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高感度でやわらかいpHセンサーを開発 ~絆創膏のような装着型ウェアラブル健康パッチに一歩前進~

 大阪府立大学と国立研究開発法人 科学技術振興機構(JST)は2018年11月13日,同大学大学院工学研究科 竹井 邦晴准教授の研究グループが,JST戦略的創造研究推進事業などの支援のもとに,世界で初めてフレキシブルフィルム上にCCD(電荷結合素子)構造を作製することに成功し,汗のpH値(水素イオン濃度)を高感度に計測できる,柔らかいウェアラブルデバイスのプロトタイプを開発した,と発表した.本成果は,英国科学誌Nature Electronicsのオンライン速報版で公開された(注).

 人々の健康管理を向上させるため,人体に装着して健康状態を常時監視するウェアラブルデバイスへの関心が高まっている.その多くは現在のところ,時計型,ブレスレット型など硬い電子部品によって構成されたデバイスである.絆創膏のように柔らかいウェアラブルデバイスが実現できれば,人に気付かれないように服の内側に装着して常時計測できることになる.一方,人の汗には,熱中症対策に役立つナトリウムイオン,ストレスに関係があるとされるpH値など人体内部の情報が多く含まれている.このため,汗中の化学物質を電気化学法で計測する柔らかいウェアラブルデバイスに期待が寄せられるが,電気化学法で計測する方法での感度は室温で約60mV/pHに止まり,汗中の微量の化学物質の濃度やその変化を計測するのは難しい.そこで,Si電荷結合素子(CCD)において電荷を光注入・転送する代わりに水素イオンの電荷を蓄積・転送する高感度pHセンサーが提案されたが,Si基板を用いたのでは柔らかいセンサーにならない.

 これに対し本研究グループは,薄く柔らかいプラスチックフィルム上に高感度なCCD型pHセンサーを形成する技術を開発し,さらに酸化スズとカーボンナノチューブの混合溶液を塗布して抵抗温度センサーを集積し,皮膚温度の計測やpHセンサーの温度依存の補正を行えるpHセンサーのプロトタイプを開発した.

 CCDでは電荷の蓄積・転送のため,周期的に電位の低い領域(井戸)を作り,外部電圧で井戸の深さを変えて電荷を転送する.井戸を作るため不純物を添加してpn接合を形成するが,薄膜では不純物添加が難しい.研究グループは電極のショットキー接合により井戸を作り,深さの制御を行うようにした.溶液中の水素イオンがシリコン酸化(SiO2)膜と反応して検出端の井戸に電荷が蓄積され,転送されるが,蓄積を繰り返すことにより出力信号が大きくなる.溶液のpH値を11.2:アルカリ性,6.9:中性,2.8:酸性と変えると,出力電圧はpHに比例して大きくなった.この結果,100回の蓄積で約240mV/pHと,通常のpHセンサーの4倍以上の感度を実現した.また,±0.3℃以下の安定性で体温計測ができるとともに,皮膚の温度によりpHセンサーの出力が変わるのに対し温度補正が可能になった.

 今後,電源,データ伝送のための無線回路,プロセッサ回路の集積などを行って実用化デバイスに発展させ,pHに反応するSiO2に加えて,グルコースやナトリウム,カリウムイオンなどの反応膜を開発して,健康管理に役立つデバイスの実用化を図りたいとしている.

(注)Shogo Nakata, Mao Shiomi, Yusuke Fujita, Takayuki Arie, Seiji Akita & Kuniharu Takei, "A wearable pH sensor with high sensitivity based on a flexible charge-coupled device", Nature Electronics Vol. 1, pp. 596-603 (2018), DOI: 10.1038/s41928-018-0162-5; Published 12 November 2018