2019 Fiscal Year Research-status Report
Ultra high sensitive skin gas sensors for wearable health condition monitoring
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19K21962
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| Research Institution | The University of Tokyo |
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Principal Investigator |
田畑 仁 東京大学, 大学院工学系研究科(工学部), 教授 (00263319)
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| Project Period (FY) |
2019-06-28 – 2021-03-31
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| Keywords | 皮膚ガス / ガスセンサ / 酸化物半導体 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
日常で健康状態を常時手軽にモニタすることができれば、未病・健康寿命延伸に繋がる。呼気や皮膚表面から放出されるガス(皮膚ガス)はヘルスコンディションおよび病態と密接に関連しており、採取が容易で人体への侵襲や精神的な負担が伴わないバイオマーカである。糖尿病の場合大量のケトン体が血中に増加する。このケトン体の中で揮発性の高いアセトンは血液を通じて呼気や皮膚表面から放出されるため、皮膚放出アセトンの濃度をモニタリングすることで糖尿病の状態管理が可能となる。そこで皮膚ガス計測に必要な超高感度な計測機構を有し、ウェアラブル(小型)で繰り返し計測が可能な携帯型皮膚ガスセンサの研究を行った。具体的には、ガス捕集部：多孔質材料（ゼオライト）を用いた皮膚ガス濃縮による高感度化について研究を実施した。
脂質代謝マーカの皮膚アセトン検出には1ppb以下での高感度が要求されるが、現存ガスセンサのアセトン濃度の検出下限は、ppm(百万分の１)レベルであり、大掛かりなガスクロマトグラフィ機器を併用した現在の世界最高感度でさえ20 ppbにとどまっている。この解決手段として機能性多孔質材料であるゼオライトに着目した。ゼオライトは結晶中に分子径と同程度の微細な細孔（2～16Å）を持ち、細孔内に炭化水素等の有機物を吸着する能力を有する。吸着させたい分子サイズに対応した細孔径のゼオライトを用いることで、対象とする皮膚ガスを選択的に吸着・濃縮し、その後あるタイミングで熱を加えることで、細孔内に吸着した炭化水素を細孔外に脱離させて半導体素子で計測する。約200種あるゼオライトの中で、アセトンの分子直径（約4.6Å）と同程度の細孔径を有し、親/疎水性が異なる代表的な3種類のゼオライトを選択して研究を実施した。
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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
研究計画に沿って研究・実験を進めており、順調に進展していると考えられるため。
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| Strategy for Future Research Activity |
今後は以下について研究を進めていく。
ガス検出部２：酸化物半導体ナノロッド-コアシェル構造：半導体式ガスセンサは固体表面とガスとの反応によって生じる抵抗の変化に基づき、ガスの存在やその濃度を計測する。従って比較的安定な表面を有する酸化物半導体を材料として用いることが多い。一般にn型半導体であるWO3、ZnO、SnO2、TiO2やn型磁性半導体CoZnO、p型半導体であるCu2O、NiO、磁性半導体であるFe2O3等が半導体式ガスセンサの材料として候補と考えている。我々は先行実験によりアセトンガスに対しては、WO3半導体が選択的計測感度が高いことを確認している。ゼオライトとのコアシェル構造FETを形成し、各種皮膚ガスに選択的感度を有するセンサの作製を目指す。
ガス検出部２：遺伝子改変モザイクウィルス鋳型半導体ナノ粒子ワイヤ：さらに1ppb以下の高感度計測を実現するため、遺伝子改変モザイクウィルスを鋳型として、WO3半導体やGa2O3半導体のナノ粒子（数nmφ以下）集合体のナノワイヤを合成し、微粒子化することによる表面積増大および、ガスセンサの極限高機能化に挑戦する。（従来の酸化物半導体微粒子サイズは、最小でも数百nmで、スケールメリットにり感度3桁アップが試算され、ppb以下の超高感度化達成を目指す。
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| Causes of Carryover |
経費削減により予定より実験にかかる費用が少なくできたため。2020年度はタンデム型ガスセンサの開発及び超高感度皮膚ガス検出の実現に向けて実験を進めていく。
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[Presentation] p型強磁性半導体(Ga,Fe)Sbの価電子帯バンド構造と不純物バンド2019
Author(s)
武田 崇仁, 鈴木 雅弘, L. D. Anh, 野中 洋亮, T. Schmitt, 吉田 訓, 坂野 昌人, 石坂 香子, 竹田 幸治, 藤森 伸一, 関 宗俊, 田畑 仁, 藤森 淳, 田中 雅明, V. N. Strocov, 小林 正起
Organizer
日本物理学会 第74回年次大会（2019年）
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[Presentation] p型強磁性半導体(Ga,Fe)Sbの価電子帯バンド構造と不純物バンド2019
Author(s)
武田 崇仁, 鈴木 雅弘, L. D. Anh, 野中 洋亮, T. Schmitt, 吉田 訓, 坂野 昌人, 石坂 香子, 竹田 幸治, 藤森 伸一, 関 宗俊, 田畑 仁, 藤森 淳, 田中 雅明, V. N. Strocov, 小林 正起
Organizer
2019年 第66回応用物理学会春季学術講演会
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