| 研究課題/領域番号 |
21H03578
|
|---|
| 研究機関 | 東京都立大学 |
|---|
研究代表者 |
中嶋 秀 東京都立大学, 都市環境科学研究科, 准教授 (10432858)
|
|---|
| 研究分担者 |
茅根 創 東京大学, 大学院理学系研究科(理学部), 教授 (60192548)
森岡 和大 東京薬科大学, 薬学部, 助教 (70794056)
|
|---|
| 研究期間 (年度) |
2021-04-01 – 2024-03-31
|
| キーワード | pHセンサー / イオン感応性電界効果トランジスタ / ISFET / 海洋酸性化 |
|---|
| 研究実績の概要 |
(1)拡張ゲート型ISFETセンサーの作製
ダイシングソーを用いてP型シリコンウェハを5mm角にカットし，電子サイクロトロン共鳴スパッタ装置(ECR)を用いて，シリコンウェハの表面に酸化タンタル(Ta2O5)の薄膜(イオン感応膜)を形成した。次に，フレキシブルプリント回路基板の先端に，銀/塩化銀ペーストを用いて，イオン感応膜を形成したシリコンウェハを接続し，シリコンウェハのイオン感応部以外をエポキシ樹脂でモールドした。このフレキシブルプリント回路基板に電界効果トランジスタ(FET)を取り付け，拡張ゲート型ISFETセンサーを作製した。
(2)拡張ゲート型ISFETセンサーの性能評価
上記で開発した拡張ゲート型ISFETセンサー，ゲート電位検出部（Ag/AgCl），プリアンプ，データロガー，電源およびコンピュータなどから構成されるpH計測システムを構築し，pH標準液を用いて開発したISFETセンサーの性能評価を行った。すなわち，開発したISFETセンサーのイオン感応部とゲート電位検出部を一定温度の3種類のpH標準液(pH 4.01, 6.86, 9.18)に順次浸漬し，ゲート電圧を測定した。その結果，開発したISFETセンサーはpHの変化に対して瞬時に応答し，pHが高くなるとゲート電圧の値が増加することがわかった。そこで，ゲート電圧値をpHに対してプロットした検量線を作成したところ，相関係数0.999の良好な直線性を示す検量線が得られた。このとき，5回の繰り返し測定における相対標準偏差(RSD)は0.35~0.71%，10秒間のノイズの標準偏差の3倍と定義したセンサーのpH分解能は0.00022 pHと見積もられ，開発したISFETセンサーは市販のガラス電極を用いるpHセンサーと同等の性能を有することが確認された。
|
| 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
(1)拡張ゲート型ISFETセンサーの作製
研究計画書に記載した方法で拡張ゲート型ISFETセンサーを作製することができたため。
(2)拡張ゲート型ISFETセンサーの性能評価
イオン感応膜に酸化タンタルを用い，膜厚を最適化することにより，当初の分解能（精度）の目標値を達成することができたため。
|
| 今後の研究の推進方策 |
(1)センサーのアレイ化
複数の拡張ゲート電極（イオン感応部）とゲート電位検出部を一直線上に配列したISFET センサーを作製する。pH標準液と標準海水（CRM）を用いて，個々のISFETセンサーが溶液のpH変化に対して精確に応答することを調べる。これにより，各センサーのpH分解能が0.0005pH以内であること確認する。また，本研究では最終的に海中に装置を沈めてpH測定を行うため，バッテリーでの駆動が必要不可欠である。そこで，ISFET制御用電子回路とデータロガーにバッテリーを接続し，固定電源無しで1週間程度pH 計測が可能であることを示す。
(2)模擬環境でのpH計測
実際に海中で実験を行う前に，装置を水没させても計測できるかどうかや，砂地に埋め込んだセンサーの物理的・化学的耐久性も十分に評価する必要がある。そこで，実際の海砂と海水を用いて1mほどの大きさの水槽内に海中の模擬環境を構築し，開発したISFETセンサーの性能評価を行う。そのために，まず，耐水性の密閉容器内に電子回路やバッテリーを入れ，イオン感応部とゲート電位検出部が外部に露出したシステムを構築する。次に，このシステムを上記水槽内の海砂に埋め込み，1週間程度連続で 海水のpH 計測が可能であることを実証する。
|
