ppbの有機分子を検出可能にする
小型高感度センサ
大学院工学研究院
先端物理工学部門

助教 生田 昂

新技術概要特定の官能基を有した有機分子をppb領域の微量濃度で検出可能なセンサ
1 ppb = 0.0000001 %• 従来の小型デバイスでは困難であったppb領域での有機分子検出が可能• 分子中の特定の官能基に対して選択性を付与することが可能• 気体中での検出だけでなく溶液中においても検出可能

グラフェンFET

化学反応
R1 SH

H
S

R1

Tokyo University of Agriculture and Technology2従来の環境計測における課題
環境中の微量物質の計測手順
専門機関
採集・運搬

測定前処理・分析

GC/MS, GC/FPD,NMR, XPS等により分析• 大型・高価な専門機器による分析• 濃縮や分離などの専門的な処理

 分析の長期化や高コスト化
Tokyo University of Agriculture and Technology3従来の環境計測技術との比較
装置の大きさ本技術の特徴1 mm

半導体式センサ

1 cm

濃縮無• 大きさと測定感度のトレードオフの打開が可能

本技術

濃縮有• 化学反応に基づく官能基特異的な検出が可能

10 cm
GC/MS, NMR etc.
濃縮無
濃縮有

1m%

大型装置

ppmppb

ppt

感度

検出方法

測定下限

前処理

選択性

大きさ

測定対象

GC/MS~ppb

有り

〇>1 m

分子量

NMR

ppm~%

有り

〇~1 m

官能基~ppm無し△~1 mm

還元性ガスppb無し〇~1 mm

官能基

小型 半導体センサ
検出器
本技術

Tokyo University of Agriculture and Technology

4

本技術の目標
現場

従来

採集

運搬

専門機関

前処理

分析・評価

分離・濃縮

本技術

• オンサイト測定可能 • 専門知識によらず計測可能• 小型で低消費電力 • 高感度計測• 企業・家庭等への普及• 離島・災害現場・国外における迅速な環境計測

現場にて採集・分析・評価

可搬型センサ

有害物質のポータブルセンサの開発に繋がる
Tokyo University of Agriculture and Technology

5基幹技術体系
化学反応の電気的変化をグラフェンFETで取り出すセンサの開発

グラフェンFET

化学反応
マイケル付加求核置換反応：SN2反応

etc.

様々な化学反応を利用した対象物質の特異的検出を可能にするセンサ郡の構築が可能となる技術
Tokyo University of Agriculture and Technology

6グラフェンについて
炭素原子からなるハニカム構造を有した二次元物質(2010年ノーベル賞)
特徴・表面状態に敏感→低濃度検出に対する利点
・化学的に安定→化学反応による検出を妨げない
電子デバイス化

グラフェンFETの特徴
・表面状態変化を電流変化で検出・半導体微細化技術により集積化可能・高感度リアルタイム検出が可能
Tokyo University of Agriculture and Technology

7グラフェンセンサの現状
グラフェン上へ機能性材料を修飾し様々センサが実現
Pdナノ粒子

超分子DNAアプタマー

0 ppb
2 ppb
10 ppb30 ppb
50 ppb70 ppb200 ppb
800 ppb

Drain Current [mA]

120906030
20406080Back-Gate Voltage [V]

水素検出
Jpn. J. Appl. Phys.,2018, 57, 04FP05

ウイルス由来タンパク質検出

二酸化窒素検出
Nanoscale Adv., 2021,3, 5793

有機分子中の官能基検出可能なデバイスは未実現
Tokyo University of Agriculture and Technology

8

官能基選択な化学反応
官能基：分子の物性や反応性を特徴付ける部位→官能基に対して特異的に起こる化学反応に注目
官能基

代表的な分子症例等

反応例

ヒドロキシル基 –OH

エタノール
フェノール

アルコール中毒
有害物質

エステル化反応

ニトロ基 –NO2

ニトロトルエン爆薬

ニトロアルドール反応

チオール基 –SH

メタンチオール

悪臭・腐敗臭チオール-エン反応

トリメチルアミン

悪臭・腐敗臭

SN2反応

アミン基

グラフェン上で化学反応を利用することにより官能基検出を行う
Tokyo University of Agriculture and Technology

9

本技術を用いたメタンチオール検出
反応性分子
N-(9-アクリジニル)マレイミド

ターゲット分子メタンチオール

SHとの反応部位＋ HS-CH3グラフェンとの結合部位

検出結果

反応性分子とグラフェンFETを利用し10 ppbのメタンチオールの検出が可能
underUV＊半導体式センサと比較し3桁以上低濃度で検出
ACS Appl. Mater. Interfaces 2021, 13, 37, 45001

Tokyo University of Agriculture and Technology

10本技術を用いたメタンチオール検出
メタンチオールに対する選択制

Voltage shift (V)Voltage shift (V)メタンチオールに対する応答性

UV照射により電圧のシフトが発生＊UVにより検出タイミングをコントロール可能

メタンチオールに対して高い選択性を実現
ACS Appl. Mater. Interfaces 2021, 13, 37, 45001

Tokyo University of Agriculture and Technology

11

本技術を用いたメタンチオール検出
異なる反応性分子を利用

Drain Current [mA]

N-(9-アクリジニル)マレイミド

0 ppb
10 ppb2520

ブロモビマン

反応性分子を変更した場合でもメタンチオールに対して応答

151050153045

グラフェン上で様々な分子群の利用が可能

Back-Gate Voltage [V]Tokyo University of Agriculture and Technology

12本技術のまとめ• 従来の小型デバイスでは困難であったppb領域での有機分子検出が可能• 分子中の特定の官能基に対して選択的に検出可能

Tokyo University of Agriculture and Technology

13

本技術がひらく高感度環境計測• 専門機関における高価・高度な分析装置が不要• 専門家によらない環境計測の実現
本技術• 有害物質の迅速な検出• センサ普及による有害物質の監視網の構築
従来技術では困難であったきめ細かな有害物質モニタリングの実現へ

SDGsの目標実現に対しても高い貢献度になると期待Tokyo University of Agriculture and Technology

14実用化に向けた課題
 大気下や夾雑環境下での実証試験は未実施– 窒素下での対象物質の検出は実証済み

 大気下での検出可能性について実験・データの取得– 実環境に近い系での実験を通じて分子の最適化

 デバイスの作製精度の向上– デバイス特性のバラつきを抑制できる技術の確立・最適化

 デバイスの再利用性の検証– 反応後の反応性分子の剥離溶媒の最適化

Tokyo University of Agriculture and Technology

15

企業への期待 希望している共同研究先– 機能性分子の合成技術や、電子デバイスの実装技術を持つ企業様– グラフェンの応用展開を考えている企業様

 本技術の導入が有効と思われる協業先– 微量分析分野への展開を考えている企業様

Tokyo University of Agriculture and Technology16

本技術に関する知的財産権• 発明の名称 ：官能基含有有機分子検出
センサ、検出方法、有機分子検出アレイ
及び有機分子スクリーニング方法• 出願番号：特願2019-112141• 公開番号：特開2020-204522• 出願人：国立大学法人東京農工大学• 発明者：生田 昂、前橋 兼三、
坂本 優莉
Tokyo University of Agriculture and Technology

17お問い合わせ先

東京農工大学先端産学連携研究推進センター
ＴＥＬ
ＦＡＸ
e-mail042－388－7550
042－388－7553
suishin@ml.tuat.ac.jp

18