立石科学技術振興財団

助成研究成果集(第31号) 2022

［ 研究助成 (C) ］

簡便且つ迅速な細菌検査の実現を目指した
高感度グラフェンデバイスの開発
Graphene devices for detection of decay- derived molecules
2197005

研究代表者

東京農工大学
大学院生物システム応用科学府

一貫制博士課程

坂本

優莉を可能にする。その結果，人々を食中毒から守[研 究 の 目 的]り，更に腐敗を正確に評価することで過剰な食本研究では，高感度センサを用いた食料中の料破棄を削減することが可能と期待される。

細菌モニタリングにより，生命の安全確保のみ

そこで，細菌由来物質の検出により細菌やそならずフードロス削減を通じた食料問題及び環れによる腐敗を検出する可能性を考えた。本研

境問題の解決を実現することを長期的なビジョ究では特に，食品の腐敗によって生じるエタンンとした。

チオール (MeSH) ガスに着目した。腐敗とそ

現在，一般的な細菌検査には培養を含め 1 日の周辺における MeSH 濃度には相関があると以上の工程を要し，精密且つ高価な装置が必要報告されている。低濃度の MeSH の高感度検である。簡便かつ迅速な細菌検査手法の実現は，出が実現すれば，微量の細菌活性の検出につな一般の個人による細菌の“その場計測”の普及がると考えた。
[研究の内容，成果]
1．グラフェン電界効果トランジスタセンサ
グラフェンは，電界効果移動度の非常に高い物 質 で あ る。電 界 効 果 ト ラ ン ジ ス タ (FET)に用いることでその移動度が高い特性を生かしてわずかな電子状態の変化を増幅して検出することを可能にしている。また，グラフェンは炭素原子が二次元平面上に並んだ構造であることから比表面積が大きく，表面の変化を効率的に検出することが可能である。更に，六員環が並んだ構造のため，π 共役系を持つ分子であれば，π-π 相互作用により構造を保って分子修飾することが可能である。
グラフェン FET の構造は図 2 に示す通りで，ソースードレイン間の電圧一定状態で各ゲート

図1

テーマ概要

電圧印加時のソースードレイン電流を測定する― 1 ―立石科学技術振興財団

図2

グラフェン FET デバイス構造と図 3 に示すような両極性特性が得られる。各
ゲート電圧をかけることで電界効果が変化し，フェルミレベルが変化する。そして例えばグラフェン負電荷が吸着すると図 3 の橙色のように正方向にシフトする。センサとして応用する際

図4

は，電荷吸着や仕事関数の変化により疑似的にグラフェン FET センサ検出原理の比較

ゲート電電圧が変化することでこの特性が変化ておこるグラフェンチャネルを流れる伝達特性するのを測定し，対象物を検出している。の変化からターゲットを検出するのが一般的である。一方，本研究では，検出対象との化学反応による電子状態変化を伝達特性変化から検出している。ターゲット分子特有な化学反応を用いることで検出対象は修飾分子と特異的に共有結合を形成するため，選択性を持ちつつ，低濃度検出を可能になると考えられる。
3．メタンチオール (MeSH) ガスの検出

図3

グラフェン FET の特性

2．グラフェン FET のセンサ応用
グラフェン FET をセンサとして用いるには，ターゲットを選択的に認識する必要がある。そこで，結合を検出する信号変換部位としての役割を担うグラフェンと併せて，ターゲットが結図5合する分子認識部位が必要となる。

メタンチオール検出の戦略

従来の分子認識部位としては，図 4 に示す例

メタンチオールを検出するにあたり，チオーのようなグラフェンに抗体を修飾して抗原を検ルと選択的にチオール・エン反応するマレイミ出したり，ターゲットを捕捉しうる DNA や超ドに着目した。マレイミドをグラフェンに π分子を合成して修飾したりすることでターゲッ相互作用により修飾するため π 共役系を含む

トを分子間相互作用により捕捉し，それによっアクリジンを併せ持つ N-アクリジニルマレイ― 2 ―Tateisi Science and Technology Foundation

ミド (NAM) を修飾分子としてメタンチオールの検出を試みた。グラフェン上に修飾した
NAM がメタンチオールと反応して共有結合を形成して起こるポテンシャルの変化を検出することを目指した。
ま ず，NAM 修 飾 分 子 の 修 飾 に よ り，グ ラフェン FET の伝達特性は図 6 の通りとなり，正方向にシフトした，一般的な π-π 相互作用を用いてグラフェンに分子修飾した場合と定性的に一致している。したがって，分子が修飾さ図 7b伝達特性極小値の電圧の時間変化れたことが示唆された。
した。また，反応中の伝達特性の極小値の電圧の時間変化を図 7b に示す。指数関数的な変化となったことより化学反応速度論と定性的に一致した。
4．測定系の小型化
本研究では，電気測定はソース／メジャー・ユニット (図 8) を用いて行ってきた。当初の背景の通り一般家庭でのその場計測の実現に至
図6るにはより安価で簡便な測定系も必要となる。

NAM 修飾による伝達特性のシフト

そこで，グラフェン FET 用の測定モジュール

次に，メタンチオールと NAM の反応前後の作製も試みた。図 9 は市販の測定ツールと組における伝達特性の変化は図 7a の通りとなっ

み合わせてゲート電圧の印加なしの時にソースた。10 ppb の MeSH との反応により伝達特性ドレイン間に電圧印加した際の電流値の変化をは負方向にシフトした。MeSH との反応前後測定できる系となっている。

における NAM 修飾グラフェンの状態密度を第一原理計算から計算したところ，その変化と実験で得られた伝達特性の変化は定性的に一致

図8図 7aMeSH による伝達特性のシフト― 3 ―電気測定に用いている，ソース／メジャー・ユニット

立石科学技術振興財団

Detection of glutathione at Low Concentration by
Chemical Reactions on Graphene FET, 2020-21-21
33rd Int. Microprocesses and Nanotechnology
Conference, 2020 年 11 月 9 日
・ Yuri Sakamoto, Takashi Ikuta, and Kenzo Maehashi:
Detection of Methanethiol at Low Concentration by
Chemical Reactions on Graphene FET, 31A-8-2
32nd Int. Microprocesses and Nanotechnology
Conference, 2019 年 10 月 31 日
〈国内学会〉

図 9 試作した測定モジュール・ 坂本優莉，生田昂，前橋兼三 グラフェン FET 上における化学反応を用いた生体チオールの検出[今後の研究の方向，課題]

16p-Z21-8

第 68 回応用物理学会春季学術講演会，

2021 年 3 月 16 日

本研究の今後の方向としては，ガス夾雑下での認識の実証，デバイスの再利用可能性の検討，そして，簡便な計測モジュールを用いた測定の実証が挙げれる。

・ 前橋兼三，生田昂，坂本優莉，高桐佑貴，野崎諒
機能化グラフェンデバイスを用いたバイオセンシン
グ 20p-E201-8

第 80 回応用物理学会秋季学術講演会，2019 年 9 月 20 日・ 坂本優莉，生田昂，前橋兼三 グラフェン FET を用いたチオールガス検出の高感度化 18p-E308-10
第 80 回応用物理学会秋季学術講演会，2019 年 9 月[成果の発表，論文等]

18 日

〈論文〉

〈展示会〉

・ Yuri Sakamoto, Takashi Ikuta and Kenzo Maehashi:

・ 前橋研究室 (生田昂，坂本優莉) nano tech 2020 第Electrical Detection of Molecular Transformations

19 回 国 際 ナ ノ テ ク ノ ロ ジ ー 総 合 展・技 術 会 議，Associatedwith

ChemicalReactions

Using

2020 年 01 月 29 日〜31 日

Graphene Devices, ACS Applied Materials and〈特許〉Interfaces, Volume 13, Number 37, 45001-45007

・ 特願 2019-112141，特開 2020-204522，概要：「官能基含有有機分子検出センサ，検出方法，有機分子検2021 年〈国際学会〉

出アレイ及び有機分子スクリーニング法」発明者：

・ Yuri Sakamoto, Takashi Ikuta, and Kenzo Maehashi:

生田昂，前橋兼三，坂本優莉 2019 年 6 月出願― 4 ―