特集　化学センサの新展開(第1章/ガスセンサ・第2章/バイオセンサ・イオンセンサ) 化学センサ研究会会長(九州大学産学連携センター)　三浦　則雄 社団法人電気化学会の化学センサ研究会は,九州大学の故清山哲郎先生らが中心となって,前身のセンサ研究懇談会(1977年発足)を発展させて1984年に設立され,今年で24年目を迎えます.現在,本研究会は法人会員約40社,個人会員約300名を抱えており,年6回の機関誌「Chemical Sensors」の発行,年各2回の研究発表会及び研究会の開催,各賞の授与,各種国内・国際学会の共催,協賛,支援などを行っています.今年度は特別にこの出版事業を加えております. 物理的現象を扱う物理センサに対して,化学的現象を伴うすべての検知素子(バイオセンサも含む)を対象として,包括的に化学センサ (Chemical Sensor) という呼称がつけられた後,世界的にこの呼称が認知され始めたのは,1983年に福岡で開催された第1回化学センサ国際会議 (IMCS) 以降と思われます.その後,この会議は,アジア,欧州,アメリカ地区の順で2年毎に開催され,今年は7月に米国のオハイオ州コロンバスで第12回が開催されます. 化学センサに関する書籍は,故清山先生らが1982年に講談社サイエンティフィックより「化学センサー:その基礎と応用」を発刊されたのが最初です.この本は,今では化学センサ研究のバイブル的な存在になっています.また,同年には「電気化学と工業物理化学」誌の第50巻第1号に化学センサの特集号として,当時の第一線の化学センサ研究者による13件の解説記事と8件の論文が掲載されています.前者の本の目次を見ると,ガスセンサー,固体電解質センサー,生物電気化学センサーに分かれており,当時はセンサではなくセンサーとのばしていたこと,東工大の相澤益男先生がこの直後に使われ始めたバイオセンサという表記はまだここにはなかったこと,固体電解質センサの比率が高かったことなどが分かります. その後,四半世紀を経て今回の特集号の発刊となるわけですが,その間に化学センサの分野は大きな発展を遂げています.特にバイオセンサの分野では別の国際会議が開催され,国際専門誌も発行されています.今回の目次を見ましても,医療用や生化学用などの多種多様な新規のバイオセンサが紹介されていることがわかりますし,マイクロ分析システム ($\mu$TAS) を組み込んだバイオ・イオンセンサの発展も著しいものがあります.一方,ガスセンサについては,安心・安全向け,車載用,環境計測用,アメニティ用などの新規分野での展開が見られますし,ナノ化材料技術やMEMS技術の進展に伴った省電力型素子やパターン認識方式のマイクロアレイの出現も特筆すべきでしょう. 今回の執筆陣は,化学センサ研究会の役員を中心として,総勢約60名にお願いしており,本研究会の総力を挙げての執筆態勢をとっています.また,ガスセンサ分野とバイオ・イオンセンサ分野がほぼ半々であり,それぞれの応用事例についても何名かの企業の方に執筆していただき,全体的によくバランスのとれた構成となっています.内容的にも単なる解説ではなく,最近の各分野のトピックスを中心に執筆していただいており,最新かつ最先端の内容を知ることができます. この特集号の発刊およびその単行本の発刊には,本研究会の学術交流基金をあてることが役員会,総会において認められております.また,単行本の発行後には,本研究会の会員全員に配布するとともに,比較的安価な書籍として販売する計画です.昨今の非常に高価な解説本とは異なり,豊富でかつ最新の内容でありながらも,若手研究者や学生諸君にも入手しやすいように配慮する予定です.この一冊が,化学センサ研究の今後の活性化や進展に大いに寄与するとともに,社会に対する有益な情報発信や若い人の教育に役立つことを願っています. 最後に,本特集号を企画するに当たり, 絶大なるご協力を頂きました兵庫県立大学の水谷文雄教授,長崎大学の清水康博教授,(株)ティー・アイ・シィーの津田直樹社長と松田美佐子様に深謝いたします. 第1章　第1節　半導体ガスセンサ 酸化物半導体を用いた環境モニタリング用ガスセンサ ■著者 愛媛大学大学院　理工学研究科　定岡　芳彦 ■要約 本稿では,ガスセンサの基礎となるガスと固体表面との相互作用および電荷移動について概説し,ガスセンサの設計における留意点ならびにオゾンガスセンサの必要性を述べます. 半導体ガスセンサの電極マイクロ設計による高感度化 ■著者 立命館大学　生命科学部応用化学科　教授　玉置　純 ■要約 半導体ガスセンサにおいて抵抗測定用の電極ギャップを感ガス体である酸化物粒子レベルに小さくしていくと,測定系によっては感度が増大する(マイクロギャップ効果).大きな効果が得られるのはNO2やCl2などの酸化性ガスとキシレンを検知する場合である.これは電極-酸化物界面の感度が酸化物粒界の感度より著しく大きいためであり,界面を増加させる電極マイクロ設計により高感度ガスセンサを構築できる.一方,H2S,CO,C3H8検知では効果はそれほど大きくない. ナノ構造制御した半導体ガスセンサ ■著者 九州大学大学院総合理工学研究院　島ノ江　憲剛 ■要約 近年,各種環境汚染ガス,揮発性有機化合物 (VOCs) ,有機ガス,におい(悪臭)ガスなどのppb〜数ppmレベルで存在するガスのセンサ計測の重要性が高まっている.これらの計測には,半導体ガスセンサの感度を現行より飛躍的に向上させる必要があるが,最近の研究によりこれが達成できる可能性が高まっている.従来の半導体ガスセンサは,ガスと酸化物の吸着酸素(あるいは表面酸素)との反応の結果,酸化物粒子間の粒界ポテンシャルが変化して電気抵抗が変わることを利用している.またセンサのガス感度(空気中とガス中での電気抵抗の比)の向上には,(1) 酸化物粒子表面にPdなどの活性の高い成分を分散すると電子的あるいは化学的な機構により感度が飛躍的に向上する増感効果,(2) 粒子径と空間電荷層厚みとの比が2以下になると感度が急上昇する酸化物一次粒子径効果,(3) ガスが多孔質感応体のすみずみまで到達できるような高次構造にすれば感度が格段に向上する感応体利用率の有用性,が重要であることが知られている.ここでは,これら3つの制御因子について概説する. メソ・マクロポーラス材料を利用した半導体ガスセンサ ■著者 長崎大学工学部材料工学科　兵頭健生　他 ■要約 われわれは,ボトムアップ的な調製技術をガスセンサの材料設計に適用し,そのセンサ特性の改良に取り組んでいる.本稿では,その一端を紹介する. 層状有機無機ハイブリッド材料を用いたVOCセンサ ■著者 独立行政法人　産業技術総合研究所　先進製造プロセス研究部門　伊藤　敏雄　他 ■要約 有機/MoO3ハイブリッドによる揮発性有機化合物(VOC)センサは,ガスセンサとして必要な信号変換機能と分子認識機能を,それぞれMoO3とその層間の有機化合物に分担させることで,高い選択性と感度を有する新しいセンサ材料群です.その中でも,有機/MoO3ハイブリッドは,特にアルデヒド系のガスに対して選択的に応答することを見いだしております.本文では,有機/MoO3ハイブリッド薄膜の作製法,ガスセンサとしての高感度化の手法,ガス種選択性のメカニズムを中心に紹介します. 有機半導体薄膜を用いたNOxセンサ ■著者 静岡大学　電子工学研究所　村上　健司 ■要約 ここでは,金属フタロシアニン有機半導体薄膜を利用したNO2ガスセンサについて,私たちのグループの研究を中心に紹介します. 半導体式ガスセンサの信頼性の向上 ■著者 新コスモス電機(株)　皆越　知世　他 ■要約 ガス漏れ警報器にとって漏えいガスを確実に検知し,それを知らせることは最も重要な性能ですが,同時に、漏えい以外での警報(誤報)が無いことも同じように重要な性能です.我々は,金属酸化物半導体式センサのガス選択性を長期間にわたって維持させるために,高い性能と耐久性を有した材料の検討を行っています.本報では,我々の取り組みについて紹介します. 第1章　第2節　固体電体質ガスセンサ 車載用および環境計測用ジルコニアガスセンサ ■著者 九州大学 産学連携センター　三浦　則雄　他 ■要約 車載用および環境計測用という観点から,上記の3つの検出方式のジルコニアガスセンサ,および新規固体参照極を用いたプレナー型酸素センサについて,筆者らの最近の代表的な成果を紹介します. 3価イオン伝導性固体を用いたガスセンサ ■著者 大阪大学大学院工学研究科　助教授　田村　真治　他 ■要約 本稿では,固体電解質に筆者らが世界で初めて開発に成功した「3価カチオン」が伝導する固体電解質をキーマテリアルに用いたガスセンサを紹介する. NASICONを用いたガスセンサ ■著者 九州工業大学工学部物質工学科　教授　清水　陽一 ■要約 本項で取り上げるNASICON (Na3Zr2Si2PO12:Na+導電体) 系センサは,NASICONが低温でも比較的高いNa+導電性を示すこと,高い化学的安定性を有すること,またその作製法が比較的容易なことから,固体電解質材料として特に注目されると言えます.また,特に,近年環境汚染物質として関心の高いNOx, CO2, SOxなどの含酸素系ガスの検出には,後述するように含酸素塩とカチオン導電体の組み合わせが有用であり,NASICONをベースとした種々のセンサが,かなり優れた特性と応用性を発揮しつつあることから注目されています.特に,NASICON系センサは,研究開発の例が多く,測定手法としての学術的意義も大きいと言えます.そこで,本項では,NASICONを基本骨格とする固体電解質ガスセンサデバイスについてその原理と特性について解説します. 新規固体電解質を用いた電流検出型ガスセンサ ■著者 九州大学大学院工学研究院　応用化学部門　石原　達己 ■要約 本稿では,現在,筆者が開発を行っている新規電解質であるLaGaO3系酸化物を利用した電流検出型のNO,炭化水素,およびH2Sセンサについて紹介する. 固体電解質を用いた炭酸ガスセンサの安定化 ■著者 愛媛大学　大学院理工学研究科　物質生命工学専攻　青野　宏通　他 ■要約 本稿では,ドリフトを起こさせないために筆者らが試みた ・ゾル--ゲル法によるNASICONの作製 ・希土類オキシ炭酸塩を補助相に用いることによる安定化 ・固体電解質の安定化 について述べます. ジルコニア固体電解質のセンサ応用 ■著者 日本特殊陶業株式会社　常務取締役　知的財産部　品質保証部担当　八木　秀明 ■要約 ここでは,特に高温の他のセンサ材料では使用できない分野で耐環境性,耐久性において優れた材料であるジルコニア固体電解質を利用した濃淡電池式酸素センサを始めとして,同材料の積層技術を使って小型で標準ガスを必要としない限界電流式酸素センサについて述べます.その応用として,高温用水蒸気センサ,濃淡電池式と限界電流式の両方の検出原理を駆使し,更に規制強化が進むガソリンエンジンのエミッション対策としての検出端であるリニア酸素センサ,今後省燃費が期待されるディーゼルエンジンで厳しい規制制御に貢献するNOxセンサを紹介します. 電気化学式COおよびCO2センサ ■著者 フィガロ技研(株)センサ開発部　兼安　一成 ■要約 我々は電解質に新規アルカリ性液体を用いた電気化学式COセンサ (TGS5042) を開発することにより,液漏れのリスクを最小限に抑え,幅広い使用温度環境への適応を可能にしました. 第1章　第3節　各種原理に基づくガスセンサおよびマイクロセンサシステム 吸着燃焼式マイクロガスセンサ ■著者 長崎大学工学部　江頭　誠　他 ■要約 本稿では,著者らが開発を進めてきた吸着燃焼式マイクロガスセンサの原理とそのVOC検知への応用について述べることにする. マイクロガスセンサ素子上への燃焼触媒集積化 ■著者 独立行政法人　産業技術総合研究所　西堀　麻衣子　他 ■要約 マイクロ熱電デバイス上にセラミックス触媒パターンを集積化したマイクロ熱電式ガスセンサは,可燃性ガスを触媒燃焼させその発熱を利用してガスを検知する.本稿では、デバイス上への触媒集積化技術とともに,デバイスの耐久性やガスセンサ応用に向けた選択性の向上に関する開発について紹介する. エレクトロニックノーズシステム ■著者 金沢工業大学　高度材料科学研究開発センター　南戸　秀仁 ■要約 ニオイやガスを認識・検知できるセンサのことを人間の鼻にちなんで人工電子鼻システム,すなわちエレクトロニックノーズシステムと呼び,数年前からe-Noseシステムに関する国際会議ISOENが開催されるようになるとともに,e-Noseシステムに関する著書も出版されるようになってきた.e-Noseシステムは,基本的にはニオイやガスを検知するためのケモセンサアレイ(人間の鼻に相当)とセンサの出力を解析するためのコンピューター(脳に相当)からなっており,その開発が活発化してきている.また,一部,ヨーロッパのベンチャー企業を中心に開発されたe-Noseシステム(性能的にはまだまだ)を用いた応用研究も増加して来ている・・・ 陽極酸化薄膜を用いたガスセンサ ■著者 長崎大学工学部　教授　清水　康博　他 ■要約 本稿では,ガスセンサの分野では特殊な製膜法に分類される金属板の陽極酸化膜を用いたガスセンサの作製法とそのガス応答特性について紹介する. ガスセンサのマイクロ化・集積化 ■著者 東京電機大学　工学部　電気電子工学科　教授　原　和裕 ■要約 ガスセンサのマイクロ化とは,ガスセンサをμmのスケールで測られるサイズに微細化することです.また,ガスセンサの集積化とは,複数のガスセンサ,あるいは,他の種類のセンサや電子回路とを,単一のデバイスとして統合することです.両者とも,半導体集積回路 (IC) の製造で培われた技術を応用することにより,小型・軽量化,量産化,他の電子部品や回路との一体化による機能向上等の数多くのメリットが期待できます.しかし,実際にこれを進めようとすると,多くの困難に突き当たります.本節では,そのメリットのみならず,解決すべき課題を述べます. 高温動作が可能な電界効果型ガスセンサ ■著者 石巻専修大学　理工学部　教授　中込　真二 ■要約 始めに,電界効果型ガスセンサについて説明します.電界効果型ガスセンサは,Lundstrらが1975年に電界効果トランジスタのゲートにPdを用いることによって,ソース・ドレイン間の電流--電圧特性の飽和電流値が雰囲気の水素ガス濃度に応じて変化するセンサを発表したことに始まります. 高分子材料を用いたQCMガスセンサ ■著者 愛媛大学大学院理工学研究科　物質生命工学専攻応用化学コース　准教授　松口　正信 ■要約 本稿では,これまでにわれわれが取り組んできた様々な官能基を有する高分子検知膜の合成と,それらの材料の構造とガス検知特性との関係について紹介します. 第1章　第4節　ガスセンサの応用 高性能湿度センサとガスセンサの開発と今後の展望 ■著者 株式会社　山武　研究開発本部　主席研究員　黒岩　孝朗 ■要約 ここでは,湿度センサとガスセンサの最新の状況と今後の展望について紹介します. 固体電気化学式センサを用いた換気警報器の開発 ■著者 矢崎総業株式会社　永井　清治 ■要約 最近,「ガスは危ない」と言われるのは,「不完全燃焼によるCO中毒」と言う事故事例に認識が変わってきています. また一般に使用されるガスは,万が一に備えて着臭してありますが,「不完全燃焼により発生したCOガス」は着臭が出来ないため,人間の鼻では危険を嗅ぎ分けることができません.そのため人間の鼻に代わる「COガスのセンサ」が必要となっています. 世の中は,環境と共に「安全性と安心」は社会的なキーワードであり,とりわけガスエネルギー業界に於いては,「CO中毒の事故防止」は最重要課題であります. そのためには,ガス燃焼(石油)機器よりCOが発生した場合には,使用者に即座にお知らせし,事故を回避する行動を促すことが有効となります. 特に業務用厨房におけるCO事故防止は急務であり,「固体電気化学式COセンサ」を用いた「電池駆動式CO警報器(業務用換気警報器)」を開発しましたので,ここに紹介します. ガスセンサを用いた植物機能の評価法 ■著者 金沢星稜大学　経営戦略研究科　大薮　多可志 ■要約 著者らはガスセンサを用いてチャンバー内における植物の空気汚染物浄化過程を連続的に計測するシステムを作製し,ガスセンサ出力より浄化能力評価を行ないました.各種のシックハウス症候群の原因物質に対する植物と杉炭の空気浄化能力評価および室温や照度が浄化能力に与える影響について調べた結果について述べます.また,植物を実環境に設置した効果についても紹介します. ナノ孔ガラスを用いた大気環境物質の高感度検出 ■著者 金沢星稜大学　経営戦略研究科　内山　政弘　他 ■要約 現在,大気汚染質は大気測定局に設置された様々な機器により測定されています.例えば,GC (非メタン炭化水素) , GC-MS (揮発性有機物) , 紫外線吸収法 (O3) ,化学発光法 (NO) などです.大気監視局の設置地点や設置数については色々と議論がされてきましたが,今なお大気汚染が激しい状況にある都市域での測定局の数や測定地点の代表性については未解決の問題です・・・ 半導体ガスセンサの計測器への応用 ■著者 エフアイエス株式会社　開発部マネージャー　花田真理子　他 ■要約 本稿では半導体ガスセンサを計測器に応用した事例として,環境空気中の微量ガスや人体が発生する微量ガスを計測するために,高感度半導体ガスセンサを検知器に用いた簡易型ガスクロマトグラフ (SGC) を紹介します. 電気化学式ガスセンサの最近の応用 ■著者 理研計器株式会社　今屋　浩志　他 ■要約 近年,塩基性ガスであるアンモニアやモノメチルアミン,ジメチルアミンなどのアミン系ガスが,多岐な工業分野において使用されている. 地球環境問題への積極的な取り組みにより,オゾン層の破壊の原因ガスであるフロンは規制により,多くの冷凍機器がフロンガスからNH3へ置き換わっている.また,アミン系ガスは,半導体製造工程においてシリコン等の薄膜形成をする際に用いられるCVD法の原料ガスとして多く使用されている・・・ 都市ガス業界におけるガスセンサ技術の現状と課題 ■著者 大阪ガス株式会社　エネルギー技術研究所　マネジャー　 大西　久男 第2章　第1節　酵素センサ・免疫センサ・イオアンセンサ バイオセンサの高感度化と化学増幅 ■著者 兵庫県立大学大学院物質理学研究科　水谷　文雄 カロリメトリックバイオセンサ ■著者 神奈川工科大学　工学部　応用化学科　教授　佐藤　生男 酵素ミセル膜を用いるバイオセンサ ■著者 埼玉工業大学大学院工学研究科　物質科学工学専攻　内山　俊一　他 修飾酵素のバイオセンサへの適用 ■著者 産業技術総合研究所　生物機能工学研究部門　矢吹　聡一 免疫センサチップ ■著者 (独)産業技術総合研究所　生物機能工学研究部門　研究員　栗田　僚二 SPR免疫センサ ■著者 オムロン株式会社　技術本部　コアテクノロジーセンタ　岩坂　博之　他 イオンセンサ:無機から有機イオンへ ■著者 岡山大学　大学院医歯薬学総合研究科(薬学系)教授　 勝　孝 イオンセンサの流れ系への応用 ■著者 芝浦工業大学工学部応用化学科　 正留　隆　他 半導体化学イメージセンサによるイオン分布の可視化 ■著者 東北大学大学院　医工学研究科　 吉信　達夫 第2章　第2節　細胞センシング・マイクロシステム 細胞機能を利用するマイクロバイオセンサ ■著者 東北大学大学院環境科学研究科　 井上(安田)久美　他 藻類細胞を用いたバイオセンサによる多角的センシング ■著者 東京大学生産技術研究所　立間　徹　他 細胞チップのためのバイオセンサ技術 ■著者 富山大学大学院　理工学研究部　鈴木　正康 単一細胞工学のセンシング技術への展開 ■著者 東京農工大学　大学院工学府　生命工学専攻　教授　松岡　英明　他 ナノデバイスによるバイオセンシング ■著者 (独)産業技術総合研究所　健康工学研究センター　副センター長　　分子科学研究所　客員教授　馬場　嘉信 細胞操作・センシングのためのバイオリソグラフィー ■著者 東北大学工学研究科 バイオロボティクス専攻　教授　西澤　松彦 ■要約 我々は,上述の背景に基づき,生体分子や細胞の自己組織化を誘発・誘導する独自の界面技術を創出し,各種バイオニックデバイスの性能向上や低侵襲化に取り組んでいます.本稿では,タンパク質や細胞を思い通りに配置する電気化学的バイオ操作技術の開発と,オンデマンド型バイオセンサへの応用,および,導電性高分子による神経系細胞と微小電極との機能融合,などを紹介します. 集積化バイオ・化学センシングシステム ■著者 筑波大学大学院数理物質科学研究科　物性・分子工学専攻　鈴木　博章 電気化学検出集積型マイクロ流体デバイス ■著者 (独)産業技術総合研究所　健康工学研究センター　脇田　慎一　他 第2章　第3節　バイオセンサ材料・作製法・検出法 交互累積法によるナノ薄膜およびナノカプセルを用いたバイオセンサ ■著者 東北大学大学院薬学研究科　王　保珍　他 レドックス活性ポリエチレンオキシドを用いたバイオインターフェースの構築 ■著者 芝浦工業大学工学部応用化学科　准教授　今林　慎一郎　他 ウイルス1粒子の超高感度計測に向けて ■著者 県立広島大学生命感極学部環境科学科　江頭　直義　他 リアクター型バイオセンサ ■著者 県立広島大学生命感極学部環境科学科　飯田　泰広 分子インプリント高分子の「ゲート効果」を利用したバイオミメティックセンサ ■著者 県立広島大学生命感極学部環境科学科　吉見　靖男 ケミカルCCDを用いるバイオエレクトロニクスセンサの開発 ■著者 富山大学大学院　理工学研究部　生命・情報・システム学域　教授　篠原　寛明 第2章　第4節　バイオセンサの応用 酵素・電気化学式血糖センサシステムの開発 ■著者 松下電器産業株式会社　バイオ技術開発室　チームリーダー・工学博士　中南　貴裕 デジタル尿糖計の開発と糖尿病予防への応用 ■著者 株式会社タニタ　バイオヘルスケア推進部　伊藤　成史 体内埋込型バイオセンサ ■著者 徳島大学大学院ソシオテクノサイエンス研究部　准教授　安澤　幹人 医療福祉用フレキシブル電極・センサ ■著者 国立身体障害者リハビリテーションセンター研究所　障害工学研究部　生体工学研究室室長　外山　滋 電気化学的DNAセンシング ■著者 福井大学大学院　工学研究科　生物応用化学専攻　末　信一朗　他 定質という考え方と新しいセンサ技術 ■著者 九州工業大学大学院　生命体工学研究科　教授　春山　哲也