非線形性を指標とした化学分析法による共存物質の応答評価

2003 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 14540559
• 研究機関: 奈良教育大学
• 研究代表者: 中田 聡 奈良教育大学, 教育学部, 助教授 (50217741)
• 研究分担者: 長山 雅晴 京都大学, 数理解析研究所, 助手 (20314289) ; 松山 豊樹 奈良教育大学, 教育学部, 助教授 (70202330) ; 柳沢 保徳 奈良教育大学, 教育学部, 教授 (90031591)
• キーワード: 化学分析法 / 非線形 / 非平衡 / ガス分析 / 半導体ガスセンサ

研究概要

1.二成分ガス共存下における各ガス種の定性・定量と共存効果の評価
n型半導体ガス検出では、燃焼反応が検出原理であるので、試料以外の可燃性ガスの存在が妨害ガスとして応答する誤作動が生じる。本研究では、温度と拡散の周期的摂動によるガス種の燃焼反応のダイナミクスの違いを利用し、ガス分析の分離能の向上を行った。まず、アルコール→アルデヒド→カルボン酸とセンサ応答の時間変化とこれらの成分比の変化プロセスをモニターし、ガスクロマトグラフィーにより同時分析した。その結果、非線形応答により得られたフーリエ変換の高調波を指標として、これらのプロセスで生じた複数成分の濃度比が評価できた。また、二成分間の相互作用について、高調波により評価(抑制、選択、増幅応答)できた。これらの共存応答を解明するために、FTIRによる吸着分子の同定とAFMによる表面構造変化を確認した。また拡散速度の実験によるセンサ応答の増幅に成功した。
2.非線形応答の物理化学的シミュレーション
特異的な非線形応答の発現メカニズムについて物理化学的パラメータと半導体の物理的特性の評価により、新システムへの発展と分離能の向上のための最適条件の検出を理論的に見出すことを目的とした。半導体の式としてShotkeyのバリアポテンシャルを用い、ガス反応として、酸素分子の吸着・脱離、試料ガスの吸着、吸着酸素との燃焼反応、及び表面近傍での放射熱による試料ガスの燃焼反応を含め、反応速度としてアレニウスの式を用いて計算機シミュレーションを行った。それにより、非線形応答のパラメータ評価と実験結果を再現するとともに、計算機実験の観点から分離能の高い測定条件を設定することが可能になった。
3.時空間発展現象を指標とした化学分析法のシステム設計
非線形反応場で生じる時空間発展現象を指標とした化学分析システムについてモデル実験系の確立を実験と理論の両面から確立した。

研究成果

• [文献書誌] S.Nakata, S.Hiromatsu, H.Kitahata: "Multiple autonomous motions synchronized with complex formation"Journal of Physical Chemistry B. 107. 10557-10559 (2003)
• [文献書誌] S.Nakata, S.Hiromatsu: "Intermittent motion of a camphor float"Colloids and Surfaces A. 224. 157-159 (2003)
• [文献書誌] H.Kitahata, A.Yamada, S.Nakata: "Mode bifurcation by pouring water into a cup"Journal of Chemical Physics. 119. 4811-4816 (2003)
• [文献書誌] M.Nagayama, S.Nakata, Y.Doi, H.Hayashima: "A theoretical and experimental study on the unidirectional motion of a camphor disk"Physica D. (in press). (2004)
• [文献書誌] H.Kitahata, S.Hiromatsu, Y.Doi, S.Nakata, M.R.Islam: "Self-motion of a camphor disk coupled with convection"Physical Chemistry Chemical Physics. (in press). (2004)
• [文献書誌] S.Nakata, Y.Doi: "Mode-emergence in the synchronized sailing of camphor boats"Advances in Complex Systems. 6. 127-135 (2003)
• [文献書誌] Satoshi Nakata, Editor: "Chemical Analysis Based on Nonlinearity"Nova Science Publishers, Inc., New York (USA). 155 (2003)