2021 Fiscal Year Annual Research Report
Development of ISFET array sensor for pH measurement of pore water in marine sediment
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21H03578
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| Research Institution | Tokyo Metropolitan University |
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Principal Investigator |
中嶋 秀 東京都立大学, 都市環境科学研究科, 准教授 (10432858)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
茅根 創 東京大学, 大学院理学系研究科(理学部), 教授 (60192548)
森岡 和大 東京薬科大学, 薬学部, 助教 (70794056)
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| Project Period (FY) |
2021-04-01 – 2024-03-31
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| Keywords | pHセンサー / イオン感応性電界効果トランジスタ / ISFET / 海洋酸性化 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
(1)拡張ゲート型ISFETセンサーの作製
ダイシングソーを用いてP型シリコンウェハを5mm角にカットし，電子サイクロトロン共鳴スパッタ装置(ECR)を用いて，シリコンウェハの表面に酸化タンタル(Ta2O5)の薄膜(イオン感応膜)を形成した。次に，フレキシブルプリント回路基板の先端に，銀/塩化銀ペーストを用いて，イオン感応膜を形成したシリコンウェハを接続し，シリコンウェハのイオン感応部以外をエポキシ樹脂でモールドした。このフレキシブルプリント回路基板に電界効果トランジスタ(FET)を取り付け，拡張ゲート型ISFETセンサーを作製した。
(2)拡張ゲート型ISFETセンサーの性能評価
上記で開発した拡張ゲート型ISFETセンサー，ゲート電位検出部（Ag/AgCl），プリアンプ，データロガー，電源およびコンピュータなどから構成されるpH計測システムを構築し，pH標準液を用いて開発したISFETセンサーの性能評価を行った。すなわち，開発したISFETセンサーのイオン感応部とゲート電位検出部を一定温度の3種類のpH標準液(pH 4.01, 6.86, 9.18)に順次浸漬し，ゲート電圧を測定した。その結果，開発したISFETセンサーはpHの変化に対して瞬時に応答し，pHが高くなるとゲート電圧の値が増加することがわかった。そこで，ゲート電圧値をpHに対してプロットした検量線を作成したところ，相関係数0.999の良好な直線性を示す検量線が得られた。このとき，5回の繰り返し測定における相対標準偏差(RSD)は0.35~0.71%，10秒間のノイズの標準偏差の3倍と定義したセンサーのpH分解能は0.00022 pHと見積もられ，開発したISFETセンサーは市販のガラス電極を用いるpHセンサーと同等の性能を有することが確認された。
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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
(1)拡張ゲート型ISFETセンサーの作製
研究計画書に記載した方法で拡張ゲート型ISFETセンサーを作製することができたため。
(2)拡張ゲート型ISFETセンサーの性能評価
イオン感応膜に酸化タンタルを用い，膜厚を最適化することにより，当初の分解能（精度）の目標値を達成することができたため。
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| Strategy for Future Research Activity |
(1)センサーのアレイ化
複数の拡張ゲート電極（イオン感応部）とゲート電位検出部を一直線上に配列したISFET センサーを作製する。pH標準液と標準海水（CRM）を用いて，個々のISFETセンサーが溶液のpH変化に対して精確に応答することを調べる。これにより，各センサーのpH分解能が0.0005pH以内であること確認する。また，本研究では最終的に海中に装置を沈めてpH測定を行うため，バッテリーでの駆動が必要不可欠である。そこで，ISFET制御用電子回路とデータロガーにバッテリーを接続し，固定電源無しで1週間程度pH 計測が可能であることを示す。
(2)模擬環境でのpH計測
実際に海中で実験を行う前に，装置を水没させても計測できるかどうかや，砂地に埋め込んだセンサーの物理的・化学的耐久性も十分に評価する必要がある。そこで，実際の海砂と海水を用いて1mほどの大きさの水槽内に海中の模擬環境を構築し，開発したISFETセンサーの性能評価を行う。そのために，まず，耐水性の密閉容器内に電子回路やバッテリーを入れ，イオン感応部とゲート電位検出部が外部に露出したシステムを構築する。次に，このシステムを上記水槽内の海砂に埋め込み，1週間程度連続で 海水のpH 計測が可能であることを実証する。
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[Journal Article] Development of a fluorescence microplate reader using an organic photodiode array with a large light receiving area2022
Author(s)
K. Morioka, M. Osashima, N. Azuma, K. Qu, A. Hemmi, A. Shoji, H. Murakami, N. Teshima, T. Umemura, K. Uchiyama, H. Nakajima
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Journal Title
Talanta
Volume: 238
Pages: 122994
DOI
Peer Reviewed
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[Journal Article] Development of portable fluorescence microplate reader equipped with indium tin oxide glass heater for loopmediated isothermal amplification2022
Author(s)
R. Ishii, K. Morioka, T. Mizumoto, N. Yamasaki, A. Hemmi, A. Shoji, H. Murakami, N. Teshima, T. Umemura, K. Uchiyama, H. Nakajima
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Journal Title
Sensors and Materials
Volume: 34
Pages: 971-985
DOI
Peer Reviewed
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