ガス・バイオ・イオンセンシングの最新技術
電気化学会 化学センサ研究会 編
2008年6月発行
B5版
480ページ
発刊に当たって
社団法人電気化学会の化学センサ研究会は,九州大学の故清山哲郎先生らが中心となって,前身のセンサ研究懇談会(1977年発足)を発展させて1984年に設立され,今年で24年目を迎えます.現在,本研究会は法人会員約40社,個人会員約300名を抱えており,年6回の機関誌「Chemical Sensors」の発行,年各2回の研究発表会及び研究会の開催,各賞の授与,各種国内・国際学会の共催,協賛,支援などを行っています.今年度は特別にこの出版事業を加えております.
物理的現象を扱う物理センサに対して,化学的現象を伴うすべての検知素子(バイオセンサも含む)を対象として,包括的に化学センサ(Chemical Sensor)という呼称がつけられた後,世界的にこの呼称が認知され始めたのは,1983年に福岡で開催された第1回化学センサ国際会議(IMCS)以降と思われます.その後,この会議は,アジア,欧州,アメリカ地区の順で2年毎に開催され,今年は7月に米国のオハイオ州コロンバスで第12回が開催されます.
化学センサに関する書籍は,故清山先生らが1982年に講談社サイエンティフィックより「化学センサー:その基礎と応用」を発刊されたのが最初です.この本は,今では化学センサ研究のバイブル的な存在になっています.また,同年には「電気化学と工業物理化学」誌の第50巻第1号に化学センサの特集号として,当時の第一線の化学センサ研究者による13件の解説記事と8件の論文が掲載されています.前者の本の目次を見ると,ガスセンサー,固体電解質センサー,生物電気化学センサーに分かれており,当時はセンサではなくセンサーとのばしていたこと,東工大の相澤益男先生がこの直後に使われ始めたバイオセンサという表記はまだここにはなかったこと,固体電解質センサの比率が高かったことなどが分かります.
その後,四半世紀を経て今回の「先進化学センサ」の発刊となるわけですが,その間に化学センサの分野は大きな発展を遂げています.特にバイオセンサの分野では別の国際会議が開催され,国際専門誌も発行されています.本書の目次を見
ましても,医療用や生化学用などの多種多様な新規のバイオセンサが紹介されていることがわかりますし,マイクロ分析システム(μTAS) を組み込んだバイオ・イオンセンサの発展も著しいものがあります.一方,ガスセンサについては,安心・安全向け,車載用,環境計測用,アメニティ用などの新規分野での展開が見られますし,ナノ化材料技術やMEMS技術の進展に伴った省電力型素子やパターン認識方式のマイクロアレイの出現も特筆すべきでしょう.
今回の執筆陣は,化学センサ研究会の役員を中心として,総勢約60名にお願いしており,本研究会の総力を挙げての執筆態勢をとっています.また,ガスセンサ分野とバイオ・イオンセンサ分野がほぼ半々であり,それぞれの応用事例につい
ても何名かの企業の方に執筆していただき,全体的によくバランスのとれた構成となっています.内容的にも単なる解説ではなく,最近の各分野のトピックスを中心に執筆していただいており,最新かつ最先端の内容を知ることができます.
本書の内容は,(株)ティー・アイ・シィーの専門月間誌である「マテリアルインテグレーション」の第21巻5/6月合併号(2008年)の「化学センサの新展開」特集号として、まず掲載させていただきました.それを単行本の形として今回改めて出版するものです.これは,本会会員への最新情報の提供を行うとともに,「化学センサ」に対する一般の方々の理解度を高めることを狙っています.
この単行本の発刊には 本研究会の学術交流基金をあてることが役員会,総会において認められております.また,本書は,本研究会の会員全員に無料配布するとともに,昨今の非常に高価な解説本とは異なり,豊富でかつ最新の内容でありながらも,比較的廉価な価格設定にしています.さらに,若手研究者や学生諸君にも入手しやすいように配慮しております.この一冊が,化学センサ研究の今後の活性化や進展に大いに寄与するとともに,社会に対する有益な情報発信や若い人の教育に役立つことを願っています.
なお,本書を読まれて化学センサ研究会に興味をお持ちになられました場合には,是非とも本会のURL(
http://chemsens.electrochem.jp/)にアクセスして活動状況などを見て頂き,本会に入会して頂ければ幸いです.
最後になりましたが,本書の発行に当たり 絶大なるご協力を頂きました兵庫県立大学の水谷文雄教授,長崎大学の清水康博教授,(株)ティー・アイ・シィーの津田直樹社長と松田美佐子様に深謝いたします.
2008年5月20日
電気化学会化学センサ研究会 会長 三浦則雄(九州大学産学連携センター教授)
執筆者一覧 (50音順,所属は執筆当時)
青野 宏通 愛媛大学 大学院理工学研究科
安斉 順一 東北大学 大学院薬学研究科
飯田 泰広 神奈川工科大学 応用バイオ科学部
石地 徹 理研計器株式会社 品質管理センター
石原 達己 九州大学 大学院工学研究院
伊藤 敏雄 産業技術総合研究所 先進製造プロセス研究部門
伊藤 成史 株式会社タニタ バイオヘルスケア推進部
井上(安田)久美 東北大学 大学院環境科学研究科
今任 稔彦 九州大学 大学院工学研究院
今中 信人 大阪大学 大学院工学研究科
今林 慎一郎 芝浦工業大学 工学部
今屋 浩志 理研計器株式会社 品質管理センター
岩坂 博之 オムロン株式会社 コアテクノロジーセンタ
上田 太郎 九州大学 大学院総合理工学府
宇田 泰三 大分大学 工学部
内山 俊一 埼玉工業大学 大学院工学研究科
内山 政弘 国立環境研究所 大気圏環境部
浦川 穣璽 大阪工業大学 工学部
江頭 誠 長崎大学 工学部
江頭 直義 県立広島大学 生命環境学部
江川 祐哉 東北大学 大学院薬学研究科
大西 久男 大阪ガス株式会社 エネルギー技術研究所
大場 正利 オムロン株式会社 コアテクノロジーセンタ
大薮 多可志 金沢星稜大学 経営戦略研究科
蔭山 博之 産業技術総合研究所 ユビキタスエネルギー研究部門
片山 秀夫 ダイキン工業株式会社 環境技術研究所
勝 孝 岡山大学 大学院医歯薬学総合研究科
兼安 一成 フィガロ技研株式会社 センサ開発部
栗田 僚二 産業技術総合研究所 生物機能工学研究部門
黒岩 孝朗 株式会社山武 研究開発本部
斉藤 美佳子 東京農工大学 大学院工学府
笹原 隆彦 矢崎総業株式会社 技術研究所
定岡 芳彦 愛媛大学 工学部
佐藤 生男 神奈川工科大学 工学部
佐藤 勝彦 東北大学 大学院薬学研究科
珠玖 仁 東北大学 大学院環境科学研究科
四反田 功 東京理科大学 理工学部
篠原 寛明 富山大学 大学院理工学研究部
澁谷 康彦 大阪工業大学 工学部
島ノ江 憲剛 九州大学 大学院総合理工学研究院
清水 康博 長崎大学 工学部
清水 陽一 九州工業大学 工学部
申 ウソク 産業技術総合研究所
末 信一朗 福井大学 大学院工学研究科
鈴木 健吾 新コスモス電機株式会社 R&Dセンター
鈴木 博章 筑波大学 大学院数理物質科学研究科
鈴木 正康 富山大学 大学院理工学研究部
立間 徹 東京大学 生産技術研究所
田中 克之 エフアイエス株式会社
玉置 純 立命館大学 理工学部
茶山 健二 甲南大学 理工学部
外山 滋 国立身体障害者リハビリテーションセンター研究所
永井 清治 矢崎総業株式会社
永井 秀典 産業技術総合研究所 健康工学研究センター
中込 真二 石巻専修大学 理工学部
中南 貴裕 松下電器産業株式会社 バイオ技術開発室
南戸 秀仁 金沢工業大学 高度材料科学研究開発センター
西澤 松彦 東北大学 大学院工学研究科
西堀 麻衣子 産業技術総合研究所
丹羽 修 産業技術総合研究所 生物機能工学部門
野村 勝裕 産業技術総合研究所 ユビキタスエネルギー研究部門
花田真理子 エフアイエス株式会社
馬場 嘉信 名古屋大学 大学院工学研究科
原 和裕 東京電機大学 工学部
春山 哲也 九州工業大学 大学院生命体工学研究科
一二三 恵美 大分大学 先端医工学研究センター
兵頭 健生 長崎大学 工学部
藤尾 侑輝 九州大学 大学院総合理工学府
前川 亨新 コスモス電機株式会社 R&Dセンター
正留 隆 芝浦工業大学 工学部
末永 智一 東北大学 大学院環境科学研究科
松岡 英明 東京農工大学 大学院工学府
松口 正信 愛媛大学 大学院理工学研究科
松原 一朗 産業技術総合研究所 先進製造プロセス研究部門
松原 正幸 甲南大学 理工学部
丸尾 容子 NTT環境エネルギー研究所
三浦 則雄 九州大学 産学連携センター
水谷 文雄 兵庫県立大学 大学院物質理学研究科
皆越 知世 新コスモス電機株式会社 R&Dセンター
村上 健司 静岡大学 電子工学研究所
田村 真治 大阪大学 大学院工学研究科
村山 宣光 産業技術総合研究所 先進製造プロセス研究部門
八木 秀明 日本特殊陶業株式会社 知的財産部
安澤 幹人 徳島大学 大学院ソシオテクノサイエンス研究部
矢吹 聡一 産業技術総合研究所 生物機能工学研究部門
吉信 達夫 東北大学 大学院医工学研究科
吉見 靖男 芝浦工業大学 工学部
脇田 慎一 産業技術総合研究所 健康工学研究センター
渡辺 浩昭 埼玉工業大学 大学院工学研究科
渡邉 正義 横浜国立大学 大学院工学研究院
和間 良太郎 九州大学 大学院総合理工学府
王 秀云 遼寧科技大学 化学工程学院(中国)
王 保珍 東北大学 大学院薬学研究科
目次
第部 ガスセンサ
第1章 半導体ガスセンサ
第1節 酸化物半導体を用いた環境モニクリング用ガスセンサ
はじめに
ガス分子と固体表面との相互作用
吸着による固体表面の電気的変化
半導体式ガスセンサの実際
ガスセンサのマイクロ集積化の必要性
オゾンガスセンサについて
おわりに
第2節 半導体ガスセンサの電極マイクロ設計による高感度化
はじめに
マイクロギャッブ電極とマイクロセンサの作成
ガス検知におけるマイクロギャッブ効果
界面感度,粒界感度の評価
まとめ
第3節 ナノ構迫制御した半導体ガスセンサ
緒言
レセブクによる増感効果
酸化物一次粒子径効果、
感応体利用率
結言-三つの因子を融合した材料殷肝
第4節 メソ・マクロボーラス材料を利用した半導体ガスセンサ
はじめに
メソボーラス酸化物
マクロボーラス酸化物
おわりに
第5節 層状有機無機ハイブリッド材料を用いたVOCセンサ
はじめに
素子の薄膜化
高感度化
高選択性
まとめ
第6節 有機半導体薄膜を用いたNOxセンサ
はじめに
金属フクロシアニン有機半導体
物理的手法による金属フクロシアニン薄膜NO2ガスセンサの特性改善
化学的手法によるAIPで薄膜NO2ガスセンサの特性改善
おわりに
第7節 半導体式ガスセンサの付帯院の向上
はじめに
半導体式ガスセンサのガス検知原理5)7)
感応材料に触媒層を積層したガスセンサ
触媒層材料の開発
最適化された触媒層材料を用いた半導体式センサ13)
まとめ
第2章 固体電解質ガスセンサ
第1節 車載用および環境計測用ジルコニアガスセンサ
はじめに
混成電位型センサ
電流検出型センサ
視察インピーダンス応答型センサ
ジルコニアセンサ用新規固体参照極
おわりに
第2節 3価イオン伝導院固体を用いたガスセンサ
はじめに
CO2センサ
NOxセンサ
おわりに
第3節 NASICONを用いたガスセンサ
はじめに
NASICONを用いたガスセンサ
おわりに
第4節 新規固体電解質を用いた電流検出型ガスセンサ
はじめに
新規電解質としてのLSGMと電流検出型センサ
電流検出型炭化水素センサ
電流検出型NOセンサ
電流検出型H2Sセンサ
まとめ
おわりに
第5節 固体電解質を用いた炭酸ガスセンサの安定化
はじめに
ゾルーゲル法によるNASICONの作製
希土類オキシ炭欣也を補助相に用いることによる安定化
固体電解質の安定化
おわりに
第6節 ジルコニア固体電解質のセンサ応用
はじめに
濃淡電池式ジルコニア(ZRO2)酸素センサ
限界電流式酸素センサ原理,センサ構造
濃淡電池,限界電流式併用酸素センサ
まとめ
第7節 電気化学式COおよびCO2センサ
アルカリ性液体電解質を用いたCO2センサ
固体電解質型CO2センサ
第3章 各種原理に基づくガスセンサおよびマイクロセンサシステム
第1節 吸着燃焼式マイクロガスセンサ
はじめに
検知原理とセンサ構造
各種VOCに対する応答
ホルムアルデヒドの検知
トルエン等のVOCの検知
フィールド試験
おわりに
第2節 マイクロガスセンサ素子上への燃焼触媒集積化
はじめに
新しいセラミックス集積化技術
接触燃焼式マイクロガスセンサの開発・分類とその特徴
セラミック触媒の集積化技術一選択性と耐久性
まとめ
第3節 エレクトロニックノーズシステム
エレクトロニックノーズシステムとは
e-Noseシステム用ケモセンサ
e-Noseセンサシステム
e-Noseシステムの応用分野
終わりに
第4節 陽極酸化薄膜を用いたガスセンサ
はじめに
陽極酸化法による多孔質TiO2膜の調製
Pd/TiO2センサのH2ガス応答
Pd/TiO2センサの他ガスヘの応答
Pd/TiO2センサのH2ガス応答に及ぼす前処理の影響
おわりに
第5節 ガスセンサのマイクロ化・集積化
はじめに
ガスセンサのマイクロ化
ガスセンサの集積化
おわりに
第6節 高温動作が可能な電界効果型ガスセンサ
電界効果型ガスセンサ
高温動作が可能な半導体
SiCに基づく電界効果型ガスセンサ
GaNに基づく電界効果型ガスセンサ
おわりに
第7節 高分子材料を用いたQCMガスセンサ
はじめに
水晶振動子マイクロバランス法
大気汚染ガス検知材料
揮発性有機蒸気検知材料
おわりに
第4章 ガスセンサの応用
第1節 高性能湿度センサとガスセンサの開発と今後の展望
はじめに
高性能湿度センサの開発と応用製品群
ガスセンサの開発と応用製品
まとめ
第2節 固体電気化学式センサを用いた換気警報器の開発
はじめに
開発の経緯
従来のCO警報器との違い
おわりに
第3節 ガスセンサを用いた植物機能の評価法
はじめに
植物の空気汚染物浄化作用
植物の空気汚染物浄化能力評価
植物の浄化能力
実環境への応用
まとめ
第4節 ナノ孔ガラスを用いた大気環境物質の高感度検出
はじめに
NO2蓄積型センサの計測原理
スピノーダル分解ガス素子の特徴
ホルムアルデヒド
実大気環境での測定例
第5節 半導体ガスセンサの計測器への応用
はじめに
SGCの特徴
終わりに
第6節 電気化学式ガスセンサの計測器への応用
緒言
実験
結果
まとめ
第7節 都市ガス業界におけるガスセンサ技術の現状と課題
はじめに
都市ガス事業におけるガスセンサ技術の位置付け
ガス警報器用途を中心としたガスセンサ研究開発
ガスセンサ・警報器の性能向上の取組み
今後の課題とガスセンサ研究開発に対して望まれること
おわりに
第部 バイオセンサ・イオンセンサ
第1章 酵素センサー免疫センサ・イオンセンサ
第1節 バイオセンサの高感度化と化学増幅
はじめに
サイクリックな反応とその利用
表面濃縮とその利用
おわりに
第2節 カロリメトリックバイオセンサ
はじめに
原理と計測
増幅効果
各種計測分野への応用
新展開
おわりに
第3節 酵素ミセル膜を用いるバイオセンサ
はじめに
ボリマレイミドスチレンの酵素固定化試薬としての利用
酵素ミセル膜被覆電極
センサの検出原理
長期寿命試験
第4節 修飾酵素のバイオセンサヘの適用
はじめに
メディエークー修飾酵素/タンパク質の作製とバイオセンサヘの適用
親油性を付与する酵素修飾
脂質修飾酵素の利用
ボリアミノ酸結合酵素、
改変酵素による記聞・配列化
展望
第5節 免疫センサチッブ
はじめに
心疾患マーカー測定用センサチッップ
尿中ガンマーカー測定用の小型センサチップ
おわりに
第6節 SPR免疫センサ
はじめに
表面プラズモン共鳴センサ
マルチチャンネルSPRセンサ
SPR免疫センサにおける高感度検出
おわりに
第7節 イオンセンサ:無機から有機イオンヘ
はじめに
薬物センサの開発
メチルアンモニウムセンサ
セロトニンセンサ
おわりに
第8節 イオンセンサの流れ系への応用
はじめに
陰イオン性界面活性剤ISFETセンサを組み込んだマイクロチップの開発2)
陰イオン性界面活性剤ISFETを組み込んだマイクロチップの開発3)
その他の電位検出型イオンセンサを検出器とするμ-TASについての最近の研究例
電位検出型イオンセンサのCE検出器への応用
第9節 半導体化学イメージセンサによるイオン分布の可視化
はじめに
LAPSの動作原理
半導体化学イメージセンサの原理
測定システム
測定例
多点同時計測
LEDリニアアレイによる高速スキャン
今後の研究の展望
第2章 細胞センシング・マイクロシステム
第1節 細胞機能を利用するマイクロバイオセンサ
はじめに
細胞バイオセンサの用途
検出原理の選定と手法の開発
おわりに
第2節 藻類細胞を用いたバイオセンサによる多角的センシング
はじめに
光合成活性測定藻類センサ
鞭毛運動活性の測定
反重力走性の測定
鞭毛運動と走光性の同時測定
鞭毛運動活性の二次元分布の測定
おわりに
第3節 細胞チップのためのバイオセンサ技術
細胞チップと単一細胞機能解析
細胞チップとバイオセンシング
マイクロアレイ型化学・バイオセンサ
高解像度2次元SPR免疫センサ
おわりに
第4節 単一細胞工学のセンシング技術への展開
はじめに
単一細胞操作支援ロボット(SMSR)とスグワカルチャー(Suguwaculture)システ
ム
フェムトインジェクション法の開発
単一細胞インジェクトアッセイ
薬効評価への応用の可能性
レギュラトリーサイエンスにおける意義
終わりに
第5節 ナノデバイスによるバイオセンシング
はじめに
DNA解析デバイス
量子ドットによるバイオセンシング
今後の展開
第6節 細胞操作・センシングのためのバイオリソグラフィー
はじめに
電気化学バイオリソグラフィー
細胞インターフェイス
おわりに
第7節 集積化バイオ・化学センシングシステム
はじめに
エレクトロウェッテイングを利用した微小送液機構
凍結乾燥基質による成分の混合
電気化学的自動pH制御とpH滴定集積化多機能分析システム細胞の機能解析への応
用
まとめと今後の展望
第8節 電気化学検出集積型マイクロ流体デバイス
マイクロ流体デバイスの現状と課題
マイクロチッブ電気泳動
フェノール系環境ホルモン
電気化学検出集積型マイクロ電気泳動チップの作製
電気化学検出集積型マイクロ電気泳動チップの特性
第3章 バイオセンサ材料・作製法・検出法
第1節 交互累積法によるナノ薄膜およびナノカプセルを用いたバイオセンサ
はじめに
交互累積膜被覆電極による電気化学バイオセンサ
フェニルボロン酸累積膜による糖センサ
交互累積膜法によるナノカブセル糖センサ
おわりに
第2節 レドックス活性ボリエチレンオキシドを用いたバイオインターフェースの
構築
はじめに
PEOを介してメディエーターを酵素表面へ固定化することで構築したバイオインターフェース
PT-PEOを電極表面へ固定化することで構築したバイオインターフェース9)
おわりに
第3節 ウイルス1粒子の超高感度計測に向けて
はじめに
新手法による超高感度検出法
モノクローナル抗体の作製
現在のインフルエンザウイルス検出法
今後の展開
第4節 リアクター型バイオセンサ
はじめに
酵素活性を指標にしたスクリーニング
コファククーセンシング
リアクター型バイオセンサの高機能化のためのデバイス開発
まとめ
第5節 分子インプリント高分子の「ゲート効果」を利用したバイオミメティック
センサ
第6節 ケミカルCCDを用いるバイオエレクトロニクスセンサの開発
はじめに
Auゲート型C-CCDによる酸化還元物質センシング
Auゲート型C-CCD酵素センサの開発6),7)
直接電子移動型バイオエレクトロニクスセンサヘの展開8),9)
今後の展望
第4章 バイオセンサの応用
第1節 酵素・電気化学式血糖センサシステムの開発
バイオセンサと健康・医療
SMBGシステムに求められる要素
血糖センサの開発血糖測定器の開発
第2節 デジタル尿糖計の開発と糖尿病予防への応用
はじめに
グルコース測定法の歴史
デジタル尿糖計の開発
食後高血糖と尿糖測定の意義
糖尿病予防への応用
おわりに
第3節 体内埋込型バイオセンサ
はじめに
糖尿病の実態
糖尿病と血糖コントロール
体内埋込型グルコースセンサの利点
体内埋込型グルコースセンサの設計
体内埋込型グルコースセンサの評価
おわりに
第4節 医療福祉用フレキシブル電極・センサ
はじめに
医療福祉用デバイスヘの応用
フレキシブル電極をベースとする化学センサ
フレキシブル電極の簡単な作製法
おわりに
第5節 電気化学的DNAセンシング
はじめに
レジオネラ属菌
電極の構成
サンドイッチハイブリダイゼーションと標的DNAの電気化学的検出
第6節 定質という考え方と新しいセンサ技術
はじめに
「バイオサーベイランスのための定質センサ」〜物質の特性や構造などの共通性
質を検知し,同質の物質を網羅的に検知する
医薬HTAのための「培養細胞/組織を用いる定質センサ」〜対象(ヒト等)が受け
る影響を基に,物質の質(影響・効果)を判定するセンサ
まとめ物質の質(
