大阪府立大、高感度で柔らかいpHセンサーを開発――絆創膏のような装着型ウェアラブルパッチ開発に道

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大阪府立大学は2018年11月13日、世界で初めてフレキシブルフィルム上にCCD構造を作製することに成功したと発表した。また、これを用いて、汗のpH値を通常のpHセンサーの4倍の高感度で計測できる柔らかいウェアラブルデバイスのプロトタイプも開発。人の健康状態の指標となる汗のpH値と皮膚温度の計測が可能になり、日常健康管理ツールへの展開が期待されるという。

近年、ウェアラブルデバイスによる健康状態の常時計測・管理が注目を集めている。現在は、硬い電子部品によって構成された時計型、ブレスレット型などのウェアラブルデバイスが普及しているが、次の爆発的普及には、次世代技術を取り入れたブレークスルーが必要不可欠と言われている。

その1つとして、絆創膏のように柔らかいウェアラブルデバイスを開発できれば、装着感の少ない快適な日常計測が可能となる。その作製に向け、心電、脈拍、皮膚温度、活動量、汗中の物質を常時計測する柔らかいデバイスが世界的に研究開発されている。その中でも、汗には糖尿病診断に重要な血糖値、熱中症対策に役立つナトリウムイオンやカリウムイオン、ストレスに関係があるとされるpH値など、体内部の情報が数多く含まれていることから、汗中の化学物質を電気化学法で計測する柔らかいウェアラブルデバイスの開発が盛んになってきている。

しかし、一般的な電気化学法で計測する方法では、汗中のpH濃度の場合、室温で約60 mV／pHが理論限界となっており、汗中の微量の化学物質の濃度やその変化を計測するのには制限がある。pHセンサーの高感度化は、これまでSi半導体基板を用いた電荷転送型の開発例が報告されているが、ウェアラブル用途に注目した柔らかいセンサーの報告はなかった。

今回、大阪府立大学大学院工学研究科竹井邦准教授の研究グループは、汗中の化学物質の計測において、これまでのpHセンサーよりも高感度な、電荷結合素子（Charge-Coupled Device（CCD））・転送・蓄積技術を応用したフレキシブルpHセンサーを開発した。

電荷結合素子（CCD）・転送・蓄積構造とは、電極に印加された電圧により絶縁体を挟んだ半導体中に電荷が発生し、その電荷を入力から出力へ連続的に転送する技術や、転送された電荷をコンデンサに蓄積することで出力電圧が電荷転送回数に応じて変化するデバイス構造のことをいう。

これまでのCCD構造では、半導体中の一部分に異なる不純物を添加してダイオード構造を形成する必要があったが、フレキシブルフィルム上ではそれが困難だった。そこで、デバイス構造を工夫することで、材料への不純物添加なしでもCCD構造を形成できるように改良。特にトランジスタ材料と電極のショットキー接合障壁（金属と半導体を接触させたときに金属と半導体の接合部分に生じる電位障壁）を電圧により調整する構造を取り込み、電荷転送型のフレキシブルpHセンサーを作製した。

まず、研究グループは基礎的な特性として、電荷転送を繰り返すことで出力電圧がほぼ比例して増加していることを確認した。また、リセット電圧を印加することで、それまで蓄積した電荷を除去することができ、連続的に改めて溶液のpH値を計測可能であることを確かめた。

次に異なるpH値の溶液の出力電圧が蓄積回数によってどのように変化するかを実験。その結果、蓄積回数を増やすことでpH値に応じて出力電圧差が大きくなり、化学センサ－の感度が大きくなった。電荷転送を繰り返すことでpH値に応じた電荷を集積したコンデンサに蓄積し、その値を読み出すため、蓄積回数に対するpH値計測の感度は線形的に上昇する。蓄積回数に応じて感度は異なるが、今回の研究では100 回の蓄積で通常のpHセンサーの4倍以上の感度である約240 mV/pH の感度を達成した。駆動電圧や測定するpH範囲を限定すれば、感度をさらに向上させることもできるという。

また、汗中にはpH値以外にも、ナトリウムやカリウムイオンなどが含まれている。これらのイオン濃度はpH値とは独立して変化するため、これらのイオンに影響されることなくpH値を測定する必要がある。研究グループは、汗中に含まれるイオン濃度以上の溶液を滴下しても今回開発したセンサーの出力変化はなく、pH 溶液のみに反応することを確認した。これは材料表面と溶液中の水素イオンの化学反応によるためで、反応層の材料を置き換えればグルコース（糖）、ナトリウム、カリウムなどを同様の原理で高感度計測できる。

健康管理デバイスは、さまざまな情報を一括管理することで、より正確な診断をすることが重要だ。そこで研究グループは、皮膚温度を計測する温度センサーの開発も同時に行った。この温度センサーは皮膚温度を計測するだけではなく、pH センサーの温度補正にも必要になる。

今回の開発では、酸化スズとカーボンナノチューブの混合溶液を生成し、それを塗布形成することにより、非常に安定した温度センサーの作製に成功。まだ完璧ではないものの、約1週間の長期温度計測において±0.3℃以下の誤差で計測可能であることを確認した。また、プロセスや材料形成方法などを工夫することで、より安定した温度センサーが形成可能なことも確認している。さらに、高感度pH センサーと温度センサーを集積させることで、汗のpH値と皮膚温度の情報をリアルタイム計測する実証試験にも成功。同時に、安定した皮膚温度とpHセンサーの温度補正も確認できた。

今回開発したデバイスには信号処理回路や無線回路、電源等が搭載されていないため、全て有線で装置に接続し計測した。絆創膏のように添付するだけで健康状態を監視するデバイスの作製には、電源や無線回路、プロセッサ回路等が必要となることから、さらなる研究開発が不可欠だという。

今後、その他のイオン感応膜を新たに開発し、グルコースやナトリウム、カリウムイオンなどの高感度な計測が可能になれば、糖尿病の予防・診断 、熱中症予防など予防医学や健康管理デジタルヘルスツールへの展開も期待できるという。

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