中央大学 理工学部の河野行雄教授（東京工業大学 科学技術創成研究院 特定教授兼任）、東京工業大学 工学院電気電子系の李恒大学院生（博士後期課程3年）、大阪大学 産業科学研究所の関谷毅教授・荒木徹平助教らを中心とする研究グループは、オランダのEindhoven University of Technology、産業技術総合研究所らと共同で、新しい機能を示す光センサシートを開発した。また開発したセンサシートを用いることで、今までにない簡便な液体化学分析手法を確立した。

これまで、環境計測を指向した家庭・産業排水の化学的液質検査では、液体サンプルの採取や試薬の混合が必要とされてきた。遠隔操作を含むオンサイトでの長期的かつ、ユーザーの技量を問わない簡便な計測の実現には、サンプル非採取かつラベルフリーな新規手法の確立が求められる。

今回研究グループはセンサシートの貼り付けという簡便な工程のみで、オンサイトな水溶液濃度計測に成功した（図1）。溶媒自身から発せられる広帯域な赤外線放射現象と、それに対する溶質での局所的な吸収に着目することで、サンプル非採取かつラベルフリーな液質計測が可能となる。この液質計測には、研究グループが併せて新規に開発した高感度・広帯域かつストレッチャブルな薄膜状の光センサシートを用いている。植物や塩ビパイプ、蛇腹管、ゴムチューブといった柔らかい素材の液体配管にぴったりと貼り付けることができ、液体の流動性による配管の膨張・収縮・曲げ等の変形に対しても安定して追従可能である。ユビキタスな水質検査に資する基盤技術の実証という本研究成果は、将来、配管セーフティネットの構築に貢献できると期待される。

本研究成果は、米国東部時間2022年5月11日付（日本時間5月12日午前3時）で米国の国際科学誌「Science Advances」でオンライン公開されました。

図1. 本研究のコンセプト。3 cm四方に収まるセンサシートは、シートの伸縮性を活かしてあらゆるサイズ・形状の配管にぴったりと装着可能である3

液体中の化学成分を分析する技術は、生活・産業に潜む社会様式の変化の兆しや、農作物の発育状況といった多様な環境の可視化に寄与する。代表的な手法としては遠心分離や試薬反応が挙げられ、長年に渡り環境計測を主導してきた。一方これら従来手法は検体採取や測定器内での試薬投与といった工程が求められ、観察対象に対するオンサイトかつ動的な環境での計測を実現するうえでボトルネックとなっていた。

サンプル非採取かつラベルフリーな液質検査手法には、代表例として紫外線計測が挙げられる。しかしこれら光学計測は外部光源や光学系を要する巨躯なシステムとなり、携帯性に更なる改善の余地を残す。加えてオンサイトかつ動的な環境計測に向けては、透明性の高い材料を用いた液体流路に限定され、不透明な流路内部に対する非破壊液質検査実現への障壁となる。以上を踏まえ、ユビキタスな液質検査の実現には、サンプル非採取かつラベルフリーな非破壊計測手法の創出が求められる。

今回研究グループは、観察対象流路へセンサシートを貼り付けるだけという極めて簡便な工程により、内部を流れる液体の濃度計測に成功した。これに併せて新たに構築したセンサシートは、フレキシブルな広帯域電磁波吸収材料であるカーボンナノチューブ（CNT）薄膜と、高分子成分を含む薄膜支持基板及び読出し電極から成る（参考文献1）。センサシートは、光熱起電力効果を含むCNT薄膜の特徴的な材料特性により、室温でミリ波・テラヘルツ波・赤外線まで広帯域に渡る光を高感度に検出する（参考文献2–3）。加えて、ゴムのように伸縮可能な印刷回路基板の作製や、その基板へCNT薄膜を実装する無歪領域デザインにより、元来の多機能な光センシングを70～280 %の伸長状態でも安定して発揮することに成功した（図2）。成長を伴う植物や液体の流動性により変形するチューブへ、動きに追従しながら密着して装着可能である。

またセンサシートを多様な配管に貼り付けることで、内部の液体が自ら発する赤外線放射（黒体輻射：用語8）を高感度に検出可能である。研究グループは今回、溶媒からの黒体輻射が局所的に溶質に吸収されることを明らかにし、センサシートの検出信号の減衰強度から溶質の量、つまり水溶液濃度を計測することに成功した（図3）。今回達成した水溶液濃度計測レンジはグルコースを例に50–20、000 mg/dLであり、血中や農作物の濃度レンジに対応する。その他、液流の温度や粘度の非破壊モニタリング、更にセンサシートの無線式遠隔操作を可能にしており、様々なシーンでの将来的な活用が見込まれる。

図2. 本研究にて構築したセンサシートの概要及び基礎性能。

図3. 液質計測の概略。A–B、 計測原理の概念図。C–D、 簡易的な水溶液の濃度計測例。E–I、 遮蔽された液流の非破壊三次元画像復元と、J、 水溶液濃度変化の可視化への応用展開。

参考文献

1. T. Araki, T. Uemura, S. Yoshimoto, A. Takemoto, Y. Noda, S. Izumi, T. Sekitani, Wireless Monitoring Using a Stretchable and Transparent Sensor Sheet Containing Metal Nanowires, Advanced Materials 32, 1902684, 2020. DOI: 10.1002/adma.201902684
2. D. Suzuki, S. Oda, Y. Kawano, A flexible and wearable terahertz scanner, Nature Photonics 10, 809–813, 2016. DOI: 10.1038/nphoton.2016.209
3. K. Li, R. Yuasa, R. Utaki, M. Sun, Y. Tokumoto, D. Suzuki, Y. Kawano, Robot-assisted, source-camera-coupled multi-view broadband imagers for ubiquitous sensing platform, Nature Communications 12, 3009, 2021. DOI: 10.1038/s41467-021-23089-w