レーザー書き込みにより、複数の人の「電子鼻」が可能になる可能性

2022 年 6 月 29 日

アシュリー・J・ウェナーズヘロン著、ペンシルベニア州立大学

ペンシルバニア州立大学との協力により、環境センサーは病気や汚染を示す可能性のある複数のガスを同時に嗅ぎ分けることに一歩近づいています。 工学部工学科学および力学助教授の Huanyu "Larry" Cheng 氏とエバリー科学大学化学助教授の Lauren Zarzar 氏、および彼らのチームは、レーザー書き込み技術と応答性センサー技術を組み合わせて、高度にカスタマイズ可能な初のマイクロスケールを製造しました。ガス感知装置。

彼らは今月、その技術を ACS Applied Materials & Interfaces に発表しました。

「ガスの検出は、汚染監視、公共の安全の確保、個人の健康管理など、さまざまな分野にとって非常に重要です」とチェン氏は述べた。 「これらのニーズを満たすために、センシングデバイスは小型、軽量、安価で使いやすく、衣類や配管などのさまざまな環境や基材に適用できるものでなければなりません。」

Cheng 氏によると、課題は、さまざまな対象ガスを同時に正確かつ正確に検知するために必要なインフラストラクチャに合わせて調整できる、望ましい特性を備えたデバイスを作成することです。 ここで、Zarzar のレーザー書き込みに関する専門知識が役に立ちます。

「レーザー書き込み技術は、幅広い分野に設計の自由を与えます」とザルザール氏は語った。 「新しい材料、特にナノマテリアルやナノマテリアル複合体を直接合成し、パターン化し、複雑なシステムに統合する方法についての理解を広げることで、ますます洗練された有用なセンシング技術を生み出すことが可能になります。」

彼女の研究グループは、金属酸化物の同時作成とセンサー プラットフォームへの直接統合を可能にするレーザー誘起熱ボクセル プロセスを開発しました。 金属酸化物は、さまざまな化合物と反応して、感知メカニズムを引き起こす材料です。 レーザー書き込みでは、研究者らは金属塩を水に溶解し、溶液にレーザーの焦点を合わせます。 高温により溶液が分解され、センサー プラットフォーム上で焼結できる金属酸化物ナノ粒子が残ります。

このプロセスは、計画されたパターンの事前定義されたマスクを必要とした以前の方法を合理化します。 変更や調整を行うには新しいマスクを作成する必要があり、時間と費用がかかります。 ザーザー氏によれば、レーザー書き込みは「マスクレス」であり、サーマルボクセルプロセスと組み合わせることで、複数の設計や材料を迅速に繰り返してテストし、最も効果的な組み合わせを見つけることができます。

「正確なパターニングは、『電子鼻』、つまり鼻のように機能し、複数のガスを同時に正確に検出できるセンサーのアレイを作成するために必要な要素でもあります」と、化学の大学院生で共同第一位のアレクサンダー・キャストングアイ氏は述べた。紙の著者。 「このような正確な検出には、最も薄いマイクロスケールで、近接した異なる材料をパターニングする必要があります。これを行うための分解能を備えたパターニング技術はほとんどありませんが、この研究で詳述されているアプローチはそれを可能にします。私たちは、ここで説明した技術と材料を使用して開発する予定です」電子鼻のプロトタイプ。」

研究者らは、現在センサーに使用されている 5 つの異なる金属と金属の組み合わせをテストしました。 Castonguay 氏によると、ヘテロ接合と呼ばれる、異なる金属酸化物が接触する点により、2 つの材料の界面に独特の環境が形成され、ガスセンサーの応答性が向上します。 研究チームは、酸化銅と酸化亜鉛のヘテロ接合は、酸化銅だけと比べて、試験対象ガス（エタノール、アセトン、二酸化窒素、アンモニア、硫化水素）に対する応答性が5～20倍向上していることを発見した。

「この発見は、混合酸化物システムの作成がセンサー応答の大幅な増加につながる可能性があるという科学文献の他の報告を裏付けるものであり、混合酸化物ガスセンサー製造におけるレーザー誘起熱ボクセル技術の有効性を実証しています」とCastonguay氏は述べた。 「Zarzar グループのレーザー書き込みの知識と Cheng グループのウェアラブル センサーの専門知識をプールすることで、斬新でカスタマイズ可能なセンサーを作成する能力を拡張できることを期待しています。」

詳しくは： Alexander C. Castonguay 他、液体前駆体からのマイクロスケール金属酸化物ガスセンサーの直接レーザー書き込み、ACS Applied Materials & Interfaces (2022)。 DOI: 10.1021/acsami.2c03561

雑誌情報:ACS アプライド マテリアルズとインターフェイス

ペンシルバニア州立大学提供