【本学研究者情報】

〇多元物質科学研究所　教授　米田忠弘
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【発表のポイント】

• マイクロ流路^（注1）を備えた溶液センサーに特化した原子レベル薄膜二硫化モリブデン・電界効果トランジスタ（FET）^（注2）を作成し、有機ELなどで使用されるTCNQ・F4-TCNQ分子を溶液中で精密に検出することに成功しました。
• 固液界面で分子分極が溶媒和で遮蔽された吸着状態をとることの直接観察に成功し、分極の遮蔽が溶媒の誘電率とともに増加することを検出しました。
• 医療用センシングや環境モニタリングへの応用が期待されます。

【概要】

疾病を早期に発見するため、体内に埋め込んで化学物質の種類と量をモニタリングする超小型分子センサーの開発が望まれています。実際、生体内の細胞壁には病原体を識別する分子センサーが備わっています。しかし体内には様々な液状の化学物質が混在しており、その中で疾病に関係する物質だけを選択的に検出できる分子センサーを人工的に開発することは現時点では困難です。体内における分子センサーの材料として、二硫化モリブデンなどの遷移金属ダイカルコゲナイド（TMD）^（注3）が注目されています。TMDの薄膜は半導体の特性を示すことが知られていますが、溶液と薄膜表面との相互作用は複雑で、基礎的な溶液・固体表面での振る舞いの理解はいまだなされていません。特に固液界面で溶質分子と溶媒分子が結合する溶媒和の問題は長く議論されている話題ですが、検出が困難で実験的に実証されていませんでした。

東北大学多元物質科学研究所の博士課程のモハメッド・ナシルディン（Md Nasiruddin）大学院生、道祖尾泰之助教、高岡毅講師、福山真央講師、米田忠弘教授らは、TMDを用いて溶液中で利用できる分子センサーを開発しました。実験では、有機ELなどで使用される有機電子受容体のテトラシアノキノジメタン（TCNQ）、その錯体であるF4-TCNQの2種類の分子を溶質とした溶液を用いてそれらの検出を試みました。作成したマイクロ流路FETで溶媒の影響を調べるため、溶媒をイソプロパノール、アセトニトリル、ジメチルスルホキシドと変化させ比較しました。その結果、TCNQとF4－TCNQ溶液とチャンネルの接触による半導体素子としての特性変化の差がこの順に小さくなることを見出しました。これらの溶媒の誘電率はこの順に大きいことから、分子の分極を溶媒が遮蔽しゲート効果を減少させているモデルを確認しました。

今回の結果は、溶液センサーの実用化への前進とともに、溶液FETセンサーが固液界面での基礎的な物理化学現象の解明に貢献することを実証するものです。

本研究成果は、2023年8月11日付で、米国化学会の専門誌ACS Applied Nano Materialsにオンライン掲載されました。

なお、本研究成果は、東京工業大学の火原彰秀教授、産業技術総合研究所デバイス技術研究部門の安藤淳研究部門長付、物質・材料研究機構の荒船竜一主幹研究員との共同研究によって得られたものです。

【用語解説】

注1. マイクロ流路：基板にエッチング、微細切削加工、成形などの方法で作製したマイクロスケールの流路。この流路や微小な反応容器を組み込んだマイクロ流路チップあるいはデバイスは、微粒子などの分離、濃縮、解析をマイクロスケールで行うことができ、バイオ研究や化学工学などで広く応用されている。

注2. 電界効果トランジスタ（FET）：トランジスタの構造の１つで、薄く作れるため、集積回路の半導体素子やセンサーの素子などに広く用いられている。

注3. 遷移金属ダイカルコゲナイド（TMD）：グラフェンと類似の原子層物質。ニオブ（Nb）などの遷移金属がセレン（Se）など酸素族のカルコゲン原子に挟まれた構造をもつ。グラフェンは金属的伝導特性を示すが、TMDはバンドギャップを持つ半導体特性を示ことから半導体デバイス分野への応用が期待されている

詳細（プレスリリース本文）

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