JP7412293B2 - Sensors with receptors containing nitrogen atoms - Google Patents
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Description
本発明は、窒素原子を含有する受容体を有するセンサーに関する。 The present invention relates to a sensor having a receptor containing a nitrogen atom.
一般にセンサーは、対象となる検知対象物質を高感度かつ高選択的な検出を可能とする検知部(受容体)を有する。受容体として自己組織化膜、単分子膜、DNA/RNA、タンパク質、抗原/抗体、ポリマーなど多岐に渡る物質が用いられている。嗅覚/ガスセンサー分野では近年のAI,IoTの発達により、呼気検査やホテル、自動車、工場での匂い管理などの新たなアプリケーションが期待されている。また、食物の嫌気呼吸由来のエタノールやアルデヒドの追跡が可能となれば食品の品質をセンサーによって管理することができる。
特許文献1では、多孔質材料または粒状材料を、物理パラメータを検出するタイプのセンサー本体上に被覆し、検体分子を前記多孔質材料または粒状材料が吸着することによる前記物理パラメータの変化により前記検体分子を検出するセンサーが記載されている。
特許文献2では、測定対象物質を吸着することによって検出する検出装置であって、前記測定対象物質を吸着する2つ以上の検出部を備え、前記2つ以上の検出部は、D単位またはT単位のシロキサン結合と炭化水素基またはヘテロ原子含有炭化水素基とを含有する第1の化合物を含む第1検出部と、D単位またはT単位のシロキサン結合と炭化水素基またはヘテロ原子含有炭化水素基とを含有し、第1の化合物とは異なる第2の化合物を含む第2検出部とを含み、前記第1検出部および第2検出部は、同一の測定対象物質の吸着に対し、互いに異なる電気信号を出力することを特徴とする検出装置が記載されている。
特許文献3では、シリカ粒子へ生体分子等を結合させるために有用なアミノ基を粒子表面に有し、かつ前記アミノ基がシリカ粒子表面に吸着することにより前記生体分子等との反応性が低下することを防止したシリカ粒子の製造方法、前記シリカ粒子、及びそれを用いた複合粒子が記載されている。
Generally, a sensor has a detection part (receptor) that enables highly sensitive and highly selective detection of a target substance to be detected. A wide variety of substances are used as receptors, including self-assembled membranes, monolayers, DNA/RNA, proteins, antigens/antibodies, and polymers. In the field of olfactory/gas sensors, new applications such as breath testing and odor management in hotels, cars, and factories are expected due to the recent development of AI and IoT. Additionally, if it becomes possible to track ethanol and aldehydes derived from anaerobic respiration in food, the quality of food can be controlled using sensors.
In Patent Document 1, a porous material or a granular material is coated on a sensor body of a type that detects a physical parameter, and a change in the physical parameter due to adsorption of the analyte molecules by the porous material or the granular material causes the analyte to be detected. Sensors for detecting molecules have been described.
Patent Document 2 discloses a detection device that detects a substance to be measured by adsorbing it, and includes two or more detection units that adsorb the substance to be measured, and the two or more detection units have a unit of D or a unit of T. a first detection part containing a first compound containing a siloxane bond of a unit and a hydrocarbon group or a heteroatom-containing hydrocarbon group; a siloxane bond of a D unit or a T unit and a hydrocarbon group or a heteroatom-containing hydrocarbon group; and a second detection section containing a second compound different from the first compound, wherein the first detection section and the second detection section have different compounds for adsorption of the same substance to be measured. A detection device is described that is characterized in that it outputs an electrical signal.
Patent Document 3 discloses that silica particles have amino groups useful for bonding biomolecules, etc. on the particle surface, and the amino groups are adsorbed to the silica particle surface, thereby reducing reactivity with the biomolecules, etc. A method for producing silica particles, the silica particles, and composite particles using the same are described.
特許文献1に記載の技術では、高い感度と選択性、安定性を実現する一方で、乾燥雰囲気下以外では電気シグナルが大きく減衰し、嗅覚センサーとして使用できる環境が大きく制限されている。
特許文献2に記載の技術では、簡易な方法で、複数種類の測定対象物質の選択的な測定を行う方法を実現する一方で、湿度によるシグナル減衰の問題や高濃度の匂い/ガス分子により受容体が変形し、再現性のあるシグナルが得られない。
特許文献3に記載の技術では、生体分子等と高い反応性で結合するシリカ粒子を製造でき、分散安定性に優れ、分析試薬として測定結果の再現性が高く、極微量標的試料の高感度分析が可能である一方で、前記生体分子や生理活性物質を標的とする分析試薬としての用途に限定されている。
Although the technology described in Patent Document 1 achieves high sensitivity, selectivity, and stability, the electrical signal is greatly attenuated outside of a dry atmosphere, greatly limiting the environments in which it can be used as an olfactory sensor.
The technology described in Patent Document 2 realizes a method for selectively measuring multiple types of target substances using a simple method. The body is deformed and reproducible signals cannot be obtained.
The technology described in Patent Document 3 can produce silica particles that bind with biomolecules with high reactivity, has excellent dispersion stability, has high reproducibility of measurement results as an analytical reagent, and is suitable for high-sensitivity analysis of extremely small amounts of target samples. However, its use is limited to analytical reagents that target the biomolecules and physiologically active substances mentioned above.
本発明は、上記の従来技術が有する課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、アルデヒド等の親水性の高いガスを、湿度のある状態下であっても高感度で測定可能なセンサーを提供することにある。 The present invention has been made in view of the above-mentioned problems with the prior art, and its purpose is to provide a sensor that can measure highly hydrophilic gases such as aldehydes with high sensitivity even under humid conditions. Our goal is to provide the following.
本願発明者らは前記課題を解決すべく鋭意検討し、実験を重ねた結果、窒素を含む特定の式で示される有機無機ハイブリッド構造を含み、且つ、特定の空隙率を有する受容体を含有することにより、予想外に前記課題を解決しうることを見出し、本発明を完成するに至った。
すなわち、本発明は以下の態様を包含する。
[1]
下記式(1)
RSiO3/2 (1)
(式(1)中、Rは少なくとも窒素原子を1つ以上含む有機基を示す)
で示される構造を含む有機無機ハイブリッドを含み、空隙率が3%以下である受容体を有するセンサー。
[2]
前記Rは、アミノ基または窒素原子を含む複素環を有する、上記[1]に記載のセンサー。
[3]
前記Rは、3級アミノ基を有する、上記[1]又は[2]に記載のセンサー。
[4]
前記Rは、少なくとも1種の芳香環を有する、上記[1]~[3]のいずれかに記載のセンサー。
[5]
前記芳香環はSi原子に直接結合している、上記[4]に記載のセンサー。
[6]
前記Rは、芳香環と非芳香環との共重合構造を有する、上記[1]~[5]のいずれかに記載のセンサー。
[7]
前記受容体がフィラーを含む、上記[1]~[6]のいずれかに記載のセンサー。
[8]
前記フィラーが無機フィラーである、上記[7]に記載のセンサー。
[9]
前記フィラーが金属酸化物である、上記[7]又は[8]に記載のセンサー。
[10]
前記フィラーがシリカである、上記[7]~[9]のいずれかに記載のセンサー。
[11]
前記フィラーが球状もしくは鎖状である、上記[7]~[10]のいずれかに記載のセンサー。
[12]
前記フィラーを体積分率で1~70%含む、上記[1]~[11]のいずれかに記載のセンサー。
[13]
前記フィラーを体積分率で3~40%含む、上記[1]~[12]のいずれかに記載のセンサー。
[14]
前記受容体の熱重量減少率が65重量%以下である、上記[1]~[13]のいずれかに記載のセンサー。
The inventors of the present application have diligently studied and conducted repeated experiments to solve the above-mentioned problems, and as a result, they have found that the receptor contains an organic-inorganic hybrid structure represented by a specific formula containing nitrogen and has a specific porosity. As a result, the inventors have unexpectedly discovered that the above-mentioned problem can be solved, and have completed the present invention.
That is, the present invention includes the following aspects.
[1]
The following formula (1)
RSiO 3/2 (1)
(In formula (1), R represents an organic group containing at least one nitrogen atom)
A sensor comprising an organic-inorganic hybrid having a structure shown in the following, and having a receptor having a porosity of 3% or less.
[2]
The sensor according to [1] above, wherein R has an amino group or a heterocycle containing a nitrogen atom.
[3]
The sensor according to [1] or [2] above, wherein R has a tertiary amino group.
[4]
The sensor according to any one of [1] to [3] above, wherein R has at least one aromatic ring.
[5]
The sensor according to [4] above, wherein the aromatic ring is directly bonded to a Si atom.
[6]
The sensor according to any one of [1] to [5] above, wherein R has a copolymerized structure of an aromatic ring and a non-aromatic ring.
[7]
The sensor according to any one of [1] to [6] above, wherein the receptor contains a filler.
[8]
The sensor according to [7] above, wherein the filler is an inorganic filler.
[9]
The sensor according to [7] or [8] above, wherein the filler is a metal oxide.
[10]
The sensor according to any one of [7] to [9] above, wherein the filler is silica.
[11]
The sensor according to any one of [7] to [10] above, wherein the filler is spherical or chain-shaped.
[12]
The sensor according to any one of [1] to [11] above, which contains the filler in a volume fraction of 1 to 70%.
[13]
The sensor according to any one of [1] to [12] above, which contains the filler in a volume fraction of 3 to 40%.
[14]
The sensor according to any one of [1] to [13] above, wherein the receptor has a thermogravimetric reduction rate of 65% by weight or less.
本発明によれば、アルデヒド等の高親水性のガスを、湿度のある状態下であっても高感度に測定可能である。 According to the present invention, highly hydrophilic gases such as aldehydes can be measured with high sensitivity even under humid conditions.
以下、本発明の実施の形態(以下、「本実施形態」という。)について詳細に説明するが、本発明はこれに限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で様々な変形が可能である。 Hereinafter, an embodiment of the present invention (hereinafter referred to as "the present embodiment") will be described in detail, but the present invention is not limited thereto, and various modifications can be made without departing from the gist thereof. It is.
本実施形態のセンサーは、下記式(1)
RSiO3/2 (1)
(式(1)中、Rは少なくとも窒素原子を1つ以上含む有機基を示す)
で示される構造を含む有機無機ハイブリッドを含み、空隙率が3%以下である受容体を有する。
The sensor of this embodiment has the following formula (1)
RSiO 3/2 (1)
(In formula (1), R represents an organic group containing at least one nitrogen atom)
It contains an organic-inorganic hybrid having the structure shown in and has a receptor with a porosity of 3% or less.
本実施形態のセンサーは、検知対象物質が吸着及び膜内部に拡散する受容体を有するセンサーであって、前記受容体が、RSiO3/2で表される構造を有する有機無機ハイブリッドを含み、ここで、前記Rは少なくとも窒素原子を1つ以上含む有機基であり、前記受容体の体積分率としての空隙率が3%以下である。 The sensor of this embodiment is a sensor having a receptor to which a substance to be detected is adsorbed and diffused into the membrane, and the receptor includes an organic-inorganic hybrid having a structure represented by RSiO 3/2 . The above R is an organic group containing at least one nitrogen atom, and the porosity as a volume fraction of the receptor is 3% or less.
受容体がこのように構成されていることにより、本実施形態のセンサーは、アセトアルデヒド等のアルデヒド系ガスを湿度のある状態下であっても高感度に測定することができる。更にはリフロー処理後、長時間使用後であっても受容体の劣化がなく継続して測定することができるという効果をも奏する。 With the receptor configured in this way, the sensor of this embodiment can measure aldehyde gases such as acetaldehyde with high sensitivity even under humid conditions. Furthermore, even after reflow treatment and after long-term use, there is no deterioration of the receptor and measurements can be continued.
本実施形態のセンサーは、特に限定されないが、例えば、物理パラメータを検出するタイプのセンサー本体を含む。物理パラメータとしては、特に限定されないが、例えば、表面応力、応力、力、表面張力、圧力、質量、弾性、ヤング率、ポアソン比、共振周波数、周波数、体積、厚み、粘度、密度、磁力、磁気量、磁場、磁束、磁束密度、電気抵抗、電気量、誘電率、電力、電界、電荷、電流、電圧、電位、移動度、静電エネルギー、キャパシタンス、インダクタンス、リアクタンス、サセプタンス、アドミッタンス、インピーダンス、コンダクタンス、プラズモン、屈折率、光度および温度やその他の様々な物理パラメータが挙げられる。 The sensor of this embodiment includes, but is not particularly limited to, a sensor body of a type that detects physical parameters, for example. Physical parameters include, but are not limited to, surface stress, stress, force, surface tension, pressure, mass, elasticity, Young's modulus, Poisson's ratio, resonance frequency, frequency, volume, thickness, viscosity, density, magnetic force, and magnetism. quantity, magnetic field, magnetic flux, magnetic flux density, electrical resistance, electrical quantity, permittivity, power, electric field, charge, current, voltage, potential, mobility, electrostatic energy, capacitance, inductance, reactance, susceptance, admittance, impedance, conductance , plasmons, refractive index, luminosity and temperature and various other physical parameters.
本実施形態のセンサーは、例えば、センサー本体上に直接、受容体(形状等に応じ、「受容体層」や「感応膜」と言う。)を設けたセンサーである。すなわち、本実施形態のセンサーは、当該受容体が検知対象物質(検体分子)を吸着、内部拡散することで、そこに引き起こされる物理パラメータの変化を、センサー本体により検出するものとすることができる。上記のとおり、本実施形態のセンサーにおいて使用可能なセンサー本体は、その表面上に配された受容体が検知対象物質を吸着、内部拡散することによって当該受容体に引き起こされる変化を検知するものであれば、特に限定されない。 The sensor of this embodiment is, for example, a sensor in which a receptor (referred to as a "receptor layer" or a "sensitive film" depending on the shape, etc.) is provided directly on the sensor body. That is, in the sensor of this embodiment, the sensor body can detect changes in physical parameters caused by the receptor adsorbing and internally diffusing the detection target substance (analyte molecule). . As mentioned above, the sensor body that can be used in the sensor of this embodiment is one that detects changes caused in the receptors arranged on the surface of the receptors when they adsorb and internally diffuse the substance to be detected. If so, there are no particular limitations.
本実施形態のセンサーを、例えば、表面応力センサー(例えば、嗅覚センサー)に適用する場合には、センサー本体の表面の少なくとも一部を被覆した受容体(感応膜)に検知対象物質が吸着し、さらに受容体中に内部拡散することで、当該受容体中に引き起こされた応力変化を検出して本体がシグナルを出力する。 When the sensor of this embodiment is applied to, for example, a surface stress sensor (for example, an olfactory sensor), a detection target substance is adsorbed to a receptor (sensitive membrane) that covers at least a portion of the surface of the sensor body, Furthermore, by internally diffusing into the receptor, the body detects the stress change caused in the receptor and outputs a signal.
また、別の種類のセンサー本体として、例えば、QCM装置を適用しうる。QCM装置は、交流電場を印加した水晶振動子の電極表面に物質が吸着すると、その吸着質の質量や粘弾性等に応じて共振周波数が減少する性質を利用して微量な質量変化を計測する質量センサーであり、in-situでの測定が可能である。本実施形態のセンサーをQCM装置として適用する場合、例えば、電極の表面に本実施形態における受容体を形成することにより、当該受容体が検知対象物質を吸着することで起こる質量変化をセンサー本体で検出してシグナルを出力する。また、QCMの電極としては、様々な導電性材料を適用しうるが、本実施形態における受容体に導電性を持たせる場合、当該受容体をQCMの電極として用いることもできる。 Furthermore, as another type of sensor main body, for example, a QCM device can be applied. QCM devices measure minute changes in mass by utilizing the property that when a substance is adsorbed to the electrode surface of a crystal oscillator to which an alternating electric field is applied, the resonance frequency decreases depending on the mass and viscoelasticity of the adsorbate. It is a mass sensor and can perform in-situ measurements. When applying the sensor of this embodiment as a QCM device, for example, by forming the receptor of this embodiment on the surface of an electrode, the mass change caused by the adsorption of the detection target substance by the receptor can be absorbed by the sensor body. Detect and output a signal. Further, various conductive materials can be used as electrodes of QCM, but when the receptor in this embodiment is made to have conductivity, the receptor can also be used as an electrode of QCM.
なお、本明細書において、「吸着」という用語は、ある物体の界面において、(吸着質となる)他の物質の濃度が周囲よりも増加する現象を含む意味で用いており、物理吸着だけではなく、化学結合や生化学的な作用による化学吸着も含むものである。 In this specification, the term "adsorption" is used to include the phenomenon in which the concentration of another substance (which becomes an adsorbate) increases at the interface of a certain object compared to the surrounding area, and physical adsorption alone is not sufficient. It also includes chemisorption due to chemical bonds and biochemical actions.
[受容体]
本実施形態における受容体は、例えば、匂い分子やガス分子等の吸着質(検知対象物質)が吸着、内部拡散することによりシグナルの変化を誘起することができる。特に膜形状の受容体については「感応膜」とも称される。
[Receptor]
The receptor in this embodiment can induce a change in signal by adsorbing and internally diffusing adsorbates (substances to be detected) such as odor molecules and gas molecules. In particular, membrane-shaped receptors are also referred to as "sensitive membranes."
本実施形態のセンサーにより測定可能なガスとしては、酸化還元型ガス、可燃性ガス、水蒸気、揮発性有機物質(VOC)ガスが挙げられ、ガス分子の選択性は、分子骨格、共重合比から容易に変えることができる。より具体的には、炭化水素、窒素酸化物、硫黄酸化物、一酸化炭素、二酸化炭素、水素、酸素、アルコール、アミン、アルデヒド、不飽和アルデヒド、ケトン、エステル、ハロメタン、揮発性芳香族化合物、揮発性複素環芳香族化合物等が挙げられる。炭化水素としては、メタン、エタン、プロパン、ブタン、イソブタン、エチレン等が挙げられ、アルコールとしてはメタノール、エタノール、イソプロパノール、高級アルコールが挙げられ、アミンとしては、アンモニア、ジメチルアミン、トリメチルアミン、トリエチルアミン等が挙げられ、アルデヒドとしてはホルムアルデヒド、アセトアルデヒド等が挙げられ、不飽和アルデヒドとしてはオクテナール、ノネナール、ヘキセナール等が挙げられ、ケトンとしてはアセトン等が挙げられ、ハロメタンとしてはクロロホルム、ジクロロメタン等が挙げられ、揮発性芳香族としては、ベンゼン、トルエン、キシレン、ナフタレン等が挙げられ、揮発性複素環芳香族化合物としては、インドールやスカトール等が挙げられる。 Gases that can be measured by the sensor of this embodiment include redox gases, combustible gases, water vapor, and volatile organic substance (VOC) gases, and the selectivity of gas molecules is determined by the molecular skeleton and copolymerization ratio. Can be easily changed. More specifically, hydrocarbons, nitrogen oxides, sulfur oxides, carbon monoxide, carbon dioxide, hydrogen, oxygen, alcohols, amines, aldehydes, unsaturated aldehydes, ketones, esters, halomethanes, volatile aromatic compounds, Examples include volatile heterocyclic aromatic compounds. Hydrocarbons include methane, ethane, propane, butane, isobutane, ethylene, etc. Alcohols include methanol, ethanol, isopropanol, higher alcohols, and amines include ammonia, dimethylamine, trimethylamine, triethylamine, etc. Aldehydes include formaldehyde, acetaldehyde, etc., unsaturated aldehydes include octenal, nonenal, hexenal, etc., ketones include acetone, etc., halomethanes include chloroform, dichloromethane, etc., and volatile Examples of the aromatic compound include benzene, toluene, xylene, naphthalene, etc., and examples of the volatile heterocyclic aromatic compound include indole, skatole, etc.
本実施形態のセンサーにおいて、湿度のある環境下での感度及び安定性の観点から、受容体の体積分率としての空隙率は3%以下である。感度をより向上させる観点からは、空隙率は2%以下がより好ましく、湿度下環境において感度の低減を抑制する観点からは、空隙率は1%以下であることがさらに好ましい。 In the sensor of this embodiment, from the viewpoint of sensitivity and stability in a humid environment, the porosity as a volume fraction of the receptor is 3% or less. From the viewpoint of further improving sensitivity, the porosity is more preferably 2% or less, and from the viewpoint of suppressing a decrease in sensitivity in a humid environment, the porosity is even more preferably 1% or less.
空隙率は、例えば、フィラーとRSiO3/2で表される構造の比を調節すること等により上記範囲に調整することができる。また、空隙率は、本明細書の実施例に記載の方法、又はこれと同等であることが当業者に理解される方法で測定される値である。 The porosity can be adjusted within the above range by, for example, adjusting the ratio of the filler to the structure represented by RSiO 3/2 . Further, the porosity is a value measured by the method described in the Examples of this specification or a method understood by those skilled in the art to be equivalent thereto.
本実施形態のセンサーは、式(1)
RSiO3/2 (1)
(式(1)中、Rは少なくとも窒素原子を1つ以上含む有機基を示す)
で示される構造を含む。
The sensor of this embodiment is expressed by formula (1)
RSiO 3/2 (1)
(In formula (1), R represents an organic group containing at least one nitrogen atom)
Contains the structure shown in .
Rは少なくとも窒素原子を1つ以上含む有機基であり、有機基に窒素原子を1つ以上含むことによりアルデヒド等の高親水性のガスの応答感度が向上する。本実施形態の受容体に吸着されるアルデヒドとしては、特に限定されないが、ホルムアルデヒド、アセトアルデヒド等が挙げられる。 R is an organic group containing at least one nitrogen atom, and by including one or more nitrogen atoms in the organic group, the response sensitivity to highly hydrophilic gases such as aldehyde is improved. The aldehyde adsorbed by the receptor of this embodiment is not particularly limited, but includes formaldehyde, acetaldehyde, and the like.
Rで示される窒素原子を1つ以上含む有機基の具体例としては、以下に限定されないが、アミノ基、アミド基、ウレタン結合、尿素結合、イミド基、イミン基等や、アジリジン、アゼチジン、ピロリジン、ピロール、ピペリジン、ピペラジン、ピリジン、ヘキサメチレンイミン、アザドピロリデン、イミダゾール、ピラゾール、オキサゾール、イソオキサゾール、チアゾール、イミダゾリン、モルホリン、チアジン、トリアゾール、テトラゾール、ピリダジン、ピリミジン、ピラジン、インドール、イソインドール、ベンゾイミダゾール、プリン、ベンゾトリアゾール、キノリン、イソキノリン、キナゾリン、キノキサリン、シンノリン、プテリジン、カルバゾール、アデニン、グアニン、シトシン、チミン、ウラシル等の窒素原子を含む複素環構造を有する置換基が挙げられる。本発明者らは、特に有機基に窒素原子を含む場合、湿度のある状態でもアセトアルデヒド等のアルデヒド類に特異的高い感度を有することを見出した。その理由としては、以下のように考えられるが、以下に限定する趣旨ではない。すなわち、窒素原子の持つ非共有電子対がアルデヒドのカルボニル炭素を攻撃し、炭素-酸素間の二重結合の電子対を酸素上に移し四面体中間体を生成する過程における平衡反応がアルデヒドと窒素原子との間で起こるため、受容体の特異的な膨潤を誘発するためと推定される。 Specific examples of organic groups containing one or more nitrogen atoms represented by R include, but are not limited to, amino groups, amide groups, urethane bonds, urea bonds, imide groups, imine groups, aziridine, azetidine, pyrrolidine, etc. , pyrrole, piperidine, piperazine, pyridine, hexamethyleneimine, azadopyrrolidene, imidazole, pyrazole, oxazole, isoxazole, thiazole, imidazoline, morpholine, thiazine, triazole, tetrazole, pyridazine, pyrimidine, pyrazine, indole, isoindole, benzimidazole, Examples include substituents having a heterocyclic structure containing a nitrogen atom, such as purine, benzotriazole, quinoline, isoquinoline, quinazoline, quinoxaline, cinnoline, pteridine, carbazole, adenine, guanine, cytosine, thymine, and uracil. The present inventors have found that particularly when the organic group contains a nitrogen atom, it has a high sensitivity specific to aldehydes such as acetaldehyde even under humid conditions. The reason may be as follows, but is not intended to be limited to the following. In other words, the unshared electron pair of the nitrogen atom attacks the carbonyl carbon of the aldehyde, and the electron pair of the carbon-oxygen double bond is transferred to the oxygen, resulting in an equilibrium reaction between the aldehyde and nitrogen. This is presumed to be because it induces specific swelling of the receptor because it occurs between atoms.
また、Rはアミノ基または窒素原子を含む複素環を有することが好ましい。すなわち、有機基に含まれる窒素原子がアミノ基あるいは複素環構造に含まれている場合、合成・試薬入手性の観点から好ましい。 Moreover, it is preferable that R has an amino group or a heterocycle containing a nitrogen atom. That is, it is preferable from the viewpoint of synthesis and reagent availability that the nitrogen atom contained in the organic group is contained in an amino group or a heterocyclic structure.
さらに、Rは3級アミノ基を有することが好ましい。すなわち、有機基に含まれる窒素原子が3級アミノ基に含まれている場合、アルデヒド等の高親水性のガスの選択性の観点から好ましい。 Furthermore, it is preferable that R has a tertiary amino group. That is, when the nitrogen atom contained in the organic group is contained in the tertiary amino group, it is preferable from the viewpoint of selectivity for highly hydrophilic gases such as aldehydes.
さらに、Rは少なくとも1種の芳香環を有することが好ましい。すなわち、Rが芳香環を含む場合、センサーの耐湿度性がより向上する傾向にある。芳香環としては、センサーの用途等を考慮して適宜選択できるため特に限定されないが、例えば、フェニル基、ナフチル基、p-トリル基、ビフェニル基等の芳香族炭化水素基、4-クロロフェニル基、4-フルオロフェニル基、4-ブロモフェニル基、4-ヨードフェニル基、4-メトキシフェニル基、4-アミノフェニル基、ペンタフルオロフェニル基等の置換芳香族炭化水素基、3-フリル基、3-チエニル基、2-ピリジル基、3-ピリジル基、4-ピリジル基等の複素環炭化水素基、フェロセニル基等のメタロセン等が挙げられる。本実施形態のセンサーにおけるRで示される有機基は、上述した芳香環を1種単独で含んでいてもよく、2種以上を併せて含んでいてもよい。 Furthermore, it is preferable that R has at least one type of aromatic ring. That is, when R contains an aromatic ring, the humidity resistance of the sensor tends to be further improved. The aromatic ring is not particularly limited as it can be selected appropriately considering the use of the sensor, etc., but examples include aromatic hydrocarbon groups such as phenyl group, naphthyl group, p-tolyl group, and biphenyl group, 4-chlorophenyl group, Substituted aromatic hydrocarbon groups such as 4-fluorophenyl group, 4-bromophenyl group, 4-iodophenyl group, 4-methoxyphenyl group, 4-aminophenyl group, pentafluorophenyl group, 3-furyl group, 3- Examples include heterocyclic hydrocarbon groups such as thienyl group, 2-pyridyl group, 3-pyridyl group, and 4-pyridyl group, and metallocenes such as ferrocenyl group. The organic group represented by R in the sensor of this embodiment may contain one type of the above-mentioned aromatic ring alone, or may contain two or more types in combination.
Rが芳香環を含む場合、芳香環とSi原子との間には、アルキル基(炭素数が1から18までのもの)や、エーテル基、カルボニル基、カルボキシル基、アミド基、ウレタン結合、尿素結合、イミド基、イミン基等のスペーサーとなる構造を挟んでもよいが、応答性感度の観点から、これらのスペーサーは挟まず、芳香環が、Si原子に直接結合していることが好ましい。 When R contains an aromatic ring, an alkyl group (having 1 to 18 carbon atoms), an ether group, a carbonyl group, a carboxyl group, an amide group, a urethane bond, or a urea bond is present between the aromatic ring and the Si atom. Although a spacer structure such as a bond, an imide group, or an imine group may be interposed, from the viewpoint of responsiveness and sensitivity, it is preferable that these spacers are not interposed and the aromatic ring is directly bonded to the Si atom.
本実施形態のセンサーにおけるRで示される有機基は、耐湿度性と様々なガス分子(検知対象物質)への選択性とを両立する観点から、芳香環と非芳香環との共重合構造を含むことが好ましい。 The organic group represented by R in the sensor of this embodiment has a copolymer structure of an aromatic ring and a non-aromatic ring from the viewpoint of achieving both humidity resistance and selectivity to various gas molecules (substances to be detected). It is preferable to include.
また、Rで示される有機基は、極性の高いガス・ニオイ分子への応答性の観点から、窒素原子、酸素原子、硫黄原子、フッ素、塩素、臭素、ヨウ素原子等のハロゲン原子、ホウ素原子、及びリン原子からなる群より選択される1種以上の原子を含有する有機官能基を含むことが好ましい。これらの中でも、安定性の観点から、Rで示される有機基は、窒素原子、酸素原子、硫黄原子、及びフッ素原子からなる群より選択される1種以上の原子を含有する有機官能基を含むことが好ましい。 In addition, from the viewpoint of responsiveness to highly polar gases and odor molecules, the organic group represented by R includes halogen atoms such as nitrogen atoms, oxygen atoms, sulfur atoms, fluorine, chlorine, bromine, and iodine atoms, boron atoms, It is preferable that the organic functional group contains one or more atoms selected from the group consisting of Among these, from the viewpoint of stability, the organic group represented by R includes an organic functional group containing one or more atoms selected from the group consisting of nitrogen atom, oxygen atom, sulfur atom, and fluorine atom. It is preferable.
有機官能基の具体例としては、以下に限定されないが、ハロゲン原子等の置換基を有してもよい直鎖状若しくは分岐状炭化水素基(例えば、3-クロロプロピル基、オクチル基等の直鎖状若しくは分岐状C1-8アルキル基)、ハロゲン原子等の置換基を有してもよい脂環炭化水素基(例えば、シクロヘキシル基等のC5-6シクロアルキル基)、ハロゲン原子等の置換基を有してもよい芳香族炭化水素基(例えば、フェニル基、ペンタフルオロフェニル基等)、ビニル基、アリル基、(メタ)アクリル基、(メタ)アクリロイルオキシアルキル基(例えば、(メタ)アクリロイルオキシプロピル基等の(メタ)アクリロイルオキシC1-3アルキル基)、エポキシ基、グリシジルオキシアルキル基(例えば、3-グリシジルオキシプロピル基等のグリシジルオキシC1-3アルキル基)、(エポキシシクロアルキル)アルキル基(例えば、2-(3,4-エポキシシクロヘキシル)エチル基等)、ヒドロキシ基、エーテル基、カルボニル基、カルボキシル基、エステル基、ウレタン基、ウレア基、メルカプト基、メルカプトアルキル基(例えば、メルカプトプロピル基等のメルカプトC1-3アルキル基)、スルフィド基、アミノ基(例えば、1級アミノ基、2級アミノ基、3級アミノ基)、アミノアルキル基(例えば、アミノプロピル基等のアミノC1-3アルキル基)、(アミノアルキルアミノ)アルキル基(例えば、3-(2-アミノエチルアミノ)プロピル基)、イミダゾリル基、イミダゾリルアルキル基(例えば、3-(2-イミダゾリン-1-イル)プロピル基)、アルキルアミノアルキル基(例えば、3-(ジメチルアミノ)プロピル基)、アミド基、複素環芳香族基、オキシム基、イミド基、イミン基、ハロゲン基、ニトリル基、ホスホン基、リン酸基等があげられる。これらの中でも、有機官能基は、入手性の観点から、置換基を有してもよい直鎖状又は分岐状炭化水素基、置換基を有してもよい脂環炭化水素基、置換基を有してもよい芳香族炭化水素基、ビニル基、アリル基、(メタ)アクリロイルオキシアルキル基、グリシジルオキシアルキル基、(エポキシシクロアルキル)アルキル基、メルカプトアルキル基、アミノアルキル基、(アミノアルキルアミノ)アルキル基、イミダゾリルアルキル基、及びアルキルアミノアルキル基、ヒドロキシ基からなる群より選択される1種以上であることが好ましい。これらの官能基は1種を単独で、又は2種以上を組み合わせて用いられる。 Specific examples of organic functional groups include, but are not limited to, linear or branched hydrocarbon groups that may have substituents such as halogen atoms (for example, straight chain or branched hydrocarbon groups such as 3-chloropropyl group and octyl group). chain or branched C 1-8 alkyl group), alicyclic hydrocarbon groups that may have substituents such as halogen atoms (for example, C 5-6 cycloalkyl groups such as cyclohexyl group), halogen atoms, etc. Aromatic hydrocarbon groups that may have substituents (e.g., phenyl group, pentafluorophenyl group, etc.), vinyl groups, allyl groups, (meth)acrylic groups, (meth)acryloyloxyalkyl groups (e.g., (meth) ) (meth)acryloyloxy C 1-3 alkyl group such as acryloyloxypropyl group), epoxy group, glycidyloxyalkyl group (e.g. glycidyloxy C 1-3 alkyl group such as 3-glycidyloxypropyl group), (epoxy cycloalkyl)alkyl group (for example, 2-(3,4-epoxycyclohexyl)ethyl group, etc.), hydroxy group, ether group, carbonyl group, carboxyl group, ester group, urethane group, urea group, mercapto group, mercaptoalkyl group (e.g. mercapto C 1-3 alkyl group such as mercaptopropyl group), sulfide group, amino group (e.g. primary amino group, secondary amino group, tertiary amino group), aminoalkyl group (e.g. aminopropyl group) (aminoalkylamino)alkyl group (e.g., 3-(2-aminoethylamino)propyl group), imidazolyl group , imidazolylalkyl group (e.g., 3-(2-imidazoline- 1-yl)propyl group), alkylaminoalkyl group (for example, 3-(dimethylamino)propyl group), amide group, heterocyclic aromatic group, oxime group, imide group, imine group, halogen group, nitrile group, phosphone group, phosphate group, etc. Among these, from the viewpoint of availability, organic functional groups include linear or branched hydrocarbon groups that may have substituents, alicyclic hydrocarbon groups that may have substituents, and organic functional groups that may have substituents. Aromatic hydrocarbon groups that may have, vinyl groups, allyl groups, (meth)acryloyloxyalkyl groups, glycidyloxyalkyl groups, (epoxycycloalkyl)alkyl groups, mercaptoalkyl groups, aminoalkyl groups, (aminoalkylamino) ) is preferably one or more selected from the group consisting of an alkyl group, an imidazolylalkyl group, an alkylaminoalkyl group, and a hydroxy group. These functional groups may be used alone or in combination of two or more.
有機官能基は、シランカップリング剤由来の有機官能基であることが好ましい。シランカップリング剤としては、アルコキシシラン、アセトキシシランもしくはクロロシラン等の加水分解性金属酸化物が挙げられる。これらの中でも、加水分解性金属酸化物は、取り扱い性、官能基の汎用性からアルコキシシランが好ましく、反応性の観点から3官能性のアルコキシシランがより好ましい。 The organic functional group is preferably an organic functional group derived from a silane coupling agent. Examples of the silane coupling agent include hydrolyzable metal oxides such as alkoxysilane, acetoxysilane, and chlorosilane. Among these, the hydrolyzable metal oxide is preferably an alkoxysilane from the viewpoint of ease of handling and versatility of the functional group, and more preferably a trifunctional alkoxysilane from the viewpoint of reactivity.
3官能性のアルコキシシランは、1、2,4官能性のアルコキシシラン等と共重合されてもよいが、有機無機ハイブリッドのヤング率を上げて高感度化させる観点からは、4官能性のものとの共重合が好ましい。 Trifunctional alkoxysilanes may be copolymerized with mono-, di-, or tetra-functional alkoxysilanes, but from the viewpoint of increasing the Young's modulus of the organic-inorganic hybrid and increasing its sensitivity, tetrafunctional alkoxysilanes are preferable. Copolymerization with is preferred.
3官能性のアルコキシシランとしては、アルコキシ基にメトキシ基、エトキシ基、イソプロポキシ基、ブトキシ基を有するシランカップリング剤を使用することができる。 As the trifunctional alkoxysilane, a silane coupling agent having a methoxy group, ethoxy group, isopropoxy group, or butoxy group in the alkoxy group can be used.
市販の芳香族系シランカップリング剤としては、フェニルトリアルコキシシラン、ニトロベンゼンアミドトリアルコキシシラン、ベンジルトリアルコキシシラン、4-クロロフェニルトリアルコキシシラン、フェニルアミノプロピルトリアルコキシシラン、4-アミノフェニルトリアルコキシシラン、ナフチルトリアルコキシシラン、4-メトキシトリアルコキシシラン、ペンタフルオロフェニルトリアルコキシシラン、フェロセニルトリアルコキシシラン、ビフェニルトリアルコキシシラン、3-フリルトリアルコキシシラン、3-チエニルトリアルコキシシラン、2-ピリジルトリアルコキシシラン、3-ピリジルトリアルコキシシラン、4-ピリジルトリアルコキシシラン等が挙げられるがこれに限定されるものではない。 Commercially available aromatic silane coupling agents include phenyltrialkoxysilane, nitrobenzenamidetrialkoxysilane, benzyltrialkoxysilane, 4-chlorophenyltrialkoxysilane, phenylaminopropyltrialkoxysilane, 4-aminophenyltrialkoxysilane, Naphthyltrialkoxysilane, 4-methoxytrialkoxysilane, pentafluorophenyltrialkoxysilane, ferrocenyltrialkoxysilane, biphenyltrialkoxysilane, 3-furyltrialkoxysilane, 3-thienyltrialkoxysilane, 2-pyridyltrialkoxysilane , 3-pyridyltrialkoxysilane, 4-pyridyltrialkoxysilane, etc., but are not limited thereto.
市販の非芳香族系シランカップリング剤としては、3-(2-アミノエチルアミノ)プロピルトリアルコキシシラン、3-メルカプトプロピルトリアルコキシシラン、ビニルトリアルコキシシラン、シクロヘキシルトリアルコキシシラン、3-グリシジルオキシプロピルトリアルコキシシラン、2-(3,4-エポキシシクロヘキシル)エチルトリアルコキシシラン、3-(ジメチルアミノ)プロピルトリアルコキシシラン、3-(2-イミダゾリン-1-イル)プロピルトリアルコキシシラン、3-アミノプロピルトリアルコキシシラン、3-(メタクリロイルオキシ)プロピルトリアルコキシシラン、3-(アクリロイルオキシ)プロピルトリアルコキシシラン、アリルトリアルコキシシラン、メチルトリアルコキシシラン、エチルトリアルコキシシラン、プロピルトリアルコキシシラン、ブチルアルコキシシラン、ヘキシルトリアルコキシシラン、オクチルトリアルコキシシラン、デシルトリアルコキシシラン、ドデシルトリアルコキシシラン、オクタデシルトリアルコキシシラン、3-ウレイドプロピルトリアルコキシシラン、シクロヘキシルアミノプロピルトリアルコキシシラン、ヘキサフルオロフェニルトリアルコキシシラン、3-クロロプロピルトリアルコキシシラン、3-ブロモプロピルトリアルコキシシラン、3-ピペラジノプロピルトリアルコキシシラン、3-モルフォリノプロピルトリアルコキシシラン、3-アリルアミノプロピルトリアルコキシシラン、ノルボルニルトリアルコキシシラン、ピペリジノプロピルトリアルコキシシラン等が挙げられるがこれに限定されるものではない。 Commercially available non-aromatic silane coupling agents include 3-(2-aminoethylamino)propyltrialkoxysilane, 3-mercaptopropyltrialkoxysilane, vinyltrialkoxysilane, cyclohexyltrialkoxysilane, and 3-glycidyloxypropyl. Trialkoxysilane, 2-(3,4-epoxycyclohexyl)ethyltrialkoxysilane, 3-(dimethylamino)propyltrialkoxysilane, 3-(2-imidazolin-1-yl)propyltrialkoxysilane, 3-aminopropyl Trialkoxysilane, 3-(methacryloyloxy)propyltrialkoxysilane, 3-(acryloyloxy)propyltrialkoxysilane, allyltrialkoxysilane, methyltrialkoxysilane, ethyltrialkoxysilane, propyltrialkoxysilane, butylalkoxysilane, Hexyltrialkoxysilane, octyltrialkoxysilane, decyltrialkoxysilane, dodecyltrialkoxysilane, octadecyltrialkoxysilane, 3-ureidopropyltrialkoxysilane, cyclohexylaminopropyltrialkoxysilane, hexafluorophenyltrialkoxysilane, 3-chloro Propyltrialkoxysilane, 3-bromopropyltrialkoxysilane, 3-piperazinopropyltrialkoxysilane, 3-morpholinopropyltrialkoxysilane, 3-allylaminopropyltrialkoxysilane, norbornyltrialkoxysilane, piperidine Examples include, but are not limited to, nopropyltrialkoxysilane.
2種類以上のシランカップリング剤を共重合する場合、芳香族シランカップリング剤と非芳香族シランカップリング剤の比率として、モル比で1:10から1:5であることが好ましく、耐熱性の点から1:5から1:1であることが好ましく、湿度下におけるシグナル強度低減の抑制の点から1:1から10:1であることが好ましい。 When copolymerizing two or more types of silane coupling agents, the ratio of the aromatic silane coupling agent to the non-aromatic silane coupling agent is preferably 1:10 to 1:5 in terms of molar ratio, and heat resistance From this point of view, the ratio is preferably 1:5 to 1:1, and from the viewpoint of suppressing reduction in signal intensity under humidity, the ratio is preferably 1:1 to 10:1.
本実施形態のセンサーにおける有機官能基については、センサー本体上の受容体をSEM-EDXやXPS、ATR等の表面元素解析に供することにより、同定することができる。 The organic functional groups in the sensor of this embodiment can be identified by subjecting the receptors on the sensor body to surface element analysis such as SEM-EDX, XPS, and ATR.
[フィラー]
本実施形態における受容体は、フィラーを含んでいてもよい。受容体がフィラーを含んでいる場合、有機無機ハイブリッドのヤング率を向上させ、センサーの感度を高めることができる傾向にある。受容体中に含まれるフィラーの体積分率としては、1%以上であることが耐クラック性の点で好ましく、3%以上であることが感度の点で好ましい。一方、70%超であると、フィラー間の空隙による応答緩和によりセンサーの感度が低下する傾向にあるため、70%以下であることが好ましく、応答性におけるフィラーの影響を抑制するために応答多様性の点から、40%以下であることがより好ましい。
[Filler]
The receptor in this embodiment may contain a filler. When the receptor contains a filler, it tends to improve the Young's modulus of the organic-inorganic hybrid and increase the sensitivity of the sensor. The volume fraction of the filler contained in the receptor is preferably 1% or more from the viewpoint of crack resistance, and preferably 3% or more from the viewpoint of sensitivity. On the other hand, if it exceeds 70%, the sensitivity of the sensor tends to decrease due to response relaxation due to the voids between fillers, so it is preferably 70% or less. From the viewpoint of performance, it is more preferably 40% or less.
フィラーとしては、特に限定されず、種々公知のものから選択することができる。その具体例としては、以下に限定されないが、ポリスチレンやポリメチルメタクリレート、ポリフェニレンオキシド等のポリマービーズやアクリルラテックス等の球状粒子、窒化シリコン等の金属窒化物、シリカ、ジルコニア、チタニア、酸化亜鉛、酸化アルミニウム、酸化スズ等の金属酸化物、チタン酸バリウム、チタン酸ストロンチウム、ITO等の複合金属化合物、金や銀、銅、パラジウム、白金、鉄、アルミニウム等の無機金属フィラー、カーボンナノチューブやグラフェン、カーボンブラック、カーボンドット、ナノカーボン等のカーボン材料から選ばれる1種以上を含むことができる。 The filler is not particularly limited and can be selected from various known fillers. Specific examples include, but are not limited to, polymer beads such as polystyrene, polymethyl methacrylate, and polyphenylene oxide, spherical particles such as acrylic latex, metal nitrides such as silicon nitride, silica, zirconia, titania, zinc oxide, and Metal oxides such as aluminum and tin oxide, composite metal compounds such as barium titanate, strontium titanate, and ITO, inorganic metal fillers such as gold, silver, copper, palladium, platinum, iron, and aluminum, carbon nanotubes, graphene, and carbon. One or more carbon materials selected from carbon materials such as black, carbon dots, and nanocarbon can be included.
フィラーとしては、分散性、塗布性の観点から、無機フィラーであることが好ましい。同様の観点から、フィラーとしては、シリカ、ジルコニア、チタニア、アルミナ等の金属酸化物、金や銀、銅、パラジウム、白金、鉄、アルミニウム等の無機金属フィラーが好ましく、湿度下での水分によるシグナル減衰の影響が小さい点から、シリカ、ジルコニア等の金属酸化物がより好ましく、経済性の観点から、シリカであることがさらに好ましい。本発明者らは、特にシリカを用いる場合、湿度のある状態でもエタノール、アセトアルデヒド等の一般的な親水性ガスの応答の減衰がより顕著に改良されることを見出した。その理由としては、以下のように考えられるが、以下に限定する趣旨ではない。すなわち、シリカの骨格及びケイ素原子に結合した状態で存在する水酸基が、特許文献1のチタニア骨格もしくはチタン原子に結合した水酸基に比べて比較的疎水的であるため、親水性の高い水分子の吸着阻害が抑制されるものと推定される。 The filler is preferably an inorganic filler from the viewpoint of dispersibility and coatability. From the same viewpoint, fillers are preferably metal oxides such as silica, zirconia, titania, and alumina, and inorganic metal fillers such as gold, silver, copper, palladium, platinum, iron, and aluminum. Metal oxides such as silica and zirconia are more preferable because they have less influence on attenuation, and silica is even more preferable from the economic point of view. The present inventors have found that, especially when silica is used, the attenuation of the response of common hydrophilic gases such as ethanol and acetaldehyde is improved even in humid conditions. The reason may be as follows, but is not intended to be limited to the following. In other words, the silica skeleton and the hydroxyl groups bonded to the silicon atoms are relatively hydrophobic compared to the titania skeleton or the hydroxyl groups bonded to the titanium atoms of Patent Document 1, so that highly hydrophilic water molecules can be adsorbed. It is presumed that inhibition is suppressed.
フィラーの形状としては、特に限定されず、球状や数珠状、鎖状、ホロー状、楕円球状、繊維状、棒状、筒状、針状、板等の固有の組織構造・構造体を形成していてもよい。フィラーの形状は、好ましくは、球状、棒状、板状若しくは繊維状又はこれらの2種類以上が合体した形状であり、より好ましくは球状、鎖状である。なお、ここでいう球状とは、真球状の他、回転楕円体、卵形等も含む略球状を意味する。フィラーは、クラック耐性の点から球状であることが特に好ましい。 The shape of the filler is not particularly limited, and may form a unique tissue structure such as a sphere, bead, chain, hollow, ellipsoid, fiber, rod, cylinder, needle, plate, etc. You can. The shape of the filler is preferably spherical, rod-like, plate-like, fibrous, or a combination of two or more of these, and more preferably spherical or chain-like. Note that the spherical shape herein means not only a true spherical shape but also a substantially spherical shape including a spheroid, an oval, and the like. It is particularly preferable that the filler is spherical from the viewpoint of crack resistance.
フィラーとしての金属酸化物は、例えば、ゾルゲル法を用いてアルコキシ、クロロ等の4官能性加水分解基を有する金属酸化物前駆体のゾルゲル法によって製造してもよく、市販品を用いることもできる。4官能性の加水分解基を有する金属酸化物前駆体としては、テトラアルコキシシラン、テトラクロロシラン、テトラアルコキシチタン、テトラアセトキシジルコニウム等が挙げられる。これらの4官能性の加水分解性金属無機酸化物は3官能性の加水分解性金属酸化物と共重合してもよく、反応系の濃度、温度、pH、水分量等を調整することにより形状の制御を行うことができる。なお、例えばエマルジョン重合によりフィラーが製造された場合等、フィラー側にRSiO3/2で表される構造が得られることも考えられるが、本実施形態における受容体中でこのような構造を持つフィラーについては本実施形態のセンサーにおける有機無機ハイブリッドと扱うものとする。 The metal oxide as a filler may be produced, for example, by a sol-gel method using a metal oxide precursor having a tetrafunctional hydrolyzable group such as alkoxy or chloro, or a commercially available product may be used. . Examples of the metal oxide precursor having a tetrafunctional hydrolyzable group include tetraalkoxysilane, tetrachlorosilane, tetraalkoxytitanium, and tetraacetoxyzirconium. These tetrafunctional hydrolyzable metal inorganic oxides may be copolymerized with trifunctional hydrolyzable metal oxides, and the shape can be changed by adjusting the concentration, temperature, pH, water content, etc. of the reaction system. can be controlled. Note that, for example, when a filler is manufactured by emulsion polymerization, a structure represented by RSiO 3/2 may be obtained on the filler side, but a filler having such a structure in the receptor in this embodiment shall be treated as an organic-inorganic hybrid in the sensor of this embodiment.
フィラーの市販品としては、LEVASILシリーズ(H.C.Starck(株)製)、クオートロンP Lシリーズ(扶桑化学(株)製)、OSCALシリーズ(触媒化成工業(株)製)等;粉体状のシリカ粒子として、例えばアエロジル130、同300、同380、同TT600、同OX50(以上、日本アエロジル(株)製)、シルデックスH31、同H32、同H51、同H52、同H121、同H122(以上、旭硝子(株)製)、E220A、E220(以上、日本シリカ工業(株))、SYLYSIA470(富士シリシア(株)製)、SGフレーク(日本板硝子(株)製)等、IPA-ST, IPA-ST-L, IPA-ST-ZL,MEK-ST-2040 ST-XS,ST-S, ST-30,ST-50T, ST-30L,ST-YL, ST-ZL,MP-1040, MP-2040, MP-4540M,ST-OXS, ST-OS, ST-O, ST-O-40, ST-OL, ST-OYL, ST-NXS, ST-NS, ST-N, ST-N-40,ST-CXS,ST-C, ST-CM, ST-AK, ST-AK-L, ST-AK-YL,OZ-S30K,SZ-S30K-AC, OZ-S30M、セルナックス CX-S505M、IPA-ST-UP、MEK-ST-UP、ST-UP、ST-PS-S、ST-PS-M、ST-OUP、ST-PS-SO、ST-PS-MO、ST-AK-PS-S等(日産化学(株)製),SRD-K, SRD-M, SXR-CM, SZR-K, SZR-M(堺化学(株)製)が挙げられる。粉体状のフィラーとして、例えばアエロジル130、同300、同380、同TT600、同OX50(以上、日本アエロジル(株)製)、シルデックスH31、同H32、同H51、同H52、同H121、同H122(以上、旭硝子(株)製)、E220A、E220(以上、日本シリカ工業(株)製)、SYLYSIA470(富士シリシア(株)製)、SGフレーク(日本板硝子(株)製)等を挙げることができる。また、これらのフィラー表面を化学変性して用いることもできる。 Commercially available fillers include the LEVASIL series (manufactured by H.C. Starck Co., Ltd.), the Quatron PL series (manufactured by Fuso Chemical Co., Ltd.), the OSCAL series (manufactured by Catalysts Kasei Kogyo Co., Ltd.); powder form; Examples of the silica particles include Aerosil 130, Aerosil 300, Aerosil 380, Aerosil TT600, Aerosil OX50 (manufactured by Nippon Aerosil Co., Ltd.), Sildex H31, Sildex H32, Sildex H51, Aerosil H52, Aerosil H121, Aerosil H122 (all manufactured by Nippon Aerosil Co., Ltd.). IPA-ST, IPA -ST-L, IPA-ST-ZL, MEK-ST-2040 ST-XS, ST-S, ST-30, ST-50T, ST-30L, ST-YL, ST-ZL, MP-1040, MP- 2040, MP-4540M, ST-OXS, ST-OS, ST-O, ST-O-40, ST-OL, ST-OYL, ST-NXS, ST-NS, ST-N, ST-N-40, ST-CXS, ST-C, ST-CM, ST-AK, ST-AK-L, ST-AK-YL, OZ-S30K, SZ-S30K-AC, OZ-S30M, Cernax CX-S505M, IPA- ST-UP, MEK-ST-UP, ST-UP, ST-PS-S, ST-PS-M, ST-OUP, ST-PS-SO, ST-PS-MO, ST-AK-PS-S, etc. (manufactured by Nissan Chemical Co., Ltd.), SRD-K, SRD-M, SXR-CM, SZR-K, and SZR-M (manufactured by Sakai Chemical Co., Ltd.). Examples of powder fillers include Aerosil 130, Aerosil 300, Aerosil 380, Aerosil TT600, Aerosil OX50 (manufactured by Nippon Aerosil Co., Ltd.), Sildex H31, Sildex H32, Sildex H51, Aerosil H52, Aerosil H121, Sildex Examples include H122 (manufactured by Asahi Glass Co., Ltd.), E220A, E220 (manufactured by Nippon Silica Kogyo Co., Ltd.), SYLYSIA470 (manufactured by Fuji Silicia Co., Ltd.), SG flakes (manufactured by Nippon Sheet Glass Co., Ltd.), etc. Can be done. Moreover, the surface of these fillers can be chemically modified and used.
[有機無機ハイブリッドの製造方法]
式(1)
RSiO3/2 (1)
(式(1)中、Rは少なくとも窒素原子を1つ以上含む有機基を示す)
で示される構造を含む有機無機ハイブリッドの製造方法としては、特に限定されないが、主にゾルゲル法を用いて製造される。具体的には、加水分解性シラン化合物(シランカップリング剤を含む)を水存在下で、酸、塩基性条件下でゾルゲル法により処理することにより、シランカップリング剤の縮合体、すなわち、RSiO3/2で表される構造を含む有機無機ハイブリッドを得ることができる。本実施形態における有機無機ハイブリッドは、かご型、ラダー型、ランダム型の分子骨格を有するものを用いることができ、これらの混合物を用いることもできる。
[Method for manufacturing organic-inorganic hybrid]
Formula (1)
RSiO 3/2 (1)
(In formula (1), R represents an organic group containing at least one nitrogen atom)
The method for producing an organic-inorganic hybrid having the structure shown in is not particularly limited, but it is mainly produced using a sol-gel method. Specifically, a hydrolyzable silane compound (including a silane coupling agent) is treated in the presence of water under acidic and basic conditions using a sol-gel method to form a condensate of a silane coupling agent, that is, RSiO An organic-inorganic hybrid containing a structure represented by 3/2 can be obtained. As the organic-inorganic hybrid in this embodiment, one having a cage-shaped, ladder-shaped, or random-type molecular skeleton can be used, and a mixture thereof can also be used.
有機無機ハイブリッドの製造においては、加水分解及び縮合の反応速度を調節できる観点から、触媒の存在下で、シランカップリング剤を加水分解及び縮合、表面修飾することがより好ましい。 In the production of an organic-inorganic hybrid, it is more preferable to hydrolyze, condense, and surface modify the silane coupling agent in the presence of a catalyst from the viewpoint of being able to control the reaction rates of hydrolysis and condensation.
触媒の種類としては、酸触媒及び塩基触媒が挙げられる。
酸触媒としては、例えば、無機酸及び有機酸が挙げられる。無機酸としては、以下に限定されないが、例えば、塩酸、硝酸、硫酸、フッ酸、リン酸、ホウ酸等が挙げられる。有機酸としては、以下に限定されないが、例えば、酢酸、プロピオン酸、ブタン酸、ペンタン酸、ヘキサン酸、ヘプタン酸、オクタン酸、ノナン酸、デカン酸、シュウ酸、マレイン酸、メチルマロン酸、安息香酸、p-アミノ安息香酸、p-トルエンスルホン酸、ベンゼンスルホン酸、トリフルオロ酢酸、ギ酸、マロン酸、スルホン酸、フタル酸、フマル酸、クエン酸、酒石酸、シトラコン酸、リンゴ酸、グルタル酸等が挙げられる。
塩基触媒としては、例えば、無機塩基及び有機塩基が挙げられる。無機塩基としては、以下に限定されないが、例えば、水酸化リチウム、水酸化ナトリウム、水酸化カリウム、水酸化セシウム等のアルカリ金属水酸化物;水酸化カルシウム等のアルカリ土類金属水酸化物;炭酸リチウム、炭酸カリウム、炭酸ナトリウム等のアルカリ又はアルカリ土類金属炭酸塩;炭酸水素カリウム、炭酸水素ナトリウム等の金属炭酸水素塩;等が挙げられる。有機塩基としては、以下に限定されないが、アンモニア水、トリエチルアミン、エチルジイソプロピルアミン等のトリアルキルアミン;N,N-ジメチルアニリン、N,N-ジエチルアニリン等の炭素数1~4のN,N-ジアルキルアニリン誘導体;ピリジン、2,6-ルチジン等の、炭素数1~4のアルキル置換基を有していてもよいピリジン誘導体;等が挙げられる。これらの触媒は、1種で又は2種以上を混合して用いることができる。
Types of catalysts include acid catalysts and base catalysts.
Examples of acid catalysts include inorganic acids and organic acids. Examples of inorganic acids include, but are not limited to, hydrochloric acid, nitric acid, sulfuric acid, hydrofluoric acid, phosphoric acid, boric acid, and the like. Examples of organic acids include, but are not limited to, acetic acid, propionic acid, butanoic acid, pentanoic acid, hexanoic acid, heptanoic acid, octanoic acid, nonanoic acid, decanoic acid, oxalic acid, maleic acid, methylmalonic acid, and benzoic acid. Acid, p-aminobenzoic acid, p-toluenesulfonic acid, benzenesulfonic acid, trifluoroacetic acid, formic acid, malonic acid, sulfonic acid, phthalic acid, fumaric acid, citric acid, tartaric acid, citraconic acid, malic acid, glutaric acid, etc. can be mentioned.
Examples of the base catalyst include inorganic bases and organic bases. Examples of inorganic bases include, but are not limited to, alkali metal hydroxides such as lithium hydroxide, sodium hydroxide, potassium hydroxide, and cesium hydroxide; alkaline earth metal hydroxides such as calcium hydroxide; and carbonic acid. Alkali or alkaline earth metal carbonates such as lithium, potassium carbonate, and sodium carbonate; metal hydrogen carbonates such as potassium hydrogen carbonate and sodium hydrogen carbonate; and the like. Examples of organic bases include, but are not limited to, aqueous ammonia, trialkylamines such as triethylamine and ethyldiisopropylamine; N,N- carbon atoms having 1 to 4 carbon atoms such as N,N-dimethylaniline and N,N-diethylaniline; Dialkylaniline derivatives; pyridine derivatives which may have an alkyl substituent having 1 to 4 carbon atoms, such as pyridine and 2,6-lutidine; and the like. These catalysts can be used alone or in combination of two or more.
有機無機ハイブリッドの製造においては、反応系のpHを0.01~6.0の範囲、若しくはpH8~14になる量の触媒を加えることが、反応効率の点で好ましく、より効率を高めるためにはpH8~14の塩基性条件下でゾルゲル反応を行うことがより好ましい。 In the production of organic-inorganic hybrids, it is preferable in terms of reaction efficiency to add a catalyst in an amount that brings the pH of the reaction system to a range of 0.01 to 6.0, or to a pH of 8 to 14. It is more preferable to carry out the sol-gel reaction under basic conditions of pH 8 to 14.
有機無機ハイブリッドを製造するための加水分解及び縮合は、有機溶媒中で行うこともできる。縮合反応に使用できる有機溶媒としては、例えば、アルコール、エステル、ケトン、エーテル、脂肪族炭化水素化合物、芳香族炭化水素化合物、アミド化合物等が挙げられる。 Hydrolysis and condensation to produce organic-inorganic hybrids can also be carried out in organic solvents. Examples of organic solvents that can be used in the condensation reaction include alcohols, esters, ketones, ethers, aliphatic hydrocarbon compounds, aromatic hydrocarbon compounds, and amide compounds.
上記アルコールとしては、以下に限定されないが、例えば、メチルアルコール、エチルアルコール、プロピルアルコール、ブチルアルコールのような一価アルコール;エチレングリコール、ジエチレングリコール、プロピレングリコール、グリセリン、トリメチロールプロパン、ヘキサントリオールのような多価アルコール;エチレングリコールモノメチルエーテル、エチレングリコールモノエチルエーテル、エチレングリコールモノプロピルエーテル、エチレングリコールモノブチルエーテル、ジエチレングリコールモノメチルエーテル、ジエチレングリコールモノエチルエーテル、ジエチレングリコールモノプロピルエーテル、ジエチレングリコールモノブチルエーテル、プロピレングリコールモノメチルエーテル、プロピレングリコールモノエチルエーテル、プロピレングリコールモノプロピルエーテル、プロピレングリコールモノブチルエーテルのような多価アルコールのモノエーテル類;等が挙げられる。 Examples of the alcohol include, but are not limited to, monohydric alcohols such as methyl alcohol, ethyl alcohol, propyl alcohol, and butyl alcohol; ethylene glycol, diethylene glycol, propylene glycol, glycerin, trimethylolpropane, and hexanetriol. Polyhydric alcohol; ethylene glycol monomethyl ether, ethylene glycol monoethyl ether, ethylene glycol monopropyl ether, ethylene glycol monobutyl ether, diethylene glycol monomethyl ether, diethylene glycol monoethyl ether, diethylene glycol monopropyl ether, diethylene glycol monobutyl ether, propylene glycol monomethyl ether, propylene Examples include monoethers of polyhydric alcohols such as glycol monoethyl ether, propylene glycol monopropyl ether, and propylene glycol monobutyl ether.
上記エステルとしては、以下に限定されないが、例えば、酢酸メチル、酢酸エチル、酢酸ブチル、γ-ブチロラクトン等が挙げられる。 Examples of the ester include, but are not limited to, methyl acetate, ethyl acetate, butyl acetate, γ-butyrolactone, and the like.
上記ケトンとしては、以下に限定されないが、例えば、アセトン、メチルエチルケトン、メチルイソアミルケトン等が挙げられる。 Examples of the ketone include, but are not limited to, acetone, methyl ethyl ketone, methyl isoamyl ketone, and the like.
上記エーテルとしては、上記の多価アルコールのモノエーテル類の他に、例えば、エチレングリコールジメチルエーテル、エチレングリコールジエチルエーテル、エチレングリコールジプロピルエーテル、エチレングリコールジブチルエーテル、プロピレングリコールジメチルエーテル、プロピレングリコールジエチルエーテル、プロピレングリコールジブチルエーテル、ジエチレングリコールジメチルエーテル、ジエチレングリコールメチルエチルエーテル、ジエチレングリコールジエチルエーテルのような多価アルコールの水酸基の全てをアルキルエーテル化した多価アルコールエーテル類;テトラヒドロフラン;1,4-ジオキサン;アニソール等が挙げられる。 In addition to the monoethers of polyhydric alcohols mentioned above, examples of the above-mentioned ethers include ethylene glycol dimethyl ether, ethylene glycol diethyl ether, ethylene glycol dipropyl ether, ethylene glycol dibutyl ether, propylene glycol dimethyl ether, propylene glycol diethyl ether, and propylene glycol dibutyl ether. Examples include polyhydric alcohol ethers in which all the hydroxyl groups of a polyhydric alcohol are alkyl etherified, such as glycol dibutyl ether, diethylene glycol dimethyl ether, diethylene glycol methyl ethyl ether, and diethylene glycol diethyl ether; tetrahydrofuran; 1,4-dioxane; anisole; and the like.
上記脂肪族炭化水素化合物としては、以下に限定されないが、例えば、ヘキサン、ヘプタン、オクタン、ノナン、デカン等が挙げられる。 Examples of the aliphatic hydrocarbon compound include, but are not limited to, hexane, heptane, octane, nonane, decane, and the like.
上記芳香族炭化水素化合物としては、以下に限定されないが、例えば、ベンゼン、トルエン、キシレン等が挙げられる Examples of the aromatic hydrocarbon compound include, but are not limited to, benzene, toluene, xylene, etc.
上記アミド化合物としては、以下に限定されないが、例えば、ジメチルホルムアミド、ジメチルアセトアミド、N-メチルピロリドン等が挙げられる。 Examples of the amide compound include, but are not limited to, dimethylformamide, dimethylacetamide, N-methylpyrrolidone, and the like.
上述した溶媒の中でも、アルコールとしてメタノール、エタノール、イソプロパノール、ブタノール等;ケトンとしてアセトン、メチルエチルケトン、メチルイソブチルケトン等;エーテルとしてエチレングリコールモノメチルエーテル、ジエチレングリコールモノブチルエーテル、プロピレングリコールモノメチルエーテル、プロピレングリコールモノエチルエーテル等;及びアミド化合物としてジメチルホルムアミド、ジメチルアセトアミド、N-メチルピロリドン等が水と混合しやすい点で好ましい。これらの溶媒は単独で使用してもよいし、複数の溶媒を組み合わせて使用してもよい。 Among the above-mentioned solvents, alcohols include methanol, ethanol, isopropanol, butanol, etc.; ketones include acetone, methyl ethyl ketone, methyl isobutyl ketone, etc.; ethers include ethylene glycol monomethyl ether, diethylene glycol monobutyl ether, propylene glycol monomethyl ether, propylene glycol monoethyl ether, etc. ; and as the amide compound, dimethylformamide, dimethylacetamide, N-methylpyrrolidone, etc. are preferred because they are easily mixed with water. These solvents may be used alone or in combination.
有機無機ハイブリッドにフィラーを配合する場合は、有機無機ハイブリッドはフィラーの存在下で製造してもよいし、製造した有機無機ハイブリッドにフィラーを配合してもよい。この場合、有機無機ハイブリッドは、市販の分散フィラーにシランカップリング剤の縮合物を溶解させてもよいし、フィラーとシランカップリング剤をボールミル、ジェットミル等で分散処理してもよいし、アルコキシシランとフィラーを同時に縮合反応することで製造することができるが、フィラーの溶剤分散性を高め、インクジェット塗布性を高める点でアルコキシシランとフィラーを同時に縮合する製造方法がより好ましい。コロイダルフィラーをシランカップリング剤存在下でゾルゲル法により処理した場合は、シランカップリング剤の縮合体がフィラーの表面を変性しながら隙間を埋めるように縮合体が配されることになりアルコキシシランの量を任意に調整することで細孔量を調整することができる。フィラー表面に水酸基が存在する場合、その表面水酸基とアルコキシシランの加水分解により生成される水酸基が相互作用、縮合反応によりエーテル結合を形成するため、フィラーと縮合体の相溶性を高めることができるため、より安定な受容体を得ることができる。 When blending a filler with an organic-inorganic hybrid, the organic-inorganic hybrid may be produced in the presence of the filler, or the filler may be blended with the produced organic-inorganic hybrid. In this case, the organic-inorganic hybrid may be prepared by dissolving a condensate of a silane coupling agent in a commercially available dispersion filler, dispersing the filler and silane coupling agent in a ball mill, jet mill, etc. Although it can be manufactured by simultaneously condensing a silane and a filler, a manufacturing method in which an alkoxysilane and a filler are simultaneously condensed is more preferable in terms of improving the solvent dispersibility of the filler and improving the inkjet coating properties. When a colloidal filler is treated by the sol-gel method in the presence of a silane coupling agent, the condensate of the silane coupling agent modifies the surface of the filler and is arranged so as to fill in the gaps. The amount of pores can be adjusted by adjusting the amount arbitrarily. When a hydroxyl group exists on the filler surface, the surface hydroxyl group and the hydroxyl group generated by hydrolysis of alkoxysilane interact and form an ether bond through a condensation reaction, which can increase the compatibility between the filler and the condensate. , a more stable receptor can be obtained.
フィラーにRで示される有機基を表面変性させることは、分散媒に分散させた状態で表面修飾することにより行われる。具体的には、例えば、アルコール及び水を含む金属酸化物の均一分散液に、触媒存在下で上記シランカップリング剤を添加する工程により有機無機ハイブリッドが製造される。 Surface modification of the organic group represented by R on the filler is carried out by surface modification while the filler is dispersed in a dispersion medium. Specifically, for example, an organic-inorganic hybrid is produced by a step of adding the above silane coupling agent to a homogeneous dispersion of a metal oxide containing alcohol and water in the presence of a catalyst.
有機無機ハイブリッドは沈殿物、ゲル化物を遠心分離、ろ過により濾別することにより回収してもよいし、エバポレーター等で揮発性溶剤を除去することにより単離される。 The organic-inorganic hybrid may be recovered by separating the precipitate or gel by centrifugation or filtration, or it may be isolated by removing the volatile solvent using an evaporator or the like.
Rで示される有機基の導入は、FT-IRや元素分析により確認することができる。また、熱重量減少測定により確認することができる。150℃から1000℃までの、受容体の熱重量減少率は、感度の観点から、3重量%~75重量%であることが好ましく、湿度耐性の観点から、5重量%~65重量%であることがより好ましく、熱安定性の観点から、5重量%~60重量%であることが更に好ましい。 Introduction of the organic group represented by R can be confirmed by FT-IR or elemental analysis. It can also be confirmed by thermogravimetric loss measurement. The thermogravimetric loss rate of the receptor from 150°C to 1000°C is preferably 3% to 75% by weight from the viewpoint of sensitivity, and from 5% to 65% by weight from the viewpoint of humidity resistance. The content is more preferably 5% by weight to 60% by weight from the viewpoint of thermal stability.
本実施形態における受容体が膜形状を有することによりセンサーの測定精度が安定する傾向にある。膜形状を有する場合の好ましい膜厚は、有機無機ハイブリッドが均質な膜厚分布を有する形状でもよいし、端部の膜厚が厚くなるように分布するコーヒーリング状の形状を有していてもよい。コーヒーリング状の形態を有する膜は、高濃度のVOCの蒸気にさらされた場合であっても形状劣化がなく、構造安定性に優れ、また平坦構造からなる膜構造にくらべて高い感度を有する傾向にあるため好ましい。その理由としては、以下のように考えられるが、以下に限定する趣旨ではない。センサーが表面応力センサーの場合、表面応力センサー上にコーヒーリング型の膜を配した場合、ピエゾ近くにより多くの膜体積を配するためその変形による応力がより効率よくピエゾ素子に伝播するため、より高い感度が実現できると考えられる。コーヒーリング型として、円形状に形成された膜の直径上における2点間の断面プロファイルを取得し、断面プロファイルから中心部の膜厚が最大部の膜厚に対して80%以下であることが感度再現性の観点から好ましく、60%以下であることが感度の観点からより好ましく、40%以下であることが応答感度の最大化の観点からより好ましい。コーヒーリング状の形状となる場合は、膜の中心部分における最も薄い部分、及び端部分における最も厚い部分の膜厚は、それぞれ通常10nm以上50μm以下であることが好ましい。上記膜厚は、製造時における乾燥に要する時間を短縮し、生産性を高める観点から、好ましくは10nm以上30μm以下であり、感度を高める観点から、より好ましくは10nm以上20μm以下である。また、本実施形態における受容体の最大厚みは、30μm以下であることが好ましい。 Since the receptor in this embodiment has a membrane shape, the measurement accuracy of the sensor tends to be stable. When the organic-inorganic hybrid has a film shape, the preferred film thickness may be a shape in which the organic-inorganic hybrid has a homogeneous film thickness distribution, or a coffee ring-like shape in which the film thickness is thicker at the edges. good. A film with a coffee ring shape does not deteriorate in shape even when exposed to high-concentration VOC vapor, has excellent structural stability, and has higher sensitivity than a film structure consisting of a flat structure. This is preferable because it is a trend. The reason may be as follows, but is not intended to be limited to the following. When the sensor is a surface stress sensor, if a coffee ring type film is placed on the surface stress sensor, more film volume will be placed near the piezo, and the stress caused by its deformation will be more efficiently propagated to the piezo element. It is believed that high sensitivity can be achieved. As a coffee ring type, a cross-sectional profile between two points on the diameter of a circularly formed film is obtained, and it is determined from the cross-sectional profile that the film thickness at the center is 80% or less of the film thickness at the maximum part. It is preferable from the viewpoint of sensitivity reproducibility, more preferably 60% or less from the viewpoint of sensitivity, and more preferably 40% or less from the viewpoint of maximizing response sensitivity. In the case of a coffee ring-like shape, the thickness of the thinnest part at the center of the film and the thickest part at the end portions is usually preferably 10 nm or more and 50 μm or less, respectively. The film thickness is preferably 10 nm or more and 30 μm or less from the viewpoint of shortening the time required for drying during manufacturing and increasing productivity, and more preferably 10 nm or more and 20 μm or less from the viewpoint of increasing sensitivity. Moreover, it is preferable that the maximum thickness of the receptor in this embodiment is 30 μm or less.
本実施形態における受容体でセンサー本体を被覆したセンサーを嗅覚センサーとして用いる場合は、気相中において、有機官能基とガス分子が相互作用し、当該ガス分子が受容体に吸着又は内部拡散することにより応力発生し、それによってガスを検出することが好ましい。 When the sensor in which the sensor body is coated with the receptor in this embodiment is used as an olfactory sensor, the organic functional group and gas molecules interact in the gas phase, and the gas molecules are adsorbed to or internally diffused into the receptor. Preferably, stress is generated by the gas and the gas is detected thereby.
[表面応力(MSS)センサー]
本実施形態のセンサーは、例えば、表面応力センサーに適用することができ、より具体的には膜型表面応力(MSS:Membrane-type Surface stress)センサーとして用いることができる。その場合には、センサー本体の表面の少なくとも一部を被覆した受容体が検知対象物質を吸着することで、当該受容体中に引き起こされた応力変化を検出して本体がシグナルを出力する。表面応力センサーは、4点固定のピエゾ素子型表面応力センサーであることが好ましい。
[Surface stress (MSS) sensor]
The sensor of this embodiment can be applied, for example, to a surface stress sensor, and more specifically, can be used as a membrane-type surface stress (MSS) sensor. In that case, a receptor covering at least a portion of the surface of the sensor body adsorbs the detection target substance, detects a stress change caused in the receptor, and the body outputs a signal. The surface stress sensor is preferably a four-point fixed piezo element type surface stress sensor.
[センサーの製造方法]
本実施形態のセンサーの製造方法としては、特に限定されないが、センサー本体上に受容体を形成するための種々の方法により製造することができる。本実施形態における受容体は、例えば、有機無機ハイブリッドを有機溶剤に分散させて塗布液を調製し、当該塗布液をセンサー本体上に塗布することにより製造される。塗布液をセンサーのチップ上に塗布する際には、インクジェット装置を好適に用いることができる。インクジェット装置によれば、塗布液の液滴を射出し、液滴がセンサー上に塗布され、受容体が成膜される。チップ上に受容体を形成した例を図1に示す。センサー1は、センサー本体に対応するチップ3と、その表面上に形成された受容体2を有するものとして構成されており、図1に示す例において、このような構成を4箇所において備えている。
[Sensor manufacturing method]
The method for manufacturing the sensor of this embodiment is not particularly limited, but it can be manufactured by various methods for forming a receptor on the sensor body. The receptor in this embodiment is manufactured by, for example, dispersing an organic-inorganic hybrid in an organic solvent to prepare a coating liquid, and applying the coating liquid onto the sensor body. An inkjet device can be suitably used when applying the coating liquid onto the sensor chip. According to an inkjet device, droplets of a coating liquid are ejected, the droplets are applied onto a sensor, and a receptor is formed. An example of forming a receptor on a chip is shown in FIG. The sensor 1 is configured to have a chip 3 corresponding to the sensor body and a receptor 2 formed on the surface thereof, and in the example shown in FIG. 1, this configuration is provided at four locations. .
有機無機ハイブリッドをセンサー本体(例えば、MSSセンサー本体)の表面に被覆するための手法は、特に限定されないが、例えば、ディップコーティング、スプレーコーティング、スピンコーティング、インクジェットスポッティング、キャスティング、ドクターブレード等を用いた被覆方法が挙げられる。 The method for coating the surface of the sensor body (for example, the MSS sensor body) with the organic-inorganic hybrid is not particularly limited, and examples thereof include dip coating, spray coating, spin coating, inkjet spotting, casting, doctor blade, etc. Examples include coating methods.
300μmφのメンブレンに塗布するためには、インクジェット、マイクロジェット方式が好ましく、生産性の観点からマイクロジェット方式の塗布がより好ましい。 In order to coat a membrane with a diameter of 300 μm, an inkjet method or a microjet method is preferable, and a microjet method is more preferable from the viewpoint of productivity.
本実施形態における受容体は、例えば、有機無機ハイブリッドを有機溶剤に分散させ、その分散液をMSSセンサーのチップ上に塗布することにより製造できる。有機無機ハイブリッドは、有機溶剤中に0.1g/L~50g/Lの濃度で分散されて塗布液となる。有機無機ハイブリッドの濃度は、生産性の観点から、0.5~50g/Lであることが好ましく、ノズルつまりを抑制する観点から、0.5~15g/Lであることがより好ましい。 The receptor in this embodiment can be manufactured, for example, by dispersing an organic-inorganic hybrid in an organic solvent and applying the dispersion onto a chip of an MSS sensor. The organic-inorganic hybrid is dispersed in an organic solvent at a concentration of 0.1 g/L to 50 g/L to form a coating liquid. The concentration of the organic-inorganic hybrid is preferably 0.5 to 50 g/L from the viewpoint of productivity, and more preferably 0.5 to 15 g/L from the viewpoint of suppressing nozzle clogging.
有機無機ハイブリッドを分散する有機溶媒としては、分散可能な溶媒であればよく、沸点が80℃~250℃のものが好ましく、ノズルのつまりによる生産性の低下を抑制する観点からは、沸点が100℃~250℃のものが好ましく、乾燥にかかる時間を早め、生産性を高める観点からは、沸点が100℃~200℃であるものがより好ましい。 The organic solvent for dispersing the organic-inorganic hybrid may be any dispersible solvent, preferably one with a boiling point of 80°C to 250°C, and from the viewpoint of suppressing a decrease in productivity due to nozzle clogging, one with a boiling point of 100°C A boiling point of 100° C. to 250° C. is preferable, and a boiling point of 100° C. to 200° C. is more preferable from the viewpoint of speeding up the drying time and increasing productivity.
有機溶媒としては、以下に限定されないが、例えば、アルコール溶媒、エステル溶媒、ケトン溶媒、エーテル溶媒、脂肪族炭化水素溶媒、芳香族炭化水素溶媒、アミド溶媒等が挙げられる。 Examples of the organic solvent include, but are not limited to, alcohol solvents, ester solvents, ketone solvents, ether solvents, aliphatic hydrocarbon solvents, aromatic hydrocarbon solvents, amide solvents, and the like.
アルコール溶媒としては、以下に限定されないが、例えば、メチルアルコール、エチルアルコール、プロピルアルコール、ブチルアルコール等の一価アルコール;エチレングリコール、ジエチレングリコール、プロピレングリコール、グリセリン、トリメチロールプロパン、ヘキサントリオール等の多価アルコール;エチレングリコールモノメチルエーテル、エチレングリコールモノエチルエーテル、エチレングリコールモノプロピルエーテル、エチレングリコールモノブチルエーテル、ジエチレングリコールモノメチルエーテル、ジエチレングリコールモノエチルエーテル、ジエチレングリコールモノプロピルエーテル、ジエチレングリコールモノブチルエーテル、プロピレングリコールモノメチルエーテル、プロピレングリコールモノエチルエーテル、プロピレングリコールモノプロピルエーテル、プロピレングリコールモノブチルエーテル等の多価アルコールのモノエーテル類;等が挙げられる。 Examples of alcohol solvents include, but are not limited to, monohydric alcohols such as methyl alcohol, ethyl alcohol, propyl alcohol, and butyl alcohol; polyhydric alcohols such as ethylene glycol, diethylene glycol, propylene glycol, glycerin, trimethylolpropane, and hexanetriol. Alcohol; ethylene glycol monomethyl ether, ethylene glycol monoethyl ether, ethylene glycol monopropyl ether, ethylene glycol monobutyl ether, diethylene glycol monomethyl ether, diethylene glycol monoethyl ether, diethylene glycol monopropyl ether, diethylene glycol monobutyl ether, propylene glycol monomethyl ether, propylene glycol mono Examples include monoethers of polyhydric alcohols such as ethyl ether, propylene glycol monopropyl ether, and propylene glycol monobutyl ether.
エステル溶媒としては、例えば、酢酸メチル、酢酸エチル、酢酸ブチル、γ-ブチロラクトン等が挙げられる。 Examples of the ester solvent include methyl acetate, ethyl acetate, butyl acetate, and γ-butyrolactone.
ケトン溶媒としては、以下に限定されないが、例えば、アセトン、メチルエチルケトン、メチルイソアミルケトン等が挙げられる。 Examples of the ketone solvent include, but are not limited to, acetone, methyl ethyl ketone, methyl isoamyl ketone, and the like.
エーテル溶媒としては、以下に限定されないが、例えば、エチレングリコールジメチルエーテル、エチレングリコールジエチルエーテル、エチレングリコールジプロピルエーテル、エチレングリコールジブチルエーテル、プロピレングリコールジメチルエーテル、プロピレングリコールジエチルエーテル、プロピレングリコールジブチルエーテル、ジエチレングリコールジメチルエーテル、ジエチレングリコールメチルエチルエーテル、ジエチレングリコールジエチルエーテル等の多価アルコールの水酸基の全てをアルキルエーテル化した多価アルコールエーテル類;テトラヒドロフラン;1,4-ジオキサン;アニソール;等が挙げられる。 Ether solvents include, but are not limited to, ethylene glycol dimethyl ether, ethylene glycol diethyl ether, ethylene glycol dipropyl ether, ethylene glycol dibutyl ether, propylene glycol dimethyl ether, propylene glycol diethyl ether, propylene glycol dibutyl ether, diethylene glycol dimethyl ether, Examples include polyhydric alcohol ethers in which all of the hydroxyl groups of a polyhydric alcohol are alkyl etherified, such as diethylene glycol methyl ethyl ether and diethylene glycol diethyl ether; tetrahydrofuran; 1,4-dioxane; anisole; and the like.
脂肪族炭化水素溶媒としては、以下に限定されないが、例えば、ヘキサン、ヘプタン、オクタン、ノナン、デカン等が挙げられる。 Examples of the aliphatic hydrocarbon solvent include, but are not limited to, hexane, heptane, octane, nonane, decane, and the like.
芳香族炭化水素溶媒としては、以下に限定されないが、例えば、ベンゼン、トルエン、キシレン等が挙げられる。 Examples of the aromatic hydrocarbon solvent include, but are not limited to, benzene, toluene, xylene, and the like.
アミド溶媒としては、以下に限定されないが、例えば、N,N-ジメチルホルムアミド、N,N-ジメチルアセトアミド、N-メチルピロリドン等が挙げられる。 Examples of the amide solvent include, but are not limited to, N,N-dimethylformamide, N,N-dimethylacetamide, N-methylpyrrolidone, and the like.
これらの有機溶媒は、1種単独で用いてもよく、2種以上を組み合わせて用いてもよい。これらの有機溶媒の中でも、安全性及び溶解性に優れることから、N,N-ジメチルホルムアミド、プロピレングリコールモノメチルエーテルが好ましい。 These organic solvents may be used alone or in combination of two or more. Among these organic solvents, N,N-dimethylformamide and propylene glycol monomethyl ether are preferred because of their excellent safety and solubility.
本実施形態における受容体は、有機無機ハイブリッド以外に、任意の粒子、イオン性化合物、樹脂、及び低分子化合物等の添加物を含んでもよい。上記添加物は、例えば、塗布液に配合し、センサー本体の表面に塗布することにより、上記添加物を含む受容体を有するセンサーを得ることができる。 The receptor in this embodiment may contain additives such as arbitrary particles, ionic compounds, resins, and low-molecular compounds in addition to the organic-inorganic hybrid. A sensor having a receptor containing the additive can be obtained by, for example, adding the additive to a coating liquid and applying it to the surface of the sensor body.
以下、実施例及び比較例により本実施形態を具体的に説明するが、本実施形態はこれらに限定されるものではない。 Hereinafter, the present embodiment will be specifically described with reference to Examples and Comparative Examples, but the present embodiment is not limited thereto.
各実施例及び比較例のMSSセンサーの各種物性を以下の(1)~(6)に従って評価した。 Various physical properties of the MSS sensors of each Example and Comparative Example were evaluated according to (1) to (6) below.
(1)受容体の空隙率の測定
ダイシングにより断面を形成した試料を加工台に固定した後、下記のFIB Millingで加工を行い、走査型電子顕微鏡(SEM)にて観察を行った。SEM観察条件は下記のとおりとした。
(加工条件FIB Milling)
装置 Helios 650
粗加工 Wによる保護膜形成後実施
加速電圧 30kV
電流値 9.4nA、2.4nA、0.7nAの順に変更
(仕上げ加工)
加速電圧 30 kV
電流値 0.24nA
(SEM観察条件)
装置 Helios 650 (ThermoFisher SCIENTIFIC製)
加速電圧 2kV, 0.1又は0.2nA
観察像 反射電子像(組成像)
傾斜 52°
断面SEM観察で取得した像からを有機無機ハイブリッド中に存在する空隙を抽出した。抽出については、取得像において空隙周辺がエッジ効果により明コントラストを有すること、また空隙自体は暗コントラストを有することを利用し、画像解析ソフトにて二値化処理を行った。その際、構造層を白色に、空隙、基板および背景を黒色とする二値化処理を行った。二値化処理で追従しきれない部位については、手動による判別を行い補足した。得られた空隙の抽出像にて、空隙に対応する部分の面積を、構造層及び空隙に対応する部分の面積に対する比を、受容体層の空隙率として算出した。上記操作を3視野に対して行い、その数平均値を空隙率とした。
(1) Measurement of porosity of receptor After fixing the sample whose cross section was formed by dicing on a processing table, it was processed using FIB Milling described below and observed using a scanning electron microscope (SEM). The SEM observation conditions were as follows.
(Processing conditions FIB Milling)
Equipment Helios 650
Rough processing carried out after forming a protective film with W Acceleration voltage 30kV
Current value changed in order of 9.4nA, 2.4nA, 0.7nA (finishing)
Acceleration voltage 30 kV
Current value 0.24nA
(SEM observation conditions)
Equipment Helios 650 (manufactured by ThermoFisher SCIENTIFIC)
Acceleration voltage 2kV, 0.1 or 0.2nA
Observation image Backscattered electron image (composition image)
Incline 52°
The voids existing in the organic-inorganic hybrid were extracted from the image obtained by cross-sectional SEM observation. For extraction, binarization processing was performed using image analysis software, taking advantage of the fact that in the acquired image, the area around the gap has bright contrast due to the edge effect, and the gap itself has dark contrast. At that time, a binarization process was performed in which the structural layer was made white and the voids, substrate, and background were made black. For parts that could not be tracked by the binarization process, manual discrimination was performed to supplement them. In the extracted image of the voids obtained, the ratio of the area of the portion corresponding to the void to the area of the structural layer and the portion corresponding to the void was calculated as the porosity of the receptor layer. The above operation was performed for three visual fields, and the number average value was taken as the porosity.
(2)フィラーの体積分率の測定
(1)で得られた断面像のうち、フィラー部分の面積とそれ以外の面積の比をフィラーの体積率として算出した。上記操作を3視野に対して行い、その数平均値を体積分率とした。
(2) Measurement of volume fraction of filler Among the cross-sectional images obtained in (1), the ratio of the area of the filler portion to the other area was calculated as the volume fraction of the filler. The above operation was performed for three visual fields, and the number average value was taken as the volume fraction.
(3)熱重量減少率(有機成分の定量)
MSSセンサーから削りとった受容体の粉末試料を、大気中100℃で乾燥し、次いで室温に戻してから正確に秤量した。その後、TGAを用いて大気中で150℃から1000℃まで10℃/分で昇温加熱することで有機成分を除去し、熱重量減少率とした。有機基のみ加熱で分解し、SiO3/2の部分はシリカとして残るため、熱重量減少率を有機成分量(重量%)とした。
(3) Thermogravimetric loss rate (determination of organic components)
A powder sample of the receptor scraped from the MSS sensor was dried in air at 100° C. and then allowed to come to room temperature before being accurately weighed. Thereafter, organic components were removed by heating in the air from 150° C. to 1000° C. at a rate of 10° C./min using TGA, and the thermogravimetric reduction rate was determined. Since only the organic groups were decomposed by heating and the SiO 3/2 portion remained as silica, the thermal weight reduction rate was taken as the organic component amount (% by weight).
(4)物理・化学安定性
(1回目)
アナライトとして水飽和蒸気を用いた。25℃、乾燥条件下で、水飽和蒸気を6sccm窒素とともに10分間パージ(全体流量を30sccmに設定)して、シグナル強度を測定した。
(2回目)
アナライトとしてエタノールを用いた。25℃、乾燥条件下で、エタノールのヘッドスペースガスを6sccm窒素とともに10分間パージ(全体流量を30sccmに設定)して、シグナル強度を測定した。
(3回目)
アナライトとしてトルエンを用いた。25℃、乾燥条件下で、トルエンのヘッドスペースガスを窒素6sccmとともに10分間パージ(全体流量を30sccmに設定)して、シグナル強度を測定した。
各回で測定した後に、光学顕微鏡による観察で膜形状の変化を観察して以下のように評価した。
A:3回目の後も変化が見られなかった。
B:2回目の後は変化が見られなかったが3回目の後に明らかな膜の形状変化が倍率200倍の顕微鏡で見られた。
C:2回目の後に明らかな膜の形状変化が倍率200倍の顕微鏡で見られた。
(4) Physical/chemical stability (1st time)
Water saturated steam was used as the analyte. Signal intensity was measured under dry conditions at 25° C. with water saturated steam purged with 6 sccm nitrogen for 10 minutes (total flow rate set at 30 sccm).
(2nd time)
Ethanol was used as the analyte. Signal intensity was measured under dry conditions at 25° C. with an ethanol headspace gas purged with 6 sccm nitrogen for 10 minutes (total flow rate set at 30 sccm).
(3rd time)
Toluene was used as the analyte. Signal intensity was measured under dry conditions at 25° C. with a toluene headspace gas purged with 6 sccm of nitrogen for 10 minutes (total flow rate set at 30 sccm).
After each measurement, changes in the film shape were observed using an optical microscope and evaluated as follows.
A: No change was observed even after the third time.
B: After the second time, no change was observed, but after the third time, a clear change in the shape of the membrane was observed under a microscope with a magnification of 200 times.
C: A clear change in the shape of the membrane was observed under a microscope with a magnification of 200 times after the second time.
(5)アルデヒド選択性
25℃、乾燥窒素下で以下の9つのガス(エタノール、アセトン、酢酸エチル、アセトアルデヒド、エチレン、トルエン、トリメチルアミン、ジメチルスルフィド、ジメチルジスルフィド)の250ppmの測定を1h行った。各感度をアセトアルデヒドの感度で割り返し、アセトアルデヒドの感度を1としたときに各感度の相対値において最大値が0.75以下のものをAとし、最大値が0.76以上0.85以下のものをBとし、どれにも当てはまらないものをCとした。
(5) Aldehyde selectivity 250 ppm of the following nine gases (ethanol, acetone, ethyl acetate, acetaldehyde, ethylene, toluene, trimethylamine, dimethyl sulfide, dimethyl disulfide) was measured for 1 hour at 25° C. under dry nitrogen. Each sensitivity is divided by the sensitivity of acetaldehyde, and when the sensitivity of acetaldehyde is taken as 1, the maximum value of each sensitivity relative value is 0.75 or less, and the maximum value is 0.76 or more and 0.85 or less. Those that did not fit were labeled as B, and those that did not fit into any of the categories were labeled as C.
(6)耐湿度影響性
25℃、アセトアルデヒド250ppmで1時間測定を行った。100×(「乾燥下で測定されたシグナルの強度」-「50RT%下で測定されたシグナルの強度」)/(「乾燥下で測定されたシグナルの強度」を減衰率(%)とし、その値が20%以下のものをS、21%から40%以下のものをA、41%以上50%未満のものをB、51%以上のものをCとした。
(6) Humidity resistance The measurement was carried out at 25° C. and 250 ppm of acetaldehyde for 1 hour. 100 x (“Intensity of signal measured under dry condition” - “Intensity of signal measured under 50 RT%”)/(“Intensity of signal measured under dry condition” is the attenuation rate (%), and its A value of 20% or less was designated as S, a value of 21% to 40% was designated as A, a value of 41% or more but less than 50% was designated as B, and a value of 51% or more was designated as C.
<実施例1>
セパラブルフラスコに鎖状コロイダルシリカの2-プロパノール分散液IPA-ST-UP(日産化学製品)10g、水18g、28%アンモニア水2g、2-プロパノール80gに、3-(2-イミダゾリンプロピル)トリエトキシシラン8.3gを加え80℃で3時間反応させた。反応液を空冷後、6000rpm、10分間遠心分離することで沈殿物を単離した。エタノールでサンプルを十分に洗浄したのち、N,Nジメチルホルムアミドで10mg/mLになるように溶解し、塗布液を得た。サンプルを一部80℃真空下で乾燥させて、熱重量減少率を測定した。インクジェット装置を用いて塗布液の一部を、40℃のホットプレート上に配したMSSセンサー用のセンサー本体表面上に塗布することにより、受容体付きのMSSセンサーを得た。上記塗布において、まずは300pLの液滴を2連続で塗布し(600pL)、乾燥のため1秒おいて同様の操作を繰り返した(計30回)。すなわち、18000pL分の塗布液を使用した。MSSセンサーの代表的な外観としては、図1に示すものと同様であった。
次いで、実施例1に係るMSSセンサーを断面SEM観察し、断面SEM画像に基づいて、上記(1)、(2)のとおりに空隙率及び体積率を算出した。
物理化学安定性は(4)の方法で評価した。倍率200倍の光学顕微鏡による観察で2回目の後は変化が見られなかったが3回目の後に明らかな膜の形状変化が顕微鏡で見られたためBとした。
(5)の通りに評価したアルデヒド選択性は、最大相対値が0.78でBとした。(6)の通りに評価した湿度耐性は42%でBとした。
その他、上述した方法と同様の要領にて、以降の実施例及び比較例についても評価を行った。各評価の結果は表1に併せて示す。
<Example 1>
In a separable flask, add 10 g of a 2-propanol dispersion of linear colloidal silica IPA-ST-UP (Nissan Chemical Products), 18 g of water, 2 g of 28% ammonia water, 80 g of 2-propanol, and 3-(2-imidazolinepropyl) trichloride. 8.3 g of ethoxysilane was added and reacted at 80° C. for 3 hours. After air-cooling the reaction solution, the precipitate was isolated by centrifuging at 6000 rpm for 10 minutes. After thoroughly washing the sample with ethanol, it was dissolved in N,N dimethylformamide to a concentration of 10 mg/mL to obtain a coating solution. Samples were partially dried at 80° C. under vacuum and the thermogravimetric loss was measured. An MSS sensor with a receptor was obtained by applying a portion of the coating liquid onto the surface of the MSS sensor body placed on a 40° C. hot plate using an inkjet device. In the above coating, first, two 300 pL droplets were applied in succession (600 pL), and the same operation was repeated after 1 second for drying (30 times in total). That is, 18,000 pL of coating liquid was used. The typical appearance of the MSS sensor was similar to that shown in FIG.
Next, the cross-sectional SEM image of the MSS sensor according to Example 1 was observed, and the porosity and volume fraction were calculated as described in (1) and (2) above based on the cross-sectional SEM image.
The physicochemical stability was evaluated by the method (4). No change was observed after the second observation using an optical microscope at a magnification of 200 times, but a clear change in the shape of the film was observed under the microscope after the third observation, so it was designated as B.
The aldehyde selectivity evaluated as in (5) had a maximum relative value of 0.78 and was designated as B. The humidity resistance evaluated as in (6) was 42% and was rated B.
In addition, the following Examples and Comparative Examples were also evaluated in the same manner as described above. The results of each evaluation are also shown in Table 1.
<実施例2>
500mLセパラブルフラスコに水36g、28%アンモニア水4g、2-プロパノール106.4gに、フェニルトリメトキシシシラン7.2gと3-(2-イミダゾリンプロピル)トリエトキシシラン6.6gを2-プロパノール24gに溶解した溶液を加え80℃で3時間反応させた。反応液を空冷後、沈殿物をろ取単離した。エタノールでサンプルを十分に洗浄し乾燥させたのち、DMFで10g/mLになるように溶解した。2-プロパノール分散液IPA-ST-UP(日産化学製品)をDMFで10mg/mLになるように調整した溶液と、先述の溶液を6:4の割合で混合し塗布液を得た。それ以後の評価は実施例1に準じた。
<Example 2>
In a 500 mL separable flask, add 7.2 g of phenyltrimethoxysilane and 6.6 g of 3-(2-imidazolinepropyl)triethoxysilane to 24 g of 2-propanol in 36 g of water, 4 g of 28% ammonia water, and 106.4 g of 2-propanol. A solution dissolved in was added and reacted at 80°C for 3 hours. After cooling the reaction solution in air, the precipitate was collected and isolated by filtration. After thoroughly washing the sample with ethanol and drying it, it was dissolved in DMF to a concentration of 10 g/mL. A solution of 2-propanol dispersion IPA-ST-UP (Nissan Chemical Products) adjusted to 10 mg/mL with DMF and the above solution were mixed at a ratio of 6:4 to obtain a coating solution. The subsequent evaluations were based on Example 1.
<実施例3>
実施例2のIPA-ST-UP(日産化学製品)をIPA-ST-ZL(日産化学製品)に変更した以外は実施例2に準じた。
<Example 3>
The procedure of Example 2 was followed except that IPA-ST-UP (Nissan Chemical Products) in Example 2 was changed to IPA-ST-ZL (Nissan Chemical Products).
<実施例4>
実施例1の3-(2-イミダゾリンプロピル)トリエトキシシラン27.1gを3-N,Nジメチルアミノプロピルトリメトキシシシラン6.2gにした以外は実施例1に準じた。
<Example 4>
The procedure of Example 1 was followed except that 27.1 g of 3-(2-imidazolinepropyl)triethoxysilane in Example 1 was changed to 6.2 g of 3-N,N dimethylaminopropyltrimethoxysilane.
<実施例5>
500mLセパラブルフラスコに水36g、28%アンモニア水4g、2-プロパノール106.4gに、フェニルトリメトキシシシラン7.2gと3-N,Nジメチルアミノプロピルトリメトキシシシラン5.0gを2-プロパノール24gに溶解した溶液を加え80℃で3時間反応させた。反応液を空冷後、沈殿物をろ取単離した。エタノールでサンプルを十分に洗浄し乾燥させたのち、DMFで10g/mLになるように溶解し塗布液を得た。それ以後の評価は実施例1に準じた。
<Example 5>
In a 500 mL separable flask, add 7.2 g of phenyltrimethoxysilane and 5.0 g of 3-N,N dimethylaminopropyltrimethoxysilane to 36 g of water, 4 g of 28% ammonia water, and 106.4 g of 2-propanol. A solution dissolved in 24 g was added and reacted at 80° C. for 3 hours. After cooling the reaction solution in air, the precipitate was collected and isolated by filtration. After thoroughly washing the sample with ethanol and drying it, it was dissolved in DMF to a concentration of 10 g/mL to obtain a coating solution. The subsequent evaluations were based on Example 1.
<実施例6>
実施例2の3-(2-イミダゾリンプロピル)トリエトキシシラン6.6gを3-N,Nジメチルアミノプロピルトリメトキシシシラン5.0gに変更した以外は実施例2に準じた。
<Example 6>
The procedure of Example 2 was followed except that 6.6 g of 3-(2-imidazolinepropyl)triethoxysilane in Example 2 was changed to 5.0 g of 3-N,N dimethylaminopropyltrimethoxysilane.
<実施例7>
実施例6のIPA-ST-UP(日産化学製品)をIPA-ST-ZL(日産化学製品)に変更した以外は実施例6に準じた。
<Example 7>
The procedure of Example 6 was followed except that IPA-ST-UP (Nissan Chemical Products) in Example 6 was changed to IPA-ST-ZL (Nissan Chemical Products).
<実施例8>
実施例7の6:4の割合で混合し塗布液を得た代わりに、19:1で混合し塗布液を得た以外は実施例7に準じた。
<Example 8>
The procedure of Example 7 was followed except that instead of mixing at a ratio of 6:4 as in Example 7 to obtain a coating liquid, a ratio of 19:1 was mixed to obtain a coating liquid.
<実施例9>
実施例7の6:4の割合で混合し塗布液を得た代わりに、1:4で混合し塗布液を得た以外は実施例7に準じた。
<Example 9>
The procedure of Example 7 was followed except that instead of mixing at a ratio of 6:4 as in Example 7 to obtain a coating liquid, the coating liquid was obtained by mixing at a ratio of 1:4.
<実施例10>
実施例2の3-(2-イミダゾリンプロピル)トリエトキシシラン6.6gを3-(2-アミノプロピルエチルアミノ)プロピルトリエトキシシラン6.4gにし、IPA-ST-UP(日産化学製品)をIPA-ST-ZL(日産化学製品)に変更した以外は実施例2に準じた。
<Example 10>
6.6 g of 3-(2-imidazolinepropyl)triethoxysilane in Example 2 was changed to 6.4 g of 3-(2-aminopropylethylamino)propyltriethoxysilane, and IPA-ST-UP (Nissan Chemical Products) was converted into IPA. The procedure of Example 2 was followed except that -ST-ZL (Nissan Chemical Products) was used.
<実施例11>
実施例2のフェニルトリメトキシシシラン7.2gと3-(2-イミダゾリンプロピル)トリエトキシシラン6.6gを4-アミノフェニルトリメトキシシラン12.8gにし、IPA-ST-UP(日産化学製品)をIPA-ST-ZL(日産化学製品)に変更した以外は実施例2に準じた。
<Example 11>
7.2 g of phenyltrimethoxysilane of Example 2 and 6.6 g of 3-(2-imidazolinepropyl)triethoxysilane were changed to 12.8 g of 4-aminophenyltrimethoxysilane, and IPA-ST-UP (Nissan Chemical Products) was prepared. The procedure of Example 2 was followed except that IPA-ST-ZL (Nissan Chemical Products) was used.
<実施例12>
実施例2の3-(2-イミダゾリンプロピル)トリエトキシシラン27.1gを4-アミノフェニルトリメトキシシラン5.1gにし、IPA-ST-UP(日産化学製品)をIPA-ST-ZL(日産化学製品)に変更した以外は実施例2に準じた。
<Example 12>
27.1 g of 3-(2-imidazolinepropyl)triethoxysilane in Example 2 was changed to 5.1 g of 4-aminophenyltrimethoxysilane, and IPA-ST-UP (Nissan Chemical) was changed to IPA-ST-ZL (Nissan Chemical). Example 2 was followed except that the product was changed to (product).
<実施例13>
実施例2の3-(2-イミダゾリンプロピル)トリエトキシシラン27.1gを3-ウレイドプロピルトリエトキシシラン6.4gにし、IPA-ST-UP(日産化学製品)をIPA-ST-ZL(日産化学製品)に変更した以外は実施例2に準じた。
<Example 13>
27.1 g of 3-(2-imidazolinepropyl)triethoxysilane in Example 2 was changed to 6.4 g of 3-ureidopropyltriethoxysilane, and IPA-ST-UP (Nissan Chemical) was changed to IPA-ST-ZL (Nissan Chemical). Example 2 was followed except that the product was changed to (product).
<実施例14>
実施例2のフェニルトリメトキシシシラン7.2gと3-(2-イミダゾリンプロピル)トリエトキシシラン6.6gを3-ピリジントリエトキシシラン14.5gにし、IPA-ST-UP(日産化学製品)をIPA-ST-ZL(日産化学製品)に変更した以外は実施例2に準じた。
<Example 14>
7.2 g of phenyltrimethoxysilane and 6.6 g of 3-(2-imidazolinepropyl)triethoxysilane in Example 2 were changed to 14.5 g of 3-pyridinetriethoxysilane, and IPA-ST-UP (Nissan Chemical Products) was added. The procedure of Example 2 was followed except that IPA-ST-ZL (Nissan Chemical Products) was used.
<実施例15>
実施例2の3-(2-イミダゾリンプロピル)トリエトキシシラン27.1gを3-ピリジントリエトキシシラン5.8gにし、IPA-ST-UP(日産化学製品)をIPA-ST-ZL(日産化学製品)に変更した以外は実施例2に準じた。
<Example 15>
27.1 g of 3-(2-imidazolinepropyl)triethoxysilane in Example 2 was changed to 5.8 g of 3-pyridinetriethoxysilane, and IPA-ST-UP (Nissan Chemical Products) was changed to IPA-ST-ZL (Nissan Chemical Products). ) The procedure was the same as in Example 2 except that
<実施例16>
実施例2の3-(2-イミダゾリンプロピル)トリエトキシシラン27.1gを3-アセトアミドプロピルトリメトキシシラン5.3gにし、IPA-ST-UP(日産化学製品)をIPA-ST-ZL(日産化学製品)に変更した以外は実施例2に準じた。
<Example 16>
27.1 g of 3-(2-imidazolinepropyl)triethoxysilane in Example 2 was changed to 5.3 g of 3-acetamidopropyltrimethoxysilane, and IPA-ST-UP (Nissan Chemical) was changed to IPA-ST-ZL (Nissan Chemical). Example 2 was followed except that the product was changed to (product).
<実施例17>
実施例2の3-(2-イミダゾリンプロピル)トリエトキシシラン27.1gを3-ピペリジノプロピルトリメトキシシラン6.0gにし、IPA-ST-UP(日産化学製品)をIPA-ST-ZL(日産化学製品)に変更した以外は実施例2に準じた。
<Example 17>
27.1 g of 3-(2-imidazolinepropyl)triethoxysilane in Example 2 was changed to 6.0 g of 3-piperidinopropyltrimethoxysilane, and IPA-ST-UP (Nissan Chemical Products) was changed to IPA-ST-ZL ( The procedure of Example 2 was followed except that the material was changed to (Nissan Chemical Products).
<実施例18>
実施例2の3-(2-イミダゾリンプロピル)トリエトキシシラン27.1gを3-ピペラジノプロピルトリメトキシシラン6.0gにし、IPA-ST-UP(日産化学製品)をIPA-ST-ZL(日産化学製品)に変更した以外は実施例2に準じた。
<Example 18>
27.1 g of 3-(2-imidazolinepropyl)triethoxysilane in Example 2 was changed to 6.0 g of 3-piperazinopropyltrimethoxysilane, and IPA-ST-UP (Nissan Chemical Products) was changed to IPA-ST-ZL ( The procedure of Example 2 was followed except that the material was changed to (Nissan Chemical Products).
<実施例19>
実施例2の3-(2-イミダゾリンプロピル)トリエトキシシラン27.1gを3-(シクロヘキシルアミノ)プロピルトリメトキシシラン6.3gにし、IPA-ST-UP(日産化学製品)をIPA-ST-ZL(日産化学製品)に変更した以外は実施例2に準じた。
<Example 19>
27.1 g of 3-(2-imidazolinepropyl)triethoxysilane in Example 2 was changed to 6.3 g of 3-(cyclohexylamino)propyltrimethoxysilane, and IPA-ST-UP (Nissan Chemical Products) was changed to IPA-ST-ZL. (Nissan Chemical Products) The same procedure was followed as in Example 2 except that the material was changed to (Nissan Chemical Products).
<実施例20>
実施例2の3-(2-イミダゾリンプロピル)トリエトキシシラン27.1gを3-フェニルアミノプロピルトリメトキシシラン6.1gにし、IPA-ST-UP(日産化学製品)をIPA-ST-ZL(日産化学製品)に変更した以外は実施例2に準じた。
<Example 20>
27.1 g of 3-(2-imidazolinepropyl)triethoxysilane in Example 2 was changed to 6.1 g of 3-phenylaminopropyltrimethoxysilane, and IPA-ST-UP (Nissan Chemical Products) was changed to IPA-ST-ZL (Nissan Chemical Products). The procedure of Example 2 was followed except that the chemical product was changed to (chemical product).
<比較例1>
実施例2のフェニルトリメトキシシシラン7.2gと3-(2-イミダゾリンプロピル)トリエトキシシラン6.6gをフェニルトリメトキシシシラン11.9gにし、IPA-ST-UP(日産化学製品)をIPA-ST-ZL(日産化学製品)に変更した以外は実施例2に準じた。
<Comparative example 1>
7.2 g of phenyltrimethoxysilane and 6.6 g of 3-(2-imidazolinepropyl)triethoxysilane in Example 2 were changed to 11.9 g of phenyltrimethoxysilane, and IPA-ST-UP (Nissan Chemical Products) was added to IPA. The procedure of Example 2 was followed except that -ST-ZL (Nissan Chemical Products) was used.
<比較例2>
500mLセパラブルフラスコに水36g、28%アンモニア水4g、2-プロパノール106.4gに、フェニルトリメトキシシシラン11.9gを2-プロパノール24gに溶解した溶液を加え80℃で3時間反応させた。反応液を空冷後、沈殿物をろ取単離した。エタノールでサンプルを十分に洗浄し乾燥させたのち、DMFで10g/mLになるように溶解し塗布液を得た。それ以後の評価は実施例1に準じた。
<Comparative example 2>
A solution of 11.9 g of phenyltrimethoxysilane dissolved in 24 g of 2-propanol was added to 36 g of water, 4 g of 28% aqueous ammonia, and 106.4 g of 2-propanol in a 500 mL separable flask, and the mixture was reacted at 80° C. for 3 hours. After cooling the reaction solution in air, the precipitate was collected and isolated by filtration. After thoroughly washing the sample with ethanol and drying it, it was dissolved in DMF to a concentration of 10 g/mL to obtain a coating solution. The subsequent evaluations were based on Example 1.
<比較例3>
シリカチタニア粒子(粒状)はWO2016/121155公報に記載の方法に準じて合成した。オクタデシルアミン(ODA)が溶解したアンモニア塩基性のイソプロパノール(IPA)水溶液中における、アミノプロピルトリメトキシシランとチタニウムテトライソプロポキシド(TTIP)の共加水分解、縮合重合反応により合成した。上記合成反応は、マイクロメートルサイズのY字型流路を有するテフロン(登録商標)製マイクロリアクタを用いて実施した。前駆溶液は、溶液1:アミノプロピルトリメトキシシラン/IPA、溶液2:H2O/IPA/アンモニア、溶液3:TTIP/IPA、溶液4:H2O/IPAの4つとし、溶液1から溶液4まで体積を揃えて調製した。前駆溶液はシリンジポンプにより同時に一定速度で送液した。溶液1と溶液2、溶液3と溶液4を並列したマイクロリアクタ内でそれぞれ混合し、両リアクタからの吐出液をさらに別のマイクロリアクタ内で混合することにより、1つの反応液とした。反応液は別途調製しておいた前駆溶液5:ODA/H2O/IPA中へ吐出し、吐出終了まで一定速度で撹拌した。その後、室温で静置し、ナノ粒子(NH2-STNP)分散液を得た。かかるナノ粒子にRSiO3/2で表される構造が確認されたため、これを有機無機ハイブリッドと扱った。反応液を空冷後、6000rpm,10分間遠心分離することで沈殿物を単離した。エタノールでサンプルを十分に洗浄したのち、N,N-ジメチルホルムアミドで1g/mLになるように溶解し、塗布液を得た。塗布液を、マイクロジェットを用いて1滴当たり300pLの量にて300滴を80℃のホットプレート上に配したMSSセンサー用のセンサー本体表面上に塗布することにより受容体付きのMSSセンサーを得た。受容体層は塗布後にクラックと剥がれがみられたため、物理、化学安定性はCとした。アルデヒド応答性は4.6であったためCとした。湿度耐性は0.94であったため、Cとした。
<Comparative example 3>
Silica titania particles (granular) were synthesized according to the method described in WO2016/121155. It was synthesized by cohydrolysis and condensation polymerization of aminopropyltrimethoxysilane and titanium tetraisopropoxide (TTIP) in an ammonia-based aqueous isopropanol (IPA) solution in which octadecylamine (ODA) was dissolved. The above synthesis reaction was carried out using a Teflon (registered trademark) microreactor having a micrometer-sized Y-shaped flow path. There are four precursor solutions: solution 1: aminopropyltrimethoxysilane/IPA, solution 2: H 2 O/IPA/ammonia, solution 3: TTIP/IPA, and solution 4: H 2 O/IPA. The volumes were made to be the same up to 4. The precursor solution was simultaneously delivered at a constant rate using a syringe pump. Solution 1 and solution 2, and solution 3 and solution 4 were mixed in parallel microreactors, and the discharged liquid from both reactors was further mixed in another microreactor to form one reaction solution. The reaction solution was discharged into a separately prepared precursor solution 5: ODA/H 2 O/IPA, and stirred at a constant speed until the discharge was completed. Thereafter, it was allowed to stand at room temperature to obtain a nanoparticle (NH 2 -STNP) dispersion. Since the structure represented by RSiO 3/2 was confirmed in these nanoparticles, they were treated as an organic-inorganic hybrid. After cooling the reaction solution in air, the precipitate was isolated by centrifuging at 6000 rpm for 10 minutes. After thoroughly washing the sample with ethanol, it was dissolved in N,N-dimethylformamide to a concentration of 1 g/mL to obtain a coating solution. An MSS sensor with a receptor was obtained by applying 300 drops of the coating liquid at a volume of 300 pL per drop onto the surface of the MSS sensor body placed on a hot plate at 80 °C. Ta. Since cracks and peeling were observed in the receptor layer after coating, the physical and chemical stability was rated C. Since the aldehyde responsiveness was 4.6, it was designated as C. Since the humidity resistance was 0.94, it was designated as C.
各実施例/比較例について上記測定(1)~(6)を行った結果を次の表1~3に示す。 The results of the above measurements (1) to (6) for each Example/Comparative Example are shown in Tables 1 to 3 below.
本発明のセンサーは、呼気検査やホテル、自動車、工場での匂い管理などに嗅覚センサーとして利用可能である。 The sensor of the present invention can be used as an olfactory sensor for breath testing and odor control in hotels, automobiles, and factories.
1 センサー
2 受容体(感応膜)
3 チップ(センサー本体)
1 sensor 2 receptor (sensitive membrane)
3 Chip (sensor body)
Claims (13)
RSiO3/2 (1)
(式(1)中、Rは少なくとも窒素原子を1つ以上含む有機基を示す)
で示される構造を含む有機無機ハイブリッドと、球状のフィラーと、を含み、空隙率が3%以下である受容体を有するセンサー。 The following formula (1)
RSiO 3/2 (1)
(In formula (1), R represents an organic group containing at least one nitrogen atom)
A sensor comprising an organic-inorganic hybrid having a structure represented by the above structure, a spherical filler, and a receptor having a porosity of 3% or less.
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