JP7637394B2 - イオン交換を利用する空中浮遊粒子中の化合物の検出 - Google Patents

Description

関連出願

本件特許出願は2020年4月24日付け出願の米国特許仮出願第63/014,879号に基づく優先権、及び2020年8月5日付け出願の米国特許仮出願第63/061,478号に基づく優先権を主張するものであり、これら２件の米国特許仮出願の開示内容はこの言及をもって本願開示に組み込まれたものとする。

米国連邦政府の権利
本発明は米国国土安全保障省から支給されたグラント第70RSAT18C00000018号、及び、グラント第70RSAT19C00000016号による政府助成の下に成されたものである。米国連邦政府は本発明に関する所定の権利を有する。

オピエート嗜癖者が増加し、その結果としてオピエート濫用による死亡者も増加していることから、今やオピエートの濫用は公衆衛生上の緊急事態となっている。例えば、フェンタニルの没収ないし押収の件数は７倍に増加しているが、このことは、医者の処方によらずにフェンタニルを入手し得るために多くのオーバードーズが発生していることを示すものである。僅か2～3 mgのフェンタニルに曝露されるだけでも命に関わることが知られており、フェンタニルに曝露されるおそれのある人々のうちには救急対応者も含まれる。フェンタニルに関する、または、フェンタニルが添加されたその他薬物に関する救急要請に対応する一次救急対応者は、フェンタニルを吸込むことでオーバードーズに陥るリスクに晒されている。フェンタニルを特定するための在来の方法の多くは試料に直接的に接触せざるを得ない方法となっている。非接触式の方法は高コストであり、大型の機器を必要とする。従って、ウェアラブルで、未知物質との接触を要さず、感度が高く、選択性に優れ、迅速に結果が得られ、且つ、低コストのフェンタニルを特定するデバイスがあれば、それは、一次救急対応者にとって極めて有益なデバイスとなり得る。

より一般的に述べるならば、空中に浮遊している粒子の化学組成を判別することは目下の課題である。例えば、光の散乱に基づいて作動する煙感知器は浴室内に設置できず、なぜならば、その種の煙感知器は煙粒子と水粒子（湯気）とを判別できないからである。

空中に浮遊している化学物質を検出するためにこれまで用いられてきた方法としては、粒子数計測器を用いる方法、化学センサを用いる方法、それに、分析機器を用いる方法がある。粒子計測器の多くは粒子による光の散乱を光センサで計測しており、粒子の種類には関知せず、例えば水粒子でもその他の粒子と同様に計測してしまう。この方法では一般的に、粒径が所定の範囲内にあればいかなる粒子でも検出することになり、粒子の化学組成に関する情報は得られない。化学センサの多くは、計測可能な信号（例えば、周波数、電圧、導電率、等々）に基づいて分子を検出するものである。化学センサは一般的に、粒子に対しては応答せず、これは、粒子はセンサとの接触面積が小さいことによるものである。更に、化学センサの多くはハウジングの中に収容されており、そのハウジングによって粒子が化学センサに到達することが妨げられている。分析機器は、多くの場合、分光測光学的技法ないし分光学的技法を用いて分子の検出を行うものであり、研究所で使用されており、試料には前処理を施すようにしている。その分析方法としては、例えば質量分光法などが用いられるが、この方法では、高額（十万ドル以上）の機器が必要であり、また試料の前処理も必要である。この方法では、先ず、粒子を捕集して研究所へ持ち込まねばならない。持ち込んだ粒子には前処理を施し、その前処理は粒子を成分分子にまで分解する処理である。この処理は、例えばレーザアブレーションや、化学的抽出法によって行われる。かかる分析方法は、高精度であり信頼性も高いが、その一方で高コストであり、ユーザの負担が大きく、可搬性に乏しく、更には、ユーザが化学に精通していることも必要そされる。その他の方法としては、ラマン分光法に基づくものがある（例えば、Thermo Fisher Scientific社（米国）の製品である「THERMO SCIENTIFIC TRUNARC」（THERMO SCIENTIFIC及び TRUNARCは商標である）という名称のハンドヘルド型の麻薬分析機など）。この種のデバイスは、可搬性に優れ、粉末状物質の検出に適しており、試料を成分分子に分解する必要もない。しかしながら、この種のデバイスは、空中に浮遊している粒子を高感度で検出するのには適しておらず、また高価なデバイスとならざるを得ない。

本開示は、例えばフェンタニルの塩などの特定の塩の固体粒子を検出するためのセンサ及び方法を記載するものである。幾つかの実施例によれば、ターゲット塩の固体粒子を検出するためのセンサは、支持基板と、吸着層と、前記支持基板と前記吸着層との間に位置する有感層と、前記有感層に接続しており前記有感層によって互いに隔てられている一対の電極とを備える。前記吸着層は、塩基性または酸性の官能基で官能化された第１多空隙質材料で形成されたイオン交換媒体から成る。前記塩基性の官能基は前記ターゲット塩から酸成分を脱去することで前記ターゲット塩の遊離塩基を生成するものである。官能基が酸性の場合について言えば、前記酸性の官能基は前記ターゲット塩から塩基成分を脱去することで前記ターゲット塩の遊離酸を生成するものである。前記有感層は、導電率の変化によって前記ターゲット塩の前記遊離塩基または前記遊離酸を検出するように官能化された第２多空隙質材料から成る。

本開示では更に、ターゲット塩の固体粒子を検出する方法を記載する。一実施例によれば、ターゲット塩の固体粒子を検出する方法は、ターゲット塩の粒子を含抱する気体媒体に吸着層を曝露させるステップを含む。前記吸着層は塩基性または酸性の官能基で官能化された第１多空隙質材料で形成されたイオン交換媒体から成る。前記塩基性または酸性の官能基は前記ターゲット塩から酸成分または塩基成分を脱去することで前記ターゲット塩の遊離塩基または遊離酸を生成するものである。前記ターゲット塩の前記遊離塩基または前記遊離酸は拡散によって前記吸着層に隣接する有感層へ移動する。前記有感層は前記ターゲット塩の前記遊離塩基または前記遊離酸を検出するように官能化された第２多空隙質材料から成る。特に、前記ターゲット塩の前記遊離塩基または前記遊離酸は前記第２多空隙質材料の導電率を変化させる。当該方法は更に、前記有感層に接続しており前記有感層によって互いに隔てられている一対の電極を用いて前記有感層の導電率の変化を計測するステップを含む。前記一対の電極と前記有感層との接続は、直接的な接続としてよいが、ただし、両者間に配設する導体を介して両者を電気的に接続するようにしてもよい。更なる幾つかの実施例によれば、前記遊離塩基は蒸気ないし気体である。幾つかの実施例によれば、気体媒体に含抱されるターゲット塩の濃度は0.1 mg/m³～100 mg/m³であり、場合によっては1 mg/m³～4 mg/m³である。

以上に本発明の数々の特徴のうちでも重要度の比較的高い特徴についてかなり大まかに概説したが、これは、以下に提示する本発明の詳細説明を理解し易くし、また、当業界への本発明の貢献を認識し易くするためである。本発明のその他の特徴は、以下に提示する本発明の詳細説明を添付図面及び請求の範囲の記載と共に参照することでより明瞭に理解することができ、また本発明を実施することで体得できるであろう。

本開示における一実施例のセンサの模式的な断面側面図である。 Ａ～Ｄは、本開示における一実施例のセンサの模式的な上面図及び断面側面図である。 Ａ～Ｂは、本開示における一実施例のセンサの模式的な上面図及び断面側面図である。 Ａ～Ｆはフェンタニルを検出する際のセンサの作用の全体概要を示した図である。Ａ～Ｂではフェンタニルの粒子がセンサ内へ進入している。Ｃ～Ｄでは粒子が塩基性官能基で官能化された吸着層のナノファイバーに吸着している。粒子が吸着層に接触してナノファイバーを擾乱することで小さな信号出力が記録されることがある。Ｅ～Ｆでは塩基性官能基で官能化されたナノファイバーがフェンタニル塩との間でイオン交換の相互作用を発生することでフェンタニル分子が遊離塩基の形に転換されている。遊離塩基の形のフェンタニルが移動してその一部が有感層へ達したならば、その有感層において電荷の受け渡しが行われるために信号出力が発生する。 本開示における別の実施例のセンサの模式図である。 Ａ～Ｄは、ナノファイバーの化学構造式と走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）画像とを組み合せて示した図であり、ビス(N-ヘキシルアミン) のナノファイバー（図６Ａ）、ビス(N-エチルエチルアミン) のナノファイバー（図６Ｂ）、ビス(N-プロピルプロピルアミン) のナノファイバー（図６Ｃ）、及び、ビス(N,Nジメチルブチルアミン) のナノファイバー（図６Ｄ）を示しており、それらＳＥＭ画像は全て同一倍率である。 電極の上にコーティングされたナノファイバーで形成された有感層のＳＥＭ画像である。 ナノファイバーで形成された有感層に、ナノファイバーを用いずにエタノールだけで２度目のコーティング処理を施した後の、その有感層のＳＥＭ画像である。 ビス-N-N-ジメチルヘキシルアミンのナノファイバーで形成した比較試料としての吸着層のＳＥＭ画像である。 ビス-N-N-ジメチルヘキシルアミンのナノファイバーで形成した比較試料としての有感層のＳＥＭ画像である。 吸着層を1μgのナノファイバーで形成した二重層のＳＥＭ画像である。 吸着層を3μgのナノファイバーで形成した二重層のＳＥＭ画像であり、吸着層の空隙を通して有感層が見えている部分を丸で囲って示した。尚、図８Ａ～図８Ｄに示したＳＥＭ画像は全て同一倍率である。 有感層のナノファイバーの上に1μgのビス-ブチルアミンのナノファイバーで形成した吸着層のＳＥＭ画像であり、吸着層の下の有感層のナノファイバーが見えている部分を楕円で囲って示した。 有感層のナノファイバーの上に3μgのビス-ブチルアミンのナノファイバーで形成した吸着層のＳＥＭ画像である。 有感層のナノファイバーのＳＥＭ画像である。尚、図９Ａ～図９Ｃに示したＳＥＭ画像は全て同一倍率である。 有感層のナノファイバーの上に1μgのビス-(N-エチルエチルアミン) のナノファイバーで形成した吸着層のＳＥＭ画像であり、吸着層の下の有感層のナノファイバーが見えている部分を楕円で囲って示した。 有感層のナノファイバーの上に3μgのビス-(N-エチルエチルアミン) のナノファイバーで形成した吸着層のＳＥＭ画像である。 有感層のナノファイバーのＳＥＭ画像である。尚、図１０Ａ～図１０Ｃに示したＳＥＭ画像は全て同一倍率である。 幾つかの実施例に係るセンサアレイカードで用いられる幾つかの実施例に係る有感層のナノファイバー及び吸着層のナノファイバーの分子の分子構造を示した図である。 フェンタニル及びフェンタニル模擬物質を示した図であり、１はフェンタニル塩酸塩、２はノルフェンタニル塩酸塩、３はプロペンアミド-2-メチル-N-[1-(フェニルメチル)-4-ピペリジニル]、４はプロペンアミド-N-[1-[2-(4-ヒドロキシフェニル)メチル]-4-ピペリジニル]-N-フェニル、５はベンジルフェンタニルである。 化合物２の有感層と化合物４の吸着層とから成る二重層を備え、吸着層を1μgのナノファイバーで形成した二重層センサと、同じく吸着層を3μgのナノファイバーで形成した二重層センサとを、濃度が1～2 mg/m³のフェンタニル模擬物質に曝露したときの夫々のセンサ応答を示した図である。 化合物２の有感層と化合物４の吸着層とから成る二重層を備え、吸着層を1μgのナノファイバーで形成した二重層センサと、同じく吸着層を3μgのナノファイバーで形成した二重層センサとを、濃度が2～4 mg/m³のフェンタニル模擬物質に曝露したときの夫々のセンサ応答を示した図である。 化合物２の有感層と化合物４の吸着層とから成る二重層を備え、吸着層を1μgのナノファイバーで形成した二重層センサと、同じく吸着層を3μgのナノファイバーで形成した二重層センサとを、濃度が8～16 mg/m³のフェンタニル模擬物質に曝露したときの夫々のセンサ応答を示した図である。 化合物２の有感層と化合物３の吸着層とから成る二重層を備えた二重層センサの濃度依存性を示した図である。 化合物２の有感層と化合物４の吸着層とから成る二重層を備えた二重層センサの濃度依存性を示した図である。 化合物２の有感層と化合物５の吸着層とから成る二重層を備えた二重層センサの濃度依存性を示した図である。 妨害物質により発生するセンサ応答を調べるための試験を実施したフェンタニル分子鎖切断剤を示した図である。 化合物２のみを用いた比較例センサ、化合物３のみを用いた比較例センサ、化合物２／３の二重層を備え各層が1μgのナノファイバーで形成された二重層センサ、及び、化合物２／３の二重層を備え各層が3μgのナノファイバーで形成された二重層センサの、濃度が10～20 mg/m³のメタミゾールに対する夫々のセンサ応答を示した図である。 化合物２のみを用いた比較例センサ、化合物４のみを用いた比較例センサ、化合物２／４の二重層を備え各層が1μgのナノファイバーで形成された二重層センサ、及び、化合物２／４の二重層を備え各層が3μgのナノファイバーで形成された二重層センサの、濃度が10～20 mg/m³のメタミゾールに対する夫々のセンサ応答を示した図である。 化合物２のみを用いた比較例センサ、化合物５のみを用いた比較例センサ、化合物２／５の二重層を備え各層が1μgのナノファイバーで形成された二重層センサ、及び、化合物２／５の二重層を備え各層が3μgのナノファイバーで形成された二重層センサの、濃度が10～20 mg/m³のメタミゾールに対する夫々のセンサ応答を示した図である。 化合物２のみを用いた比較例センサ、化合物３のみを用いた比較例センサ、化合物２／３の二重層を備え各層が1μgのナノファイバーで形成された二重層センサ、及び、化合物２／３の二重層を備え各層が3μgのナノファイバーで形成された二重層センサの、濃度が10～20 mg/m³のマンニトールに対する夫々のセンサ応答を示した図である。 化合物２のみを用いた比較例センサ、化合物４のみを用いた比較例センサ、化合物２／４の二重層を備え各層が1μgのナノファイバーで形成された二重層センサ、及び、化合物２／４の二重層を備え各層が3μgのナノファイバーで形成された二重層センサの、濃度が10～20 mg/m³のマンニトールに対する夫々のセンサ応答を示した図である。 化合物２のみを用いた比較例センサ、化合物５のみを用いた比較例センサ、化合物２／５の二重層を備え各層が1μgのナノファイバーで形成された二重層センサ、及び、化合物２／５の二重層を備え各層が3μgのナノファイバーで形成された二重層センサの、濃度が10～20 mg/m³のマンニトールに対する夫々のセンサ応答を示した図である。 化合物２のみを用いた比較例センサ、化合物３のみを用いた比較例センサ、化合物２／３の二重層を備え各層が1μgのナノファイバーで形成された二重層センサ、及び、化合物２／３の二重層を備え各層が3μgのナノファイバーで形成された二重層センサの、濃度が10～20 mg/m³のα-D-ラクトースに対する夫々のセンサ応答を示した図である。 化合物２のみを用いた比較例センサ、化合物４のみを用いた比較例センサ、化合物２／４の二重層を備え各層が1μgのナノファイバーで形成された二重層センサ、及び、化合物２／４の二重層を備え各層が3μgのナノファイバーで形成された二重層センサの、濃度が10～20 mg/m³のα-D-ラクトースに対する夫々のセンサ応答を示した図である。 化合物２のみを用いた比較例センサ、化合物５のみを用いた比較例センサ、化合物２／５の二重層を備え各層が1μgのナノファイバーで形成された二重層センサ、及び、化合物２／５の二重層を備え各層が3μgのナノファイバーで形成された二重層センサの、濃度が10～20 mg/m³のα-D-ラクトースに対する夫々のセンサ応答を示した図である。 化合物２のみを用いた比較例センサ、化合物３のみを用いた比較例センサ、化合物２／３の二重層を備え各層が1μgのナノファイバーで形成された二重層センサ、及び、化合物２／３の二重層を備え各層が3μgのナノファイバーで形成された二重層センサの、濃度が10～20 mg/m³の炭酸水素ナトリウムに対する夫々のセンサ応答を示した図である。 化合物２のみを用いた比較例センサ、化合物４のみを用いた比較例センサ、化合物２／４の二重層を備え各層が1μgのナノファイバーで形成された二重層センサ、及び、化合物２／４の二重層を備え各層が3μgのナノファイバーで形成された二重層センサの、濃度が10～20 mg/m³の炭酸水素ナトリウムに対する夫々のセンサ応答を示した図である。 化合物２のみを用いた比較例センサ、化合物５のみを用いた比較例センサ、化合物２／５の二重層を備え各層が1μgのナノファイバーで形成された二重層センサ、及び、化合物２／５の二重層を備え各層が3μgのナノファイバーで形成された二重層センサの、濃度が10～20 mg/m³の炭酸水素ナトリウムに対する夫々のセンサ応答を示した図である。

以上の添付図面は、本発明の様々な態様を例示するために提示するものであって、図面に示した寸法、材料、構造、構成、比率は、それらが特許請求の範囲に明記されているのでない限り、本発明の範囲の限定要件を成すものではない。

以下に具体例としての数々の実施の形態を、当業者が本発明を実施し得るように十分に詳細に説明するが、ただしそれら実施の形態とは異なる形態で本発明を実施することも可能であり、またそれら実施の形態に様々な改変を加えた形態で本発明を実施することも可能であって、そのようなその他の実施の形態もまた、本発明の概念及び範囲から逸脱するものではない。従って本発明の実施の形態についての以下の詳細な説明は、特許請求の範囲に記載した本発明の範囲を限定することを意図したものではなく、本発明の特徴及び特性を説明する上で、例示することのみを目的とし、限定することは目的とせず、本発明を実施するための最良の形態を記載することで当業者が本発明を実施することを可能にする十分な説明とするものである。従って本発明の範囲は請求の範囲の記載によってのみ規定されるべきものである。

定義
明細書及び特許請求の範囲において本発明を記載する上では以下の語法及び用語を用いる。

単数であるか複数であるかが明示されていない場合、ないしは単数であるか複数であるかが文脈から明らかでない場合には、それは単数を意味していることもあり得るし、複数を意味していることもあり得る。従って、例えば単に「粒子」とのみ記載されているならば、それはただ１つの粒子を意味していることもあり得るし、複数の粒子を意味していることもあり得る。また、単に「処理を施す」とのみ記載されているならば、それは当該処理をただ一度だけ施すことを意味していることもあり得るし、当該処理を複数回に亘って施すことを意味していることもあり得る。

明細書及び特許請求の範囲の記載に用いる「約」なる用語は、それが付されているところの期間、量、数値などに許容範囲が付随することを意味する。その許容範囲は当業者であれば容易に判断し得るものである。ただし、特段の記載がある場合を除き、「約」なる用語で表される許容範囲は、一般的には2％以下であり、また多くの場合に1％以下であり、また場合によっては0.01％以下のこともある。

明細書及び特許請求の範囲の記載において特定の属性ないし状態に関して用いる「実質的に」なる用語は、その特定の属性ないし状態からの偏位が容易に測定できないほど十分に小さいことを意味する。どれほどの大きさの偏位までなら許容されるかは、場合によっては、個々の状況に応じたものとなり得る。

明細書及び特許請求の範囲の記載に用いる「隣接している」なる用語は、２つの構造体ないし構造要素などが互いに近接していることを意味する。また特に、「隣接している」と記載された２つの構成要素は、互いに当接していることもあれば、互いに連結していることもある。更に、そのような２つの構成要素は、互いに近接はしていても、互いに接触していないこともあり得る。実際にどれほど近接しているかは、場合によっては、個々の状況に応じたものとなり得る。

明細書及び特許請求の範囲の記載においては、便宜上、複数の品目要素、複数の構造要素、複数の構成要素、及び／又は、複数の材料を、１つのリストの形で列挙することがある。その場合に、同一のリストに含まれる個々の要素ないし材料は、相互に関連性を有するものではなく、各々が独立した要素ないし材料として当該リストに収載されているのである。従って、同一のリストに含まれる複数の要素ないし材料は、それらが同一のリストに一括りに列挙されていることをもって事実上の均等物であると解釈されてはならず、均等物である旨が明記されている場合にのみ、均等物であると解釈されるべきものである。

明細書及び特許請求の範囲の記載に用いる「～のうちの少なくとも１つ」なる用語は、「～のうちの１つまたは幾つか」と同義である。例えば、「Ａ、Ｂ及びＣのうちの少なくとも１つ」とは、Ａのみ、Ｂのみ、Ｃのみ、及び、それらのうちの２つ以上のものの任意の組合せを含み得ることを明示するものである。

明細書及び特許請求の範囲には、濃度、量、等々の数値データを、その数値の範囲を示す形で提示することもある。このように数値の範囲を示す形で提示するのは簡潔明瞭を旨としたものであり、その数値の範囲の解釈は柔軟性をもって行われねばならない。即ち、明示された値である範囲の上限値及び下限値のみならず、当該範囲に包含される全ての数値及び当該範囲に包含される全ての部分範囲もまた、明示されたものとして扱われねばならない。例えば、約1～約4.5という数値範囲は、そこに明示された限界値である1及び4.5のみならず、それら以外の数値である例えば2、3、4などをも含意するものであり、また、当該範囲に包含される部分範囲である例えば1～3、2～4、等々をも含意するものである。また、ただ１つの数値が明示されている場合にも同様の原則が適用され、例えば「約4.5より小さい」との記載は、以上に例示した数値並びに数値範囲の全てを含意すると解釈されるべきものである。更に、かかる解釈は、その数値範囲の大小に関わらず、また、その数値が表している特性の如何に関わらず、適用されるべきものである。

方法の発明ないしプロセスの発明を記載した請求項に複数のステップが記載されているとき、当該発明は、それら複数のステップが当該請求項に記載されている通りの順序で実行されるものに限定されず、それらステップの実行順序を変更可能なこともあり得る。また、「～する手段」との記載、それに「～するステップ」との記載により規定される限定要件は、（ａ）「手段」ないし「ステップ」なる用語が明記されており、且つ、（ｂ）何を「する」かが明記されていることによって限定要件を成すものである。「～する手段」なる記載に関して、それを「する」ために要する構造、材料、動作、等々は明細書に記載されている通りのものである。従って、本発明の範囲は、特許請求の範囲に記載された発明並びにその法的均等発明として規定されるものであり、明細書の詳細な記載によって規定されるものではなく、況んや明細書中に示された実施例によって規定されるものではない。

ターゲット塩の固体粒子を検出するためのセンサ
ここに記載する技術はターゲット塩（検出対象の塩）の固体粒子の少なくとも１つの化学成分を判別する能力を備えた、低コストで、低電力で、コンパクトなセンサである。このセンサは、固体状態でのイオン交換過程により、化学化合物の１つを、遊離した中性の分子として放出し、そして、その放出された分子を化学センサで検出するものである。

検出対象となる粒子は、例えば爆発物類や麻薬類などであって、酸成分と塩基成分とがイオン結合して塩を形成している粒子である。そのイオン結合を、塩基または酸の導入によるイオン交換過程によって解離させる。塩基を導入した場合には、その塩基がターゲット塩から酸成分を脱去するため、ターゲット塩の塩基成分が遊離塩基の形で放出される。酸を導入した場合には、その酸がターゲット塩の塩基成分を脱去するため、ターゲット塩の酸成分が遊離酸の形で放出される。こうして放出された成分を検出する。実施例のうちには、放出された成分の検出を、化学センサを用いて行うもの、質量分光法を用いて行うもの、その他の方法で行うものなどがある。本開示においては、空中に浮遊している固体粒子を捕捉し、イオン交換過程を利用してその成分を解離させることについて論述し、また、特異性を備えたターゲット成分の検出方法と、フェンタニルなどのイオン化合物への曝露の識別のために用いるその検出方法の用途についても論述する。

本明細書に記載するセンサでは、塩基性または酸性の官能基で官能化された多空隙質材料から成るイオン交換媒体を用いてイオン交換過程を行わせる。この場合、塩基性または酸性の官能基はターゲット塩の酸成分または塩基成分を脱去する。それによってターゲット塩は遊離塩基または遊離酸に転換される。多空隙質材料としては、気体と、その気体に包含されているターゲット塩の固体粒子とが、材料の空隙に進入できるような材料構造を有する様々な材料を用いることができる。幾つかの実施例によれば、多空隙質材料は、有機ナノファイバー類、ポリマーナノファイバー類、カーボンナノチューブ類、シリコンナノワイヤ類、金属酸化物ナノワイヤ類、窒化ホウ素ナノチューブ類、エアロゲル類、ゼロゲル類、高多孔質セラミック類、金属有機構造体（ＭＯＦ）類、ガラス状炭素類、カルコパイライト類、カルコゲニド類、または、それらのうちの幾つかの組合せから成る。

一実施例によれば、イオン交換媒体は塩基（例えば一級アミン類）で官能化された有機ナノファイバーである。塩の粒子がそのナノファイバーに吸着したならば、そのナノファイバーが強塩基性であるために、塩の粒子から酸成分（例えば塩酸）が脱去される。ナノファイバーが有機材料から成り、しかも一次元的構造を有するものであることから、酸成分を速やかに拡散させることのできる効果的な拡散移動路が形成されており、また、イオン交換過程を駆動する表面の実効面積が大きなものとなっている。更に、ナノファイバーによって多空隙質の薄膜状の層が形成され、かかる層は放出された成分の移動を助ける。幾つかの実施例によれば、検出対象の粒子はフェンタニル塩酸塩であり、フェンタニル塩酸塩は広く見受けられるオピオイドであって、イオン交換過程が行われることで遊離塩基であるフェンタニルを放出する。

別の一実施例によれば、センサは２つの構成要素を備えており、それらは、上層である吸着層と、下層である有感層との２つである。上層である吸着層は、粒子を捕捉し、そして上述したイオン交換過程によって、ターゲット成分の放出を行わせる。下層である有感層は、例えば導電率の変化などによって、その放出された塩のターゲット成分の検出を行えるようにする。有感層は、吸着層から移動してくる放出された遊離塩基または遊離酸を検出するように官能化された第２多空隙質材料から成る。上で列挙した様々な多空隙質材料はいずれも有感層の材料として用い得る。一実施例によれば、有感層はターゲット塩の遊離塩基または遊離酸（例えば遊離塩基の形のフェンタニルなど）を検出するように官能化された有機ナノファイバーから成る。その有機ナノファイバーは一対の電極に接しており、それら電極は有機ナノファイバーにバイアス電位を印加する。ナノファイバーは、ターゲット成分である化学物質に応答してその導電率が変化し、計測可能な電流変化を生じさせる。以上の化学センサとは異なる形態の化学センサを用いることもでき、その具体例を挙げるならば、例えば、電気化学電池、導電性ポリマー、蛍光ポリマー、比色センサ、無機ナノストラクチャ、ナノチューブ（窒化ホウ素ナノチューブ、カーボンナノチューブなど）、グラフェン、２次元ジカルゲニド、それに、金属酸化物などを使用した化学センサを用いることができる。

上述した構造の二重層センサは、センサの使い勝手を良くするための、或いはまた、センサの検出能力を高めるための、様々な補機類と組合せて１台の装置とするとよい。かかる装置は、環境とセンサとをつなぐインターフェースや、センサとユーザとをつなぐインターフェースを備えたものとするとよい。幾つかの実施例によれば、かかる装置は、幾つかのコンポーネントやサブシステムを備えており、それらは、例えば、ハウジング、センサと環境との相互作用を補助するサンプリングシステム（受動サンプリングシステムと能動サンプリングシステムとがある）、センサそれ自体、センサを作動させるための電子コンポーネント類（例えば、アンプリファイア、Ａ／Ｄコンバータ、マルチプレクサ、マイクロコントローラ、受動コンポーネント類、等々）、電源機器（例えば、バッテリ、変圧器、等々）、システムを作動させるファームウェア、ユーザインターフェース（例えば、触覚アラーム、視覚アラーム、聴覚アラーム、ディスプレイなど）、通信機器（例えば、wi-fi、ブルートゥース、USB、LTE、LoRa、等々）などである。

更に、かかる装置は様々な形態の装置とすることができる。その形態の一例はウェアラブル検知器である。この形態の一実施例によれば、バッテリ駆動式のウェアラブル型デバイスに二重層センサが内蔵されている。そのウェアラブル型デバイスの大きさは、身体や衣服に装着するのに適した大きさである。例えば、そのウェアラブル型デバイスの長さ寸法、幅寸法、及び／又は、高さ寸法は、約0.5インチ～約4インチとするとよい。ターゲット塩の粒子を能動的にセンセへ送り込むようにするのもよく、それにはブロワなどを用いるとよい。ターゲット化合物が存在することを、聴覚アラーム、視角アラーム、触覚アラームなどでユーザに告知するようにするのもよい。そのようなデバイスの一実施例は、一次救急対応者を擁する組織が装備すべき、フェンタニル化合物を検出することのできるウェアラブル型センサである。かかるウェアラブル型センサの一例は、米国特許出願公開第2020/0326286号公報に記載されており、同米国公報の開示内容はこの言及をもって本願開示に組込まれたものとする。また、かかるウェアラブル型デバイスは同米国公報に記載のセンサのみに限られない。

このセンサの別の一形態として、このセンサを固定設置型デバイスとするのもよい。その一例は、煙感知器と同様のデバイスである。かかるデバイスは、固定した取付位置（例えば壁面）に取付けて用いられる。かかるデバイスに内蔵したセンサは、環境に対して開かれた状態とし、受動的なサンプリングが行われるようにする。電源はバッテリとしてもよく、電気配線から電力を得るようにしてもよい。かかる装置の１つの具体例は、センサが煙と湯気を弁別する能力を備えた煙感知器である。また、もう１つの具体例は、第１の粒子状物質（例えば、煤煙、塵埃など）と、第２の粒子状物質（例えば、硝酸アンモニウムなど）とを弁別する能力を備えた屋外用空気監視装置である。

有感層は、一対の電極の上に、または一対の電極の間に、化学抵抗センシング材料がコーティングされることで形成される層である。本明細書に記載する様々な実施例では、有感層の材料は一対の電極に電気的に接続しているため、一方の電極から他方の電極へ有感層を通して電流を流すことができる。化学抵抗センシング材料は、この化学抵抗センシング材料に吸着した気体との間で電子を交換することで、その抵抗率が変化する。この抵抗率の変化を電子的に計測することにより、特定の気体に対応したフィンガープリントプロフィールを生成することができる。既述のごとく、ターゲット化合物がフェンタニルである場合には、そのフェンタニルは気体ではなく固体粉末粒子の形で存在している。即ち、フェンタニルは、多くの場合、フェンタニル塩酸塩の粉末の形で存在しており、フェンタニル塩酸塩の蒸気圧は無視可能なほど小さなものである。実際に、フェンタニル塩酸塩の飽和蒸気におけるフェンタニルの濃度は、フェンタニルの危険濃度より遙かに低濃度である。フェンタニルを吸入するおそれがあるというのは、フェンタニル塩酸塩の固体粒子を吸入するおそれがあるということに他ならない。従って、本明細書に記載する二重層センサの構造は、上層の吸着層がフェンタニル塩酸塩の固体粒子を吸着し、そして、遊離塩基の形のフェンタニルが拡散によって有感層へ移動し、そのフェンタニルを有感層の抵抗率の変化で検出するようにしたものである。フェンタニルは弱塩基であるため、強塩基を用いることでフェンタニル塩酸塩から塩酸を脱去することができ、それによって、フェンタニル塩酸塩を、より揮発性の高い遊離塩基の形のフェンタニルに転換できるのである。本明細書に記載するセンサの有感層は、この遊離塩基の形に転換したフェンタニルを検出するものである。フェンタニルのpKa値は8.4であるのに対して、一級アルキルアミンや二級アルキルアミンのpKa値はそれより大きい10.5である。それゆえ、センサを製作する上では一級アルキルアミンないし二級アルキルアミンを用いるとよく、それによって、容易にフェンタニル塩酸塩を解離させて遊離塩基の形のフェンタニルに転換することが可能である。

以上にフェンタニル塩酸塩を例に挙げて説明したが、本明細書に記載するセンサはその他の様々なターゲット塩を検出するためのセンサとすることも可能である。もしターゲット塩が、当該ターゲット塩の特徴的な塩基成分を遊離塩基の形に転換したものによって特定できる塩であるならば、センサの吸着層を塩基性官能基で官能化することで、当該ターゲット塩の酸成分を脱去するように官能化すればよく、そして、その塩基成分の遊離分子を有感層で検出すればよい。一方、ターゲット塩が、当該ターゲット塩の特徴的な酸成分を遊離酸の形に転換したものによって特定できる塩であるならば、センサの吸着層を酸性官能基で官能化することで、当該ターゲット塩の塩基成分を脱去するように官能化して、有感層で検出可能な遊離酸を生成できるようにすればよい。

本明細書に記載する二重層センサは、ターゲット化合物を、それが低濃度であっても、妥当な応答時間内で検出し得るものである。実験試験では、フェンタニル塩酸塩を検出するためのセンサとして構成したセンサを、フェンタニル塩酸塩の模擬物質を用いて試験した。そのセンサは濃度が1.6 mg/m³のフェンタニル塩酸塩の模擬物質を5分以内に検出することができた。また、同じそのセンサを、マンニトール、ラクトース、重曹などの分子鎖切断剤に曝露させたところ、それら物質の濃度を10～20 mg/m³という高濃度にしたにもかかわらずセンサ応答は観察されなかった。また、それら妨害物質とはまた別の妨害物質としてメタミゾールに曝露させたところ、小さなセンサ応答の発生が認められたが、そのセンサ応答の方向は、フェンタニル塩酸塩の模擬物質に対するセンサ応答とは逆方向であった。

以上の試験結果は、本明細書に記載のセンサが、通常の存在形態で通常の存在濃度にあるフェンタニルを検出し得ることを示している。更に、このセンサは小型のウェアラブル型のデバイスに内蔵するのに適している。かかるデバイスは、フェンタニルに曝露された状態に陥った一次救急対応者に、曝露状態にあることを速やかに警告することができ、その曝露に関する診断を容易にし、ひいてはフェンタニルに曝露された一次救急対応者の生存率の向上に資するものである。

幾つかの実施例によれば、吸着層の多空隙質材料と、有感層の多空隙質材料とは、それらの何れか一方もしくは両方を有機ナノファイバーから成るものとしている。幾つかの実施例によれば、その有機ナノファイバーは、官能化を施すことで検出対象の化合物に対する感度及び選択度を変化させたビルディングブロック分子を集積させて形成したものである。ビルディングブロック分子を集積させてナノファイバーを形成したならば、そのナノファイバーを一対の電極の上にコーティングすることで層を形成する。こうすることで、ナノファイバーと環境中の分子との相互作用によるナノファイバーの層の抵抗率の変化を計測することができる。ナノファイバーの抵抗率が変化するのは、環境中の分子がナノファイバーの表面に吸着して電子の受け渡しを行うことで電子密度が変化するからである。このセンサ応答は共有結合に起因するものではないため、センサはその相互作用の影響から回復することができ、従ってセンサは再使用可能である。センサ応答の大きさはラングミュアの吸着モデルに比例したものとなるため、そのセンサ応答の大きさに基づいて検出された化学物質を定量することができる。ナノファイバーを形成するためのビルディングブロック材料の具体例を挙げるならば、例えば、米国特許第8,486,708号公報、米国特許第8,889,420号公報、米国特許第8,703,500号公報、米国特許第8,809,063号公報、米国特許出願公開第US 2014/0235493 A1号公報、米国特許出願公開第US 2018/0201612 A1号公報、及び、米国特許出願公開第US 2017/0160252 A1号公報の中で列挙されている材料などがあり、またそれらのみに限定されない。尚、これら米国公報の開示内容はこの言及をもって本願開示に組込まれたものとする。かかる材料は、本明細書に記載したごとくアミン類で官能化することで、吸着層の塩基性ナノファイバーを形成するための材料とすることができ、また、本明細書に記載したごとく有感層のナノファイバーを形成するための材料とすることができる。

図１は本開示に係る一実施例のセンサ１００の断面側面図である。この実施例は、支持基板１１０と、支持基板の上に形成された一対の電極１２０と、支持基板及び電極の上に形成された有感層１３０と、有感層の上に形成された吸着層１４０とを備える。有感層は一対の電極に接続しており、一対の電極は有感層によって互いに隔てられている。これによって一方の電極から有感層を通って他方の電極へ電流を流すための電流経路が形成されている。そのため、一対の電極の間で電流を流すことで有感層の導電率の変化を計測することができる。吸着層は第１多空隙質材料で形成されたイオン交換媒体から成る。第１多空隙質材料は塩基性または酸性の官能基で官能化されており、それによって、ターゲット塩から酸成分または塩基成分を脱去してターゲット塩の遊離塩基または遊離酸を生成するように官能化されている。有感層は第２多空隙質材料から成る。第２多空隙質材料は、導電率の変化によってターゲット塩の遊離塩基または遊離酸を検出するように官能化されている。

図１に示した具体的なセンサ構造は一実施例を示したものである。センサの構成要素の配設形態はこの実施例のものとは異なる配設形態とすることもできる。例えば、図１における有感層は、電極の上面に形成されており、２つの電極の間の空間を充填している。これに対して、別の幾つかの実施例のうちには、有感層の形成材料が電極の上面に位置していないものもあり、また、有感層の形成材料が２つの電極の間の空間を充填していないものもある。有感層の形成材料が一対の電極の双方に電気的に接続していて、一方の電極から有感層を通って他方の電極へ電流を流し得る配設形態であるならば、いかなる配設形態としてもよい。更に、実施例のうちには、吸着層が有感層の全体を覆うようにしたものもあれば、吸着層が有感層の一部だけを覆うようにしたものもある。実施例のうちには、吸着層を電極の上に形成したものもあれば、電極の上には形成していないものもある。実施例のうちには、吸着層と有感層との両方が２つの電極の間に形成されているものもある。また、幾つかの実施例によれば、吸着層と電極とが有感層で隔てられているために吸着層と電極とは直接的には接続していない。そのような実施例のうちには、一方の電極から他方の電極へ流れる電流が有感層を通って流れるだけで、吸着層を通って流れることはないものがある。別の実施例として、一方の電極から他方の電極へ流れる電流が有感層に加えて吸着層をも通って流れるようにしたものもある。

図２Ａ～図２Ｄは別の実施例のセンサ２００の製造過程を示した図である。図２Ａに示したのは、支持基板２１０と、この支持基板の上に形成された２つの電極２２０の上面図である。図２Ｂは、支持基板及び電極の上に形成された有感層２３０を示しており、この有感層はナノファイバー２３２から成る。図２Ｃは、有感層の上に形成された吸着層２４０を示しており、この吸着層はナノファイバー２４２から成る。図２Ｄに示したのはセンサの断面側面図である。既述のごとく、吸着層のナノファイバーは、塩基性官能基で官能化されることで、ターゲット塩から酸成分を脱去するように官能化されている。有感層のナノファイバーは、導電率の変化によって、遊離塩基の形のターゲット塩を検出できるようにしたものである。

一実施例によれば、図２Ａ～図２Ｄに示した形態のセンサを用いて、フェンタニル塩酸塩の検出を行う。吸着層は、フェンタニル塩酸塩の粒子を捕捉し、そして、そのフェンタニル塩酸塩から塩酸を脱去することで、そのフェンタニル塩酸塩を遊離塩基の形のフェンタニルに変換する。この遊離塩基の形のフェンタニルは拡散により有感層の中へ移動し、この有感層において検出される。この構成における吸着層は、フェンタニル塩酸塩の粒子を捕捉し得るだけの十分な密度を有し、且つ、その粒子のフェンタニル塩酸塩を遊離塩基の形のフェンタニルに完全に変換し得るだけの十分な界面相互作用を提供している。そして、有感層のナノファイバーは、遊離塩基の形のフェンタニルを高感度で検出できるようにしている。

図３Ａ～図３Ｂに示したのは別の実施例のセンサ３００である。このセンサはインターデジタル型電極を構成する一対の電極３２０を備えている。それら電極は支持基板３１０の上にパターニングされた金属層で形成されている。図３Ａは支持基板及び電極がよく見えるようにそれらを覆う層を排除して示した図である。図３Ｂはこのセンサの断面側面図であり、支持基板及び電極の上に形成された有感層３３０と吸着層３４０とが示されている。この実施例では、２つの電極の各々が、電極本体部とこの電極本体部から相手側電極へ向かって延出する指状部とを備えている。この実施例において、電極の指状部は電極本体部より幅が狭い。ただし、別実施例として、電極本体部と指状部とを同じ太さとし、電極の全体を一定の太さで形成するようにしてもよい。インターデジタル型電極を用いることで、ターゲット分子が拡散により有感層の中へ移動してきたときにこの有感層を通して両電極間で流れる電流を大きなものとすることができ、それによってセンサの感度を高めることができる。

図４Ａ、図４Ｃ、及び図４Ｅは、センサ４００を用いてフェンタニル塩酸塩を検出する際の検出プロセスを示した模式図であり、図４Ｂ、図４Ｄ、及び図４Ｆは、そのプロセスに伴って発生する理論上のセンサ応答を示した図である。図４Ａでは、フェンタニル塩酸塩の粒子４０２がセンサに進入している。図４Ｃでは、フェンタニル塩酸塩の粒子が吸着層４４０に吸着している。もし吸着層のナノファイバーと粒子との間で電荷の受け渡しがあれば、小さなセンサ応答が発生することもあり得る。図４Ｆでは、イオン交換反応が発生しており、即ち、塩基性官能基で官能化されたナノファイバーが、フェンタニル塩酸塩を遊離塩基の形のフェンタニルに変換して放出しており、放出されたフェンタニル分子は有感層４３０の中へ移動して行く。有感層のナノファイバーとフェンタニル分子とは電荷の受け渡しによる相互作用を発生し、センサ応答の信号出力が上昇する。以上の検出スキームは、空中に浮遊しているフェンタニルなどの不揮発性物質の粒子の検出を可能にするものである。

図５に示した別の実施例のセンサ５００は、上で説明した実施例と同様に、支持基板５１０と、一対の電極５２０と、有感層５３０と、吸着層５４０とを備えている。更に加えて、このセンサは、それら支持基板、電極、有感層、及び吸着層を囲繞するハウジング５５０を備えている。また、空気をこのハウジングの中へ吹き込んで吸着層へ吹き付けるためのブロワ４６０を備えている。これによって、周囲環境中のターゲット塩の粒子を引き込めるようにしている。このセンサは更に、電極に接続され警報信号を発出するように構成された警報手段５７０を備えている。警報信号は、触覚信号、視覚信号、聴覚信号、ディスプレイ、またはそれらの組合せから成るものとすることができる。

ターゲット塩に関して更に詳細に説明すると、本明細書に記載のセンサは、様々なターゲット塩を検出するように設計することができる。ターゲット塩は、塩基成分と酸成分とを含んでいる。様々な実施例のうちには、ターゲット塩を、塩酸塩、ナトリウム塩、硫酸塩、酢酸塩、リン酸塩、二リン酸塩、塩化物塩、カリウム塩、マレイン酸塩、カルシウム塩、クエン酸塩、メシル酸塩、硝酸塩、酒石酸塩、アルミニウム塩、グルコン酸塩、または、過塩素酸塩としたものがあり、また更に、その他の酸成分や塩基成分を含む塩としたものもある。幾つかの実施例では、ターゲット塩をアルカロイドの塩としている。また特に、ターゲット塩をオピエートの塩とした実施例がある。そのような実施例のうちでも特に、ターゲット塩をフェンタニル塩酸塩とした実施例や、カルフェンタニルとした実施例がある。ターゲット塩は固体粒子の形で存在する。幾つかの実施例によれば、ターゲット塩は平均粒径が約0.1μｍ～約10μｍである。別の幾つかの実施例によれば、ターゲット塩は平均粒径が約0.1μｍ～約5μｍ、または約0.1μｍ～約1μｍ、または約1μｍ～約5μｍ、または約1μｍ～約10μｍである。尚、本開示において使用する平均粒径という用語は、粒子が非球形である場合には当該粒子の最長差し渡し寸法の平均値を意味し、粒子が球形である場合には当該粒子の直径の平均値を意味する。

センサを製作するための支持基板の材料としては、様々な剛体材料を用いることができる。幾つかの実施例によれば、支持基板は、ガラス、シリコン、アルミナ、サファイア、マイカ、クオーツ、プラスチック、または、それらのうちの幾つかの組合せから成る。また、支持基板は可撓性基板とすることもできる。好適な可撓性基板の具体例を挙げるならば、例えば、ポリエチレンから成る基板や、MYLAR（商標）から成る基板があり、またそれらのみに限定されない。支持基板の厚さやその他の各部寸法に関しては特段の制約はない。幾つかの実施例では、支持基板の厚さを約0.1 mm～約1 cmとしており、また、それを約0.1 mm～約2 mmとしている実施例もある。

既述のごとく、このセンサは多空隙質材料から成る２つの層を備えている。多くの実施例において、それら２つの層は互いに異なる多空隙質材料で形成されており、即ち、上層である吸着層は第１多空隙質材料で形成されており、下層である有感層は第２多空隙質材料で形成されている。第１多空隙質材料及び／又は第２多空隙質材料は、有機ナノファイバー類、ポリマーナノファイバー類、カーボンナノチューブ類、シリコンナノワイヤ類、金属酸化物ナノワイヤ類、窒化ホウ素（ＮＢ）ナノチューブ類、エアロゲル類、ゼロゲル類、高多孔質セラミック類、金属有機構造体（ＭＯＦ）類、ガラス状炭素類、カルコパイライト類、カルコゲニド類、または、それらのうちの幾つかの組合せから成るものとすることができる。更に、それら多空隙質材料は様々な官能基で官能化されている。幾つかの実施例によれば、第１多空隙質材料は、塩基性官能基で官能化されることで、第１多空隙質材料にターゲット塩の粒子が吸着したときにそのターゲット塩の遊離塩基を生成するように官能化されている。また、そのような実施例によれば、第２多空隙質材料は、ターゲット塩の遊離塩基を検出するように官能化された酸性ナノファイバーから成る。その塩基性官能基の具体例は、例えば、一級アミノ基、二級アミノ基、三級アミノ基、及び、それらのうちの幾つかの組合せなどである。また、幾つかの実施例によれば、その塩基性官能基は、ヘキシルアミン、エチルエチルアミン、ジメチルブチルアミン、または、それらのうちの幾つかの組合せである。幾つかの実施例によれば、第１多空隙質材料は、かかる官能基を備えた有機ナノファイバーから成る。

別の幾つかの実施例によれば、第１多空隙質材料は、酸性官能基で官能化されており、それによって、第１多空隙質材料にターゲット塩の粒子が吸着したときにそのターゲット塩の遊離酸を生成するように官能化されている。その酸性官能基の具体例は、例えば、カルボン酸類、フェノール類、チオフェノール類、アルキルホスホン酸類、芳香族ホスホン酸類、アルキルホスホロチオチオ酸類、等々である。一般的ガイドラインとして、pKaが7.0以下の有機化合物などが、その酸性官能基として用いられる。

幾つかの実施例によれば、第１多空隙質材料は有機ナノファイバーから成る。幾つかの実施例によれば、第１多空隙質材料は第１有機ナノファイバーから成り、この第１有機ナノファイバーは分子が集合して積層した積層分子により構成されており、その積層した分子は、3,4,9,10-ペリレン-テトラカルボン酸ジイミド、3,4,9,10-ペリレン-テトラカルボン酸二無水物、ペリレン-3,4,9,10-テトラカルボン酸-3,4-無水物-9,10-イミド、インドロカルバゾール誘導体、それに、3～9 個のカルバゾール誘導体モノマーで構成されたオリゴマー、以上のものから成る部類中から選択された分子であり、更に、その積層分子の少なくとも一部が塩基性官能基で官能化されている。幾つかの実施例によれば、第１有機ナノファイバーは、下記の化学式I～XIIに示す１２個の分子構造のうちの何れか１つの分子構造を有する分子が集合して積層した積層分子により構成されている。

(I)

(II)

(III)

(IV)

(V)

(VI)

(VII)

(VIII)

(IX)

(X)

(XI)

(XII)

吸着層の厚さは、ターゲット塩の粒子を捕捉することができ、且つ、捕捉したターゲット塩の塩基成分ないし酸成分を有感層の中へ拡散させることができるような、十分な厚さであればよい。幾つかの実施例によれば、吸着層の厚さは約50 nm～約5μmである。別の幾つかの実施例によれば、吸着層の厚さは約50 nm～約1μm、または約50 nm～約500 nm、または約1μm～約5μmである。別の幾つかの実施例によれば、吸着層の面積当たり質量は、3 mm²当たり約0.1μg～6μgである。また、幾つかの実施例によれば、吸着層の面積は約0.1 mm²～10 mm²、または約0.1 mm²～1 mm²、または約1 mm²～10 mm²である。また、幾つかの実施例によれば、吸着層の空隙寸法は約10 nm～約1μm、または約10 nm～約500 nm、または約10 nm～約100 nmである。

更なる幾つかの実施例によれば、有感層は第２多空隙質材料から成る。幾つかの実施例によれば、第２多空隙質材料は第２有機ナノファイバーから成り、この第２有機ナノファイバーは分子が集合して積層した積層分子により構成されており、その積層した分子は、置換または非置換3,4,9,10-ペリレン-テトラカルボン酸ジイミド、置換または非置換3,4,9,10-ペリレン-テトラカルボン酸二無水物、置換または非置換ペリレン-3,4,9,10-テトラカルボン酸-3,4-無水物-9,10-イミド、インドロカルバゾール誘導体、それに、3～9 個のカルバゾール誘導体モノマーで構成されたオリゴマー、以上のものから成る部類中から選択された分子である。更なる幾つかの実施例によれば、第２多空隙質材料は第２有機ナノファイバーから成り、その第２有機ナノファイバーは、下記の化学式XIII及びXIVに示す２個の分子構造のうちの何れか一方の分子構造を有する分子が集合して積層した積層分子により構成されている。

(XIII)

(XIV)

幾つかの実施例によれば、有感層の厚さは約50 nm～約μm、または約50 nm～約1μm、または約1μm～約5μmである。また、幾つかの実施例によれば、有感層の面積当たり質量は、3 mm²当たり約0.1μg～約6μgである。

センサの一対の電極を形成するには、例えば、支持基板上に導電性材料を成膜することで、ギャップで互いに隔てられた２つの電極を形成するようにするのもよい。既述のごとく、ギャップを跨いで有感層が延在しているため、一方の電極から有感層を通って他方の電極へ電流を流すことが可能となっている。幾つかの実施例によれば、一対の電極の形成材料は、金、チタン、酸化インジウムスズ、酸化インジウム亜鉛、タングステン、アルミニウム、プラチナ、銀、銅、PEDOT:PSS、または、それらのうちの幾つかの組合せから成る。電極の厚さに関しては特段の制約はない。幾つかの実施例では、成膜により形成する電極の厚さを約5 nm～約100μmとしている。また、幾つかの実施例では、一対の電極を隔てるギャップのギャップ幅を約50 nm～約100μmとしている。

実施例
二重層センサの吸着層のナノファイバーを形成するために用いる３通りの新規な分子を合成し、それら分子の分子構造を核磁気共鳴分光法により確認した。各分子の高濃度溶液をノンソルベントに注入してナノファイバーを成長させた。ノンソルベントは各分子の凝集を発生させた。各分子は平面的なπ共役構造を持つものであっため、主として一方向性の成長が進行し、それによってナノファイバーが形成された。適正な分子集合状態にあることを確認した上で、各ナノファイバーを電極上に被着して当該ナノファイバーの層を形成し、その層を走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）で撮像し、またその層の電気的特性を計測することで、各ナノファイバーの特性を明らかにした。

二重層センサの製作は適宜の製作技法を用いて行われる。例えば、有感層や吸着層を形成するには、ナノファイバーの懸濁液を電極の上に塗布して被膜を形成するようにしてもよい。この被膜から成る層は、十分な被覆を提供し得るものである（即ち、下層であれば電極間のギャップを充填することができ、上層であれば下層の全領域を被覆することができ、且つ、層の厚さを目標厚さにすることができるものである）層の厚さが厚すぎると、層の形成材料であるナノファイバーの網状体の密度と、その空隙率によっては、拡散に要する時間が長くなることがあり、その結果として、センサ応答が発生するまでに長時間を要したり、センサ感度が低下したりすることがある。

フェンタニルを検出するには、環境中のフェンタニル塩酸塩の粒子に応答するセンサを用いればよい。また、ブロースタインアトマイザ（ＢＬＡＭ）を用いることで、溶液を、呼吸によって吸入される粒径が0.7μm～2.5μmのエアゾル粒子にすることができる。溶液をエアロゾル粒子にして生成したミストを、放散乾燥器へ導入して溶剤を放散させれば、その放散乾燥器の吐出口で乾燥粒子が得られる。エアロゾルの濃度を制御するには、ＢＬＡＭへ注入する溶液の注入速度を変化させてもよく、また、エアロゾル試料を空気で希釈してもよい。

フェンタニル模擬物質の溶液からフェンタニル模擬物質の粒子を生成した。粒子生成装置を用いて生成した塩酸塩の形のフェンタニル模擬物質の粒子は、試験に先立って、その定量を行った。その定量にはTSI社（米国）の製品である「DUSTTRAK II型」粒子計測器を使用した（DUSTTRAKは商標である）。フェンタニル模擬物質の試験では、フェンタニル模擬物質の濃度を３通りの濃度に設定することで、センサ応答がドーズ依存性を有する否かを調べた。その３通りの濃度は1～2 mg/m³、2～4 mg/m³、それに8～16 mg/m³であった。

フェンタニルが存在している環境中には、しばしば分子鎖切断剤が共存しており、共存している分子鎖切断剤はセンサにとって妨害物質となることがある。フェンタニル模擬物質の試験に用いたものと同じ試験設備を用いて、幾つかの妨害物質について交差反応の可能性を調べる試験を実施した。試験した物質は、メタミゾール、マンニトール、ラクトース、及び、重曹でああり、それら物質の試験時の濃度は、フェンタニル模擬物質の試験時の濃度の 10 倍の高い濃度とした。

吸着層のナノファイバーとして用いるために新規に合成した夫々のナノファイバーは、その各々が、固有の構造を備えたものであり、また、様々な特性を呈するものであった。それら新規なナノファイバーの分子の分子構造式と、それら新規なナノファイバーで形成した吸着層の走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）画像とを、図６Ａ～図６Ｄに示した。表面積、空隙率、それに官能基の活量、これらはいずれも特定のターゲット化合物の検出に適したナノファイバーを選択する際に考慮すべき要因である。それら要因の値を様々に変化させることで、結合の感度及び選択度を増減することができ、従って特定のターゲット化合物の検出に適した調節が可能である。図６Ａに示したのは、ビス(N-ヘキシルアミン) のナノファイバーである。図６Ｂに示したのは、ビス(N-エチルエチルアミン) のナノファイバーである。図６Ｃに示したのは、ビス(N-プロピルプロピルアミン) のナノファイバーである。図６Ｄに示したのは、ビス(ジメチルブチルアミン) のナノファイバーであり、これは図６Ａのナノファイバーと図６Ｂのナノファイバーとの中間的な構造を有するものである。図７Ａに示したのは、電極上にコーティングして形成した一実施例に係る有感層であり、図７Ｂに示したのは、比較例センサを製作するために、２度目のコーティング処理をナノファイバー無しでエタノールを用いて施した有感層である。

更に、有感層を形成するためのナノファイバーと、吸着層を形成するためのナノファイバーとを用いて、二重層センサを製作した。それら層を形成するために用いるナノファイバーの基準量は、有感層と吸着層の両方で6μgとした。二重層センサの製作に先立って各層を流れる電流を計測したところ、有感層を流れる電流は1.1 nA、吸着層を流れる電流は130μAであった。二層型センサの製作が完了してそのセンサを流れる電流を計測したところ、先に計測した有感層を流れる電流から二桁増大した180 nAであった。この電流の増大は、吸着層から有感層へのドーピングによって有感層の電子密度が高まり、その結果として二層型センサの全体としての導電率が高まったことによるものと考えられる。考えられるもう１つの別の原因として、センサを流れる電流の大部分が吸着層を通って流れたかも知れず、なぜならば吸着層の方が有感層より導電率が高いからである。ただし、この第２の原因が妥当である可能性は小さく、なぜならば電荷は電極の面に対して垂直の方向には移動しにくいからである。有感層へのドーピングが多すぎると二層型センサのフェンタニルに対する感度が低下するおそれがあり、それゆえ、吸着層を形成するナノファイバーの量を減じてセンサ電流の変化幅を小さくした。吸着層の厚さを薄くすることで、更に、遊離塩基の形のフェンタニルの有感層への移動を促進する効果も得られ、なぜならば、その移動は、拡散によって上限が決まる過程であると考えられるからである。

一様な構造の複数の二重層センサを製作した。それら二重層センサのうちには、吸着層を1μgのビス-N,N-ジメチルブチルアミンのナノファイバーで形成したものと、3μgのビス-N,N-ジメチルブチルアミンのナノファイバーで形成したものとがあり、有感層を形成するナノファイバーとしては、３通りのナノファイバーのいずれをも用いた。図８Ａ～図８Ｄは、それら二重層センサのＳＥＭ画像である。図８Ｃに示したのは吸着層を1μgのナノファイバーで形成した二重層センサ試料の画像であり、画像の上辺近傍に有感層が明瞭に認められる。また、この画像のその他の幾つかの位置では、吸着層の空隙を通して有感層のナノファイバーが見えている。吸着層を3μgのナノファイバーで形成した二重層センサ試料（図８Ｄ）では、有感層が認めにくくなっているが、ただし、画像の隅近傍に有感層が見えている箇所もあり、このことから、この吸着層は有感層を完全に覆い隠せるほどの厚さはないことが分かる。吸着層を形成するナノファイバーの量を1μgと3μgとのいずれにしたものも、吸着層は一様な薄膜として形成されており、吸着層の下の有感層は露出した状態にある。

更に、有感層を化合物１のナノファイバーで形成しその有感層の上に1μgのビス-ブチルアミンのナノファイバーで吸着層を形成した二重層センサ試料（1μg試料：図９Ａ）と、同じくその有感層の上に3μgのビス-ブチルアミンのナノファイバーで吸着層を形成した二重層センサ試料（3μg試料：図９Ｂ）とを作製した。図９Ｃに示したのは、上に吸着層を形成する前の有感層である。1μg試料では、有感層が吸着層によって略々覆われているが、ほんの僅かながら吸着層の下の有感層が見えている。吸着層を形成するナノファイバーの量を多くした3μg試料では、有感層が吸着層によって完全に覆い隠されている。ただし、有感層が完全に覆い隠されていても、吸着層が厚すぎなければ何の問題もなく、なぜならば、吸着層は空隙性であるため、遊離塩基の形のフェンタニルを拡散によって効率的に移動させるからである。

図１０Ａ及び図１０Ｂに示したのは、有感層の上に1μgのビス(N-エチルエチルアミン) のナノファイバーで吸着層を形成した二重層センサ試料（1μg試料：図１０Ａ）と、有感層の上に3μgのビス(N-エチルエチルアミン) のナノファイバーで吸着層を形成した二重層センサ試料（3μg試料：図１０Ｂ）である。赤色の楕円で囲んだのは、下の有感層が見えている部分である。図１０Ｃに示したのは、上に吸着層を形成する前の有感層の全体像である。ビス(N-エチルエチルアミン) のナノファイバーは太いため、フェンタニル粒子の吸着面積は小さいが、その一方で、拡散によるフェンタニルの有感層への移動経路は、より効率的な移動が可能なものとなり得る。3μg試料の方の二重層センサ試料では、吸着層の下の有感層は容易に視認できないが、ただし、ビス(N-エチルエチルアミン) のナノファイバーで形成された吸着層は空隙率が高いことから、拡散による移動は良好に行われると思われる。また、有感層が視認できないのは、ＳＥＭの被写界深度が浅いことが原因であるかも知れない。ビス(N-エチルエチルアミン) のナノファイバーは、その他の材料のナノファイバーと比べて、形成した吸着層の充填密度が低くなるが、同じ量のナノファイバーでより厚い吸着層を形成し得ると思われる。

図１１に示したのは、試験に用いるべく選択した有感層のナノファイバー及び吸着層のナノファイバーの、夫々の分子の化学構造式と、本開示で使用するそれら分子の化合物名称（化合物１～化合物５）である。

フェンタニルに対するセンサ応答と同様のセンサ応答を発生させると考えられるフェンタニル模擬物質の選定を行った。初期試験に模擬物質を用いねばならなかったのは、ひとつには安全性のためであり、もうひとつにはフェンタニルを使用するには許可が必要だったからである。先ず、フェンタニルと類似した分子構造を持つ４つの物質を候補物質として選出した。図１２にそれら候補物質を示した。フェンタニル模擬物質の候補であるそれら４つの物質は、ノルフェンタニル塩酸塩（図１２の２）、プロペンアミド-2-メチル-N-[1-(フェニルメチル)-4-ピペリジニル]（図１２の３）、プロペンアミド-N-[1-[2-(4-ヒドロキシフェニル)メチル]-4-ピペリジニル]-N-フェニル（図１２の４）、及び、ベンジルフェンタニル（図１２の５）である。最終的に、それら物質のうちから、図１２の３の物質をフェンタニル模擬物質として用いることとしたが、これは、図１２の４の物質はフェノール基を備えておりそのフェノール基がナノファイバーによって検出されるおそれがあること、また、図１２の２物質は法規制対象薬物であることが判明したことによる。

フェンタニル模擬物質に関する試験は、フェンタニル模擬物質の濃度を３通り（1～2 mg/m³、2～4 mg/m³、及び、8～16 mg/m³）に設定して実施した。また、３つの妨害物質（D-マンニトール、メタミゾール、及び、α-D-ラクトース）に関する試験も併せて実施した。

図１３Ａ～図１３Ｃに様々な実験によって得られたセンサ応答を示した。実験では、最初に溶媒だけを注入した。第１の黒色矢印（左側の黒色矢印）が指し示しているのは、ベースラインのゼロ点であり、この第１の黒色矢印の時点で、バルブを開弁して試料注入用シリンジポンプからの分析物試料溶液の供給を開始した。注入した分析物試料溶液がアトマイザに到達するまでに時間がかかることから、シリンジポンプの供給流量速度に基づいて、分析物粒子がナノファイバーに到達するのに要する予測時間を求めた。この予測時間を示したのが図中のグレーの帯である。第２の黒色矢印（右側の黒色矢印）は、シリンジポンプの電源をオフにし、バルブを閉弁して、アトマイザへの分析物試料溶液の流入を停止させた時点を指し示している。

図１３Ａ～図１３Ｃに示したセンサ応答のうちには、化合物２の有感層（即ち化合物２のナノファイバーで形成した有感層）と、化合物４の吸着層（即ち化合物４のナノファイバーで形成した吸着層）とから成る二重層を備えた二重層センサの、上述した３通りの濃度のフェンタニル模擬物質に対するセンサ応答が含まれている。真っ先に気付くことは、化合物４の吸着層を備えたセンサはそのセンサ応答がドーズ依存性を有することであり、このドーズ依存性は図１３Ｂ及び図１３Ｃに明瞭に現れている。フェンタニル模擬物質の濃度を最も低く設定した試験（図１３Ａ）では、センサ応答が殆どないし全く発生していない。化合物４のアルキル鎖末端のアミン官能基は、その他の吸着層の官能基と比べて、遊離塩基分子に対するセンサ応答が最も大きく、これは、当該アミン官能基が、フェンタニル塩酸塩の粒子とのイオン交換反応を駆動する能力が最も大きい官能基であること、そして、遊離塩基の形のフェンタニルに対するセンサ応答を発生させ得る官能基であることによるものである。

化合物２の有感層と化合物４の吸着層とから成る二重層を備えた二重層センサ（化合物２／４の二重層センサ）が示したセンサ応答のドーズ依存性は、フェンタニル模擬物質の濃度が高いほど応答出力が高くなるようなドーズ依存性であった。図１３Ｃに示したように、この構成の二重層センサのパフォーマンスは、比較例センサのパフォーマンスよりも良好であった。化合物４の吸着層を備えた二重層センサは、濃度を最も高く設定した試験（図１３Ｃ）において、化合物２の有感吸着層を備えた比較例センサとの差違が最も大きくなり、それより低い濃度に設定した２つの試験（図１３Ａ及び図１３Ｂ）では、その差違はそれほど大きくなかった。

図１４Ａに示したのは、化合物２の有感層と化合物３の吸着層とから成る二重層を備えた二重層センサ（化合物２／３の二重層センサ）のセンサ応答である。図１４Ｂに示したのは、化合物２の有感層と化合物４の吸着層とから成る二重層を備えた二重層センサ（化合物２／４の二重層センサ）のセンサ応答である。図１４Ｃに示したのは、化合物２の有感層と化合物５の吸着層とから成る二重層を備えた二重層センサ（化合物２／５の二重層センサ）のセンサ応答である。

センサにとって妨害物質となり得る４つの物質（D-マンニトール、メタミゾール、重炭酸ナトリウム、及び、α-D-ラクトース）に対するセンサ応答の試験は、それら妨害物質の濃度を10～20 mg/m³に設定して実施した。この濃度はフェンタニル模擬物質に対するセンサ応答の試験におけるフェンタニル模擬物質の最低設定濃度の約10倍の高濃度である。それら４つの妨害物質に対するセンサ応答の試験を実施したのは、それら妨害物質が現実に流通しているフェンタニル系オピオイドの製造最終過程で広く用いられている分子鎖切断剤だからである。図１５にそれら４つの妨害物質の分子構造式を示した。

図１６Ａ～図１６Ｃに示したのは、化合物２／３のセンサ、化合物２／４の二重層センサ、及び、化合物２／５の二重層センサの、濃度が10～20 mg/m³のメタミゾールに対するセンサ応答の試験結果である。メタミゾールに対するセンサ応答は応答出力の低下という形で現れており、この出力低下はメタミゾールの化学構造における硫酸対に起因するものと思われ、また、この出力低下という形のセンサ応答は、フェンタニル模擬物質に対するセンサ応答が応答出力の上昇という形で現れるのと大いに異なっている。図１６Ａは、化合物２／３の二重層センサと２つの比較例センサの、夫々のセンサ応答を示しており、それらセンサはいずれも小さな応答を発生している。また、各層を3μgのナノファイバーで形成した二重層センサは、各層を1μgのナノファイバーで形成した二重層センサよりも大きなセンサ応答を発生している。

図１６Ｂに示したように、化合物２／４の二重層センサもまた、メタミゾールに対するセンサ応答を発生しており、一方、単層の有感吸着層を備えた２つの比較例センサでは、メタミゾールに対するセンサ応答は無視可能なほど小さかった。有感吸着層を化合物４のナノファイバーで形成した比較例センサは、フェンタニル模擬物質に対してはドーズ依存性を有するセンサ応答を発生しているが、メタミゾールに対してはセンサ応答を発生しておらず、それゆえ、この比較例センサは、フェンタニル模擬物質を選好する選択性を備えており、メタミゾールによる偽陽性の発生を抑え得るものであると思われる。

図１６Ｃに示したように、化合物２／５の二重層センサは、センサカード上に製作したその他の二重層センサと比べれば、メタミゾールに対しては小さな応答しか発生していない。この試験結果は、吸着層がセンサ応答に関して大きな役割を担っていることを示している。化合物５の吸着層は、フェンタニル模擬物質が容易にアクセス可能なアミンを備えているため、フェンタニル模擬物質に対して大きなセンサ応答を発生する。また、妨害物質に対するセンサ応答は、吸着層が薄い場合よりも厚い場合の方が大きくなり得る。これは、吸着層が備えているアミンのアクセス容易度と、そのアミンの利用可能量とによってイオン交換反応の反応速度が決まり、センサ応答はその反応速度に支配されることによるものである。また、有感層にチューニングを施すことによって、センサの選択度を高めることができる。

更に、有感吸着層を化合物２のナノファイバーで形成した比較例センサでも、メタミゾールに対する応答は無視可能なほど小さかった。従って、化合物２のナノファイバーもまた、高い選択度を得る上で好適なナノファイバーであると考えられる。この試験結果は、吸着層が選択度に影響を及ぼすことを示唆している。吸着層を更に好適なものとすることで、選択度を更に高め得る潜在的可能性がある。また、センサアレイを利用することで、メタミゾールに対するセンサ応答がフェンタニルの検出を妨害するおそれを排除できる。例えば、フェンタニルに対するセンサ応答とメタミゾールに対するセンサ応答とが相殺して、結果的にゼロ応答となってしまうことが懸念される。確かに、ある１個のセンサに関しては、かかる相殺効果を成立させるようなフェンタニルとメタミゾールとの比というものが存在するが、ただし、その比は、センサアレイに含まれる複数のセンサのうちの個々のセンサごとにまちまちである。それゆえ、それら複数のセンサの夫々の応答信号に信号処理を施すことによって、メタミゾールに打ち克てるだけの選択度を確保し得る。

図１７Ａ～図１７Ｃに示したのは、吸着層及び二重層が夫々に異なるセンサの、濃度が10～12mg/m³のD-マンニトールに対するセンサ応答である。D-マンニトールは、それらセンサとの間で相互作用を発生する官能基を備えていない。図１７Ａ～図１７Ｃに示したセンサのうちの２つの二重層センサの夫々のセンサ応答はドリフトによるものと思われ、それら二重層センサは分析物に対しては大きなセンサ応答を発生していない。それゆえD-マンニトールがそれら二重層センサにとっての妨害物質となる可能性は小さい。

図１８Ａ～図１８Ｃに示したのは、濃度が10～20 mg/m³のα-Dラクトースに対するセンサ応答の計測結果である。α-Dラクトースの分子に備わっている官能基はD-マンニトールの分子に備わっている官能基と同様のものであり、ナノファイバーの反応を発生させていない。それゆえα-Dラクトースも、妨害物質となる可能性は小さい。この試験結果は、二重層センサが、選択的にフェンタニルに反応する選択性を備えていることを示しており、従って、α-Dラクトースなどの化合物が共存している場合でもフェンタニルを検出し得ることを示唆している。

最後に試験した妨害物質は炭酸水素ナトリウム（重曹）である。図１９Ａ～図１９Ｃに示したのは、この炭酸水素ナトリウムに対するセンサ応答である。炭酸水素ナトリウムはナノファイバーと反応する反応部位を持たないため、図１９Ａ～図１９Ｃに示した二重層センサ及び比較例センサは、炭酸水素ナトリウムに対するセンサ応答を発生しておらず、それゆえ、現実世界の状況下において炭酸水素ナトリウムがフェンタニルの存在を覆い隠すことは考えられない。尚、複数の物質の混合物に関する試験を実施するためには、粒子発生器を増設すること、試験方法を案出すること、それに、試験時間を十分に取ることが必要である。

上述したセンサは、化学抵抗センシング技術のうちでも、本質的に高度の選択度を提供し得る唯一の技術に基づいたセンサである。また、上述したナノファイバーは、有機分子の自己集合化を利用して製作するものであるため、ナノファイバーの製作に先立って、そのナノファイバーの構造を、特定の分析物ないし分析物群に対して応答するような構造となるように意図的に定めることが可能である。更に、上述したナノファイバーで形成する薄膜状の吸着層は、表面積が大きく、高い空隙率を有することから、吸着及び脱離を高速で進行させることができ、そのため、化学物質によっては、その検出限界をpptのレベルにまで引下げることが可能である。また、上述したナノファイバーは、室温下で、また大気圧下で、その機能を発揮し得るものであるため、加熱や減圧を伴う技法のように電源を必要とすることがない。上述したナノファイバーは更に、光学的な技法に伴う様々な欠点を改善するものであり、特に、検出限界を引下げることと、化学特異性を備えることに関する欠点を改善するものである。また、有機ナノファイバーを組み込むことで、低コストで、可搬性に優れた装置を構成することができ、そして、その装置は、感度及び選択度において研究所用の装置と比べて大きな遜色のない装置とすることができる。

その他の実施例のリスト
下記のリストは本明細書に記載の技法の具体的な実施例を記載したものである。それら具体的な実施例には、便宜上、番号を付してある。実施例１～実施例２８は本明細書に記載の技術に係るセンサである。実施例２９～実施例５８はターゲット塩の固体粒子を検出する方法である。

実施例１：ターゲット塩の固体粒子を検出するためのセンサにおいて、支持基板と、塩基性または酸性の官能基で官能化された第１多空隙質材料で形成されたイオン交換媒体から成る吸着層であって、前記塩基性または酸性の官能基は前記ターゲット塩から酸成分または塩基成分を脱去することで前記ターゲット塩の遊離塩基または遊離酸を生成するものである吸着層と、前記支持基板と前記吸着層との間に位置する有感層であって、導電率の変化によって前記ターゲット塩の前記遊離塩基または前記遊離酸を検出するように官能化された第２多空隙質材料から成る有感層と、前記有感層に接続しており前記有感層によって互いに隔てられている一対の電極と、を備えることを特徴とするセンサ。

実施例２：前記ターゲット塩はアルカロイドの塩であることを特徴とする実施例１乃至２８の何れかのセンサ。

実施例３：前記ターゲット塩はオピエートの塩であることを特徴とする実施例１乃至２８の何れかのセンサ。

実施例４：前記ターゲット塩はフェンタニル塩酸塩またはカルフェンタニルであることを特徴とする実施例１乃至２８の何れかのセンサ。

実施例５：前記ターゲット塩の前記固体粒子は粒径が約0.1μm～約10μmであることを特徴とする実施例１乃至２８の何れかのセンサ。

実施例６：前記支持基板は、ガラス、シリコン、アルミナ、サファイア、マイカ、クオーツ、ないし、プラスチック、のうちの少なくとも１つから成ることを特徴とする実施例１乃至２８の何れかのセンサ。

実施例７：前記第１多空隙質材料は、塩基性官能基で官能化されることで、前記ターゲット塩の遊離塩基を生成するように官能化されており、前記第２多空隙質材料は、前記遊離塩基を検出するように官能化された酸性ナノファイバーであることを特徴とする実施例１乃至２８の何れかのセンサ。

実施例８：前記塩基性官能基は、一級アミノ基、二級アミノ基、または、それらの組合せから成ることを特徴とする実施例１乃至２８の何れかのセンサ。

実施例９：前記塩基性官能基は、ヘキシルアミン、エチルエチルアミン、ジメチルブチルアミン、または、それらのうちの幾つかの組合せから成ることを特徴とする実施例１乃至２８の何れかのセンサ。

実施例１０：前記第１多空隙質材料及び前記第２多空隙質材料は、有機ナノファイバー類、ポリマーナノファイバー類、カーボンナノチューブ類、シリコンナノワイヤ類、金属酸化物ナノワイヤ類、窒化ホウ素ナノチューブ類、エアロゲル類、ゼロゲル類、高多孔質セラミック類、及び、金属有機構造体（ＭＯＦ）類、のうちの少なくとも１つで形成されていることを特徴とする実施例１乃至２８の何れかのセンサ。

実施例１１：前記第１多空隙質材料は第１有機ナノファイバーの網状体であることを特徴とする実施例１乃至２８の何れかのセンサ。

実施例１２：前記第１有機ナノファイバーは分子が集合して積層した積層分子により構成されており、その積層した分子は、3,4,9,10-ペリレン-テトラカルボン酸ジイミド、3,4,9,10-ペリレン-テトラカルボン酸二無水物、ペリレン-3,4,9,10-テトラカルボン酸-3,4-無水物-9,10-イミド、インドロカルバゾール誘導体、それに、3～9 個のカルバゾール誘導体モノマーで構成されたオリゴマー、以上のものから成る部類中から選択された分子であり、更に、前記積層分子の少なくとも一部が前記塩基性官能基で官能化されていることを特徴とする実施例１１のセンサ。

実施例１３：前記第１有機ナノファイバーは下記の化学式I～XIIに示す１２個の分子構造のうちの何れか１つの分子構造を有する分子が集合して積層した積層分子により構成されていることを特徴とする実施例１１のセンサ。

(I)

(II)

(III)

(IV)

(V)

(VI)

(VII)

(VIII)

(IX)

(X)

(XI)

(XII)

実施例１４：前記第２有機ナノファイバーは下記の化学式XIII及びXIVに示す２個の分子構造のうちの何れか一方の分子構造を有する分子が集合して積層した積層分子により構成されていることを特徴とする実施例１３のセンサ。

(XIII)

(XIV)

実施例１５：前記第１有機ナノファイバーの分子は上記の化学式Xに示す分子構造を有し且つ前記第２有機ナノファイバーの分子は上記の化学式XIVに示す分子構造を有しており、または、前記第１有機ナノファイバーの分子は上記の化学式XIに示す分子構造を有し且つ前記第２有機ナノファイバーの分子は上記の化学式XIVに示す分子構造を有しており、または、前記第１有機ナノファイバーの分子は上記の化学式XIIに示す分子構造を有し且つ前記第２有機ナノファイバーの分子は上記の化学式XIVに示す分子構造を有していることを特徴とする実施例１４のセンサ。

実施例１６：前記吸着層は厚さが50 nm～5μmであることを特徴とする実施例１乃至２８の何れかのセンサ。

実施例１７：前記吸着層は質量が3 mm²当たり0.1μg～約6μgであり、その面積が0.1 mm²～10 mm²であることを特徴とする実施例１乃至２８の何れかのセンサ。

実施例１８：前記吸着層は、平均空隙寸法が10 nm～1μmの多空隙質であることを特徴とする実施例１乃至２８の何れかのセンサ。

実施例１９：前記第２多空隙質材料は第２有機ナノファイバーから成り、当該第２有機ナノファイバーは分子が集合して積層した積層分子により構成されており、当該積層した分子は、置換または非置換3,4,9,10-ペリレン-テトラカルボン酸ジイミド、置換または非置換3,4,9,10-ペリレン-テトラカルボン酸二無水物、置換または非置換ペリレン-3,4,9,10-テトラカルボン酸-3,4-無水物-9,10-イミド、インドロカルバゾール誘導体、それに、3～9 個のカルバゾール誘導体モノマーで構成されたオリゴマー、以上のものから成る部類中から選択された分子であることを特徴とする実施例１乃至２８の何れかのセンサ。

実施例２０：前記第２多空隙質材料は第２有機ナノファイバーから成り、当該第２有機ナノファイバーは下記の化学式XIII及びXIVに示す２個の分子構造のうちの何れか一方の分子構造を有する分子が集合して積層した積層分子により構成されていることを特徴とする実施例１乃至２８の何れかのセンサ。

(XIII)

(XIV)

実施例２１：前記吸着層が前記有感層に直接的に接続していることを特徴とする実施例１乃至２８の何れかのセンサ。

実施例２２：前記有感層は厚さが50 nm～5μmであることを特徴とする実施例１乃至２８の何れかのセンサ。

実施例２３：前記有感層は質量が3 mm²当たり0.1μg～約6μgであることを特徴とする実施例１乃至２８の何れかのセンサ。

実施例２４：前記一対の電極は、金、チタン、酸化インジウムスズ、酸化インジウム亜鉛、タングステン、アルミニウム、プラチナ、銀、銅、PEDOT:PSS、または、それらのうちの幾つかの組合せから成ることを特徴とする実施例１乃至２８の何れかのセンサ。

実施例２５：前記一対の電極は50 nm～100μmのギャップ幅をもって互いに隔てられており、インターデジタル型のギャップ幅が5μm～50 cmであり、指状部の幅が0.1～50μmであることを特徴とする実施例１乃至２８の何れかのセンサ。

実施例２６：前記吸着層、前記有感層、及び前記一対の電極を囲繞するハウジングを更に備えることを特徴とする実施例１乃至２８の何れかのセンサ。

実施例２７：前記電極に電気接続され、警報信号を発出するように構成された警報手段を更に備え、前記警報信号は、触覚信号、視覚信号、聴覚信号、ディスプレイ、またはそれらの組合せから成ることを特徴とする実施例１乃至２８の何れかのセンサ。

実施例２８：空気を前記吸着層へ吹き付けるためのブロワを更に備えることを特徴とする実施例１乃至２８の何れかのセンサ。

実施例２９：ターゲット塩の固体粒子を検出する方法において、当該方法は、ターゲット塩の粒子を含抱する気体媒体に吸着層を曝露させるステップを含み、前記吸着層は塩基性または酸性の官能基で官能化された第１多空隙質材料で形成されたイオン交換媒体から成り、前記塩基性または酸性の官能基は前記ターゲット塩から酸成分または塩基成分を脱去することで前記ターゲット塩の遊離塩基または遊離酸を生成するものであり、前記ターゲット塩の前記遊離塩基または前記遊離酸は拡散によって前記吸着層に隣接する有感層へ移動し、前記有感層は前記ターゲット塩の前記遊離塩基または前記遊離酸を検出するように官能化された第２多空隙質材料から成り、前記ターゲット塩の前記遊離塩基または前記遊離酸は前記第２多空隙質材料の導電率を変化させ、当該方法は、前記有感層に接続しており前記有感層によって互いに隔てられている一対の電極を用いて前記有感層の導電率の変化を計測するステップを含む、ことを特徴とする方法。

実施例３０：前記気体媒体は空気から成ることを特徴とする実施例２９乃至５８の何れかの方法。

実施例３１：前記遊離塩基は、凝縮物質、蒸気、または気体であることを特徴とする実施例２９乃至５８の何れかの方法。

実施例３２：前記気体媒体中の前記ターゲット塩の濃度は0.1 mg/m³～100 mg/m³であることを特徴とする実施例２９乃至５８の何れかの方法。

実施例３３：前記ターゲット塩はアルカロイドの塩であることを特徴とする実施例２９乃至５８の何れかの方法。

実施例３４：前記ターゲット塩はオピエートの塩であることを特徴とする実施例２９乃至５８の何れかの方法。

実施例３５：前記ターゲット塩はフェンタニル塩酸塩またはカルフェンタニルであることを特徴とする実施例２９乃至５８の何れかの方法。

実施例３６：前記ターゲット塩の前記固体粒子は粒径が約0.1μm～約10μmであることを特徴とする実施例２９乃至５８の何れかの方法。

実施例３７：前記第１多空隙質材料は、塩基性官能基で官能化されることで、前記ターゲット塩の遊離塩基を生成するように官能化されており、前記第２多空隙質材料は、前記遊離塩基を検出するように官能化された酸性ナノファイバーであることを特徴とする実施例２９乃至５８の何れかの方法。

実施例３８：前記第１多空隙質材料及び前記第２多空隙質材料は、有機ナノファイバー類、ポリマーナノファイバー類、カーボンナノチューブ類、シリコンナノワイヤ類、金属酸化物ナノワイヤ類、ＢＮナノチューブ類、エアロゲル類、ゼロゲル類、高多孔質セラミック類、金属有機構造体（ＭＯＦ）類、ガラス状炭素類、カルコパイライト類、及び、カルコゲニド類、のうちの少なくとも１つで形成されていることを特徴とする実施例２９乃至５８の何れかの方法。

実施例３９：前記第１多空隙質材料は第１有機ナノファイバーの網状体であり、前記第２多空隙質材料は第２有機ナノファイバーの網状体であることを特徴とする実施例２９乃至５８の何れかの方法。

実施例４０：前記第１有機ナノファイバーは分子が集合して積層した積層分子により構成されており、その積層した分子は、3,4,9,10-ペリレン-テトラカルボン酸ジイミド、3,4,9,10-ペリレン-テトラカルボン酸二無水物、ペリレン-3,4,9,10-テトラカルボン酸-3,4-無水物-9,10-イミド、インドロカルバゾール誘導体、それに、3～9 個のカルバゾール誘導体モノマーで構成されたオリゴマー、以上のものから成る部類中から選択された分子であり、更に、前記積層分子の少なくとも一部が前記塩基性官能基で官能化されていることを特徴とする実施例３９の方法。

実施例４１：前記塩基性官能基は、一級アミノ基、二級アミノ基、または、それらの組合せから成ることを特徴とする実施例２９乃至５８の何れかの方法。

実施例４２：前記塩基性官能基は、ヘキシルアミン、エチルエチルアミン、ジメチルブチルアミン、または、それらのうちの幾つかの組合せから成ることを特徴とする実施例２９乃至５８の何れかの方法。

実施例４３：前記第１有機ナノファイバーは、下記の化学式I～XIIに示す１２個の分子構造のうちの何れか１つの分子構造を有する分子が集合して積層した積層分子により構成されていることを特徴とする実施例２９乃至５８の何れかの方法。

(I)

(II)

(III)

(IV)

(V)

(VI)

(VII)

(VIII)

(IX)

(X)

(XI)

(XII)

実施例４４：前記第２有機ナノファイバーは下記の化学式XIII及びXIVに示す２個の分子構造のうちの何れか一方の分子構造を有する分子が集合して積層した積層分子により構成されていることを特徴とする実施例３９の方法。

(XIII)

(XIV)

実施例４５：前記第１有機ナノファイバーの分子は上記化学式Xに示す分子構造を有し且つ前記第２有機ナノファイバーの分子は上記化学式XIVに示す分子構造を有し、または、前記第１有機ナノファイバーの分子は上記化学式XIに示す分子構造を有し且つ前記第２有機ナノファイバーの分子は上記化学式XIVに示す分子構造を有し、または、前記第１有機ナノファイバーの分子は上記化学式XIIに示す分子構造を有し且つ前記第２有機ナノファイバーの分子は上記化学式XIVに示す分子構造を有することを特徴とする実施例４４の方法。

実施例４６：前記吸着層は厚さが50 nm～5μmであることを特徴とする実施例２９乃至５８の何れかの方法。

実施例４７：前記吸着層は質量が3 mm²当たり0.1μg～約6μgであることを特徴とする実施例２９乃至５８の何れかの方法。

実施例４８：前記吸着層は、平均空隙寸法が10 nm～1μmの多空隙質であることを特徴とする実施例２９乃至５８の何れかの方法。

実施例４９：前記第２有機ナノファイバーは分子が集合して積層した積層分子により構成されており、当該積層した分子は、置換または非置換3,4,9,10-ペリレン-テトラカルボン酸ジイミド、置換または非置換3,4,9,10-ペリレン-テトラカルボン酸二無水物、置換または非置換ペリレン-3,4,9,10-テトラカルボン酸-3,4-無水物-9,10-イミド、インドロカルバゾール誘導体、それに、3～9 個のカルバゾール誘導体モノマーで構成されたオリゴマー、以上のものから成る部類中から選択された分子であることを特徴とする実施例３９の方法。

実施例５０：前記第２有機ナノファイバーは下記の化学式XIII及びXIVに示す２個の分子構造のうちの何れか一方の分子構造を有する分子が集合して積層した積層分子により構成されていることを特徴とする実施例３９の方法。

(XIII)

(XIV)

実施例５１：前記有感層は厚さが50 nm～5μmであることを特徴とする実施例２９乃至５８の何れかの方法。

実施例５２：前記有感層は質量が3 mm²当たり0.1μg～約6μgであることを特徴とする実施例２９乃至５８の何れかの方法。

実施例５３：前記吸着層が前記有感層に直接的に接続していることを特徴とする実施例２９乃至５８の何れかの方法。

実施例５４：前記一対の電極は、金、チタン、酸化インジウムスズ、酸化インジウム亜鉛、タングステン、アルミニウム、プラチナ、銀、銅、PEDOT:PSS、または、それらのうちの幾つかの組合せから成ることを特徴とする実施例２９乃至５８の何れかの方法。

実施例５５：前記一対の電極は50 nm～100μmのギャップ幅をもって互いに隔てられていることを特徴とする実施例２９乃至５８の何れかの方法。

実施例５６：前記ターゲット塩の前記遊離塩基は前記有感層の前記第２有機ナノファイバーの導電率を高めることを特徴とする実施例２９乃至５８の何れかの方法。

実施例５７：触覚信号、視覚信号、聴覚信号、ディスプレイ、またはそれらの組合せを用いてターゲット塩が検出されたことをユーザに警告するステップを更に含むことを特徴とする実施例２９乃至５８の何れかの方法。

実施例５８：ブロワを用いて前記気体媒体を前記吸着層へ吹き付けるステップを更に竦むことを特徴とする実施例２９乃至５８の何れかの方法。

以上の詳細な説明は、具体例としての特定の実施の形態に即して本発明を説明したものである。しかるに、特許請求の範囲に記載した本発明の範囲から逸脱することなく様々な変更及び改変を施し得ることを理解すべきである。詳細な説明並びに添付図面は、本発明を限定するものではなく、本発明を例示するものであり、以上に記載して明らかにしたように、様々な変更ないし改変はいずれも本発明の範囲に包含されるべきものである。

Claims (23)

1. ターゲット塩の固体粒子を検出するためのセンサであって、
   支持基板と、
   塩基性または酸性の官能基で官能化された第１多空隙質材料で形成されたイオン交換媒体を含む吸着層であって、前記塩基性または酸性の官能基は前記ターゲット塩から酸成分または塩基成分を脱去して前記ターゲット塩の遊離塩基または遊離酸を生成する、吸着層と、
   前記支持基板と前記吸着層との間に位置する有感層であって、導電率の変化によって前記ターゲット塩の前記遊離塩基または前記遊離酸を検出するように官能化された第２多空隙質材料を含む、有感層と、
   前記有感層と接触し、前記有感層によって隔てられている一対の電極と、
   を含む、センサ。
2. 前記ターゲット塩はアルカロイドの塩またはオピエートの塩である、請求項１記載のセンサ。
3. 前記ターゲット塩はフェンタニル塩酸塩またはカルフェンタニルである、請求項１記載のセンサ。
4. 前記支持基板は、ガラス、シリコン、アルミナ、サファイア、マイカ、クオーツ、プラスチック、またはそれらの組合せを含む、請求項１記載のセンサ。
5. 前記第１多空隙質材料は、前記ターゲット塩の遊離塩基を生成するように塩基性官能基で官能化されており、前記第２多空隙質材料は、前記遊離塩基を検出するように官能化された酸性ナノファイバーである、請求項１記載のセンサ。
6. 前記塩基性官能基は、一級アミノ基、二級アミノ基、三級アミノ基、またはそれらの組合せを含む、請求項１記載のセンサ。
7. 前記塩基性官能基は、ヘキシルアミン、エチルエチルアミン、ジメチルブチルアミン、またはそれらの組合せを含む、請求項１記載のセンサ。
8. 前記第１多空隙質材料及び前記第２多空隙質材料は、有機ナノファイバー、ポリマーナノファイバー、カーボンナノチューブ、シリコンナノワイヤ、金属酸化物ナノワイヤ、窒化ホウ素ナノチューブ、エアロゲル、ゼロゲル、高多孔質セラミック、金属有機構造体（ＭＯＦ）、ガラス状炭素、カルコパイライト、カルコゲニド、またはそれらの組合せを含む、請求項１記載のセンサ。
9. 前記第１多空隙質材料は第１有機ナノファイバーの網状体であり、前記第２多空隙質材料は第２有機ナノファイバーの網状体である、請求項１記載のセンサ。
10. 前記第１有機ナノファイバーは、3,4,9,10-ペリレン-テトラカルボン酸ジイミド、3,4,9,10-ペリレン-テトラカルボン酸二無水物、ペリレン-3,4,9,10-テトラカルボン酸-3,4-無水物-9,10-イミド、インドロカルバゾール誘導体、及び3～9 個のカルバゾール誘導体モノマーで構成されたオリゴマーからなる群から選択される積層分子から構成され、前記積層分子の少なくとも一部が前記塩基性官能基で更に官能化されている、請求項９記載のセンサ。
11. 前記第１有機ナノファイバーは、以下の構造のうちの少なくとも１つを有する積層分子から構成されている、請求項９記載のセンサ。
    (I)
    (II)
    (III)
    (IV)
    (V)
    (VI)
    (VII)
    (VIII)
    (IX)
    (X)
    (XI)
    (XII)
12. 前記第２有機ナノファイバーは、以下の構造のうちの少なくとも１つを有する積層分子から構成されている、請求項１１記載のセンサ。
    (XIII)
    (XIV)
13. 前記第１有機ナノファイバーの構造及び前記第２有機ナノファイバーの構造が、それぞれ、X及びXIV、XI及びXIV、またはXII及びXIVである、請求項１２記載のセンサ。
14. 前記第２多空隙質材料は、置換または非置換3,4,9,10-ペリレン-テトラカルボン酸ジイミド、置換または非置換3,4,9,10-ペリレン-テトラカルボン酸二無水物、置換または非置換ペリレン-3,4,9,10-テトラカルボン酸-3,4-無水物-9,10-イミド、インドロカルバゾール誘導体、及び3～9 個のカルバゾール誘導体モノマーで構成されたオリゴマーからなる群から選択される積層分子から構成される第２有機ナノファイバーを含む、請求項１記載のセンサ。
15. 前記吸着層及び前記有感層は、それぞれ、厚さが50 nm～5μmである、請求項１記載のセンサ。
16. 前記吸着層及び前記有感層は、それぞれ、質量が3 mm²当たり0.1μg～6μgであり、面積が0.1 mm²～10 mm²である、請求項１記載のセンサ。
17. 前記吸着層は、平均空隙寸法が10 nm～1μmの多空隙質である、請求項１記載のセンサ。
18. 前記吸着層が前記有感層に直接的に接触している、請求項１記載のセンサ。
19. 前記一対の電極は50 nm～100μmのギャップ幅で隔てられている、請求項１記載のセンサ。
20. ターゲット塩の固体粒子を検出する方法であって、
    ターゲット塩の粒子を含抱する気体媒体に吸着層を曝露させるステップであって、前記吸着層は塩基性または酸性の官能基で官能化された第１多空隙質材料で形成されたイオン交換媒体を含み、前記塩基性または酸性の官能基は前記ターゲット塩から酸成分または塩基成分を脱去して前記ターゲット塩の遊離塩基または遊離酸を生成し、前記ターゲット塩の前記遊離塩基または前記遊離酸は前記吸着層に隣接する有感層へ拡散し、前記有感層は前記ターゲット塩の前記遊離塩基または前記遊離酸を検出するように官能化された第２多空隙質材料を含み、前記ターゲット塩の前記遊離塩基または前記遊離酸は前記第２多空隙質材料の導電率を変化させる、ステップと、
    前記有感層と接触し、前記有感層によって隔てられている一対の電極を用いて前記有感層の導電率の変化を計測するステップと、
    を含む、方法。
21. 前記気体媒体は空気を含む、請求項２０記載の方法。
22. 前記気体媒体中の前記ターゲット塩の濃度は0.1 mg/m³～100 mg/m³であり、前記ターゲット塩の前記固体粒子は粒径が約0.1μm～約10μmである、請求項２０記載の方法。
23. 前記ターゲット塩はフェンタニル塩酸塩またはカルフェンタニルである、請求項２０記載の方法。

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