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JP7414749B2 - Molecular sensors, molecular detection devices, and molecular detection methods - Google Patents
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Molecular sensors, molecular detection devices, and molecular detection methods Download PDF

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Description

本発明の実施形態は、分子センサ、分子検出装置及び分子検出方法に関する。 Embodiments of the present invention relate to a molecular sensor, a molecular detection device, and a molecular detection method.

匂い(ガス)センサによるセンシング技術は、空気中の匂いを数値化できる。この技術は臭気判定や大気中の揮発性有機化合物(Volatile Organic Compounds:VOC)の計測、空気清浄器の性能確認、装置類のトラブル検知等に広く利用されている。近年では、これまで犬の嗅覚に頼っていた火薬類の検知や麻薬・覚せい剤の検知や、呼気による特定の病気診断等への応用にも関心が高まっている。故に、匂い(ガス)センサの高性能化が望まれている。 Sensing technology using odor (gas) sensors can quantify odors in the air. This technology is widely used for odor determination, measurement of volatile organic compounds (VOC) in the atmosphere, performance confirmation of air purifiers, trouble detection with equipment, etc. In recent years, there has been growing interest in applications such as detecting explosives, narcotics, and stimulants, which previously relied on dogs' sense of smell, and diagnosing specific diseases using exhaled breath. Therefore, it is desired to improve the performance of odor (gas) sensors.

従来のガスセンシング機器としては、水素炎イオン化検出器(Flame Ionization Detector:FID)、光イオン化検出器(Photo-lonization Detector:PID)、赤外線式ガス分析計(Non-Dispersive Infra-Red:NDIR)等が挙げられる。これらの機器において、携帯性(小型化・軽量化)、安全性、光源の寿命、価格及び物質の認識性等の向上が求められ、特に小型化は、処理装置への組み込みや作業現場での使用に有利であるため開発が進められている。 Conventional gas sensing devices include Flame Ionization Detector (FID), Photo-lonization Detector (PID), and Infrared Gas Analyzer (Non-Dispersive Infrastructure-Red: NDIR). ) etc. can be mentioned. These devices need to be improved in terms of portability (smaller size and lighter weight), safety, light source lifespan, price, and material recognition. Development is progressing because it is advantageous for use.

小型センサの代表である半導体式ガスセンサは、金属酸化物に吸着した酸素が還元性物質で消費される際に発生する電気抵抗等の電気的性質変化を利用してガス濃度を測るものである。近年では、金属酸化物として、SnO、ZnO、In、WO、V等多くの種類のものが利用されるようになった。またこれらにPd、Pt、Au、Ag等をドーピングする等して、高感度化や選択性向上に向けた検討が行われてきた。しかしながら、感度や選択性はまだ十分なものではない。 Semiconductor gas sensors, which are representative of small sensors, measure gas concentration by utilizing changes in electrical properties such as electrical resistance that occur when oxygen adsorbed on metal oxides is consumed by reducing substances. In recent years, many types of metal oxides such as SnO 2 , ZnO 2 , In 2 O 3 , WO 3 and V 2 O 3 have come to be used. Further, studies have been conducted to improve sensitivity and selectivity by doping these with Pd, Pt, Au, Ag, etc. However, sensitivity and selectivity are still not sufficient.

一方、匂い(ガス)センサの感度、選択性、簡便性、迅速性、信頼性、安定性等の更なる向上の観点から、水晶振動子マイクロバランス(Quartz Crystal Microbalance:QCM)、表面弾性波(Surface Acoustic Wave:SAW)、マイクロカンチレバー(Micro Cantilever:MCL)等を用いた質量検知型センサも近年注目されている。例えばQCMの場合、デバイス表面に有機ポリマー等、対象分子を吸着する感応膜を製膜したセンサが提案されている。対象分子が感応膜に吸着すると、膜の質量が増加して水晶振動子の共振周波数が変化する。周波数変化量は吸着した検体分子の質量に比例することから、検体分子の濃度が計測できる。 On the other hand, from the perspective of further improving the sensitivity, selectivity, simplicity, speed, reliability, stability, etc. of odor (gas) sensors, quartz crystal microbalance (QCM), surface acoustic wave ( Mass detection sensors using surface acoustic waves (SAW), micro cantilevers (MCL), and the like have also attracted attention in recent years. For example, in the case of QCM, a sensor has been proposed in which a sensitive film, such as an organic polymer, that adsorbs target molecules is formed on the device surface. When target molecules are adsorbed to the sensitive membrane, the mass of the membrane increases and the resonant frequency of the crystal oscillator changes. Since the amount of frequency change is proportional to the mass of the adsorbed analyte molecules, the concentration of the analyte molecules can be measured.

特開2019-124700号公報Japanese Patent Application Publication No. 2019-124700

Honghan Fei and Seth M.Cohen.,Chem.Commun.,2014,50,4810-4812Honghan Fei and Seth M. Cohen. , Chem. Commun. ,2014,50,4810-4812 Yongwu Peng et al,Chem.Mater.,2016,28,14,5095-5101Yongwu Peng et al, Chem. Mater. ,2016,28,14,5095-5101

本発明が解決しようとする課題は、感度及び選択性が向上し、容易に再利用可能な分子センサ、分子検出装置及び分子検出方法を提供することである。 The problem to be solved by the present invention is to provide a molecular sensor, a molecular detection device, and a molecular detection method that have improved sensitivity and selectivity and are easily reusable.

実施形態によれば、多孔質部材とイオン液体とが共存する感応膜を備える分子センサが提供される。さらには、多孔質部材と、多孔質部材に保持されたイオン液体とを含む感応膜を備える分子センサが提供される。分子センサは、感応膜の、対象分子の付着による物理量の変化を測定することにより対象分子を検出することが可能である。 According to the embodiment, a molecular sensor is provided that includes a sensitive membrane in which a porous member and an ionic liquid coexist. Furthermore, a molecular sensor is provided that includes a sensitive membrane including a porous member and an ionic liquid held in the porous member. Molecular sensors can detect target molecules by measuring changes in physical quantities due to attachment of target molecules to a sensitive membrane.

図1は、第1実施形態の分子センサの一例を示す図である。FIG. 1 is a diagram showing an example of the molecular sensor of the first embodiment. 図2は、第1実施形態の分子検出方法の一例を示すフローチャートである。FIG. 2 is a flowchart showing an example of the molecule detection method of the first embodiment. 図3は、第1実施形態のマルチ分子センサの一例を示す図である。FIG. 3 is a diagram showing an example of the multi-molecule sensor of the first embodiment. 図4は、第1実施形態のマルチ分子センサで得られるレーダーチャートの一例を示す図である。FIG. 4 is a diagram showing an example of a radar chart obtained by the multi-molecule sensor of the first embodiment. 図5は、第2実施形態の分子センサの一例を示す図である。FIG. 5 is a diagram showing an example of a molecular sensor according to the second embodiment. 図6は、第3実施形態の分子検出装置の一例を示すブロック図である。FIG. 6 is a block diagram showing an example of a molecule detection device according to the third embodiment. 図7は、第3実施形態の分子検出装置の一例を示すブロック図である。FIG. 7 is a block diagram showing an example of a molecule detection device according to the third embodiment. 図8は、第3実施形態の分子検出方法の一例を示すフローチャートである。FIG. 8 is a flowchart showing an example of the molecule detection method of the third embodiment. 図9は、第3実施形態の分子検出装置により検出された振動周波数変化量を示すグラフである。FIG. 9 is a graph showing the amount of change in vibrational frequency detected by the molecule detection device of the third embodiment. 図10は、実施例1、比較例1、比較例2のボルネオール検出実験の結果を示すグラフである。FIG. 10 is a graph showing the results of the borneol detection experiments of Example 1, Comparative Example 1, and Comparative Example 2. 図11は、実施例2、実施例3、比較例3の2-メチルイソボルネオール検出実験の結果を示すグラフである。FIG. 11 is a graph showing the results of the 2-methylisoborneol detection experiments of Example 2, Example 3, and Comparative Example 3. 図12は、実施例4、比較例4、比較例5のエタノール検出実験の結果を示すグラフである。FIG. 12 is a graph showing the results of the ethanol detection experiments of Example 4, Comparative Example 4, and Comparative Example 5. 図13は、実施例4、比較例4、比較例5の酢酸エチル検出実験の結果を示すグラフである。FIG. 13 is a graph showing the results of the ethyl acetate detection experiments of Example 4, Comparative Example 4, and Comparative Example 5. 図14は、実施例5のエタノール検出実験の結果を示すグラフである。FIG. 14 is a graph showing the results of the ethanol detection experiment of Example 5. 図15は、実施例5の酢酸エチル検出実験の結果を示すグラフである。FIG. 15 is a graph showing the results of the ethyl acetate detection experiment of Example 5. 図16は、実施例5のトルエン検出実験の結果を示すグラフである。FIG. 16 is a graph showing the results of a toluene detection experiment in Example 5.

以下、実施形態について、添付の図面を参照して説明する。なお、各実施形態において、実質的に同一の構成部位には同一の符号を付し、その説明を一部省略する場合がある。図面は模式的なものであり、各部の厚さと平面寸法との関係、各部の厚さの比率等は現実のものとは異なる場合がある。 Embodiments will be described below with reference to the accompanying drawings. In addition, in each embodiment, the same code|symbol may be attached|subjected to the substantially same component part, and some descriptions may be abbreviate|omitted. The drawings are schematic, and the relationship between the thickness of each part and the planar dimension, the ratio of the thickness of each part, etc. may differ from the actual one.

実施形態によれば試料中に含まれ得る対象分子を検出するための分子センサが提供される。実施形態に係る分子センサは、多孔質部材と、イオン液体とが共存する感応膜を備える。対象分子が感応膜に付着することにより感応膜の物理量が変化する。本分子センサは、感応膜の物理量の変化を測定する検出部を更に含み得る。 According to embodiments, a molecular sensor for detecting target molecules that may be contained in a sample is provided. The molecular sensor according to the embodiment includes a sensitive membrane in which a porous member and an ionic liquid coexist. When target molecules adhere to the sensitive membrane, the physical quantities of the sensitive membrane change. The molecular sensor may further include a detection unit that measures a change in the physical quantity of the sensitive membrane.

ここで、対象分子について説明する。本明細書において、「対象分子」とは第1の実施形態に係る分子センサが検知可能な分子を指す。「対象分子」とは、必ずしも1種類の分子を指すのではなく、複数種類の分子の集合体を示す場合もある。複数種類の分子の集合体は、例えば全体として1種類の匂いを構成する分子群であってもよい。分子センサは複数種類の分子の集合体を検知或いは区別することができる。 Here, the target molecule will be explained. In this specification, "target molecule" refers to a molecule that can be detected by the molecular sensor according to the first embodiment. "Target molecule" does not necessarily refer to one type of molecule, but may refer to an aggregate of multiple types of molecules. The aggregate of multiple types of molecules may be, for example, a group of molecules that collectively constitute one type of odor. Molecular sensors can detect or distinguish between aggregates of multiple types of molecules.

(第1実施形態)
第1実施形態の分子センサは、検出部として水晶振動子マイクロバランス(Quartz Crystal Microbalance:QCM)を用いた測定機構を有する。
(First embodiment)
The molecular sensor of the first embodiment has a measurement mechanism using a quartz crystal microbalance (QCM) as a detection section.

図1は、第1実施形態の分子センサ1の一例を示す。図1の(a)は分子センサの平面図を示す。図1の(b)は、図1の(a)のB-B’に沿って切断した断面図である。図1の(c)は、図1の(a)の囲いCの拡大図である。 FIG. 1 shows an example of a molecular sensor 1 according to the first embodiment. FIG. 1(a) shows a plan view of the molecular sensor. FIG. 1(b) is a cross-sectional view taken along line B-B' in FIG. 1(a). FIG. 1(c) is an enlarged view of enclosure C in FIG. 1(a).

分子センサ1は、QCM検出部2と、QCM検出部2の表面に設けられた感応膜3を備える。QCM検出部2は、円盤状の水晶基板4と、水晶基板4を挟んで配置される2つの薄い板状の電極、即ち、上部電極5と、下部電極6とを備える。上部電極5は、例えば図1の(a)に示すように、水晶基板4と同心円状で水晶基板4よりも小さい径を有する上部励振部5aと、上部励振部5aの周縁の一部から水晶基板4の周縁まで延びる上部引出部5bとを備える。感応膜3は、例えば上部励振部5aの、水晶基板4と反対側の面(上面)上に設けられている。下部電極6は、水晶基板4と同心円状で水晶基板4よりも小さい径を有する下部励振部6aと、下部励振部6aの周縁の一部から水晶基板4の周縁まで延びる下部引出部6bとを備える。更なる実施形態によれば、感応膜3を下部励振部6aの水晶基板4と反対側の面(下面)上にも設けてもよい。 The molecular sensor 1 includes a QCM detection section 2 and a sensitive film 3 provided on the surface of the QCM detection section 2. The QCM detection unit 2 includes a disk-shaped crystal substrate 4 and two thin plate-shaped electrodes arranged with the crystal substrate 4 in between, that is, an upper electrode 5 and a lower electrode 6. As shown in FIG. 1A, for example, the upper electrode 5 includes an upper excitation part 5a that is concentric with the crystal substrate 4 and has a diameter smaller than that of the crystal substrate 4, and a part of the periphery of the upper excitation part 5a that connects the crystal. The upper drawer portion 5b extends to the periphery of the substrate 4. The sensitive film 3 is provided, for example, on the surface (upper surface) of the upper excitation section 5a opposite to the crystal substrate 4. The lower electrode 6 includes a lower excitation part 6a that is concentric with the crystal substrate 4 and has a smaller diameter than the crystal substrate 4, and a lower lead-out part 6b that extends from a part of the periphery of the lower excitation part 6a to the periphery of the crystal substrate 4. Be prepared. According to a further embodiment, the sensitive film 3 may also be provided on the surface (lower surface) of the lower excitation part 6a opposite to the crystal substrate 4.

感応膜3は、拡大図(図1の(c))に示すように、多孔質部材7と、多孔質部材7に保持されたイオン液体8とを含む。 The sensitive membrane 3 includes a porous member 7 and an ionic liquid 8 held in the porous member 7, as shown in the enlarged view ((c) of FIG. 1).

多孔質部材7は、膜状に形成された多孔質材料からなり、多数の孔7aを有する。孔7aの大きさは、直径約50nm以下であることが好ましい。例えば、多孔質材料は、ミクロ孔(直径約2nm以下)を有するミクロポーラス材料、又はメソ孔(直径約2nm~約50nm程)を有するメソポーラス材料であることが好ましい。 The porous member 7 is made of a porous material formed into a membrane, and has a large number of holes 7a. The size of the pores 7a is preferably about 50 nm or less in diameter. For example, the porous material is preferably a microporous material having micropores (about 2 nm or less in diameter) or a mesoporous material having mesopores (about 2 nm to about 50 nm in diameter).

多孔質部材7の材料は、金属有機構造体(Metal Organic Frameworks:MOF)、共有結合性有機構造体(Covalent Organic Framework:COF)又は人工ゼオライト等であることが好ましい。これらの材料を用いることで、容易に一体の膜に成長形成できる。 The material of the porous member 7 is preferably a metal organic framework (MOF), a covalent organic framework (COF), an artificial zeolite, or the like. By using these materials, it is possible to easily grow and form an integral film.

MOFは、耐熱性、耐水性がともに高いものであることが好ましい。特に、6核のZr(OH)クラスターにジカルボン酸が12配位した構造(下記)を有するMOFを用いることが好ましい。 It is preferable that the MOF has high heat resistance and high water resistance. In particular, it is preferable to use a MOF having a structure (described below) in which 12 dicarboxylic acids are coordinated to 4 six-nuclear Zr 6 O 4 (OH) clusters.

Figure 0007414749000001

上記構造中、○(白丸)は、Zr(OH)クラスターを示し、実線は、ジカルボン酸配位子を示す。
Figure 0007414749000001

In the above structure, the circle (white circle) indicates a Zr 6 O 4 (OH) 4 cluster, and the solid line indicates a dicarboxylic acid ligand.

このような構造を有するMOFとして、例えば、UIO-66、UIO-67、UIO-68及びこれらの誘導体のうち少なくとも1つを用いることが好ましい。UIO-66、UIO-67、UIO-68は、ジカルボン酸配位子が、それぞれ、1,4-ベンゼンジカルボン酸、4,4’-ビフェニルジカルボン酸、4,4”-テルフェニルジカルボン酸である構造を有する。誘導体とは、これらに含まれる配位子のベンゼン環に対して新たな官能基を導入したものである。官能基は、例えば、アルキル基、アミノ基、ヒドロキシル基、アルコキシ基、アミド基、アルデヒド基、アシル基、エステル基、カルボキシル基などのカルボニル基、等である。また、前記誘導体とは、前記配位子のベンゼン環がピリジン環、イミダゾール環等、ヘテロ芳香環で置換されたものである。また、UIO-67に関しては、4,4’-ビフェニルジカルボン酸の代わりに、9-フルオレノン-2,7-ジカルボン酸、フルオレン-2,7-ジカルボン酸、カルバゾール-2,7-ジカルボン酸などの複素環式化合物に置換されたものも含む。 As the MOF having such a structure, it is preferable to use, for example, at least one of UIO-66, UIO-67, UIO-68, and derivatives thereof. In UIO-66, UIO-67, and UIO-68, the dicarboxylic acid ligands are 1,4-benzenedicarboxylic acid, 4,4'-biphenyldicarboxylic acid, and 4,4''-terphenyldicarboxylic acid, respectively. A derivative is one in which a new functional group is introduced to the benzene ring of the ligand contained in these derivatives.The functional group is, for example, an alkyl group, an amino group, a hydroxyl group, an alkoxy group, These include carbonyl groups such as amide groups, aldehyde groups, acyl groups, ester groups, and carboxyl groups.In addition, the derivatives are those in which the benzene ring of the ligand is substituted with a heteroaromatic ring such as a pyridine ring or an imidazole ring. Regarding UIO-67, instead of 4,4'-biphenyldicarboxylic acid, 9-fluorenone-2,7-dicarboxylic acid, fluorene-2,7-dicarboxylic acid, carbazole-2, It also includes those substituted with a heterocyclic compound such as 7-dicarboxylic acid.

これらのMOFは耐熱性、耐水性が高いだけでなく、微結晶から薄膜まで製膜方法の選択肢が広く、感応膜3に適用しやすい。また、イオン液体8と接触しても溶解や分解等が起きにくい点でも優れている。6核のZr(OH)クラスターは減圧加熱等により部分的に或いは完全に脱水され、Zr(OH)やZr等に変化することもあり得る。しかしながら、このような構造となっていても問題なく使用することができるとともに、必要であれば脱水前の状態に調整することができる。 These MOFs not only have high heat resistance and water resistance, but also have a wide choice of film forming methods, from microcrystals to thin films, and are easy to apply to the sensitive film 3. It is also excellent in that it is unlikely to dissolve or decompose even if it comes into contact with the ionic liquid 8. The six-nuclear Zr 6 O 4 (OH) 4 cluster may be partially or completely dehydrated by heating under reduced pressure or the like, and may change into Zr 6 O 5 (OH) 2 , Zr 6 O 6 , or the like. However, even if it has such a structure, it can be used without any problems, and if necessary, it can be adjusted to the state before dehydration.

他にもMIL-53、MIL-101、MOF-74、ZIF-8、NU-1000又はCAU-24等のMOFを用いることができる。 Other MOFs such as MIL-53, MIL-101, MOF-74, ZIF-8, NU-1000, or CAU-24 can also be used.

COFは、アミノ基を有するリガンドとアルデヒド基又はカルボニル基を有するリガンドとの縮合反応によって得られるイミン結合、アジン結合、エナミン結合、ヒドラゾン結合又はイミド結合のうち少なくとも1つを有するものであることが好ましい。例えば、COFとしてCOF-LZU1、COF-300、TAPB-PDA-COF、COF-TpPa-1、DAAQ-TFP-COF、N-COF、ACOF-1、COF-42、COF-43、PI-COF-1、PI-COF-2、PI-COF-3、PI-COF-4又はPI-COF-5等のうち少なくとも1つを用いることが好ましい。 The COF may have at least one of an imine bond, an azine bond, an enamine bond, a hydrazone bond, or an imide bond obtained by a condensation reaction between a ligand having an amino group and a ligand having an aldehyde group or a carbonyl group. preferable. For example, COFs include COF-LZU1, COF-300, TAPB-PDA-COF, COF-TpPa-1, DAAQ-TFP-COF, N 3 -COF, ACOF-1, COF-42, COF-43, PI-COF. It is preferable to use at least one of PI-COF-1, PI-COF-2, PI-COF-3, PI-COF-4, PI-COF-5, and the like.

上に列挙したCOFの化学構造を以下に示す。

Figure 0007414749000002

Figure 0007414749000003

Figure 0007414749000004

Figure 0007414749000005

Figure 0007414749000006

Figure 0007414749000007

Figure 0007414749000008

Figure 0007414749000009

Figure 0007414749000010

Figure 0007414749000011

Figure 0007414749000012

Figure 0007414749000013

Figure 0007414749000014
The chemical structures of the COFs listed above are shown below.
Figure 0007414749000002

Figure 0007414749000003

Figure 0007414749000004

Figure 0007414749000005

Figure 0007414749000006

Figure 0007414749000007

Figure 0007414749000008

Figure 0007414749000009

Figure 0007414749000010

Figure 0007414749000011

Figure 0007414749000012

Figure 0007414749000013

Figure 0007414749000014

上に列挙したCOFに含まれるイミン結合、アジン結合、エナミン結合、ヒドラゾン結合又はイミド結合を以下に示す。

Figure 0007414749000015

Figure 0007414749000016

Figure 0007414749000017

Figure 0007414749000018

Figure 0007414749000019

Figure 0007414749000020

式中、COF-LZU1、COF-300及びTAPB-PDA-COFの矢印はイミン結合(RC=N-R)の位置を示し、COF-TpPa-1、DAAQ-TFP-COFの矢印はエナミン結合(RC=CR-NR)を示し、N-COF及びACOF-1の矢印はアジン結合(RC=N-N=CR)を示し、COF-42及びCOF-43の矢印はヒドラゾン結合(RC=N-NR)を示し、PI-COF-1~5の矢印はイミド結合(RCO-NR-COR)を示す。式中、「R」は、水素、炭化水素基又は官能基を有する炭化水素基であり、式中に複数Rがある場合、各Rは同じ基であっても異なる基であってもよい。 The imine bond, azine bond, enamine bond, hydrazone bond, or imide bond contained in the COF listed above is shown below.
Figure 0007414749000015

Figure 0007414749000016

Figure 0007414749000017

Figure 0007414749000018

Figure 0007414749000019

Figure 0007414749000020

In the formula, the arrows of COF-LZU1, COF-300, and TAPB-PDA-COF indicate the positions of imine bonds (R 2 C=NR), and the arrows of COF-TpPa-1, DAAQ-TFP-COF indicate the positions of enamine bonds. The arrows in N 3 -COF and ACOF-1 indicate the azine bond (R 2 C=N-N=CR 2 ), and the arrows in COF-42 and COF-43 indicate the bond (R 2 C=CR-NR 2 ). Arrows indicate hydrazone bonds (R 2 C=N-NR 2 ), and arrows for PI-COF-1 to 5 indicate imide bonds (RCO-NR-COR). In the formula, "R" is hydrogen, a hydrocarbon group, or a hydrocarbon group having a functional group, and when there is a plurality of R in the formula, each R may be the same group or a different group.

これらは合成が容易で耐熱性や耐水性に優れており、イオン液体8と接触しても、溶解や分解等が起きにくい点でも優れている。 These materials are easy to synthesize, have excellent heat resistance and water resistance, and are also excellent in that they are unlikely to dissolve or decompose even when they come into contact with the ionic liquid 8.

多孔質部材7は、上記の材料に限定されるものではなく、活性炭又はメソポーラスシリカ等も使用可能である。 The porous member 7 is not limited to the above-mentioned materials, and activated carbon, mesoporous silica, etc. can also be used.

多孔質部材7は、例えば、多孔質材料を連続的な一体の膜として成形したものであり得る。また、結晶性の材料である場合は連続した単一の結晶であってもよい。このような多孔質部材7を用いる場合、振動等の物理的刺激による感応膜3の崩壊のリスクが低減される。その結果、より安定した検出が可能である。 The porous member 7 may be, for example, formed from a porous material as a continuous, integral membrane. Further, in the case of a crystalline material, it may be a single continuous crystal. When such a porous member 7 is used, the risk of the sensitive membrane 3 collapsing due to physical stimulation such as vibration is reduced. As a result, more stable detection is possible.

或いは、多孔質部材7は、粒子状若しくは粉末状の多孔質材料及び/又は多孔質材料の断片等を寄せ集めて膜状に成形したものであってもよいし、膜状で無くとも問題はない。粒子、粉末及び断片の大きさは例えば、多孔質部材7の孔7aの直径と比較して十分に大きいことが好ましく、例えば、直径の10倍以上であることが好ましい。このような多孔質部材7は比表面積が大きい。そのため、より多くの対象分子を吸着し、検出感度がより向上され得る。 Alternatively, the porous member 7 may be formed by gathering particulate or powdered porous materials and/or fragments of porous materials into a film shape, or the problem may be solved even if the porous member 7 is not in a film shape. do not have. The size of the particles, powder, and fragments is preferably sufficiently large compared to the diameter of the pores 7a of the porous member 7, for example, preferably 10 times or more the diameter. Such a porous member 7 has a large specific surface area. Therefore, more target molecules can be adsorbed, and detection sensitivity can be further improved.

イオン液体8は、アニオンとカチオンとからなる、融点が150℃以下の塩である。イオン液体8の種類は限定されるものではないが、アニオンの例としては、水酸イオン、ハロゲンアニオン、トリフルオロメタンスルホニル、ビス(トリフルオロメタンスルホニル)イミド、ビス(フルオロスルホニル)イミド、テトラフルオロボラート、ヘキサフルオロホスファート、アセタート、ジシアナミド、p-トルエンスルホナート、テトラクロロフェラート、テトラクロロアルミネート、テトラフルオロアルミネート、ヘキサフルオロアンチモナート、メタンスルホナート、トリフルオロ(トリフルオロメチル)ボラート、チオシアナート、ジエチルホスファート、エチルスルファート等が挙げられる。カチオンの例としては、有機アンモニウム、イミダゾリウム、モルホリウム、ホスホニウム、ピペリジニウム、ピリジニウム、ピロリジニウム、スルホニウム等が挙げられる。 The ionic liquid 8 is a salt consisting of an anion and a cation and having a melting point of 150° C. or lower. The type of ionic liquid 8 is not limited, but examples of anions include hydroxide ion, halogen anion, trifluoromethanesulfonyl, bis(trifluoromethanesulfonyl)imide, bis(fluorosulfonyl)imide, and tetrafluoroborate. , hexafluorophosphate, acetate, dicyanamide, p-toluenesulfonate, tetrachloroferrate, tetrachloroaluminate, tetrafluoroaluminate, hexafluoroantimonate, methanesulfonate, trifluoro(trifluoromethyl)borate, thiocyanate , diethyl phosphate, ethyl sulfate and the like. Examples of cations include organic ammonium, imidazolium, morpholium, phosphonium, piperidinium, pyridinium, pyrrolidinium, sulfonium, and the like.

イオン液体8として、例えば、1-ブチル-3-メチルイミダゾリウムヘキサフルオロホスファート(BMIM-PF)、1-ブチル-4-メチルピリジニウムヘキサフルオロホスファート(BMPy-PF)、1-エチル-3-メチルピリジニウムエチルサルファート(EMPy-ES)、1-エチル-3-ヒドロキシメチルピリジニウムエチルサルファート(EHMPy-ES)等を用いることができる。 Examples of the ionic liquid 8 include 1-butyl-3-methylimidazolium hexafluorophosphate (BMIM-PF 6 ), 1-butyl-4-methylpyridinium hexafluorophosphate (BMPy-PF 6 ), and 1-ethyl- 3-methylpyridinium ethyl sulfate (EMPy-ES), 1-ethyl-3-hydroxymethylpyridinium ethyl sulfate (EHMPy-ES), etc. can be used.

Figure 0007414749000021
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本明細書において、イオン液体8が多孔質部材7と共存しているとは、イオン液体8と多孔質部材7とが感応膜に備えられている状態をさし、イオン液体8と多孔質部材7とが少なくとも一部接触している。接触しているとは、例えば、イオン液体8が少なくとも一部の多孔質部材7の孔7a内部に内包された状態、及びイオン液体8が多孔質部材7の表面又はその近傍等の多孔質部材7の外側に存在している場合を含む。多孔質部材7を分子センサとして用いた場合、対象分子の検出感度は、孔7aの形や大きさにより変わると考えられる。そのため、孔7aの内部にイオン液体8を存在させることで、孔7aの内部の空間の大きさや相互作用の大きさを調整することができるので、感応膜3に付着する対象分子の選択性、特異性、また検出の安定性が向上し得る。一方、イオン液体8が多孔質部材7の表面又はその近傍に存在する場合でも、イオン液体8を経て多孔質部材7へと二段階に対象物質が吸着されることにより、対象分子の選択性、特異性、また検出の安定性が向上する場合もある。また、多孔質部材7の表面形状にマクロな凹凸がある場合、イオン液体8の表面積を実質的に増加させることができる。そのため、イオン液体8と対象分子との接触確率を増加する効果もある。 In this specification, the ionic liquid 8 coexisting with the porous member 7 refers to a state in which the ionic liquid 8 and the porous member 7 are provided in the sensitive membrane; 7 is at least partially in contact with. Being in contact means, for example, that the ionic liquid 8 is encapsulated inside the pores 7a of at least some of the porous members 7, and that the ionic liquid 8 is on the surface of the porous member 7 or in the vicinity of the porous member. Including the case where it exists outside of 7. When the porous member 7 is used as a molecular sensor, the detection sensitivity of target molecules is considered to vary depending on the shape and size of the pores 7a. Therefore, by making the ionic liquid 8 exist inside the pores 7a, the size of the space inside the pores 7a and the size of the interaction can be adjusted, so that the selectivity of target molecules adhering to the sensitive membrane 3, Specificity and also stability of detection may be improved. On the other hand, even when the ionic liquid 8 is present on or near the surface of the porous member 7, the target substance is adsorbed in two stages via the ionic liquid 8 and into the porous member 7, thereby increasing the selectivity of the target molecule. Specificity and stability of detection may also be improved. Moreover, when the surface shape of the porous member 7 has macroscopic irregularities, the surface area of the ionic liquid 8 can be substantially increased. Therefore, there is also the effect of increasing the probability of contact between the ionic liquid 8 and the target molecules.

イオン液体8と多孔質部材7とが共存する状態を特定するには、例えば、メタノール又はエタノールなど、イオン液体8は溶解するが、多孔質部材7は溶解しないような溶媒で感応膜3を洗浄し、イオン液体のみを抽出して、IR(赤外分光分析)、FTIR(フーリエ変換赤外分光分析)などの赤外線分光法、NMR(核磁気共鳴)、GC-MS(ガスクロマトグラフ質量分析)などで同定することが可能である。一方、洗浄後の多孔質部材7は、XRD(X線回折法)による結晶構造解析、SEM(走査電子顕微鏡)、TEM(透過電子顕微鏡)による表面や断面形状観察、EDX(エネルギー分散型X線分析)やXPS(X線光電子分光法)による元素分析、その他、NMR(核磁気共鳴)、TGA(熱重量分析)、BET法(比表面積測定)などを総合して物質を特定することができる。 To identify the state in which the ionic liquid 8 and the porous member 7 coexist, the sensitive membrane 3 is washed with a solvent such as methanol or ethanol that dissolves the ionic liquid 8 but does not dissolve the porous member 7. Then, only the ionic liquid is extracted and subjected to infrared spectroscopy such as IR (infrared spectroscopy), FTIR (Fourier transform infrared spectroscopy), NMR (nuclear magnetic resonance), GC-MS (gas chromatograph mass spectrometry), etc. It is possible to identify the On the other hand, the porous member 7 after cleaning can be analyzed by crystal structure analysis using XRD (X-ray diffraction method), surface and cross-sectional shape observation using SEM (Scanning Electron Microscope), and TEM (Transmission Electron Microscope), and EDX (Energy Dispersive X-ray Substances can be identified by comprehensively using elemental analysis (analysis), XPS (X-ray photoelectron spectroscopy), NMR (nuclear magnetic resonance), TGA (thermogravimetric analysis), BET method (specific surface area measurement), etc. .

イオン液体8が多孔質部材7の孔7a内に入り込むことにより、多孔質部材7の孔7aは特有の性質(例えば、大きさ、形状及び/又は極性等)を有する空間として機能する。このような空間の特性が、該空間に入り込む対象分子の種類や付着量を制限し得る。その結果、付着した対象分子の種類又は量が、感応膜3の物理量、例えば、質量、電気抵抗又は電気伝導度の変化量に反映され得る。このことは、分子センサ1が選択性を示す一つの要因となり得る。 When the ionic liquid 8 enters the pores 7a of the porous member 7, the pores 7a of the porous member 7 function as spaces having specific properties (for example, size, shape, and/or polarity). The characteristics of such a space can limit the type and amount of target molecules that enter the space. As a result, the type or amount of attached target molecules can be reflected in the amount of change in the physical quantity of the sensitive film 3, such as the mass, electrical resistance, or electrical conductivity. This may be one factor in which the molecular sensor 1 exhibits selectivity.

ここで、多孔質部材にイオン液体が保持されていることを特定する方法を説明する。
イオン液体8が多孔質部材7の内部に保持された場合、IR、FTIRなどの赤外分光法、ラマン分光法、などによるスペクトルを取得すると、イオン液体8と多孔質部材7の相互作用により、特定の波長(波数)のスペクトルにシフトが見られる場合がある。また、XPS(X線光電子分光法)により特定の結合エネルギーシフトが見られる場合もある。また、多孔質部材7単体に比べて、BET法等による細孔容積や比表面積の減少が見られる場合もある。さらに、イオン液体8が多孔質部材7の内部に完全に内包された場合は、DSC(示差走査熱量測定)による分析で、イオン液体8単体では見られる結晶化や融解に伴う発熱ピークや吸熱ピークが、閉じ込め効果によって消失する場合がある。例えばこれらの分析を総合して、多孔質部材7にイオン液体8が保持されていることを特定することができる。また、TOF-SIMS(飛行時間型2次イオン質量分析)等を用いて多孔質部材7に対するイオン液体8の存在分布を分析することも可能である。
空間の特性は、多孔質部材7とイオン液体8との種類及び/又は量比の組み合わせを調節することにより容易に変更可能である。多孔質部材7及びイオン液体8は種類が豊富であるため組み合わせは膨大であり、多様な感応膜3を製造することができる。したがって様々な対象分子に対応する感応膜3を製造することができ、様々な分野に適用可能である。
Here, a method for specifying that an ionic liquid is held in a porous member will be explained.
When the ionic liquid 8 is held inside the porous member 7, when a spectrum is obtained by infrared spectroscopy such as IR or FTIR, Raman spectroscopy, etc., due to the interaction between the ionic liquid 8 and the porous member 7, A shift may be observed in the spectrum of a specific wavelength (wavenumber). Further, a specific bond energy shift may be observed by XPS (X-ray photoelectron spectroscopy). Furthermore, compared to the porous member 7 alone, the pore volume and specific surface area may be reduced by the BET method or the like. Furthermore, when the ionic liquid 8 is completely encapsulated inside the porous member 7, analysis by DSC (differential scanning calorimetry) shows exothermic peaks and endothermic peaks due to crystallization and melting that can be seen in the ionic liquid 8 alone. may disappear due to the confinement effect. For example, by integrating these analyses, it can be determined that the ionic liquid 8 is held in the porous member 7. It is also possible to analyze the presence distribution of the ionic liquid 8 in the porous member 7 using TOF-SIMS (time-of-flight secondary ion mass spectrometry) or the like.
The characteristics of the space can be easily changed by adjusting the combination of types and/or quantity ratios of the porous member 7 and the ionic liquid 8. Since there are many types of porous members 7 and ionic liquids 8, there are a huge number of combinations, and a wide variety of sensitive membranes 3 can be manufactured. Therefore, the sensitive membrane 3 corresponding to various target molecules can be manufactured and can be applied to various fields.

多孔性材料7に対するイオン液体8の比は、例えば重量比で5×10-5~3である。重量比が5×10-5よりも少ないと共存の効果が少なくなるか、あるいは効果の発現が不安定になり、重量比が3よりも多いとイオン液体8の特性がメインとなるため、多孔性材料7の性能が発現しにくい。さらに好ましい多孔性材料7に対するイオン液体8の比は、重量比で5×10-4~1.5の範囲である。 The ratio of ionic liquid 8 to porous material 7 is, for example, 5×10 −5 to 3 by weight. If the weight ratio is less than 5 × 10 -5 , the coexistence effect will be reduced or the effect will become unstable, and if the weight ratio is more than 3, the characteristics of the ionic liquid 8 will be the main one, so the porous The performance of material 7 is difficult to exhibit. A more preferred ratio of ionic liquid 8 to porous material 7 is in the range of 5×10 −4 to 1.5 by weight.

感応膜3は、例えば、多孔質部材7の材料とイオン液体8とを含む分散液を所望の部材(例えば、上部電極5)上に滴下することで製膜することができる。或いは、先に多孔質部材7を製膜した後、イオン液体8を多孔質部材7上に滴下してもよい。上記分散液又はイオン液体8にメタノール等の希釈液を入れておき、製膜後乾燥することで希釈液を除去してもよい。また、多孔質部材7を原料から合成する場合、原料と一緒にあらかじめイオン液体8を混合してから合成および製膜することもできる。 The sensitive membrane 3 can be formed, for example, by dropping a dispersion containing the material of the porous member 7 and the ionic liquid 8 onto a desired member (for example, the upper electrode 5). Alternatively, after forming the porous member 7 into a film first, the ionic liquid 8 may be dropped onto the porous member 7. A diluent such as methanol may be added to the dispersion liquid or ionic liquid 8, and the diluted liquid may be removed by drying after film formation. Furthermore, when the porous member 7 is synthesized from raw materials, the ionic liquid 8 can be mixed in advance with the raw materials before synthesis and film formation.

製膜後、感応膜3を加熱することが好ましい。加熱は、水分を除去する目的で100℃以上、分解を回避するため200℃以下が望ましい。例えば加熱は約120℃で2時間行われ、その後室温まで冷却することが好ましい。また、イオン液体8の孔7a内部への拡散を促進する目的で、上記加熱を適宜減圧下で行ってもよい。 It is preferable to heat the sensitive film 3 after film formation. Heating is desirably 100° C. or higher for the purpose of removing moisture and 200° C. or lower for avoiding decomposition. For example, heating is preferably carried out at about 120° C. for 2 hours, followed by cooling to room temperature. Further, in order to promote the diffusion of the ionic liquid 8 into the holes 7a, the heating may be performed under reduced pressure as appropriate.

例えば、複数の感応膜3を製造する場合、複数の多孔質部材7をアレイ状に製膜した後、各多孔質部材7上に異なる種類のイオン液体8をインクジェットプリンタ又はマイクロディスペンサにより滴下することで容易に製造できる。また、同種のイオン液体8の量を多孔質部材7ごとに変えて滴下してもよい。 For example, when manufacturing a plurality of sensitive films 3, after forming a plurality of porous members 7 in an array, different types of ionic liquids 8 are dropped onto each porous member 7 using an inkjet printer or a microdispenser. can be easily manufactured. Alternatively, the amount of the same type of ionic liquid 8 may be varied for each porous member 7 and dropped.

上部電極5及び下部電極6は、例えばPt、Au、Ag、Cu、Mo、Ni、Ti、W、Al、ITO、AZO等であることが好ましい。典型的には10nmのTi層の上に200nmのAu層が積層された膜が用いられる。上部電極5及び下部電極6は、水晶基板4を励振できる形状であれば、図1の(a)に示す形状でなくともよい。 The upper electrode 5 and the lower electrode 6 are preferably made of, for example, Pt, Au, Ag, Cu, Mo, Ni, Ti, W, Al, ITO, AZO, or the like. Typically, a film in which a 200 nm Au layer is laminated on a 10 nm Ti layer is used. The upper electrode 5 and the lower electrode 6 do not need to have the shape shown in FIG. 1A as long as they can excite the crystal substrate 4.

水晶基板4は例えばATカットであることが好ましい。水晶基板4は、図1の(a)に示すような円盤状の形状でなくともよく、多角形等であってもよい。 The crystal substrate 4 is preferably AT-cut, for example. The crystal substrate 4 does not have to have a disc-like shape as shown in FIG. 1(a), but may have a polygonal shape or the like.

QCM検出部2の寸法は限定されるものではなく、一般的なQCM素子と同様であってよい。例えば、水晶基板4の直径は、2mm~10mm程であることが好ましい。感応膜3の寸法については、例えば、平面視したときに上部励振部5aと同心円状でそれよりも小さな直径を有する円盤状に形成されることが好ましい。限定されるものではないが感応膜3の直径は例えば水晶基板4の面積の20%~90%となるように設定されることが好ましい。感応膜3の厚さは例えば10nm~5μm程であることが好ましい。 The dimensions of the QCM detection section 2 are not limited, and may be similar to those of a general QCM element. For example, the diameter of the crystal substrate 4 is preferably about 2 mm to 10 mm. Regarding the dimensions of the sensitive film 3, it is preferable that the sensitive film 3 is formed, for example, into a disk shape that is concentric with the upper excitation part 5a and has a smaller diameter when viewed from above. Although not limited to this, the diameter of the sensitive film 3 is preferably set to be, for example, 20% to 90% of the area of the crystal substrate 4. The thickness of the sensitive film 3 is preferably about 10 nm to 5 μm, for example.

また、分子センサ1は、上部電極5及び下部電極6間にリード線等によって電圧を印加する交流電源(図示せず)と、水晶基板4の周波数を検知する周波数測定装置(図示せず)とを更に備え得る。 The molecular sensor 1 also includes an AC power source (not shown) that applies voltage between the upper electrode 5 and the lower electrode 6 through lead wires, etc., and a frequency measuring device (not shown) that detects the frequency of the crystal substrate 4. It may further include.

・分子検出方法
次に、試料中の対象分子を検出する方法について説明する。ここで、検出するとは、例えば対象分子の種類及び/又は量を検知することであり得る。
-Molecular detection method Next, a method for detecting target molecules in a sample will be explained. Here, detecting may mean, for example, detecting the type and/or amount of the target molecule.

試料は、例えば対象分子を発生し得る固体又は液体である。固体又は液体の試料は、室温大気圧下で対象分子を発生しているものであってもよい。又は試料は、大気、N又はアルゴン等のキャリアガスを流したとき、加熱したとき等に、対象分子を発生するものであってもよい。試料の種類は限定されるものではないが、薬剤、飲食物、飲料水、生物、香料、貨物又は荷物、家庭用品、電化製品等が挙げられる。或いは、試料は、気体であってもよい。気体の試料は、例えば、大気、呼気、排気ガス又はガス燃料等である。 The sample is, for example, a solid or liquid that can generate molecules of interest. The solid or liquid sample may be one in which target molecules are generated at room temperature and atmospheric pressure. Alternatively, the sample may generate target molecules when exposed to air, when flowing a carrier gas such as N 2 or argon, when heated, or the like. The types of samples are not limited, but include drugs, food and drink, drinking water, living things, fragrances, cargo or baggage, household goods, electrical appliances, and the like. Alternatively, the sample may be a gas. The gas sample is, for example, air, exhaled breath, exhaust gas, or gaseous fuel.

対象分子は、例えば気体状態の化学物質である。例えば、対象分子は、限定されるものではないが、揮発性有機化合物(Volatile Organic Compounds:VOC)、酸素、水素、二酸化炭素、一酸化炭素、窒素、希ガス、硫化水素、アンモニア、窒素酸化物、アセチレン、エチレン、メタン、エタン、プロパン等であり得る。対象分子は、例えば麻薬・覚せい剤、火薬、爆薬、化学兵器、生鮮食品又は特定の動物、植物等から発生するあるいは含有する化学物質であってもよい。あるいはカビ臭の原因物質となる2-メチルイソボルネオールやジェオスミンなどでもよい。 The target molecule is, for example, a chemical substance in a gaseous state. For example, target molecules include, but are not limited to, volatile organic compounds (VOC), oxygen, hydrogen, carbon dioxide, carbon monoxide, nitrogen, noble gases, hydrogen sulfide, ammonia, and nitrogen oxides. , acetylene, ethylene, methane, ethane, propane, etc. The target molecule may be, for example, a narcotic/stimulant, gunpowder, explosive, chemical weapon, fresh food, or a chemical substance generated from or contained in a specific animal, plant, or the like. Alternatively, 2-methylisoborneol, geosmin, etc., which are causative substances of mold odor, may be used.

上記したように対象分子は、必ずしも1種類の分子ではなく、複数種類の分子を含んでもよい。複数種類の分子は、例えば、ある1つの匂いを構成する分子群であってもよい。 As described above, the target molecule is not necessarily one type of molecule, but may include multiple types of molecules. The plurality of types of molecules may be, for example, a group of molecules constituting one odor.

実施形態に従う検出方法は、図2に示すように、例えば次の工程を含む。
(S1)感応膜3に対象分子を接触させる接触工程、
(S2)対象分子の付着による感応膜3の物理量の変化を測定する測定工程、及び
(S3)前記測定の結果から対象分子の種類又は量を決定する決定工程。
The detection method according to the embodiment includes, for example, the following steps, as shown in FIG.
(S1) a contact step of bringing the target molecule into contact with the sensitive membrane 3;
(S2) a measurement step of measuring changes in the physical quantities of the sensitive film 3 due to attachment of the target molecule; and (S3) a determining step of determining the type or amount of the target molecule from the measurement results.

以下、検出方法の手順の一例について説明する。 An example of the procedure of the detection method will be described below.

まず、分子センサ1を用意する。次に、例えば、試料が存在する環境に分子センサ1を置く、試料を分子センサ1に近づける、又は試料に対して送風や吸引を行うなどをして、感応膜3に対象分子を接触させる(接触工程S1)。 First, a molecular sensor 1 is prepared. Next, the target molecules are brought into contact with the sensitive membrane 3 by, for example, placing the molecular sensor 1 in an environment where the sample exists, bringing the sample close to the molecular sensor 1, or blowing or suctioning the sample. Contact step S1).

接触工程S1により、感応膜3に対象分子が付着し得る。対象分子が感応膜3に付着しやすい分子である場合、対象分子は感応膜3の表面から入り込み、奥の孔7a内に浸透し得る。 The target molecules can adhere to the sensitive film 3 through the contact step S1. If the target molecule is a molecule that easily adheres to the sensitive membrane 3, the target molecule can enter from the surface of the sensitive membrane 3 and penetrate into the inner pores 7a.

次にQCM検出部2を用いて感応膜3の物理量を測定する(測定工程S2)。例えば、測定は、接触工程S1の前から経時的に行って、測定値の変化量が最大となる時、あるいは一定値(飽和値)となる時の測定データを使ってもよい。また、一定時間における測定値の変化率を使ってもよい。或いは、測定は、経時的に行わなくともよく、その場合、接触工程S1の前と後との少なくとも2時点で行えばよい。 Next, physical quantities of the sensitive film 3 are measured using the QCM detection unit 2 (measurement step S2). For example, the measurement may be carried out over time before the contact step S1, and measurement data may be used when the amount of change in the measured value is maximum or a constant value (saturation value). Alternatively, a rate of change in measured values over a certain period of time may be used. Alternatively, the measurement need not be performed over time; in that case, the measurement may be performed at least two times, before and after the contact step S1.

更なる実施形態によれば、接触工程S1前に測定を行わなくともよい。その時は、接触工程S1前の測定値として、過去に得られた感応膜3に対象分子が付着していない時の物理量測定値を用いてもよい。又は接触工程S1の前の測定値として、対象分子を検出可能な量で含まない気体、例えば、大気の測定値を使ってもよい。 According to a further embodiment, no measurement need be carried out before the contacting step S1. At that time, the physical quantity measurement value obtained in the past when the target molecule is not attached to the sensitive film 3 may be used as the measurement value before the contact step S1. Alternatively, as the measurement value before the contact step S1, a measurement value of a gas that does not contain the target molecule in a detectable amount, such as the atmosphere, may be used.

QCM検出部2においては、水晶基板4の振動周波数を電気的信号に変換して検知することで、感応膜3の質量の測定を行うことができる。接触工程S1後、感応膜3に付着した対象分子の質量分のエネルギー損失により水晶基板4の振動周波数が変化し、それにより変化した電気的信号測定値が得られる。 In the QCM detection unit 2, the mass of the sensitive film 3 can be measured by converting the vibration frequency of the crystal substrate 4 into an electrical signal and detecting it. After the contact step S1, the vibration frequency of the crystal substrate 4 changes due to the energy loss corresponding to the mass of the target molecules attached to the sensitive film 3, and thereby a changed electrical signal measurement value is obtained.

次に、測定工程S2で得られた測定結果を用いて、対象分子の種類又は量を決定する(決定工程S3)。まず、接触工程S1の前後における測定値の変化量を算出する。例えば、接触工程S1の後の測定値から接触工程S1の前の測定値から差し引くことにより変化量を算出する。変化量は、電気的信号の変化量のまま次の工程に用いてもよいし、物理量の変化量に換算したものを用いてもよい。次に、変化量から対象分子の種類又は量を決定する。 Next, the type or amount of the target molecule is determined using the measurement results obtained in the measurement step S2 (determination step S3). First, the amount of change in the measured value before and after the contact step S1 is calculated. For example, the amount of change is calculated by subtracting the measured value after the contacting step S1 from the measured value before the contacting step S1. The amount of change may be used in the next step as it is in the electrical signal, or may be converted into the amount of change in a physical quantity. Next, the type or amount of the target molecule is determined from the amount of change.

例えば、本検出方法を実行する前に、複数種類の感応膜3について、それぞれ複数種類の既知の標準対象分子について物理量の変化を予め測定することにより、感応膜3の種類毎に検知できる対象分子の種類を対応付けておくことができる。 For example, before performing this detection method, by measuring in advance changes in physical quantities for multiple types of known standard target molecules for multiple types of sensitive membranes 3, target molecules that can be detected for each type of sensitive membrane 3 types can be associated with each other.

従って、特定の感応膜3を用いて試料における物理量の変化があった場合、上記対応付けと照らし合わせることにより、試料に含まれる対象分子がその感応膜3で検知できる標準対象分子の何れかであると決定することができる。また、試料について物理量の変化が見られなかった場合、他の感応膜3を用いて再度検出を行うことを繰り返して、物理量が変化した感応膜3を見つけることにより、対象分子の種類を絞り込むことができる。後述する複数の分子センサを備えるマルチ分子センサを用いることにより、これを一度に行うことが可能である。 Therefore, if there is a change in the physical quantity of a sample using a specific sensitive membrane 3, by comparing it with the above correspondence, it can be determined that the target molecule contained in the sample is one of the standard target molecules that can be detected by the sensitive membrane 3. It can be determined that there is. Furthermore, if no change in the physical quantity is observed in the sample, the detection is repeated using other sensitive membranes 3, and by finding the sensitive membrane 3 in which the physical quantity has changed, the type of target molecule can be narrowed down. Can be done. This can be done at once by using a multi-molecule sensor including a plurality of molecular sensors, which will be described later.

また、分子センサ1により対象分子の量や濃度も決定することも可能である。例えば、特定の標準対象分子と対応付けられた感応膜3を用いて、複数濃度の当該標準対象分子で感応膜3の物理量の変化量の検量線を作成する。試料における変化量をこの検量線と照らし合わせることで、対象分子の濃度を決定することが可能である。 It is also possible to determine the amount and concentration of target molecules using the molecular sensor 1. For example, using the sensitive membrane 3 associated with a specific standard target molecule, a calibration curve of the amount of change in the physical quantity of the sensitive membrane 3 is created using a plurality of concentrations of the standard target molecule. By comparing the amount of change in the sample with this calibration curve, it is possible to determine the concentration of the target molecule.

更なる実施形態において、分子検出方法は、測定工程S2の後、感応膜3を加熱することにより、感応膜3に付着した対象分子を除去する加熱除去工程を更に含んでもよい。例えば、加熱は、80℃~200℃で10秒~600秒程行うことが好ましい。この条件で加熱を実行することにより、感応膜3の内部まで入り込んだ対象分子を容易に放出させることができる。多孔質部材7及びイオン液体8は、例えば200℃以上の優れた耐熱性を有するため、このような加熱条件でも感応膜3の構造を変性させることなく、対象分子のほとんど全てを除去することができる。その結果、残留した対象分子による感度低下が防止され、再び高感度で検出が行える状態となる。このようなことから、実施形態の分子センサ1は加熱という簡単な操作で再利用することができ、経済的である。 In a further embodiment, the molecule detection method may further include a heating removal step of removing target molecules attached to the sensitive film 3 by heating the sensitive film 3 after the measurement step S2. For example, heating is preferably performed at 80° C. to 200° C. for about 10 seconds to 600 seconds. By performing heating under these conditions, target molecules that have entered the sensitive film 3 can be easily released. Since the porous member 7 and the ionic liquid 8 have excellent heat resistance of, for example, 200° C. or higher, almost all of the target molecules can be removed without denaturing the structure of the sensitive membrane 3 even under such heating conditions. can. As a result, a decrease in sensitivity due to the remaining target molecules is prevented, and detection can be performed with high sensitivity again. For this reason, the molecular sensor 1 of the embodiment can be reused by a simple operation of heating, which is economical.

分子センサ1は、感応膜3を加熱する温度調節装置を備えてもよい。 The molecular sensor 1 may include a temperature control device that heats the sensitive membrane 3.

実施形態の分子センサ1によれば、上記したように多孔質部材7及びイオン液体8の種類や量比を変更することで、対象分子が付着する空間の大きさ、形状、極性等を容易に調節することができる。したがって、多様な対象分子より選択的、特異的に検出するための多様な感応膜3を提供することができる。 According to the molecular sensor 1 of the embodiment, by changing the type and quantity ratio of the porous member 7 and the ionic liquid 8 as described above, the size, shape, polarity, etc. of the space to which target molecules adhere can be easily adjusted. Can be adjusted. Therefore, it is possible to provide a variety of sensitive membranes 3 for selectively and specifically detecting a variety of target molecules.

また、多孔質部材7は多数の孔7aを有し、比表面積が大きい。例えば、比表面積は、約十m/gから数千m/g程である。このような多孔質部材7の使用により、上記のような対象分子が入ることができる空間が多数形成され、対象分子をより多く吸着することができる。したがって、より高感度な検出を行うことが可能である。 Further, the porous member 7 has a large number of pores 7a and has a large specific surface area. For example, the specific surface area is about ten m 2 /g to several thousand m 2 /g. By using such a porous member 7, a large number of spaces are formed into which the target molecules as described above can enter, and a larger number of target molecules can be adsorbed. Therefore, it is possible to perform detection with higher sensitivity.

加えて、多孔質部材7の孔7aの分子構造は2次元的、あるいは3次元的に化学結合が連続しているため、変形しにくく、多孔質部材7全体に亘ってほぼ均一に維持される。したがって、上記のような対象分子が入る空間の大きさ、形状及び/又は極性のばらつきが少なく、安定した検出を行うことが可能である。 In addition, since the molecular structure of the pores 7a of the porous member 7 has continuous chemical bonds in two or three dimensions, it is difficult to deform and is maintained almost uniformly throughout the porous member 7. . Therefore, there is little variation in the size, shape, and/or polarity of the space into which the target molecules enter as described above, and stable detection can be performed.

・マルチ分子センサ
更なる実施形態によれば、種類が互いに異なる複数の分子センサを備えるマルチ分子センサが提供される。また、ここで「種類が互いに異なる」とは、感応膜3に使われている多孔質部材7とイオン液体8との種類及び/又は量比の組み合わせが互いに異なることをいう。互いに異なるとは、すべての分子センサが異なっている必要はなく、一部同一も含む。
-Multi-molecule sensor According to a further embodiment, a multi-molecule sensor including a plurality of molecular sensors of different types is provided. Moreover, here, "the types are different from each other" means that the combinations of types and/or quantity ratios of the porous member 7 and the ionic liquid 8 used in the sensitive membrane 3 are different from each other. "Different from each other" does not necessarily mean that all molecular sensors are different, and includes some of them being the same.

図3はマルチ分子センサ10を示す。マルチ分子センサ10は、基板11上にアレイ状に配置された4種の分子センサ1a~1dを備える。分子センサ1a~1dは、それぞれ上記に説明した分子センサ1と同様の構成を有し、互いに種類の異なる感応膜3a~3dをそれぞれ備える。それ以外の構成は、互いに同様であってもよい。 FIG. 3 shows a multi-molecule sensor 10. The multi-molecule sensor 10 includes four types of molecular sensors 1a to 1d arranged in an array on a substrate 11. The molecular sensors 1a to 1d each have the same configuration as the molecular sensor 1 described above, and each includes a different type of sensitive film 3a to 3d. The other configurations may be the same.

マルチ分子センサ10においては、感応膜3a~3dの物理量の変化をそれぞれ個別に測定することができる。例えば、分子センサ1a~1dは、それぞれ個別に周波数測定装置(図示せず)を備えるか、又は1つの周波数測定装置で分子センサ1a~1dについて1つずつ順番に測定を行ってもよい。 In the multi-molecule sensor 10, changes in the physical quantities of the sensitive films 3a to 3d can be measured individually. For example, each of the molecular sensors 1a to 1d may be individually equipped with a frequency measuring device (not shown), or one frequency measuring device may sequentially measure each of the molecular sensors 1a to 1d one by one.

マルチ分子センサ10を用いた検出方法においては、例えば、1種の試料を一度に分子センサ1a~1dに接触させて測定を行う。その結果、分子センサ1a~1dに対応する4つの変化量(データa~d)が得られる。複数のデータa~dを合わせて1つのパターンとして認識すると、そのパターンは対象分子の種類に応じて異なり得る。例えば、複数種類の標準対象分子について変化量パターンを予め記録しておき、試料におけるパターンをそれらと照らし合わせ、パターンが似た標準対象分子あれば、同じ種類の対象分子が試料中に存在すると決定することができる。 In the detection method using the multi-molecule sensor 10, for example, measurement is performed by bringing one type of sample into contact with the molecular sensors 1a to 1d at a time. As a result, four amounts of change (data a to d) corresponding to the molecular sensors 1a to 1d are obtained. When a plurality of data a to d are combined and recognized as one pattern, the pattern may differ depending on the type of target molecule. For example, by recording variation patterns for multiple types of standard target molecules in advance and comparing the patterns in the sample with those, if there are standard target molecules with similar patterns, it is determined that the same type of target molecules exist in the sample. can do.

パターンとは、例えば、4つの変化量の比であり得る。或いは、例えば、図4に示すようにデータa~dをレーダーチャートで表すことにより、パターンは特定形状の多角形として得られる。この形状が対象分子の種類に応じて異なり得るため、形状に基づいて上記のような照らし合わせを行うことで容易に対象分子の種類を特定することができる。 The pattern can be, for example, a ratio of four amounts of change. Alternatively, for example, by representing the data a to d in a radar chart as shown in FIG. 4, the pattern can be obtained as a polygon with a specific shape. Since this shape may differ depending on the type of target molecule, the type of target molecule can be easily identified by performing the above comparison based on the shape.

またのパターン全体の大きさにより、対象分子の量を決定することも可能である。例えば、レーダーチャートの多角形の形状がある標準対象分子と類似で、多角形の大きさがそれよりも大きい場合は、試料に含まれる対象分子は標準対象分子と同じ種類ものであるが、それよりも量が多いことが分かる。 It is also possible to determine the amount of target molecules based on the size of the entire pattern. For example, if the shape of a polygon on a radar chart is similar to a certain standard target molecule, but the size of the polygon is larger, the target molecule contained in the sample is the same type as the standard target molecule, but it is different from the standard target molecule. It can be seen that the amount is larger than that of

マルチ分子センサに含まれる分子センサの数は4個に限定されるものではなく、2個、3個又は4個以上配置されてもよい。好ましくは、分子センサは3個以上配置される。分子センサの数が多いほど、似た化学構造の対象分子も高精度に検出することができる。生物の嗅覚受容体の種類と同程度の数を配置すれば、生物の嗅覚を再現することも可能である。また複数の分子センサは必ずしもアレイ状に配置されている必要はなく、一直線状、円状、ランダムな位置等の何れの配置であってもよい。 The number of molecular sensors included in the multi-molecule sensor is not limited to four, and two, three, or four or more may be arranged. Preferably, three or more molecular sensors are arranged. The more molecular sensors there are, the more accurately target molecules with similar chemical structures can be detected. It is also possible to reproduce the sense of smell of living things by arranging the same number of olfactory receptors as the living things. Further, the plurality of molecular sensors do not necessarily have to be arranged in an array, and may be arranged in a straight line, in a circle, at random positions, or the like.

更なる実施形態によれば、上記のようなパターン認識を応用し、機械学習等を用いた解析により、複数の種類の対象分子を含む試料の種類を識別あるいは区別することも可能である。例えば、バラの匂い、ワインの匂い等、複数の化学物質からなる1つの匂いも、マルチ分子センサによりそれぞれパターンを得ることができる。複数の既知の標準試料のパターンと照らし合わせることで、試料から得られるパターンからその種類や量を検知することが可能である。また、例えば同じワインの匂いであっても、銘柄の違いなどわずかな組成の違いを持つ複合体を識別あるいは区別することも可能である。 According to a further embodiment, it is also possible to apply pattern recognition as described above and perform analysis using machine learning or the like to identify or differentiate the types of samples containing a plurality of types of target molecules. For example, a pattern can be obtained for each odor made of multiple chemical substances, such as the odor of roses and the odor of wine, using a multi-molecule sensor. By comparing the patterns of a plurality of known standard samples, it is possible to detect the type and amount of the sample from the pattern obtained from the sample. Furthermore, it is also possible to identify or distinguish between compounds that have slight compositional differences, such as different brands, even if they smell like the same wine.

マルチ分子センサの感応膜は、複数の多孔質部材7をアレイ状に製膜した後、各多孔質部材7上に異なるイオン液体8をインクジェットプリンタ又はマイクロディスペンサにより滴下することで容易に製造できる。また、同種のイオン液体8の量を変えて滴下してもよい。 The sensitive membrane of the multi-molecule sensor can be easily manufactured by forming a plurality of porous members 7 in an array and then dropping different ionic liquids 8 onto each porous member 7 using an inkjet printer or a microdispenser. Alternatively, the same type of ionic liquid 8 may be dropped in different amounts.

(第2実施形態)
第2実施形態によれば、検出部としてマイクロカンチレバー(Micro Cantilever:MCL)を用いた測定機構を有する分子センサが提供される。
(Second embodiment)
According to the second embodiment, a molecular sensor having a measurement mechanism using a micro cantilever (MCL) as a detection section is provided.

図5は、MCL検出部21を備える分子センサ20を示す。図5の(a)は、分子センサ20の平面図であり、図5の(b)は、分子センサ20のB-B’に沿って切断した断面図である。 FIG. 5 shows a molecular sensor 20 including an MCL detection section 21. 5(a) is a plan view of the molecular sensor 20, and FIG. 5(b) is a cross-sectional view of the molecular sensor 20 taken along the line B-B'.

この例における分子センサ20は、MCL検出部21とその表面に設けられた感応膜3とを備える。 The molecular sensor 20 in this example includes an MCL detection section 21 and a sensitive film 3 provided on the surface thereof.

MCL検出部21は、平面視すると細長い長方形であり、支持体22に固定された固定端21aと、固定されていない自由端21bとを有する。即ち、片持ち梁状の形状である。MCL検出部21は、層状構造を有し、基板23を最下層に備える。基板23上には、下部電極24が積層されている。下部電極24上には、圧電体25が積層されている。圧電体25上の2つの長辺に沿って細長い第1上部電極26a、第2上部電極26bが積層されている。また、第1上部電極26aと第2上部電極26bとの間の固定端21a側に位置する圧電体25上は、検出電極27が積層されている。 The MCL detection unit 21 has an elongated rectangular shape when viewed from above, and has a fixed end 21a fixed to the support body 22 and a free end 21b that is not fixed. That is, it has a cantilever shape. The MCL detection unit 21 has a layered structure and includes a substrate 23 at the bottom layer. A lower electrode 24 is laminated on the substrate 23 . A piezoelectric body 25 is laminated on the lower electrode 24 . An elongated first upper electrode 26a and a second upper electrode 26b are laminated along two long sides of the piezoelectric body 25. Furthermore, a detection electrode 27 is stacked on the piezoelectric body 25 located on the fixed end 21a side between the first upper electrode 26a and the second upper electrode 26b.

感応膜3は、MCL検出部21の最上表面の自由端21bに近い部分に固定されていることが好ましい。例えば、感応膜3は第1上部電極26aと第2上部電極26bとの間の圧電体25上に固定されている。圧電体25と感応膜3の間には、図示しないAu薄膜などの導電膜、SiOなどの絶縁膜や、Al、TiOなどの金属酸化膜、シランカップリング剤、自己組織化単分子膜などが介在してもよい。 The sensitive film 3 is preferably fixed to a portion of the uppermost surface of the MCL detection section 21 near the free end 21b. For example, the sensitive film 3 is fixed on the piezoelectric body 25 between the first upper electrode 26a and the second upper electrode 26b. Between the piezoelectric body 25 and the sensitive film 3, there is a conductive film such as an Au thin film (not shown), an insulating film such as SiO 2 , a metal oxide film such as Al 2 O 3 or TiO 2 , a silane coupling agent, and a self-organizing film. A monomolecular film or the like may be present.

第1上部電極26a及び第2上部電極26bと下部電極24とは交流電源等に接続されており、圧電体25に交流電圧を印加する。圧電体25は電圧印加により変形するため、交流電圧により伸縮して所定の共振周波数で振動する。検出電極27は、圧電体25の周波数を検出する。 The first upper electrode 26a, the second upper electrode 26b, and the lower electrode 24 are connected to an AC power source or the like, and apply an AC voltage to the piezoelectric body 25. Since the piezoelectric body 25 is deformed by voltage application, it expands and contracts with the alternating current voltage and vibrates at a predetermined resonant frequency. The detection electrode 27 detects the frequency of the piezoelectric body 25.

基板23は、例えばシリコン、ガラス、樹脂等を用いて形成される。 The substrate 23 is formed using silicon, glass, resin, etc., for example.

上部電極26、下部電極24、検出電極27は、例えばPt、Au、Mo、W、Al等の金属材料を用いて形成される。 The upper electrode 26, the lower electrode 24, and the detection electrode 27 are formed using a metal material such as Pt, Au, Mo, W, or Al.

圧電体25は、例えばチタン酸ジルコン酸鉛(PZT)、亜鉛ニオブ酸鉛-チタン酸鉛固溶体(PZN-PT)、マンガン酸ニオブ酸鉛-チタン酸ジルコン酸鉛固溶体(PMnN-PZT)、窒化アルミニウム(AlN)、酸化亜鉛(ZnO)、ニオブ酸カリウムナトリウム(KNN)、ニオブ酸リチウム(LiNbO)等を用いて形成される。 The piezoelectric body 25 is made of, for example, lead zirconate titanate (PZT), lead zinc niobate-lead titanate solid solution (PZN-PT), lead manganate niobate-lead zirconate titanate solid solution (PMnN-PZT), or aluminum nitride. (AlN), zinc oxide (ZnO), potassium sodium niobate (KNN), lithium niobate (LiNbO 3 ), and the like.

MCL検出部21の寸法は限定されるものではなく、一般的なMCL素子と同様であってよい。例えば、感応膜3の平面視したときの寸法はMCL21の面積の20%~90%となるように設定され得る。断面の厚さは10nm~5μm程であることが好ましい。 The dimensions of the MCL detection section 21 are not limited, and may be similar to those of a general MCL element. For example, the dimensions of the sensitive film 3 when viewed in plan may be set to be 20% to 90% of the area of the MCL 21. The thickness of the cross section is preferably about 10 nm to 5 μm.

このような分子センサ20も第1実施形態と同様の検出方法に用いることができる。分子センサ20においては、対象分子が感応膜3に付着すると、その質量分のエネルギー損失が発生するため、圧電体25の共振周波数が変化する。それを検出電極27で測定することにより、対象分子を検出することができる。 Such a molecular sensor 20 can also be used in the same detection method as in the first embodiment. In the molecular sensor 20, when a target molecule adheres to the sensitive film 3, an energy loss corresponding to the mass of the target molecule occurs, so that the resonant frequency of the piezoelectric body 25 changes. By measuring it with the detection electrode 27, the target molecule can be detected.

また、分子センサ20もマルチ分子センサとすることが可能である。例えば、1つの支持体22に互いに感応膜3の構成が異なる複数種類の分子センサ20が固定され得る。また、互いに感応膜3の構成が異なる複数種類の分子センサ20がそれぞれ異なる支持体に固定されていてもよい。 Furthermore, the molecular sensor 20 can also be a multi-molecule sensor. For example, a plurality of types of molecular sensors 20 having different configurations of the sensitive membranes 3 may be fixed to one support 22. Furthermore, a plurality of types of molecular sensors 20 having different configurations of the sensitive membranes 3 may be fixed to different supports.

以上にQCM検出部2、MCL検出部21を用いる例について説明したが、検出部はこれらに限定されるものではなく、他の測定機構を用いてもよい。検出部は、例えば、感応膜3の質量変化を測定できる機構であることが好ましい。 Although an example using the QCM detection section 2 and the MCL detection section 21 has been described above, the detection section is not limited to these, and other measurement mechanisms may be used. It is preferable that the detection unit is a mechanism that can measure changes in the mass of the sensitive film 3, for example.

更なる実施形態によれば、表面弾性波(Surface Acoustic Wave:SAW)等を用いた検出部が提供される。SAW検出部は、例えば、圧電基板表面に所望の間隔を空けて配置された2組のくし形電極(interdigitated electrode:IDE)を備える。感応膜3は、例えば圧電基板上の2組の電極の間に配置され得る。感応膜3に対象分子が付着すると、圧電基板表面を伝搬する弾性表面波の伝搬速度および振幅に変化が生じ、それを2つの電極で検出することで対象分子を検出することができる。 According to a further embodiment, a detection unit using surface acoustic waves (SAW) or the like is provided. The SAW detection unit includes, for example, two sets of interdigitated electrodes (IDE) arranged on the surface of the piezoelectric substrate at a desired interval. The sensitive membrane 3 can be arranged, for example, between two sets of electrodes on a piezoelectric substrate. When a target molecule adheres to the sensitive film 3, a change occurs in the propagation speed and amplitude of the surface acoustic wave propagating on the surface of the piezoelectric substrate, and by detecting this with two electrodes, the target molecule can be detected.

或いは、感応膜3の電気抵抗、インピーダンス、電気伝導度等の変化等を測定できる機構を備える検出部を用いてもよい。そのような検出部は、例えば、電界効果型トランジスタ(Field effect transistor:FET)、IDE型センサ(interdigitated electrode:IDE)等を用いる。 Alternatively, a detection section equipped with a mechanism capable of measuring changes in electrical resistance, impedance, electrical conductivity, etc. of the sensitive film 3 may be used. Such a detection unit uses, for example, a field effect transistor (FET), an interdigitated electrode (IDE), or the like.

例えば、FETを用いる場合、感応膜3は、例えばソース電極及びドレイン電極間を接続するチャンネルとして配置することができる。IDE型センサを用いる場合、感応膜3は、例えばIDEの電極間あるいは電極上に設けられ得る。 For example, when using a FET, the sensitive film 3 can be arranged as a channel connecting, for example, a source electrode and a drain electrode. When using an IDE type sensor, the sensitive film 3 can be provided, for example, between or on the electrodes of the IDE.

(第3実施形態)
・分子検出装置
第3実施形態によれば、以上に説明した何れかの分子センサを備える分子検出装置が提供される。図6に示すように、分子検出装置100は、分子センサ1を含む検出ユニット101と処理装置102を備える。
(Third embodiment)
-Molecular Detection Device According to the third embodiment, a molecule detection device including any of the molecular sensors described above is provided. As shown in FIG. 6, the molecular detection device 100 includes a detection unit 101 including the molecular sensor 1 and a processing device 102.

検出ユニット101は、吸気孔30と、ガス発生装置31と、検出チャンバ32と、排気孔33とを備える。これらの各部材は、例えば流路によって連結されている。図中の矢印は、ガスの流れる方向を表している。 The detection unit 101 includes an intake hole 30, a gas generator 31, a detection chamber 32, and an exhaust hole 33. Each of these members is connected, for example, by a flow path. The arrows in the figure represent the direction of gas flow.

吸気孔30とポンプ35の間には図示しないフィルタが備えられていてもよい。吸気孔30とガス発生装置31とは、例えば流路34aにより連結している。例えば流路34aには、ポンプ35、圧力レギュレータ36及びマスフローコントローラ37が、吸気孔30側からガス発生装置31に向けてこの順序で介装されている。 A filter (not shown) may be provided between the intake hole 30 and the pump 35. The intake hole 30 and the gas generator 31 are connected, for example, by a flow path 34a. For example, a pump 35, a pressure regulator 36, and a mass flow controller 37 are installed in the flow path 34a in this order from the intake hole 30 side toward the gas generator 31.

ガス発生装置31は、例えば試料38を収容するための容器31aと、容器31a内に吸気孔30から吸気した大気を導入させるためのガス導入管31bと、容器31a内からガスを導出するガス導出管31cと、図示しない試料投入口とを備える。ガス導入管31bは、例えば容器31aの底部に収容された試料38と対向するように配置されている。ガス導出管31cは、三方弁39bが介装された流路34cにより検出チャンバ32に連結している。 The gas generator 31 includes, for example, a container 31a for accommodating a sample 38, a gas introduction pipe 31b for introducing atmospheric air taken in from the intake hole 30 into the container 31a, and a gas outlet for introducing gas from inside the container 31a. It includes a tube 31c and a sample inlet (not shown). The gas introduction pipe 31b is arranged, for example, to face the sample 38 housed at the bottom of the container 31a. The gas outlet pipe 31c is connected to the detection chamber 32 through a flow path 34c in which a three-way valve 39b is interposed.

マスフローコントローラ37とガス発生装置31のガス導入管31bの間には三方弁39aが介装されている。三方弁39aの一つの弁はガス導入管31bに、もう一つの弁は流路34bを経由して、ガス導出管31cと三方弁39bとをつなぐ流路34cに連結されている。流路34bが流路34cに連結される直前にはガス発生装置31への逆流を防止するバルブが別途設けられてもよい。 A three-way valve 39a is interposed between the mass flow controller 37 and the gas introduction pipe 31b of the gas generator 31. One valve of the three-way valve 39a is connected to the gas introduction pipe 31b, and the other valve is connected to a flow path 34c connecting the gas outlet pipe 31c and the three-way valve 39b via a flow path 34b. A valve for preventing backflow to the gas generator 31 may be separately provided immediately before the flow path 34b is connected to the flow path 34c.

三方弁39bの3つ目の弁には流路34dが連結されている。流路34dの他端は、排気孔33に直接連結されている。三方弁39bは、測定を行う場合にはガスを検出チャンバ32へ送るように切り替えられ、測定を行わない場合には流路34dにガスを送るように切り替えられ、ガスを排気孔33から排出する。 A flow path 34d is connected to the third valve of the three-way valve 39b. The other end of the flow path 34d is directly connected to the exhaust hole 33. The three-way valve 39b is switched to send gas to the detection chamber 32 when measuring, and is switched to send gas to the flow path 34d when not measuring, and discharges the gas from the exhaust hole 33. .

検出チャンバ32には、分子センサ1が収容されている。分子センサ1は、ガス発生装置31から送られたガスに含まれる対象分子の分析を行う。検出チャンバ32は、分子センサ1の感応膜3を加熱及び冷却するための温度調節装置32aを備えてもよい。検出チャンバ32は、分子センサ1の検出部に電圧を印加する電源(図示せず)を更に備えてもよい。 The detection chamber 32 houses the molecular sensor 1. The molecular sensor 1 analyzes target molecules contained in the gas sent from the gas generator 31. The detection chamber 32 may include a temperature adjustment device 32a for heating and cooling the sensitive membrane 3 of the molecular sensor 1. The detection chamber 32 may further include a power source (not shown) that applies voltage to the detection section of the molecular sensor 1.

検出チャンバ32は、流路34eにより排気孔33と連結され、それにより分析を終えたガスは流路34eを通して排出される。 The detection chamber 32 is connected to the exhaust hole 33 by a flow path 34e, so that the gas that has been analyzed is exhausted through the flow path 34e.

例えば、検出ユニット101は、ポンプ35、圧力レギュレータ36、マスフローコントローラ37、三方弁39a、三方弁39b、温度調節装置32a及び電源を後述するCPU40の指令により駆動するドライバ46(図7参照)を更に備えてもよい。 For example, the detection unit 101 further includes a driver 46 (see FIG. 7) that drives a pump 35, a pressure regulator 36, a mass flow controller 37, a three-way valve 39a, a three-way valve 39b, a temperature adjustment device 32a, and a power source according to a command from a CPU 40 (described later). You may prepare.

検出チャンバ32は、例えばカセット状に形成され、検出ユニット101に出し入れ可能に取り付けられていてもよい。その場合検出したい対象分子の種類に応じて分子センサ1を交換することができる。又は、検出チャンバ32は検出ユニット101に固定されていても問題はない。検出チャンバ32に配置される分子センサ1は、上記の何れの実施形態の分子センサであってもよい。また、分子センサは複数セットされてもよく、マルチ分子センサであってもよい。 The detection chamber 32 may be formed into a cassette shape, for example, and may be attached to the detection unit 101 so as to be removable. In that case, the molecular sensor 1 can be replaced depending on the type of target molecule to be detected. Alternatively, there is no problem even if the detection chamber 32 is fixed to the detection unit 101. The molecular sensor 1 disposed in the detection chamber 32 may be the molecular sensor of any of the embodiments described above. Moreover, a plurality of molecular sensors may be set, and a multi-molecule sensor may be used.

処理装置102は、図7に示すように、例えばCPU40と、記憶部41と、入力デバイス42と、表示デバイス43とを備える。また、処理装置102は、分子センサ1からの測定値を電気的信号として記憶部41に出力するインターフェース(I/F)44、ドライバ46に駆動信号を出力するI/F45を更に備えてもよい。 The processing device 102 includes, for example, a CPU 40, a storage unit 41, an input device 42, and a display device 43, as shown in FIG. The processing device 102 may further include an interface (I/F) 44 that outputs the measured value from the molecular sensor 1 as an electrical signal to the storage unit 41, and an I/F 45 that outputs a drive signal to the driver 46. .

CPU40は、プログラムに従って検出ユニット101及び処理装置102の各部の制御及び測定値の演算を行う。 The CPU 40 controls each part of the detection unit 101 and the processing device 102 and calculates measured values according to a program.

記憶部41は、CPU40が実行するプログラム、分子センサ1から出力された測定値の情報、並びに測定値の演算に使用する演算式や検量線、及び/又は標準対象分子の測定値若しくはパターン等を記憶する。記憶部41は、不揮発性メモリ、例えば、フラッシュメモリ等、及び揮発性メモリ、例えば、RAM等を含む。 The storage unit 41 stores programs executed by the CPU 40, information on the measured values output from the molecular sensor 1, calculation formulas and calibration curves used to calculate the measured values, and/or measured values or patterns of standard target molecules. Remember. The storage unit 41 includes a nonvolatile memory, such as a flash memory, and a volatile memory, such as a RAM.

入力デバイス42は、処理装置102に種々の情報を入力するキーボード、マウス、スイッチ、ボタン等を備える。 The input device 42 includes a keyboard, a mouse, switches, buttons, etc. for inputting various information to the processing device 102.

表示デバイス43は、演算結果等を図表やテキストとして表示するディスプレイ等を備える。入力デバイス42と表示デバイス43を別々に設ける代わりに、表示機能と入力機能を備えるタッチパネルを設けてもよい。 The display device 43 includes a display that displays calculation results and the like as charts and text. Instead of providing the input device 42 and the display device 43 separately, a touch panel having a display function and an input function may be provided.

処理装置102内の各部は、例えばシステムバス47によって接続されている。 Each part within the processing device 102 is connected by, for example, a system bus 47.

分子検出装置100は、ガス発生装置31を備えなくともよい。その場合は、吸気孔30を試料38に近づけたり、更に送風、吸引を行ったり、分子検出装置100を試料38が存在する空間に置いたりすることにより測定を行うことができる。 The molecule detection device 100 does not need to include the gas generator 31. In that case, measurement can be performed by bringing the intake hole 30 closer to the sample 38, by further blowing or suctioning air, or by placing the molecule detection device 100 in a space where the sample 38 exists.

分子センサ1は、1mmオーダー程のチップとして製造することが可能である。また、分子検出装置100は、数十cmオーダー程の携帯可能な機器とすることも可能である。 The molecular sensor 1 can be manufactured as a chip on the order of 1 mm. Further, the molecule detection device 100 can also be a portable device with a size on the order of several tens of centimeters.

分子検出装置100の操作方法について図8を用いて説明する。 A method of operating the molecule detection device 100 will be explained using FIG. 8.

まず、キャリアガスを検出チャンバ32に通気する(S101)。キャリアガスは、例えば、大気であるが、その他の気体であってもよい。キャリアガスとして、例えばボンベ等に接続されたNやアルゴンガス等を用いてもよい。ボンベを用いる場合はポンプを使用せず、直接圧力レギュレータ36に接続される。 First, carrier gas is vented into the detection chamber 32 (S101). The carrier gas is, for example, the atmosphere, but may be other gases. As the carrier gas, for example, N 2 or argon gas connected to a cylinder or the like may be used. When using a cylinder, a pump is not used and it is directly connected to the pressure regulator 36.

例えば、CPU40からの指令により三方弁39aをガス発生装置31側に、三方弁39bを検出チャンバ32側に切り替え、ドライバ46を通してポンプ35を駆動する。ポンプ35の駆動により、キャリアガスは、吸気孔30から流路34a、ガス発生装置31及び流路34cを通して検出チャンバ32に送り込まれる。マスフローコントローラ37はキャリアガスの流量を制御する。この操作により、検出チャンバ32に予め収容されていたガスが排気孔33から外部へと排出される。 For example, based on a command from the CPU 40, the three-way valve 39a is switched to the gas generator 31 side, the three-way valve 39b is switched to the detection chamber 32 side, and the pump 35 is driven through the driver 46. By driving the pump 35, the carrier gas is sent into the detection chamber 32 from the intake hole 30 through the flow path 34a, the gas generator 31, and the flow path 34c. Mass flow controller 37 controls the flow rate of carrier gas. By this operation, the gas previously contained in the detection chamber 32 is discharged to the outside from the exhaust hole 33.

次に、分子センサ1で測定を開始する(S102)。測定は、分子センサ1がQCMを用いたセンサであれば、上部電極5及び下部電極6の間に電圧を印加し、水晶基板4の振動周波数を周波数測定装置で測定する。得られた電気的信号(キャリアガスの測定値)は一定のサンプリングレートで記憶部41に送られ、格納される。 Next, measurement is started using the molecular sensor 1 (S102). In the measurement, if the molecular sensor 1 is a sensor using QCM, a voltage is applied between the upper electrode 5 and the lower electrode 6, and the vibration frequency of the crystal substrate 4 is measured with a frequency measuring device. The obtained electrical signal (measured value of the carrier gas) is sent to the storage unit 41 at a constant sampling rate and stored therein.

次に、ガス発生装置31の容器31aの図示しない試料投入口から、容器31a内に試料38を収容する(S103)。キャリアガスは、ガス発生装置31のガス導入管31bから、容器31a内の試料38に向けて放出され、ガス導出管31cから流路34cに排出される。そのとき、試料38から発生する対象分子も混合されてキャリアガスと一緒にガス導出管31cから排出される。流路34cに流入された対象分子を含むキャリアガスは検出チャンバ32内に通気される(S104)。 Next, the sample 38 is placed into the container 31a from the sample inlet (not shown) of the container 31a of the gas generator 31 (S103). The carrier gas is discharged from the gas introduction pipe 31b of the gas generator 31 toward the sample 38 in the container 31a, and is discharged from the gas discharge pipe 31c to the flow path 34c. At this time, target molecules generated from the sample 38 are also mixed and discharged from the gas outlet pipe 31c together with the carrier gas. The carrier gas containing target molecules that has flowed into the flow path 34c is vented into the detection chamber 32 (S104).

分子センサ1では、感応膜3への対象分子の吸着により水晶基板4の振動周波数が変化する。その後、対象分子を含むキャリアガスは、流路34eを通って排気孔33から排気される。試料38が容器31aに入らない場合は、三方弁39aを切り替え、キャリアガスが流路34bに流れるようにしたうえで、吸気孔30を試料38に近づけて吸入を行えばよい。 In the molecular sensor 1, the vibration frequency of the crystal substrate 4 changes due to the adsorption of target molecules onto the sensitive film 3. Thereafter, the carrier gas containing the target molecules is exhausted from the exhaust hole 33 through the flow path 34e. If the sample 38 does not enter the container 31a, the three-way valve 39a may be switched to allow the carrier gas to flow into the flow path 34b, and the suction hole 30 may be brought close to the sample 38 to perform suction.

次いで、試料38をガス発生装置31から取り出す(S105)。これにより、対象分子を含まないキャリアガスが検出チャンバ32に通気される。容器31aに対象分子が残留する場合は、三方弁39aを流路34b側に切り替えることですみやかにキャリアガスを検出チャンバ32に通気することもできる。 Next, the sample 38 is taken out from the gas generator 31 (S105). This allows carrier gas that does not contain target molecules to be vented into the detection chamber 32 . If target molecules remain in the container 31a, the carrier gas can be quickly vented into the detection chamber 32 by switching the three-way valve 39a to the flow path 34b side.

次にCPU40の指令による温度調節装置32aの駆動により、感応膜3を加熱する(S106)。これにより対象分子が感応膜3から除去される。続いて、温度調節装置32aにより感応膜3を元の温度まで冷却する。なお、工程S106の加熱を行わず、キャリアガスの通気のみで対象分子を感応膜3から除去することも可能である。その後、対象分子を含むキャリアガスは、流路34eを通って排気孔33から排気される。その後、分子センサでの測定を停止する(S107)。 Next, the temperature control device 32a is driven by a command from the CPU 40 to heat the sensitive film 3 (S106). As a result, the target molecules are removed from the sensitive membrane 3. Subsequently, the sensitive film 3 is cooled down to the original temperature by the temperature control device 32a. Note that it is also possible to remove the target molecules from the sensitive film 3 only by venting the carrier gas without performing the heating in step S106. Thereafter, the carrier gas containing the target molecules is exhausted from the exhaust hole 33 through the flow path 34e. After that, measurement with the molecular sensor is stopped (S107).

その後、他にも測定したい試料がある場合は(S108、Yes)、工程S102に戻って再度測定を行ってもよい。それ以上測定したい試料が無く測定を終了する場合(S108、No)はポンプ35の駆動を停止してキャリアガスの通気を停止する(S109)。 After that, if there are other samples to be measured (S108, Yes), the process may return to step S102 and the measurement may be performed again. If there are no more samples to be measured and the measurement is to be completed (S108, No), the drive of the pump 35 is stopped and the ventilation of the carrier gas is stopped (S109).

一方、工程S107で測定を終えた後、CPU40において記憶部41から格納されている測定値及び演算式を取り出し測定値の変化量を演算する。例えば、分析するデータは、図9に示したように、工程S104で得られた測定値の最大値あるいは飽和値から、工程S102で得られたキャリアガスの測定値(ベースライン)を差し引くことで得られ得る振動周波数変化量であってもよい。これは、対象分子の分子センサ1への総吸着量を意味する。或いは、分析するデータは、工程S104で得られた振動周波数の立ち上がりの傾きであってもよい。これは、対象分子の分子センサ1への吸着速度を意味する。あるいは、分析するデータは、工程S106での振動周波数の立下りの傾きであってもよい。これは、対象分子の分子センサ1からの脱離速度を意味する。あるいは、工程S104で得られた最大値あるいは飽和値から、工程S106の最後に得られた測定値(ベースライン)を差し引くことで得られ得る振動周波数変化量であってもよい。これは、対象分子の、分子センサ1からの総脱離量を意味する。これらの変化量はCPU40から記憶部41に出力されて格納される。検出チャンバ32が複数の分子センサを備える場合、各々に関してCPU40において変化量のパターンが更に演算され、記憶部41に出力されて格納される。 On the other hand, after completing the measurement in step S107, the CPU 40 retrieves the stored measured values and arithmetic expressions from the storage unit 41 and calculates the amount of change in the measured values. For example, as shown in FIG. 9, the data to be analyzed can be obtained by subtracting the carrier gas measurement value (baseline) obtained in step S102 from the maximum value or saturation value of the measurement value obtained in step S104. It may also be the amount of change in vibration frequency that can be obtained. This means the total amount of target molecules adsorbed onto the molecular sensor 1. Alternatively, the data to be analyzed may be the slope of the rise of the vibration frequency obtained in step S104. This means the rate of adsorption of target molecules onto the molecular sensor 1. Alternatively, the data to be analyzed may be the slope of the fall of the vibration frequency in step S106. This means the desorption rate of the target molecule from the molecular sensor 1. Alternatively, it may be the vibration frequency change amount that can be obtained by subtracting the measured value (baseline) obtained at the end of step S106 from the maximum value or saturation value obtained in step S104. This means the total amount of target molecules desorbed from the molecular sensor 1. These amounts of change are output from the CPU 40 to the storage section 41 and stored therein. When the detection chamber 32 includes a plurality of molecular sensors, the CPU 40 further calculates a variation pattern for each molecular sensor, and outputs and stores the pattern in the storage unit 41.

続いて、CPU40は記憶部41から変化量及び演算式、必要であれば検量線、標準対象分子の測定値若しくはパターン等を取り出し、対象分子の種類及び/又は量を決定する。決定結果はCPU40から記憶部41に出力されて格納される。決定結果は表示デバイス43に出力されてもよい。 Subsequently, the CPU 40 retrieves the amount of change and the calculation formula, if necessary, a calibration curve, a measured value or pattern of a standard target molecule, etc. from the storage unit 41, and determines the type and/or amount of the target molecule. The determination result is output from the CPU 40 to the storage unit 41 and stored therein. The determination result may be output to the display device 43.

複数の試料の測定を行った場合は、複数試料について順に結果がそれぞれ出力される。 When measuring multiple samples, the results are output for each of the multiple samples in order.

上記のようなデータの処理、演算及び分析は、必ずしも分子検出装置100内のCPU40及び記憶部41を用いて行われる必要はなく、外付けされたハードウエアで行われてもよい。或いは、データの処理、演算及び分析は、ネットワークを介してクラウドを用いて行われてもよい。その場合、分子検出装置100は図示しないデータ送信部とデータ受信部とを備え得る。 The data processing, calculation, and analysis described above do not necessarily need to be performed using the CPU 40 and storage unit 41 within the molecule detection device 100, and may be performed using external hardware. Alternatively, data processing, computation and analysis may be performed using the cloud via a network. In that case, the molecule detection device 100 may include a data transmitter and a data receiver (not shown).

以上に説明した分子検出装置によれば、感度及び選択性が向上した対象分子の検出を行うことができる。また、容易に再利用可能であり繰り返し使えるので現場作業にも有利である。 According to the molecule detection device described above, target molecules can be detected with improved sensitivity and selectivity. In addition, it is easily reusable and can be used repeatedly, which is advantageous for field work.

[例]
以下、表1に示す感応膜を備えるQCM分子センサを製造し、それを用いて対象分子を検出した例について説明する。
[example]
Hereinafter, an example in which a QCM molecular sensor equipped with the sensitive membrane shown in Table 1 was manufactured and a target molecule was detected using it will be described.

Figure 0007414749000022
Figure 0007414749000022

(MOF/イオン液体分子センサの製造1)
・UIO-67微粒子の合成と活性化
UIO-67は、Honghan FeiとSeth M.Cohen.,Chem.Commun.,2014,50,4810-4812を参考にして合成した。合成後の結晶は吸引濾過によって濾別された。このとき、合成溶媒のジメチルホルムアミドで洗浄し、その後更にメタノールで洗浄した。次に、120℃で3時間、減圧乾燥を行い、その後Nでパージした状態で保管した。
(Manufacture of MOF/ionic liquid molecular sensor 1)
・Synthesis and activation of UIO-67 microparticles UIO-67 was developed by Honghan Fei and Seth M. Cohen. , Chem. Commun. , 2014, 50, 4810-4812. The synthesized crystals were filtered off by suction filtration. At this time, it was washed with dimethylformamide, a synthesis solvent, and then further washed with methanol. Next, it was dried under reduced pressure at 120° C. for 3 hours, and then stored under a purged state with N 2 .

・1-ブチル-3-メチルイミダゾリウムヘキサフルオロホスファート(BMIM-PF)との混合
100mlフラスコに0.1gのBMIM-PFと、上記で活性化処理済みのUIO-67を0.2g投入し、さらにメタノールを投入して全体で30gとなるよう希釈した。その後、約6時間攪室温で攪拌し、MOF/イオン液体分散液を得た。
・Mixing with 1-butyl-3-methylimidazolium hexafluorophosphate (BMIM-PF 6 ) 0.1 g of BMIM-PF 6 and 0.2 g of UIO-67 activated above in a 100 ml flask. Then, methanol was added to dilute the total amount to 30 g. Thereafter, the mixture was stirred at room temperature for about 6 hours to obtain a MOF/ionic liquid dispersion.

・QCM上への製膜
上記で得られたMOF/イオン液体分散液をメタノールで希釈し、0.1wt%となるように調整した。この溶液をマイクロピペットで共振周波数9MHzのQCMの上部Au電極上(5mmφ)に適量滴下し、その後80℃で1時間乾燥させた。これによりメタノールは完全に除去され、QCM電極上にMOF/イオン液体複合体膜が形成された。その後、イオン液体のMOF細孔内部への拡散を促進するため減圧下120℃で2時間加熱し、室温で冷却し、実施例1の分子センサを得た。
- Film formation on QCM The MOF/ionic liquid dispersion obtained above was diluted with methanol and adjusted to 0.1 wt%. An appropriate amount of this solution was dropped onto the upper Au electrode (5 mmφ) of a QCM with a resonance frequency of 9 MHz using a micropipette, and then dried at 80° C. for 1 hour. This completely removed methanol and formed a MOF/ionic liquid composite film on the QCM electrode. Thereafter, in order to promote the diffusion of the ionic liquid into the MOF pores, it was heated at 120° C. for 2 hours under reduced pressure and cooled to room temperature to obtain the molecular sensor of Example 1.

同様にMOF単体膜をQCM電極上に形成し、比較例1の分子センサを得た。また、イオン液体単体をQCM電極上に形成し、比較例2の分子センサを得た。 Similarly, a MOF single film was formed on a QCM electrode to obtain a molecular sensor of Comparative Example 1. Further, a molecular sensor of Comparative Example 2 was obtained by forming an ionic liquid alone on a QCM electrode.

(ガス検出実験)
実施例1、比較例1及び比較例2の分子センサを用いて、ガス(ボルネオール、下記式)の検出を行った。
(Gas detection experiment)
Gas (borneol, the following formula) was detected using the molecular sensors of Example 1, Comparative Example 1, and Comparative Example 2.

Figure 0007414749000023
Figure 0007414749000023

これら3種の分子センサを図6の検出チャンバにセットし、ガス発生装置に適量のボルネオール粉末を投入した。次いで、実験室大気をキャリアガスとして1000ml/minの流速で通気することにより、0.75ppmのボルネオールを含有するガスを発生させた。発生したガスを分子センサ上に送り込み、QCMの振動周波数の変化を測定した。 These three types of molecular sensors were set in the detection chamber shown in FIG. 6, and an appropriate amount of borneol powder was introduced into the gas generator. A gas containing 0.75 ppm of borneol was then generated by bubbling laboratory atmosphere as a carrier gas at a flow rate of 1000 ml/min. The generated gas was sent onto a molecular sensor, and changes in the vibration frequency of the QCM were measured.

結果を図10に示す。図10に示すグラフは、各分子センサにおける試料接触前を0とした時の振動子の周波数の変化量(Hz/(ppm・μg))を示す。 The results are shown in FIG. The graph shown in FIG. 10 shows the amount of change in the frequency of the oscillator (Hz/(ppm·μg)) in each molecular sensor when the value before contact with the sample is set to 0.

実施例1の分子センサの周波数変化量は、75Hz/(ppm・μg)であった。一方、比較例1では周波数の変化量は約6.6Hz/(ppm・μg)、比較例2は5.3Hz/(ppm・μg)であった。実施例1における変化量は、比較例1、比較例2と比較すると約10倍以上であり、感度が飛躍的に高まっていることが示された。 The frequency change amount of the molecular sensor of Example 1 was 75 Hz/(ppm·μg). On the other hand, in Comparative Example 1, the amount of change in frequency was approximately 6.6 Hz/(ppm·μg), and in Comparative Example 2, it was 5.3 Hz/(ppm·μg). The amount of change in Example 1 was about 10 times or more compared to Comparative Examples 1 and 2, indicating that the sensitivity was dramatically improved.

以上の結果から、多孔質部材及びイオン液体を含む感応膜を用いることによって、どちらか一方を用いた場合と比較して感度よく対象分子の検出を行うことができることが示された。また、MOF/イオン液体複合感応膜において、イオン液体が液体であることに起因する流動や拡散がMOFとの複合によって防止され、それがセンサ特性の安定性に寄与していると考えられる。 The above results showed that by using a porous member and a sensitive membrane containing an ionic liquid, target molecules can be detected with higher sensitivity than when either one of them is used. Furthermore, in the MOF/ionic liquid composite sensitive membrane, the flow and diffusion caused by the ionic liquid being a liquid are prevented by the combination with the MOF, which is thought to contribute to the stability of the sensor characteristics.

(MOF/イオン液体分子センサの製造2)
・MOF/イオン液体複合薄膜の形成
UIO-67薄膜は、Erika Virmaniら,J.Am.Chem.Soc. 2018,140,4812-4819を参考にして製膜した。具体的には、ZrOCl・8HOを0.66mmol(213mg)、ビフェニルジカルボン酸を0.66mmol(159mg)、酢酸7.8g、ジメチルホルムアミド94g、1-ブチル-3-メチルイミダゾリウムヘキサフルオロホスファート(BMIM-PF)のジメチルホルムアミド希釈液(0.1wt%)をそれぞれ11.7mgおよび117mg秤量、混合した原料溶液を2種類得た。100mlのガラス容器に酢酸0.8mlとジメチルホルムアミド4.2mlの混合溶液を投入し、容器の底部に一辺1cmのテフロン(登録商標)ブロックを設置した。テフロンブロックの上面にQCM基板を乗せた。上記原料溶液をマイクロシリンジで適量をQCM基板上に滴下した。ガラス容器を静かにオーブンに入れ、100℃で3時間加熱した。さらにガラス容器から取り出して大気中ホットプレートで120℃2時間加熱し、余剰な溶媒や水分を取り除いた。このようにして溶媒雰囲気下で原料溶液が乾燥しながらUIO-67が自己組織化的に形成されると同時に、イオン液体(BMIM-PF)が共存した状態となる。UIO-67の分子式はZr(OH)(C14であらわされるので、原料が100%反応した場合のUIO-67の理論重量は234mgと想定される。したがってUIO-67に対するイオン液体(BMIPF)の質量比は、それぞれ5×10-5および5×10-4となる。このようにして質量比が5×10-5の実施例2、及び質量比が5×10-4の実施例3の分子センサを得た。また、イオン液体を含まない以外は上記と同様にUIO-67単体膜をQCM電極上に形成し、比較例3(質量比は0)の分子センサを得た。
(Manufacture of MOF/ionic liquid molecular sensor 2)
- Formation of MOF/ionic liquid composite thin film The UIO-67 thin film was developed by Erika Virmani et al., J. Am. Chem. Soc. The film was formed with reference to 2018, 140, 4812-4819. Specifically, 0.66 mmol (213 mg) of ZrOCl 2.8H 2 O, 0.66 mmol (159 mg) of biphenyl dicarboxylic acid, 7.8 g of acetic acid, 94 g of dimethylformamide, 1-butyl-3-methylimidazolium hexafluoro Two types of raw material solutions were obtained by weighing and mixing 11.7 mg and 117 mg of a dimethylformamide diluted solution (0.1 wt%) of phosphate (BMIM-PF 6 ), respectively. A mixed solution of 0.8 ml of acetic acid and 4.2 ml of dimethylformamide was placed in a 100 ml glass container, and a Teflon (registered trademark) block with a side of 1 cm was placed at the bottom of the container. A QCM board was placed on the top of the Teflon block. An appropriate amount of the above raw material solution was dropped onto the QCM substrate using a microsyringe. The glass container was gently placed in an oven and heated at 100° C. for 3 hours. Furthermore, it was taken out from the glass container and heated on a hot plate in the atmosphere at 120°C for 2 hours to remove excess solvent and water. In this way, UIO-67 is formed in a self-organized manner while the raw material solution is dried in a solvent atmosphere, and at the same time, the ionic liquid (BMIM-PF 6 ) coexists. Since the molecular formula of UIO-67 is represented by Zr 6 O 4 (OH) 4 (C 14 H 8 O 4 ) 6 , the theoretical weight of UIO-67 when 100% of the raw materials are reacted is assumed to be 234 mg. Therefore, the mass ratio of ionic liquid (BMIPF 6 ) to UIO-67 is 5×10 −5 and 5×10 −4 , respectively. In this way, molecular sensors of Example 2 with a mass ratio of 5×10 −5 and Example 3 with a mass ratio of 5×10 −4 were obtained. Further, a UIO-67 single film was formed on the QCM electrode in the same manner as above except that no ionic liquid was included, to obtain a molecular sensor of Comparative Example 3 (mass ratio is 0).

(ガス検出実験)
実施例2、比較例3の分子センサを用いて、ガス(2-メチルイソボルネオール、下記式)の検出を行った。
(Gas detection experiment)
Gas (2-methylisoborneol, the following formula) was detected using the molecular sensors of Example 2 and Comparative Example 3.

Figure 0007414749000024
Figure 0007414749000024

これら3種の分子センサを図6の検出チャンバにセットし、ガス発生装置に適量の2-メチルイソボルネオール粉末を投入した。次いで、実験室大気をキャリアガスとして200ml/minの流速で通気することにより、平均54ppbの2-メチルイソボルネオールを含有するガスを発生させた。発生したガスを分子センサ上に送り込み、QCMの振動周波数の変化を測定した。QCMの周波数変化が非常にゆっくりであったため、単位時間当たりの周波数変化率で評価することとした。図11に示すグラフは、各分子センサにおけるMOF膜の単位重量当たりの周波数の変化量率(Hz/(min・μg))を示す。 These three types of molecular sensors were set in the detection chamber shown in FIG. 6, and an appropriate amount of 2-methylisoborneol powder was introduced into the gas generator. A gas containing an average of 54 ppb of 2-methylisoborneol was then generated by bubbling laboratory atmosphere as a carrier gas at a flow rate of 200 ml/min. The generated gas was sent onto a molecular sensor, and changes in the vibration frequency of the QCM were measured. Since the frequency change of QCM was very slow, it was decided to evaluate the rate of frequency change per unit time. The graph shown in FIG. 11 shows the frequency change rate (Hz/(min·μg)) per unit weight of the MOF film in each molecular sensor.

実施例2の分子センサの周波数変化率は、0.140Hz/(min・μg)であった。また、実施例3の分子センサの周波数変化率は、0.179Hz/(min・μg)であった。一方、比較例3では周波数の変化率は0.088Hz/(min・μg)であった。本実施例では、MOFに対して質量比で5×10-5あるいは5×10-4という非常にわずかな量で感度向上の効果が表れた。この理由として、イオン液体がMOF内部ではなく表面に存在し、初動の2-MIB分子吸着を促進したと考えられる。 The frequency change rate of the molecular sensor of Example 2 was 0.140 Hz/(min·μg). Further, the frequency change rate of the molecular sensor of Example 3 was 0.179 Hz/(min·μg). On the other hand, in Comparative Example 3, the frequency change rate was 0.088 Hz/(min·μg). In this example, the effect of improving sensitivity appeared with a very small amount of 5×10 −5 or 5×10 −4 in mass ratio to MOF. The reason for this is thought to be that the ionic liquid existed on the surface of the MOF rather than inside the MOF, promoting the initial adsorption of 2-MIB molecules.

(COF/イオン液体分子センサの製造1)
・COF-LZU1の合成
COF-LZU1は、Yongwu Pengら,Chem.Mater.2016,28,14,5095-5101を参考にして合成した。合成後の結晶は吸引濾過によって濾別した。このとき、無水THF、無水アセトン、無水ジクロロメタンでそれぞれ洗浄し、120℃で3時間、減圧乾燥を行い、その後Nでパージした状態で保管した。
(Manufacture of COF/ionic liquid molecular sensor 1)
-Synthesis of COF-LZU1 COF-LZU1 was synthesized as described by Yongwu Peng et al., Chem. Mater. Synthesized with reference to 2016, 28, 14, 5095-5101. The synthesized crystals were filtered off by suction filtration. At this time, it was washed with anhydrous THF, anhydrous acetone, and anhydrous dichloromethane, dried under reduced pressure at 120° C. for 3 hours, and then stored in a state purged with N 2 .

・BMIM-PFとの混合
100mlフラスコに0.1gのBMIM-PFと、上記で活性化処理済みのCOF-LZU1を0.2g投入し、さらにメタノールを投入して全体で30gとなるよう希釈した。その後、約6時間攪室温で攪拌し、COF/イオン液体分散液を得た。
・Mixing with BMIM-PF 6 Into a 100ml flask, put 0.1g of BMIM-PF 6 and 0.2g of COF-LZU1 activated above, and then add methanol to make a total of 30g. Diluted. Thereafter, the mixture was stirred at room temperature for about 6 hours to obtain a COF/ionic liquid dispersion.

・QCM上への製膜
上記で得られたCOF/イオン液体分散液をメタノールで希釈し、0.1wt%となるように調整した。この溶液をマイクロピペットで共振周波数9MHzのQCMの上部Au電極上(5mmφ)に適量滴下し、その後80℃で1時間乾燥させた。これによりメタノールは完全に除去され、QCM電極上にCOF/イオン液体複合体膜が形成された。その後、イオン液体のCOF細孔内部への拡散を促進するため減圧下120℃で2時間加熱し、室温で冷却し、実施例4の分子センサを得た。
- Film formation on QCM The COF/ionic liquid dispersion obtained above was diluted with methanol and adjusted to 0.1 wt%. An appropriate amount of this solution was dropped onto the upper Au electrode (5 mmφ) of a QCM with a resonance frequency of 9 MHz using a micropipette, and then dried at 80° C. for 1 hour. This completely removed methanol and formed a COF/ionic liquid composite film on the QCM electrode. Thereafter, in order to promote diffusion of the ionic liquid into the COF pores, it was heated at 120° C. for 2 hours under reduced pressure and cooled to room temperature to obtain the molecular sensor of Example 4.

同様にMOF単体膜をQCM電極上に形成し、比較例4の分子センサを得た。また、イオン液体単体をQCM電極上に形成し、比較例5の分子センサを得た。 Similarly, a MOF single film was formed on the QCM electrode to obtain a molecular sensor of Comparative Example 4. In addition, a molecular sensor of Comparative Example 5 was obtained by forming an ionic liquid alone on a QCM electrode.

(ガス検出実験)
実施例4、比較例4及び比較例5の分子センサを用いて、ガス(エタノール及び酢酸エチル)の検出を行った。これら3種の分子センサを図6の検出チャンバにセットし、ガス発生装置に適量のエタノール又は酢酸エチルを投入した。次いで、実験室大気をキャリアガスとして200ml/minの流速で通気することにより、エタノールについては最大426ppm、酢酸エチルについては最大192ppmそれぞれを含有するガスを発生させた。発生したガスを分子センサ上に送り込み、QCMの振動周波数の変化を測定した。
(Gas detection experiment)
Gases (ethanol and ethyl acetate) were detected using the molecular sensors of Example 4, Comparative Example 4, and Comparative Example 5. These three types of molecular sensors were set in the detection chamber shown in FIG. 6, and an appropriate amount of ethanol or ethyl acetate was introduced into the gas generator. Gases containing up to 426 ppm of ethanol and up to 192 ppm of ethyl acetate were then generated by bubbling laboratory air as a carrier gas at a flow rate of 200 ml/min. The generated gas was sent onto a molecular sensor, and changes in the vibration frequency of the QCM were measured.

エタノールにおける結果を図12、酢酸エチルにおける結果を図13に示す。各グラフは、各分子センサにおける試料接触前を0とした時の振動子の感応膜の単位重さ当たりの周波数の変化量(Hz/(ppm・μg))を示す。 The results for ethanol are shown in FIG. 12, and the results for ethyl acetate are shown in FIG. 13. Each graph shows the amount of change in frequency (Hz/(ppm·μg)) per unit weight of the sensitive membrane of the vibrator when the value before contact with the sample in each molecular sensor is set to 0.

エタノールにおいて、実施例4の分子センサの周波数変化量は0.052Hz/(ppm・μg)、比較例4では0.019Hz/(ppm・μg)、比較例5では0.023Hz/(ppm・μg)であった。酢酸エチルにおいては、実施例4の分子センサの変化量は0.085Hz/(ppm・μg)、比較例4では0.013Hz/(ppm・μg)、比較例5では0.039Hz/(ppm・μg)であった。実施例4の変化量は、比較例4と比較して約2.7倍及び約2.3倍であり、比較例5と比較すると約6.5倍及び約2.2倍であり、感度が高まっていることが示された。 In ethanol, the frequency change amount of the molecular sensor in Example 4 was 0.052 Hz/(ppm μg), in Comparative Example 4 it was 0.019 Hz/(ppm μg), and in Comparative Example 5 it was 0.023 Hz/(ppm μg). )Met. In ethyl acetate, the amount of change in the molecular sensor of Example 4 was 0.085 Hz/(ppm・μg), in Comparative Example 4 it was 0.013Hz/(ppm・μg), and in Comparative Example 5 it was 0.039Hz/(ppm・μg). μg). The amount of change in Example 4 is about 2.7 times and about 2.3 times compared to Comparative Example 4, and about 6.5 times and about 2.2 times compared to Comparative Example 5, and the sensitivity was shown to be increasing.

以上の結果から、多孔質部材及びイオン液体を含む感応膜を用いることによって、どちらか一方を用いた場合と比較して感度よく対象分子の検出を行うことができることが示された。また、COF/イオン液体複合感応膜において、イオン液体が液体であることに起因する流動や拡散がCOFとの複合によって防止され、それがセンサ特性の安定性に寄与していると考えられる。 The above results showed that by using a porous member and a sensitive membrane containing an ionic liquid, target molecules can be detected with higher sensitivity than when either one of them is used. Furthermore, in the COF/ionic liquid composite sensitive membrane, the flow and diffusion caused by the ionic liquid being a liquid are prevented by the combination with the COF, which is thought to contribute to the stability of the sensor characteristics.

(COF/イオン液体分子センサの製造2)
・QCM基板の表面処理
共振周波数9MHzのQCMをエタノール中で10分、次いでメタノール中で10分超音波洗浄し、16-メルカプトヘキサデカン酸のメタノール溶液(0.3g/L)中に3日間浸漬し、Au電極上に修飾した。
(Manufacture of COF/ionic liquid molecular sensor 2)
・Surface treatment of QCM substrate A QCM with a resonance frequency of 9 MHz was ultrasonically cleaned in ethanol for 10 minutes, then in methanol for 10 minutes, and immersed in a methanol solution of 16-mercaptohexadecanoic acid (0.3 g/L) for 3 days. , modified on the Au electrode.

・COF-LZU1薄膜のQCM上への製膜
1,3,5-トリホルミルベンゼン32mg、p-フェニレンジアミン32mgを20gの1,4-ジオキサンに溶解し、原料溶液を調整した。ガラスシャーレ中央に表面処理済のQCM基板を置き、マイクロシリンジでQCMのAu電極上に原料溶液を適量滴下した。その後、シャーレ内のQCM基板外周に3mol/Lの酢酸を数滴滴下し、ガラスシャーレのふたをした。その後、酢酸蒸気下で室温乾燥し、シャーレから取り出してさらにホットプレート上で120℃、2時間加熱乾燥した。次にメタノール中で2分間、QCM基板を洗浄し、未反応の原料や大粒径の結晶を除去し、COF-LZU1薄膜を得た。さらに120℃で3時間、減圧乾燥を行い、その後Nでパージした状態で保管した。
- Formation of COF-LZU1 thin film on QCM 32 mg of 1,3,5-triformylbenzene and 32 mg of p-phenylenediamine were dissolved in 20 g of 1,4-dioxane to prepare a raw material solution. A surface-treated QCM substrate was placed in the center of a glass Petri dish, and an appropriate amount of the raw material solution was dropped onto the QCM's Au electrode using a microsyringe. Thereafter, several drops of 3 mol/L acetic acid were added to the outer periphery of the QCM substrate in the petri dish, and the glass petri dish was covered. Thereafter, it was dried at room temperature under acetic acid vapor, taken out from the petri dish, and further heated and dried on a hot plate at 120°C for 2 hours. Next, the QCM substrate was washed in methanol for 2 minutes to remove unreacted raw materials and large grain size crystals to obtain a COF-LZU1 thin film. Further, it was dried under reduced pressure at 120° C. for 3 hours, and then stored under a purged state with N 2 .

・イオン液体希釈溶液の調整
イオン液体として、1-ブチル-4-メチルピリジニウムヘキサフルオロホスファート(BMPy-PF)、1-エチル-3-メチルピリジニウムエチルサルファート(EMPy-ES)、1-エチル-3-ヒドロキシメチルピリジニウムエチルサルファート(EHMPy-ES)を用意し、それぞれメタノールとアセトンの混合溶媒(体積比1:1)で希釈し、0.05wt%溶液を調整した。
・Preparation of diluted ionic liquid solution As ionic liquids, 1-butyl-4-methylpyridinium hexafluorophosphate (BMPy-PF 6 ), 1-ethyl-3-methylpyridinium ethyl sulfate (EMPy-ES), 1-ethyl -3-Hydroxymethylpyridinium ethyl sulfate (EHMPy-ES) was prepared and diluted with a mixed solvent of methanol and acetone (volume ratio 1:1) to prepare a 0.05 wt% solution.

・QCM上のCOF-LZU1薄膜へのイオン液体添加
上記で調整したイオン液体希釈溶液をQCMの振動周波数変化をモニタリングしながらCOF-LZU1薄膜上にマイクロシリンジで適量滴下した。その後、溶媒の蒸発およびイオン液体のCOF細孔内部への拡散を促進するため減圧下120℃で2時間加熱し、室温で冷却し、実施例5の分子センサを得た。この時、COF-LZU1薄膜に対するBMPy-PFの量は、質量比で0.83、EMPy-ESの量は質量比で0.74、EHMPy-ESの量は質量比で1.04であった。
- Addition of ionic liquid to COF-LZU1 thin film on QCM An appropriate amount of the diluted ionic liquid solution prepared above was dropped onto the COF-LZU1 thin film using a microsyringe while monitoring changes in the vibration frequency of the QCM. Thereafter, in order to promote evaporation of the solvent and diffusion of the ionic liquid into the COF pores, it was heated at 120° C. for 2 hours under reduced pressure and cooled to room temperature, to obtain the molecular sensor of Example 5. At this time, the amount of BMPy-PF 6 to the COF-LZU1 thin film was 0.83 in mass ratio, the amount of EMPy-ES was 0.74 in mass ratio, and the amount of EHMPy-ES was 1.04 in mass ratio. Ta.

(ガス検出実験)
実施例5の分子センサを用いて、ガス(エタノール、酢酸エチルおよびトルエン)の検出を行った。これら3種の分子センサを図6の検出チャンバにセットし、ガス発生装置に適量のエタノール、酢酸エチル又はトルエンを投入した。次いで、実験室大気をキャリアガスとして200ml/minの流速で通気することにより、エタノールについては最大227ppm、酢酸エチルについては最大151ppm、トルエンについては最大73ppmそれぞれを含有するガスを発生させた。発生したガスを分子センサ上に送り込み、QCMの振動周波数の変化を測定した。
(Gas detection experiment)
Gases (ethanol, ethyl acetate, and toluene) were detected using the molecular sensor of Example 5. These three types of molecular sensors were set in the detection chamber shown in FIG. 6, and an appropriate amount of ethanol, ethyl acetate, or toluene was introduced into the gas generator. Gases containing up to 227 ppm of ethanol, up to 151 ppm of ethyl acetate, and up to 73 ppm of toluene were then generated by bubbling laboratory atmosphere as a carrier gas at a flow rate of 200 ml/min. The generated gas was sent onto a molecular sensor, and changes in the vibration frequency of the QCM were measured.

エタノールにおける結果を図14、酢酸エチルにおける結果を図15、トルエンにおける結果を図16に示す。各グラフは、各分子センサにおける試料接触前を0とした時の振動子の感応膜の単位重さ当たりの周波数の変化量(Hz/(ppm・μg))を示す。 The results for ethanol are shown in FIG. 14, the results for ethyl acetate are shown in FIG. 15, and the results for toluene are shown in FIG. 16. Each graph shows the amount of change in frequency (Hz/(ppm·μg)) per unit weight of the sensitive membrane of the vibrator when the value before contact with the sample in each molecular sensor is set to 0.

エタノールにおいて、実施例5のBMPy-PFを用いた分子センサの周波数変化量は0.010Hz/(ppm・μg)、EMPy-ESを用いた分子センサの周波数変化量は0.028Hz/(ppm・μg)、EHMPy-ESを用いた分子センサの周波数変化量は0.021Hz/(ppm・μg)であった。酢酸エチルにおいては、実施例5のBMPy-PFを用いた分子センサの周波数変化量は0.009Hz/(ppm・μg)、EMPy-ESを用いた分子センサの周波数変化量は0.018Hz/(ppm・μg)、EHMPy-ESを用いた分子センサの周波数変化量は0.013Hz/(ppm・μg)であった。トルエンにおいては、実施例5のBMPy-PFを用いた分子センサの周波数変化量は0.022Hz/(ppm・μg)、EMPy-ESを用いた分子センサの周波数変化量は0.025Hz/(ppm・μg)、EHMPy-ESを用いた分子センサの周波数変化量は0.022Hz/(ppm・μg)であった。 In ethanol, the frequency change of the molecular sensor using BMPy-PF 6 of Example 5 was 0.010 Hz/(ppm μg), and the frequency change of the molecular sensor using EMPy-ES was 0.028 Hz/(ppm・μg), and the frequency change amount of the molecular sensor using EHMPy-ES was 0.021 Hz/(ppm・μg). For ethyl acetate, the frequency change of the molecular sensor using BMPy-PF 6 of Example 5 is 0.009 Hz/(ppm μg), and the frequency change of the molecular sensor using EMPy-ES is 0.018 Hz/ (ppm·μg), and the frequency change amount of the molecular sensor using EHMPy-ES was 0.013 Hz/(ppm·μg). In toluene, the amount of frequency change of the molecular sensor using BMPy-PF 6 of Example 5 is 0.022 Hz/(ppm μg), and the amount of frequency change of the molecular sensor using EMPy-ES is 0.025 Hz/( ppm・μg), and the frequency change amount of the molecular sensor using EHMPy-ES was 0.022 Hz/(ppm・μg).

以上の結果から、3種の異なるイオン液体をそれぞれ含む感応膜を用いた分子センサは、エタノール、酢酸エチル、トルエンの各ガスに対して異なる感度特性を示すことが分かった。つまり、共存するイオン液体の種類や量によってパターン認識によるガスの検出や区別が可能であることが示された。 From the above results, it was found that a molecular sensor using a sensitive membrane containing three different ionic liquids exhibits different sensitivity characteristics for each gas: ethanol, ethyl acetate, and toluene. In other words, it was shown that gases can be detected and distinguished by pattern recognition depending on the type and amount of coexisting ionic liquids.

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
以下に、本出願の当初の特許請求の範囲に記載された発明を付記する。
[1]
多孔質部材と、イオン液体とが共存する感応膜を備え、前記感応膜の、対象分子の付着による物理量の変化を測定することにより前記対象分子を検出可能な分子センサ。
[2]
前記イオン液体は、前記多孔質部材に保持されている[1]記載の分子センサ。
[3]
前記多孔質部材は、金属有機構造体(Metal Organic Frameworks:MOF)である、[1]又は[2]に記載の分子センサ。
[4]
前記金属有機構造体は6核のZr (OH) クラスターにジカルボン酸が12配位した構造を有する、[3]に記載の分子センサ。
[5]
前記金属有機構造体は、UIO-66、UIO-67、UIO-68又はこれらの誘導体のうち少なくとも1つである、[4]に記載の分子センサ。
[6]
前記多孔質部材は、共有結合性有機構造体(Covalent Organic Framework:COF)である、[1]又は[2]に記載の分子センサ。
[7]
前記共有結合性有機構造体は、アミノ基を有するリガンドと、アルデヒド基又はカルボニル基を有するリガンドとの縮合反応によって得られるイミン結合、アジン結合、エナミン結合、ヒドラゾン結合又はイミド結合のうち少なくとも1つを有する、[6]に記載の分子センサ。
[8]
前記共有結合性有機構造体は、COF-LZU1、COF-300、TAPB-PDA-COF、COF-TpPa-1、DAAQ-TFP-COF、N -COF、ACOF-1、COF-42、COF-43、PI-COF-1、PI-COF-2、PI-COF-3、PI-COF-4、PI-COF-5のうち少なくとも1つである、[7]に記載の分子センサ。
[9]
前記感応膜を加熱するように構成される温度調節装置を更に備える、[1]~[8]の何れか1つに記載の分子センサ。
[10]
前記感応膜の、前記多孔性部材に対する前記イオン液体の比は、重量比で5×10 -5 ~3である[1]~[9]の何れか1つに記載の分子センサ。
[11]
多孔質部材とイオン液体とが共存する感応膜と、前記感応膜の、対象分子の付着による物理量の変化を測定するように構成される検出部とを備える分子センサを具備する、前記対象分子を検出するための分子検出装置。
[12]
前記イオン液体は、前記多孔質部材に保持されている[11]に記載の装置。
[13]
前記検出部は、水晶振動子マイクロバランス(Quartz Crystal Microbalance: QCM)、表面弾性波(SurfaceAcoustic Wave:SAW)、又はマイクロカンチレバー(Micro Cantilever: MCL)を使用した測定機構のいずれか1つを備える、[11]又は[12]に記載の装置。
[14]
前記分子検出装置は、複数の前記分子センサを備え、
前記複数の分子センサは、前記感応膜の前記多孔質部材と前記イオン液体との組み合わせ及び/又は量比が互いに異なるセンサを少なくとも含む、[11]~[13]何れか1つに記載の装置。
[15]
処理装置を更に備え、
前記処理装置は、前記複数の分子センサからそれぞれ得られた複数の前記物理量の変化量を合わせて1つのパターンとして認識することにより、前記対象分子の種類及び/又は量を決定するように構成される、[14]に記載の装置。
[16]
前記感応膜を加熱するように構成される温度調節装置を更に備える、[11]~[15]の何れか1つに記載の装置。
[17]
多孔質部材とイオン液体とが共存する感応膜に、対象分子を接触させる接触工程、前記感応膜の、前記対象分子の付着による物理量の変化を測定する測定工程、及び前記測定の結果から前記対象分子の種類又は量を決定する決定工程を含む、対象分子検出方法。
[18]
前記イオン液体は、前記多孔質部材に保持されている、[17]に記載の方法。
[19]
前記多孔質部材は、金属有機構造体(Metal Organic Frameworks:MOF)である、[17]又は[18]に記載の方法。
[20]
前記多孔質部材は、共有結合性有機構造体(Covalent Organic Framework:COF)である、[17]又は[18]に記載の方法。
[21]
前記接触工程及び前記測定工程は、前記多孔質部材と前記イオン液体との組み合わせ及び/又は量比が互いに異なる複数の前記感応膜を用いて行われ、
前記決定工程は、前記複数の感応膜の各前記物理量の変化量を合わせて1つのパターンとして認識してすることにより、前記対象分子の種類及び/又は量を決定する、[17]~[20]の何れか1つに記載の方法。
[22]
前記測定工程の後、前記感応膜を加熱することにより前記対象分子を前記感応膜から除去する加熱除去工程を更に含む、[17]~[21]の何れか1つに記載の方法。
Although several embodiments of the invention have been described, these embodiments are presented by way of example and are not intended to limit the scope of the invention. These novel embodiments can be implemented in various other forms, and various omissions, substitutions, and changes can be made without departing from the gist of the invention. These embodiments and their modifications are included within the scope and gist of the invention, as well as within the scope of the invention described in the claims and its equivalents.
Below, the invention described in the original claims of this application will be added.
[1]
A molecular sensor comprising a sensitive membrane in which a porous member and an ionic liquid coexist, and capable of detecting a target molecule by measuring a change in a physical quantity of the sensitive membrane due to attachment of the target molecule.
[2]
The molecular sensor according to [1], wherein the ionic liquid is held in the porous member.
[3]
The molecular sensor according to [1] or [2], wherein the porous member is a metal organic framework (MOF).
[4]
The metal-organic structure has hexanuclear Zr. 6 O 4 (OH) 4 The molecular sensor according to [3], which has a structure in which 12 dicarboxylic acids are coordinated to a cluster.
[5]
The molecular sensor according to [4], wherein the metal-organic framework is at least one of UIO-66, UIO-67, UIO-68, or a derivative thereof.
[6]
The molecular sensor according to [1] or [2], wherein the porous member is a covalent organic framework (COF).
[7]
The covalent organic structure is at least one of an imine bond, an azine bond, an enamine bond, a hydrazone bond, or an imide bond obtained by a condensation reaction between a ligand having an amino group and a ligand having an aldehyde group or a carbonyl group. The molecular sensor according to [6], which has the following.
[8]
The covalent organic frameworks include COF-LZU1, COF-300, TAPB-PDA-COF, COF-TpPa-1, DAAQ-TFP-COF, N 3 - at least one of COF, ACOF-1, COF-42, COF-43, PI-COF-1, PI-COF-2, PI-COF-3, PI-COF-4, PI-COF-5; The molecular sensor according to [7].
[9]
The molecular sensor according to any one of [1] to [8], further comprising a temperature adjustment device configured to heat the sensitive film.
[10]
The ratio of the ionic liquid to the porous member of the sensitive membrane is 5×10 by weight. -5 -3, the molecular sensor according to any one of [1] to [9].
[11]
The target molecule comprises a molecular sensor comprising a sensitive membrane in which a porous member and an ionic liquid coexist, and a detection section configured to measure a change in physical quantity of the sensitive membrane due to attachment of the target molecule. Molecular detection device for detection.
[12]
The device according to [11], wherein the ionic liquid is held in the porous member.
[13]
The detection unit includes any one of a measurement mechanism using a Quartz Crystal Microbalance (QCM), a Surface Acoustic Wave (SAW), or a Micro Cantilever (MCL). The device according to [11] or [12].
[14]
The molecular detection device includes a plurality of the molecular sensors,
The device according to any one of [11] to [13], wherein the plurality of molecular sensors include at least sensors in which the combination and/or quantitative ratio of the porous member of the sensitive membrane and the ionic liquid are different from each other. .
[15]
further equipped with a processing device,
The processing device is configured to determine the type and/or amount of the target molecule by recognizing the amounts of change in the plurality of physical quantities obtained from the plurality of molecular sensors as one pattern. The device according to [14].
[16]
The device according to any one of [11] to [15], further comprising a temperature control device configured to heat the sensitive film.
[17]
a contact step of bringing a target molecule into contact with a sensitive membrane in which a porous member and an ionic liquid coexist; a measuring step of measuring a change in physical quantity of the sensitive membrane due to attachment of the target molecule; A method for detecting a target molecule, including a determination step of determining the type or amount of the molecule.
[18]
The method according to [17], wherein the ionic liquid is retained in the porous member.
[19]
The method according to [17] or [18], wherein the porous member is a metal organic framework (MOF).
[20]
The method according to [17] or [18], wherein the porous member is a covalent organic framework (COF).
[21]
The contacting step and the measuring step are performed using a plurality of sensitive membranes having different combinations and/or quantitative ratios of the porous member and the ionic liquid,
In the determining step, the type and/or amount of the target molecule is determined by recognizing the amount of change in each of the physical quantities of the plurality of sensitive films as one pattern [17] to [20]. ] The method described in any one of the following.
[22]
The method according to any one of [17] to [21], further comprising a heating removal step of removing the target molecule from the sensitive film by heating the sensitive film after the measuring step.

1、1a、1b、1c、1d、20…分子センサ、2…QCM検出部、
3、3a、3b、3c、3d…感応膜、
7…多孔質部材、7a…孔、8…イオン液体、
21…MCL検出部、32a…温度調節装置、38…試料、
100…分子検出装置、102…処理装置。
1, 1a, 1b, 1c, 1d, 20...Molecular sensor, 2...QCM detection unit,
3, 3a, 3b, 3c, 3d...sensitive film,
7... Porous member, 7a... Hole, 8... Ionic liquid,
21...MCL detection unit, 32a...temperature adjustment device, 38...sample,
100...Molecular detection device, 102...Processing device.

Claims (20)

直径50nm以下の孔を有する多孔質部材と、前記多孔質部材に保持されたイオン液体とを含む感応膜を備え、前記感応膜の、対象分子の付着による物理量の変化を測定することにより前記対象分子を検出可能な分子センサ。 A sensitive membrane including a porous member having pores with a diameter of 50 nm or less and an ionic liquid held in the porous member is provided , and the target can be detected by measuring changes in physical quantities of the sensitive membrane due to adhesion of target molecules. A molecular sensor that can detect molecules. 前記多孔質部材は金属有機構造体(Metal Organic Frameworks:MOF)又は共有結合性有機構造体(Covalent Organic Framework:COF)である請求項1記載の分子センサ。 The molecular sensor according to claim 1, wherein the porous member is a metal organic framework (MOF) or a covalent organic framework (COF). 金属有機構造体(Metal Organic Frameworks:MOF)又は共有結合性有機構造体(Covalent Organic Framework:COF)である多孔質部材と、前記多孔質部材に保持されたイオン液体を含む感応膜を備え、前記感応膜の、対象分子の付着による物理量の変化を測定することにより前記対象分子を検出可能な分子センサ。a porous member that is a metal organic framework (MOF) or a covalent organic framework (COF); and a sensitive membrane containing an ionic liquid held in the porous member; A molecular sensor capable of detecting a target molecule by measuring a change in physical quantity due to the attachment of the target molecule to a sensitive membrane. 前記多孔質部材は直径50nm以下の孔を有する請求項3に記載の分子センサ。 The molecular sensor according to claim 3, wherein the porous member has pores with a diameter of 50 nm or less. 前記金属有機構造体は6核のZr(OH)クラスターにジカルボン酸が12配位した構造を有する、請求項に記載の分子センサ。 4. The molecular sensor according to claim 3 , wherein the metal-organic framework has a structure in which 12 dicarboxylic acids are coordinated to 4 Zr 6 O 4 (OH) clusters with 6 nuclei. 前記金属有機構造体は、UIO-66、UIO-67、UIO-68又はこれらの誘導体のうち少なくとも1つである、請求項に記載の分子センサ。 The molecular sensor according to claim 5 , wherein the metal-organic framework is at least one of UIO-66, UIO-67, UIO-68, or a derivative thereof. 前記共有結合性有機構造体は、アミノ基を有するリガンドと、アルデヒド基又はカルボニル基を有するリガンドとの縮合反応によって得られるイミン結合、アジン結合、エナミン結合、ヒドラゾン結合又はイミド結合のうち少なくとも1つを有する、請求項記載の分子センサ。 The covalent organic structure is at least one of an imine bond, an azine bond, an enamine bond, a hydrazone bond, or an imide bond obtained by a condensation reaction between a ligand having an amino group and a ligand having an aldehyde group or a carbonyl group. The molecular sensor according to claim 6 , comprising: 前記共有結合性有機構造体は、COF-LZU1、COF-300、TAPB-PDA-COF、COF-TpPa-1、DAAQ-TFP-COF、N-COF、ACOF-1、COF-42、COF-43、PI-COF-1、PI-COF-2、PI-COF-3、PI-COF-4、PI-COF-5のうち少なくとも1つである、請求項に記載の分子センサ。 The covalent organic frameworks include COF-LZU1, COF-300, TAPB-PDA-COF, COF-TpPa-1, DAAQ-TFP-COF, N 3 -COF, ACOF-1, COF-42, COF- 8. The molecular sensor according to claim 7 , which is at least one of 43, PI-COF-1, PI-COF-2, PI-COF-3, PI-COF-4, and PI-COF-5. 前記感応膜を加熱するように構成される温度調節装置を更に備える、請求項1~の何れか1項に記載の分子センサ。 The molecular sensor according to any one of claims 1 to 8 , further comprising a temperature adjustment device configured to heat the sensitive membrane. 前記感応膜の、前記多孔部材に対する前記イオン液体の比は、重量比で5×10-5~3である請求項1~の何れか1項に記載の分子センサ。 The molecular sensor according to any one of claims 1 to 9 , wherein the ratio of the ionic liquid to the porous member of the sensitive membrane is 5×10 −5 to 3 by weight. 直径50nm以下の孔を有する多孔質部材と、前記多孔質部材に保持されたイオン液体とを含む感応膜と、前記感応膜の、対象分子の付着による物理量の変化を測定するように構成される検出部とを備える分子センサを具備する、前記対象分子を検出するための分子検出装置。 A sensitive membrane including a porous member having pores with a diameter of 50 nm or less and an ionic liquid held in the porous member , and configured to measure changes in physical quantities of the sensitive membrane due to attachment of target molecules. A molecule detection device for detecting the target molecule, comprising a molecule sensor including a detection section. 金属有機構造体(Metal Organic Frameworks:MOF)又は共有結合性有機構造体(Covalent Organic Framework:COF)からなる多孔質部材と、前記多孔質部材に保持されたイオン液体とを含む感応膜と、前記感応膜の、対象分子の付着による物理量の変化を測定するように構成される検出部とを備える分子センサを具備する、前記対象分子を検出するための分子検出装置。a sensitive membrane comprising a porous member made of a metal organic framework (MOF) or a covalent organic framework (COF); and an ionic liquid held in the porous member; A molecule detection device for detecting the target molecule, comprising a molecular sensor including a detection unit configured to measure a change in physical quantity due to attachment of the target molecule to a sensitive membrane. 前記検出部は、水晶振動子マイクロバランス(Quartz Crystal Microbalance: QCM)、表面弾性波(SurfaceAcoustic Wave:SAW)、又はマイクロカンチレバー(Micro Cantilever: MCL)を使用した測定機構のいずれか1つを備える、請求項11又は12に記載の装置。 The detection unit includes any one of a measurement mechanism using a Quartz Crystal Microbalance (QCM), a Surface Acoustic Wave (SAW), or a Micro Cantilever (MCL). The device according to claim 11 or 12 . 前記分子検出装置は、複数の前記分子センサを備え、
前記複数の分子センサは、前記感応膜の前記多孔質部材と前記イオン液体との組み合わせ及び/又は量比が互いに異なるセンサを少なくとも含む、請求項1113の何れか1項に記載の装置。
The molecular detection device includes a plurality of the molecular sensors,
The device according to any one of claims 11 to 13 , wherein the plurality of molecular sensors include at least sensors in which combinations and/or quantitative ratios of the porous member of the sensitive membrane and the ionic liquid are different from each other.
処理装置を更に備え、
前記処理装置は、前記複数の分子センサからそれぞれ得られた複数の前記物理量の変化量を合わせて1つのパターンとして認識することにより、前記対象分子の種類及び/又は量を決定するように構成される、請求項14に記載の装置。
further equipped with a processing device,
The processing device is configured to determine the type and/or amount of the target molecule by recognizing the amounts of change in the plurality of physical quantities obtained from the plurality of molecular sensors as one pattern. 15. The apparatus of claim 14 .
前記感応膜を加熱するように構成される温度調節装置を更に備える、請求項1115の何れか1項に記載の装置。 Apparatus according to any one of claims 11 to 15 , further comprising a temperature regulating device configured to heat the sensitive membrane. 直径50nm以下の孔を有する多孔質部材と前記多孔質部材に保持されたイオン液体とを含む感応膜に、対象分子を接触させる接触工程、前記感応膜の、前記対象分子の付着による物理量の変化を測定する測定工程、及び前記測定の結果から前記対象分子の種類又は量を決定する決定工程を含む、対象分子検出方法。 A contacting step of bringing a target molecule into contact with a sensitive membrane that includes a porous member having pores with a diameter of 50 nm or less and an ionic liquid held in the porous member , and a change in physical quantity of the sensitive membrane due to attachment of the target molecule. A method for detecting a target molecule, the method comprising: a measuring step of measuring the target molecule; and a determining step of determining the type or amount of the target molecule from the measurement result. 金属有機構造体(Metal Organic Frameworks:MOF)又は共有結合性有機構造体(Covalent Organic Framework:COF)からなる多孔質部材と前記多孔質部材に保持されたイオン液体とを含む感応膜に、対象分子を接触させる接触工程、前記感応膜の、前記対象分子の付着による物理量の変化を測定する測定工程、及び前記測定の結果から前記対象分子の種類又は量を決定する決定工程を含む、対象分子検出方法。Target molecules are added to a sensitive membrane that includes a porous member made of a metal organic framework (MOF) or a covalent organic framework (COF) and an ionic liquid held in the porous member. Detection of a target molecule, comprising a contact step of contacting the sensitive membrane, a measurement step of measuring a change in physical quantity due to attachment of the target molecule to the sensitive membrane, and a determination step of determining the type or amount of the target molecule from the measurement result. Method. 前記接触工程及び前記測定工程は、前記多孔質部材と前記イオン液体との組み合わせ及び/又は量比が互いに異なる複数の前記感応膜を用いて行われ、
前記決定工程は、前記複数の感応膜の各前記物理量の変化量を合わせて1つのパターンとして認識してすることにより、前記対象分子の種類及び/又は量を決定する、請求項17又は18に記載の方法。
The contacting step and the measuring step are performed using a plurality of sensitive membranes having different combinations and/or quantitative ratios of the porous member and the ionic liquid,
According to claim 17 or 18 , in the determining step, the type and/or amount of the target molecule is determined by recognizing the amount of change in each of the physical quantities of the plurality of sensitive films as one pattern. Method described.
前記測定工程の後、前記感応膜を加熱することにより前記対象分子を前記感応膜から除去する加熱除去工程を更に含む、請求項1719の何れか1項に記載の方法。 The method according to any one of claims 17 to 19 , further comprising a heating removal step of removing the target molecule from the sensitive film by heating the sensitive film after the measuring step.
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