JP7804512B2 - sensor - Google Patents
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Description
本発明は、センサーに関する。 The present invention relates to a sensor.
一般にセンサーは、対象となるアナライトを高感度かつ高選択的な検出を可能とする検知部(受容体)を有する。受容体として自己組織化膜、単分子膜、DNA/RNA、タンパク質、抗原/抗体、ポリマーなど多岐に渡る物質が用いられている。嗅覚/ガスセンサ分野では近年のAI,IoTの発達により、今後新たなアプリケーションが期待されている。近年、食物の輸送過程における食品の過成熟による青果物の廃棄が世界的に大きな問題と認識されている。青果物が成熟していく過程では、エチレンやエタノール、アセトアルデヒドといった固有のガスが発散される。特に、食品の品質をセンサーにより管理する場合には、食物の嫌気呼吸由来のエタノールやアルデヒドの追跡が重要となる。 Sensors generally have a detection element (receptor) that enables highly sensitive and selective detection of target analytes. A wide variety of materials are used as receptors, including self-assembled monolayers, monolayers, DNA/RNA, proteins, antigens/antibodies, and polymers. With the recent development of AI and IoT, new applications are expected in the field of olfactory/gas sensors. In recent years, the waste of fruit and vegetables due to over-ripening during food transportation has been recognized as a major global problem. As fruit and vegetables ripen, they emit unique gases such as ethylene, ethanol, and acetaldehyde. When using sensors to manage food quality, it is particularly important to track the ethanol and aldehydes that result from anaerobic respiration of food.
特許文献1では、多孔質材料または粒状材料を、物理パラメータを検出するタイプのセンサー本体上に被覆し、検体分子を上記多孔質材料または粒状材料が吸着することによる上記物理パラメータの変化により上記検体分子を検出するセンサーが記載されている。 Patent Document 1 describes a sensor in which a porous or granular material is coated on a sensor body that detects a physical parameter, and the analyte molecules are detected by measuring a change in the physical parameter caused by the analyte molecules being adsorbed by the porous or granular material.
特許文献2では、低吸湿材料からなる受容体材料を用いて受容体層が水による悪影響を受けることを抑止可能な、ナノメカニカルセンサが記載されている。 Patent document 2 describes a nanomechanical sensor that uses a receptor material made of a low-hygroscopic material to prevent the receptor layer from being adversely affected by water.
特許文献1に記載の技術では、高い感度と選択性、安定性を実現する一方で、乾燥雰囲気下以外では電気シグナルが大きく減衰し、嗅覚センサーとして使用できる環境が大きく制限されている。 While the technology described in Patent Document 1 achieves high sensitivity, selectivity, and stability, the electrical signal is significantly attenuated except in dry atmospheres, significantly limiting the environments in which it can be used as an olfactory sensor.
特許文献2に記載の技術では、サンプル中に含まれる水がセンサー出力に与える影響を低減でき、センサーとしての使用範囲が拡大できる一方で、受容体材料の溶解性が低いためインクを塗布する際のスループットが悪化しやすい。 The technology described in Patent Document 2 can reduce the effect of water contained in the sample on the sensor output, expanding the range of use of the sensor. However, the low solubility of the receptor material can easily reduce throughput when applying ink.
本発明は、上記の従来技術が有する課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、耐湿度影響性に優れ、湿度が比較的高い条件下であっても電気シグナルを大きく減衰させることなくエタノールやアルデヒド等の高親水性のガスを測定可能であり、かつ、塗布スループットの高い感応膜をもつセンサーを提供することにある。 The present invention was made in consideration of the problems inherent in the above-mentioned conventional technology, and its purpose is to provide a sensor with a sensitive film that has excellent resistance to humidity effects, can measure highly hydrophilic gases such as ethanol and aldehydes without significant attenuation of the electrical signal even under relatively high humidity conditions, and has a high coating throughput.
上記課題を解決すべく、本願発明者らは鋭意検討し、実験を重ねた結果、予想外に上記課題を解決しうることを見出し、本発明を完成するに至った。 In order to solve the above problems, the inventors of the present application conducted extensive research and experimentation, and as a result, unexpectedly discovered that the above problems could be solved, leading to the completion of the present invention.
すなわち、本発明は以下の態様を包含する。
[1]
感応膜を有するセンサーであって、
前記感応膜が、赤外全反射吸収測定において1600~1800cm-1の領域及び1350~1450cm-1の領域に吸収ピークを有し、
前記1350~1450cm-1の領域における吸収ピークの極大(B)に対する、前記1600~1800cm-1の領域における吸収ピークの極大(A)のピーク強度比(A/B)が、0.1~4.0である、
センサー。
[2]
前記1350~1450cm-1の領域における吸収ピークが、ケイ素原子と芳香族炭素原子との原子間結合に由来する吸収ピークを含む、
[1]に記載のセンサー。
[3]
前記1600~1800cm-1の領域における吸収ピークが、カルボニル基に由来する吸収ピークを含む、
[1]又は[2]に記載のセンサー。
[4]
前記1600~1800cm-1の領域における吸収ピークが、アミド結合を形成するカルボニル基の吸収ピークを含む、
[1]から[3]のいずれかに記載のセンサー。
[5]
前記感応膜が、式RSiO3/2(前記式中Rは有機官能基を表す)で表される単位を含む構造を有する、
[1]から[4]のいずれかに記載のセンサー。
[6]
前記有機官能基が、アミド結合を少なくとも1以上含む、
[5]に記載のセンサー。
[7]
前記有機官能基が、少なくとも1種類以上の芳香環を含む、
[5]又は[6]に記載のセンサー。
[8]
表面応力型センサーである、
[1]から[7]のいずれかに記載のセンサー。
That is, the present invention includes the following aspects.
[1]
A sensor having a sensitive membrane,
the sensitive film has absorption peaks in the range of 1600 to 1800 cm −1 and the range of 1350 to 1450 cm −1 in infrared total reflection absorption measurement,
the peak intensity ratio (A/B) of the absorption peak maximum (A) in the 1600 to 1800 cm region to the absorption peak maximum (B) in the 1350 to 1450 cm region is 0.1 to 4.0;
sensor.
[2]
The absorption peak in the 1350 to 1450 cm region includes an absorption peak derived from an interatomic bond between a silicon atom and an aromatic carbon atom.
The sensor described in [1].
[3]
The absorption peak in the 1600 to 1800 cm region includes an absorption peak derived from a carbonyl group.
The sensor according to [1] or [2].
[4]
The absorption peak in the region of 1600 to 1800 cm −1 includes an absorption peak of a carbonyl group that forms an amide bond.
The sensor according to any one of [1] to [3].
[5]
The sensitive film has a structure containing a unit represented by the formula RSiO 3/2 (wherein R represents an organic functional group).
The sensor according to any one of [1] to [4].
[6]
the organic functional group contains at least one amide bond;
The sensor according to [5].
[7]
The organic functional group contains at least one type of aromatic ring.
The sensor according to [5] or [6].
[8]
It is a surface stress sensor.
The sensor according to any one of [1] to [7].
本発明によれば、耐湿度影響性に優れ、湿度が比較的高い条件下であっても電気シグナルを大きく減衰させることなくエタノールやアルデヒド等の高親水性のガスを測定可能であり、かつ、塗布スループット(以下、単にスループット、ともいう。)の高い感応膜をもつセンサーを提供できる。 The present invention provides a sensor with a sensitive film that has excellent resistance to humidity effects, is capable of measuring highly hydrophilic gases such as ethanol and aldehydes without significant attenuation of the electrical signal even under relatively high humidity conditions, and has a high application throughput (hereinafter simply referred to as throughput).
以下、本発明の実施の形態(以下、「本実施形態」という。)について詳細に説明するが、本発明はこれに限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で様々な変形が可能である。 The following describes in detail an embodiment of the present invention (hereinafter referred to as the "present embodiment"); however, the present invention is not limited to this embodiment, and various modifications are possible without departing from the spirit of the present invention.
1.センサー
本実施形態のセンサーは、感応膜を有するセンサーであって、上記感応膜が、赤外全反射吸収測定において1600~1800cm-1の領域及び1350~1450cm-1の領域に吸収ピークを有し、上記1350~1450cm-1の領域における吸収ピークの極大(B)に対する、上記1600~1800cm-1の領域における吸収ピークの極大(A)のピーク強度比(A/B)が、0.1~4.0である、センサーである。
1. Sensor The sensor of this embodiment is a sensor having a sensitive film, wherein the sensitive film has absorption peaks in the 1600 to 1800 cm −1 region and the 1350 to 1450 cm −1 region in infrared total reflection absorption measurement, and the peak intensity ratio (A/B) of the absorption peak maximum (A) in the 1600 to 1800 cm −1 region to the absorption peak maximum (B) in the 1350 to 1450 cm −1 region is 0.1 to 4.0.
本実施形態のセンサーは、特に限定されないが、例えば、物理パラメータを検出するタイプのセンサー本体を含む。物理パラメータとしては、特に限定されないが、例えば、表面応力、応力、力、表面張力、圧力、質量、弾性、ヤング率、ポアソン比、共振周波数、周波数、体積、厚み、粘度、密度、磁力、磁気量、磁場、磁束、磁束密度、電気抵抗、電気量、誘電率、電力、電界、電荷、電流、電圧、電位、移動度、静電エネルギー、キャパシタンス、インダクタンス、リアクタンス、サセプタンス、アドミッタンス、インピーダンス、コンダクタンス、プラズモン、屈折率、光度および温度やその他の様々な物理パラメータが挙げられる。 The sensor of this embodiment includes, but is not limited to, a sensor body of a type that detects physical parameters. Examples of physical parameters include, but are not limited to, surface stress, stress, force, surface tension, pressure, mass, elasticity, Young's modulus, Poisson's ratio, resonant frequency, frequency, volume, thickness, viscosity, density, magnetic force, magnetic quantity, magnetic field, magnetic flux, magnetic flux density, electrical resistance, electrical quantity, permittivity, power, electric field, charge, current, voltage, electric potential, mobility, electrostatic energy, capacitance, inductance, reactance, susceptance, admittance, impedance, conductance, plasmon, refractive index, luminous intensity, temperature, and various other physical parameters.
そして、本実施形態のセンサーは、特に限定されないが、例えば、センサー本体上に直接、感応膜(本技術分野において、「受容体層」と呼ばれる場合もある。)を設けたセンサーである。すなわち、本実施形態のセンサーは、当該感応膜が検体分子を吸着することで、そこに引き起こされる物理パラメータの変化を、センサー本体により検出するものとすることができる。上記のとおり、本実施形態において使用可能なセンサー本体は、その表面上に配された感応膜が検知対象物質を吸着することによって当該感応膜に引き起こされる変化を検知するものであれば、特に限定されない。 The sensor of this embodiment is not particularly limited, but may be, for example, a sensor in which a sensitive film (sometimes referred to as a "receptor layer" in this technical field) is provided directly on the sensor body. In other words, the sensor of this embodiment can be configured to detect, via the sensor body, a change in a physical parameter caused by the sensitive film adsorbing sample molecules. As described above, there are no particular limitations on the sensor body that can be used in this embodiment, as long as it detects a change caused in the sensitive film disposed on its surface by the adsorption of a substance to be detected.
また、本実施形態のセンサーは、表面応力型センサー(MSS)として用いることができる。表面応力型センサーは4点固定のピエゾ素子型表面応力型センサーであることが好ましい。その場合、ピエゾ素子からなるセンサー本体の表面の少なくとも一部に感応膜を被膜することで上記表面応力型センサーを作製することができ、被覆した感応膜が検知対象物質を吸着することで、当該感応膜中に引き起こされた応力変化を検出して本体がシグナルを出力する。 The sensor of this embodiment can also be used as a surface stress sensor (MSS). The surface stress sensor is preferably a four-point fixed piezoelectric element type surface stress sensor. In this case, the surface stress sensor can be fabricated by coating at least a portion of the surface of the sensor body made of a piezoelectric element with a sensitive film. When the coated sensitive film adsorbs the substance to be detected, the stress change induced in the sensitive film is detected and the body outputs a signal.
また、異なる種類のセンサー本体として、特に限定されないが、例えば、QCM(水晶振動子マイクロバランス)装置を適用しうる。QCM装置は、交流電場を印加した水晶振動子の電極表面に物質が吸着すると、その吸着質の質量や粘弾性等に応じて共振周波数が減少する性質を利用して微量な質量変化を計測する質量センサーであり、in-situでの測定が可能である。本実施形態のセンサー本体としてQCM装置として適用する場合、例えば、電極の表面に本実施形態における感応膜を形成することにより、当該感応膜が検知対象物質を吸着することで起こる質量変化をセンサー本体で検出してシグナルを出力する。 Furthermore, a different type of sensor body may be used, but is not limited to, a QCM (quartz crystal microbalance) device. A QCM device is a mass sensor that measures minute changes in mass by utilizing the property that when a substance is adsorbed onto the electrode surface of a quartz crystal oscillator to which an AC electric field is applied, the resonant frequency decreases depending on the mass, viscoelasticity, etc. of the adsorbate, and is capable of in-situ measurement. When the sensor body of this embodiment is used as a QCM device, for example, by forming the sensitive film of this embodiment on the surface of the electrode, the sensor body detects the mass change that occurs when the sensitive film adsorbs the substance to be detected, and outputs a signal.
また、QCMの電極としては、様々な導電性材料を適用しうるが、本実施形態における感応膜に導電性を持たせる場合、当該感応膜をQCMの電極として用いることもできる。 In addition, various conductive materials can be used as electrodes for the QCM, but if the sensitive film in this embodiment is made conductive, the sensitive film can also be used as an electrode for the QCM.
なお、本実施形態において、吸着という用語は、任意の物体の界面において、吸着質となる他の物質の濃度が、上記界面の周囲よりも増加する現象を含むことを意味しており、単に物理吸着だけではなく、化学結合や生化学的な作用による化学吸着も含むものである。 In this embodiment, the term "adsorption" refers to the phenomenon in which the concentration of another substance acting as an adsorbate at the interface of any object increases compared to the surrounding area of the interface, and includes not only physical adsorption but also chemical adsorption due to chemical bonding or biochemical reactions.
1.1.感応膜
本実施形態における感応膜は、赤外全反射吸収測定において1600~1800cm-1の領域及び1350~1450cm-1の領域に吸収ピークを有し、上記1350~1450cm-1の領域における吸収ピークの極大(B)に対する、上記1600~1800cm-1の領域における吸収ピークの極大(A)のピーク強度比(A/B)が、0.1~4.0である。
1.1. Sensitive Film The sensitive film of this embodiment has absorption peaks in the 1600 to 1800 cm −1 region and the 1350 to 1450 cm −1 region in infrared total reflection absorption measurement, and the peak intensity ratio (A/B) of the absorption peak maximum (A) in the 1600 to 1800 cm −1 region to the absorption peak maximum (B) in the 1350 to 1450 cm −1 region is 0.1 to 4.0.
該ピーク強度比(A/B)が0.1~4.0の範囲であることにより、当該感応膜を有するセンサーは耐湿度影響性及びスループットに優れる。 With the peak intensity ratio (A/B) in the range of 0.1 to 4.0, sensors with this sensitive film have excellent humidity resistance and throughput.
なお、上記の吸収ピーク及びピーク強度比(A/B)の算定については、ベースライン補正としてピークが存在しない箇所のベースラインを吸光度0とした。ピークの定義としては、吸光度の極大値が0.02以上となるものをピークとみなした。 When calculating the above absorption peaks and peak intensity ratios (A/B), baseline correction was performed by setting the baseline where no peaks existed to an absorbance of 0. A peak was defined as one with a maximum absorbance value of 0.02 or greater.
ここで、上記1350~1450cm-1の領域における吸収ピークの極大(B)に対する、上記1600~1800cm-1の領域における吸収ピークの極大(A)のピーク強度比(A/B)は、特に限定されないが、例えば、有機官能基に導入するカルボニル基の量を変更することによって調整することができる。 Here, the peak intensity ratio (A/B) of the absorption peak maximum (A) in the 1600 to 1800 cm region to the absorption peak maximum (B) in the 1350 to 1450 cm region is not particularly limited, but can be adjusted, for example, by changing the amount of carbonyl groups introduced into the organic functional groups.
また、上記1350~1450cm-1の領域における吸収ピークが、ケイ素原子と芳香族炭素原子との原子間結合に由来する吸収ピークを含むことが好ましい。それにより、耐湿度影響性に優れる傾向にある。 Furthermore, it is preferable that the absorption peaks in the 1350 to 1450 cm −1 region include an absorption peak derived from an interatomic bond between a silicon atom and an aromatic carbon atom, which tends to result in excellent resistance to humidity effects.
ここで、上記1350~1450cm-1の領域における吸収ピークは、特に限定されないが、例えば、感応膜がシランカップリング剤由来の有機官能基を有する場合に、有機官能基の種類を変更することによって調整すること等が挙げられる。 Here, the absorption peak in the region of 1350 to 1450 cm −1 is not particularly limited, but for example, when the sensitive film has an organic functional group derived from a silane coupling agent, it can be adjusted by changing the type of organic functional group.
また、1600~1800cm-1の領域における吸収ピークが、カルボニル基に由来する吸収ピークを含むことが好ましく、アミド結合を形成するカルボニル基の吸収ピークを含むことがより好ましい。それにより、スループットが向上する傾向にある。 Furthermore, the absorption peaks in the 1600 to 1800 cm region preferably include an absorption peak derived from a carbonyl group, and more preferably include an absorption peak derived from a carbonyl group that forms an amide bond, which tends to improve throughput.
ここで、上記1600~1800cm-1の領域における吸収ピークは、特に限定されないが、例えば、感応膜がシランカップリング剤由来の有機官能基を有する場合に、有機官能基の種類を変更することによって調整すること等が挙げられる。 Here, the absorption peak in the region of 1600 to 1800 cm −1 is not particularly limited, but for example, when the sensitive film has an organic functional group derived from a silane coupling agent, it can be adjusted by changing the type of organic functional group.
1.1.1.有機無機ハイブリッド
本実施形態における感応膜は、高い感度を有し、耐湿度影響性に優れ、湿度が比較的高い環境下であっても感度及び電気シグナルを大きく減衰させない観点から、RSiO3/2で表される構造を含むことが好ましい。ここで、上記Rは有機官能基を表す。また、RSiO3/2で表される構造を含む分子鎖を以下、有機無機ハイブリッド、ともいう。
1.1.1 Organic-inorganic hybrid The sensitive film in this embodiment preferably includes a structure represented by RSiO 3/2 from the viewpoints of having high sensitivity, excellent resistance to humidity influences, and not significantly attenuating sensitivity and electrical signals even in a relatively high humidity environment. Here, R represents an organic functional group. Furthermore, hereinafter, a molecular chain including a structure represented by RSiO 3/2 is also referred to as an organic-inorganic hybrid.
RSiO3/2で表される構造を導入するためには、特に限定されないが、例えば、感応膜を構成するモノマー単位にシランカップリング剤を含めること等が挙げられる。 There are no particular limitations on the method for introducing the structure represented by RSiO 3/2 , but examples thereof include including a silane coupling agent in the monomer units that constitute the sensitive film.
本実施形態における感応膜の膜厚は、有機無機ハイブリッドが均質な膜厚分布を有する形状でもよいし、端部の膜厚が厚くなるように分布するコーヒーリング状の形状を有することができる。コーヒーリング状の形状となる場合は、感応膜の中心部分における最も薄い部分、及び端部分における最も厚い部分の膜厚は、それぞれ通常10nm以上50μm以下であることが好ましい。膜厚は、製造時における乾燥に要する時間を短縮し、生産性を高める観点から、好ましくは10nm以上30μm以下であり、感度を高める観点から、より好ましくは10nm以上20μm以下である。また、本実施形態における感応膜の最大厚みは、30μm以下であることが好ましい。 The sensitive film in this embodiment may have a uniform thickness distribution of the organic-inorganic hybrid, or a coffee-ring shape in which the thickness is thicker at the edges. In the case of a coffee-ring shape, the thickness of the thinnest part of the sensitive film in the center and the thickest part at the edges are preferably typically 10 nm or more and 50 μm or less. From the viewpoint of shortening the drying time during manufacturing and increasing productivity, the film thickness is preferably 10 nm or more and 30 μm or less, and from the viewpoint of increasing sensitivity, it is more preferably 10 nm or more and 20 μm or less. Furthermore, the maximum thickness of the sensitive film in this embodiment is preferably 30 μm or less.
本実施形態における感応膜で被覆した表面応力型センサー(MSS)を嗅覚センサーとして用いる為には、気相中において、有機官能基とガス分子が相互作用し、感応膜内部に拡散することにより応力発生し、それによってガスを検出することが好ましい。 To use the surface stress sensor (MSS) coated with the sensitive film of this embodiment as an olfactory sensor, it is preferable that the organic functional groups and gas molecules interact in the gas phase and diffuse into the sensitive film, generating stress, thereby detecting the gas.
本実施形態において、有機無機ハイブリッドは、カルボニル基を有する有機基(例えば、カルボキシル基、エステル基、ウレタン基、ウレア基、アミド基等)を有することが好ましい。これらの中でもアミド基を有する有機基を有することが好ましい。アミド基を有する有機基としては、-NH-CO-R1で表される有機基を挙げることができる。R1としては、ハロゲン原子等の置換基を有してもよい直鎖状若しくは分岐状炭化水素基(例えば、3-クロロプロピル基、オクチル基等の直鎖状若しくは分岐状C1-8アルキル基)、ハロゲン原子等の置換基を有してもよい脂環炭化水素基(例えば、シクロヘキシル基等のC5-6シクロアルキル基)、ハロゲン原子等の置換基を有してもよい1価の脂環炭化水素基(例えば、シクロヘキシル基等のC5-6シクロアルキル基)、ハロゲン原子等の置換基を有してもよい芳香族炭化水素基(例えば、フェニル基、ペンタフルオロフェニル基等)、を挙げることができる。 In this embodiment, the organic-inorganic hybrid preferably has an organic group having a carbonyl group (e.g., a carboxyl group, an ester group, a urethane group, a urea group, an amide group, etc.). Among these, an organic group having an amide group is preferred. An example of an organic group having an amide group is an organic group represented by -NH-CO- R1 . Examples of R1 include linear or branched hydrocarbon groups which may have a substituent such as a halogen atom (e.g., linear or branched C1-8 alkyl groups such as a 3-chloropropyl group or an octyl group), alicyclic hydrocarbon groups which may have a substituent such as a halogen atom (e.g., a C5-6 cycloalkyl group such as a cyclohexyl group), monovalent alicyclic hydrocarbon groups which may have a substituent such as a halogen atom (e.g., a C5-6 cycloalkyl group such as a cyclohexyl group), and aromatic hydrocarbon groups which may have a substituent such as a halogen atom (e.g., a phenyl group or a pentafluorophenyl group).
本実施形態において、有機無機ハイブリッドは、有機官能基が1種類以上の芳香環を含むことが好ましい。有機官能基が芳香環を含む場合、耐湿度影響性がより向上する傾向にある。芳香環としては、センサーの用途等を考慮して適宜選択できるため特に限定されないが、例えば、フェニル基、ナフチル基、p-トリル基、ビフェニル基等の芳香族炭化水素基、4-クロロフェニル基、4-メトキシフェニル基、4-アミノフェニル基、ペンタフルオロフェニル基等の置換芳香族炭化水素基、3-フリル基、3-チエニル基、2-ピリジル基、3-ピリジル基、4-ピリジル基等の複素環炭化水素基、フェロセニル基等のメタロセン等が挙げられる。本実施形態における有機官能基は、適宜選択して用いることができ、上述した芳香環を1種単独で含んでいてもよく、2種以上を併せて含んでいてもよい。 In this embodiment, the organic-inorganic hybrid preferably contains an organic functional group that includes one or more aromatic rings. When the organic functional group includes an aromatic ring, humidity resistance tends to be improved. The aromatic ring is not particularly limited and can be selected appropriately taking into account the application of the sensor, etc., but examples include aromatic hydrocarbon groups such as phenyl, naphthyl, p-tolyl, and biphenyl; substituted aromatic hydrocarbon groups such as 4-chlorophenyl, 4-methoxyphenyl, 4-aminophenyl, and pentafluorophenyl; heterocyclic hydrocarbon groups such as 3-furyl, 3-thienyl, 2-pyridyl, 3-pyridyl, and 4-pyridyl; and metallocenes such as ferrocenyl. The organic functional group used in this embodiment can be selected appropriately and may include one or more of the above-mentioned aromatic rings.
有機無機ハイブリッドにおいて、カルボニル基とケイ素原子との間、または芳香環とケイ素原子との間には、アルカンジイル基(炭素数が1から18までのもの)やエーテル基、カルボニル基、カルボキシル基、アミド基、ウレタン結合、尿素結合、イミド基、イミン基等のスペーサーとなる構造を挟んでもよい。なお、以下、芳香環とケイ素原子との間にスペーサーを有する構造を「芳香環非直結構造を有する」ともいう。芳香環とケイ素原子との間には、応答性感度の観点から、これらのスペーサーは挟まず、芳香族炭素原子が、上記有機無機ハイブリッドにおけるケイ素原子に直接的に原子間結合をしている(以下、「芳香環直結構造を有する」ともいう。)ことが好ましい。 In organic-inorganic hybrids, a spacer structure such as an alkanediyl group (having 1 to 18 carbon atoms), an ether group, a carbonyl group, a carboxyl group, an amide group, a urethane bond, a urea bond, an imide group, or an imine group may be sandwiched between the carbonyl group and the silicon atom, or between the aromatic ring and the silicon atom. Hereinafter, a structure having a spacer between the aromatic ring and the silicon atom will also be referred to as having a "structure not directly bonded to an aromatic ring." From the perspective of responsiveness and sensitivity, it is preferable not to sandwich such a spacer between the aromatic ring and the silicon atom, and for the aromatic carbon atom to be directly bonded to the silicon atom in the organic-inorganic hybrid (hereinafter, also referred to as having a "structure directly bonded to an aromatic ring").
また、耐湿度影響性の観点から、本実施形態における有機無機ハイブリッドは、芳香環直結構造を有するモノマー単位と芳香環非直結構造を有し、かつカルボニル基を有するモノマー単位との共重合構造を含むことが好ましい。また、耐湿度影響性と様々なガス分子への選択性とを両立する観点から本実施形態における有機無機ハイブリッドは、芳香環直結構造を有するモノマー単位と芳香環構造を有し、かつカルボニル基を有するモノマー単位との共重合構造を含むことが好ましい。また、極性の高いガス・ニオイ分子への応答性の観点から、本実施形態における有機官能基は、窒素原子、酸素原子、硫黄原子、フッ素、塩素、臭素、ヨウ素原子等のハロゲン原子、ホウ素原子、及びリン原子からなる群より選択される1種以上の原子を含有する官能基を含むことが好ましい。これらの中でも、安定性の観点から、有機官能基は、窒素原子、酸素原子、硫黄原子、及びフッ素原子からなる群より選択される1種以上の原子を含有する官能基を含むことが好ましい。 In addition, from the viewpoint of humidity resistance, the organic-inorganic hybrid of this embodiment preferably includes a copolymer structure of a monomer unit having a directly bonded aromatic ring structure and a monomer unit having a non-directly bonded aromatic ring structure and a carbonyl group. In addition, from the viewpoint of achieving both humidity resistance and selectivity to various gas molecules, the organic-inorganic hybrid of this embodiment preferably includes a copolymer structure of a monomer unit having a directly bonded aromatic ring structure and a monomer unit having an aromatic ring structure and a carbonyl group. In addition, from the viewpoint of responsiveness to highly polar gases and odor molecules, the organic functional group of this embodiment preferably includes a functional group containing one or more atoms selected from the group consisting of nitrogen atoms, oxygen atoms, sulfur atoms, halogen atoms such as fluorine, chlorine, bromine, and iodine atoms, boron atoms, and phosphorus atoms. Among these, from the viewpoint of stability, the organic functional group preferably includes a functional group containing one or more atoms selected from the group consisting of nitrogen atoms, oxygen atoms, sulfur atoms, and fluorine atoms.
本実施形態における上記以外の有機官能基の具体例としては、以下に限定されないが、例えば、ハロゲン原子等の置換基を有してもよい直鎖状若しくは分岐状炭化水素基(例えば、3-クロロプロピル基、オクチル基等の直鎖状若しくは分岐状C1-8アルキル基)、ハロゲン原子等の置換基を有してもよい脂環炭化水素基(例えば、シクロヘキシル基等のC5-6シクロアルキル基)、不飽和結合を有する有機基(例えば、ビニル基、アリル基、(メタ)アクリル基、(メタ)アクリロイルオキシアルキル基(例えば、(メタ)アクリロイルオキシプロピル基等の(メタ)アクリロイルオキシC1-3アルキル基))、酸素原子を有する有機基(例えば、エポキシ基、グリシジルオキシアルキル基(例えば、3-グリシジルオキシプロピル基等のグリシジルオキシC1-3アルキル基)、(エポキシシクロアルキル)アルキル基(例えば、2-(3,4-エポキシシクロヘキシル)エチル基等)、ヒドロキシ基、アルキルエーテル基)、硫黄原子を有する有機基(例えば、メルカプト基、メルカプトアルキル基(例えば、メルカプトプロピル基等のメルカプトC1-3アルキル基)、スルフィド基)、窒素原子を有する有機基(例えば、アミノ基(例えば、1級アミノ基、2級アミノ基、3級アミノ基)、アミノアルキル基(例えば、アミノプロピル基等のアミノC1-3アルキル基)、(アミノアルキルアミノ)アルキル基(例えば、3-(2-アミノエチルアミノ)プロピル基)、イミダゾリル基、イミダゾリルアルキル基(例えば、3-(2-イミダゾリン-1-イル)プロピル基)、アルキルアミノアルキル基(例えば、3-(ジメチルアミノ)プロピル基)、オキシム基、イミド基、イミン基、ニトリル基、)ハロゲン基、燐原子を有する有機基(例えば、ホスホン基、リン酸基)等があげられる。これらの中でも、有機官能基は、スループットに優れる観点から、アミド基を用いることが好ましい。入手性の観点から、置換基を有してもよい直鎖状又は分岐状炭化水素基、置換基を有してもよい脂環炭化水素基、置換基を有してもよい芳香族炭化水素基、ビニル基、アリル基、(メタ)アクリロイルオキシアルキル基、グリシジルオキシアルキル基、(エポキシシクロアルキル)アルキル基、メルカプトアルキル基、アミノアルキル基、(アミノアルキルアミノ)アルキル基、イミダゾリルアルキル基、及びアルキルアミノアルキル基、ヒドロキシ基からなる群より選択される1種以上であることが好ましい。これらの官能基は、適宜選択して用いることができ、1種を単独で、又は2種以上を組み合わせて用いられる。 Specific examples of the organic functional group other than those described above in this embodiment are not limited to the following: a linear or branched hydrocarbon group which may have a substituent such as a halogen atom (for example, a linear or branched C 1-8 alkyl group such as a 3-chloropropyl group or an octyl group); an alicyclic hydrocarbon group which may have a substituent such as a halogen atom (for example, a C 5-6 cycloalkyl group such as a cyclohexyl group); an organic group having an unsaturated bond (for example, a vinyl group, an allyl group, a (meth)acrylic group, a (meth)acryloyloxyalkyl group (for example, a (meth)acryloyloxyC 1-3 alkyl group such as a (meth)acryloyloxypropyl group)); an organic group having an oxygen atom (for example, an epoxy group, a glycidyloxyalkyl group (for example, a glycidyloxyC 1-3 alkyl group such as a 3-glycidyloxypropyl group)); 1-3 alkyl group), (epoxycycloalkyl)alkyl group (for example, a 2-(3,4-epoxycyclohexyl)ethyl group, etc.), a hydroxy group, an alkyl ether group), an organic group having a sulfur atom (for example, a mercapto group, a mercaptoalkyl group (for example, a mercaptoC 1-3 alkyl group such as a mercaptopropyl group), a sulfide group), an organic group having a nitrogen atom (for example, an amino group (for example, a primary amino group, a secondary amino group, a tertiary amino group), an aminoalkyl group (for example, an aminoC 1-3 alkyl group such as an aminopropyl group), an (aminoalkylamino)alkyl group (for example, a 3-(2-aminoethylamino)propyl group), an imidazolyl group, an imidazolylalkyl group (for example, a 3-(2-imidazolin-1-yl)propyl group), an alkylaminoalkyl group (for example, a 3-(dimethylamino)propyl group), an oxime group, an imide group, an imine group, a nitrile group), a halogen group, an organic group having a phosphorus atom (for example, a phosphonic group, a phosphate group), and the like. Among these, from the viewpoint of excellent throughput, it is preferable to use an amide group as the organic functional group. From the viewpoint of availability, it is preferable to use one or more selected from the group consisting of an optionally substituted linear or branched hydrocarbon group, an optionally substituted alicyclic hydrocarbon group, an optionally substituted aromatic hydrocarbon group, a vinyl group, an allyl group, a (meth)acryloyloxyalkyl group, a glycidyloxyalkyl group, an (epoxycycloalkyl)alkyl group, a mercaptoalkyl group, an aminoalkyl group, an (aminoalkylamino)alkyl group, an imidazolylalkyl group, an alkylaminoalkyl group, and a hydroxy group. These functional groups can be appropriately selected and used, and one type can be used alone or two or more types can be used in combination.
その中でも、有機官能基は、シランカップリング剤由来の有機官能基であることが好ましい。シランカップリング剤としては、特に限定されないが、例えば、アルコキシシラン、アセトキシシランもしくはクロロシラン等の加水分解性金属酸化物が挙げられる。これらの中でも、加水分解性金属酸化物は、取り扱い性、官能基の汎用性からアルコキシシランが好ましく、反応性の観点から3官能性のアルコキシシランがより好ましい。 Among these, the organic functional group is preferably an organic functional group derived from a silane coupling agent. Silane coupling agents are not particularly limited, but examples include hydrolyzable metal oxides such as alkoxysilane, acetoxysilane, and chlorosilane. Among these, alkoxysilane is preferred as the hydrolyzable metal oxide in terms of ease of handling and the versatility of the functional group, and trifunctional alkoxysilane is more preferred in terms of reactivity.
3官能性のアルコキシシランは1、2,4官能性のアルコキシシラン等と共重合されてもよいが、有機無機ハイブリッドのヤング率を上げ高感度化させる観点から4官能性のものとの共重合が好ましい。 Trifunctional alkoxysilanes may be copolymerized with mono-, di-, or tetrafunctional alkoxysilanes, but copolymerization with tetrafunctional alkoxysilanes is preferred from the standpoint of increasing the Young's modulus of the organic-inorganic hybrid and improving its sensitivity.
3官能性のアルコキシシランとしては、特に限定されないが、例えば、アルコキシ基にメトキシ基、エトキシ基、イソプロポキシ基を有するシランカップリング剤を使用することができる。 The trifunctional alkoxysilane is not particularly limited, but for example, a silane coupling agent having a methoxy group, an ethoxy group, or an isopropoxy group in the alkoxy group can be used.
芳香族系シランカップリング剤としては、特に限定されないが、例えば、フェニルトリアルコキシシラン、ニトロベンゼンアミドトリアルコキシシラン、ベンジルトリアルコキシシラン、4-クロロフェニルトリアルコキシシラン、フェニルアミノプロピルトリアルコキシシラン、4-アミノフェニルトリアルコキシシラン、ナフチルトリアルコキシシラン、4-メトキシトリアルコキシシラン、ペンタフルオロフェニルトリアルコキシシラン、フェロセニルトリアルコキシシラン、ビフェニルトリアルコキシシラン、3―フリルトリアルコキシシラン、3-チエニルトリアルコキシシラン、2-ピリジルトリアルコキシシラン、3-ピリジルトリアルコキシシラン、4-ピリジルトリアルコキシシラン等が挙げられるがこれに限定されるものではない。 Aromatic silane coupling agents are not particularly limited, but examples include phenyltrialkoxysilane, nitrobenzeneamidotrialkoxysilane, benzyltrialkoxysilane, 4-chlorophenyltrialkoxysilane, phenylaminopropyltrialkoxysilane, 4-aminophenyltrialkoxysilane, naphthyltrialkoxysilane, 4-methoxytrialkoxysilane, pentafluorophenyltrialkoxysilane, ferrocenyltrialkoxysilane, biphenyltrialkoxysilane, 3-furyltrialkoxysilane, 3-thienyltrialkoxysilane, 2-pyridyltrialkoxysilane, 3-pyridyltrialkoxysilane, and 4-pyridyltrialkoxysilane, but are not limited to these.
非芳香族系シランカップリング剤としては、特に限定されないが、例えば、3-(2-アミノエチルアミノ)プロピルトリアルコキシシラン、3-メルカプトプロピルトリアルコキシシラン、ビニルトリアルコキシシラン、シクロヘキシルトリアルコキシシラン、3-グリシジルオキシプロピルトリアルコキシシラン、2-(3,4-エポキシシクロヘキシル)エチルトリアルコキシシラン、3-(ジメチルアミノ)プロピルトリアルコキシシラン、3-(2-イミダゾリン-1-イル)プロピルトリアルコキシシラン、3-アミノプロピルトリアルコキシシラン、3-(メタクリロイルオキシ)プロピルトリアルコキシシラン、3-(アクリロイルオキシ)プロピルトリアルコキシシラン、アリルトリアルコキシシラン、メチルトリアルコキシシラン、エチルトリアルコキシシラン、プロピルトリアルコキシシラン、ブチルアルコキシシラン、ヘキシルトリアルコキシシラン、オクチルトリアルコキシシラン、デシルトリアルコキシシラン、ドデシルトリアルコキシシラン、オクタデシルトリアルコキシシラン、3-ウレイドプロピルトリアルコキシシラン、シクロヘキシルアミノプロピルトリアルコキシシラン、ヘキサフルオロフェニルトリアルコキシシラン、3-クロロプロピルトリアルコキシシラン、3-ブロモプロピルトリアルコキシシラン、3-ピペラジノプロピルトリアルコキシシラン、3-モルフォリノプロピルトリアルコキシシラン、3-アリルアミノプロピルトリアルコキシシラン、ノルボルニルトリアルコキシシラン、ピペリジノプロピルトリアルコキシシラン等が挙げられるがこれに限定されるものではない。 Non-aromatic silane coupling agents are not particularly limited, but examples include 3-(2-aminoethylamino)propyltrialkoxysilane, 3-mercaptopropyltrialkoxysilane, vinyltrialkoxysilane, cyclohexyltrialkoxysilane, 3-glycidyloxypropyltrialkoxysilane, 2-(3,4-epoxycyclohexyl)ethyltrialkoxysilane, 3-(dimethylamino)propyltrialkoxysilane, 3-(2-imidazolin-1-yl)propyltrialkoxysilane, 3-aminopropyltrialkoxysilane, 3-(methacryloyloxy)propyltrialkoxysilane, 3-(acryloyloxy)propyltrialkoxysilane, allyltrialkoxysilane, methyltrialkoxysilane, and ethyltrialkoxysilane. Examples of suitable alkoxysilanes include, but are not limited to, alkoxysilane, propyltrialkoxysilane, butylalkoxysilane, hexyltrialkoxysilane, octyltrialkoxysilane, decyltrialkoxysilane, dodecyltrialkoxysilane, octadecyltrialkoxysilane, 3-ureidopropyltrialkoxysilane, cyclohexylaminopropyltrialkoxysilane, hexafluorophenyltrialkoxysilane, 3-chloropropyltrialkoxysilane, 3-bromopropyltrialkoxysilane, 3-piperazinopropyltrialkoxysilane, 3-morpholinopropyltrialkoxysilane, 3-allylaminopropyltrialkoxysilane, norbornyltrialkoxysilane, and piperidinopropyltrialkoxysilane.
2種類以上のシランカップリング剤を共重合する場合、芳香族系シランカップリング剤と非芳香族系シランカップリング剤の比率として、モル比で1:10から1:5であることが好ましく、耐熱性の点から1:5から1:1であることが好ましく、湿度下におけるシグナル強度低減の抑制の点から1:1から10:1であることが好ましい。 When two or more types of silane coupling agents are copolymerized, the molar ratio of aromatic silane coupling agent to non-aromatic silane coupling agent is preferably 1:10 to 1:5, with 1:5 to 1:1 being preferred from the standpoint of heat resistance, and 1:1 to 10:1 being preferred from the standpoint of suppressing a decrease in signal intensity under humid conditions.
本実施形態のセンサーにおける有機官能基については、センサー本体上の感応膜を走査型電子顕微鏡-エネルギー分散型X線分光法(SEM-EDX)やX線光電子分光法(XPS)、赤外全反射吸収測定法(ATR)等の表面元素解析に供することにより、同定することができる。 The organic functional groups in the sensor of this embodiment can be identified by subjecting the sensitive film on the sensor body to surface elemental analysis using techniques such as scanning electron microscope-energy dispersive X-ray spectroscopy (SEM-EDX), X-ray photoelectron spectroscopy (XPS), and infrared attenuated total reflection spectroscopy (ATR).
本実施形態において、湿度のある環境下での感度及び安定性の観点から、感応膜の体積分率としての空隙率は、10%以下となる。感度をより向上させる観点から5%以上がより好ましく、湿度下環境において感度の低減を抑制する観点から3%以下であることがさらに好ましい。上記空隙率は、例えば、フィラーとRSiO3/2で表される構造の比を調節すること等により上記範囲に調整することができる。また、上記空隙率は、特に限定されないが、例えば、以下の方法、又はこれと同等であることが当業者に理解される方法で測定される値である。 In this embodiment, from the viewpoint of sensitivity and stability in a humid environment, the porosity as a volume fraction of the sensitive film is 10% or less. From the viewpoint of further improving sensitivity, 5% or more is more preferable, and from the viewpoint of suppressing a decrease in sensitivity in a humid environment, 3% or less is even more preferable. The porosity can be adjusted to the above range, for example, by adjusting the ratio of the filler to the structure expressed as RSiO 3/2 . The porosity is not particularly limited, and is a value measured, for example, by the following method or a method that will be understood by those skilled in the art to be equivalent thereto.
ダイシングにより断面を形成した感応膜を加工台に固定した後、FIB Millingで加工を行い、断面SEM観察を行う。断面SEM観察で取得した像から凹凸微細構造層を切り出し、さらに有機無機ハイブリッド中に存在する空隙を抽出する。抽出については、取得像において空隙周辺がエッジ効果により明コントラストを有すること、また空隙自体は暗コントラストを有することを利用し、画像解析ソフトにて2値化処理を行ってもよく、凹凸微細構造層を白色に、空隙、基板および背景を黒色とする2値化処理を行ってもよい。また、2値化処理で追従しきれない部位については、手動による判別を行い補足してもよい。得られた空隙の抽出像にて、空隙に対応する部分の面積の、凹凸微細構造層及び空隙に対応する部分の面積に対する比を、凹凸微細構造層中の空隙率として算出できる。上記操作を数視野に対して行い、その数平均値を空隙率とすることができる。 The sensitive film, cross-sectioned by dicing, is then fixed to the processing stage and processed using FIB milling, followed by cross-sectional SEM observation. The microstructured layer is extracted from the image obtained through cross-sectional SEM observation, and the voids present in the organic-inorganic hybrid are further extracted. For extraction, the area around the voids in the obtained image has bright contrast due to the edge effect, while the voids themselves have dark contrast. This can be extracted by performing binarization processing using image analysis software, or by performing binarization processing that colors the microstructured layer white and the voids, substrate, and background black. Additionally, areas that cannot be fully captured by binarization processing can be manually identified and supplemented. The ratio of the area of the portion corresponding to the voids in the extracted void image to the area of the microstructured layer and the portion corresponding to the voids can be calculated as the void ratio in the microstructured layer. This process is performed on several fields of view, and the number average value can be used to determine the void ratio.
上記感応膜の体積分率としての空隙率は、好ましくは10%以下である。それにより、湿度が比較的高い条件下であっても電気シグナルを大きく減衰させることなくエタノールやアルデヒド等の高親水性のガスを高感度に測定することができ、更にはリフロー処理後、長時間使用後であっても感応膜の劣化がなく継続して測定することができる傾向にある。 The porosity, as a volume fraction, of the above-mentioned sensitive film is preferably 10% or less. This allows for highly hydrophilic gases such as ethanol and aldehyde to be measured with high sensitivity without significant attenuation of the electrical signal, even under relatively high humidity conditions. Furthermore, there is a tendency for the sensitive film to continue to deteriorate even after reflow processing or long-term use, allowing for continuous measurement.
1.1.2.有機無機ハイブリッドの製造方法
有機無機ハイブリッドの製造方法としては、特に限定されないが、主にゾルゲル法を用いて製造される。具体的には、加水分解性シラン化合物(シランカップリング剤を含む)を水存在下で酸、塩基性条件下で加水分解及び縮合を行うことにより、シランカップリング剤の縮合体、すなわち、RSiO3/2で表される構造を含む有機無機ハイブリッドを得ることができる。
1.1.2. Manufacturing Method of Organic-Inorganic Hybrids There are no particular limitations on the manufacturing method of organic-inorganic hybrids, but they are mainly manufactured using a sol-gel method. Specifically, a hydrolyzable silane compound (including a silane coupling agent) is hydrolyzed and condensed under acidic or basic conditions in the presence of water to obtain a condensate of the silane coupling agent, i.e., an organic-inorganic hybrid containing a structure represented by RSiO3 /2 .
その中でも加水分解及び縮合の反応速度を調節できる観点から、触媒の存在下で、シランカップリング剤を加水分解及び縮合、表面修飾することがより好ましい。 Among these, it is more preferable to hydrolyze, condense, and surface-modify the silane coupling agent in the presence of a catalyst, as this allows for adjustment of the reaction rates of hydrolysis and condensation.
触媒の種類としては、酸触媒及び塩基触媒が挙げられる。酸触媒としては、特に限定されないが、例えば、無機酸及び有機酸が挙げられる。無機酸としては、以下に限定されないが、例えば、塩酸、硝酸、硫酸、フッ酸、リン酸、ホウ酸等が挙げられる。有機酸としては、以下に限定されないが、例えば、酢酸、プロピオン酸、ブタン酸、ペンタン酸、ヘキサン酸、ヘプタン酸、オクタン酸、ノナン酸、デカン酸、シュウ酸、マレイン酸、メチルマロン酸、安息香酸、p-アミノ安息香酸、p-トルエンスルホン酸、ベンゼンスルホン酸、トリフルオロ酢酸、ギ酸、マロン酸、スルホン酸、フタル酸、フマル酸、クエン酸、酒石酸、シトラコン酸、リンゴ酸、グルタル酸等が挙げられる。塩基触媒としては、例えば、無機塩基及び有機塩基が挙げられる。無機塩基としては、以下に限定されないが、例えば、水酸化リチウム、水酸化ナトリウム、水酸化カリウム、水酸化セシウム等のアルカリ金属水酸化物;水酸化カルシウム等のアルカリ土類金属水酸化物;炭酸リチウム、炭酸カリウム、炭酸ナトリウム等のアルカリ又はアルカリ土類金属炭酸塩;炭酸水素カリウム、炭酸水素ナトリウム等の金属炭酸水素塩;等が挙げられる。有機塩基としては、以下に限定されないが、トリエチルアミン、エチルジイソプロピルアミン等のトリアルキルアミン;N,N-ジメチルアニリン、N,N-ジエチルアニリン等の炭素数1~4のN,N-ジアルキルアニリン誘導体;ピリジン、2,6-ルチジン等の、炭素数1~4のアルキル置換基を有していてもよいピリジン誘導体;等が挙げられる。これらの触媒は、1種で又は2種以上を混合して用いることができる。 Types of catalysts include acid catalysts and base catalysts. Acid catalysts are not particularly limited, but include inorganic acids and organic acids. Inorganic acids include, but are not limited to, hydrochloric acid, nitric acid, sulfuric acid, hydrofluoric acid, phosphoric acid, and boric acid. Organic acids include, but are not limited to, acetic acid, propionic acid, butanoic acid, pentanoic acid, hexanoic acid, heptanoic acid, octanoic acid, nonanoic acid, decanoic acid, oxalic acid, maleic acid, methylmalonic acid, benzoic acid, p-aminobenzoic acid, p-toluenesulfonic acid, benzenesulfonic acid, trifluoroacetic acid, formic acid, malonic acid, sulfonic acid, phthalic acid, fumaric acid, citric acid, tartaric acid, citraconic acid, malic acid, and glutaric acid. Base catalysts include, for example, inorganic bases and organic bases. Examples of inorganic bases include, but are not limited to, alkali metal hydroxides such as lithium hydroxide, sodium hydroxide, potassium hydroxide, and cesium hydroxide; alkaline earth metal hydroxides such as calcium hydroxide; alkali or alkaline earth metal carbonates such as lithium carbonate, potassium carbonate, and sodium carbonate; and metal bicarbonates such as potassium bicarbonate and sodium bicarbonate. Examples of organic bases include, but are not limited to, trialkylamines such as triethylamine and ethyldiisopropylamine; N,N-dialkylaniline derivatives having 1 to 4 carbon atoms such as N,N-dimethylaniline and N,N-diethylaniline; and pyridine derivatives that may have an alkyl substituent having 1 to 4 carbon atoms, such as pyridine and 2,6-lutidine. These catalysts can be used alone or in combination.
さらに、上記加水分解及び縮合の反応系のpHを0.01~6.0の範囲、若しくはpH8~14になる量の触媒を加えることが、反応効率の点で好ましく、より効率を高めるためにはpH8~14の塩基性条件下でゾルゲル反応を行うことがより好ましい。 Furthermore, from the standpoint of reaction efficiency, it is preferable to add a catalyst in an amount that brings the pH of the hydrolysis and condensation reaction system to a range of 0.01 to 6.0, or to a pH of 8 to 14. To further increase efficiency, it is more preferable to carry out the sol-gel reaction under basic conditions of pH 8 to 14.
また、有機無機ハイブリッドを製造するための加水分解及び縮合は、有機溶媒中で行うこともできる。縮合反応に使用できる有機溶媒としては、例えば、アルコール、エステル、ケトン、エーテル、脂肪族炭化水素化合物、芳香族炭化水素化合物、アミド化合物等が挙げられる。 The hydrolysis and condensation reactions for producing organic-inorganic hybrids can also be carried out in an organic solvent. Examples of organic solvents that can be used in condensation reactions include alcohols, esters, ketones, ethers, aliphatic hydrocarbon compounds, aromatic hydrocarbon compounds, and amide compounds.
上記アルコールとしては、以下に限定されないが、特に限定されないが、例えば、メチルアルコール、エチルアルコール、プロピルアルコール、ブチルアルコールのような一価アルコール;エチレングリコール、ジエチレングリコール、プロピレングリコール、グリセリン、トリメチロールプロパン、ヘキサントリオールのような多価アルコール;エチレングリコールモノメチルエーテル、エチレングリコールモノエチルエーテル、エチレングリコールモノプロピルエーテル、エチレングリコールモノブチルエーテル、ジエチレングリコールモノメチルエーテル、ジエチレングリコールモノエチルエーテル、ジエチレングリコールモノプロピルエーテル、ジエチレングリコールモノブチルエーテル、プロピレングリコールモノメチルエーテル、プロピレングリコールモノエチルエーテル、プロピレングリコールモノプロピルエーテル、プロピレングリコールモノブチルエーテルのような多価アルコールのモノエーテル類;等が挙げられる。 Examples of the alcohol include, but are not limited to, monohydric alcohols such as methyl alcohol, ethyl alcohol, propyl alcohol, and butyl alcohol; polyhydric alcohols such as ethylene glycol, diethylene glycol, propylene glycol, glycerin, trimethylolpropane, and hexanetriol; and monoethers of polyhydric alcohols such as ethylene glycol monomethyl ether, ethylene glycol monoethyl ether, ethylene glycol monopropyl ether, ethylene glycol monobutyl ether, diethylene glycol monomethyl ether, diethylene glycol monoethyl ether, diethylene glycol monopropyl ether, diethylene glycol monobutyl ether, propylene glycol monomethyl ether, propylene glycol monoethyl ether, propylene glycol monopropyl ether, and propylene glycol monobutyl ether.
上記エステルとしては、以下に限定されないが、特に限定されないが、例えば、酢酸メチル、酢酸エチル、酢酸ブチル、γ-ブチロラクトン等が挙げられる。ケトン類としては、以下に限定されないが、例えば、アセトン、メチルエチルケトン、メチルイソアミルケトン等が挙げられる。 Examples of the esters include, but are not limited to, methyl acetate, ethyl acetate, butyl acetate, and gamma-butyrolactone. Examples of ketones include, but are not limited to, acetone, methyl ethyl ketone, and methyl isoamyl ketone.
上記エーテルとしては、上記の多価アルコールのモノエーテル類の他に、特に限定されないが、例えば、エチレングリコールジメチルエーテル、エチレングリコールジエチルエーテル、エチレングリコールジプロピルエーテル、エチレングリコールジブチルエーテル、プロピレングリコールジメチルエーテル、プロピレングリコールジエチルエーテル、プロピレングリコールジブチルエーテル、ジエチレングリコールジメチルエーテル、ジエチレングリコールメチルエチルエーテル、ジエチレングリコールジエチルエーテルのような多価アルコールの水酸基の全てをアルキルエーテル化した多価アルコールエーテル類;テトラヒドロフラン;1,4-ジオキサン;アニソール等が挙げられる。 In addition to the monoethers of polyhydric alcohols mentioned above, the ethers include, but are not limited to, polyhydric alcohol ethers in which all of the hydroxyl groups of polyhydric alcohols have been alkyl-etherified, such as ethylene glycol dimethyl ether, ethylene glycol diethyl ether, ethylene glycol dipropyl ether, ethylene glycol dibutyl ether, propylene glycol dimethyl ether, propylene glycol diethyl ether, propylene glycol dibutyl ether, diethylene glycol dimethyl ether, diethylene glycol methyl ethyl ether, and diethylene glycol diethyl ether; tetrahydrofuran; 1,4-dioxane; anisole; and the like.
上記脂肪族炭化水素化合物としては、以下に限定されないが、例えば、ヘキサン、ヘプタン、オクタン、ノナン、デカン等が挙げられる。 Examples of the aliphatic hydrocarbon compounds include, but are not limited to, hexane, heptane, octane, nonane, decane, etc.
上記芳香族炭化水素化合物としては、以下に限定されないが、例えば、ベンゼン、トルエン、キシレン等が挙げられる。 Examples of the aromatic hydrocarbon compounds include, but are not limited to, benzene, toluene, xylene, etc.
上記アミド化合物としては、以下に限定されないが、例えば、ジメチルホルムアミド、ジメチルアセトアミド、N-メチルピロリドン等が挙げられる。 Examples of the amide compound include, but are not limited to, dimethylformamide, dimethylacetamide, N-methylpyrrolidone, etc.
以上の溶媒の中でも、アルコールとしてメタノール、エタノール、イソプロパノール、ブタノール等;ケトンとしてアセトン、メチルエチルケトン、メチルイソブチルケトン等;エーテルとしてエチレングリコールモノメチルエーテル、ジエチレングリコールモノブチルエーテル、プロピレングリコールモノメチルエーテル、プロピレングリコールモノエチルエーテル等;及びアミド化合物としてジメチルホルムアミド、ジメチルアセトアミド、N-メチルピロリドン等が水と混合しやすい点で好ましい。これらの溶媒は単独で使用してもよいし、複数の溶媒を組み合わせて使用してもよい。 Among the above solvents, alcohols such as methanol, ethanol, isopropanol, and butanol; ketones such as acetone, methyl ethyl ketone, and methyl isobutyl ketone; ethers such as ethylene glycol monomethyl ether, diethylene glycol monobutyl ether, propylene glycol monomethyl ether, and propylene glycol monoethyl ether; and amide compounds such as dimethylformamide, dimethylacetamide, and N-methylpyrrolidone are preferred because they are easily miscible with water. These solvents may be used alone or in combination.
有機無機ハイブリッドにフィラーを配合する場合は、有機無機ハイブリッドはフィラーの存在下で製造してもよいし、有機無機ハイブリッドにフィラーを配合してもよい。市販の分散フィラーにシランカップリング剤の縮合物を溶解させてもよいし、フィラーとシランカップリング剤をボールミル、ジェットミル等で分散処理してもよいし、アルコキシシランとフィラーを同時に縮合反応することで製造することができるが、フィラーの溶剤分散性を高め、インクジェット塗布性を高める点でアルコキシシランとフィラーを同時に縮合する製造方法がより好ましい。コロイダルフィラーをシランカップリング剤存在下でゾルゲル法により処理した場合は、シランカップリング剤の縮合体がフィラーの表面を変性しながら隙間を埋めるように縮合体が配されることになりアルコキシシランの量を任意に調整することで細孔量を調整することができる。フィラー表面に水酸基が存在する場合、その表面水酸基とアルコキシシランの加水分解により生成される水酸基が相互作用、縮合反応によりエーテル結合を形成するため、フィラーと縮合体の相溶性を高めることができるため、より安定な感応膜を得ることができる。 When incorporating a filler into an organic-inorganic hybrid, the organic-inorganic hybrid may be produced in the presence of the filler, or the filler may be incorporated into the organic-inorganic hybrid. A silane coupling agent condensate may be dissolved in a commercially available dispersion filler, or the filler and silane coupling agent may be dispersed using a ball mill or jet mill. Alternatively, the hybrid may be produced by simultaneously condensing an alkoxysilane and a filler. However, simultaneous condensation of an alkoxysilane and a filler is preferred for improving the solvent dispersibility of the filler and improving inkjet coating properties. When a colloidal filler is treated using the sol-gel method in the presence of a silane coupling agent, the condensate of the silane coupling agent modifies the filler surface and fills the gaps. The pore volume can be adjusted by adjusting the amount of alkoxysilane. If hydroxyl groups are present on the filler surface, the surface hydroxyl groups and the hydroxyl groups generated by hydrolysis of the alkoxysilane interact and form ether bonds through a condensation reaction, enhancing the compatibility between the filler and the condensate and resulting in a more stable sensor film.
また、フィラーに対して有機官能基を用いて表面変性させることもでき、該変性は、分散媒に分散させた状態で表面修飾することにより行うことができる。具体的には、例えば、アルコール及び水を含む金属酸化物の均一分散液に、触媒存在下で上記シランカップリング剤を添加する工程により有機無機ハイブリッドが製造される。 Fillers can also be surface-modified using organic functional groups. This modification can be carried out by surface-modifying the filler while it is dispersed in a dispersion medium. Specifically, for example, an organic-inorganic hybrid can be produced by adding the above-mentioned silane coupling agent to a uniform dispersion of metal oxide containing alcohol and water in the presence of a catalyst.
有機無機ハイブリッドは沈殿物、ゲル化物を遠心分離、ろ過により濾別することにより回収してもよいし、エバポレーター等で揮発性溶剤を除去することにより単離される。 The organic-inorganic hybrid can be recovered by separating the precipitate or gel by centrifugation or filtration, or it can be isolated by removing the volatile solvent using an evaporator, etc.
有機無機ハイブリッドに対する有機官能基の導入は、ATRにより確認することができる。波数1600~1800cm-1の領域の吸収ピークに基づいてカルボニル基(C=O結合)を同定することができる。C=O結合を有する置換基としては特に限定されないが、例えば、カルボニル基、アミド基、ウレア基、ウレタン基、エステル基、カルボン酸基、酸無水物基等が挙げられる。 The introduction of organic functional groups into organic-inorganic hybrids can be confirmed by ATR. Carbonyl groups (C═O bonds) can be identified based on absorption peaks in the wavenumber region of 1600 to 1800 cm −1. Substituents having C═O bonds are not particularly limited, but examples include carbonyl groups, amide groups, urea groups, urethane groups, ester groups, carboxylic acid groups, and acid anhydride groups.
これらの中でも有機無機ハイブリッド合成の観点からアミド基、ウレア基、エステル基、が好ましく、有機溶媒への溶解性及びスループットの観点からアミド基がより好ましい。その理由としては以下のように考えられるが、以下に限定されない。アミド基の持つ窒素原子-水素原子間の結合(N-H結合)がインクとなる溶媒中の分子と水素結合をすることで溶解性が向上すためと考えられる。 Of these, amide groups, urea groups, and ester groups are preferred from the perspective of organic-inorganic hybrid synthesis, with amide groups being more preferred from the perspective of solubility in organic solvents and throughput. The reasons for this are thought to be, but are not limited to, as follows: the bond between the nitrogen atom and hydrogen atom (N-H bond) of the amide group forms a hydrogen bond with molecules in the solvent that becomes the ink, thereby improving solubility.
カルボニル基がアミド結合を形成するカルボニル基由来か否かは、3000~3400cm-1の領域のN-H結合の伸縮振動が観察されるか否かによって判断することができる。または、XPSのようなX線光電分光法等を用いても確認できる。 Whether or not the carbonyl group is derived from a carbonyl group that forms an amide bond can be determined by observing the stretching vibration of the N—H bond in the region of 3000 to 3400 cm −1 or by using X-ray photoelectric spectroscopy such as XPS.
波数1350~1450cm-1の領域における吸収ピークに基づいてケイ素原子-炭素原子間の結合(Si-C結合)を同定することができる。 The bond between a silicon atom and a carbon atom (Si—C bond) can be identified based on the absorption peak in the wave number region of 1350 to 1450 cm −1 .
また、熱重量減少測定により確認することができる。吸着水の影響を除去するため150℃から1000℃までの、無機フィラー(i)と有機官能基(ii)を合わせた有機分の熱重量減少率が、感度の観点から、3%~75%であることが好ましく、湿度耐性の観点から5%~65%であることがより好ましく、更に熱安定性の観点から5%~60%であることが更に好ましい。すなわち、本実施形態における有機無機ハイブリッド中の有機官能基量としては、特に限定されないが、アナライトへの応答性と感応膜の安定性とのバランスの観点から、75重量%以下であることが好ましく、65重量%以下であることがより好ましい。 This can also be confirmed by thermal weight loss measurements. In order to eliminate the effects of adsorbed water, the thermal weight loss rate of the organic component (combined inorganic filler (i) and organic functional group (ii)) from 150°C to 1000°C is preferably 3% to 75% from the viewpoint of sensitivity, more preferably 5% to 65% from the viewpoint of humidity resistance, and even more preferably 5% to 60% from the viewpoint of thermal stability. In other words, the amount of organic functional groups in the organic-inorganic hybrid in this embodiment is not particularly limited, but is preferably 75% by weight or less, more preferably 65% by weight or less, from the viewpoint of balancing responsiveness to analytes and stability of the sensitive membrane.
1.2.フィラー
本実施形態における感応膜は、さらにフィラーを含むことが好ましい。フィラーを用いると、有機無機ハイブリッドのヤング率を向上させ、感度を高めることができる。本実施形態におけるフィラーとしては、特に限定されず、種々公知のものから選択することができる。具体例としては、以下に限定されないが、ポリスチレンやポリメチルメタクリレート、ポリフェニレンオキシド等のポリマービーズやアクリルラテックス等の球状粒子、窒化シリコン等の金属窒化物、シリカ、ジルコニア、チタニア、酸化亜鉛、酸化アルミニウム、酸化スズ等の金属酸化物、チタン酸バリウム、チタン酸ストロンチウム、ITO等の複合金属化合物、金や銀、銅、パラジウム、白金、鉄、アルミニウム等の無機金属フィラーから選ばれる1種以上を含むことができる。
1.2. Filler The sensitive film in this embodiment preferably further contains a filler. The use of a filler can improve the Young's modulus of the organic-inorganic hybrid and increase sensitivity. The filler in this embodiment is not particularly limited and can be selected from various known fillers. Specific examples include, but are not limited to, one or more selected from the group consisting of polymer beads such as polystyrene, polymethyl methacrylate, and polyphenylene oxide, spherical particles such as acrylic latex, metal nitrides such as silicon nitride, metal oxides such as silica, zirconia, titania, zinc oxide, aluminum oxide, and tin oxide, composite metal compounds such as barium titanate, strontium titanate, and ITO, and inorganic metal fillers such as gold, silver, copper, palladium, platinum, iron, and aluminum.
本実施形態におけるフィラーとしては、分散性、塗布性の観点から、無機フィラーであることが好ましい。上記同様の観点から、本実施形態においては、シリカ、ジルコニア、チタニア、アルミナ等の金属化合物、金や銀、銅、パラジウム、白金、鉄、アルミニウム等の無機金属フィラーが好ましく、湿度下での水分によるシグナル減衰の影響が小さい点からシリカ、ジルコニア等の金属酸化物がより好ましく、経済性の観点からシリカであることがさらに好ましい。本発明者らは、特にシリカを用いる場合、湿度のある状態でもエタノール、アセトアルデヒド等の一般的な親水性ガスの応答の減衰がより顕著に改良されることを見出した。その理由としては、以下のように考えられるが、以下に限定する趣旨ではない。すなわち、シリカの骨格及びケイ素原子に結合した状態で存在する水酸基が、特許文献1のチタニア骨格もしくはチタン原子に結合した水酸基に比べて比較的疎水的であるため、疎水性相互作用により、水分由来の吸着阻害が抑制されるものと考えられる。 In this embodiment, the filler is preferably an inorganic filler from the viewpoints of dispersibility and coatability. From the same viewpoints, in this embodiment, metal compounds such as silica, zirconia, titania, and alumina, and inorganic metal fillers such as gold, silver, copper, palladium, platinum, iron, and aluminum are preferred. Metal oxides such as silica and zirconia are more preferred because they are less affected by moisture in humid conditions, and silica is even more preferred from an economical perspective. The inventors have discovered that when silica is used, the response attenuation of common hydrophilic gases such as ethanol and acetaldehyde is significantly improved even in humid conditions. The reasons for this are thought to be as follows, but are not limited to the following. Specifically, the hydroxyl groups bonded to the silica skeleton and silicon atoms are relatively hydrophobic compared to the titania skeleton or hydroxyl groups bonded to titanium atoms in Patent Document 1, and therefore hydrophobic interactions are thought to suppress adsorption inhibition due to moisture.
フィラーの形状としては、特に限定されないが、好ましくは、球状、棒状、板状若しくは繊維状又はこれらの2種類以上が合体した形状であり、より好ましくは球状、鎖状である。なお、ここでいう球状とは、真球状の他、回転楕円体、卵形等も含む略球状を意味する。 The shape of the filler is not particularly limited, but is preferably spherical, rod-like, plate-like, fibrous, or a combination of two or more of these, and more preferably spherical or chain-like. Note that "spherical" here refers to a nearly spherical shape, including not only a perfect sphere but also a spheroid, oval, etc.
球状のフィラーのサイズとしては、特に限定するものではないが、インクの分散性を維持し、つまり等インクジェットでの塗布性を向上できる観点から、平均一次粒子径として、100μm以下が好ましく、感度を向上できる観点から500nm以下がさらに好ましく、より空隙を低減する観点から200nm以下であることがさらに好ましい。ここで、平均一次粒子径とは数平均での値を意味する。上記平均一次粒子径は、本明細書の実施例の項に記載の走査型電子顕微鏡を用いた方法、又はこれと同等であることが当業者に理解される方法で測定される粒子50個の数平均値である。 The size of the spherical filler is not particularly limited, but from the viewpoint of maintaining the dispersibility of the ink, i.e., improving the coatability in inkjet printing, the average primary particle diameter is preferably 100 μm or less, from the viewpoint of improving sensitivity, 500 nm or less is more preferable, and from the viewpoint of further reducing voids, 200 nm or less is even more preferable. Here, the average primary particle diameter refers to the number average value. The above average primary particle diameter is the number average value of 50 particles measured using a scanning electron microscope as described in the Examples section of this specification, or a method that is understood by those skilled in the art to be equivalent thereto.
鎖状のフィラーとしては、連続鎖状構造を有することが好ましく、例えば、球状の粒子が連続的に真直につながった構造、分岐してつながった構造、屈曲してつながった構造、環状につながった構造(「パールネックレス状」につながった構造ともいう。)、又は個々には連続した球状には観察されず糸状の構造が多数絡まりあった構造(「ネットワーク状」につながった構造ともいう。)が好ましい例として挙げられる。 The chain-like filler preferably has a continuous chain structure, and preferred examples include a structure in which spherical particles are continuously connected in a straight line, a branched structure, a bent structure, or a ring-like structure (also called a "pearl necklace" structure), or a structure in which numerous thread-like structures are entangled and not observed as individual continuous spheres (also called a "network" structure).
連続鎖状構造を構成するフィラーは、一概に球状を仮定して、一次粒子径で規定することは容易でないが、透過型又は走査型の電子顕微鏡観察により鎖幅を観察することができる。鎖幅としては、1nm~200nmであり、被表面積を大きくする観点から1nm~100nmであることが好ましく、ガス応答性の感度の観点から1nm~85nmであることがさらに好ましい。上記平均一次粒子径は、本明細書の実施例の項に記載の走査型電子顕微鏡を用いた方法、又はこれと同等であることが当業者に理解される方法で測定される粒子50個の数平均値であり、鎖幅として定義する。 It is not easy to define the primary particle diameter of fillers that form a continuous chain structure by assuming that they are all spherical, but the chain width can be observed by observation with a transmission or scanning electron microscope. The chain width is 1 nm to 200 nm, preferably 1 nm to 100 nm from the perspective of increasing the surface area, and more preferably 1 nm to 85 nm from the perspective of gas response sensitivity. The above average primary particle diameter is the number average value of 50 particles measured using a scanning electron microscope as described in the Examples section of this specification, or a method that will be understood by those skilled in the art to be equivalent, and is defined as the chain width.
このようなフィラーとしての金属酸化物は、ゾルゲル法を用いてアルコキシ、クロロ等の4官能性加水分解基を有する金属酸化物前駆体のゾルゲル法によって製造することができるし、市販品を用いることもできる。4官能性の加水分解基を有する金属酸化物前駆体としてはテトラアルコキシシラン、テトラクロロシラン、テトラアルコキシチタン、テトラアセトキシジルコニウム等が挙げられる。これらの4官能性の加水分解性金属無機酸化物は3官能性の加水分解性金属酸化物と共重合してもよく、反応系の濃度、温度、pH、水分量等を調整することにより形状の制御を行うことができる。なお、例えばエマルジョン重合によりフィラーが製造された場合等、フィラー側にRSiO3/2で表される構造が得られることも考えられるが、感応膜中でこのような構造を持つフィラーについては本実施形態における有機無機ハイブリッドと扱うものとする。 Such metal oxides as fillers can be produced by a sol-gel method using a metal oxide precursor having tetrafunctional hydrolyzable groups such as alkoxy and chloro, or commercially available products can be used. Examples of metal oxide precursors having tetrafunctional hydrolyzable groups include tetraalkoxysilane, tetrachlorosilane, tetraalkoxytitanium, and tetraacetoxyzirconium. These tetrafunctional hydrolyzable inorganic metal oxides may be copolymerized with trifunctional hydrolyzable metal oxides, and the shape can be controlled by adjusting the concentration, temperature, pH, water content, etc. of the reaction system. It should be noted that, for example, when a filler is produced by emulsion polymerization, a structure represented by RSiO 3/2 may be obtained on the filler side. However, a filler having such a structure in the sensitive film is considered an organic-inorganic hybrid in this embodiment.
使用し得るフィラーの市販品としては、LEVASILシリーズ(H.C.Starck(株)製)、クオートロンP Lシリーズ(扶桑化学(株)製)、OSCALシリーズ(触媒化成工業(株)製)等;粉体状のシリカ粒子として、例えばアエロジル130、同300、同380、同TT600、同OX50(以上、日本アエロジル(株)製)、シルデックスH31、同H32、同H51、同H52、同H121、同H122(以上、旭硝子(株)製)、E220A、E220(以上、日本シリカ工業(株))、SYLYSIA470(富士シリシア(株)製)、SGフレーク(日本板硝子(株)製)等、IPA-ST, IPA-ST-L, IPA-ST-ZL, ST-XS,ST-S, ST-30,ST-50T, ST-30L,ST-YL, ST-ZL,MP-1040, MP-2040,MP-4540M,ST-OXS, ST-OS, ST-O, ST-O-40, ST-OL, ST-OYL, ST-NXS, ST-NS, ST-N, ST-N-40,ST-CXS,ST-C, ST-CM, ST-AK, ST-AK-L, ST-AK-YL,OZ-S30K,SZ-S30K-AC, OZ-S30M、セルナックス CX-S505M、IPA―ST-UP、MEK―ST―UP、ST―UP、ST-PS-S、ST-PS-M、ST-OUP、ST-PS―SO、ST-PS-MO、ST-AK-PS-S等(日産化学(株)製),SRD-K, SRD-M, SXR-CM, SZR-K, SZR-M(堺化学(株)製)があげられる。粉体状のフィラーとして、例えばアエロジル130、同300、同380、同TT600、同OX50(以上、日本アエロジル(株)製)、シルデックスH31、同H32、同H51、同H52、同H121、同H122(以上、旭硝子(株)製)、E220A、E220(以上、日本シリカ工業(株)製)、SYLYSIA470(富士シリシア(株)製)、SGフレーク(日本板硝子(株)製)等を挙げることができる。 Commercially available fillers that can be used include the LEVASIL series (manufactured by H.C. Starck Co., Ltd.), the Quatron PL series (manufactured by Fuso Chemical Co., Ltd.), and the OSCAL series (manufactured by Catalysts and Chemicals Industries Co., Ltd.); powdery silica particles include, for example, Aerosil 130, Aerosil 300, Aerosil 380, Aerosil TT600, and Aerosil OX50 (manufactured by Nippon Aerosil Co., Ltd.), Sildex H31, Sildex H32, Sildex H51, Sildex H52, Sildex H121, and Sildex H122 (manufactured by Asahi Glass Co., Ltd.), E220A and E220 (manufactured by Nippon Silica Industry Co., Ltd.), SYLYSIA 470 (manufactured by Fuji Silysia Co., Ltd.), and SG Flake (manufactured by Nippon Sheet Glass Co., Ltd.), IPA-ST, IPA-ST-L, IPA-ST-ZL, ST-XS, ST-S, ST-30, ST-50T, ST-30L, ST-YL, ST-ZL, MP-1040, MP-2040, MP-4540M, ST-OXS, ST-OS, ST-O, ST-O-40, ST-OL, ST-OYL, ST-NXS, ST-NS, ST-N, ST-N-40, ST-CXS, ST-C, ST-CM, ST-AK, ST-AK-L, ST-AK-YL, OZ-S30K, SZ-S30K-AC, OZ-S30M, Cernax CX-S505M, IPA-ST-UP, MEK-ST-UP, ST-UP, ST-PS-S, ST-PS-M, ST-OUP, ST-PS-SO, ST-PS-MO, ST-AK-PS-S, etc. (manufactured by Nissan Chemical Industries, Ltd.), and SRD-K, SRD-M, SXR-CM, SZR-K, SZR-M (manufactured by Sakai Chemical Industries, Ltd.). Examples of powder fillers include Aerosil 130, 300, 380, TT600, and OX50 (all manufactured by Nippon Aerosil Co., Ltd.), Sildex H31, H32, H51, H52, H121, and H122 (all manufactured by Asahi Glass Co., Ltd.), E220A and E220 (all manufactured by Nippon Silica Industry Co., Ltd.), SYLYSIA 470 (manufactured by Fuji Silysia Co., Ltd.), and SG Flake (manufactured by Nippon Sheet Glass Co., Ltd.).
1.3.その他の成分
本実施形態における感応膜は、有機無機ハイブリッド以外に、特に限定されないが、例えば、任意の粒子、イオン性化合物、樹脂、及び低分子化合物等の成分を含んでもよい。上記成分は、特に限定されないが、例えば、塗布液に配合し、センサー本体の表面に塗布することにより、上記添加物を含む感応膜を有するセンサーを得ることができる。
1.3. Other Components In addition to the organic-inorganic hybrid, the sensitive film in this embodiment may contain, but is not limited to, any particles, ionic compounds, resins, low-molecular-weight compounds, and other components. The above components are not particularly limited, but for example, they may be blended into a coating liquid and applied to the surface of the sensor body, thereby obtaining a sensor having a sensitive film containing the above additives.
2.センサーの製造方法
本実施形態のセンサーの製造方法としては、特に限定されないが、例えば、センサー本体上に感応膜を形成するための種々の方法により製造することができる。本実施形態における感応膜は、特に限定されないが、例えば、有機無機ハイブリッドを有機溶剤に分散させて塗布液を調製し、当該塗布液をセンサー本体上に塗布することにより製造される。塗布液をセンサーのチップ上に塗布する際には、インクジェット装置を好適に用いることができる。インクジェット装置によれば、塗布液の液滴(以下、インク、ともいう。)を射出し、インクがセンサー上に塗布され、感応膜が成膜される。チップ上に感応膜を形成した例を図1に示す。センサー1は、センサー本体に対応するチップ3と、その表面上に形成された感応膜2を有するものとして構成されており、図1に示す例において、このような構成を4箇所において備えている。
2. Sensor Manufacturing Method The sensor of this embodiment can be manufactured by any method, including, but not limited to, various methods for forming a sensitive film on the sensor body. The sensitive film of this embodiment can be manufactured by, for example, dispersing an organic-inorganic hybrid in an organic solvent to prepare a coating liquid and then coating the coating liquid on the sensor body. An inkjet device can be suitably used to apply the coating liquid to the sensor chip. The inkjet device ejects droplets of the coating liquid (hereinafter also referred to as ink), which are applied to the sensor to form the sensitive film. An example of a sensitive film formed on a chip is shown in FIG. 1. The sensor 1 is configured to include a chip 3 corresponding to the sensor body and a sensitive film 2 formed on its surface. In the example shown in FIG. 1, such a configuration is provided in four locations.
有機無機ハイブリッドをセンサー本体(例えば、MSSセンサー本体)の表面に被覆するための手法は、特に限定されないが、例えば、ディップコーティング、スプレーコーティング、スピンコーティング、インクジェットスポッティング、キャスティング、ドクターブレードなどを用いた被覆方法が挙げられる。 The method for coating the organic-inorganic hybrid on the surface of the sensor body (e.g., the MSS sensor body) is not particularly limited, but examples include coating methods using dip coating, spray coating, spin coating, inkjet spotting, casting, doctor blades, etc.
300μmφのMSSメンブレンに塗布するためには、インクジェット、マイクロジェット方式が好ましく、生産性の観点からマイクロジェット方式の塗布がより好ましい。 For coating a 300 μm diameter MSS membrane, inkjet and microjet methods are preferred, with microjet coating being more preferred from the standpoint of productivity.
感応膜は、例えば、有機無機ハイブリッドを有機溶剤に分散させ、その分散液をMSSチップ上に塗布することにより製造できる。有機無機ハイブリッドは、有機溶剤中に0.1g/L~50g/Lの濃度で分散されて塗布液となる。生産性の観点から、濃度は、0.5~50g/Lであることが好ましく、ノズルつまりを抑制する観点から、0.5~15g/Lであることがより好ましい。 The sensitive membrane can be manufactured, for example, by dispersing an organic-inorganic hybrid in an organic solvent and applying the resulting dispersion to the MSS chip. The organic-inorganic hybrid is dispersed in the organic solvent at a concentration of 0.1 g/L to 50 g/L to form the coating solution. From the perspective of productivity, the concentration is preferably 0.5 to 50 g/L, and from the perspective of preventing nozzle clogging, a concentration of 0.5 to 15 g/L is more preferable.
有機無機ハイブリッドを分散する有機溶媒としては、有機無機ハイブリッドが分散可能な溶媒であればよく、沸点としては80℃~250℃のものが好ましく、ノズルのつまりによる生産性の低下を抑制するためには100℃~250℃のものが好ましく、乾燥にかかる時間を早め、生産性を高めるために100℃~200℃であることがより好ましい。 The organic solvent used to disperse the organic-inorganic hybrid may be any solvent capable of dispersing the organic-inorganic hybrid. Its boiling point is preferably between 80°C and 250°C, and more preferably between 100°C and 250°C to prevent a decrease in productivity due to nozzle clogging. It is even more preferable to have a boiling point between 100°C and 200°C to reduce the drying time and increase productivity.
有機溶媒としては、以下に限定されないが、例えば、アルコール溶媒、エステル溶媒、ケトン溶媒、エーテル溶媒、脂肪族炭化水素溶媒、芳香族炭化水素溶媒、アミド溶媒等が挙げられる。 Examples of organic solvents include, but are not limited to, alcohol solvents, ester solvents, ketone solvents, ether solvents, aliphatic hydrocarbon solvents, aromatic hydrocarbon solvents, and amide solvents.
アルコール溶媒としては、以下に限定されないが、例えば、メチルアルコール、エチルアルコール、プロピルアルコール、ブチルアルコール等の一価アルコール;エチレングリコール、ジエチレングリコール、プロピレングリコール、グリセリン、トリメチロールプロパン、ヘキサントリオール等の多価アルコール;エチレングリコールモノメチルエーテル、エチレングリコールモノエチルエーテル、エチレングリコールモノプロピルエーテル、エチレングリコールモノブチルエーテル、ジエチレングリコールモノメチルエーテル、ジエチレングリコールモノエチルエーテル、ジエチレングリコールモノプロピルエーテル、ジエチレングリコールモノブチルエーテル、プロピレングリコールモノメチルエーテル、プロピレングリコールモノエチルエーテル、プロピレングリコールモノプロピルエーテル、プロピレングリコールモノブチルエーテル等の多価アルコールのモノエーテル類;等が挙げられる。 Examples of alcohol solvents include, but are not limited to, monohydric alcohols such as methyl alcohol, ethyl alcohol, propyl alcohol, and butyl alcohol; polyhydric alcohols such as ethylene glycol, diethylene glycol, propylene glycol, glycerin, trimethylolpropane, and hexanetriol; and monoethers of polyhydric alcohols such as ethylene glycol monomethyl ether, ethylene glycol monoethyl ether, ethylene glycol monopropyl ether, ethylene glycol monobutyl ether, diethylene glycol monomethyl ether, diethylene glycol monoethyl ether, diethylene glycol monopropyl ether, diethylene glycol monobutyl ether, propylene glycol monomethyl ether, propylene glycol monoethyl ether, propylene glycol monopropyl ether, and propylene glycol monobutyl ether.
エステル溶媒としては、例えば、酢酸メチル、酢酸エチル、酢酸ブチル、γ-ブチロラクトン等が挙げられる。 Examples of ester solvents include methyl acetate, ethyl acetate, butyl acetate, and gamma-butyrolactone.
ケトン溶媒としては、以下に限定されないが、例えば、アセトン、メチルエチルケトン、メチルイソアミルケトン等が挙げられる。 Ketone solvents include, but are not limited to, acetone, methyl ethyl ketone, methyl isoamyl ketone, etc.
エーテル溶媒としては、以下に限定されないが、例えば、エチレングリコールジメチルエーテル、エチレングリコールジエチルエーテル、エチレングリコールジプロピルエーテル、エチレングリコールジブチルエーテル、プロピレングリコールジメチルエーテル、プロピレングリコールジエチルエーテル、プロピレングリコールジブチルエーテル、ジエチレングリコールジメチルエーテル、ジエチレングリコールメチルエチルエーテル、ジエチレングリコールジエチルエーテル等の多価アルコールの水酸基の全てをアルキルエーテル化した多価アルコールエーテル類;テトラヒドロフラン;1,4-ジオキサン;アニソール;等が挙げられる。 Examples of ether solvents include, but are not limited to, polyhydric alcohol ethers in which all of the hydroxyl groups of polyhydric alcohols have been alkyl-etherified, such as ethylene glycol dimethyl ether, ethylene glycol diethyl ether, ethylene glycol dipropyl ether, ethylene glycol dibutyl ether, propylene glycol dimethyl ether, propylene glycol diethyl ether, propylene glycol dibutyl ether, diethylene glycol dimethyl ether, diethylene glycol methyl ethyl ether, and diethylene glycol diethyl ether; tetrahydrofuran; 1,4-dioxane; anisole; and the like.
脂肪族炭化水素溶媒としては、以下に限定されないが、例えば、ヘキサン、ヘプタン、オクタン、ノナン、デカン等が挙げられる。 Aliphatic hydrocarbon solvents include, but are not limited to, hexane, heptane, octane, nonane, decane, etc.
芳香族炭化水素溶媒としては、以下に限定されないが、例えば、ベンゼン、トルエン、キシレン等が挙げられる。 Aromatic hydrocarbon solvents include, but are not limited to, benzene, toluene, xylene, etc.
アミド溶媒としては、以下に限定されないが、例えば、N,N-ジメチルホルムアミド、N,N-ジメチルアセトアミド、N-メチルピロリドン等が挙げられる。 Amide solvents include, but are not limited to, N,N-dimethylformamide, N,N-dimethylacetamide, N-methylpyrrolidone, etc.
これらの有機溶媒は、1種単独で用いてもよく、2種以上を組み合わせて用いてもよい。 These organic solvents may be used alone or in combination of two or more.
これらの有機溶媒の中でも、安全性及び溶解性に優れることから、N,N-ジメチルホルムアミド、プロピレングリコールモノメチルエーテルが好ましい。特に、本実施形態の有機無機ハイブリッドが、有機官能基中にアミド基を有する場合は、スループットを向上させる観点から、有機溶媒としてN,N-ジメチルホルムアミドを用いることが好ましい。その理由は、以下のように考えられるが、以下に限定されない。有機無機ハイブリッドが有するアミド基の持つ窒素原子-水素原子間の結合(N-H結合)がインクとなる溶媒中の分子と水素結合をすることで溶解性が向上するためと考えられる。 Among these organic solvents, N,N-dimethylformamide and propylene glycol monomethyl ether are preferred due to their excellent safety and solubility. In particular, when the organic-inorganic hybrid of this embodiment has an amide group in the organic functional group, it is preferable to use N,N-dimethylformamide as the organic solvent from the perspective of improving throughput. The reason for this is thought to be, but is not limited to, as follows: the nitrogen-hydrogen atom bond (N-H bond) of the amide group in the organic-inorganic hybrid forms a hydrogen bond with molecules in the solvent that will become the ink, thereby improving solubility.
以下、実施例及び比較例により本実施形態を具体的に説明するが、本実施形態はこれらに限定されるものではない。 The present embodiment will be explained in detail below using examples and comparative examples, but the present embodiment is not limited to these.
ピエゾ素子からなるセンサー本体の表面に対して、本実施形態の各例で作製した感応膜を被膜することで上記表面応力型センサーを作製し、各実施例及び比較例のセンサーの各種物性を以下の(1)~(3)に従って評価した。 The above-mentioned surface stress sensor was produced by coating the surface of the sensor body made of a piezoelectric element with the sensitive film produced in each example of this embodiment, and the various physical properties of the sensors in each example and comparative example were evaluated according to the following (1) to (3).
(1)有機無機ハイブリッドにおける有機官能基種の同定とピーク強度比の算出
下記の条件に基づき、センサー本体上の感応膜をATR法で測定することにより、有機無機ハイブリッドにおける有機官能基を同定した。同定した有機官能基の「波数1600~1800cm-1の領域における吸収ピークの極大の吸光度」/「1350~1450cm-1の領域における吸収ピークの極大の吸光度」(A/B)からピーク強度比を算出した。
(1) Identification of organic functional group species in organic-inorganic hybrids and calculation of peak intensity ratios The organic functional groups in organic-inorganic hybrids were identified by measuring the sensitive film on the sensor body using the ATR method under the following conditions. The peak intensity ratio was calculated from the "absorbance at the maximum of the absorption peak in the wavenumber region of 1600 to 1800 cm -1 " / "absorbance at the maximum of the absorption peak in the wavenumber region of 1350 to 1450 cm -1 " (A/B) of the identified organic functional groups.
(測定条件)
使用装置;IRAffinity-1 :(島津社製)
測定方法;ATR法(プリズム:ZnSe)
検出器;DLATGS
アパーチャサイズ;auto
ATR結晶へのIR入射角 30°
分解能;4cm-1
積算回数;32scans
(Measurement conditions)
Apparatus used: IRAffinity-1 (Shimadzu Corporation)
Measurement method: ATR method (prism: ZnSe)
Detector: DLATGS
Aperture size: auto
IR incident angle to ATR crystal: 30°
Resolution; 4cm -1
Number of scans: 32
(2)耐湿度影響性
25℃、エタノール250ppmを60分/窒素のみのパージを60分ずつ3度繰り返し、3度目のシグナルを採用した。100×(「乾燥下で測定された3度目のシグナルの強度」-「50RH%下で測定された3度目のシグナルの強度」)/(「乾燥下で測定された3度目のシグナルの強度」を減衰率(%)とし、当該減衰率を以て以下の評価基準により、耐湿度影響性を評価した。
[評価基準]
S:減衰率が20%以下である。
A:減衰率が20%超40%以下である。
B:減衰率が40%超60%以下である。
C:減衰率が60%超である。
(2) Humidity Resistance The sample was subjected to a 60-minute 250 ppm ethanol purge at 25°C followed by a 60-minute nitrogen purge, which was repeated three times. The signal from the third measurement was used. The attenuation rate (%) was calculated as follows: 100 x ("the intensity of the signal measured at the third measurement under dry conditions" - "the intensity of the signal measured at the third measurement under 50% RH") / ("the intensity of the signal measured at the third measurement under dry conditions"). The attenuation rate was used to evaluate humidity resistance according to the following criteria.
[Evaluation criteria]
S: The attenuation rate is 20% or less.
A: The attenuation rate is more than 20% and 40% or less.
B: The attenuation rate is more than 40% and not more than 60%.
C: The attenuation rate is more than 60%.
(3)スループット
有機無機ハイブリッドを有機溶剤に分散させ、インク濃度を15mg/mLとして塗布した際に、以下の評価基準により、スループットを評価した。
[評価基準]
A:塗布ができた。
B:ノズルが途中で詰まりスプリット等が生じた。
C:サンプルの沈殿が生じた。
(3) Throughput The organic-inorganic hybrid was dispersed in an organic solvent and applied at an ink concentration of 15 mg/mL. The throughput was evaluated according to the following evaluation criteria.
[Evaluation criteria]
A: Application was successful.
B: The nozzle was clogged midway, causing splits and other problems.
C: Precipitation of the sample occurred.
<実施例1>
2000mLセパラブルフラスコに水288g、28%アンモニア水32g、2-プロパノール188gに、フェニルトリメトキシシシラン43.4gと4-(トリメトキシシリル)ベンゼンアミン46.6gを2-プロパノール340gに溶解した溶液を加え80℃で3時間反応させた。反応液を空冷後、沈殿物をろ取単離した。エタノールでサンプルを十分に洗浄し80℃真空下で乾燥させたのち、2000mLセパラブルフラスコに沈殿物5gをN,N-ジメチルアセトアミド500mLに溶解しトリエチルアミン1.5gを加えたのち、0℃でo-トルオイルクロリド4.1gを添加し室温で30分反応させた。反応後、0℃に冷却した反応液に飽和炭酸水素ナトリウム水溶液を加えて反応終了し、酢酸エチルで3回分液抽出を行った後、飽和食塩水で洗浄、無水硫酸マグネシウムで脱水したのちエバポレーターで減圧濃縮を行った。そこへ酢酸エチル10mLを加えて溶解させた溶液を撹拌中のヘキサン/酢酸エチル=10/1溶液中に滴下し析出した固体をろ取単離した。サンプルを十分に洗浄し80℃真空下で乾燥させたのち、DMFで15g/mLになるように溶解した。シリカ微粒子の2-プロパノール分散液IPA-ST-ZL(日産化学製品)をDMFで15mg/mLになるように調整した溶液と、先述の溶液を6:4の割合で混合し塗布液を得た。塗布液を、インクジェット装置を用いて1滴当たり300pLの量にて13滴を、40℃のホットプレート上に配したMSS表面上に塗布することにより感応膜付きの表面応力センサーを得た。その外観を図1に示す。
Example 1
A solution of 43.4 g of phenyltrimethoxysilane and 46.6 g of 4-(trimethoxysilyl)benzeneamine in 340 g of 2-propanol was added to 288 g of water, 32 g of 28% aqueous ammonia, and 188 g of 2-propanol in a 2000 mL separable flask, and the mixture was allowed to react at 80°C for 3 hours. After cooling the reaction mixture in air, the precipitate was isolated by filtration. After thoroughly washing the sample with ethanol and drying under vacuum at 80°C, 5 g of the precipitate was dissolved in 500 mL of N,N-dimethylacetamide in a 2000 mL separable flask, and 1.5 g of triethylamine was added. Then, 4.1 g of o-toluoyl chloride was added at 0°C and the mixture was allowed to react at room temperature for 30 minutes. After the reaction, the reaction mixture was cooled to 0°C and saturated aqueous sodium bicarbonate was added to terminate the reaction. The mixture was then subjected to three liquid-liquid extractions with ethyl acetate, washed with saturated brine, dehydrated over anhydrous magnesium sulfate, and concentrated under reduced pressure using an evaporator. 10 mL of ethyl acetate was added to the solution, and the resulting solution was dropped into a stirred hexane/ethyl acetate = 10/1 solution. The precipitated solid was isolated by filtration. The sample was thoroughly washed and dried under vacuum at 80 °C, then dissolved in DMF to a concentration of 15 g/mL. A 2-propanol dispersion of silica microparticles, IPA-ST-ZL (a Nissan Chemical product), was adjusted to 15 mg/mL with DMF, and the above solution was mixed in a 6:4 ratio to obtain a coating solution. Thirteen drops of the coating solution, each 300 pL, were applied using an inkjet device to the surface of an MSS placed on a 40 °C hot plate, yielding a surface stress sensor with a sensitive film. The appearance is shown in Figure 1.
上記(1)のとおりに有機官能基種の同定とピーク強度比の算出をした。結果は図2および表1に示す。上記(2)の方法に基づいて耐湿度の影響を検討した結果を図3に示す。湿度0%(乾燥下)では最大振幅4.52mVで湿度50%では2.86mVの最大振幅が得られた。前述の方法にて算出された耐湿度影響は37%であった。
さらに、上記(3)の方法でスループットについての評価を行った。インク濃度15mg/mlに溶解できなおかつ塗布ができたためAとした。
上述した方法と同様の要領にて、以降の実施例及び比較例についても評価を行うこととした。
The organic functional group species were identified and the peak intensity ratio was calculated as described in (1) above. The results are shown in Figure 2 and Table 1. The effect of humidity resistance was investigated based on the method described in (2) above, and the results are shown in Figure 3. At 0% humidity (dry conditions), the maximum amplitude was 4.52 mV, and at 50% humidity, the maximum amplitude was 2.86 mV. The effect of humidity resistance calculated using the method described above was 37%.
Furthermore, the throughput was evaluated using the method (3) above. Since the ink could be dissolved to a concentration of 15 mg/ml and could be applied, it was rated A.
The following examples and comparative examples were also evaluated in the same manner as described above.
<実施例2>
2000mLセパラブルフラスコに水288g、28%アンモニア水32g、2-プロパノール340gに、フェニルトリメトキシシシラン71.5gと3-アミノプロピルトリメトキシシラン21.6gを2-プロパノール207gに溶解した溶液を加え80℃で3時間反応させた。反応液を空冷後、沈殿物をろ取単離した。エタノールでサンプルを十分に洗浄し80℃真空下で乾燥させたのち、2000mLセパラブルフラスコに沈殿物5gをN,N-ジメチルアセトアミド500mLに溶解しトリエチルアミン1.5gを加えたのち、0℃でp-トルオイルクロリド1.5gを添加し室温で30分反応させた。反応後、0℃に冷却した反応液に飽和炭酸水素ナトリウム水溶液を加えて反応終了し、酢酸エチルで3回分液抽出を行った後、Brineで洗浄、無水硫酸マグネシウムで脱水したのちエバポレーターで減圧濃縮を行った。そこへ酢酸エチル10mLを加えて溶解させた溶液を撹拌中のヘキサン溶液中に滴下し析出した固体をろ取単離した。以降の操作は実施例1に準じた。
Example 2
A solution of 71.5 g of phenyltrimethoxysilane and 21.6 g of 3-aminopropyltrimethoxysilane in 207 g of 2-propanol was added to 288 g of water, 32 g of 28% aqueous ammonia, and 340 g of 2-propanol in a 2000 mL separable flask, and the mixture was allowed to react at 80 °C for 3 hours. After air-cooling the reaction solution, the precipitate was isolated by filtration. The sample was thoroughly washed with ethanol and dried under vacuum at 80 °C. 5 g of the precipitate was dissolved in 500 mL of N,N-dimethylacetamide in a 2000 mL separable flask, and 1.5 g of triethylamine was added. 1.5 g of p-toluoyl chloride was then added at 0 °C and the mixture was allowed to react at room temperature for 30 minutes. After the reaction, the reaction solution was cooled to 0 °C and saturated aqueous sodium bicarbonate was added to terminate the reaction. The mixture was then subjected to separation and extraction three times with ethyl acetate, washed with brine, dehydrated over anhydrous magnesium sulfate, and concentrated under reduced pressure using an evaporator. 10 mL of ethyl acetate was added thereto and the resulting solution was dropped into the stirred hexane solution, and the precipitated solid was isolated by filtration.
<実施例3>
p-トルオイルクロリド1.5gを2,4,6-トリクロロベンゾイルクロリド2.4gに変えた点以外は実施例2に準じて操作を行った。
Example 3
The procedure of Example 2 was repeated except that 1.5 g of p-toluoyl chloride was changed to 2.4 g of 2,4,6-trichlorobenzoyl chloride.
<実施例4>
p-トルオイルクロリド1.5gをアセチルクロリド0.8g、ヘキサン溶液中に滴下をヘキサン/酢酸エチル=10/1溶液中に滴下に変えた点以外は実施例2に準じて操作を行った。
Example 4
The procedure of Example 2 was repeated except that 1.5 g of p-toluoyl chloride and 0.8 g of acetyl chloride were added dropwise to a solution of hexane/ethyl acetate=10/1 instead of a hexane solution.
<実施例5>
p-トルオイルクロリド1.5gをメトキシアセチルクロリド1.1g、ヘキサン溶液中に滴下をヘキサン/酢酸エチル=10/1溶液中に滴下に変えた点以外は実施例2に準じて操作を行った。
Example 5
The procedure of Example 2 was repeated except that 1.5 g of p-toluoyl chloride was added dropwise to 1.1 g of methoxyacetyl chloride in a hexane solution instead of a hexane/ethyl acetate=10/1 solution.
<実施例6>
p-トルオイルクロリド1.5gをペンタフルオロベンゾイルクロリド2.3g、ヘキサン溶液中に滴下をヘキサン/酢酸エチル=10/1溶液中に滴下に変えた点以外は実施例2に準じて操作を行った。
Example 6
The procedure of Example 2 was repeated except that 1.5 g of p-toluoyl chloride was added dropwise to 2.3 g of pentafluorobenzoyl chloride in a hexane solution, instead of a hexane/ethyl acetate=10/1 solution.
<実施例7>
p-トルオイルクロリド1.5gを2,3,4,5-テトラフルオロベンゾイルクロリド2.1gに変えた点以外は実施例2に準じて操作を行った。
Example 7
The procedure of Example 2 was repeated except that 1.5 g of p-toluoyl chloride was changed to 2.1 g of 2,3,4,5-tetrafluorobenzoyl chloride.
<実施例8>
o-トルオイルクロリド4.1gを3,4-ジフルオロベンゾイルクロリド3.1g、ヘキサン/酢酸エチル=10/1溶液中に滴下をヘキサン溶液中に滴下に変えた点以外は実施例1に準じて操作を行った。
Example 8
The procedure of Example 1 was repeated except that 4.1 g of o-toluoyl chloride was added dropwise to a hexane solution containing 3.1 g of 3,4-difluorobenzoyl chloride instead of a hexane/ethyl acetate=10/1 solution.
<実施例9>
o-トルオイルクロリド4.1gをペンタフルオロベンゾイルクロリド4.1gに変えた点以外は実施例1に準じて操作を行った。
Example 9
The procedure of Example 1 was repeated except that 4.1 g of o-toluoyl chloride was changed to 4.1 g of pentafluorobenzoyl chloride.
<実施例10>
o-トルオイルクロリド4.1gを4-フェニルベンゾイルクロリド3.9g、ヘキサン/酢酸エチル=10/1溶液中に滴下をヘキサン/酢酸エチル=1/1溶液中に滴下に変えた点以外は実施例1に準じて操作を行った。
Example 10
The procedure of Example 1 was repeated except that 4.1 g of o-toluoyl chloride was added dropwise to 3.9 g of 4-phenylbenzoyl chloride in a hexane/ethyl acetate=1/1 solution instead of a hexane/ethyl acetate=10/1 solution.
<実施例11>
o-トルオイルクロリド4.1gを2-テノイルクロリド2.6g、ヘキサン/酢酸エチル=10/1溶液中に滴下をヘキサン/酢酸エチル=1/1溶液中に滴下に変えた点以外は実施例1に準じて操作を行った。
Example 11
The procedure of Example 1 was repeated except that 4.1 g of o-toluoyl chloride was added dropwise to 2.6 g of 2-thenoyl chloride in a hexane/ethyl acetate=1/1 solution instead of a 10/1 solution of hexane/ethyl acetate.
<実施例12>
o-トルオイルクロリド4.1gをヘプタフルオロブチリルクロリド1.3g、ヘキサン/酢酸エチル=10/1溶液中に滴下をヘキサン溶液中に滴下に変えた点以外は実施例1に準じて操作を行った。
Example 12
The procedure of Example 1 was repeated except that 4.1 g of o-toluoyl chloride was added dropwise to a hexane solution containing 1.3 g of heptafluorobutyryl chloride instead of a hexane/ethyl acetate=10/1 solution.
<実施例13>
o-トルオイルクロリド4.1gを4-(トリフルオロメチル)ベンゾイルクロリド3.7gに変えた点以外は実施例1に準じて操作を行った。
Example 13
The procedure of Example 1 was repeated except that 4.1 g of o-toluoyl chloride was changed to 3.7 g of 4-(trifluoromethyl)benzoyl chloride.
<実施例14>
o-トルオイルクロリド4.1gをメトキシアセチルクロリド1.9gに変えた点以外は実施例1に準じて操作を行った。
Example 14
The procedure of Example 1 was repeated except that 4.1 g of o-toluoyl chloride was changed to 1.9 g of methoxyacetyl chloride.
<実施例15>
o-トルオイルクロリド4.1gを2-フロイルクロリド2.3g、ヘキサン/酢酸エチル=10/1溶液中に滴下をヘキサン/酢酸エチル=1/1溶液中に滴下に変えた点以外は実施例1に準じて操作を行った。
Example 15
The procedure of Example 1 was repeated except that 4.1 g of o-toluoyl chloride was added dropwise to 2.3 g of 2-furoyl chloride in a hexane/ethyl acetate=1/1 solution instead of a hexane/ethyl acetate=10/1 solution.
<実施例16>
o-トルオイルクロリド4.1gをベンゾイルクロリド2.5g、ヘキサン/酢酸エチル=10/1溶液中に滴下をヘキサン/エタノール=7/3溶液中に滴下に変えた点以外は実施例1に準じて操作を行った。
Example 16
The procedure of Example 1 was repeated except that 4.1 g of o-toluoyl chloride was added dropwise to 2.5 g of benzoyl chloride in a hexane/ethanol=7/3 solution instead of a hexane/ethyl acetate=10/1 solution.
<実施例17>
o-トルオイルクロリド4.1gを2,4,6-トリクロロベンゾイルクロリド4.4g、ヘキサン/酢酸エチル=10/1溶液中に滴下をヘキサン/酢酸エチル=1/1溶液中に滴下に変えた点以外は実施例1に準じて操作を行った。
Example 17
The procedure of Example 1 was repeated except that 4.1 g of o-toluoyl chloride was added dropwise to 4.4 g of 2,4,6-trichlorobenzoyl chloride in a hexane/ethyl acetate=1/1 solution instead of a hexane/ethyl acetate=10/1 solution.
<実施例18>
o-トルオイルクロリド4.1gをアセチルクロリド3.6g、ヘキサン/酢酸エチル=10/1溶液中に滴下をヘキサン/酢酸エチル=1/1溶液中に滴下に変えた点以外は実施例1に準じて操作を行った。
Example 18
The procedure of Example 1 was repeated except that 4.1 g of o-toluoyl chloride was added dropwise to 3.6 g of acetyl chloride in a hexane/ethyl acetate=1/1 solution instead of a hexane/ethyl acetate=10/1 solution.
<実施例19>
o-トルオイルクロリド4.1gを2,3,4,5-テトラフルオロベンゾイルクロリド3.8gにした点以外は実施例1に準じて操作を行った。
Example 19
The procedure of Example 1 was repeated except that 4.1 g of o-toluoyl chloride was replaced with 3.8 g of 2,3,4,5-tetrafluorobenzoyl chloride.
<実施例20>
p-トルオイルクロリド1.5gをベンゾイルクロリド1.4g、ヘキサン溶液中に滴下をヘキサン/酢酸エチル=10/1溶液中に滴下に変えた点以外は実施例2に準じて操作を行った。
Example 20
The procedure of Example 2 was repeated except that 1.5 g of p-toluoyl chloride was added dropwise to 1.4 g of benzoyl chloride in a hexane solution, instead of a hexane/ethyl acetate=10/1 solution.
<実施例21>
o-トルオイルクロリド4.1gを3,4-ジフルオロベンゾイルクロリド3.1gに変えた点以外は実施例1に準じて操作を行った。
Example 21
The procedure of Example 1 was repeated except that 4.1 g of o-toluoyl chloride was changed to 3.1 g of 3,4-difluorobenzoyl chloride.
<実施例22>
2000mLセパラブルフラスコに水250g、28%アンモニア水17.2g、2-プロパノール110gに、4-(トリメトキシシリル)ベンゼンアミン50gを2-プロパノール230gに溶解した溶液を加え80℃で3時間反応させた。反応液を空冷後、沈殿物をろ取単離した。エタノールでサンプルを十分に洗浄し80℃真空下で乾燥させたのち、2000mLセパラブルフラスコに沈殿物5gをN,N-ジメチルアセトアミド500mLに溶解しトリエチルアミン1.5gを加えたのち、0℃でベンゾイルクロリド2.1gを添加し室温で30分反応させた。反応後、0℃に冷却した反応液に飽和炭酸水素ナトリウム水溶液を加えて反応終了し、酢酸エチルで3回分液抽出を行った後、Brineで洗浄、無水硫酸マグネシウムで脱水したのちエバポレーターで減圧濃縮を行った。そこへ酢酸エチル10mLを加えて溶解させた溶液を撹拌中のヘキサン/酢酸エチル=10/1溶液中に滴下し析出した固体をろ取単離した。以降は実施例1に準じて操作を行った。
Example 22
A solution of 50 g of 4-(trimethoxysilyl)benzeneamine in 230 g of 2-propanol was added to 250 g of water, 17.2 g of 28% aqueous ammonia, and 110 g of 2-propanol in a 2000 mL separable flask, and the mixture was allowed to react at 80°C for 3 hours. After cooling the reaction mixture in air, the precipitate was isolated by filtration. After thoroughly washing the sample with ethanol and drying under vacuum at 80°C, 5 g of the precipitate was dissolved in 500 mL of N,N-dimethylacetamide in a 2000 mL separable flask, and 1.5 g of triethylamine was added. Then, 2.1 g of benzoyl chloride was added at 0°C and the mixture was allowed to react at room temperature for 30 minutes. After the reaction, the reaction mixture was cooled to 0°C and saturated aqueous sodium bicarbonate was added to terminate the reaction. The mixture was then subjected to separation and extraction three times with ethyl acetate, washed with brine, dehydrated over anhydrous magnesium sulfate, and concentrated under reduced pressure using an evaporator. 10 mL of ethyl acetate was added thereto and the resulting solution was added dropwise to a stirred hexane/ethyl acetate=10/1 solution, and the precipitated solid was isolated by filtration.
<実施例23>
o-トルオイルクロリド2.6gをo-トルオイルクロリド2.6gに変えた点以外は実施例22に準じて操作を行った。
Example 23
The procedure of Example 22 was repeated except that 2.6 g of o-toluoyl chloride was changed to 2.6 g of o-toluoyl chloride.
<実施例24>
p-トルオイルクロリド1.5gをジフェニルカルバモイルクロリド2.3g、ヘキサン溶液中に滴下をヘキサン/酢酸エチル=10/1溶液中に滴下に変えた点以外は実施例2に準じて操作を行った。
Example 24
The procedure of Example 2 was repeated except that 1.5 g of p-toluoyl chloride was added dropwise to 2.3 g of diphenylcarbamoyl chloride in a hexane solution, instead of a hexane/ethyl acetate=10/1 solution.
<実施例25>
o-トルオイルクロリド4.1gをジフェニルカルバモイルクロリド4.1g、ヘキサン/酢酸エチル=10/1溶液中に滴下をヘキサン/酢酸エチル=1/1溶液中に滴下に変えた点以外は実施例1に準じて操作を行った。
Example 25
The procedure of Example 1 was repeated except that 4.1 g of o-toluoyl chloride was added dropwise to 4.1 g of diphenylcarbamoyl chloride in a hexane/ethyl acetate=1/1 solution instead of a hexane/ethyl acetate=10/1 solution.
<実施例26>
500mLセパラブルフラスコに水9.4g、28%アンモニア水1.0g、2-プロパノール14.9gに、エチル‐4-(トリエトキシシリル)ベンゾエート4.8gを2-プロパノール14.1gに溶解した溶液を加え80℃で3時間反応させた。反応液を空冷後、沈殿物をろ取単離した。サンプルを十分に洗浄し80℃真空下で乾燥させたのち、DMFで15g/mLになるように溶解した。以降は実施例1に準じて操作を行った。
Example 26
A solution of 4.8 g of ethyl 4-(triethoxysilyl)benzoate in 14.1 g of 2-propanol was added to 9.4 g of water, 1.0 g of 28% aqueous ammonia, and 14.9 g of 2-propanol in a 500 mL separable flask, and the mixture was allowed to react at 80°C for 3 hours. After air-cooling the reaction solution, the precipitate was collected and isolated by filtration. The sample was thoroughly washed and dried under vacuum at 80°C, and then dissolved in DMF to a concentration of 15 g/mL. Thereafter, the procedure was carried out in accordance with Example 1.
<比較例1>
ポリスチレン(Aldrich社製、重量平均分子量35000)をDMFで10g/mLになるように溶解した。2-プロパノール分散液IPA-ST-ZL(日産化学製品)をDMFで10mg/mLになるように調整した溶液と、先述の溶液を6:4の割合で混合し塗布液を得た。塗布液を、インクジェット装置を用いて1滴当たり300pLの量にて20滴を、40℃のホットプレート上に配したMSS表面上に塗布することにより感応膜付きの表面応力センサーを得た。
実施例1と同様に、湿度0%と30%でのエタノール100ppmに対する応答シグナルを確認した結果を図4に示す。スループットについての評価を行った。インク濃度15mg/mLのとき、サンプルの沈殿が生じたためCとした。
<Comparative Example 1>
Polystyrene (manufactured by Aldrich, weight-average molecular weight 35,000) was dissolved in DMF to a concentration of 10 g/mL. A 2-propanol dispersion IPA-ST-ZL (a Nissan Chemical product) was adjusted to 10 mg/mL in DMF, and the above-mentioned solution was mixed in a 6:4 ratio to obtain a coating solution. Twenty drops of the coating solution, each drop at 300 pL, were applied using an inkjet device onto the surface of an MSS placed on a hot plate at 40°C, to obtain a surface stress sensor with a sensitive film.
As in Example 1, the response signal to 100 ppm of ethanol at 0% and 30% humidity was confirmed, and the results are shown in Figure 4. Throughput was evaluated. When the ink concentration was 15 mg/mL, precipitation of the sample occurred, so it was given a grade of C.
<比較例2>
シリカチタニア粒子(粒状)はWO2016/121155公報に記載の方法に準じて合成した。オクタデシルアミン(ODA)が溶解したアンモニア塩基性のイソプロパノール(IPA)水溶液中における、アミノプロピルトリメトキシシランとチタニウムテトライソプロポキシド(TTIP)の共加水分解、縮合重合反応により合成した。上記合成反応は、マイクロメートルサイズのY字型流路を有するテフロン(登録商標)製マイクロリアクタを用いて実施した。前駆溶液は、溶液1:アミノプロピルトリメトキシシラン/IPA、溶液2:H2O/IPA/アンモニア、溶液3:TTIP/IPA、溶液4:H2O/IPAの4つとし、溶液1から溶液4まで体積を揃えて調製した。前駆溶液はシリンジポンプにより同時に一定速度で送液した。溶液1と溶液2、溶液3と溶液4を並列したマイクロリアクタ内でそれぞれ混合し、両リアクタからの吐出液をさらに別のマイクロリアクタ内で混合することにより、1つの反応液とした。反応液は別途調製しておいた前駆溶液5:ODA/H2O/IPA中へ吐出し、吐出終了まで一定速度で撹拌した。その後、室温で静置し、ナノ粒子(NH2-STNP)分散液を得た。かかるナノ粒子にRSiO3/2で表される構造が確認されたため、これを有機無機ハイブリッドと扱った。反応液を空冷後、6000rpm, 10分間遠心分離することで沈殿物を単離した。さらに沈殿物をDMAcに溶解しトリエチルアミン存在下ベンゾイルクロライドに反応させアミノ基をアミドに変性した。それを、N,N-ジメチルホルムアミドで1g/mLになるように溶解し、塗布液を得た。塗布液を、マイクロジェットを用いて1滴当たり300pLの量にて300滴を80℃のホットプレート上に配したMSS表面上に塗布することにより感応膜付きの表面応力センサーを得た。スループットについての評価を行った。インク濃度15mg/mLのとき、サンプルの沈殿が生じたためCとした。
<Comparative Example 2>
Silica-titania particles (granular) were synthesized according to the method described in WO 2016/121155. They were synthesized by co-hydrolysis and condensation polymerization of aminopropyltrimethoxysilane and titanium tetraisopropoxide (TTIP) in an aqueous solution of ammonia-based isopropanol (IPA) containing octadecylamine (ODA). The synthesis reaction was carried out using a Teflon microreactor with a Y-shaped micrometer-sized channel. Four precursor solutions were prepared: Solution 1: aminopropyltrimethoxysilane/IPA, Solution 2: H 2 O/IPA/ammonia, Solution 3: TTIP/IPA, and Solution 4: H 2 O/IPA. Solutions 1 through 4 were prepared with the same volume. The precursor solutions were simultaneously pumped at a constant rate using a syringe pump. Solutions 1 and 2, and solutions 3 and 4 were mixed in parallel microreactors, and the solutions discharged from both reactors were further mixed in another microreactor to form a single reaction solution. The reaction solution was discharged into a separately prepared precursor solution 5 (ODA/H2O/IPA) and stirred at a constant speed until the end of the discharge. The mixture was then left to stand at room temperature to obtain a nanoparticle ( NH2 -STNP) dispersion. Since the nanoparticles were confirmed to have a structure represented by RSiO3 /2 , they were treated as an organic-inorganic hybrid. After air-cooling the reaction solution, the precipitate was isolated by centrifugation at 6000 rpm for 10 minutes. The precipitate was then dissolved in DMAc and reacted with benzoyl chloride in the presence of triethylamine to modify the amino groups to amides. This was then dissolved in N,N-dimethylformamide to a concentration of 1 g/mL to obtain a coating solution. A surface stress sensor with a sensitive film was obtained by applying 300 droplets of the coating solution at a volume of 300 pL per droplet using a microjet onto the surface of an MSS placed on a hot plate at 80°C. Throughput was evaluated. When the ink concentration was 15 mg/mL, precipitation of the sample occurred, so the result was rated C.
<比較例3>
2000mLセパラブルフラスコに水180g、28%アンモニア水20g、2-プロパノール215gに、フェニルトリメトキシシシラン54.2gを2-プロパノール120gに溶解した溶液を加え80℃で3時間反応させた。反応液を空冷後、沈殿物をろ取単離した。エタノールでサンプルを十分に洗浄し80℃真空下で乾燥させたのち、DMFで10g/mLになるように溶解した。2-プロパノール分散液IPA-ST-ZL(日産化学製品)をDMFで10mg/mLになるように調整した溶液と、先述の溶液を6:4の割合で混合し塗布液を得た。塗布液を、インクジェット装置を用いて1滴当たり300pLの量にて20滴を、40℃のホットプレート上に配したMSS表面上に塗布することにより感応膜付きの表面応力センサーを得た。スループットについての評価を行った。インク濃度15mg/mLのとき、ノズルが途中で詰まりスプリット等が生じたためBとした。その外観を図1に示す。
<Comparative Example 3>
A solution of 54.2 g of phenyltrimethoxysilane in 120 g of 2-propanol was added to 180 g of water, 20 g of 28% aqueous ammonia, and 215 g of 2-propanol in a 2000 mL separable flask and reacted at 80°C for 3 hours. After air-cooling the reaction solution, the precipitate was isolated by filtration. The sample was thoroughly washed with ethanol, dried under vacuum at 80°C, and then dissolved in DMF to a concentration of 10 g/mL. A 2-propanol dispersion IPA-ST-ZL (a Nissan Chemical product) was adjusted to 10 mg/mL in DMF and mixed with the above solution in a 6:4 ratio to obtain a coating solution. Twenty drops of the coating solution, each 300 pL, were applied to the surface of an MSS placed on a hot plate at 40°C using an inkjet device to obtain a surface stress sensor with a sensitive film. Throughput was evaluated. At an ink concentration of 15 mg/mL, the nozzle clogged midway, resulting in splitting and other issues, resulting in a grade of B. Its appearance is shown in Figure 1.
上記各実施例及び比較例について上記測定(1)~(3)を行った結果を次の表1に示す。 The results of measurements (1) to (3) above for each of the above examples and comparative examples are shown in Table 1 below.
本発明のセンサーは、呼気検査やホテル、自動車、工場での匂い管理などに嗅覚センサーとして利用可能である。
The sensor of the present invention can be used as an olfactory sensor for breath testing and odor management in hotels, automobiles, factories, and the like.
Claims (6)
前記感応膜が、赤外全反射吸収測定において1600~1800cm-1の領域及び1350~1450cm-1の領域に吸収ピークを有し、
前記1350~1450cm -1 の領域における吸収ピークが、ケイ素原子と芳香族炭素原子との原子間結合に由来する吸収ピークを含み、
前記1600~1800cm -1 の領域における吸収ピークが、カルボニル基に由来する吸収ピークを含み、
前記1350~1450cm-1の領域における吸収ピークの極大(B)に対する、前記1600~1800cm-1の領域における吸収ピークの極大(A)のピーク強度比(A/B)が、0.1~4.0である、
センサー。 A sensor having a sensitive membrane,
the sensitive film has absorption peaks in the range of 1600 to 1800 cm −1 and the range of 1350 to 1450 cm −1 in infrared total reflection absorption measurement,
the absorption peak in the 1350 to 1450 cm region includes an absorption peak derived from an interatomic bond between a silicon atom and an aromatic carbon atom;
the absorption peak in the region of 1600 to 1800 cm includes an absorption peak derived from a carbonyl group,
the peak intensity ratio (A/B) of the absorption peak maximum (A) in the 1600 to 1800 cm region to the absorption peak maximum (B) in the 1350 to 1450 cm region is 0.1 to 4.0;
sensor.
請求項1に記載のセンサー。 The absorption peak in the region of 1600 to 1800 cm includes an absorption peak of a carbonyl group that forms an amide bond.
The sensor of claim 1 .
請求項1又は2に記載のセンサー。 The sensitive film has a structure containing a unit represented by the formula RSiO 3/2 (wherein R represents an organic functional group).
The sensor according to claim 1 or 2 .
請求項3に記載のセンサー。 the organic functional group contains at least one amide bond;
The sensor of claim 3 .
請求項3又は4に記載のセンサー。 The organic functional group contains at least one type of aromatic ring.
5. The sensor according to claim 3 or 4 .
請求項1から5のいずれか一項に記載のセンサー。 It is a surface stress sensor.
A sensor according to any one of claims 1 to 5 .
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