大学教育の質の保証・向上ならびに 電子化及びオープンアクセスの推進の観点から 学校教育法第百十三条に基づき、 教育研究活動の状況を公表しています。
第百十三条 大学は、教育研究の成果の普及及び活用の促進に資するため、その教育研究活動の状況を公表するものとする。
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A. ガスセンサは、溶存酸素の検出をする酸素センサやn型半導体を利用するガス漏れセンサがある。CO，メタン，プロパンなどの都市ガスの成分は正電荷吸着し伝導帯上の電子が増加、蓄電層の形成されるためセンサとして働いている。n領域の電子がp領域へ、p領域の電子がn領域へ拡散し、遷移領域に電位障壁が形成される。この遷移領域が空乏層（空間電荷層）という。 グループワークでは電気化学センサーについて調べた。グルコースセンサを選んだ。基質還元体が酵素によって酸化体に、メディエーター酸化体が酵素によって還元体になるというシステムにより電子が流れ、電流が下がるという仕組みにより、電気化学センサーとして働いている。グラフによるとグルコース添加によって電流が下がっていることが確認できる。 事後学習では酸素センサーと湿度センサーを調べた。ガルバニ電池式酸素センサーに使われる電極材料は貴金属または鉛、亜鉛がある。測定原理は電解液を介して、空気中の酸素と負極が化学反応を起こすことで電流を発生させる。抵抗式湿度センサーに使われる電極材料は金や銀、カーボンアドである。吸湿性の高い高分子膜を感湿素子として使用し、この膜の表面や内部に電極を形成する。空気中の水蒸気が高分子膜に吸着されると、膜の誘電率やイオン導電性が変化することで抵抗値が変化する。
A.①?③を以下に示す。 ①【講義の再話】 白金を用いた電池で溶存酸素を得てエネルギーに変えることができる。この方式ガルバニ電池方式といわれる。 半導体内部にはｐ型とｎ型の領域があり、この境界が接触してｐ－ｎ接合が形成される。このｐ－ｎ接合が半導体において特性を引き出す最も基本的な接合である。電圧によって空間電荷層ができる。 イオン結合について、共有接合もそうだが電子が局在化するため電気は流れない。イオン結合は電子が非局在化するため電気が流れる。 酸化スズはSnO2で表されるが実際はSn(１＋ｎ)O２というように量論比を取らないで存在する場合がある（金属過剰型）。このような化合物を不定比化合物半導体といい、不定比を取ることで電気を流さない化合物もその部分に電気が流れるようになる。この原理が半導体に用いられている。キャリアーが電子の場合とベーカンシー（欠陥）の場合（ジルコニウなど）とプロトンの場合とがある。 固体電解質とは固体中でイオンが移動するものである。例えばガラス（プロトンが移動）、ナフィオン（フッ素化ポリマー）などがある。 ②【発表の要旨】 演題 電気化学センサーを説明してみましょう グループ名 はたらく細胞！ 役割 責任著者 共著者 鈴木結惟、原野未優、高橋香桃花、三船歩美、大坂琉音 高分子膜、電極の表面にある抗体に特異的に抗原が結合すると膜電位変化が起こる。この原理は抗体が特異的に抗原に結合することで可能となる。抗体に目的化合物ではなく、似たような構造をもつ化合物が結合してしまう可能性もあると考えた。この技術が検査キットに応用されている。 ③【復習の内容】 トピック名 酸素センサ、ガス漏れセンサ、湿度センサ ガスセンサその原理は「導電率の変化」である。半導体表面に吸着する分子が半導体内の電子を受け取り、陰イオンの状態で存在している場合、半導体内はキャリアーである電子が減少するため導電率は低下する。一方イオン化エネルギーが小さく、半導体内に電子を供与する分子が表面に吸着している場合、半導体内にはキャリーである電子が増えるため導電率は増加する。この導電率の変化を検出する。 プロパンガスが漏れるとｎ型半導体である酸化スズに吸着する。この場合単価水をは正電荷吸着をするため半導体の導電率は増加する。
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A. pH電極は、水素イオン濃度を測定する装置で、ガラス電極と参照電極から構成される。ガラス膜を介して電位差が生じ、その差をネルンスト式に基づいてpH値として表示する。水質管理や農業、食品製造など多くの分野で活用されており、環境や製品の品質を保つために重要な役割を果たしている。 酸素センサーはガルバニ電池の原理を利用し、酸素の還元反応によって発生する電流から濃度を測定する。ガス漏れセンサーは電気化学式や半導体式の原理を用い、電気反応や抵抗変化によってガスの存在を検知する。湿度センサーは静電容量式や電気抵抗式を用いて湿度の変化を測定し、家庭用機器から産業用途まで幅広く利用されている。 グルコースセンサーは、酵素反応によって生成された電子を電極で検出し、電流値を電圧に変換して血糖値として表示する。糖尿病患者の血糖管理に広く使われており、最近では汗や涙などから非侵襲的に測定する技術も研究されている。これにより、より快適で継続的な健康管理が可能になると期待されている。
A.家庭用ガス警報器に使われるSnO?はn型半導体であり、気体分子の吸着により導電率が変化する。二酸化炭素や水素、メタン、プロパンなどは半導体に電子を与え、導電率を上昇させる。一方、酸素などは電子を奪い導電率を低下させる。だが、吸着ガスの識別は困難で、選択性は低い。実用上は白金やパラジウムなどを添加し、特定ガスへの感度と選択性を高めている。誤動作の例としては、料理酒の蒸気に反応するケースがある。 今回のグループワークは、電気化学センサーを説明してみましょうである。 演題は 電気化学センサーを説明してみましょうで、グループ名はセンサ、属した人は、山口竜輝、佐藤光介、鈴木奏逞、須藤春翔であり、役割は調査係。 人間には感知できない磁力や磁束の変化を検出する装置である磁気センサについて図を示した。さらに使用例としては、磁気の性質を利用して、防犯装置やドア・窓の開閉検知など、日常生活での安全対策に広く応用されていることが分かった。 私は、磁気センサについてさらに詳しく調べた。 磁気センサは、磁場を感じ取って、それを電気の信号に変える装置であり、身近なところでは、自動車のドアの開閉検知、スマートフォンの方位センサ、エレベーターの位置確認などに使われている。たとえばホール素子と呼ばれるタイプは、電流が流れているところに磁石を近づけると電気の変化が起こり、それを使って動きを検知する。ほかにも、非常に小さな部品を使い、より細かい変化を読み取れる高感度な磁気センサもあり、ハードディスクや車のエンジンの制御などにも使われている。磁気センサは物に触れずに動きや位置を測れるため、今後は自動運転やロボット、医療の分野などでもますます使われると感じた。
A.①9回目の応用で、エネルギーダイヤグラムを用いたガスセンサについて学んだ。縦軸に/evエネルギーをとり、横軸に/m距離をとったグラフである。また、空乏層についても学んだ。空乏層とは別名空間電荷層とも呼ばれ、ゲートに電圧をかけて意図的に作るものである。酸素の吸着によって空乏層が形成され、抵抗を変化させることもある。酸素の吸着は、負電荷吸着といい、半導体表面の導電率が低下する。これに対し、正電荷吸着というものがあり、これは半導体表面の導電率が増加する。例として炭化水素や、一酸化炭素、水素などが挙げられる。 ②グループワークでは、電気化学センサについて議論した。ｐHメータを取り上げた。流れとして、水溶液中の水素イオンの活量を電気信号として送り、ｐH値として表示する。そして、ガラス電極と比較電極を用い、ネルンストの式から電位差を測定することによってｐHメータとして機能する。そして注意点として、温度補正が必要であることが調査結果で分かった。理由として、プロトン以外にも干渉の可能性があるからである。ここまで議論をすることができた。 ③授業内で、酸化スズがなぜ半導体なのかについて取り上げていたので、これについてまとめる。まず酸化スズについてだが、酸化スズは白色、または無色透明で、用途はガスセンサや透明電極などである。次に酸化スズがなぜ半導体なのかについてだが、バンド構造に注目するとわかりやすい。半導体のバンドキャップは、中くらいで0.5～4eVである。酸化スズのバンドギャップは約3.6eVであるので、半導体と言える。また、絶縁体に近いように見えるが、不純物や酸素欠損のおかげで自由電子が生まれやすいため半導体である。このため，導電性ができて、半導体になる。また、スズの酸化状態が可変することでこのようになるとも考えられる。
A.①本講義では、溶液中の溶存酵素を検出するための酵素センサについて学びんだ。酵素センサは、酵素を透過するためテフロン膜で覆われた作用電極において、透過した酵素を還元し、その際に流れる電流から酵素濃度を測定した。中でも、外部電圧なしで動作するガルバに電池方式について学び、これは消耗性の対極と作用極で構成されることが特徴である。また、空乏層は空間電荷層とも呼ばれ、教科書の図を用いて接合ゲートの動作原理についても理解を深めた。 ②グループワークでは酵素センサについて話し合った。例として、党であるグルコースの酸化を触媒するグルコースオキシダーゼを用いもの議論した。化学式をとったとき触媒がGODであり、GODによってグルコースが酸化されてグルコノラクトンと過酸化水素が背精される。ここでH2O2によって酸化され、発色する色素が存在すればその原因物質であるグルコースの量も測定できる。また、酵素は特定の基質とだけ反応するため基質の選択的検出が可能である。こうして、酵素反応を利用して特定基質を検出、定量が可能であることが分かった。 ③溶存酵素とは生体内や実験で液体中に分散している酵素のことである。また固体や細胞膜に結合していない自由に動ける状態の酵素である。
A. 講義では、酸素やガスを検出する電気化学センサーを学んだ。まず、ガルバニ電池方式による溶存酸素検出の模式図を描くことで、検出原理を理解した。次に、自動車に搭載される酸素センサーについても取り上げ、ジルコニアを固体電解質とする酸素不足型センサーの仕組みを確認した。キャリアとして酸素の格子欠陥が重要な役割を果たすことがわかった。また、ガス漏れセンサーの仕組みを学ぶ中で、n型半導体へのガス吸着による空乏層に注目した。フェルミ準位の整合によってp型・n型の接合界面に空間電荷層が形成されることを理解した。酸化スズを用いた半導体センサーでは、正電荷ガスが吸着すると電子が供給され、導電率が増大する仕組みである。また、酸化スズは電子が局在化したイオン結合性物質である。 発表では、電気化学センサーの一例としてpHメーターを選んだ。pHメーターはガラス電極と比較電極の組を使って水素イオン濃度を電圧に換算し、0?14のpH値として表示する仕組みである。測定された電圧は約＋400mVから－400mVの範囲にわたり、mV単位で精密なpHの判断が可能となる。 復習では、センサーの種類とそれぞれの動作原理を分類しながら理解した。具体的には、電極反応による電圧の変化を検出するもの、半導体表面でのキャリア濃度の変化を利用するもの、イオン伝導性を利用するものなどに分け、構造・動作・キャリアの違いを整理した。
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A.①半導体はどのような仕組みだろう。半導体には欠乏層（教科書では空間電荷層）が電気を運んでいる。SnO2の半導体ではキャリアは電子であり、フッ素化ポリマーも半導体である。 ②「電気化学センサーを説明してみよう」グループ名：グルコース 向田、山根、三好、平方、百々、山川 役割：調査 グルコースセンサを選んだ。グルコースがない状態だとO2の還元電流はピークで一定であるが、グルコースを添加すると電流が低下し差が生じる。グルコースの量がO2の還元電位に影響し、グルコースを検知することができる。 ③酸素センサーはジルコニア式のものを選んだ。電極はジルコニアをPO2で挟んだ電極である。原理としては、ジルコニアの隔壁の両側に酸素分圧があると、この分圧差に応じた起電力が発生し、ジルコニア隔壁に電流を流すと電流の向きと逆方向に酸素分子が移動するというものである。 ガス漏れセンサはSnO2やZnOなどのn型半導体を電極として利用する。原理としては、半導体に酸素が吸着するとキャリアの欠乏層が表面に形成される。欠乏層が電子に対するポテンシャル障壁となっている。ここに可燃性ガスが付着するとポテンシャル障壁を低下させ、焼結体の電気抵抗も低下するため、ガスを検知できるというものである。 湿度センサは抵抗式のものを選んだ。基材にはセラミック、電極は金、感湿膜には高分子ポリマーを使用する。櫛形の電極が接触しない状態で向かい合っている。原理としては、感湿膜の吸脱湿により抵抗が変化する。湿度が低くなると抵抗値が大きくなり、湿度が高くなると抵抗値が小さくなるというものである。
A.①第十回の授業では溶液流の溶存酸素の検出方法である酸素センサについて学びました。酸素センサは作用電極表面を酸素透過性のテフロン膜で覆って透過してくる酸素を還元しその還元電流値から酸素濃度を評価することができます。その中でガルバ二電池方式を取り上げ、これは作用極に外部から一定電位を印加する定電位電解方程式のものや対極に消耗性の電極を用いて作用局との間に電池を構成させて外部から電圧を印加しなくても動作する方式であることを学びました。また空乏層とは空間電荷層といいかえることができ、教科書の図から接合ゲートの動作原理を学びました。 ②ワークショップでは電気化学センサーであるpHメーターについてまとめました。 水溶液中の水素イオンの活量を電気信号へ送り、pH値として表示する、ガラス電極と比較電極を使いネルンストの式で電位差を計測する、などの特徴を調べました。 ③授業の発展として、pH電極の構成と測定原理についてまとめました。pH電極の構成はガラス電極と参照電極に分けられていて、ガラス電極は薄い特殊なガラス膜を通して水素イオンに選択的に応答し、その活量に応じて電位が変化する構造を持つこと、参照電極は外部の溶液に対して一定の電位を保つことを目的とした電極であり測定原理について、pH測定はガラス電極と参照電極の間に生じる電位差を電位系で測定し、その値をpHに換算することで行うことなどを調べました。
A. 講義では、半導体材料のエネルギー構造とその応用について学んだ。特に、伝導帯と価電子帯の概念、バンドギャップの大きさによる電気伝導性の違いが、導体・半導体・絶縁体を分ける重要な指標であることを理解した。また、界面におけるエネルギー準位の変化や、フェルミ準位の位置関係が、電荷の移動やデバイスの性能に大きく関わることも印象的であった。 私たちのグループでは、半導体電極を用いた光エネルギー変換の仕組みとともに、酵素センサの動作メカニズムについても取り上げた。まず、半導体のバンド構造を図示し、光照射によって電子が価電子帯から伝導帯へ励起される様子と、それに伴う電流発生を説明した。さらに、酵素センサでは、酵素反応によって生成された物質が電極で酸化還元され、その際に生じる電流を計測することで、対象物質の濃度を検出する仕組みを紹介した。発表では、両者のエネルギー変換効率にも注目し、図とともに考察を行った。 全体を通して、エネルギー準位や電子の移動といったミクロな視点が、マクロなデバイス動作に直結することを再認識した。特に、光応答材料やバイオセンサのように、異なる分野が融合した応用例に触れることで、材料科学や電気化学の基礎知識が実際にどう活かされているかを具体的に理解することができた。今後も、理論と応用の両面からエネルギー技術を深く学んでいきたいと感じている。
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A. ガスセンサをテーマに授業を行った。目に見えない気体を検出することができる。ガスセンサはSnO2の半導体をつかっており、正電荷吸着と負電荷吸着を検出することでガス漏れを検出するものである。正電荷吸着ではイオン化ポテンシャルの小さいガス分子が半導体に電子を与えて陽イオンとなって半導体表面の導電率を増大させ、負電荷吸着ではその逆で導電率を低下させる。 この授業での演題は電気化学センサーを説明してみましょうだった。共同著者は山口、鈴木、須藤であった。私たちの班は磁気センサーについて調べた。人間が感じることが出来ない磁力や磁束の変化を検出することが出来リードスイッチとして使われる。使用例としては窓ガラスに磁石、窓枠にリードスイッチを取り付けると窓の開閉を検知することが出来、防犯に役立っている。 復習では以下の内容を行った。pH電極は、H+活量に応答する薄膜ガラスと内部に一定濃度KCl溶液を封入したガラス膜電極部、ならびに液接点を介して測定溶液と接続するAg/AgCl参照電極から構成されるのである。ガラス膜内外のH+濃度差による電位差を検出し、ネルンスト式でpH値に換算して測定するのである。高感度かつ迅速な測定が可能である。
A.""【講義の再話】 センサーはIoTをもたらす。 身近なセンサーと言うと、カメラ、マイク、タッチパネル、温度計(温度センサー)、などが思い浮かぶだろう。マイクを使って喋る時、音声というアナログ量をデジタル量に変化させている。ここでのアナログ量は圧力変化量、デジタル量は電圧の変化量であり、電圧と時間で表すデジタル量である。 アナログデジタル変換の精度には限界があるが、ヒトが感知できない程の精度は必要としないので、適切に見積もることが必要である。 過去に5つのエネルギーの種類を説明したことがある。エネルギー化学としては、力学的エネルギーは圧力センサー、電気エネルギーは電流センサー、光エネルギーはカラーセンサー、熱エネルギーは温度センサー、化学エネルギーはガスセンサーが代表的である。""
A. 空乏層とは、半導体のp-n接合などでみられる、キャリアがほとんどなく、電気的に絶縁された領域のことである。空間電荷層とも言う。電気的に、もしくは化学的に空乏層ができる場合がある。ガス漏れセンサーは、ガス分子がセンサー表面に吸着することで電気抵抗や電流が変化し、その変化を検出してガスの存在を感知する。主に金属酸化物などが用いられ、吸着による電子の移動がセンサーの応答に関与する。吸着の強さや選択性により、検出感度や特定ガスの識別が可能となる。 演題は「電気化学センサーを説明してみましょう」、グループ名はダッシュ、共著者は鈴木純奈、栗田涼香、永山るりか、私は調査を担当した。pHメーターについて、測定する量は水素イオン濃度、pHメーターはガラス電極と比較電極がある。pH値は0?14の範囲、電圧としてはpH0?14に対して約＋400mV?-400mVに測定される。 復習として、センサーの種類について述べる。センサーには、温度センサー、光センサー、圧力センサー、ガスセンサーなど多くの種類がある。それぞれ特定の物理量や化学物質を検出し、電気信号に変換する役割を持つ。用途に応じて使い分けられており、機械の自動制御や安全管理に欠かせない存在である。見えない変化を検出する仕組みを知り、技術の繊細さと応用範囲の広さに驚かされた。
A.1/講義の再話：pH電極は、水溶液中の水素イオン濃度を測定するための電極で、主にガラス電極と比較電極の2つから構成されている。ガラス電極は、pH感応性のある特殊なガラス膜でできており、膜の内側には一定のpHの内部溶液が入っている。外側の水溶液中に存在するH?イオンとガラス膜表面のNa?との間でイオン交換が起こり、膜の内外で電位差が生じる。この電位差は水素イオン濃度、すなわちpHに依存して変化する。 一方、比較電極は、一定の電位を保つ基準点として機能し、一般的にはAg/AgCl電極が使用される。測定時には、ガラス電極と比較電極を溶液中に挿入し、それぞれの電位差を測定することで、溶液中のpHを求める。電位とpHの関係はネルンストの式に従い、25oCにおいては約59mVの電位変化でpHが1変化する。pH電極は、化学、医療、環境、食品など多くの分野で用いられており、簡便かつ正確にpHを測定できる装置として広く利用されている。 2/発表の要旨：「電気化学センサーを説明してみましょう」 バイオセンサーは、特定の生体分子（例：酵素、抗体、DNA、グルコースなど）との反応によって生じる化学的変化（化学量）を電流、電圧、または電気抵抗などの電気的信号（電気量）に変換するセンサーである。 バイオセンサーは、以下の３つの要素から構成されている。生体認識素子（Bioreceptor） は蛋白質・酵素・抗体など、標的分子に特異的に反応する。トランスデューサ（Transducer）は反応から生じた変化（pH変化、電子の移動など）を電気信号に変換する。そして信号処理系（Signal processor）は電気信号を測定・デジタル化し、数値として出力する。 変更された情報は電流値（μAやnA）や電圧値（mV）として得られ、内蔵されたキャリブレーション曲線によって、対象物質（例：グルコース濃度、抗原濃度など）に変換される。 応用として血糖値測定、病原体検出、がんマーカー診断などの例が挙げられる。 3/復習の内容：酸素センサ、ガス漏れセンサ、湿度センサは、それぞれの対象物質を検出するために異なる種類の電極と測定原理を用いている。酸素センサでは、ジルコニア（ZrO2）を固体電解質とした電極が使われる。高温状態で、ジルコニアを挟んだ内外の酸素濃度差によって電位差が生じる。これはネルンストの式に従い、酸素分圧の違いを電気信号として検出する仕組みである。 ガス漏れセンサ、特に可燃性ガス用センサでは、金属酸化物半導体（例：SnO?）を用いた電極が使われる。対象ガスがセンサ表面に吸着すると、酸化還元反応によって半導体の電気抵抗が変化する。この抵抗変化を検出することでガス濃度を測定する。 湿度センサには、電気抵抗型または容量型の電極が使われる。電気抵抗型では吸湿性のある材料（例：高分子膜）の電気抵抗が湿度によって変化する。一方、容量型では湿度により誘電率が変化し、それが電極間の静電容量の変化として現れる。これらのセンサは、空調、産業機器、医療など幅広い分野で利用されている。
A.第10回の授業「工業製品への応用―センサー、pH電極、参照電極」では、電気化学の原理がどのように実用製品へ応用されているかを学んだ。まず、白金と硫酸を用いた電池を例に、白金電極と溶液の接する部分を「界面」と呼び、これは物質の「相（フェーズ）」の違いに基づいていることを確認した。電池の動作を理解する上で、エネルギーダイヤグラム（エネルギーの高低を示す図）が役立つことも紹介された。続いて、白金懐炉や各種ガスセンサーの仕組みについて学び、とくに空乏層と貯蔵層という半導体デバイスの重要な概念を調べた。空乏層では酸素吸着によりキャリア密度が変化し、結果として電気抵抗が変動することがセンサーの検出原理となる。また、グループワークでは電気化学センサーの具体例について調査し、私たちの班ではグルコースセンサーを取り上げた。グルコース酸化酵素と電極反応を組み合わせた仕組みによって、血糖値を迅速に測定できる仕組みを理解した。
A. 半導体界面では専門分野により用語が異なり、5章では「空乏層」と呼ばれる領域が、7章では「空間電荷層」として示される。これは半導体表面でキャリアが乏しく、固定イオンが残る帯電領域であり、電気化学反応やセンサー特性に影響を与える。n型半導体上へのガス吸着には、電子を受け取る負電荷吸着や、電子を放出する正電荷吸着があり、表面電位や空乏層の厚みを変化させる。SnO?が半導体となるのは、Snがやや過剰で酸素空孔やドナー準位が形成され、自由電子が導電に寄与するためである。また、ヘンダーソンの式はネルンスト式と近似的に一致し、pH依存性の電位解析に用いられる。免疫センサは、抗体と抗原の特異的結合を信号に変換して高感度に検出するバイオセンサである。さらに、現代の電気化学P249には銀/塩化銀電極の図が示されており、AgをCl?を含む溶液で陽分極し酸化反応を進行させる原理が説明されている。 グループワークでは免疫センサーについて調べた。免疫センサーは抗原がないとTrpにより光が消える仕組みとなっており、抗原があるとTrpは抗原をキャッチして抗体構造が安定して光る仕組みとなっている。 空乏層について調べた。半導体と金属、または半導体と電解質が接触したときに、電荷の移動によって半導体表面近傍でキャリア（電子や正孔）がほとんど存在しない領域のことである。 半導体センサーやpn接合などに用いられる。
A. 電気化学は溶存酸素の検出にも用いられる。作用電極表面をテフロン膜で覆って投下してくる酸素を還元し、還元電流値から酸素濃度を評価することができる。ガスセンサにおいてもn型半導体である酸化スズが用いられたものが基本となっている。半導体には空乏層が存在し、分子が吸着することによって電荷が増える。教科書の他の章では空乏層のことを空間電荷層と書かれており、ゲートに電圧を加えることにより意図的に層をつくっている。このように電気的でもあり化学的でも説明されることがある。 グループワークでは「電気化学センサ」について議論を行った。化学センサとしてpHセンサを選択し、pH測定について調査を行った。測定する量は水素イオン濃度であり、単位はmol/Lである。ガラス電極と比較電極がありガラス電極が水溶液中の水素イオン濃度に反応して電位差を生じ、デジタル信号に変換される。 pH値は0～14の範囲で表される。電圧としてはpH0~14に対して約+400mV~-400mVに測定される。 復習として「空乏層」についてさらに調べた。、p型半導体とn型半導体を接合したpn接合部に形成される電荷キャリアがほとんど存在しない領域のことであり、接合直後電子と正孔が拡散して再結合し、p型側には負電荷、n型側には正電荷が残され、内部に電位差が生じる。外部から電圧を加えると、空乏層の幅が変化し、電流の流れ方が制御される。電流の整流作用やトランジスタ動作の基盤となる重要な構造であるのだと分かった。
A.今回の授業ではガス漏れセンサを学びました。ガス漏れセンサにはn型半導体が使用されており、この上に期待吸着分子がくっついています。吸着分子の電子親和力が大きいことで半導体から吸着分子に電子が移動します。イオンによる導電離の違いで感知します。 pH メーターはＨ＋濃度一定の内部液中に基準電極を入れガラス薄膜で覆った。ガラス電 極と試験溶液中の外部の基準電極との間の電位差を測定することによって pH を測定する ことができる。pHメーターは水質管理や食品の品質管理に応用される。pH電極を標準溶 液(Si)に浸したとき、膜電位の差を表した式はpH(X)＝pH(Si)＋Eｍ(X)―Eｍ(Si)/0.059である。この式で数値に変換される。 Phメーターについて詳しく学びました。pHメーターは、液体の酸性・アルカリ性を数値で測定する装置です。主にガラス電極と参照電極を用い、水素イオン濃度の差によって生じる電位を検出し、pH値に換算します。食品、化粧品、環境分析など幅広い分野で活用されています。
A.①イオン結合と共有結合の違いや、半導体の性質について学んだ。特にSiO?などの物質を例に、空乏層やキャリアの移動といった半導体の基本について深く理解した。また、全層極性型や不定性化合物半導体など、多様な構造や性質を持つ材料についても触れ、それぞれのエネルギー準位や界面での電子の振る舞いを図を通じて視覚的に理解した。さらに、化学電池の構造や反応機構について学び、アノードにおける酸素発生や電解質の役割など、電池の動作原理を理解した。PHメーターを例に工業的応用方法についても学んだ。 ②グルコースの酸化を利用した酵素センサの原理を示している。グルコースオキシダーゼ（GOD）によってグルコースが酸化され、グルコノラクトンと過酸化水素（H?O?）が生成される。H?O?は色素を酸化するため、発色反応を通じてグルコースの濃度が定量できる。酵素は特定の基質とだけ反応するため、高い選択性も持ち、この特性を活用し、酵素センサは食品や医療分野での糖質測定に広く応用されていることが分かった。 ③イオン結合と共有結合の違いや、半導体の基本構造、性質について学び、SiO?などを例に空乏層やキャリア移動の概念を理解した。化学電池の構造やアノードでの酸素発生、電解質の役割など電池の原理を学び、pHメーターを通じた応用にも触れた。また、グルコースの酸化を利用した酵素センサでは、選択的な発色反応により高精度な糖質測定が可能だということを学んだ。
A.①ガス漏れセンサと酸化スズのイオン結合、固体電解質とガラス電極などについて学びました。 センサは基本的に半導体からできており、弱いエネルギー変化を利用して特定の物質を検出するものであると分かりました。ガス漏れセンサはn型半導体である酸化スズ SnO2を利用したセンサです。酸化スズはイオン結合でできており、キャリアは電子です。また、Sn(1+x)O2の、金属過剰型不定比化合物半導体であり、ノンストイキオメトリーとも言います。半導体表面とガス分子（O2など）が接触すると、負電荷吸着と正電荷吸着のそれぞれの場合で伝導帯と価電子帯の状態が変化し、導電率が増減します。電気的特性（導電率）の変化を検出し、ガスの存在を確認していることが分かりました。また、固体電解質の例としてガラスがあり、プロトン（陽イオン）をキャリアとしており、ガラス電極などに応用されていることが分かりました。 ②グループ名はガスです。グループメンバーは小池快成、細井蓮、小野翔太です。発表では、電気化学センサとして半導体式ガスセンサを選び、図とともに原理や特徴をまとめました。半導体式ガスセンサは酸化スズ、アルミナ基板、ヒーター、電源によって構成されており、表面の酸素が還元ガスと反応して取り去られることでガスが検出される仕組みとなっていました。ほかにも接触燃焼式ガスセンサ、NDIR式ガスセンサ、電気化学式ガスセンサなど、ガスセンサだけでもたくさんの種類があることが分かりました。 ③復習では、半導体の表面構造である伝導帯と価電子帯について調べました。伝導帯はエネルギーの高い準位（フェルミ準位）に存在し、物質内で電子が自由に動きまわることができるエネルギー帯でした。価電子帯は伝導帯よりもエネルギーの低い準位にあり、物質内で電子が通常占めているエネルギー帯のことで、常に満たされているか、部分的に満たされていることが多いと分かりました。n型半導体（自由電子がキャリア）に酸素分子が吸着した場合、酸素は電子親和力が大きいため、伝導帯から電子を受け取り負電荷吸着を起こします。このことで、伝導帯の自由電子が減る（＝キャリアが減る）ので、導電率が下がります。炭化水素や水素などのイオン化ポテンシャルが低い吸着分子の場合は半導体表面に電子が増すので、導電率が上がります。また、価電子帯からエネルギーを受けて電子が伝導帯に遷移することでも、導電性が上がることが分かりました。
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A.①ガス漏れセンサでは、プロパンなどの可燃性ガスが酸化物半導体が表面に吸着すると、表面反応により電子が放出され、導電率が増大する。SnO?はイオン結合性を持ち、酸素欠損が生じると金属過剰型の不定比化合物半導体となり、n型キャリアが増加する。センサの動作には空乏層（電子が少ない領域）と空間電荷層（電荷分布が変化する領域）が関与するが、両者はほぼ同義であり、界面近傍の電気的性質を示す。一方、ZrO?のような酸化物では、酸素イオンが格子欠陥を通じて移動し、キャリアとして働く。酸素が抜け落ちることで導電性が変化し、センサ応答に寄与する。これらの材料の構造と欠陥が、ガス検知性能の鍵となる。 ②免疫センサーについて調べた。抗原がないとTrpにより光が消える。抗原があるどTrpは抗原をキャッチして、抗体構造が安定して発光する。 ③酸素センサでは鉛や亜鉛を陽極、金や白金を陰極として構成されたガルバニ電池型構造の中で、酸素が陰極で還元される反応から生じる電流を酸素濃度として検出する。ガス漏れセンサでは酸化スズなどの金属酸化物に形成された電極にガスが吸着することで導電性が変化し、その抵抗値の変化からメタンなど可燃性ガスの漏れを検出する。湿度センサでは金属電極に挟まれた誘電体の水分吸収によって誘電率が変化し、それに伴う静電容量の変化を電気的に読み取ることで空気中の湿度を測定する。
A. 第10回の講義では、ガスセンサの作動原理について学んだ。ガスセンサは、人間の嗅覚では検知できない無臭性ガスなどを検出することができる。ガス漏れセンサにはｎ型半導体である酸化スズSnO?を用いるのが一般的である。半導体表面にＯ?などの負電荷を帯びた気体分子が吸着すると、伝導体に存在する電子が表面の酸素分子に引き付けられてその付近で空乏層が生じる。一方で、メタンやプロパンといった正電荷を帯びた気体分子が吸着すると、表面付近に伝導体にあった電子が集合し、蓄積層が生じる。ガス漏れセンサはこのような電子の密度変化を検出することでガス漏れを感知することを学んだ。 グループディスカッションでは、「演題：電気化学センサを説明してみよう（グループ名：6人グループ、共著者名：大濱風花、永森隼也、石毛翼、久保明裕、HUYNHVINH KHANG、役割：発言者）」をテーマに話し合いを行った。私たちのグループはバイオセンサについて調べた。バイオセンサは、化学物質、熱、質量などをレセプターで感知し、物質固有の電気的な反応を読み取ることによりバイオシグナルを電気信号に変換する情報伝達装置である。バイオセンサの特徴としては、生物学的な素材が用いられることが多く選択性が高いこと、酸化体・還元体の濃度変化を電極反応を通じて電気信号に変換していることなどが挙げられると分かった。 今回取り上げたセンサの他にも、ｐＨセンサ、酵素センサ、免疫センサなど様々なセンサが存在する。これらは生体にもともと備わる機能を活用したものであり、近年進化を遂げてきた。私は、こういったバイオセンサの開発・研究に興味があるので、今回の講義を通して、エネルギーという観点からみた作動原理やその用途について理解を深めることができ、とても有意義な時間となった。
A.①第10回はセンサーと情報変換についての授業であった。ガス漏れセンサーのしくみはｎ型半導体である酸化スズを用いたものが基本である。空乏層とは空間電荷層のことであり、これはガスの吸着によって電気的にできる。スズが含まれる半導体はスズの割合が少し多い場合金属過剰型不定比化合物半導体となる。pHセンサの仕組みは実際のｐH測定と同じ方法で電位差を測定し、さらに温度の補正ができるようになったものであり、電極内には飽和塩化カリウム水溶液と濃度一定の水素イオン溶液が含まれており、固体電解質としてガラスが用いられている。 ②授業最後の演習として電気化学センサーについて議論した。班名は、班6人グループ、班員は大濱風花、立花小春、藤森隼也、石毛翼、久保明裕、HUYAIHVINH KHANGの六人であり、役割は発言であった。私たちの班ではバイオセンサーについて調べた。バイオセンサーは化学物質の熱、質量などの物質の電気的な反応を読み取り、電気信号に変換するという仕組みである。生物学的な素材が用いられ、これらは酵素反応のように選択性が高い。酸化体、あるいは還元体の濃度変化を電極反応を通して電流値の変化として読み取る。 ③この授業に復習として、pHセンサの測定原理について調べた。pHセンサはpH計として用いられており、液体の酸性度やアルカリ度を測定するための装置である。基本原理は溶液中の水素イオンの濃度を測定することに基づいており、非常に薄いガラス膜を通して2つの異なる溶液が接触すると電位差が生じる。この電位差は溶液中の水素イオンの濃度によって変化し、その変化がpHとして表示される。
A.エネルギーダイアグラムとは、物質やシステムのエネルギー状態を図式化したものであり、反応の進行や安定性を解析する際に用いられる。白金カイロは白金の触媒作用を利用して発熱する回路である。ガスセンサは特定の気体成分を検出し、その濃度を計測する装置である。pH電極は水溶液中の水素イオン濃度（pH）を測定する電極であり、通常はガラス膜を用いて水素イオン活性を感知する。参照電極は一定で安定した電位を保つ電極で、測定対象電極との電位差を比較するために用いられる。代表的な参照電極として銀塩化銀電極（Ag/AgCl電極）がある。電極電位はネルンストの式に従い、イオン濃度や温度により変化するが、参照電極の安定性により正確な測定が可能となる。 発表ではpHメーターについて調べた。水素濃度一定の内部液中に基準電極を入れ、ガラスの薄膜で覆ったガラス電極と試験電極中の外部の基準電極との電位差を測定することでpH測定が可能になっている。pH電極を標準溶液に浸したときの膜電位の差を表した式によって数値に変換させている。 ｐH電極、参照電極の利点について調べた。pH電極の利点は、水素イオン濃度を迅速かつ正確に測定できることにある。特にガラス膜を使ったpH電極は感度が高く、幅広いpH範囲で安定した測定が可能である。一方、参照電極の利点は、その電位が安定しており変化しにくいことである。これにより、pH電極との電位差を正確に比較でき、信頼性の高い測定結果が得られる。両者を組み合わせることで、精密で再現性のあるpH測定が実現される。
A.１．イオン結合は基本的に電気を通すことがない。これは電子が非局在化しているからである。しかし、これにも電気を流すことができるようになる。それは、半導体にすることである。半導体にすれば、絶縁体、導体のどちらの性質も持ち合わせ、電気を流したり流さなかったり、選択することが可能となる。 白金カイロのように白金は様々な場面で用いられ、例えば電池の電極や、ガスセンサ、溶存酸素の検出などにも利用されている。 ２．私たちのグループでは、グループ名をガスとし、半導体式ガスセンサについて調査し、ディスカッションした。 半導体式ガスセンサは、アルミナ基板に存在する表面の酸素が還元ガスと反応して取り去られることでセンサが働き検知する仕組みである。他にもさまざまなセンサがあり、電気化学式センサや、NDTR式ガスセンサがある。 ３．空乏層について調査した。空乏層（くうぼうそう、depletion layer）とは、半導体のPN接合などでみられる、キャリアがほとんどなく、電気的に絶縁された領域のことである。 欠乏層とも言う。
A.①溶存酸素の検出について。溶液中の溶存酸素の検出は電解型の酸素センサで測定できる。また、ガス漏れ警報器の原理について。ガス漏れセンサのガスセンサはｎ型半導体である酸化スズを用いたものが基本となっている。ガス漏れが起きた時、酸化スズの導電率は高くなる。酸素は負電荷吸着、炭化水素は正電荷吸着する。正電荷吸着すると導電率が高くなるからであるから。金属過剰型化合物は不定比化合物半導体がセンサーなどに関与する。酸化スズのキャリは金属過剰なので電子である。また、安定化ジルコニアのキャリアは格子欠落である。 ②発表では?メーターについて調べた。測定する量は水素イオン濃度(H+)([mol/L]）で表される。?メーターはガラス電極と比較電極がある。([?]に変換される)?値は0?14の範囲である。電圧としては?0?14に対して約＋400mv?ー400mvに測定される。 ③復習ではセンサーについて調べた。センサは光や湿度といった物理量や化学量を電気信号により変換するものである。
A.この講義では主にガスセンサの仕組みについて学んだ。ガスセンサではn型半導体を利用することでガスを検出しており、半導体の表面の抵抗変化を読み取ることでガスの存在を感知している。負電荷吸着を起こす酸素ガスなどを検出する際には抵抗の増加を、正電荷吸着を起こすプロパンガスなどを検出する際には抵抗の低下を感知している。この際の半導体としてはSnO2を使うのが一般的で、これは不定比化合物半導体であることからガスセンサに適しているとされる。またこの他にもpHセンサの仕組みについて、教科書P249を参照した。 発表では、バイオセンサを選択し調査を行った。このバイオセンサは化学物質、熱、質量などを電気信号に変換する装置であるが、ほかのセンサとの違いは生物学的な素材が用いられていること、選択性が極めて高いこと、酸化体あるいは還元体の濃度変化を読み取ることといったものが挙げられる。 復習では発表に取り上げたバイオセンサーについてさらに調査を行った。最も実用化が進んでいるのは酵素センサーで、糖尿病患者の血糖値測定に用いられるグルコースセンサーが代表的である。このほか、抗原抗体反応を利用した免疫センサーは妊娠検査薬やがんマーカーの検査に、微生物の代謝を利用した微生物センサーは水質汚染の指標となるBOD（生物学的酸素要求量）測定などに活用されていることが明らかとなった。
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A. ガルバニル電池方式の白金懐炉はテフロン膜があり、その内側に白金と鉛がある。鉛はアノードとしての役割を果たし、消耗電極である。白金電極表面上で水が水酸化イオンとなり、鉛は鉛イオンとして溶液中に溶けだす。ガス漏れセンサはn型半導体が使われていて、酸素ガスは負電荷吸着型がもちいられ、プロパンガスなどは正電荷吸着型が使われる。また、イオン結合とは、電気陰性度の異なる元素間の電子の授受により生成したカチオンとアニオンからなり、これがクーロン力によって凝集することで形作られる。 pHメーターはＨ＋濃度一定の内部液中に基準電極を入れガラス薄膜で覆った。ガラス電極と試験溶液中の外部の基準電極との間の電位差を測定することによってpHを測定することができる。pHメーターは水質管理や食品の品質管理に応用される。pH電極を標準溶液(Si)に浸したとき、膜電位の差を表した式はpH(X)＝pH(Si)＋Eｍ(X)―Eｍ(Si)/0.059である。この式で数値に変換される。 電気化学センサのイオン選択制電極(ISE) について調べた。イオン選択性電極（ISE）は、特定のイオンに対して選択的に応答する電気化学センサであり、水質分析や臨床検査に広く用いられる。電極は選択膜を介して対象イオンと反応し、濃度に応じた電位差を生じる。式に基づき、電位とイオン濃度の関係が定量化される。例えば、ナトリウムやカルシウムなどの濃度測定に利用され、迅速かつ簡便な分析が可能。高感度・高選択性を持ち、多成分系でも特定イオンの検出ができる。
A.①今回の授業では、ガルバニ電池について調べた。ガルバニ電池は、化学エネルギーを電気エネルギーに変換する電池の基本原理の1つである。2種類の金属が使われ、例として亜鉛と銅などが用いられるとわかった。ダニエル電池もガルバニ電池の1つである。次にガス漏れセンサについて考えた。ガス漏れセンサは、空気中のガスを認識し検出するものである。このガス漏れセンサもガルバニ電池が使われている。 ②「電気化学センサーの説明をしてみよう」 グループ名りかちゃむ 榎本理沙、嶋貫莉花、羽生胡桃、遠藤由里香、白坂茉莉香 記録 発表ではpHメーターについて調べた。水素濃度一定の内部液中に基準電極を入れ、ガラスの薄膜で覆ったガラス電極と試験電極中の外部の基準電極との電位差を測定することでpH測定が可能になっている。pH電極を標準溶液に浸したときの膜電位の差を表した式によって数値に変換させている。pH電極を用いてohを測定することによって、酸塩基反応の酸解離定数の測定、錯体の安定度定数や溶解度積の測定などにも利用することができることがわかった。 ③今回のグループワークでは、pHを考え調べ学習を行ったが、バイオ繊細についても調べた。バイオセンサには、酵素センサがあり代表例の1つである。酵素の特性を生かし、酸化により発色するような色素を用いて、発色程度から過酸化水素の量を求めるようなセンサがある。反応が常温常圧という作りやすい環境で反応するため、医療計測の分野で多く用いられる。
A. 工業製品としての応用で、センサーについて講義を行った。特にガスセンサーについて空乏層があることを学んだり、安定化ジルコニア、固体電解質、金属過剰型不安定比化合物半導体などについても学習した。 発表では、電気化学センサーの説明としてpHメーターを採り上げ、説明を考えた。pHメーターは水溶液中の水素イオンの活量を電気信号へ変換し、pH値として表示する。この時、ガラス電極と比較電極を用いて、ネルンストの式で電位差を計測することを発表した。 復習として、固体電解質について考えた。固体電解質とは、固体の状態でイオンだけを通す物質のことで、電子はほとんど通さず、イオンだけが移動できる特殊な固体材料である。電池、燃料電池、センサーなどに広く使われている。特徴と利点として、高温でも安定で熱に強く、分解しにくいこと。液体ではないため、漏洩・揮発の心配がないこと。発火リスクが低く、電解液のように危険でないこと。気密性に依存しにくい構造が可能であり、密閉不要であることなどが挙げられる。
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A. 電気化学反応における物質の移動や電子の輸送は、キャリアと呼ばれる電荷を運ぶ粒子によって担われる。固体電解質では、イオンや電子が結晶格子内を移動することで電荷が運ばれる。例えば、リチウムイオン電池では、リチウムイオンが固体電解質の中を移動する。このキャリアの輸送速度や濃度は、物質の導電率を決定し、デバイスの性能に直結する。固体電解質や半導体におけるキャリアの動きを理解することは、高性能な電池やセンサー、燃料電池を開発する上で欠かせない。 電気化学測定法について調査し、サイクリックボルタンメトリーや電気化学インピーダンス法の原理と用途を学んだ。これらの手法は材料評価や反応解析に不可欠であり、電気化学の研究における基盤技術であると位置づけた。 サイクリックボルタンメトリーの測定結果と反応速度の関係を文献から学び、酸化還元反応の指標としての有用性を確認した。測定条件の設定やデータ解釈において注意が必要であると実感した。
A.白金懐炉は、1923年に白金を触媒にしてベンジンを酸化させて発熱するのを用いたものである。ガスセンターの半導体は酸化スズを用いている。イオン結合は、電子が局在化している。酸化スズはSn1+xO2と表され、金属過剰型、不定比化合物半導体という。酸化スズのキャリアは電子で、安定化ジルコニアのキャリアは格子欠陥(ベーカンシー)である。 磁気センサーは人間が感じることのできない磁力や磁束の変化を検出するものである。磁気センサーの1つにソードスイッチがあり、窓ガラスに磁石、窓枠にソードスイッチを取り付けると、窓の開閉を検知して防犯になる。 他にも、自動ドアなどに利用されている人感センサーはセンサーの一つである。最も多く利用されているのは、赤外線人感センサーで、人の発生した赤外線を検知して開閉する。
A.①今回の講義では、始めに白金と鉛を使用したガルバニ電池について教科書を用いて調査を行った。ガルバニ電池から、ガス漏れセンサについて調べた。現代の電気化学のP263より、都市ガスやプロパンガスのガス漏れセンサとしてn型半導体であるSnO2（酸化スズ）を用いたものが基本となっていることがわかった。また、教科書を用いて空乏層について調査をした。教科書では空乏層を空間電荷層として紹介されており、ゲートに電圧をかけると、意図的に空間電気層ができる。一方、化学的に空乏層を作る例として、吸着分子の電子親和力により、電子の存在しない空乏層ができることが挙げられた。 ②今回のグループワークでは、センサーなどについて調査し、私たちの班ではpHメーターについて調べた。水素濃度一定の内部液中に基準電極を入れ、ガラスの薄膜で覆ったガラス電極と試験電極中の外部の基準電極との電位差を測定することでpH測定が可能になっている。pH電極を標準溶液に浸したときの膜電位の差を表した式によって数値に変換させている。 ③今回の授業では、ガス漏れがあった時、酸化スズの導電率があがるかどうかについて討論した。炭化水素であるプロパンガスが吸着すると、半導体表面の導電率が増加することがわかった。また、イオン結合に関する復習を行った。イオン結合は静電気的な結合であり、電気を通さない性質がある。これにより、電気を通し結合は金属結合だけである。
A. ガスセンサは気体を検出するセンサのことである。化学センサの中でも、イオン電極の次に実用化される。ガス漏れセンサはn型半導体である酸化スズを用いたものが基本である。吸着分子の電子親和力が大きく半導体から電子を受け取り、陰イオンとなり吸着する場合、 半導体表面には電子のない空乏層ができるため、n型半導体の導電性をもたらすキャリアは電子であるため、ガス分子が吸着すると、半導体の導電率が低下する。正電荷吸着の場合、半導体表面にキャリア電子が増すため、導電率が増大する。プロパンガスの場合、ガス成分が炭化水素であり、正電荷吸着になるため、導電率は増大すると分かった。 空乏層は別名、遷移領域、空間電荷領域とも呼ばれる。ｐ領域とｎ領域のフェルミ準位が熱平衡状態に達して同じレベルに一致するまでに、ｎ領域の電子はｐ領域に移動し、ｐ領域の正孔はｎ領域へと拡散する。よって、界面接合部に正負の空間電荷層ができる。そして、この遷移領域には電荷障壁が形成される。 pHセンサー(ｐH電極)では、ｐH標準溶液を用いて、ｐH電極(ガラス電極と基準電極)を標準溶液に浸したときに、試験測定溶液に浸したときの膜電位の差によって目的のｐHそ測定するものである。この方式によって、電位差を測定し、温度補正ができるものをｐHメーターという。 ガラスはプロトンが移動できる固体電解質である。
A. 縦軸をエネルギー（eV）、横軸を距離（/m）で表される半導体中のエネルギーバンド構造を示す図において、伝導帯と価電子帯の間にはバンドギャップがあり、電子はこのギャップを越えて移動する。空乏層はキャリアが少なく電流が流れにくい領域、蓄積層はキャリアが集まる導電性の高い領域で、空間電荷層として電位差が生じる。接合部でバンドが曲がることで内部電場が発生し、これにより電荷の移動や整流作用などの半導体特性が現れる。 電気化学センサーを説明してみましょうの発表では酵素センサを選んだ。グループ名はこうそであり、グループメンバーは私を含め菅野隼太郎、那須桂馬、浄閑祐輝、鈴木晴琉であった。また、私の役割は調査であった。グルコースオキシダーゼ(GOD)を用いる場合を例として、GODによりグルコースが酸化されてグルコノラクトンと過酸化水素が生成する。ここで過酸化水素によって酸化されて発色するような色素が存在すれば、発色の程度から過酸化水素の量およびグルコースの量も求められることがわかった。また、発色方式を利用した酵素分析法は、医療計測の分野で多く用いられているということもわかった。 平常演習の酸素センサ、ガス漏れセンサ、湿度センサではそれぞれの電極と測定原理について調べた。酸素センサの電極は白金電極であり、測定原理は酸素濃度差により生じる起電力であった。ガス漏れセンサの電極は金属電極(Pt、Au)であり、測定原理はガスによる半導体抵抗変化であった。湿度センサの電極は金属電極(Au、Pt、Agなど)であり、測定原理は誘電率による電気容量の変化または導電率の変化による電気抵抗の変化であることがわかった。
A.【講義の再話】 ガス漏れ検知のセンサーはどのような仕組みであるか調べた。ガス漏れセンサーはガスが半導体に吸着することによって検出を行なっている。ガスは正電荷吸着するため、半導体表面の導電率が増加することで検知を行っている。どのガスが吸着しているのかを識別することは困難であるため基本となるSnO2に白金やパラジウム等の金属を添加させることで、ガスの選択性を向上させている。空乏層についても調べた。空乏層とは半導体の間の空間電荷層のことであり、ゲートにかかった電圧や吸着したガスの電荷することによって空乏層を作っている。この変化によって酸素を検出することができる。酸素が負電荷吸着し、空乏層を作ることで半導体表面の導電性を低下させる。SnO2はイオン結合をしているので電気を流さない。n型半導体として用いることができるのは、snが金属過剰型であり、不定比化合物半導体である為である。ノンストイキオメトリーとも言う。 【発表の 要旨】 演題はセンサーについて、グループ名は働く細胞！である。 グループに属した人は高橋香桃花、三船歩美、原野美優、大阪琉音、鈴木結唯、増子香奈である。 自分が発表の創作に果たした役割は調査であった。 免疫センサーについて調べた。クエンチ抗体という、特定の抗原に触れると抗原抗体反応を起こして即座に構造が変化し、蛍光発色するように加工した物質があり、発色する蛍光の強さによって、測定対象となる物質が含まれているかどうかを判定できるものや、膜に存在する抗体に抗原が結合すると、膜電位が変化することによって抗原を検出する仕組みもあるとわかった。 【復習の内容】 ｐｈセンサとガスセンサについて復習した。 ｐｈセンサはガラス電極を用いることと、ガラスは固体電解質であり、固体だからと言ってイオンが動かないということはなく、プロトンが導体であることを学んだ。
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A.白金カイロ 白金カソード、ようぞうさんそ p261.262 人間の嗅覚では感知できない無臭ガスWith ガス漏れ警報器は必須 一番良く使われるガス漏れ警報器 一般に、O2は負電荷吸着し、都市ガスの成分であるCOやH2、さらにメタンやプロパンのような炭化水素は正電荷吸着する。SnO?は空気中のような酸化雰囲気下安定で、数百度の高温下では酸素の吸着量も少ないので、都市ガスやプロパンガ入の成分に応答するセンサ材料として利用される。吸着ガスの種類によってその電和力が異なるので、半導体上に同様に吸着してもその導電率変化への寄与は厳密には異なるはずであるが、実際問題として、この差から吸着分子を識別することは困難である。すなわち、この種のガスセンサのガス選択性は比較的低い。家庭用 のガス漏れセンサが、料理に使ったお酒(エチルアルコール)に感じて誤動作するのはその一例である。そこで実用的には、特定のガスに対するセンサ感度を向上させ、ガス選択性を高めるためにSnO?に、白金やパラジウム、その他の金属類が添加されている。半導体ガスセンサ素子の形の代表例を図10.16に示した。 仕組みは?? 縦がエネルギーeV 横が距離 空乏層（くうぼうそう、depletion layer）とは、半導体のPN接合やショットキー接合などにおいて、電子と正孔（キャリア）がほとんど存在しない領域 現代七章？？ 七章では空間電荷層として記されているp178 ゲート図7.5 電圧をかけることで意図的に空亡層を作っている(物理的) P262では酸素の吸着、の分化によって空乏層ができる(化学的) ガス漏れがあったときに、酸化スズの導電率はあがるかさがるか？ 増加する 【理由】n型半導体上に気体分子が吸着した場合を考えてみよう。吸着分子の電子親和力が大きく半導体から電子を受け取り陰イオンとなって吸着している場合(負電荷吸着)、半導体表面には電子のない空乏層ができる。n型半導体の導電性をもたらすキャリアは電子であるので、この場合、ガス分子が吸着することによって半導体の導電率が低下する。 逆に吸着分子のイオン化ポテンシャルが小さく半導体に電子を与えて陽イオンとなって吸着する場合(正電荷吸着)、半導体表面には、キャリア電子が増すので導電率が増大する(図10.15)。 一般にO2は負電荷吸着し、都市ガスの成分であるCOやH2、メタン、プロパンのような炭化水素は正電荷吸着するため。 酸化スズのイオン結合について説明 マイナス電荷とプラス電荷で引き合う イオン結合共有結合はキャリア(電子)局在化しているので電気を流さない 実際にSn＞O2の比率(金属過剰型の不定比化合物半導体) 酸素不足型、酸素過剰型などもある。 電気を流さないものであっても不定比の性質があれば半導体として使える。それがセンサーに使われる。 ??NaClは1:1なので比が整数で定まっている 酸素イオン伝導性が利用されている。酸化ジルコニウム (ZrO2; ジルコニア)に酸一方、自動車用酸素センサのような気体中の酸素の測定は、安定化ジルコニアの化カルシウム (CaO) や酸化イットリウム (Y?O?)を10~15% (モル比)程度加えて固溶させたものは、それぞれ CSZ (Calsia Stabilized Zirconia)およびYSZ (Yttria Stabilized Zirconia)と呼ばれる。これを安定化ジルコニアというのはジルコニアでは高温で安定な結晶系である正方晶系が低温まで安定となるためである。この物質は酸素が抜け落ちてできたイオン性の結晶格子欠陥を多数持っており、500~600以上でO2-イオンに選択的な透過性を示すイオン導電体となる。 酸化スズは電子がキャリア(金属過剰) 安定化ジルコニアは格子欠陥がキャリア(酸素不足) キャリアは電子、正孔(ホール)、イオン、格子欠陥(Vacancy)ベーカンシー 前述の電子、正孔の他、イオンも固体の電気伝導性に与り得る。そのようなイオン伝導を示すためには、固体を構成するイオンが結晶格子点に強く固定されないこ存在することなどが必要である。たとえば、ZrO?にY?O?を固溶させると、4価の Zr+ イオンの空格子点に3価のY3+が入る。すると、電荷のバランスを取るためにY+の数の半分だけ○イオンが抜けて○イオンの欠如した格子点が生ずる。 このY?O」を固溶したZrO2を加熱すると、○イオンの振動が盛んになり、ついには隣の?-イオンの空格子点に飛び移るようになる。このような状態となったZrO?に電場をかけると、負の電荷を持つ○イオンは正極の方向に空格子点を伝わって移動していく。すなわち、固体内をイオンが伝導したことになる。 固体電解質 ネルンストの式 光センサー 赤外線センサー 温度センサー 磁気センサー 距離センサー など C言語を用いて操作する Phの計算の出し方(ガラス電極) センサーのいろいろ
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A.①センサーについての話の中で、まずは都市ガスセンサーの仕組みについて、教科書の中から技術を探し、以前も学習した半導体が使われていることを確認した。気体分子が半導体表面に付着すると、キャリア電子の数が増加することで導電性が増しガスを検出することができる。さらに、続けて空乏層についても探し、教科書には空間電化層となっていたが、イオン結合 キャリアが形成される電子が通過できる正孔（ホール）のようなもので、イオンが通ることができる抜け穴（欠陥）の役割を果たしていた。 ②今回は酵素センサーについて発表した。グルコースの酸化を触媒するグルコースオキシターゼを用いた場合、発生する過酸化水素によって目的物質を観測できる。 ③酵素（タンパク質）を使ったセンサーが存在することは知らなかった。タンパク質といえば周りの環境の変化に耐えられず失活するイメージだったので、精度が求められるセンサーに起用されているのは意外だった。
A. ①テーマはセンサと化学結合についてである。溶存酸素を検出する回路を酸素センサといい、ガルバニ電池方式などがある。自動車用の酸素センサでは、安定化ジルコニアが使用されている。また、ガス漏れセンサはn型半導体である酸化スズ(Ⅳ)を用いており、プロパンが正電荷吸着し、酸化スズ(Ⅳ)の導電率が上がることを利用して検出している。ここで、イオン結合と共有結合は電子が局在化しているのに対して、金属結合の電子は非局在化していて異なるので注意する。 ②センサについての発表では、バイオセンサーを選んだ。グループ名は6人グループで、グループのメンバーは私を含めて藤森隼也、HUYNHVINH KHANG、久保明裕、大濱風花、立花小春であり、私の役割は調査であった。バイオセンサーは化学物質、熱、質量、物質の電気的な反応を読み取って、電気信号に変換する。また、生物的な素材が用いられ、選択性が高いと調べられた。 ③08-02【平常演習】「酸素センサ、ガス漏れセンサ、湿度センサ」で取り組んだ内容を次に示す。酸素センサに使われる電極は、定電位電解方式では白金であり、作用電極表面を酸素透過性を持つテフロン膜で覆って、透過してくる酸素を還元してその還元電流値から酸素濃度を測定することができる。 ガス漏れセンサには、n型半導体の酸化スズが使われている。測定原理としては、ガスの成分である一酸化炭素、水素、炭化水素が半導体に電子を与えて陽イオンとなって吸着し、半導体表面にキャリア電子が増えて導電率が増大することにより測定ができる。 湿度センサには、セラミック半導体が使われている。セラミック半導体に水が吸着することによる電気伝導率の変化を利用して測定している。他にもn型半導体を用いたものがあり、n型半導体上に水分子が正電荷吸着して導電率が増加することを利用して測定している。
A.今回は溶存酸素の検出について考えました。これは電気化学センサーによって行うと学びました。電流の大きさは、溶液中の酸素濃度に比例することも知れました。次に、ガス漏れ警報器について知りました。検知の仕組みとしてO2の吸着と空乏層があり、酸素が表面に付着して電子をうけとり、電子を奪われて空乏層ができ、導電率が低下することを学びました。ガス漏れの場合は炭化水素は正電荷吸着することを学びました。この場合は導電率が増加します。また、不定比化合物半導体という言葉を初めて聞きました。ノンストイキオメトリーによって酸素の空孔が発生し、電子電導やガス応答性を生むことを学びました。固体電解質に関しても学びました。両方にPT電極を配置して、電位差を測定することができると学べました。 グループワークでは、グルコースセンサーについて考えました。また、酸素の回りの還元体や酸化体を書き、電子の流れの向きを知ることができました。
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第百十三条 大学は、教育研究の成果の普及及び活用の促進に資するため、その教育研究活動の状況を公表するものとする。
