2020 Fiscal Year Annual Research Report
Fundamental Study of Robust Molecule Recognition Electronics
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18H05243
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| Research Institution | The University of Tokyo |
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Principal Investigator |
柳田 剛 東京大学, 大学院工学系研究科(工学部), 教授 (50420419)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
安井 隆雄 名古屋大学, 工学研究科, 准教授 (00630584)
内田 建 東京大学, 大学院工学系研究科(工学部), 教授 (30446900)
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| Project Period (FY) |
2018-06-11 – 2023-03-31
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| Keywords | ナノ材料科学 / センサエレクトロニクス / 分子認識 / 金属酸化物ナノ構造 / 分子センサ |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究のアプローチは、①金属酸化物ナノワイヤの精密結晶成長制御技術を駆使して「ナノワイヤ表面に分子形状を記憶」させた堅牢な分子識別機能の多様な分子群への適用可能性と限界を調べ、②分子識別性を有する酸化物ナノ構造をシリコン基板上で集積化して、堅牢な分子識別酸化物ナノワイヤ構造とセンサとの集積化ハイブリッド分子センサを創製し、③1024個の分子センサを集積化させたセンサアレイを実証する、という3つの段階による。これまでに、ナノワイヤ表面に分子形状を記憶させる新技術の創出に成功し、夾雑分子群から標的分子を電流識別する方法論の原理実証が完了していた。今回は①分子識別の耐熱性及び耐久性を評価し、分子形状記憶が破壊される条件が材料物性とどのように相関するかを検証および②センサチャネル表面構造の変調による分子識別能力の最適化を行い、分子鎖長が同一の分子種における位置異性といったより高度な構造異性を有する分子群の識別へと展開を行ったうえで、③導電性金属酸化物電極材料とナノチャネル構造の新規設計による、長期間安定動作分子センサの高密度集積化の実現に取り組んだ。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
堅牢な分子識別機能を持つナノワイヤ表面の形成評価技術については、400 ℃以上の温度および数百回レベルの繰り返し耐久試験を行い、その堅牢性を評価した。その結果、当初の予想を遥かに超える高温（>600 ℃）処理を経ても耐久性が保たれ、室温換算で数か月以上の長期にわたって分子識別能が保たれることを実証した。既存の分子鋳型の方法論においてこれほど高温・長期使用に耐える例はなく、世界に先駆けた成果と言える。さらに、センサチャネル表面構造の変調を行うことで、分子鎖長が同一の脂肪族ケトンにおける位置異性体の識別に成功した。単純な直鎖脂肪族の位置異性体は分子識別の中でも最難関に位置するものであり、本成果は分子鋳型を用いて炭素一個分の解像度で識別した初めての成果である。さらに、1024個の堅牢な金属酸化物ナノ薄膜分子センサを1平方センチメートル以下の面積に集積化したセンサアレイチップを開発し、1平方センチメートル以下の領域における空気中の分子の濃度分布を可視化することに成功した。
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| Strategy for Future Research Activity |
現在までに開発した堅牢な分子認識表面について、これまでのモデル分子群を基軸とした系統的かつ網羅的な標的物質の探索を行い、その認識能力の適用範囲と限界点を明らかとする。そしてその分子鋳型の形成過程と分子捕捉原理に対して量子化学計算・分子動力学シミュレーションを駆使して迫ることで、本研究成果を新たな学術基盤の創成へと昇華する。そして堅牢な分子識別酸化物ナノワイヤ構造とセンサとの集積化ハイブリッド分子センサを創製について、これまでに得られた分子鋳型による識別技術を電気的な識別へと展開し、1024個の集積化センサアレイチップを用いた生体由来分子群の時系列データ取得に取り組むことで、それらの揮発性有機化合物群データが対象の状態モニタリングに応用可能であることを実証する。
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