動的非線形特性に基づく高次元情報を活用した化学センサの開発

基于动态非线性特性的高维信息化学传感器的开发

• 批准号: 08740576
• 负责人: 中田 聡
• 金额: $ 0.64万
• 依托单位: Nara University of Education
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for Encouragement of Young Scientists (A)
• 财政年份: 1996
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 1996 至 无数据
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-08740576/
• 关键词: 非線形; 非平衡; 半導体ガスセンサ; 化学センサ; 分子認識; 高調波成分; 嗅覚; 味覚

味覚・嗅覚において重要となる、神経細胞の電気インパルスの発生と伝播が、非線形・非平衡下で生じる現象であることに着目して、非線形・非平衡を活用した分子認識システムの開発について研究を行った。まず、半導体ガスセンサの非線形応答を指標としたガス分析について、これまで識別が困難であった炭化水素ガスを定量的に判別することが可能になった。これは、センサとガス種との表面反応の違い(反応速度、活性化エネルギー、反応過程)が非線形応答として反映されることを利用したもので、入力信号に対する出力信号の歪み(非線形応答)をフーリエ変換の高調波成分として定量的に評価する方法である。また、混合ガス系についても、応答波形の重ね合わせから2成分ガスからの特定ガスの検出が可能になった。次に、ガス種の非線形応答を理論的に解明するために、半導体のバリアポテンシャル、電子密度、化学反応速度、活性化エネルギーをパラメータとした計算機シミュレーションを行った。これにより、活性化エネルギーや反応速度の違いにより特徴的な非線形応答を再現することに成功した。また、電気化学的非線形性を指標としたタンパク質の吸着特性の評価への応用についても研究を行った。実際には、吸着物質により形成される電気二重層容量は、タンパク質の化学構造に依存して特徴的な電圧依存性を示す。実際には、チオール基を導入したタンパク質を金電極に共有結合で固定化し、電極界面のみの情報を抽出した。また、原子間力顕微鏡観察、水晶振動子による測定を行い、電極表面への定量的な吸着量や吸着状態の確認をした。

针对味觉和嗅觉中重要的神经细胞电脉冲的产生和传播是在非线性和非平衡条件下发生的事实，我们正在研究开发利用非平衡的分子识别系统。 -线性和非平衡。首先，在使用半导体气体传感器的非线性响应作为指标的气体分析中，可以定量识别以前难以识别的碳氢化合物气体。这利用了传感器和气体种类之间的表面反应（反应速率、活化能、反应过程）差异反映为非线性响应的事实，以及输出信号（非线性响应）相对于输入的失真这是一种定量评估傅立叶变换谐波分量的方法。此外，对于混合气体系统，可以通过叠加响应波形从两种成分气体中检测特定气体。接下来，为了从理论上阐明气体种类的非线性响应，我们使用半导体势垒势、电子密度、化学反应速率和活化能作为参数进行计算机模拟。结果，我们成功地再现了由于活化能和反应速率的差异而产生的特征非线性响应。我们还研究了电化学非线性在蛋白质吸附特性评估中的应用。事实上，吸附物质形成的双电层电容表现出取决于蛋白质化学结构的特征电压依赖性。实际上，引入硫醇基团的蛋白质被共价固定在金电极上，并且仅提取电极界面处的信息。我们还使用石英晶体振荡器进行原子力显微镜观察和测量，以定量确认电极表面的吸附量和吸附状态。

项目成果

Satoshi Nakata: "Chemisorption of proteins derivatized with thiol group onto gold surface:Characterization based on electrochemical nonlinearity" Biophysical Chemistry. 62. 63-72 (1996)

Satoshi Nakata：“硫醇基衍生的蛋白质在金表面上的化学吸附：基于电化学非线性的表征”生物物理化学。

Arkady.B.Rovinsky: "Control of activator-inhibitor systems by differential transport" Physics Letters A. 216. 262-268 (1996)

Arkady.B.Rovinsky：“通过差异运输控制激活剂-抑制剂系统”《物理快报》A. 216. 262-268 (1996)

Satoshi Nakata: "Nonlinear dynamics in chemical assembly" Trends in Chemical Physics. 4. 23-58 (1996)

Satoshi Nakata：“化学组装中的非线性动力学”化学物理趋势。

Satoshi Nakata: "Rhythmic chemical reaction of CO on the surface of a SnO2 gas sensor" Applied Surface Science. 103. 369-376 (1996)

Satoshi Nakata：“CO 在 SnO2 气体传感器表面的节律化学反应”应用表面科学。

Satoshi Nakata: "Gas sensing based on a nonlinear response:Discrimination between hydrocarbons and quantification of individual components in a gas mixture" Analytical Chemistry. 66. 2067-2072 (1996)

Satoshi Nakata：“基于非线性响应的气体传感：碳氢化合物之间的区分和气体混合物中各个成分的量化”分析化学。