Development of Molecular Discrimination Method by Synthesizing Robust Molecularly Fingerprinted Nanowires

2019 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 18H01831
• Research Institution: The University of Tokyo
• Principal Investigator: 長島 一樹 東京大学, 大学院工学系研究科(工学部), 准教授 (10585988)
• Project Period (FY): 2018-04-01 – 2021-03-31
• Keywords: 酸化物ナノワイヤ / 分子識別 / 分子認識界面

Outline of Annual Research Achievements

本研究では、単結晶金属酸化物ナノワイヤ表面上に熱・化学的に安定な多点分子認識空間（＝分子指紋）を形成した分子指紋ナノワイヤを独自技術により創成し、分子指紋の構造・化学特性に基づく分子吸着識別機能、及び分子指紋と標的分子の化学的結合力に基づく分子脱離識別機能の機能融合により従来原理的に困難であった混合分子系における標的分子の検出・識別を可能にする新規分子識別法を提案・実証することを目的としている。当該年度の研究実績を以下に示す。
①高堅牢性分子指紋ナノワイヤにおける分子認識機能設計：ゾルゲル反応を介して単結晶金属酸化物ナノワイヤ上に高堅牢性分子指紋ナノワイヤを構築し、多成分混合分子群における標的分子の吸着選択性を検証した結果、分子指紋-ナノワイヤ界面を介した分子指紋層への化学ドーピング量の増加と共に標的分子に対する認識能が向上することを見出した。更に、分子指紋形成の固相成長プロセスに関して焼成温度の影響を詳細に検証した結果、適切な温度領域で２段階焼成を行うことで劇的に分子認識能が向上することを見出した。
②高堅牢性分子指紋形成メカニズム：化学ドーピングされた元素に対する標的分子の配位能力が分子指紋形成の鍵であるとの仮説の元、異なる配位能力を有する標的分子を用いて分子指紋形成を試みた結果、配位能力が低い標的分子に対しては分子指紋形成プロセス導入による分子認識能の向上は見られなかった。
③ナノワイヤ・センサ統合デバイスの創製：分子指紋ナノワイヤ-センサ統合デバイスを構築し、分子センシング性能を検証した結果、極めて高い分子濃縮効果が得らえ、当初の想定を大きく上回る分子センシングの高感度化実現の可能性を見出した。

Current Status of Research Progress

1: Research has progressed more than it was originally planned.

Reason

分子指紋ナノワイヤ-センサ統合デバイスを構築し、分子センシング性能を検証した結果、当初の想定を大きく上回る分子センシングの高感度化実現の可能性を見出したため。

Strategy for Future Research Activity

本年度までに得られた分子指紋形成メカニズムを更に詳細に理解するために、ナノワイヤ表面における各種分子群の吸着・反応・脱離挙動の理解に加えてX線吸収微細構造（XAFS）による分子指紋形成プロセスの追跡を行う。更に、これまでの枠組みを超えて材料展開を行い、多様な高堅牢性分子認識材料の創製を目指す。加えて、本年度までに原理検証を行った分子指紋ナノワイヤ・センサ統合デバイスの分子識別・濃縮機能に関して、その限界探索と最適化を行うと共に従来センサデバイスでは実現困難なセンサ性能の実証を目指す。

Research Products

• [Journal Article] Synthesis of Monodispesedly Sized ZnO Nanowires from Randomly Sized Seeds (2020)
  • Author(s): X. Zhao, K. Nagashima, G. Zhang, T. Hosomi, H. Yoshida, Y. Akihiro, M. Kanai, W. Mizukami, Z. Zhu, T. Takahashi, M. Suzuki, B. Samransuksamer, G. Meng, T. Yasui, Y. Aoki, Y. Baba and T. Yanagida
  • Journal Title: Nano Letters Volume: 20 Pages: 599-605
  • DOI: 10.1021/acs.nanolett.9b04367
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Monovalent Sulfur Oxoanions Enable Millimeter-Long Single Crystalline h-WO3 Nanowire Synthesis (2020)
  • Author(s): G. Zhang, C. Wang, W. Mizukami, T. Hosomi, K. Nagashima, H. Yoshida, K. Nakamura, T. Takahashi, M. Kanai, T. Yasui, Y. Aoki, Y. Baba and T. Yanagida
  • Journal Title: Nanoscale Volume: 12 Pages: 9058-9066
  • DOI: 10.1039/C9NR10565D
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Paper-Based Disposable Molecular Sensor Constructed from Oxide Nanowires, Cellulose Nanofibers, and Pencil-Drawn Electrodes (2019)
  • Author(s): H. Koga, K. Nagashima, Y. Huang, G. Zhang, C. Wang, T. Takahashi, A. Inoue, H. Yan, M. Kanai, Y. He, K. Uetani, M. Nogi and T. Yanagida
  • Journal Title: ACS Applied Materials & Interfaces Volume: 11 Pages: 15044-15050
  • DOI: 10.1021/acsami.9b01287
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Water-Organic Cosolvent Effect on Nucleation of Solution-Synthesized ZnO Nanowires (2019)
  • Author(s): Y. Akihiro, K. Nagashima, T. Hosomi, M. Kanai, H. Anzai, T. Takahashi, G. Zhang, T. Yasui, Y. Baba and T. Yanagida
  • Journal Title: ACS Omega Volume: 4 Pages: 8299-8304
  • DOI: 10.1021/acsomega.9b00945
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Substantial Narrowing on the Width of "Concentration Window" of Hydrothermal ZnO Nanowires via Ammonia Addition (2019)
  • Author(s): D. Sakai, K. Nagashima, H. Yoshida, M. Kanai, Y. He, G. Zhang, X. Zhao, T. Takahashi, T. Yasui, T. Hosomi, Y. Uchida, S. Takeda, Y. Baba and T. Yanagida
  • Journal Title: Scientific Reports Volume: 9 Pages: 14160
  • DOI: 10.1038/s41598-019-50641-y
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Redox-Inactive CO2 Determines Atmospheric Stability of Electrical Properties of ZnO Nanowire Devices through a Room-Temperature Surface Reaction (2019)
  • Author(s): K. Nakamura, T. Takahashi, T. Hosomi, T. Seki, M. Kanai, G. Zhang, K. Nagashima, N. Shibata and T. Yanagida
  • Journal Title: ACS Applied Materials & Interfaces Volume: 11 Pages: 40260-40266
  • DOI: 10.1021/acsami.9b13231
  • Peer Reviewed
• [Presentation] インクルーシブナノワイヤ科学 (2020)
  • Author(s): 長島 一樹
  • Organizer: 新潟大学自然科学研究科物性コロキウム
  • Invited
• [Presentation] 高堅牢性分子指紋ナノワイヤによる革新的分子認識センシング (2020)
  • Author(s): 長島 一樹, Jiangyang Liu, 細見 拓郎, 守法 篤, 中尾 厚夫, 高橋 綱己, 金井 真樹, 柳田 剛
  • Organizer: 日本化学会第100春季年会
• [Presentation] Paper-based Disposable Molecular Sensor Constructed from Oxide Nanowires, Cellulose Nanofibers, and Pencil-drawn Electrodes (2019)
  • Author(s): Kazuki Nagashima, Hirotaka Koga, Guozhu Zhang, Tsunaki Takahashi, Masaya Nogi, Takeshi Yanagida
  • Organizer: 第38回電子材料シンポジウム
• [Presentation] Water-Organic Cosolvent Effect on Nucleation of Solution-Synthesized ZnO Nanowires (2019)
  • Author(s): Kazuki Nagashima, Yuya Akihiro, Takuro Hosomi, Masaki Kanai, Tsunaki Takahashi, Guozhu Zhang, Takeshi Yanagida
  • Organizer: 第38回電子材料シンポジウム
• [Presentation] 分子認識無機表面“分子指紋”の形成における分子テンプレート量の影響 (2019)
  • Author(s): 早田 翔士郎, 長島 一樹, Jiangyang Liu, 細見 拓郎, 高橋 綱己, Guozhu Zhang, 金井 真樹, 柳田 剛
  • Organizer: 第5回ナノ分析化学討論会
• [Presentation] Metal Oxide Nanowire Surface for Molecular Recognition (2019)
  • Author(s): K. Nagashima, T. Hosomi, T. Takahashi and T. Yanagida
  • Organizer: The 2nd Material Research Society of Thailand International Conference (MRS-Thailand 2019)
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Metal Oxide Nanowire Based Robust Molecular Recognition Electronics (2019)
  • Author(s): K. Nagashima
  • Organizer: The 3rd International Conference on Frontier Technology Innovation (ICFTI-2019)
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Post-Seed Engineering for Synthesizing Monodispersely Sized ZnO Nanowires (2019)
  • Author(s): X. Zhao, K. Nagashima, G. Zhang, T. Hosomi, Y. Akihiro, M. Kanai, T. Takahashi, M. Suzuki, B. Samransuksamer and T. Yanagida
  • Organizer: International School and Symposium on Nanoscale Transport and phoTonics 2019 (ISNTT2019)
  • Int'l Joint Research
• [Remarks]
  • URL: https://knagashima.weebly.com/