主要成果
サセックス大学のFernando Perez、Chloe Miller、Bhavik Anil Patelらによる研究で、MWCNT複合電極に組み込まれた白金（PtB）、パラジウム（PdB）、ルテニウム（RuB）の3種類の貴金属ブラックの性能が比較されました。その結果、検出対象によって最適な触媒が明確に分かれることが判明しました。pH 7.4のリン酸緩衝生理食塩水中で+0.85 V（vs Ag|AgCl）にて測定したところ、過酸化水素の検出感度はPdBが0.013 μA μM⁻¹と最高となり、次いでPtB（0.008 μA μM⁻¹）、RuB（0.003 μA μM⁻¹）の順でした。一方、亜硝酸塩の検出では順位が逆転し、PtBが0.0022 μA μM⁻¹と最大の感度を示し、PdB（0.0012 μA μM⁻¹）、RuB（0.0003 μA μM⁻¹）と続きました。
技術・詳細
研究チームは、15 wt%のMWCNT、10 wt%の貴金属ブラック（PtB, PdB, RuBのいずれか）、および75 wt%のエポキシ樹脂からなるバルク複合電極を作製しました。この構成は、再現可能な作製と良好な電気化学的性能を両立させる最適値に基づいています。作製プロセスでは、3DプリントしたPLA製円筒ケースにペーストを充填して48時間硬化させ、炭化ケイ素での研磨とアルミナスラリーによるポリッシングを経て平坦なディスク電極として仕上げました。貴金属ブラックをバルク複合マトリックス内に直接組み込むことで、触媒粒子を固定し、長期運用時でも効率的な電子伝達経路を維持する堅牢な構造を実現しています。
電気化学的特性の評価では、以下の点が確認されました。
- 容量と抵抗：すべての貴金属ブラック複合体は、未修飾のMWCNT電極よりも容量が大幅に増加し、電荷移動抵抗（Rct）が減少しました。特にPtB複合体が最高の容量を示しました。
- 電子伝達：PdBとPtBを含む電極は、ピーク間電位差（ΔE）が有意に減少し、電極の接触抵抗が低減されることが示唆されました。
- 検出限界：過酸化水素の検出限界はPdBが24 μM、PtBが20 μM、RuBが17 μMでした。亜硝酸塩ではPtBが30 μM、PdBが56 μM、RuBが37 μMとなりました。
背景・業界の文脈
電気化学センサーは、血糖値モニタリングから飲料水の安全性確認まで、安価で携帯可能な使い捨てプラットフォームとして期待されています。特に過酸化水素は代謝や炎症プロセスで生成される重要な活性酸素種であり、第一世代の酸化酵素ベースバイオセンサー（グルコース酸化酵素プラットフォームなど）の信号生成物となります。また、亜硝酸塩は血管調節や免疫機能に関わる一酸化窒素代謝の主要な中間体であり、その濃度変化は内皮機能不全や炎症状態の指標となります。しかし、従来のカーボンベース電極では電子伝達速度が遅く、触媒活性が低いため、高い過電圧が必要となり、感度の低下や干渉への脆弱性が課題となっていました。
今後の展望
本研究は、単一の触媒ですべてのセンシングニーズをカバーできるという従来の仮定に疑問を投げかけました。分析対象に応じて最適な貴金属を選択するという合理的な設計指針が示されたことで、複数の物質を同時に、あるいは高精度に検出する次世代のマルチアナライトセンサーの設計が可能になります。
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