日本慶應義塾大學理工學部的内田建教授開發出了配備於智慧型手機等行程終端機的低能耗氣體感測器，可透過呼氣進行健康管理。透過控制氣體感測器的電壓，只需1微秒即可切換檢測的物質，能識別多種不同的氣體。
檢測呼氣中包含的分子，利用行程終端機進行健康管理
人呼出的氣體中包含100多種氣體成分，不僅是人體的代謝活動，氣體的成分還與口腔細菌和腸道細菌的活動密切相關。氣體不僅作爲人體的代謝物被排放，人們攝取的食物等被細菌分解後，作爲其代謝物，也會有氣體排放。如果能在日常生活中測量這些氣體的種類和濃度，就極有可能用於健康管理。
慶應義塾大學理工學部的内田建教授就從這個觀點出發，開始研發可配備於行程終端機的小型、輕量、低能耗氣體感測器。不過，要想真正配備於行程終端機，還需要解決一些問題。
内田教授介紹說：「要想配備到行程終端機上，不僅需要能夠高精度識別氣體分子，還必須是以低能耗工作的小型感測器。因此，採用了能以奈米（1奈米爲10億分之1米）尺寸自由操作物質的奈米技術和LSI製造技術，一舉實施了小型節能和高性能化。」
採用奈米級材料，能耗降至10億分之1
以往的氣體感測器是透過引起化學反應來檢測是否存在某種氣體分子，因此需要將感測器部分加熱到250度左右，直接導致了高能耗。解決這個問題的就是所採用的奈米級材料。
電流透過金屬等導體時，因電阻而產生焦耳熱。利用這種焦耳熱爲自己加熱的程序就是焦耳自加熱。
内田教授介紹說：「一般來說，材料變成奈米級時，熱傳導率會降低，熱容量也會減小，因此利用焦耳自加熱就能達到足夠的溫度。由於是在非常短的時間内達到高溫，可以大幅降低能耗。」
同爲CREST研究成員的日本九州大學柳田剛教授也主導開發過採用數十奈米級導線的感測器，利用以往的氣體感測器約10億分之1的能耗就成功產生了化學反應（圖1）。不過，這款感測器只能識別被氧化的分子，還難以確定分子的種類。
懸空奈米線感測器
做在塑膠基底層上的元件
圖1：採用奈米線的氣體感測器。透過加熱氧化錫奈米線，周圍的氣體被氧化錫氧化，奈米線的電導率發生變化。利用這種變化可以檢測出是否存在某類氣體。
瞬間調節石墨烯的溫度，一個感測器具有兩種功能
内田教授開發的感測器也利用了焦耳自加熱原理，不僅可以檢測呼氣中含有的微量氫氣，還能以1微秒（100萬分之1秒）的速度切換到水分檢測。肉眼無法捕捉到的蚊子振翅的頻率爲每秒800次左右，對照蚊子的振翅頻率也許能體會到切換速度之快。
爲什麼需要如此快的切換速度？内田教授表示：「1個感測器只能檢測1種分子時，使用的感測器數量需要與想識別的分子種類的數量相同。而應用於行程終端機的話，希望能利用1個感測器檢測多個分子。雖然很難用1個感測器同時檢測1次呼氣中含有的多種成分，但如果能以超高速度切換檢測物件，就可以獲得與之相近的資料。」
内田教授把着眼點放在了焦耳自加熱能瞬間切換溫度的特點上。化學反應分爲容易在高溫下發生的反應和容易在低溫下發生的反應。以往的感測器進行加熱需要時間，因此都是在恆定溫度下使用，但如果能瞬間切換溫度，就可以在不同的溫度下使用感測器。
内田教授從這一想法出發，着手開發了採用石墨烯的感測器。石墨烯只有分子級的厚度，採用這種材料製作的元件，即使是吸附微量分子產生的表面變化，也能以高靈敏度檢測出來。但另一方面，石墨烯的導熱率較高，因此存在熱量容易散發掉的缺點。需要設法保存住溫度瞬間擧升產生的熱量。
内田教授介紹說：「爲了避免熱量散發到周圍的物質中，用石墨烯橋接了兩個金電極。另外，透過在金電極表面形成微細的凹凸，減小金電極與石墨烯的接觸面積，使熱量瞬間集中到了石墨烯上。」（圖2）
圖2：石墨烯感測器的掃描型電子顯微鏡照片。
採取用石墨烯在金電極之間搭橋的結構。
用來檢測氫氣的是塗在石墨烯上的奈米尺寸的鈀觸媒。溫度升高到100℃以上後，催化活性強化，氫分子分裂並在鈀與石墨烯的界面電離，電阻會發生變化，由此可以檢測氫氣（圖3）。此時，水分子從鈀中蒸發掉，因此，即使是含有大量水分的呼氣，也能從中檢測出含有的微量氫氣。而在低溫下，水分子不會蒸發分離，根據電阻發生的變化可以檢測水分。
圖3：在石墨烯上塗覆了鈀觸媒的奈米顆粒。在低溫下，觸媒的活性消失，鈀周圍的氧中容易附着水分。而在高溫下，吸附的水分隨着熱反應蒸發分離，同時鈀觸媒被激活，附着的氫變成氫離子。根據石墨烯的電阻值變化檢測分子。透過焦耳自加熱效應控制觸媒的活性和非活性，由此切換檢測物質。
内田教授說：「僅透過改變電壓的單純操作，就能使溫度一下子升降100℃以上，只需1微秒左右即可切換功能。雖然削減感測器尺寸、整合多個感測器也很重要，但現在已經明確透過高速切換溫度，用1個感測器也能分離多種氣體進行檢測，所以我很期待擴大新的可能性。」
整合催生新價值，實施感受世界的LSI
這種氣體感測器除了用於健康管理外，還能用來檢測空氣中含有的污染物質等。除此之外，也可以用來檢測食物的新鮮度和腐爛情況，或用於反恐對策等，用途非常廣泛。
内田教授表示：「在持續研究LSI的程序中培養的信念是，數量即力量。整合化會催生新的價值。此前氣體感測器一直未實施整合化，不過，透過使用奈米材料，推進小型化和節能化，就能實施整合。至於今後能由此而催生什麼樣的新價值，我自己也非常期待。」
以前，LSI一直被認爲是用來計算和存儲的。内田教授的夢想是製作出能感受世界的LSI。不單單是針對輸入的問題給出答案，未來LSI還將與外界連接收集資訊。感測器研究是爲此而邁出的第一步。
内田教授和田中助教在測量室内。
内田 建: 慶應義塾大學理工學部教授。1995年獲得東京大學研究生院工程系研究科碩士畢業，2002年在東京大學取得工學博士學位。1995年進入東芝研發中心工作。2003-2005年任美國斯坦福大學研究員。2008年擔任東京工業大學研究生院理工學研究科副教授，2012年起任現職。2018年起兼任東京大學研究生院工程系研究科教授。
供稿：JSTnews 2019年1月號
翻譯·編輯：JST客觀日本編輯部
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