新技術説明会　様式例

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たみじろうつなかわ
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1 1 218 年 6 月 26 日 IoT/ トリリオンセンサを指向した小型ホルムアルデヒド検出器物質材料研究機構国際ナノアーキテクトニクス研究拠点ナノマテリアル分野フロンティア分子 G 主任研究員石原伸輔

2 2 Outline (1) 電気抵抗が変わるホルムアルデヒド検出材料 (2) デバイス化の例 (3) まとめと企業連携への期待

3 3 従来技術とその問題点ホルムアルデヒドは接着剤や防腐剤として建材などに使用されアレルギーや喘息の原因物質であるホルムアルデヒドを簡易的に定量する方法として検知管法などがあるが繰り返し利用できない測定毎に手動での操作が必要等の問題があり広く利用されるまでには至っていない

4 4 本研究が目指す化学センサ First responder ( 第一応答者 ) を人からセンサへ従来型有害物質未来型有害物質健康被害小型センサで検知し安全確保動機付け測定精密測定 ( 従来法でも OK) 事後的な対処予防的な対処

5 5 小型化学センサ半導体無機半導体 (SnO 2 ) 数百の加熱が必要 = 電力消費大単層カーボンナノチューブ (SWCNT) 室温で半導体 = 省エネ電極 u u SWCNT 分散液乾燥 SWCNT ネットワークの電気抵抗値をモニタ 2 μm.1 V SWCNT 1 g から数百万個のセンサが作製可能

6 ホルムアルデヒド検出の原理 = 検知管化学反応 ( アミン類 * とカルボニル化合物の脱水縮合 ) * アミンヒドロキシルアミンヒドラジンなど + HONH 2 HCl HON=CH 2 + H 2 O + HCl ドーピング剤.1 V I(t) u SWCNTs network u HCl NH 2 OH HCl << HONH 2 HCl S.

6 6 ホルムアルデヒド検出の原理 = 検知管化学反応 ( アミン類 * とカルボニル化合物の脱水縮合 ) * アミンヒドロキシルアミンヒドラジンなど + HONH 2 HCl HON=CH 2 + H 2 O + HCl ドーピング剤.1 V I(t) u SWCNTs network u HCl NH 2 OH HCl << HONH 2 HCl S. Ishihara, J. Labuta, T. Nakanishi, T. Tanaka, H. Kataura, mperometric Detection of Sub-ppm Formaldehyde using SWCNTs and Hydroxylamines: Referenced Chemiresistive System, CS Sensors 217, 2,

7 電流値変化率試薬担持方法の検討 PVDF メンブレンフィルターにヒドロキシルアミン塩酸塩を担持させるとホルムアルデヒドへの良好な繰り返し応答が見られた湿度 37% 3 cc/min flow u.1 V SWCNTs network I(t) u ppm 3. ppm PVDF メンブレンフィルター紙 HCl -2 直接混合時間 ( 秒 ) NH 2 OH HCl CS Sensors 217, 2,

8 1 電流値変化率試薬の検討ヒドロキシルアミン塩酸塩 1 が感度と繰り返し応答性に優れていた ppm 3. ppm 時間 ( 秒 ) CS Sensors 217, 2,

9 9 濃度依存性 (a) (b) () concentration (ppm) Concentration of in ppm (c) ppm 環境基準 1.8 ppm 5 H 2 O EtOH 検出限界 ppm ppm MeOH 12 ppm THF 86ppm Response Toluene 72 ppm CS Sensors 217, 2,

10 繰り返し応答性 ppm センサは通気でリカバリーし高濃度のホルムアルデヒドに長時間曝された後も繰り返し利用できる With 1 Without (a) (b) ppm ppm 6.7 ppm 6.7 ppm With 1 Without ppm 6.7 ppm (b) ppm 6.7 ppm 6.7 ppm Time (hr) 6.7 ppm 6.7 ppm

11 11 湿度の影響湿度が極端に低い場合 (1.5% RH) には応答が小さい %RH.9 ppm 37%RH 68%RH.9 ppm 68%RH 68%RH 1.5%RH.9 ppm 1.5%RH 1.5%RH 12.5%RH.9 ppm 12.5%RH 12.5%RH 35%RH

12 選択性 Response 15 1 ホルムアルデヒド : 導電性上昇その他 : 導電性減少 H 2 O 水 32 ppm H 2 O H 2 O 3 (c) ppm H 2 O 32 ppm EtOH 44 ppm MeOH 12 ppm THF 86ppm Toluene 72 ppm EtOH EtOH EtOH エタノール 44 ppm Toluene Toluene Toluene CS Sensors 217, 2, トルエン 72 ppm

13 13 アセトンへの応答検知管と同様アセトンには応答してしまうことが課題アセトン 154 ppm 12 cetone 9 cetone 6 3 cetone アセトンホルムアルデヒド

14 14 誤応答の排除ヒドロキシルアミン塩酸塩ありのセンサヒドロキシルアミン塩酸塩なしのセンサ 2 つのセンサを比較することで湿度 VOC, 温度などによる誤応答が排除できる (d) RH = 75% RH = 39% RH = 2% concentration (ppm) RH = 39%.9 ppm (RH = 39%) With 1 Without 1 RH = 39% (e) o C Heating Cooling With 1 Without 1 22 o C 22 o C

15 15 Outline (1) 電気抵抗が変わるホルムアルデヒド検出材料 (2) デバイス化の例 (3) まとめと企業連携への期待

16 16 LED 簡易デバイス.9 ppm Sensor LED1 Sensor LED1 2 kω Clean air 1 kω 2 kω LED2 2 kω LED2 3. V 3. V

17 17 スマホセンサ近距離無線通信 MHz NFC タグ (Passive 型 )

18 S 11 gain (db) NFC タグの修飾 Modified NFC tag オリジナル回路を切断 SWCNT センサを挿入 R IC C L R kω kω kω Frequency (MHz) S. Ishihara, J. M. zzarelli, M. Krikorian, T. M. Swager, J. m. Chem. Soc. 216, 138,

19 Turn-on 型センサ R Sensor 電気抵抗が変化する材料があれば他の化学物質の検出にも適用可能通信不可通信可能 R Sensor = 3.6 kω R sensor =.79 kω S. Ishihara, J. M. zzarelli, M. Krikorian, T. M. Swager, J. m. Chem. Soc. 216, 138,

20 動画 : Turn-ON sensor 2

21 21 IoT/ トリリオンセンサへの拡張情報収集通信 OFF 通信 ON データ GPS 警報

22 22 Outline (1) 電気抵抗が変わるホルムアルデヒド検出材料 (2) デバイス化の例 (3) まとめと企業連携への期待

23 23 新技術の特徴従来技術との比較従来技術の問題点であった常時モニタリングを実現することに成功した従来は検知タグが 1 度限りの使用に限られていたがセンサ構造を改良することで繰り返し測定することが可能となった本技術の適用によりホルムアルデヒドを電気信号として直接検知できるためデバイスのサイズと製造コストが大幅に削減されることが期待される

24 24 想定される用途住宅や職場 ( 医療現場など ) におけるホルムアルデヒドのリアルタイム観測携帯型のホルムアルデヒド検知器使用する試薬を変更することでホルムアルデヒド以外の化学物質の検知も可能であると考えられる

25 25 企業への期待ホルムアルデヒドとアセトンの区別については複数のセンサの応答を比較解析する技術により克服できると考えているセンサデバイス開発の経験技術を有する企業との共同研究により実用化を目指したいまた小型化学センサのIoT 化環境健康医療分野への展開を考えている企業には本技術は有望と思われる

26 26 本技術に関する知的財産権発明の名称 : ホルムアルデヒド検知センサおよびそれを用いたシステム出願番号 : 特願出願人 : 物質材料研究機構発明者 : 石原伸輔ラブタヤン中西尚志

27 27 お問い合わせ先国立研究開発法人物質材料研究機構外部連携部門連携企画室 TEL: FX:

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