立石科学技術振興財団

助成研究成果集(第27号) 2018

ウェアラブルデバイスを指向した乳酸レセプタ導入型
有機トランジスタ化学センサの創製
Development of organic transistor- based lactate sensors for wearable device applications
2171025

研究代表者

東京大学生産技術研究所

講師

南豪

我々は OTFT をプラスチック基板上に作製す[研 究 の 目 的］

ることに成功しており，当該デバイスに生理活
血中や汗中の乳酸濃度は運動生理学において性物質検出機構を組み入れたセンサデバイスを重要な指標となっており，運動時の血中乳酸濃種々開発してきた。そこで本研究では，からだ度の上昇が緩やかなほど，高負荷の運動を長時(皮膚) に直接貼ることで，運動時における含間持続させることが可能と言われている。乳酸

汗中乳酸をリアルタイムで検出できるウェアラは解糖系生成物の一種であり，筋肉細胞内におブル OTFT 乳酸センサの開発を目的とし，検いてエネルギー源である糖から分解され体内に出用デバイスの最適化およびその検出能につい蓄積される運動選手のパフォーマンスを効率よて調査をおこなった。

く向上させるためには，トレーニング中に乳酸[研究の内容，成果］濃度を測定し，そのデータをもとにトレーニングの運動強度及び量をデザインかつファインチューニングできることが理想とされる。とり1

OTFT 型センサの設計と作製

わけ 2020 年に東京オリンピックを迎える我が乳酸は我々の体液 (水系媒質) 中に含まれる国においては，このようなスポーツマネージメため，それらを検出するセンサデバイスは湿式

ントは意義深いと言えるだろう。しかし，血中雰囲気下において安定した動作を実現する必要の乳酸濃度を測定するには，当然皮膚を傷つけがある。すなわち，(1) 活性層となる有機半導て血液を採取しなければならない。最近では，体層の測定溶液への曝露の抑制，(2) 電気分解ごく少量の血液で分析可能になってきてはいる

反応が発生しない印加電圧 ― の 2 点に着目しものの，簡易に測定できるとは言えず，運動てデバイス設計をおこなうことで，乳酸検出用中のリアルタイム測定も困難であるため，全くデバイスの構築に取り組んだ。

新しいモニタリング法の開発が必要である。

安定した検出信号を得るため，信号変化部と筆者は，その解の有力候補のひとつとして，皮検出部を分離させた延長ゲート型構造のセンサ

膚に貼ることも可能な有機薄膜トランジスタデバイスを構築した (図 1)。当該構造は検出(OTFT) があるのではないかと考えた。OTFT部位とトランジスタによる信号変換部位が分離は電子デバイスであるもののしなやかな構造，されており，検出の際に駆動部が直接に水に曝印刷法による大面積・低コスト製造，低環境負露されないために，安定して動作させることが荷・簡便な製作工程といった特色が挙げられる。

できる。具体的には，一部を延伸させたゲート― 1 ―立石科学技術振興財団

在するキャリアトラップ因子を化学的に除去し，またその高度かつ緻密な集合状態に由来して，その上に形成される有機半導体膜の分子配向性や結晶性を高める効果や，デバイスの歩留まりを劇的に向上することが知られている。OTFT型センサデバイスの実証にあたり，筆者らは広く知られているホスホン酸誘導体と酸化アルミニウムの積層膜を適用することで低電圧駆動化(<3 V) を図った。
なお，OTFT 型センサのウェアラブル化を指向した検証実験として，フレキシブル (プラスチック) 基板上に OTFT および検出部位が実装・集積化された OTFT の作製をおこなっ
図 1 一体型 OTFT 乳酸センサの (a) 外観および (b) 構造

た (図 1)。フレキシブル基板には，耐溶剤性・耐熱性や機械的強度を考慮して，ポリエチレン電極上にて標的化学種が捕捉された際，測定溶ナフタレート基板 (膜厚：125 μm) を用いた。

液/電極界面の電位変化が発生し，これに起因フレキシブル基板の適用と反応性イオンエッチして電界効果の変化が生じることから，トランング処理によって，ゲート絶縁膜表面の平滑性ジスタの出力信号に“ずれ”が生じる。この出が損なわれていることが予想されたため，基板力信号の差異は，電極表面における化学種捕捉表面の凸凹に追従して薄膜形成が可能な蒸着または電子授受反応に由来し，その濃度に依存プロセスによる半導体層形成をおこなった。具した変化を呈することから，OTFT による電体 的 に は，DNTT (Dinaphtho [2,3-b : 2ʼ,3ʼ-f]気的化学種検出が達成し得る。また本構造は，

thieno[3,2-b]thiophene) を半導体材料として検出部位に分子認識材料を容易に修飾すること適用することで，フレキシブル基板上においてができるため，標的に合わせた自由なセンサ設も再現性の良い OTFT 特性が得られるようデ計が可能となる利点も併せ持っている。延長バイス構築をおこなった。

ゲート電極には，高い化学安定性を有する金薄様々な夾雑物質が存在する水系中において，膜を用いた。なお，制御電圧 (=ゲート電圧)

選択的に乳酸のみを識別する必要があることかは，疑似参照電極 (Ag/AgCl) を介して印加ら，本研究では乳酸酸化酵素を認識材料としてすることで，延長ゲート電極上での電位変化を用いることとした。酵素は「生体触媒」とも呼読み出せるようにしている。一般的な電位差測

ばれ，我々の生命活動における化学反応の介在定型の電気化学セルと比較すると，OTFT を役として作用しており，標的化学種に対する高介する本検出法はデバイスの小型化に伴うノイい選択性 (=基質特異性) を有していることかズ増大の抑制が期待でき，また信号増幅回路やら，デバイス中に組み込むことで高選択的な標無線回路中への組み込みも容易となる利点を有的検出が可能であると考えた。また，乳酸のリしている。

アルタイム計測のためには，濃度変化に追従す

また，OTFT の低電圧駆動化への取り組み

るよう応答系を酵素 ― デバイス間に挿入するとして，SAM と金属酸化膜を組み合わせた高必要がある。酵素が反応する際は，標的化学種容量キャパシタをゲート誘電体に適用すること― 酵素間において電子の授受が発生することとした。SAM は有機半導体/誘電体界面に存から，OTFT ― 酵素間の電子移動を可能にす― 2 ―Tateisi Science and Technology Foundation

図 2 作製した OTFT の (a) 伝達特性および (b) 出力特性図 3 OTFT の安定性評価結果。(a) バイアスストレス試
験による伝達特性の比較 (b) 繰り返し測定によるドレイン電流の変化る仕組みをデバイス中に組み込むことで，連続的な乳酸濃度変化=酵素反応の変化を電気的に読み出すことができるものと考えた。そこで本研究では，乳酸酸化酵素と延長ゲート電極の間に電子伝達層となるオスミウム錯体ポリマーと西洋ワサビペルオキシダーゼ (HRP) の混合膜を修飾し，その上に乳酸酸化酵素を塗布後，グルタルアルデヒドによって架橋することで，電極上への乳酸検出系の構築を達成した。2
OTFT 乳酸センサによる連続乳酸濃度の検知
フレキシブル基板上に構築した OTFT の基本特性を評価したところ，低電圧印加 (3 V 以
図4下) においてもヒステリシスのない良好な伝OTFT による乳酸濃度変化の検知達・出力特性を示した (図 2)。このため，また，直流バイアスストレス試験をおこなったと

3考察

ころ，長時間の電圧印加をおこなっても電気特観測された OTFT の閾値電圧 (オフ状態か性にほとんど変化が生じないことがわかった

らオン状態へと急峻に電流が増幅する際の印加(図 3(a))。また，60 回の連続電圧印加・電流ゲート電圧) の変化は，電気的に浮遊状態にあ測定をおこなったところ，バイアスストレス試るゲート電極電位が乳酸濃度増大によって変化

験同様に電気特性 (ドレイン電流) にほとんどしたことを示唆している。すなわち，酵素反応変化が見られなかった (図 3(b))。このことかにより乳酸がピルビン酸へと変化することで，ら，当該フレキシブルデバイスが乳酸の連続計

乳酸酸化酵素層―電子伝達層間および電子伝達測に適用し得る安定性を有することがわかった。

層―電極間における電子の移動サイクルが生じ，そこで，作製した OTFT 型センサを用い，連電極層全体に電位が変化したことで，乳酸濃度続的な乳酸濃度変化を追従可能であるかを検証

変化に依存した閾値電圧のズレが生じたものとしたところ，乳酸濃度の連続的な変化に依存し考察される。本電子サイクルにより誘発されるた電気特性の変化を示した (図 4)。本結果か閾値電圧変化は，OTFT のドレイン電流値もら，適切に設計した一体型 OTFT を活用する同様に比例的に変化させることから，電子回路ことで，乳酸のリアルタイム電気計測が可能で中に当該 OTFT を導入した際も，乳酸濃度にあることがわかった。

依存した回路特性の変化が期待される。

― 3 ―立石科学技術振興財団[今後の研究の方向，課題］

Minami*, Anal. Sci., in press.

以上のように，適切なデバイス設計と乳酸検出機構の導入を図ることで，水溶液中に含まれる乳酸を連続的・選択的に検出可能であることが示された。当該 OTFT 型乳酸センサと様々

2．招待・依頼講演[1] 南 豪“有機薄膜トランジスタを活用したバイオセンシング”日本化学会

第 98 春季年会，(2018)[2] 南 豪“金電極を活用した有機薄膜トランジスタ型化学センサの開発”第 79 回レアメタル研究会
特別・合同シンポジウム，(2018)

な周辺回路 (オペアンプ，情報処理回路，無線[3] 南 豪“有機薄膜トランジスタを用いて分子認識伝送回路など) を組み合わせることによって，情報を読み出す”日本化学会フロンティア生命化学

ウェアラブルセンサによる乳酸のリアルタイム計測が可能と考えられる。

研究会主催

第 20 回 生命化学研究会，(2018)[4] 南 豪“有機トランジスタの化学センサへの展開”日本学術振興会第 142 委員会 C 部会 第 78 回研究会，(2017)[5] Tsuyoshi Minami, “Supramolecular Chemical[成果の発表，論文等］

Sensors” Frontiers in materials, sensors and devices

1．査読付論文[1]

Tsukuru Minamiki, Yui Sasaki, Shiwei Su, andTsuyoshi Minami*, Polm. J., in press.

[2]

Tsukuru Minamiki, Shizuo Tokito, and Tsuyoshi― 4 ―for humanophilic innovation (2017 年)[6] 南 豪“有機薄膜トランジスタを用いた化学センサ・バイオセンサ”日本学術振興会分子ナノテクノ
ロジー第 174 委員会

第 59 回研究会，(2017)