TECHNOLOGY EXPLAINER
グラフェンとカーボンナノチューブ
― 「原子1層の炭素」を、電極とトランジスタに使うときの難しさ
グラフェンは炭素原子が六角形に並んだ原子1層のシート、カーボンナノチューブ（CNT）はそれを筒に巻いたものです。 電気をよく通し、表面がすべて露出しているため、バイオセンサーの電極や、表面の電荷の変化を電流に変える電界効果トランジスタ（FET）のチャネルの材料として研究され、実際に電極やセンサーチップの製品にもなっています。 素材技術者にとって面白いのは、同じ「グラフェン」「CNT」という名前でも、作り方・つなぎ方・表面の汚れ方で、中身の性能が大きく変わる点です。 この記事では、性質、バイオセンサーでの2つの使い方、製造方法（剥離・CVD・印刷）、機能化、再現性・均一性・コスト、生体適合性と規制上の位置づけを、論文・メーカー資料・規格・当局文書にもとづいて整理します。
- グラフェンとCNTとは何か（3行でつかむ）
- 性質 ― 原子1層のシートと、巻いた筒
- バイオセンサーでの2つの使い方 ― 電極とFET
- 製造方法 ― 剥離・CVD・印刷
- 素材技術者の視点①：転写の残渣と、印刷インクの焼成温度
- 機能化 ― 認識素子の固定と、非特異吸着
- 再現性・均一性・コスト
- 素材技術者の視点②：「グラフェン」と呼ばれるものの中身が揃っていない
- 生体適合性・安全性と、規制上の位置づけ
- 確認できる実例と、確認できなかったこと
- 用語集／参考資料／出典対応表
事実＝公表資料・論文に記載のある内容（出典リンクあり）
本稿の計算＝明示した前提をもとに本記事が算出した値
未確定／将来＝研究段階・見通しであり、実用上の実績が確認できていない事項
このほか、構造の整理や材料設計上の読み取りは「解説」として区別しています。
本記事は材料・原理・評価の解説であり、診断・治療・測定値の読み方についての医療上の助言や、特定の製品の推奨ではありません。
FETセンサーの原理（デバイ長など）は本シリーズ「電界効果トランジスタセンサー」編、電気化学の電極は「電気化学センサー」編で詳しく扱います。
1. グラフェンとCNTとは何か（3行でつかむ）
- グラフェン：2004年にNovoselovらが、原子数層の厚さの炭素の膜を報告しました。膜は「半金属」で、電子と正孔の両方を電界で誘起でき（両極性の電界効果）、室温で約10,000 cm²/V·sの移動度を示したとされます事実
- CNT：1991年にIijimaが、黒鉛の炭素が螺旋状に巻いた微小な管として報告しました事実。合成直後の単層CNT（SWNT）は直径・バンドギャップ・電子的タイプが不揃いで、これがエレクトロニクスやセンシングへの広い応用を妨げている、と2006年の論文は述べています事実
- どこが難しいか：2018年の調査は、世界の60の製造者のグラフェン試料を調べ、市場で「グラフェン」と呼ばれているものの質は全体にかなり低く、多くは黒鉛の微小な板だったと報告しています事実。名前が同じでも、中身が揃っていません
「グラフェンを使ったセンサー」と書かれていても、それは材料の名前であって、性能の保証ではありません。 どう作り、どう移し、何を付け、何に触れさせたかで結果が決まります。 だから、論文でも製品でも、材料の作り方・層の数・欠陥の程度・表面の処理が書かれているかを最初に確かめます（本記事による解説）。
2. 性質 ― 原子1層のシートと、巻いた筒
グラフェンは、炭素原子が六角形（蜂の巣状）に並んだ1原子の厚さのシートです。 CNTは、このシートを筒に巻いた形で、1枚の筒（単層、SWNT）と、筒が入れ子になったもの（多層、MWCNT）があります。 国際標準の用語集（ISO/TS 80004-3、同-13）がこれらの用語を定義しています事実（第9章）。
CNTのうち、直径・バンドギャップ・電子的タイプ（金属的か半導体的か）を揃える方法として、密度勾配超遠心分離（界面活性剤の違いで浮力密度を変える）があります。 2006年の論文は、これで直径が0.02 nmの範囲に97%以上が入るSWNTを分離し、またほぼ単一の電子的タイプのSWNTを大量に得て、金属的または半導体的な振る舞いをする薄膜の電気素子を作った、と報告しています事実。 つまり、FETのチャネルにSWNTを使うには、まず半導体的な管を分けて取り出す工程が材料側に要ります（本記事による解説）。
3. バイオセンサーでの2つの使い方 ― 電極とFET
バイオセンサーでのグラフェン・CNTの使い方は、大きく2つに分けられます（本記事による整理）。
- 電気化学の電極：印刷した炭素の電極にグラフェンやCNTを混ぜ、電極の表面積と電子の移動を上げて、酵素の反応や酸化還元の電流を読みます。
- FETのチャネル：グラフェンやCNTを電流の通り道にして、表面に結合した分子の電荷が電流を変えるのを読みます。
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(1) 電極としての製品の例
Metrohm（DropSens）は、バイオセンサー開発用として、グラフェン修飾スクリーン印刷炭素電極（DRP-110GPH-U50）と、多層CNT（カルボキシ基付き）修飾スクリーン印刷炭素電極（DRP-110CNT-U50）を掲載しています。 どちらも「（バイオ）センサーの開発向けに、電気化学的な活性面積を大きくした電極」と説明され、基板はセラミック（3.4×1.0×0.05 cm）、作用極は直径4 mm・幾何面積0.11 cm²、対極は炭素、参照極は銀で、作用極の材料がそれぞれ「グラフェン／炭素」と「MWCNT-COOH／炭素」とされています事実（メーカー公称の仕様）。 作用極のグラフェンやCNTの含有量・層の数・性能の保証値は、製品ページには記載がありません事実。
(2) FETのチャネルとしての製品と研究の例
Paragraf（英国）は、グラフェンFETの素子（PMF2000：3チャネル、PMF2002：12チャネル）を「センシングと研究の用途向け」として提供しています。 同社は、ポリマーを使わずにグラフェンを直接成長させ、チャネルは100×100 µm、エポキシの封止層が液体の取り扱いと、チャネルごとの機能化を可能にする、と説明しています事実（メーカー公称）。 仕様の欄には、ディラック点が700 ± 150 mV（PMF2000）、トランスコンダクタンスが代表値0.8、最小0.5 mS·sq/V、チャネルの抵抗が1〜3.5 kΩと書かれ、バッチごとの報告書は要望に応じて提供されると記されています事実（メーカー公称値）。
研究の古典的な例として、Ohnoらは2009年に、電解液で駆動する（電解液ゲートの）グラフェンFETを報告しました。 官能基化していない単層グラフェンをチャネルに使い、電解液中のトランスコンダクタンスが真空中の30倍になり、コンダクタンスは電解液のpHとともに直線的に増え、タンパク質に曝すと数百ピコモルの濃度でコンダクタンスが増えたと報告しています事実。
塩を含む溶液中では、表面の電荷が溶液のイオンに遮蔽されます。Sternらは2007年に、ナノワイヤーFETセンサーについて、溶液のデバイ長の制御が、高分子を選択的に検出するのに決定的に重要だと報告しています事実。 グラフェンFETでも同じ事情があり、生理的な塩濃度のまま測れるか、希釈や低塩濃度の緩衝液が要るかは、素子の設計と試料の前処理に直結します（本記事による解説。詳しくは「電界効果トランジスタセンサー」編）。
4. 製造方法 ― 剥離・CVD・印刷
グラフェンの作り方は、大きく「黒鉛から薄くはがす」「炭素を気相から成長させる」「インクにして印刷する」の3つです。 それぞれに、報告された値と、素材側の課題があります。
| 方法 | 代表的な報告 | 報告された値（条件つき） | 素材側の課題（出典または解説） |
|---|---|---|---|
| 機械的剥離（スコッチテープ法） | Novoselovら（2004） | 室温で約10,000 cm²/V·sの移動度、電子・正孔の濃度は10¹³ cm⁻²まで電界で誘起事実 | 小さな薄片が得られる実験室の方法。産業規模の製法が求められている（Brownsonらの総説の記述）事実 |
| 液相剥離 | Hernandezら（2008） | N-メチルピロリドンなどの有機溶媒に黒鉛を分散・剥離。濃度は最大約0.01 mg/mL、単層の収率は約1 wt%（さらに処理すれば7〜12 wt%の可能性）事実 | 分散液の濃度が低く、単層以外の厚い薄片が多い。導電性の膜や複合材に使える（同論文） |
| CVD（銅箔上の成長）と転写 | Liら（2009）、Baeら（2010）、Sukら（2011） | cm級の膜で、ほぼ単層（多層の領域は5%未満）、移動度は最大4050 cm²/V·s（Li）。30インチの膜をロール・ツー・ロールで製造し、面抵抗約125 Ω/sq・透過率97.4%（Bae）事実 | 銅から目的の基板へ転写する工程が要る。転写でPMMAなどの高分子を使う（Suk）事実。残渣の影響は第5章 |
| インク化と印刷 | Secorら（2013） | エタノールとエチルセルロースで剥離・安定化したインクをインクジェット印刷。250 ℃・30分の熱処理後の抵抗率は4 mΩ·cm事実 | 安定化の高分子を、熱処理で減らす必要がある。基板の耐熱性が条件になる（解説） |
数値は各論文の要旨に記載のもの。条件（基板、ドーピング、熱処理）が異なるため、方法どうしの優劣を示す表ではありません。
CNTは、1991年にIijimaが電子顕微鏡で見つけたもので事実、その後、アーク放電やCVDなどで作られます（製法の個別の一次資料は本稿では確認していません）。 バイオセンサーに使うときは、第2章で述べた電子的タイプの選別と、金属触媒の残渣の除去が、材料側の仕事になります（後者は本記事による解説）。
各論文の値を使って、次の3つを計算します本稿の計算。
- 積層の効果（Bae）：単層の面抵抗約125 Ω/sq・透過率97.4%。4層を重ねると、面抵抗は理想的には 125 ÷ 4 ＝ 約31 Ω/sq、透過率は 0.974⁴ ＝ 約0.90（90%）。論文の測定値（約30 Ω/sq、約90%）とほぼ一致します
- 液相剥離の濃度（Hernandez）：分散液の濃度が最大約0.01 mg/mLで、単層の収率が約1 wt%なら、単層は 0.01 × 0.01 ＝ 約0.0001 mg/mL（約0.1 µg/mL）。分散液全体を1 mg/mLにするには100倍、単層だけで1 mg/mLなら1万倍の濃縮が要ります
- 印刷膜の面抵抗（Secor）：抵抗率4 mΩ·cm（＝4×10⁻³ Ω·cm）。膜厚を1 µmと仮定すると、面抵抗 ＝ 抵抗率 ÷ 厚さ ＝ 4×10⁻³ ÷ 1×10⁻⁴ ＝ 40 Ω/sq。厚さ100 nmなら 400 Ω/sq
前提と限界：積層の計算は理想的な場合で、実際には層間の接触や転写の損傷があります。膜厚は本稿の仮定です。CVD膜の面抵抗はドーピングで大きく変わり、同じ論文集の他の値（例：ガラス上の単層で約980 Ω/sq〔Suk〕）とは条件が違うため、並べて優劣をつけることはできません。
5. 素材技術者の視点①：転写の残渣と、印刷インクの焼成温度
CVDで銅の上に作ったグラフェンは、センサーにするには別の基板へ移さなければなりません。 その転写で、材料側の問題が2つ出ます（以下は論文・メーカー資料の記述と、本記事による解説）。
- 高分子の支持膜：Sukらは、銅から移すとき、グラフェンの上にPMMAをスピンコートして支持膜にし、PDMSの枠で保持する乾式転写、および湿式転写を報告しています。ガラスに移した単層膜は、面抵抗約980 Ω/sq、透過率97.6%でした事実。転写後に残る化学物質の残渣が電気的性質に影響することは、そのものを題名にした論文があります（Pirkleら、2011、題名による）。Paragrafが「ポリマーを使わない直接成長」を、再現性の理由として挙げています事実（メーカー公称）
- 下の層との相互作用：基板の表面状態や、絶縁層の電荷は、グラフェンの電気特性（ディラック点）に反映されます。Paragrafの素子の仕様でディラック点が700 ± 150 mVと幅をもつ（第7章）ことは、素子ごとの基準のずれが前提であることを示します（解説）
- 印刷インクの高分子と熱処理：Secorらのインクはエチルセルロースで安定化し、250 ℃・30分の熱処理後に4 mΩ·cmの抵抗率に達しました事実。つまり印刷膜の導電性は、安定剤をどれだけ熱で除くかで決まります。耐熱性が低い基板（PETなど）には使いにくく、ポリイミド（本シリーズ「ポリイミド」編）のような耐熱基板が候補になります（解説）
つまり、グラフェンの「材料としての性能」と「センサーの上での性能」は別のもので、転写・封止・基板・熱履歴が、材料の側の設計項目になります（本記事による解説）。
6. 機能化 ― 認識素子の固定と、非特異吸着
グラフェンやCNTは表面がそのまま露出しているので、抗体やアプタマーなどの認識素子を表面に付ける工程が要ります。 同時に、狙っていないタンパク質が表面に付く非特異吸着を抑えないと、センサーが成立しません。
CNTで、ブロッキングを具体的に示した古典的な報告があります。 Chenらは2003年に、単層CNTで、幅広いタンパク質で見られる非特異吸着を、ポリエチレンオキシド（PEO）鎖の固定で克服したと報告しています。 そのうえで、標的タンパク質に特異的な受容体をPEOで機能化したナノチューブにつなぎ、ヒトの自己免疫疾患に関連する抗体を検出する電子センサーを示しました事実（研究段階の報告です）。 同じ著者らは、2001年に、単層CNTの側壁への非共有結合による機能化を、タンパク質の固定のために報告しています（題名による）事実。
グラフェンFETでは、SeoらがSARS-CoV-2のスパイクタンパク質に対する抗体をグラフェンのFETに付けたセンサーを2020年に報告しました。 性能は、抗原タンパク質ではPBS中で1 fg/mL、臨床用の輸送培地中で100 fg/mL、培養ウイルスで検出限界（LOD）1.6×10¹ pfu/mL、COVID-19患者の鼻咽頭スワブでLOD 2.42×10² copies/mLとされ、試料の前処理や標識なしで測れると述べています事実。 この論文には訂正（Correction）が出ています事実。 本稿では、訂正の内容、臨床試料の数、診断としての感度・特異度は確認できなかったため記載しません。これは研究報告であり、診断に使える性能を示すものではありません。
7. 再現性・均一性・コスト
素子や材料の「ばらつき」は、メーカーの仕様に出ています。Paragrafの仕様（PMF2000）を使って、ばらつきの大きさを計算してみます本稿の計算。
- ディラック点：700 ± 150 mV。範囲は550〜850 mVで、幅は300 mV。代表値に対して±21%（150 ÷ 700）
- トランスコンダクタンス：代表値0.8、最小0.5 mS·sq/V。最小は代表値の0.5 ÷ 0.8 ＝ 約63%（約37%低い）
- チャネルの抵抗：1〜3.5 kΩ。上限は下限の3.5倍
素材のばらつきを、材料の側から評価するための国際規格として、ISO/TS 21356-1:2021（グラフェンの構造評価、粉末と分散液から）があります。 規格ページには、層の数・厚さ、薄片の横サイズ、乱れの程度、層の配向、比表面積の特性を、測定法の順序、試料の準備、データ解析とともに規定している、と記されています事実。
コストについては、本稿の調査範囲で、グラフェンFET素子やグラフェン修飾電極の価格、製造原価を示す一次資料は確認できませんでした。 Paragrafの製品ページには「購入」リンクがありますが、価格は記載されていません。ロール・ツー・ロールの製造が「30インチの膜」で報告されている（Bae）こと、印刷（Secor）の低コスト化が目的に挙げられていること（要旨）が、量産の方向性を示す記述です事実。
8. 素材技術者の視点②：「グラフェン」と呼ばれるものの中身が揃っていない
Kaulingらの調査（2018）は、世界の60の製造者のグラフェンを、電子顕微鏡・原子間力顕微鏡・ラマン分光・元素分析・X線光電子分光で系統的に調べました。 結果として、液相剥離は統計的な性質をもつこと、市場で使われているグラフェン薄片の分類は誤りで、層の数と薄片サイズの分布関数による新しい分類が必要なこと、そして多くの製造者は黒鉛の微小板を作っていることを報告しています。 この質の低さが、グラフェン応用の発展が遅い主な理由かもしれないとし、物性と用途の要求の両方を考えた、グラフェンの特性評価と製造の厳格な規格が、健全で信頼できる市場に向かう唯一の道だと述べています事実。
- 粉末・インクで買うなら：「グラフェン」という名前の仕様書より、層の数、薄片サイズ、欠陥、酸素や金属の不純物の分布を出してもらえるかを確かめます（本記事による解説）
- CVD膜・素子で買うなら：転写の方法、ポリマーの有無、ディラック点やシート抵抗の分布、バッチ報告書の有無が要点です（Paragrafが「バッチ報告書は要望に応じて提供」と書く点に対応）
- 用語の標準：グラフェンの定義、製造法、特性の用語はISO/TS 80004-13:2024（第2版、2024年9月）が規定しています。同第3部（2020年）はCNTなど炭素ナノ物体の用語です事実
9. 生体適合性・安全性と、規制上の位置づけ
グラフェンやCNTを体液に触れるセンサーに使うとき、材料の安全性は「材料の名前」では決まりません。 Fadeelらの総説は、グラフェン系材料の合成と特性評価、およびヒトの健康と環境への有害性評価（試験管内・動物）を整理し、「すべてのグラフェン系材料が同じではなく、構造と活性の関係を解きほぐすことが必須」だと述べています事実。
(1) CNTの発がん性に関する当局級の評価
CNTは、形（細長い繊維状）と長さが毒性に関係すると考えられてきました。 Polandらは2008年に、マウスの腹腔（胸腔の中皮の代わりとして使った）に長い多層CNTを入れると、アスベストに似た、長さに依存する炎症と肉芽腫が生じたと報告しました。これは予備的な（pilot）研究で、さらなる研究と注意が必要だとしています事実。 国際がん研究機関（IARC）は、2017年に刊行したモノグラフ第111巻で、CNTを次のように評価しています事実。
- ヒトの発がん性の証拠は不十分
- MWCNT-7（多層CNTの一種）は、動物実験での証拠が十分で、ヒトに対しておそらく発がん性がある（グループ2B）
- MWCNT-7以外の多層CNT、および単層CNTは、動物実験の証拠が不十分で、ヒトに対する発がん性を分類できない（グループ3）
- 評価の対象は工業的に製造されるCNTで、作業グループは「医療目的のために特別に設計されたCNT」は検討の対象にしていない（人への曝露がまだ記述されていないため）
IARCの分類は、発がん性の「証拠の強さ」の区分で、実際の曝露でのリスクの大きさを示すものではありません（一般的な整理であり、本記事の解説です）。 上の最後の点は重要で、バイオセンサーの中に固定されたCNTの安全性を、このモノグラフが評価しているわけではありません。
(2) EUと米国の枠組み
- EUの医療機器規則（Regulation (EU) 2017/745）：第2条で「ナノ材料」を定義し、「フラーレン、グラフェン薄片、および1 nm未満の外形寸法をもつ単層CNTも、ナノ材料とみなす」と明記しています。附属書VIIIの規則19は、ナノ材料を含む、またはナノ材料からなる機器を、内部曝露の可能性が高い・中程度ならクラスIII、低ければクラスIIb、無視できるならクラスIIaに分類します事実
- 体外診断用医療機器規則（Regulation (EU) 2017/746）：官報掲載の原文を検索したところ、「nanomaterial」の語は見当たりませんでした事実（本稿の確認）。したがって、体外で使うグラフェンFETチップなどに、上のナノ材料の規則がそのまま適用されるかどうかは、本稿では判断しません
- ISO/TR 10993-22:2017：「医療機器の生物学的評価 ― 第22部：ナノ材料のガイダンス」。ナノ材料を含む機器、またはナノ物体を生じる機器について、特性評価、試料の調製、ナノ物体の放出、体内動態、生物学的評価、リスク評価などの考え方を示す技術報告書で、詳細な試験手順は示さないとされています事実
- FDAのガイダンス（2014年6月、拘束力のない推奨）：製品がナノテクノロジーの応用を含むかを考えるとき、FDAは、材料または最終製品が約1〜100 nmの範囲に少なくとも1つの外形寸法、または内部・表面構造をもつよう設計されているか、そして寸法に起因する性質や現象を示すよう設計されているか（1 µm程度まで）の2点を尋ねる、としています。対象製品には医療機器、体外診断用機器を含みます事実
上の枠組みは、材料にナノスケールの構造が含まれるときの評価の考え方を示すもので、「グラフェンやCNTを使えば承認される」「使うと承認されない」という意味ではありません。 個々の製品の規制上の区分は、使用目的（intended use）、体内か体外か、接触の時間、材料の放出の有無などで変わります。詳しくは本シリーズ「医療機器の承認区分と家庭用」編を参照してください。
10. 確認できる実例と、確認できなかったこと
| 区分 | 例 | 一次情報で確認できたこと | 確認できなかったこと |
|---|---|---|---|
| 電極（製品） | Metrohm のグラフェン／MWCNT-COOH修飾スクリーン印刷炭素電極 | (バイオ)センサー開発向けの電極で、基板はセラミック、作用極は直径4 mm・0.11 cm²。作用極の材料は「グラフェン／炭素」「MWCNT-COOH／炭素」事実（メーカー公称） | 作用極中のグラフェン・CNTの含有量、層の数、性能の保証値 |
| FET素子（製品） | Paragraf のグラフェンFET（PMF2000／PMF2002） | センシングと研究の用途向け。ポリマーを使わない直接成長のグラフェン、エポキシ封止、チャネル100×100 µm。ディラック点700 ± 150 mVなどの仕様値事実（メーカー公称） | 医療機器としての審査や承認の記載（製品ページには見当たらない）。素子の価格 |
| 研究（グラフェンFET） | Ohnoら（2009）、Seoら（2020） | 電解液ゲートのグラフェンFETでのpHとタンパク質の検出（数百ピコモル）。SARS-CoV-2のスパイクタンパク質に対する抗体を付けたFETでの検出（1 fg/mL〜、臨床試料でLOD 2.42×10² copies/mL）事実 | Seoらの論文の訂正の内容、臨床試料の数、診断としての感度・特異度 |
| 研究（CNT） | Chenら（2003） | PEOによる非特異吸着の抑制と、自己免疫疾患に関連する抗体の電子的な検出事実 | 実用の試料での性能、再現性 |
| 研究（皮膚の電極） | Kireevら（2022）グラフェン電子タトゥー | 電気的バイオインピーダンスに基づく連続的な血圧の測定で、300分超の測定。拡張期0.2 ± 4.5 mmHg、収縮期0.2 ± 5.8 mmHgの精度で、著者は「Grade Aの分類に相当」と述べる事実（著者の主張） | 被験者の数と条件、採用された基準の名称、長期の皮膚への影響。分子を測るバイオセンサーではなく、材料を皮膚電極に使った例 |
| 炭素系センサーの診断機器（会社の例） | Nanomix（米国）のeLab | バークレー研究所の記事は、同社のカートリッジが「CNT技術にならった微小な炭素バイオセンサー」を使い、2020年5月時点で緊急使用許可（EUA）を目指す段階にあると述べている事実 | センサー材料がCNTそのものかどうか、EUAなどの審査の結果 |
「研究」の行は、論文の報告であり、診断や測定値の読み方に使える性能を示すものではありません。
グラフェンFETやCNTセンサーが体外診断用医療機器として審査・承認された具体例は、本稿の調査範囲では一次資料で確認できませんでした。 層の数・欠陥・不純物が最終的なバイオセンサーの性能（検出限界、再現性）に与える影響を定量的に示した一次資料、保管中の変化（湿度・時間）、価格・製造原価も確認できませんでした。 スマートフォン連携などの応用は研究段階の報告が中心で、実用の水準は未確定／将来です。
- グラフェンは原子1層の炭素シート、CNTはそれを巻いた筒。名前が同じでも、作り方で中身が違う事実
- バイオセンサーでの使い方は、電極とFETのチャネルの2つ。どちらも製品が確認できる（メーカー公称の仕様）事実
- 作り方は剥離・CVD・印刷。CVDは転写の残渣、印刷は焼成温度と基板の耐熱性が課題事実
- 機能化は、認識素子の固定と非特異吸着の抑制がセット。溶液のデバイ長が測れる条件を決める事実
- ばらつきは仕様に出る。ディラック点は±約21%、チャネル抵抗は3.5倍の幅本稿の計算
- 「グラフェン」を名乗る材料の質は不揃い。60製造者の調査で、多くは黒鉛の微小板だった事実
- 安全性は材料ごと。IARCは一部の多層CNTを2B、他をグループ3としたが、医療目的のCNTは評価の対象外事実
11. 用語集
- グラフェン
- 炭素原子が六角形に並んだ1原子の厚さのシート。
- SWNT／MWCNT
- 単層カーボンナノチューブ／多層カーボンナノチューブ。
- ディラック点
- グラフェンFETで、電子と正孔の寄与が入れ替わる、電流が最小になるゲート電圧。
- トランスコンダクタンス
- ゲート電圧の変化に対する電流の変化の大きさ。FETの感度の目安。
- CVD
- 化学気相成長。銅箔の上に炭素を成長させてグラフェン膜を作る方法。
- 転写
- CVDで成長した膜を、銅から目的の基板へ移す工程。
- 液相剥離
- 黒鉛を溶媒中で薄片にはがし、分散液にする方法。
- GFET
- グラフェンをチャネルに使った電界効果トランジスタ。
- デバイ長
- 溶液中で、表面の電荷が遮蔽される距離。塩濃度が高いほど短い。
- 非特異吸着
- 狙った分子以外が表面に付くこと。
- ブロッキング
- PEOなどの被覆で、余った表面への非特異吸着を防ぐこと。
- π–π相互作用
- 共役した炭素面どうしが重なる、非共有結合の相互作用。ピレンなどが使われる。
- ナノ材料（EU医療機器規則）
- 外形寸法1〜100 nmの粒子が個数分布で50%以上など。グラフェン薄片・単層CNTも含む。
12. 参考資料（一次情報）
- Novoselov KS ほか「Electric Field Effect in Atomically Thin Carbon Films」Science 2004;306:666–669 — doi.org/10.1126/science.1102896
- Iijima S「Helical microtubules of graphitic carbon」Nature 1991;354:56–58 — doi.org/10.1038/354056a0
- Li X ほか「Large-Area Synthesis of High-Quality and Uniform Graphene Films on Copper Foils」Science 2009;324:1312–1314 — doi.org/10.1126/science.1171245
- Bae S ほか「Roll-to-roll production of 30-inch graphene films for transparent electrodes」Nat Nanotechnol 2010;5:574–578 — doi.org/10.1038/nnano.2010.132
- Arnold MS, Green AA, Hulvat JF, Stupp SI, Hersam MC「Sorting carbon nanotubes by electronic structure using density differentiation」Nat Nanotechnol 2006;1:60–65 — doi.org/10.1038/nnano.2006.52
- Hernandez Y ほか「High-yield production of graphene by liquid-phase exfoliation of graphite」Nat Nanotechnol 2008;3:563–568 — doi.org/10.1038/nnano.2008.215
- Secor EB ほか「Inkjet Printing of High Conductivity, Flexible Graphene Patterns」J Phys Chem Lett 2013;4:1347–1351 — doi.org/10.1021/jz400644c
- Suk JW ほか「Transfer of CVD-Grown Monolayer Graphene onto Arbitrary Substrates」ACS Nano 2011;5:6916–6924 — doi.org/10.1021/nn201207c
- Ohno Y, Maehashi K, Yamashiro Y, Matsumoto K「Electrolyte-Gated Graphene Field-Effect Transistors for Detecting pH and Protein Adsorption」Nano Lett 2009;9:3318–3322 — doi.org/10.1021/nl901596m
- Paragraf Limited「Graphene Molecular Sensors (GMS)：PMF2000／PMF2002 GFET」（メーカーの製品ページ） — paragraf.com
- Metrohm AG「Graphene modified Screen-Printed Carbon Electrode DRP-110GPH-U50」（メーカーの製品ページ） — metrohm.com
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- Stern E ほか「Importance of the Debye screening length on nanowire field effect transistor sensors」Nano Lett 2007;7:3405–3409 — doi.org/10.1021/nl071792z
- Chen RJ ほか「Noncovalent functionalization of carbon nanotubes for highly specific electronic biosensors」Proc Natl Acad Sci USA 2003;100:4984–4989 — doi.org/10.1073/pnas.0837064100
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- IARC「Carbon nanotubes」IARC Monographs on the Evaluation of Carcinogenic Risks to Humans, Volume 111（Some Nanomaterials and Some Fibres）2017、該当章（PDF） — publications.iarc.who.int
- 欧州議会・理事会 Regulation (EU) 2017/745（医療機器規則 MDR） — eur-lex.europa.eu
- 欧州議会・理事会 Regulation (EU) 2017/746（体外診断用医療機器規則 IVDR） — eur-lex.europa.eu
- ISO ISO/TR 10993-22:2017「Biological evaluation of medical devices — Part 22: Guidance on nanomaterials」 — iso.org
- 米国FDA「Considering Whether an FDA-Regulated Product Involves the Application of Nanotechnology」Guidance for Industry、2014年6月 — fda.gov
- Lawrence Berkeley National Laboratory「From Lab to Market: This COVID-19 Detector Has Berkeley Lab Roots」2020年5月21日 — newscenter.lbl.gov
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- Brownson DAC, Kampouris DK, Banks CE「Graphene electrochemistry: fundamental concepts through to prominent applications」Chem Soc Rev 2012;41:6944–6976 — doi.org/10.1039/c2cs35105f
13. 主張と出典の対応表（監査）
| 本文の主張 | 根拠 | 区分 |
|---|---|---|
| 数原子層の厚さのグラフェンが半金属で、電子と正孔の両方を電界で誘起でき、室温の移動度が約10,000 cm²/V·s、濃度が10¹³ cm⁻²まで誘起できること | Novoselov ほか（2004）［参考資料 1］https://doi.org/10.1126/science.1102896 | 事実 |
| 1991年にIijimaが「黒鉛炭素の螺旋状の微小な管」を報告したこと | Iijima（1991）［参考資料 2］https://doi.org/10.1038/354056a0 | 事実 |
| 銅箔上のCVDでcm級・ほぼ単層（多層の領域は5%未満）の膜ができ、移動度が最大4050 cm²/V·sであること | Li ほか（2009）［参考資料 3］https://doi.org/10.1126/science.1171245 | 事実 |
| 30インチのほぼ単層の膜をロール・ツー・ロールで製造し、面抵抗約125 Ω/sq・透過率97.4%、4層で約30 Ω/sq・約90%であること | Bae ほか（2010）［参考資料 4］https://doi.org/10.1038/nnano.2010.132 | 事実 |
| 合成直後のSWNTの不均一さが応用を妨げていること。密度勾配超遠心分離で直径0.02 nmの範囲に97%以上のSWNTを分離し、ほぼ単一の電子的タイプを大量に得て、金属的／半導体的な薄膜素子を作ったこと | Arnold ほか（2006）［参考資料 5］https://doi.org/10.1038/nnano.2006.52 | 事実 |
| 黒鉛の有機溶媒中の剥離で最大約0.01 mg/mLの分散液、単層収率約1 wt%（さらに処理すれば7〜12 wt%の可能性）、導電性の膜と複合材が作れること | Hernandez ほか（2008）［参考資料 6］https://doi.org/10.1038/nnano.2008.215 | 事実 |
| エタノールとエチルセルロースで安定化したインクのインクジェット印刷で、250 ℃・30分の熱処理後に抵抗率4 mΩ·cmになること。低コストを目的に挙げていること | Secor ほか（2013）［参考資料 7］https://doi.org/10.1021/jz400644c | 事実 |
| CVDグラフェンの乾式転写でPMMAとPDMSの枠を使うこと、湿式転写、ガラス上の単層膜が面抵抗約980 Ω/sq・透過率97.6%であること | Suk ほか（2011）［参考資料 8］https://doi.org/10.1021/nn201207c | 事実 |
| 電解液ゲートのグラフェンFETで、トランスコンダクタンスが真空中の30倍になり、コンダクタンスがpHに直線的に比例し、数百ピコモルのタンパク質で増えたこと | Ohno ほか（2009）［参考資料 9］https://doi.org/10.1021/nl901596m | 事実 |
| PMF2000／PMF2002がセンシングと研究の用途向けであること。ポリマーを使わない直接成長のグラフェン、エポキシ封止層、チャネル100×100 µm。ディラック点700 ± 150 mV（PMF2002は800 mV未満）、トランスコンダクタンス代表値0.8・最小0.5 mS·sq/V、チャネル抵抗1〜3.5 kΩ。バッチ報告書が要望に応じて得られること。応用ノート（pH、カリウム、血清中のカリウム、ピレン堆積、アセトン）の題名 | Paragraf 製品ページ［参考資料 10］https://www.paragraf.com/molecular-sensors/ | 事実 |
| DRP-110GPH-U50が(バイオ)センサー開発向けのグラフェン修飾スクリーン印刷炭素電極で、基板セラミック(3.4×1.0×0.05 cm)、作用極グラフェン／炭素、対極炭素、参照極銀、作用極直径4 mm・幾何面積0.11 cm²であること | Metrohm 製品ページ（GPH）［参考資料 11］https://www.metrohm.com/en/products/d/rp-1/drp-110gph-u50.html | 事実 |
| DRP-110CNT-U50が同様の構成で、作用極がMWCNT-COOH／炭素であること | Metrohm 製品ページ（CNT）［参考資料 12］https://www.metrohm.com/en/products/d/rp-1/drp-110cnt-u50.html | 事実 |
| ナノワイヤーFETで、溶液のデバイ長の制御が高分子の選択的検出に決定的であること | Stern ほか（2007）［参考資料 13］https://doi.org/10.1021/nl071792z | 事実 |
| 単層CNTでの非特異吸着がPEOの固定で克服され、PEOで機能化したナノチューブに受容体をつないで自己免疫疾患に関連する抗体を検出する電子センサーを示したこと。2001年の同著者らの、CNT側壁の非共有結合による機能化の報告（題名） | Chen ほか（2003）［参考資料 14］https://doi.org/10.1073/pnas.0837064100 | 事実 |
| ISO/TS 80004-13:2024が第2版で、2024年9月に発行され、グラフェンと関連二次元材料の用語を規定すること | ISO 規格ページ［参考資料 15］https://www.iso.org/standard/82855.html | 事実 |
| ISO/TS 80004-3:2020が炭素ナノ物体の用語を規定すること | ISO 規格ページ［参考資料 16］https://www.iso.org/standard/75335.html | 事実 |
| ISO/TS 21356-1:2021が層の数・厚さ、薄片の横サイズ、乱れの程度、層の配向、比表面積を、測定法・試料の準備・データ解析とともに規定すること | ISO 規格ページ［参考資料 17］https://www.iso.org/standard/70757.html | 事実 |
| 60の製造者のグラフェンの調査。市場の分類が誤りで、多くの製造者が黒鉛の微小板を作っていること。層の数と薄片サイズの分布による分類と、厳格な規格の必要性 | Kauling ほか（2018）［参考資料 18］https://doi.org/10.1002/adma.201803784 | 事実 |
| グラフェンFETでSARS-CoV-2を検出した性能（スパイクタンパク質1 fg/mL〜、臨床輸送培地100 fg/mL、培養ウイルスLOD 1.6×10¹ pfu/mL、臨床試料LOD 2.42×10² copies/mL、前処理・標識なし） | Seo ほか（2020）［参考資料 19］https://doi.org/10.1021/acsnano.0c02823 | 事実 |
| Seoらの論文に訂正（Correction）が出ていること | ACS Nano 2020 訂正［参考資料 20］https://doi.org/10.1021/acsnano.0c06726 | 事実 |
| グラフェン電子タトゥーで300分超の連続的な血圧測定。拡張期0.2 ± 4.5 mmHg、収縮期0.2 ± 5.8 mmHgの精度で、著者がGrade A分類に相当すると述べること | Kireev ほか（2022）［参考資料 21］https://doi.org/10.1038/s41565-022-01145-w | 事実 |
| グラフェン系材料のすべてが同じではなく、構造と活性の関係を解きほぐす必要があること | Fadeel ほか（2018）［参考資料 22］https://doi.org/10.1021/acsnano.8b04758 | 事実 |
| 長い多層CNTをマウスの腹腔に入れるとアスベストに似た長さ依存の炎症・肉芽腫が生じたこと（予備的研究） | Poland ほか（2008）［参考資料 23］https://doi.org/10.1038/nnano.2008.111 | 事実 |
| IARCモノグラフ第111巻：ヒトの発がん性の証拠は不十分、MWCNT-7はグループ2B、他の多層CNTと単層CNTはグループ3。作業グループが工業的CNTに限定し、医療目的に特別に設計されたCNTを検討していないこと | IARC Monographs 111（2017）［参考資料 24］https://publications.iarc.who.int/download/mono111-01.pdf | 事実 |
| EU医療機器規則第2条のナノ材料の定義（フラーレン・グラフェン薄片・1 nm未満の単層CNTを含む）と、附属書VIII規則19（ナノ材料を含む機器のクラスIII／IIb／IIa） | Regulation (EU) 2017/745［参考資料 25］https://eur-lex.europa.eu/legal-content/EN/TXT/?uri=CELEX:32017R0745 | 事実 |
| 官報掲載の体外診断用医療機器規則の原文に「nanomaterial」の語が見当たらなかったこと | Regulation (EU) 2017/746 の本文の検索（本稿の確認）［参考資料 26］https://eur-lex.europa.eu/legal-content/EN/TXT/?uri=CELEX:32017R0746 | 事実 |
| ISO/TR 10993-22:2017が、ナノ材料を含む機器の生物学的評価の考え方を示す技術報告書で、詳細な試験手順は示さないこと | ISO 規格ページ［参考資料 27］https://www.iso.org/standard/65918.html | 事実 |
| FDAの2014年6月のガイダンス（拘束力のない推奨）が、約1〜100 nmの外形寸法・構造と、寸法に起因する性質（1 µm程度まで）の2点を尋ねること。対象に医療機器・体外診断用機器を含むこと | FDA ガイダンス［参考資料 28］https://www.fda.gov/media/88423/download | 事実 |
| NanomixのeLabのカートリッジが「CNT技術にならった微小な炭素バイオセンサー」を使うとバークレー研究所が述べ、2020年5月時点でEUAを目指していたこと | Lawrence Berkeley National Laboratory の記事［参考資料 29］https://newscenter.lbl.gov/2020/05/21/covid-19-detector/ | 事実 |
| 転写後の化学物質の残渣が電気的性質に影響することを扱った論文があること（題名による） | Pirkle ほか（2011）［参考資料 30］https://doi.org/10.1063/1.3643444 | 事実 |
| 2001年にChenらが単層CNT側壁の非共有結合による機能化をタンパク質の固定のために報告したこと（題名による） | Chen ほか（2001）［参考資料 31］https://doi.org/10.1021/ja010172b | 事実 |
| 産業規模のグラフェンの製法が求められていること、「スコッチテープ法」の呼称 | Brownson ほか（2012）［参考資料 32］https://doi.org/10.1039/c2cs35105f | 事実 |
| 積層の計算（125 ÷ 4 ＝ 約31 Ω/sq、0.974⁴ ＝ 約0.90）、液相剥離の濃度（0.01 mg/mL × 1 wt% ＝ 約0.1 µg/mL、100倍・1万倍の濃縮）、印刷膜の面抵抗（膜厚1 µmで40 Ω/sq、100 nmで400 Ω/sq）、Paragrafの仕様のばらつき（±約21%、約63%、3.5倍） | 本稿の計算。膜厚は本稿の仮定。積層の計算は理想的な場合。数値の元は参考資料4・6・7・10。値の条件が違うため優劣は示さない | 本稿の計算 |
| SWNTの巻き方による金属的／半導体的な性質、MWCNT（入れ子）の説明、SWNTの電子的タイプ選別が材料側の仕事であること、金属触媒の残渣の除去、グラフェンと下の層の相互作用、印刷膜に耐熱基板が要ること、共有結合による機能化が導電性を下げうること、電極とFETの2つの使い方の整理、図5・図2の読み取り | 一般的な材料科学の整理と、参考資料の記述にもとづく本記事の解説であり、個別の出典で確認した値ではない | 解説 |
| グラフェンFETやCNTセンサーのIVDとしての審査・承認例。層の数・欠陥・不純物がバイオセンサー性能に与える影響の定量的な一次資料。保管中の変化。価格・製造原価。Seoらの訂正の内容と臨床試料の数。Nanomixのセンサー材料と審査結果。CNTの製法の個別の一次資料 | 本稿の調査範囲では、一次資料で確認できなかったため記載していない | 未確定／将来 |
| 図1・図2・図4・図5・図6が説明用の作図であり実測データではないこと。ヒーロー画像と図3がAI生成イメージであること | 本記事による注記 | 解説 |
最終更新：2026年10月／出典は一次情報（査読論文、メーカーの製品ページ、規格団体の公式ページ、EU規則、FDAのガイダンス、IARCのモノグラフ）に限定しています。 メーカーの仕様はメーカー公称で、第三者による検証ではありません。 構造の整理や材料設計上の読み取りを含むため、それらは「解説」として出典付きの事実と区別しています。 グラフェンFET／CNTセンサーの診断機器としての審査例、材料の品質がバイオセンサー性能に与える影響の定量データ、価格、Seoらの訂正の内容、Nanomixのセンサー材料と審査結果は、公開された一次情報で確認できなかったため記載していません。 IARCの評価は医療目的のCNTを対象にしていません。研究の行は論文の報告であり、診断や測定値の読み方に使える性能を示すものではありません。本記事は医療上の助言ではありません。 図1・図2・図4・図5・図6はベクター作図、ヒーロー画像と図3はAI生成イメージであり、いずれも実際の素子・製品・測定結果を示すものではありません。