化学物理工学科では、光学技術を活用した高感度センサーの研究が進められています。本研究は、表面プラズモン共鳴（SPR）センサーにポリエチレンイミン（PEI）を装飾することで、酢酸などのカルボキシル基を持つ分子を高選択的に検出できることを示しました。This work demonstrates that decorating SPR sensors with PEI enables highly selective detection of carboxylic acid like acetic acid.
酢酸は食品検査や健康診断において重要な揮発性有機化合物（VOC）の一つであり、従来のセンサーでは選択性に課題がありました。Researchers in Shimizu Lab (TUAT Department of Applied Physics and Chemical Engineering) are advancing optical sensing technologies for high-sensitivity detection. This study demonstrates a Surface Plasmon Resonance (SPR) sensor decorated with Polyethyleneimine (PEI), achieving significantly enhanced detection of acetic acid—a key volatile organic compound (VOC) relevant to food inspection and healthcare.
なぜ重要なのか？ / Why It Matters
酢酸やエタノールは、発酵食品や呼気診断で重要な役割を果たします。高選択性センサーは、食品の品質管理や病気の早期発見に貢献します。Acetic acid and ethanol play key roles in fermented food quality and breath analysis for health diagnostics. Highly selective sensors can improve food safety and enable early disease detection.
「化学と光学がどのように社会に役立つか」を知る良い機会です。This research shows how chemistry and optics combine to solve real-world problems.
Key Findings
- PEI装飾による選択性向上: 酢酸に対して2.5倍の信号増強。エタノールでは増強なし。PEI decoration enhanced acetic acid signals by a factor of 2.5, while ethanol showed no improvement.
- メカニズム: アミノ基（PEI）とカルボキシル基（酸）の強い静電相互作用が鍵。Stronger electrostatic interactions between PEI amino groups and acid carboxyl groups drive selectivity.
- 応用可能性: 食品検査、ヘルスケア、環境モニタリングなどに展開可能。Potential applications include food inspection, healthcare, and environmental monitoring.
Experimental Overview
- SPRセンサー構造: Au薄膜（44 nm）＋PEI層（約2 nm）を基板上に形成。Au thin film (44 nm) with ~2 nm PEI layer on quartz substrate.
- 検出対象ガス: 酢酸、プロピオン酸（酸） vs. エタノール、2-プロパノール（アルコール）。Acetic acid, propionic acid (acids) vs. ethanol, 2-propanol (alcohols).
- 結果: 酢酸・プロピオン酸で顕著な信号増強、アルコールでは変化なし。Significant enhancement for acids; negligible for alcohols.
The SEM image of the PEI-decorated Au thin film by using the 0.001 wt% aqueous solution on a Si substrate. (a) Bird’s-eye view and (b) cross-sectional view PEIで修飾したAu薄膜のSEM像（Si基板上、PEI水溶液濃度0.001 wt%使用）。(a) 鳥瞰図、(b) 断面図
Summary of the reflectivity changes of the Au sensor chip (a) with and (b) without PEI decoration for acetic acid, propionic acid, ethanol, and 2-propanol at all concentrations in this study 本研究で扱った全濃度における酢酸、プロピオン酸、エタノール、2-プロパノールに対するAuセンサーチップの反射率変化の要約：(a) PEI修飾有り、(b) PEI修飾無し
Conclusion
本研究は、SPRセンサーにPEIを装飾することで、酢酸などのカルボキシル基を持つ分子を高選択的に検出できることを示しました。今後は、複数ガスの同時検出や水分影響の低減など、実用化に向けた課題に取り組みます。This work demonstrates that decorating SPR sensors with PEI enables highly selective detection of carboxylic acid like acetic acid. Future efforts will focus on multi-gas detection and minimizing humidity effects for practical applications.
PAPER: IEEJ TRANSACTIONS ON ELECTRICAL AND ELECTRONIC ENGINEERING (IEEJ Trans 2025)
doi.org/10.1002/tee.70199
“Surface Plasmon Resonance Sensors with Polyethyleneimine: Enhanced Detection for Acetic Acid over Ethanol” (Ryuta Minowa*, Masahiko Hasumi, Hiromasa Shimizu) *A master course student/修士課程学生