2022 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) ISFETアレイセンサーの作製と性能評価
イオン感応部(Ta2O5)とゲート電位検出部(Ag/AgCl)を4個ずつ有するISFETアレイセンサーを作製し，人工海水[Tris (pH8.15)とAMP (pH6.81)]を用いてISFETアレイセンサーの性能を評価した。その結果，いずれのセンサーもpHの変化に対して応答することが確認されたので，ISFET制御用電子回路，データロガーおよびバッテリーを耐水容器に入れ，これを沖縄県備瀬崎の海底に設置して海水のpHを測定した。その結果，1個のセンサーは感応膜の損傷によりpHを計測できなかったが，残りの3個のセンサーは少なくとも24時間連続してpHを計測できることが確認された。しかし，ゲート電位検出部のAg/AgClに劣化が観察された。
(2) カーボンファイバーをゲート電位検出部とするISFETセンサーの作製と性能評価
多くの化学物質や夾雑物を含む試料に浸漬しても劣化しない導電性材料としてカーボンファイバーを検討した。すなわち，Ta2O5をイオン感応部とし，カーボンファイバーをゲート電位検出部とするフロー型ISFET pHセンサーを開発し，3種類のpH標準液(pH 4.01, 6.86, 9.18)を用いて開発したISFETセンサーの性能を評価した。その結果，相関係数0.999の良好な直線性を示すpHに対する検量線が得られ，感度は38.7 mV/pH，ヒステリシス誤差は1.4mVと見積られた。さらに，TrisとAMPを用いてセンサーの校正を行い，実海水のpHを測定したところ，海水のpHは8.02と見積られ，この値は市販のガラス電極を用いるpHメーターで得られたpH値とよく一致した。これらの結果から，カーボンファイバーをゲート電位検出部に用いることにより，Ag/AgClよりも長期間安定して海水のpHを計測できると推測された。
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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)ISFETアレイセンサーの作製と性能評価
センサーのイオン感応部とゲート電位検出部をアレイ化し，24時間連続して海水のpHを計測できることが確認できたため。
(2)カーボンファイバーをゲート電位検出部とするISFETセンサーの作製と性能評価
ゲート電位検出部の材料を劣化の少ない導電性材料であるカーボンファイバーに変更してもpHを計測できることが確認できたため。
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| Strategy for Future Research Activity |
(1) 模擬環境でのpH計測
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アレイセンサーの性能評価を行う。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だけが外部に露出したシステムを構築する。このシステムを上記水槽内に沈め，イオン感応部とゲート電位検出部を海砂に埋め込み，長期間連続して海水の pH を計測できることを実証する。
(2) 実海域での実証試験
沖縄県琉球大学瀬底研究施設と周辺の海域にて，開発したISFETアレイセンサーの実証試験を行う。サンゴ礁域の海底堆積物中の間隙水の深度方向のpHを連続計測し，データの取得を目指す。また，従来のガラス電極を用いる計測も同様の条件で行い，本センサーで得られたpH応答と比較する。可能であれば，期間を空けて複数回の測定を同じ海域で実施し，計測時期（季節）の違いにより深度方向の pH 分布がどのように変化するかを明らかにする。
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