2022 Fiscal Year Annual Research Report
Study on hazardous gas sensor using nanocomposite phosphors with functionalized surfaces
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17K05957
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| Research Institution | National Institute of Advanced Industrial Science and Technology |
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Principal Investigator |
安藤 昌儀 国立研究開発法人産業技術総合研究所, 生命工学領域, 上級主任研究員 (20356398)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
茂里 康 和歌山県立医科大学, 医学部, 教授 (90357187)
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| Project Period (FY) |
2017-04-01 – 2023-03-31
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| Keywords | 生体影響ガス / 光学式ガスセンサ / 蛍光 / 表面高機能化 / 光ナノ複合材料 / オゾン / 二酸化窒素 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
生体に影響を及ぼすガスのセンサは重要である。このようなガスとして、脱臭等に利用されているが有毒なオゾン(O3)や、大気汚染物質である二酸化窒素(NO2)がある。半導体量子ドット(Quantum Dot (QD))は表面状態で蛍光特性が変化するが、この特性をガスセンサに応用する研究はほとんどなかった。本研究は、我々が光学的ガスセンサ機能を見出したQDに他成分を複合化して表面高機能化材料を作製し、高感度ガスセンシングを目指した。
O3に感応して可逆的な蛍光強度の消光を示すCdSe系QDと、ガス吸脱着特性・触媒機能等を有する貴金属ナノ粒子からなる複合薄膜を、スパッタ法と分散液塗布法でガラス基板上に作製し、明るい蛍光と、ガス吸着に有利な多孔質構造を両立させた。
これらの貴金属-QD複合薄膜は、0.5-200 ppmのO3に感応して可逆的な蛍光強度変化を示した。O3感度は、AuやPtをQDに複合化すると特に大幅に増大し、この増感効果は、AuやPtのナノ粒子によるO3吸脱着の促進や局所電場効果によるものと推測した。Pt-Pd-QD複合薄膜では、PdのO3分解触媒活性を反映して空気中での蛍光強度回復速度が向上した。
複合薄膜はNO2にも感応して可逆的な蛍光消光を示し、貴金属添加でNO2感度が大きく向上した。O3感度はPt-QD薄膜が最大、Pt-Pd-QD薄膜が最小、NO2感度はPt-Pd-QD薄膜が最大、QD単独薄膜が最小であったことから、O3とNO2を識別検知できる可能性が示唆された。
QDへのガス吸脱着量や速度をさらに増大させるため、QDを大比表面積の多孔質ガラスに毛管現象で吸収させ分散固定化したところ、O3による高速で可逆的な蛍光強度変化が得られ、有望であることがわかった。また、CdS, CdSe, CdTeを用いた各種ガスセンサ技術を調査してまとめ、本研究で得た技術の利点を示した。
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