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Artificial Odor Sensor System using Multielement Composition Gradient Nano Films

Research Project

Project/Area Number 20F20048
Research Category

Grant-in-Aid for JSPS Fellows

Allocation TypeSingle-year Grants
Section外国
Review Section Basic Section 28030:Nanomaterials-related
Research InstitutionThe University of Tokyo
Host Researcher 長島 一樹  東京大学, 大学院工学系研究科(工学部), 准教授 (10585988)
Foreign Research Fellow SAMRANSUKSAMER BENJARONG  東京大学, 工学(系)研究科(研究院), 外国人特別研究員
Project Period (FY) 2020-04-24 – 2022-03-31
Project Status Granted (Fiscal Year 2021)
Budget Amount *help
¥2,300,000 (Direct Cost: ¥2,300,000)
Fiscal Year 2021: ¥1,100,000 (Direct Cost: ¥1,100,000)
Fiscal Year 2020: ¥1,200,000 (Direct Cost: ¥1,200,000)
Keywords人工嗅覚センサ / 異種センサ集積化 / 無機ナノ薄膜
Outline of Research at the Start

本研究では、環境中の匂い分子群から化学データを収集するために、無機材料を複数傾斜堆積させることで多種多様な異なるセンサ群の集積化を実現し、生体の嗅覚システムの多様性に倣った堅牢な集積化人工嗅覚センサを構築する。更に、当該センサを介して生体ガスセンシングを行い、得られる膨大な化学データを人工知能により解析することで、生体情報モニタリング機能を実証すると共に、センサ種数と生体情報センシング精度との相関性を明らかにする。

Outline of Annual Research Achievements

本研究では、1)分子認識無機材料を複数傾斜堆積させ形成する多元素機能傾斜ナノ薄膜を利用して生体の嗅覚システムの多様性に倣った堅牢な集積化人工嗅覚センサを構築し、2)本センサデバイスを介して得られる膨大な分子センシングデータを人工知能により解析することで生体ガスセンシングによる生体情報のモニタリング機能を実証することを目的とする。研究計画初年度に当たる2020年は4種の金属酸化物材料を用いて多元素傾斜無機分子認識ナノ薄膜の作製を試み、面内で異なる組成分布を持つセンサアレイの構築が原理的に可能であることを確認した。更に詳細を検討するために、ZnO-WO3の2元系傾斜無機ナノ薄膜において熱処理温度と表面組成・結晶構造との相関性を明らかにするとともに導電性・分子センシングの評価を行った結果、表面組成の変化により異なる分子センシング特性が観測された。加えて、傾斜組成を有する複数のセンサ素子群より得られたセンシングデータセットを機械学習により解析することにより、アミン・アルコール・アルデヒド3種の分子群の電気的識別に成功し、本研究で提案する集積化人工嗅覚センサ形成アプローチのPoCが達成された。一方で、センサ材料自体の組成傾斜を利用した方法論の問題点も明らかとなってきており、高度な分子識別センシング機能実現へ向けた基板-センサ-分子間界面の設計指針構築、及び異種集積化センサデバイスの実現へ向けたセンサ表面特性変調に関する基礎検討を開始した。

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

多元素傾斜無機分子認識ナノ薄膜が形成可能であることを見出し、傾斜組成センサ群により得られた分子センシングのデータセットと機械学習によりアミン・アルコール・アルデヒド3種の分子群の電気的識別に成功しており、提案するアプローチのPoCを達成できたため。

Strategy for Future Research Activity

本研究で提案する集積化人工嗅覚センサ形成アプローチのPoCが達成されたものの、その一方で、作製した金属酸化物ナノ薄膜センサにおいては、i)無機ナノ薄膜組成により劇的に導電性が変調され(電気抵抗変調幅 約14桁)、周辺回路による安定的なシグナルの読み出しが困難となること、ii)分子センシングの電流応答性が全体的に小さく、応答速度が極めて遅いため、生体ガス中に多く含まれる化学特性が類似した分子種の識別を瞬時に行うことが困難であるといった課題も見えてきた。そこで次年度は、金属酸化物ナノ薄膜のアニール温度/雰囲気/時間と基板-金属酸化物界面を設計制御することによりナノ結晶化プロセスを精密制御し、分子センシングの高感度化・応答高速化を狙うと共に、金属触媒アプローチを組み合わせることでセンサの導電性変調を抑制しつつセンサ表面における分子吸着・反応の選択性実現の可能性を探索する。

Report

(1 results)
  • 2020 Annual Research Report

Research Products

(5 results)

All 2021 2020 Other

All Journal Article (3 results) (of which Peer Reviewed: 1 results,  Open Access: 1 results) Presentation (1 results) (of which Invited: 1 results) Remarks (1 results)

  • [Journal Article] The impact of surface Cu2+ of ZnO/(Cu1-xZnx)O heterostructured nanowires on the adsorption and chemical transformation of carbonyl compounds2021

    • Author(s)
      J. Liu, K. Nagashima, Y. Nagamatsu, T. Hosomi, H. Saito, C. Wang, W. Mizukami, G. Zhang, B. Samransuksamer, T. Takahashi, M. Kanai, T. Yasui, Y. Baba and T. Yanagida
    • Journal Title

      Chemical Science

      Volume: 12 Pages: 5073-5081

    • DOI

      10.1039/d1sc00729g

    • Related Report
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    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] 分子認識エレクトロニクスへ向けたナノ界面エンジニアリング2020

    • Author(s)
      長島 一樹, 高橋 綱己, 細見 拓郎, 柳田 剛
    • Journal Title

      化学工業

      Volume: 71 Pages: 518-524

    • NAID

      40022316803

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  • [Journal Article] 「次世代のセンシング材料」ー堅牢な分子認識界面の創製ー2020

    • Author(s)
      23.長島 一樹, 高橋 綱己, 細見 拓郎, 柳田 剛
    • Journal Title

      月刊MATERIAL STAGE

      Volume: 20 Pages: 78-83

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  • [Presentation] 堅牢なナノ界面と分子認識エレクトロニクス2020

    • Author(s)
      長島一樹, 高橋綱己, 細見拓郎, 柳田 剛
    • Organizer
      第81回応用物理学会秋季学術講演会
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    • Invited
  • [Remarks]

    • URL

      https://knagashima.weebly.com/

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      2020 Annual Research Report

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Published: 2020-07-07   Modified: 2021-12-27  

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