| 研究課題/領域番号 |
20H05651
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| 研究機関 | 東京大学 |
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研究代表者 |
田畑 仁 東京大学, 大学院工学系研究科(工学部), 教授 (00263319)
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| 研究期間 (年度) |
2020-08-31 – 2025-03-31
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| キーワード | ガスセンサ / 酸化物半導体 / 多孔質材料 / ナノ粒子 / 嗅診 |
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| 研究実績の概要 |
機能分担タンデム構造による高感度皮膚ガス検出に関する研究を行った。
ガス捕集部：多孔質材料（ゼオライト）を用いた皮膚ガス濃縮による高感度化要求条件の1ppb以下での高感度な皮膚ガス(例えばアセトン)測定であるが、先行研究においても世界最高レベルの半導体式ガスセンサのアセトン濃度の検出下限は、通常サブppmのレベル(数百nm)であり、大掛かりなガスクロマトグラフィ機器を併用しても20ppb(現在の世界最高感度)で、未だ達成されていない。
この解決手段として機能性多孔質材料であるゼオライトに着目した。ゼオライトは結晶中に分子径と同程度の微細な細孔（2～16Å）を持ち、細孔内に炭化水素等の有機物を吸着する能力を有する。吸着させたい分子サイズに対応した細孔径のゼオライトを用いることで、選択的に皮膚ガス分子を濃縮し、その後あるタイミングで熱を加えることで、細孔内に吸着した炭化水素を細孔外に脱離可能と期待されたため、これに関する実験を行った。約200種あるゼオライトの中でも計測対象の皮膚ガス分子直径（約3-6 Å）と同程度の細孔径を有し、結晶構造、新疎水性が異なるゼオライトを先ず選択し、皮膚ガスに対する吸脱着性能を評価し、皮膚ガス濃縮に適したゼオライトの基本物性について研究した。
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
2: おおむね順調に進展している
理由
研究計画に沿って、実験、研究を行っており、順調に進展していると考えられるため。
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| 今後の研究の推進方策 |
今年度に引き続き、ガス捕集部の研究を進める。また、ガス検出部について、ガス種に応じた半導体材料選定とナノ構造制御した半導体微粒子の研究を行う。
半導体式ガスセンサは固体表面とガスとの反応によって生じる抵抗の変化に基づき、ガスの存在やその濃度を計測する。従って比較的安定な表面を有する酸化物半導体を材料として用いることが多い。一般にn型半導体であるWO3、ZnO、SnO2、TiO2や、p型半導体であるCu2O、NiO等が半導体式ガスセンサの材料として用いられる。我々は先行実験によりWO3半導体が、アセトンガスに対して選択的検出感度が高いことを確認済みである。
半導体式ガスセンサの基本的な計測原理は、酸化物半導体表面に吸着している酸素によって、界面に空間電荷層が生じている。酸化・還元性ガスに曝されることによってこの空間電荷層が変化するとともに、酸素吸着によって生じている酸化物半導体の接触界面のポテンシャル障壁も同様に変化することで抵抗が変化する。この抵抗変化の大きさによってガス濃度を計測する。
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