2019 Fiscal Year Annual Research Report
ポルフィリン錯体担持カーボンナノチューブの機能探索と生体ガスセンシングへの応用
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18H01829
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| Research Institution | Osaka University |
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Principal Investigator |
片山 光浩 大阪大学, 工学研究科, 教授 (70185817)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
田畑 博史 大阪大学, 工学研究科, 助教 (00462705)
小松 直樹 京都大学, 人間・環境学研究科, 教授 (30253008)
久保 理 大阪大学, 工学研究科, 准教授 (70370301)
森川 良忠 大阪大学, 工学研究科, 教授 (80358184)
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| Project Period (FY) |
2018-04-01 – 2022-03-31
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| Keywords | ナノコンポジット / 半導体単層カーボンナノチューブ / ダイマー金属ポルフィリン錯体 / 生体ガスセンサー / ガスバイオロジー |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本年度は、昨年に引き続きアンモニア(NH3)に対して分子識別能を持つCoポルフィリン錯体を担持させた半導体カーボンナノチューブ（SWNT）を用いたセンサーを作製し、NH3に対する更なる感度向上を目指した。
セレクター分子として昨年のCoモノマーポルフィリン錯体（モノマーポルフィリン）に加えて、今回は、より高い被覆率が期待される、２つのポルフィリン環がスペーサ分子を介して連結された構造をもつCoダイマーポルフィリン錯体（ダイマーポルフィリン）を採用した。櫛形電極上にSWNT膜を堆積させて作製したSWNTセンサーをポルフィリン溶液に30分間浸漬させることによってポルフィリンの担持を行い、NH3に対する応答を評価することにより、これら２種類のポルフィリンの効果を比較した。その結果、20 ppmのNH3に対するセンサー応答（抵抗の変化率）は、ダイマーポルフィリン担持SWNTは担持前のSWNTと比較して約11倍、モノマーポルフィリン担持SWNTと比較して約4.7倍向上した。これにより、NH3に対するダイマーポルフィリン担持SWNTの有用性を実証した。さらに、NH3曝露前後のゲート特性の比較により、NH3によるダイマーポルフィリン担持SWNTの電荷移動量はモノマーポルフィリンよりも約4倍多いことが分かった。このことから、ダイマーポルフィリン担持SWNT の応答量が大きい原因は、NH3吸着量が多い、すなわち吸着サイトとなるダイマーポルフィリンの被覆率が高いことであることが分かった。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
Coモノマーポルフィリン錯体とCoダイマーポルフィリン錯体のNH3に対するセレクター分子としての性能を比較した。ダイマーポルフィリンは、モノマーポルフィリンと比較して、高い被覆率が達成され、その結果、NH3に対して大幅な応答量の向上（約4.7倍）を実現した。センサー応答の濃度依存性は500 ppb～80 ppmの広いダイナミックレンジで検知可能であることを示し、平衡定数Kの解析より、モノマーとダイマーの双方で吸着エネルギーが高いが両者で有意な差はないことが示唆された。これによりCoダイマーポルフィリンのNH3に対するセレクター分子としての有用性を実証した。
一方で、浸漬法による担持方法で作製したセンサーは、デバイスごとにセンサー応答にばらつきがありデータの再現性が悪い、応答速度・回復速度が遅い、酸素の干渉を受けやすくベース電流が安定しないという、懸案の課題が明らかになった。
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| Strategy for Future Research Activity |
①上記の問題を改善するため、これまで用いてきた浸漬法による後付けの担持ではなく、セレクター分子（ダイマーポルフィリン錯体を使用）とSWNTをソニックバスで共分散させることによって担持させる共分散法を採用する。この際、半導体SWNTとして、直径が小さく、酸素の干渉を受けにくいと予想されるCoMoCat SWNT(カイラリティ(6,5)リッチ)を採用する。
②作製したダイマーポルフィリン担持SWNTを、櫛型電極付き基板に分散し、ダイマーポルフィリン錯体担持SWNT薄膜センサーを作製する。
③共分散法の有効性を検証するために、NH3ガスを導入した際のセンサーのコンダクタンス変化を調べ、応答量の大きさ、応答の再現性、応答速度・回復速度、ベース電流の安定性などを浸漬法の場合と比較する。
④このセンサのNH3に対する分子識別能の検証を行うために、他のガス（CH4, アセトン、エタノール、NO）に対するセンサー応答を測定し比較する。
⑤次の検知対象ガスとして、アセトンを取り上げ、局所密度汎関数法による分子設計などから、アセトンに対する分子識別能をもつ中心金属を探索し、その結果にもとづいて、金属ポルフィリン錯体担持センサーを作製・評価する。
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[Journal Article] Vibration-driven reaction of CO2 on Cu surfaces via Eley-Rideal-type mechanism2019
Author(s)
Jiamei Quan, Fahdzi Muttaqien, Takahiro Kondo, Taijun Kozarashi, Tomoyasu Mogi, Takumi Imabayashi, Yuji Hamamoto, Kouji Inagaki, Ikutaro Hamada, Yoshitada Morikawa, Junji Nakamura
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Journal Title
Nature Chemistry
Volume: 11
Pages: 722-729
DOI
Peer Reviewed
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