサ表面の電荷によって半導体層中に空乏層幅の分布が生じることを利用して、その静電容量を場所ごとに読み出していくことになる。具体的にはセンサ裏面から変調レーザビームを照射し、静電容量に応じて外部回路に流れる交流光電流を計測する。現在までに、空間分解能10ミクロン、pH分解能0.01、測定速度毎秒100ピクセルを達成している。このうち、空間分解能およびpH分解能については多くのアプリケーションにおいて十分な値であるが、測定速度については1画面の測定に分オーダーの時間を要することから、変化の速い現象の測定に用いることは困難であった。そこで本研究では化学イメージングセンサの実時間化に向けて装置および測定方式の改良を行った。昨年度は各ピクセルごとの測定に単発の光パルスを用いることで10倍以上の高速化を達成し、また低周波ノイズの影響が低減できることを明らかにした。本年度は化学イメージングセンサを用いて、ゲル中におけるイオンの拡散を可視化し、拡散係数の計測に応用できることを明らかにした。平行平板電極を有する電気化学システムにおいて、電気分解によって生じる電極間のpH分布が時間とともに変化する様子を観測し、pH分布の時間変化から拡散係数を計測した。また、分子量の異なるイオンについて各々の拡散係数を求め、分子量との関係を調べた。

本グループでは、電解質溶液またはゲル状試料中におけるpH等の化学的情報の2次元的な空間分布を画像化することができる、化学イメージングセンサの開発を行ってきた。この方法では、センサ表面の電荷によって半導体層中に空乏層幅の分布が生じることを利用して、その静電容量を場所ごとに読み出していくことになる。具体的にはセンサ裏面から変調レーザビームを照射し、静電容量に応じて外部回路に流れる交流光電流を計測する。現在までに、空間分解能10ミクロン、pH分解能0.01、測定速度毎秒100ピクセルを達成している。このうち、空間分解能およびpH分解能については多くのアプリケーションにおいて十分な値であるが、測定速度については1画面の測定に分オーダーの時間を要することから、変化の速い現象の測定に用いることは困難であった。そこで本研究では化学イメージングセンサの実時間化に向けて装置および測定方式の改良を行った。昨年度は各ピクセルごとの測定に単発の光パルスを用いることで10倍以上の高速化を達成し、また低周波ノイズの影響が低減できることを明らかにした。本年度は化学イメージングセンサを用いて、ゲル中におけるイオンの拡散を可視化し、拡散係数の計測に応用できることを明らかにした。平行平板電極を有する電気化学システムにおいて、電気分解によって生じる電極間のpH分布が時間とともに変化する様子を観測し、pH分布の時間変化から拡散係数を計測した。また、分子量の異なるイオンについて各々の拡散係数を求め、分子量との関係を調べた。