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ナノポア(ナノスケールの細孔)技術は、イオン電流波形解析法による液中の１個の粒子に対して計測法が着目されている。本研究の目的では、このイオン電流計測法における粒子の高い泳動速度のクリティカルな課題を解決するために、異なる電解質溶液条件を用いることで、ナノポア近傍の流体効果の制御する手法に取り組んだ。
昨年度では、ナノポアの両側に塩分濃度勾配条件を付けることで、検体粒子が低濃度側に入れるとイオン電流シグナルの検出頻度が増大する傾向が見られ、塩分濃度勾配による電気浸透流の効果が大きくなることが分かった。電気浸透流は表面における電気二重層に依存することは一般的な認識である。これまでの研究では、ナノポアの内壁面に表面電荷密度を設定したが、外表面の表面電荷における流体の影響ではいままで報告例が無かった。
ナノポアの内壁面と外表面の影響を検証するため、固体膜表面に金属酸化物を被覆する実験を行った。金属酸化物材料は各自の表面電気特性(等電点とゼータ電位)が存在し、電解質溶液のpHを調節することを加えて、表面電荷変化におけるイオン電流－電圧計測を行った。また、作製プロセスの手順を変更することで、ナノポアの内壁面と外表面に金属酸化物材料を被覆するパータンは4種類存在する。計測実験では、4種類のナノポアデバイスを作製し、それぞれイオン電流－電圧特性の違いを確認した。さらに、イオン電流整流特性とゼータ電位の依存性を検討した。また、マルチフィジックスシミュレーションの計算結果では、ナノポア近傍で発生する流体行為と電流－電圧特性の関係性を確認した。
本研究の成果によって、従来のナノポアデバイスではナノポアの近傍流体制御するのが難しい、電解質溶液条件とナノポアにおける内壁と外表面の効果を明らかにすることができた。これは、ナノ・マイクロシステムにおけるイオン輸送現象の設計と制御において非常に重要な知見である。
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