2023 Fiscal Year Annual Research Report
Creation of photonic crystal polymer-based ubiquitous analysis device for radionuclides
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22H02004
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| Allocation Type | Single-year Grants |
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| Research Institution | Tokyo Institute of Technology |
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Principal Investigator |
塚原 剛彦 東京工業大学, 科学技術創成研究院, 教授 (10401126)
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| Project Period (FY) |
2022-04-01 – 2026-03-31
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| Keywords | フォトニック結晶 / 金属イオン / センシング / 機能性ポリマー |
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| Outline of Annual Research Achievements |
ガラス等の基板上にダム構造を作製した後、そこにコアシェル粒子を分散させた水溶液を導入することで、コアシェル型高分子フォトニック結晶膜を基板上に集積する手法を確立した。コアシェル粒子は、コアにポリスチレン(PS)を、シェルにポリアクリル酸ポリマー（poly(acrylic acid)）を採用したものを合成した。作製した膜を原子間力顕微鏡にて測定したところ、均一な粒子が配列しており、フォトニック結晶(PC)が形成されていることを確認した。ここに水を滴下し、デジタルカメラ等による画像解析および反射光スペクトル測定を実施した。その結果、乾燥状態では高輝度な青色を呈するPCが、純水の滴下によって緑色に変化することが分かった。この時、470 nm付近にある乾燥状態の反射光スペクトルピークは、含水によって15分程度で600 nm付近までレッドシフトした。poly(acrylic acid)シェルが膨潤し、高分子フォトニック結晶の格子間隔が広がったことを示している。
作製したフォトニック結晶膜に対し、様々な金属イオン（1価セシウム、2価ストロンチウム、3価ランタン、3価セリウム、3価ルテチウム）を含む水溶液を滴下し、その色変化及び波長変化の測定を実施した。その結果、1価セシウムの反射光スペクトルに殆ど濃度依存性は見られなかった。2価ストロンチウムでは、濃度増加に伴って波長は連続的に変化し、100uM の添加で100 nm近い反射光シフトが確認された。一方、ランタノイド元素では、低濃度領域で一時的な長波長シフトが起こった後、50 uMの添加で200 nm程シフトするが、シフト量は飽和する様子が観測された。濃度に対して直線的な関係があるのは、10uM程度までであることから、低濃度領域の分析精度が高いことが明らかとなった。
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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
計画通り、フォトニック結晶ポリマー膜の作製と金属イオンセンシング性能の評価を実現している。
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| Strategy for Future Research Activity |
金属イオンへの選択性を向上させるため、ポリマーシェルにリン酸官能基やピロリドン官能基等を含む機能性ポリマーを採用する。また、PC膜の安定性を向上させるため、コアシェル溶液をガラス基板に滴下・乾燥するだけでなく、基板上で温度や光反応によってフィルム化する。さらに、PSをコアに使うフォトニック結晶では、最密充填構造を取れるため反射光強度が強く、作製が容易であると言うメリットがある反面、結晶形成時にクラックが発生し、分析精度が落ちるという課題も明らかとなってきた。一方、コアにシリカ粒子を使うと、粒子間の静電反発によって非最密充填構造を取るため、反射光強度はPSよりも低下するが、フォトニック結晶のクラックが起こりにくく、高精度な粒子制御及び測定が可能になる可能性もある。そこで、今後は、PSコアのみならず、シリカコア型のフォトニック結晶を作製すると共に、そのフィルム化を推進する。
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