JP2010038840A - Chemical substance sensing element, chemical msubstance sensing apparatus, manufacturing method of surface decoration carbon nano structure, and manufacturing method of chemical substance sensing element - Google Patents

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Tsunehisa Kawada
倫久 川田
Mieko Otonashi
美恵子 音無
Mikihiro Yamanaka
幹宏 山中
Keita Hara
圭太 原
Atsushi Kudo
淳 工藤
Hideki Masuda
秀樹 増田
Tomohiro Ozawa
智宏 小澤
Takamasa Yano
卓真 矢野
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a chemical substance sensing element for selectively and sensitively detecting a specific substance in an atmosphere, reducing a size and a measurement time, and maintaining a performance for a long time, a chemical substance sensing apparatus, a manufacturing method of a surface decoration carbon nano structure included in the chemical substance sensing element, and a manufacturing method of chemical substance sensing element. <P>SOLUTION: The chemical substance sensing element includes the carbon nano structure 74 having a complex ion 72 for selectively reacting on a nitric monoxide (NO) 76 as the specific substance in the atmosphere, and a cationic functional group 73 having an ion bond to the complex ion 72. The carbon nano structure 74 has a surface decoration by the complex ion 72 through the ion bond. <P>COPYRIGHT: (C)2010,JPO&INPIT

Description

本発明は、雰囲気中の特定物質を検出するための化学物質センシング素子に関し、特には、化学物質センシング素子の測定対象ガスに対する感度及び選択性を改善し、迅速かつ簡便な検出を可能にする技術に関する。   The present invention relates to a chemical substance sensing element for detecting a specific substance in an atmosphere, and in particular, a technology that improves the sensitivity and selectivity of a chemical substance sensing element with respect to a measurement target gas and enables rapid and simple detection. About.

わが国は高齢化及び少子化が進んでおり、近い将来に国民の3人に1人が65歳以上になるという超高齢化社会の到来が予測されている。このような状況下において急務とされているのが、国民医療費の抑制である。このため、予防医療の充実が注目されている。予防医療が充実することで病気になる人が減少すれば、医療費を軽減させることができるからである。   Japan is aging and declining birthrate, and in the near future it is predicted that one in three people will be 65 years of age or older. Under such circumstances, the urgent need is to curb national medical expenses. For this reason, the enhancement of preventive medicine has attracted attention. This is because medical expenses can be reduced if the number of people who get sick is reduced by the improvement of preventive medicine.

予防医療を充実させるためには、身近な機器で測定した健康情報を活用して健康管理を行なうことができるシステムが必要である。手軽に個人の健康状態を把握するための指標として、血液、尿、汗、唾液及び呼気等の生体試料がある。このような生体試料中には、血液における血糖値のように、疾病又はその兆候に起因して数値が変化する物質(以下、「マーカ」と記す。)が複数含まれている。したがって、マーカの変化量を測定することによって個人の健康状態を把握できる可能性が高く、マーカの測定を常時行なうことで、健康管理及び疾病の早期発見が可能になる。上述の生体試料の中でも、呼気は、複数種のマーカを含む点、迅速かつ簡便にサンプリング及び測定ができる点、及び、測定対象がガス状であり非侵襲で測定できるため肉体的なダメージが小さい点等から、測定に最適な生体試料であると言える。   In order to enhance preventive medicine, a system that can manage health by using health information measured by familiar devices is necessary. There are biological samples such as blood, urine, sweat, saliva and exhaled breath as an index for easily grasping an individual's health condition. Such a biological sample contains a plurality of substances (hereinafter referred to as “markers”) whose numerical values change due to disease or signs thereof, such as blood glucose level in blood. Therefore, there is a high possibility that an individual's health status can be grasped by measuring the amount of change in the marker, and health management and early detection of a disease can be performed by constantly measuring the marker. Among the above-mentioned biological samples, exhaled breath has little physical damage because it includes a plurality of types of markers, can be sampled and measured quickly and easily, and the measurement target is gaseous and can be measured non-invasively. From the point, it can be said that it is the most suitable biological sample for measurement.

非特許文献1には疾病と呼気中のマーカとの関係が示されている。テーブル1にこの一部を引用する。   Non-Patent Document 1 shows the relationship between a disease and a marker during expiration. A part of this is quoted in Table 1.

Figure 2010038840
Figure 2010038840

呼気中のマーカの測定方法として、ガスクロマトグラフィー及び化学発光法が知られているが、これらの測定方法においては測定機器が大型かつ高額であり、また操作方法の習熟も必要であるため実用的ではない。また、酸化物半導体ガスセンサによる測定も知られているが、検出限界が10ppmレベルと感度が低く、ppbからppmオーダーの濃度である呼気中のマーカの測定には適していない。更に、ガスセンサとして作動するためには300℃に加熱する必要があるため実用的ではない。 Gas chromatography and chemiluminescence methods are known as methods for measuring markers in exhaled breath, but these measuring methods are practical because they require large and expensive measuring instruments and require familiarity with operation methods. is not. Although measurement using an oxide semiconductor gas sensor is also known, the detection limit is as low as 10 3 ppm level and the sensitivity is low, and it is not suitable for measuring a marker in exhaled breath having a concentration on the order of ppm from ppb. Furthermore, since it is necessary to heat to 300 ° C. in order to operate as a gas sensor, it is not practical.

このような問題を解決するための一方法として、非特許文献2には、カーボンナノチューブ(以下、「CNT(Carbon Nano Tube)」と記す場合がある。)を利用したガスセンサが提案されている。CNTは直径がナノオーダーのチューブ状炭素材料であり、グラフェンシートを円筒状に丸めた構造によりなる。このグラフェンシートとは、6つの炭素原子が正六角形の板状構造を形成して結合したグラファイト構造が二次元に連続して形成されたものである。CNTは高い導電性を有し、かつナノオーダーの材料であるため、非特許文献2に開示されるガスセンサは、超小型化、低消費電力及び可搬性を実現可能であり、簡便で実用的な健康チェック機器として最適である。しかしながら、測定対象ガスに対する選択性が低いために、どのようなガス分子が接近しても同じように抵抗変化を起こしてしまい、雰囲気中に存在する物質の定性分析ができないという問題がある。   As a method for solving such a problem, Non-Patent Document 2 proposes a gas sensor using carbon nanotubes (hereinafter sometimes referred to as “CNT (Carbon Nano Tube)”). CNT is a tubular carbon material having a diameter of nano order, and has a structure in which a graphene sheet is rolled into a cylindrical shape. This graphene sheet is obtained by continuously forming a two-dimensional graphite structure in which six carbon atoms form a regular hexagonal plate structure and are bonded. Since CNT has high conductivity and is a nano-order material, the gas sensor disclosed in Non-Patent Document 2 can realize ultra-small size, low power consumption and portability, and is simple and practical. Ideal as a health check device. However, since the selectivity with respect to the gas to be measured is low, the resistance change occurs in the same way regardless of which gas molecules approach, and there is a problem that a qualitative analysis of a substance present in the atmosphere cannot be performed.

呼気中のマーカの1つである一酸化窒素(NO)は、テーブル1に示すように、喘息患者の呼気中において高濃度で検出される。また、生体内の神経伝達物質の一つであり、免疫反応及び血圧調整等においても重要な役割を果たすことが知られている。そのため、呼気中の一酸化窒素(NO)の濃度を検出することで疾病の予測及び程度等を知ることが可能であり、高性能な一酸化窒素センサ(以下「NOセンサ」と記す。)の実現が望まれている。   As shown in Table 1, nitric oxide (NO), which is one of the markers during expiration, is detected at a high concentration in the expiration of asthma patients. In addition, it is one of in vivo neurotransmitters and is known to play an important role in immune responses and blood pressure regulation. Therefore, by detecting the concentration of nitric oxide (NO) in exhaled breath, it is possible to know the prediction and extent of the disease, and the high-performance nitric oxide sensor (hereinafter referred to as “NO sensor”). Realization is desired.

非特許文献3には、CNTを利用したNOセンサが提案されている。非特許文献3に開示されるNOセンサは、CNT表面を特定の物質と反応する物質で修飾することにより、測定対象ガスに対する選択性を向上させている。すなわち、二酸化窒素(NO)と反応するポリエチレンイミンにより表面を修飾されたCNTを利用し、更に一酸化窒素から二酸化窒素へと変換する触媒を設けることによって、呼気内の特定のマーカである一酸化窒素(NO)を検出している。 Non-Patent Document 3 proposes a NO sensor using CNTs. The NO sensor disclosed in Non-Patent Document 3 improves the selectivity for the gas to be measured by modifying the CNT surface with a substance that reacts with a specific substance. That is, by using a CNT whose surface is modified with polyethyleneimine that reacts with nitrogen dioxide (NO 2 ), and further providing a catalyst for converting nitrogen monoxide to nitrogen dioxide, it is a specific marker in the exhaled breath. Nitric oxide (NO) is detected.

ウェンチン・ツァオら、「呼気分析:臨床診断及び曝露評価の可能性」、クリニカル・ケミストリ、第52巻:5、p.800−p.811、2006年(Wenqing Cao et al.、“Breath Analysis:Potential for Clinical Diagnosis and Exposure Assessment”、Clinical Chemistry、vol.52:5、p.800−p.811、2006)Wenting Tsao et al., “Breath Analysis: Potential for Clinical Diagnosis and Exposure Assessment”, Clinical Chemistry, 52: 5, p. 800-p. 811, 2006 (Wenqing Cao et al., “Breath Analysis: Potential for Clinical Diagnosis and Exposure Assessment”, Clinical Chemistry, vol. 52: 5, p. 齋藤理一郎、「カーボンナノチューブの概要と課題」、機能材料、vol.21、No.5、p.6−p.14、2001年5月号Riichiro Saito, “Outline and Issues of Carbon Nanotubes”, Functional Materials, vol. 21, no. 5, p. 6-p. 14, May 2001 issue アレクサンダー スターら、「呼気成分のためのカーボンナノチューブセンサ」、ナノテクノロジー、第18巻、p.375502(7pp)、2007年(Alexander Star et al.、“Carbon nanotube sensors for exhaled breath components”、Nanotechnology、vol.18、p.375502(7pp)、2007)Alexander Star et al., “Carbon Nanotube Sensor for Breathing Components”, Nanotechnology, Vol. 18, p. 375502 (7 pp), 2007 (Alexander Star et al., “Carbon nanotube sensors for exhaled breath components”, Nanotechnology, vol. 18, p. 375502 (7 pp), 2007).

一般的に、健康な人の呼気中における一酸化窒素濃度は10ppb程度であり、喘息患者の呼気中における一酸化窒素濃度は50ppb程度であるため、呼気中の一酸化窒素(NO)を検出するためのNOセンサは、検出下限がppbレベルと高感度のものが要求される。非特許文献3に開示されるNOセンサでは、このような呼気中の一酸化窒素(NO)を検出できるレベルの高感度化は達成されていない。   In general, the nitric oxide concentration in the breath of a healthy person is about 10 ppb, and the nitric oxide concentration in the breath of an asthmatic patient is about 50 ppb. Therefore, nitric oxide (NO) in the breath is detected. Therefore, a NO sensor for which the detection lower limit is as high as the ppb level is required. In the NO sensor disclosed in Non-Patent Document 3, such a high sensitivity level that can detect nitric oxide (NO) in exhaled air has not been achieved.

また、非特許文献3に開示されるNOセンサは、使用される触媒が湿度15%〜30%程度の環境下でなければ正常に作動しないため、測定対象ガスの湿度を調整しなければならない。また、正確な一酸化窒素量を検出するためには、測定対象ガスに含まれている二酸化窒素(NO)を予め除去しなければならない。したがって、非特許文献3に開示されるNOセンサによって呼気中の一酸化窒素(NO)を測定する場合には、触媒だけなく、呼気内に4%程度含まれている二酸化窒素(NO)の除去及び湿度の調整等の前処理に必要な構成を設けなければならず、装置が大型化してしまうという問題がある。また、測定に多段階の工程を必要とするため測定時間が長くなってしまうという問題がある。 In addition, the NO sensor disclosed in Non-Patent Document 3 does not operate normally unless the catalyst used is in an environment with a humidity of about 15% to 30%, so the humidity of the measurement target gas must be adjusted. Further, in order to detect an accurate amount of nitric oxide, nitrogen dioxide (NO 2 ) contained in the measurement target gas must be removed in advance. Therefore, when measuring nitric oxide (NO) in exhaled air by the NO sensor disclosed in Non-Patent Document 3, not only the catalyst but also nitrogen dioxide (NO 2 ) contained in about 4% in the exhaled air. A configuration necessary for pretreatment such as removal and humidity adjustment has to be provided, and there is a problem that the apparatus becomes large. In addition, there is a problem that the measurement time becomes long because a multi-step process is required for the measurement.

非特許文献3に開示されるようなポリエチレンイミン等の高分子化合物により表面修飾されたCNTを利用するNOセンサ以外に、一酸化窒素(NO)と反応する金属錯体により表面修飾されたCNTを利用するNOセンサが考えられる。これらの金属錯体を従来技術と同様の方法でCNT表面に物理的に修飾すると、金属錯体のCNTに対する付着力が不充分であるため、金属錯体がCNTから脱離し易く、NOセンサの性能を長期間に渡って維持することが困難であるという問題がある。   In addition to the NO sensor using CNT surface-modified with a polymer compound such as polyethyleneimine as disclosed in Non-Patent Document 3, CNT surface-modified with a metal complex that reacts with nitric oxide (NO) is used. An NO sensor is conceivable. When these metal complexes are physically modified on the CNT surface in the same manner as in the prior art, the adhesion of the metal complex to the CNT is insufficient, so that the metal complex is easily detached from the CNT and the performance of the NO sensor is prolonged. There is a problem that it is difficult to maintain over a period of time.

本発明は、上述の問題に鑑みてなされたものであり、その目的は、雰囲気中の特定物質を高選択的かつ高感度に検出できるとともに、装置の小型化及び測定時間の短縮化を達成でき、更に、長期に渡って性能を維持できる化学物質センシング素子、化学物質センシング装置、及び、化学物質センシング素子に含まれる表面修飾カーボンナノ構造体の製造方法、並びに、化学物質センシング素子の製造方法を提供することである。   The present invention has been made in view of the above-described problems, and its object is to detect a specific substance in the atmosphere with high selectivity and high sensitivity, and to achieve downsizing of the apparatus and shortening of measurement time. Furthermore, there are provided a chemical substance sensing element, a chemical substance sensing device, a method for producing a surface-modified carbon nanostructure included in the chemical substance sensing element, and a method for producing the chemical substance sensing element capable of maintaining performance over a long period of time. Is to provide.

本発明の第1の局面に係る化学物質センシング素子は、雰囲気中の特定物質と選択的に反応する錯イオンとイオン結合するカチオン性官能基を有するカーボンナノ構造体を含み、カーボンナノ構造体は、錯イオンによりイオン結合を介して表面修飾されている。   The chemical substance sensing element according to the first aspect of the present invention includes a carbon nanostructure having a cationic functional group that ionically bonds with a complex ion that selectively reacts with a specific substance in an atmosphere. The surface is modified by complex ions through ionic bonds.

これにより、雰囲気中の特定物質を高選択的かつ高感度に検出できる。また、雰囲気中の特定物質を他の物質へ変換することなく直接検出できるので、変換に要する構成及び工程、並びに、変換に伴う前処理に要する構成及び工程を省くことができる。したがって、化学物質センシング素子の小型化及び測定時間の短縮化を達成できる。また、錯イオンとカチオン性官能基とによるイオン結合を介した表面修飾により、錯イオンは、カーボンナノ構造体表面に強固に固定されるので、長期間に渡って化学物質センシング素子の高選択性及び高感度を維持することができる。   Thereby, the specific substance in the atmosphere can be detected with high selectivity and high sensitivity. In addition, since the specific substance in the atmosphere can be directly detected without being converted to another substance, the configuration and process required for the conversion and the configuration and process required for the pretreatment accompanying the conversion can be omitted. Therefore, the chemical substance sensing element can be downsized and the measurement time can be shortened. In addition, the complex ion is firmly fixed to the surface of the carbon nanostructure due to surface modification via ionic bond between the complex ion and the cationic functional group, so the chemical substance sensing element has high selectivity over a long period of time. And high sensitivity can be maintained.

好ましくは、錯イオンは、下記一般式(1)で表される。これにより、一酸化窒素を高選択的かつ高感度に検出できる。また、一酸化窒素を二酸化窒素へ変換することなく直接検出できるので、変換に要する構成及び工程、並びに、変換に伴う前処理に要する構成及び工程を省くことができる。したがって、化学物質センシング素子の小型化及び測定時間の短縮化を達成できる。   Preferably, the complex ion is represented by the following general formula (1). Thereby, nitric oxide can be detected with high selectivity and high sensitivity. Moreover, since it can detect directly, without converting nitric oxide into nitrogen dioxide, the structure and process which are required for conversion, and the structure and process which are required for the pre-processing accompanying conversion can be omitted. Therefore, the chemical substance sensing element can be downsized and the measurement time can be shortened.

Figure 2010038840
(式中、Mは鉄原子及びコバルト原子からなるグループから選択される金属原子であり、nは2〜3の整数であり、mは0〜1の整数である。)
Figure 2010038840
(In the formula, M is a metal atom selected from the group consisting of iron atom and cobalt atom, n is an integer of 2 to 3, and m is an integer of 0 to 1.)

より好ましくは、カーボンナノ構造体は、カーボンナノチューブ、カーボンナノファイバー、カーボンナノホーン及びフラーレンからなるグループから選択される炭素系導電性材料からなる。このようなグループから選択されるカーボンナノ構造体は、その形状がナノオーダーの微細構造であることから、応答性及び検出下限が大幅に向上する。したがって、従来のセンシング素子では困難であったppbオーダー程度の微量の特定物質の検出が可能になる。   More preferably, the carbon nanostructure is made of a carbon-based conductive material selected from the group consisting of carbon nanotubes, carbon nanofibers, carbon nanohorns, and fullerenes. Since the carbon nanostructure selected from such a group has a nano-order fine structure, the responsiveness and the detection lower limit are greatly improved. Therefore, it is possible to detect a very small amount of a specific substance on the order of ppb, which is difficult with a conventional sensing element.

更に好ましくは、カチオン性官能基は、アンモニウム基である。アンモニウム基は、カーボンナノ構造体に対する導入が容易であるので、化学物質センシング素子の利便性をより一層向上させることができる。   More preferably, the cationic functional group is an ammonium group. Since the ammonium group can be easily introduced into the carbon nanostructure, the convenience of the chemical substance sensing element can be further improved.

本発明の第2の局面に係る化学物質センシング装置は、上述の化学物質センシング素子と、化学物質センシング素子に電気的に接続され、化学物質センシング素子の電気抵抗の変化を検出するための検出手段とを含む。このように、化学物質センシング装置は上述の化学物質センシング素子を含むので、雰囲気中の特定物質を高選択的かつ高感度に検出でき、更に装置の小型化及び測定時間の短縮化を達成できる。   A chemical substance sensing device according to a second aspect of the present invention includes the above-described chemical substance sensing element and a detection unit that is electrically connected to the chemical substance sensing element and detects a change in electrical resistance of the chemical substance sensing element. Including. As described above, since the chemical substance sensing device includes the above-described chemical substance sensing element, a specific substance in the atmosphere can be detected with high selectivity and high sensitivity, and further downsizing of the apparatus and reduction of measurement time can be achieved.

本発明の第3の局面に係る表面修飾カーボンナノ構造体の製造方法は、第1のステップにおいて、表面にカチオン性官能基が導入されたカーボンナノ構造体であるカチオン性官能基導入カーボンナノ構造体を作製し、第2のステップにおいて、雰囲気中の特定物質と選択的に反応する錯イオンを含む金属錯体と、第1の溶剤とを含む表面修飾用溶液を調製し、第3のステップにおいて、調製した表面修飾用溶液に対して、カチオン性官能基導入カーボンナノ構造体を投入した後、超音波を照射することで、上述の錯イオンにより表面修飾されたカーボンナノ構造体である表面修飾カーボンナノ構造体を製造する。このように、超音波を用いることでカチオン性官能基導入カーボンナノ構造体を表面修飾用溶液に均一に分散させることができるので、カーボンナノ構造体表面を錯イオンによって均一に修飾できる。したがって、雰囲気中の特定物質をより一層高選択的かつ高感度に検出することができる表面修飾カーボンナノ構造体を製造することができる。また、錯イオンはイオン結合を介してカーボンナノ構造体を表面修飾するので、錯イオンをカーボンナノ構造体表面に強固に固定しておくことができる。したがって、長期間に渡って高選択性及び高感度を維持可能な表面修飾カーボンナノ構造体を製造することができる。   The method for producing a surface-modified carbon nanostructure according to the third aspect of the present invention is a cationic functional group-introduced carbon nanostructure that is a carbon nanostructure having a cationic functional group introduced on the surface in the first step. In the second step, a surface modification solution containing a metal complex containing a complex ion that selectively reacts with a specific substance in the atmosphere and a first solvent is prepared in the second step. After the cationic functional group-introduced carbon nanostructure is introduced into the prepared surface modification solution, the surface modification is a carbon nanostructure that is surface-modified with the complex ions described above by irradiating with ultrasonic waves. Carbon nanostructures are manufactured. Thus, since the cationic functional group-introduced carbon nanostructure can be uniformly dispersed in the surface modification solution by using ultrasonic waves, the surface of the carbon nanostructure can be uniformly modified with complex ions. Therefore, a surface-modified carbon nanostructure capable of detecting a specific substance in the atmosphere with higher selectivity and sensitivity can be produced. Further, since the complex ions modify the surface of the carbon nanostructure through ionic bonds, the complex ions can be firmly fixed on the surface of the carbon nanostructure. Therefore, a surface-modified carbon nanostructure capable of maintaining high selectivity and high sensitivity over a long period can be produced.

好ましくは、第1のステップは、カチオン性官能基を有する芳香族性分子と第2の溶剤とを含むカチオン性官能基導入用溶液を調製するステップと、カチオン性官能基導入用溶液に対してカーボンナノ構造体を投入した後、超音波を照射するステップとを含む。このように、超音波を用いることでカーボンナノ構造体をカチオン性官能基導入用溶液に均一に分散させることができるので、カーボンナノ構造体表面にカチオン性官能基を均一に導入することができる。また、カチオン性官能基は、π−πスタッキング相互作用による静電気的な化学吸着によってカーボンナノ構造体表面に導入されるので、カチオン性官能基をカーボンナノ構造体表面に強固に固定しておくことができる。   Preferably, the first step includes a step of preparing a cationic functional group introduction solution containing an aromatic molecule having a cationic functional group and a second solvent, and the cationic functional group introduction solution. Irradiating with ultrasonic waves after introducing the carbon nanostructure. As described above, since the carbon nanostructure can be uniformly dispersed in the cationic functional group introduction solution by using ultrasonic waves, the cationic functional group can be uniformly introduced on the surface of the carbon nanostructure. . In addition, since the cationic functional group is introduced to the surface of the carbon nanostructure by electrostatic chemisorption by π-π stacking interaction, the cationic functional group should be firmly fixed on the surface of the carbon nanostructure. Can do.

好ましくは、第1のステップは、カチオン性官能基を共有結合によってカーボンナノ構造体に導入することで、カチオン性官能基導入カーボンナノ構造体を作製する。このように、カチオン性官能基は共有結合によってカーボンナノ構造体表面に導入されるので、カチオン性官能基をカーボンナノ構造体表面に強固に固定しておくことができる。   Preferably, in the first step, a cationic functional group-introduced carbon nanostructure is produced by introducing a cationic functional group into the carbon nanostructure by a covalent bond. Thus, since the cationic functional group is introduced to the surface of the carbon nanostructure by a covalent bond, the cationic functional group can be firmly fixed to the surface of the carbon nanostructure.

本発明の第4の局面に係る化学物質センシング素子の製造方法は、上述の表面修飾カーボンナノ構造体の製造方法によって製造された表面修飾カーボンナノ構造体を含むシート状の基体を作製するステップを含む。これにより、表面修飾カーボンナノ構造体を、雰囲気中の特定物質に対して均一な状態で反応させることができるので、特定物質をより一層高選択的かつ高感度に検出することができる化学物質センシング素子を製造することができる。   The method for producing a chemical substance sensing element according to the fourth aspect of the present invention includes a step of producing a sheet-like substrate including the surface-modified carbon nanostructure produced by the method for producing a surface-modified carbon nanostructure. Including. As a result, the surface-modified carbon nanostructure can react with a specific substance in the atmosphere in a uniform state, so that the chemical substance sensing can detect the specific substance with higher selectivity and sensitivity. An element can be manufactured.

本発明によれば、化学物質センシング素子は、雰囲気中の特定物質と選択的に反応する錯イオンとイオン結合するカチオン性官能基を有するカーボンナノ構造体を含み、カーボンナノ構造体は、錯イオンによりイオン結合を介して表面修飾されている。したがって、雰囲気中の特定物質を高選択的かつ高感度に検出できる。また、雰囲気中の特定物質を他の物質へ変換することなく直接検出できるので、変換に要する構成及び工程、並びに、変換に伴う前処理に要する構成及び工程を省くことができる。したがって、化学物質センシング素子の小型化及び測定時間の短縮化を達成できる。また、錯イオンとカチオン性官能基とによるイオン結合を介した表面修飾により、錯イオンは、カーボンナノ構造体表面に強固に固定されるので、長期間に渡って化学物質センシング素子の高選択性及び高感度を維持することができる。   According to the present invention, the chemical substance sensing element includes a carbon nanostructure having a cationic functional group that ionically bonds with a complex ion that selectively reacts with a specific substance in an atmosphere, and the carbon nanostructure includes a complex ion. Is surface modified via ionic bonds. Therefore, the specific substance in the atmosphere can be detected with high selectivity and high sensitivity. In addition, since the specific substance in the atmosphere can be directly detected without being converted to another substance, the configuration and process required for the conversion and the configuration and process required for the pretreatment accompanying the conversion can be omitted. Therefore, the chemical substance sensing element can be downsized and the measurement time can be shortened. In addition, the complex ion is firmly fixed to the surface of the carbon nanostructure due to surface modification via ionic bond between the complex ion and the cationic functional group, so the chemical substance sensing element has high selectivity over a long period of time. And high sensitivity can be maintained.

以下の説明及び図面においては、同一の部品には同一の参照符号及び名称を付してある。それらの機能も同様である。したがって、それらについての詳細な説明をその都度繰返すことはしない。   In the following description and drawings, the same reference numerals and names are assigned to the same components. Their functions are also the same. Therefore, detailed description thereof will not be repeated each time.

−構成−
図1は、本発明の一実施の形態に係る化学物質センシング素子32を含む化学物質センシング装置20の構成図である。図1を参照して、化学物質センシング装置20は、直流電源30と、直流電源30のプラス端子に一端が接続された、本実施の形態に係る化学物質センシング素子32と、化学物質センシング素子32の他端と直流電源30のマイナス端子との間に接続された負荷抵抗34と、化学物質センシング素子32と負荷抵抗34との間の接点に入力が接続され、この接点の電位変化を増幅するための増幅器36とを含む。雰囲気中の化学物質の検出時には、この電位変化を測定するために、増幅器36の他方の端子に直流電圧計(図示せず。)が接続される。
−Configuration−
FIG. 1 is a configuration diagram of a chemical substance sensing device 20 including a chemical substance sensing element 32 according to an embodiment of the present invention. Referring to FIG. 1, chemical substance sensing device 20 includes DC power supply 30, chemical substance sensing element 32 according to the present embodiment, one end of which is connected to the positive terminal of DC power supply 30, and chemical substance sensing element 32. An input is connected to a load resistor 34 connected between the other end of the DC power source 30 and the negative terminal of the DC power supply 30 and a contact point between the chemical substance sensing element 32 and the load resistor 34 to amplify a potential change at the contact point. And an amplifier 36. When detecting a chemical substance in the atmosphere, a DC voltmeter (not shown) is connected to the other terminal of the amplifier 36 in order to measure this potential change.

図2は、化学物質センシング素子32の構成を示す図であり、図2(A)は側面図であり、図2(B)は上面図である。図2を参照して、化学物質センシング素子32は、基板48と、基板48の表面に形成され、雰囲気中の特定物質と選択的に反応する錯イオンによりイオン結合を介して表面修飾されたカーボンナノ構造体の集合体からなる化学物質センシング部42と、化学物質センシング部42の両端に配置される電極44及び電極46とを含む。   FIG. 2 is a diagram showing a configuration of the chemical substance sensing element 32, FIG. 2A is a side view, and FIG. 2B is a top view. Referring to FIG. 2, a chemical substance sensing element 32 is a carbon that is formed on a surface of a substrate 48 and the surface of the substrate 48 and is modified by ionic bonds with complex ions that selectively react with a specific substance in the atmosphere. It includes a chemical substance sensing unit 42 composed of an assembly of nanostructures, and electrodes 44 and 46 arranged at both ends of the chemical substance sensing unit 42.

以下、化学物質センシング素子32を構成する化学物質センシング部42、電極44及び電極46、並びに、基板48について詳細に説明する。   Hereinafter, the chemical substance sensing unit 42, the electrode 44 and the electrode 46, and the substrate 48 constituting the chemical substance sensing element 32 will be described in detail.

[化学物質センシング部42]
化学物質センシング部42は、雰囲気中の特定物質と選択的に反応する錯イオンによりイオン結合を介して表面修飾されたカーボンナノ構造体(以下「表面修飾カーボンナノ構造体」と記す場合がある。)の集合体からなる。カーボンナノ構造体の表面に化学物質が付着すると、電子移動が起こり起電力が発生する。言い換えれば、カーボンナノ構造体の2点間に電位差又は電気抵抗の変化が生じる。この電気抵抗の変化を検出すれば、化学物質の検出(センシング)が可能となる。また、ある特定物質と選択的に反応する錯イオンによりカーボンナノ構造体の表面を修飾すると、上述の電気抵抗の変化は、表面に修飾された錯イオンの挙動に連動するようになるので、特定物質のみを検出できる化学物質センシング素子32を得ることができる。
[Chemical substance sensing unit 42]
The chemical substance sensing unit 42 may be referred to as a carbon nanostructure whose surface is modified through ionic bonds with complex ions that selectively react with a specific substance in the atmosphere (hereinafter referred to as “surface-modified carbon nanostructure”). ). When a chemical substance adheres to the surface of the carbon nanostructure, electron transfer occurs and an electromotive force is generated. In other words, a potential difference or a change in electrical resistance occurs between two points of the carbon nanostructure. If this change in electrical resistance is detected, chemical substances can be detected (sensing). In addition, if the surface of the carbon nanostructure is modified with a complex ion that selectively reacts with a specific substance, the change in electrical resistance described above will be linked to the behavior of the complex ion modified on the surface. The chemical substance sensing element 32 capable of detecting only the substance can be obtained.

錯イオンとしては、雰囲気中の特定物質と選択的に反応するものであれば特に限定されないが、例えば、上記一般式(1)で表されるもの、及び、中心金属原子として鉄原子(Fe)又はコバルト原子(Co)を含む錯イオン等からなるグループから選択されるものを使用できる。これらの中でも、雰囲気中の特定物質である一酸化窒素分子(NO)に対して高い選択能を有する点から、上記一般式(1)で表される錯イオンを使用することが好ましい。   The complex ion is not particularly limited as long as it selectively reacts with a specific substance in the atmosphere. For example, a complex ion represented by the above general formula (1) and an iron atom (Fe) as a central metal atom Or what is selected from the group which consists of complex ions etc. containing a cobalt atom (Co) can be used. Among these, it is preferable to use the complex ion represented by the above general formula (1) because it has a high selectivity for the nitric oxide molecule (NO) which is a specific substance in the atmosphere.

以下、上記一般式(1)で表される錯イオンについて詳細に説明する。上記一般式(1)を参照して、錯イオンは、中心金属原子(M)及びこの中心金属原子(M)に配位する配位子からなる。中心金属原子(M)は、鉄原子(Fe)及びコバルト原子(Co)からなるグループから選択される金属原子であり、特には3価の金属原子、すなわちFe(III)又はCo(III)であることが好ましい。配位子は、平面四配位型の配位構造を形成する。この配位子において、中心金属原子(M)に配位する四つの原子(以下「配位原子」と記す場合がある。)のうち隣接する二つの原子はアミド性窒素原子(N)であり、それ以外の二つの原子はチオール性硫黄原子(S)である。ここで、アミド性窒素原子(N)とは、カルボニルとアミンとにより構成される二級アミド基(−CONH−)からプロトン(H)を除いた基を構成する窒素原子、すなわち、−CON−で表される基を構成する窒素原子のことを示す。また、チオール性硫黄原子とは、チオール基(−SH)からプロトン(H)を除いた基を構成する硫黄原子、すなわち、−Sで表される基を構成する硫黄原子のことを示す。配位原子は、それぞれが有する非共有電子対を中心金属原子(M)に対して供与する電子対供与体であり、これらの配位原子が平面四配位型の配位構造をとることにより、中心金属原子(M)に対する電子対の供与がより効果的になされている。また、一般式(1)において、nは2〜3の整数であり、mは0〜1の整数である。 Hereinafter, the complex ion represented by the general formula (1) will be described in detail. Referring to the general formula (1), the complex ion is composed of a central metal atom (M) and a ligand coordinated to the central metal atom (M). The central metal atom (M) is a metal atom selected from the group consisting of an iron atom (Fe) and a cobalt atom (Co), particularly a trivalent metal atom, that is, Fe (III) or Co (III). Preferably there is. The ligand forms a planar four-coordinate coordination structure. In this ligand, two adjacent atoms among the four atoms coordinated to the central metal atom (M) (hereinafter sometimes referred to as “coordinating atoms”) are amido nitrogen atoms (N). The other two atoms are thiol sulfur atoms (S). Here, the amido nitrogen atom (N) is a nitrogen atom constituting a group obtained by removing a proton (H) from a secondary amide group (—CONH—) composed of carbonyl and amine, that is, —CON —. The nitrogen atom which comprises group represented by-is shown. In addition, the thiol sulfur atom, a sulfur atom constituting a group formed by removing a proton (H) from a thiol group (-SH), i.e., -S - indicates that the sulfur atom constituting a group represented by. Coordinating atoms are electron-pair donors that donate unshared electron pairs of each to the central metal atom (M), and these coordinating atoms take a planar four-coordinated coordination structure. The electron pair is more effectively donated to the central metal atom (M). Moreover, in General formula (1), n is an integer of 2-3, m is an integer of 0-1.

このような錯イオンは、雰囲気中の一酸化窒素分子(NO)と選択的に反応する性質、すなわち、一酸化窒素分子(NO)に対する反応性に比べて、他の化学種に対する反応性が著しく低い性質を有する。そのため、他の化学種は錯イオンに吸着しにくい。これは、上述の錯イオンが、電子供与性の大きい4つの配位原子を有し、かつ平面四配位型の配位構造を形成しており、中心金属原子(M)に対する電子対の供与が効果的になされているためであると考えられる。また、外因性分子により配位子のカルボニル酸素に対して形成される水素結合も、一酸化窒素分子(NO)に対する選択的な反応性を示すための一因であると考えられる。   Such complex ions have a property of selectively reacting with nitric oxide molecules (NO) in the atmosphere, ie, reactivity with other chemical species is significantly higher than reactivity with nitric oxide molecules (NO). It has low properties. Therefore, other chemical species are difficult to adsorb to complex ions. This is because the above complex ion has four coordination atoms having a large electron donating property and forms a planar four-coordinate coordination structure, and donates an electron pair to the central metal atom (M). This is considered to be due to the fact that this has been done effectively. In addition, the hydrogen bond formed by the exogenous molecule with respect to the carbonyl oxygen of the ligand is considered to be a factor for exhibiting selective reactivity with the nitric oxide molecule (NO).

このような、上記一般式(1)で表される錯イオンにより表面修飾されたカーボンナノ構造体の集合体からなる化学物質センシング部42は、一酸化窒素(NO)を高選択的かつ高感度に検出できる。また、一酸化窒素(NO)を二酸化窒素(NO)へ変換することなく直接検出できるので、変換に要する構成及び工程、並びに、変換に伴う前処理に要する構成及び工程を省くことができる。したがって、化学物質センシング素子32の小型化及び測定時間の短縮化を達成できる。 The chemical substance sensing unit 42 composed of an aggregate of carbon nanostructures surface-modified with the complex ion represented by the general formula (1) is highly selective and sensitive to nitric oxide (NO). Can be detected. Furthermore, since the nitrogen monoxide (NO) can be detected directly without converting to nitrogen dioxide (NO 2), configuration and processes required for conversion, and can eliminate the configuration and processes required before processing involved in conversion. Therefore, the chemical substance sensing element 32 can be downsized and the measurement time can be shortened.

以下、一般式(1)で表される錯イオンの代表的なものについて具体的な構造を記す。   Hereinafter, a specific structure of a representative complex ion represented by the general formula (1) will be described.

例示化合物(1)

Figure 2010038840
Exemplary compound (1)
Figure 2010038840

例示化合物(2)

Figure 2010038840
Exemplary compound (2)
Figure 2010038840

例示化合物(3)

Figure 2010038840
Exemplary compound (3)
Figure 2010038840

例示化合物(4)

Figure 2010038840
Exemplary compound (4)
Figure 2010038840

カーボンナノ構造体は、カーボンナノチューブ(CNT)、カーボンナノファイバー、カーボンナノホーン及びフラーレンからなるグループから選択される炭素系導電性材料からなることが好ましく、更にはCNTからなることが好ましい。このようなカーボンナノ構造体は、従来の方法を用いて生成したものを使用できる。また、不純物除去のために塩酸により処理されたものを使用することもできる。上述のグループから選択されるカーボンナノ構造体は、その形状がナノオーダーの微細構造であるので、カーボンナノ構造体の集合体からなる化学物質センシング部42は、応答性及び検出下限が大幅に向上する。すなわち、化学物質がカーボンナノ構造体表面に付着してからカーボンナノ構造体の電気抵抗変化が発生するまでの時間は、カーボンナノ構造体の導電性及びナノ構造に起因して非常に短くなる。また、カーボンナノ構造体における、表面積が大きいという特徴点、及び、全ての構成原子が表面を構成しているという特徴点に起因して、化学物質による付着の影響が電気抵抗に反映される際の電子散乱等による損失が非常に小さくなる。したがって、上述のグループから選択されるカーボンナノ構造体によれば、従来のセンシング素子では困難であった、ppbオーダー程度の微量の特定物質、例えば、一酸化窒素(NO)の存在確認が可能になる。カーボンナノ構造体がカーボンナノチューブからなる場合には、上述の効果がより顕著に発現する。このように、ppbオーダーの微量の特定物質を検出できるようになることにより、呼気中のマーカの測定が可能な化学物質センシング素子32を得ることができる。したがって、手軽に個人の健康状態を把握することができるようになる。   The carbon nanostructure is preferably made of a carbon-based conductive material selected from the group consisting of carbon nanotubes (CNT), carbon nanofibers, carbon nanohorns, and fullerenes, and more preferably made of CNTs. Such carbon nanostructures can be produced using conventional methods. Moreover, what was processed with hydrochloric acid for impurity removal can also be used. Since the carbon nanostructure selected from the above group has a nano-order fine structure, the chemical substance sensing unit 42 composed of an aggregate of carbon nanostructures has greatly improved responsiveness and detection limit. To do. That is, the time from when the chemical substance adheres to the surface of the carbon nanostructure until the change in electric resistance of the carbon nanostructure occurs is very short due to the conductivity and nanostructure of the carbon nanostructure. In addition, due to the feature point that the surface area of carbon nanostructure is large and the feature point that all the constituent atoms constitute the surface, the influence of adhesion by chemical substances is reflected in the electrical resistance. Loss due to electron scattering is extremely small. Therefore, according to the carbon nanostructure selected from the above group, it is possible to confirm the presence of a small amount of a specific substance of about ppb order, for example, nitric oxide (NO), which is difficult with a conventional sensing element. Become. In the case where the carbon nanostructure is composed of carbon nanotubes, the above-described effects are more remarkably exhibited. In this way, by detecting a small amount of a specific substance in the order of ppb, it is possible to obtain the chemical substance sensing element 32 capable of measuring a marker in exhaled breath. Therefore, it becomes possible to easily grasp an individual's health condition.

また、化学物質センシング部42として、このような導電性を有するカーボンナノ構造体に錯イオンが表面修飾されたものを使用するので、その導電性の変化、すなわち抵抗の変化を測定することで雰囲気中の特定物質の検出が可能になる。したがって、錯イオンを含む電解液の電気化学的挙動の変化を利用する化学物質センシング素子等と比較して、電解質等の構成を設ける必要がないため、より素子の小型化を達成できる。カーボンナノ構造体に対する錯イオンの表面修飾量は、錯イオンの種類等に応じて、雰囲気中の特定物質を高選択的かつ高感度に検出できるように適宜調整されればよい。   Further, as the chemical substance sensing unit 42, a carbon nanostructure having such conductivity and a complex ion surface-modified one is used. Therefore, by measuring the change in conductivity, that is, the change in resistance, the atmosphere is measured. It is possible to detect a specific substance in it. Therefore, it is not necessary to provide a configuration such as an electrolyte as compared with a chemical substance sensing element or the like that uses a change in electrochemical behavior of an electrolytic solution containing complex ions, so that the element can be further downsized. The amount of surface modification of the complex ion with respect to the carbon nanostructure may be appropriately adjusted so that a specific substance in the atmosphere can be detected with high selectivity and high sensitivity according to the type of the complex ion.

カーボンナノ構造体は、表面に錯イオンとイオン結合するカチオン性官能基を有する。カチオン性官能基としては、錯イオンとイオン結合を形成可能なものであれば特に限定されないが、例えば、アンモニウム基、トリメチルアンモニウム基、トリエチルアンモニウム基、ピリジニウム基、イミダゾリウム基、グアニジウム基、ホスホニウム基等を使用できる。これらの中でも、カーボンナノ構造体に対する導入が容易であるため化学物質センシング素子32の利便性をより一層向上させることが可能なアンモニウム基を使用することが好ましい。このように、錯イオンとカチオン性官能基とによるイオン結合を介した表面修飾により、錯イオンは、カーボンナノ構造体表面により一層強固に固定されるので、より一層長期間に渡って化学物質センシング素子32の高選択性及び高感度を維持することができる。   The carbon nanostructure has a cationic functional group that ion-bonds with a complex ion on the surface. The cationic functional group is not particularly limited as long as it can form an ionic bond with a complex ion. For example, an ammonium group, a trimethylammonium group, a triethylammonium group, a pyridinium group, an imidazolium group, a guanidinium group, a phosphonium group. Etc. can be used. Among these, it is preferable to use an ammonium group that can further improve the convenience of the chemical substance sensing element 32 because it can be easily introduced into the carbon nanostructure. In this way, the complex ion is more firmly fixed to the surface of the carbon nanostructure due to the surface modification via the ionic bond between the complex ion and the cationic functional group, so that the chemical substance sensing is performed for a longer period of time. The high selectivity and high sensitivity of the element 32 can be maintained.

カーボンナノ構造体に対するカチオン性官能基の導入量は、カーボンナノ構造体に対する錯イオンの表面修飾量が所望の量となるように適宜調整されればよい。カーボンナノ構造体に対するカチオン性官能基の導入方法、及び、導入量の算出方法については、後述する。   The amount of the cationic functional group introduced into the carbon nanostructure may be appropriately adjusted so that the surface modification amount of the complex ion with respect to the carbon nanostructure becomes a desired amount. A method for introducing a cationic functional group into the carbon nanostructure and a method for calculating the introduction amount will be described later.

−表面修飾カーボンナノ構造体の製造方法−
以下、表面修飾カーボンナノ構造体の製造方法の一例である第1の製造方法と、他の一例である第2の製造方法とについて説明する。
-Manufacturing method of surface modified carbon nanostructure-
Hereinafter, the 1st manufacturing method which is an example of the manufacturing method of a surface modification carbon nanostructure, and the 2nd manufacturing method which is another example are demonstrated.

(第1の製造方法)
図3は、第1の製造方法の手順を示す工程図である。図3を参照して、第1の製造方法は、この順で進行するステップS100〜ステップS103を含む。このステップS100〜ステップS103によって、表面修飾カーボンナノ構造体を製造できる。
(First manufacturing method)
FIG. 3 is a process diagram showing the procedure of the first manufacturing method. Referring to FIG. 3, the first manufacturing method includes steps S100 to S103 that proceed in this order. A surface-modified carbon nanostructure can be manufactured through steps S100 to S103.

ステップS100では、カチオン性官能基を有する芳香族性分子と溶剤とを含むカチオン性官能基導入用溶液を調製し、ステップS101では、カチオン性官能基導入用溶液に対してカーボンナノ構造体を投入した後、超音波を照射する。このステップS100及びステップS101によって、表面にカチオン性官能基が導入されたカーボンナノ構造体(以下「カチオン性官能基導入カーボンナノ構造体」と記す。)を作製できる。   In step S100, a cationic functional group introduction solution containing an aromatic molecule having a cationic functional group and a solvent is prepared. In step S101, a carbon nanostructure is introduced into the cationic functional group introduction solution. After that, an ultrasonic wave is irradiated. By this Step S100 and Step S101, a carbon nanostructure having a cationic functional group introduced on its surface (hereinafter referred to as “cationic functional group-introduced carbon nanostructure”) can be produced.

ステップS100及びステップS101において、カーボンナノ構造体の表面にカチオン性官能基が導入されるのは、以下の理由による。すなわち、カチオン性官能基を有する芳香族性分子の有する芳香環と、カーボンナノ構造体が有する炭素6員環とが、π−πスタッキング相互作用により静電気的に化学吸着するためである。π−πスタッキング相互作用とは、平面構造を有し、かつ、π電子系により非局在化した電子が豊富に存在する芳香環及び炭素6員環等の間に働く分散力により生じる作用であって、芳香環及び炭素6員環等をコインを積み重ねるように配置して安定化させる作用のことを示す。   In step S100 and step S101, the cationic functional group is introduced on the surface of the carbon nanostructure for the following reason. That is, this is because the aromatic ring of the aromatic molecule having a cationic functional group and the carbon 6-membered ring of the carbon nanostructure are electrostatically adsorbed by the π-π stacking interaction. The π-π stacking interaction is an action caused by a dispersion force acting between an aromatic ring having a planar structure and abundantly delocalized electrons by a π electron system and a carbon 6-membered ring. It shows the action of arranging and stabilizing an aromatic ring and a carbon 6-membered ring so as to stack coins.

カチオン性官能基を有する芳香族性分子としては、上述のカチオン性官能基、及び、カーボンナノ構造体が有する炭素6員環とπ−πスタッキングが可能な芳香環等の構造を有する分子であれば特に限定されない。例えば、カチオン性官能基としてアンモニウム基を有する場合には、1−ピレンメチルアミン、1−アミノピレン、ジメチル−ピレン−1−イル−メチルアミン、又は、ジエチル−ピレン−1−イル−アミン等から生成される有機アンモニウムイオンと、塩化物イオン等のハロゲン化物イオン、又は、水酸化物イオン等の対アニオンとからなる有機アンモニウム塩等を使用できる。これらの中でも、塩の状態で比較的容易に入手可能な点から、1−ピレンメチルアミン塩酸塩を使用することが好ましい。   The aromatic molecule having a cationic functional group may be a molecule having a structure such as the above-mentioned cationic functional group and an aromatic ring capable of π-π stacking with the carbon 6-membered ring of the carbon nanostructure. If it does not specifically limit. For example, when it has an ammonium group as a cationic functional group, it is produced from 1-pyrenemethylamine, 1-aminopyrene, dimethyl-pyren-1-yl-methylamine, or diethyl-pyren-1-yl-amine, etc. An organic ammonium salt composed of an organic ammonium ion and a halide ion such as a chloride ion or a counter anion such as a hydroxide ion can be used. Among these, it is preferable to use 1-pyrenemethylamine hydrochloride because it is relatively easily available in a salt state.

カチオン性官能基導入用溶液に使用される溶剤としては、カチオン性官能基を有する芳香族性分子を可溶なものであれば特に限定されるものではなく、例えば、水、メタノール等のアルコール、又は、これらの混合溶剤等を使用できる。これらの中でも、安全性及び溶解性に優れる点から、水を使用することが好ましく、特には、導電率0.067μS/cm以下の純水を使用することが好ましい。カチオン性官能基導入用溶液の濃度及び使用量、並びに、カーボンナノ構造体の投入量は、カーボンナノ構造体に対するカチオン性官能基の導入量が所望の値となるように適宜調整されればよい。なお、カーボンナノ構造体に対する錯イオンの表面修飾量は、カーボンナノ構造体に対するカチオン性官能基の導入量に依存するので、カチオン性官能基の導入量は、錯イオンの所望の表面修飾量に基づいて決定されることが好ましい。   The solvent used in the cationic functional group introduction solution is not particularly limited as long as the aromatic molecule having a cationic functional group is soluble. For example, water, alcohol such as methanol, Or these mixed solvents etc. can be used. Among these, from the viewpoint of excellent safety and solubility, it is preferable to use water, and it is particularly preferable to use pure water having an electric conductivity of 0.067 μS / cm or less. The concentration and amount of the cationic functional group introduction solution, and the input amount of the carbon nanostructure may be appropriately adjusted so that the introduction amount of the cationic functional group to the carbon nanostructure becomes a desired value. . Since the surface modification amount of the complex ion for the carbon nanostructure depends on the introduction amount of the cationic functional group to the carbon nanostructure, the introduction amount of the cationic functional group depends on the desired surface modification amount of the complex ion. It is preferable to be determined based on this.

ステップS101において、超音波の照射は、一般的に用いられる超音波洗浄器(例えば、市販品(商品名:シュアー超音波洗浄器CS−20、株式会社石崎電機製作所製))等の超音波発生装置を用いて行なうことができる。照射する超音波の周波数としては、カチオン性官能基導入用溶液中にカーボンナノ構造体が均一に分散する程度に適宜設定されればよいが、40kHz〜60kHzであることが好ましい。超音波を照射する時間としては、カチオン性官能基の導入が確実になされるように適宜設定されればよいが、例えば、溶剤が全て蒸発しない程度である0.1時間〜1時間であることが好ましい。   In step S101, ultrasonic irradiation is performed by generating ultrasonic waves such as a generally used ultrasonic cleaner (for example, a commercial product (trade name: Sure ultrasonic cleaner CS-20, manufactured by Ishizaki Electric Co., Ltd.)). This can be done using an apparatus. The frequency of the ultrasonic wave to be irradiated may be appropriately set so that the carbon nanostructure is uniformly dispersed in the cationic functional group introduction solution, but it is preferably 40 kHz to 60 kHz. The time for irradiating the ultrasonic wave may be set as appropriate so as to ensure the introduction of the cationic functional group. For example, the time is 0.1 hour to 1 hour, which does not evaporate all the solvent. Is preferred.

上述のようにして作製されたカチオン性官能基導入カーボンナノ構造体は、カチオン性官能基導入用溶液から取出された後、風乾等により乾燥されることが好ましい。得られたカチオン性官能基導入カーボンナノ構造体において、カチオン性官能基が導入されているか否かの確認は、X線光電子分光法(XPS(X−ray photoelectron spectroscopy))によって得られるXPSスペクトル、及び、赤外分光法(IR(Infrared spectroscopy))によって得られるIRスペクトル等において、導入したカチオン性官能基、例えば、アンモニウム基由来のピークが確認できるか否かに基づいて行なうことができる。   The cationic functional group-introduced carbon nanostructure produced as described above is preferably dried by air drying or the like after being taken out of the cationic functional group-introducing solution. In the obtained cationic functional group-introduced carbon nanostructure, whether or not a cationic functional group has been introduced is confirmed by X-ray photoelectron spectroscopy (XPS (X-ray photoelectron spectroscopy)) XPS spectrum, And in IR spectrum etc. obtained by IR spectroscopy (IR (Infrared spectroscopy)), it can carry out based on whether the peak derived from the introduced cationic functional group, for example, an ammonium group can be confirmed.

このように、第1の製造方法は、ステップS100及びステップS101を経てカチオン性官能基導入カーボンナノ構造体を作製する。すなわち、ステップS100において、カチオン性官能基を有する芳香族性分子と溶剤とを含むカチオン性官能基導入用溶液を調製し、ステップS101において、調製したカチオン性官能基導入用溶液に対してカーボンナノ構造体を投入した後、超音波を照射する。このように、超音波を用いることでカーボンナノ構造体をカチオン性官能基導入用溶液に均一に分散させることができるので、カーボンナノ構造体表面にカチオン性官能基を均一に導入することができる。また、カチオン性官能基は、π−πスタッキング相互作用による静電気的な化学吸着によってカーボンナノ構造体表面に導入されるので、カチオン性官能基をカーボンナノ構造体表面に強固に固定しておくことができる。   Thus, in the first manufacturing method, the cationic functional group-introduced carbon nanostructure is manufactured through Step S100 and Step S101. That is, in step S100, a cationic functional group introduction solution containing an aromatic molecule having a cationic functional group and a solvent is prepared, and in step S101, carbon nano-particles are added to the prepared cationic functional group introduction solution. After putting the structure, ultrasonic waves are irradiated. As described above, since the carbon nanostructure can be uniformly dispersed in the cationic functional group introduction solution by using ultrasonic waves, the cationic functional group can be uniformly introduced on the surface of the carbon nanostructure. . In addition, since the cationic functional group is introduced to the surface of the carbon nanostructure by electrostatic chemisorption by π-π stacking interaction, the cationic functional group should be firmly fixed on the surface of the carbon nanostructure. Can do.

第1の製造方法において、ステップS102では、雰囲気中の特定物質と選択的に反応する上述の錯イオンを含む金属錯体と、溶剤とを含む表面修飾用溶液を調製し、ステップS103では、調製した表面修飾用溶液に対して、カチオン性官能基導入カーボンナノ構造体を投入した後、超音波を照射する。   In the first manufacturing method, in step S102, a solution for surface modification containing a metal complex containing the above complex ion that selectively reacts with a specific substance in the atmosphere and a solvent is prepared, and in step S103, the solution is prepared. After introducing the cationic functional group-introduced carbon nanostructure into the surface modification solution, ultrasonic waves are irradiated.

金属錯体は、上述した錯イオンと、その対カチオンとを含む。対カチオンとしては、カーボンナノ構造体に対する錯イオンによる表面修飾を促進可能なものであれば特に限定されず、例えば、ナトリウムイオン、リチウムイオン、及び、カリウムイオン等からなるグループから選択されるものを使用できる。これらの中でも、特に、ナトリウムイオンを使用することが好ましい。対カチオンがこのようなグループから選択されるものである場合、カチオン性官能基と対カチオンとのイオン交換反応がより一層進行し易くなる。すなわち、錯イオンは一般的に嵩高く大きいイオンであるため、上述したカチオン性官能基等のような比較的大きい対カチオンと安定したイオン結合を形成する。これに対し、錯イオンと、上述のグループから選択されるもの等のような比較的小さい対カチオンとから形成されるイオン結合は不安定である。イオン交換反応は、より安定なイオン結合を形成するように進行するので、金属錯体における対カチオンとして上述のグループから選択されるものを使用することによって、イオン交換反応をより一層進行し易くすることができ、表面修飾カーボンナノ構造体をより一層容易に製造することができる。   A metal complex contains the complex ion mentioned above and its counter cation. The counter cation is not particularly limited as long as it can promote the surface modification of the carbon nanostructure with complex ions. For example, the counter cation is selected from the group consisting of sodium ion, lithium ion, potassium ion, and the like. Can be used. Among these, it is particularly preferable to use sodium ions. When the counter cation is selected from such a group, the ion exchange reaction between the cationic functional group and the counter cation is more likely to proceed. That is, since complex ions are generally bulky and large ions, they form stable ionic bonds with relatively large counter cations such as the cationic functional groups described above. In contrast, ionic bonds formed from complex ions and relatively small counter cations such as those selected from the above group are unstable. Since the ion exchange reaction proceeds so as to form a more stable ionic bond, by using one selected from the above group as a counter cation in the metal complex, the ion exchange reaction can be further facilitated. And the surface-modified carbon nanostructure can be more easily produced.

表面修飾用溶液に使用される溶剤としては、金属錯体を可溶なものであれば特に限定されるものではなく、例えば、水、メタノール若しくはエタノール等のアルコール、又は、これらの混合溶剤等を使用できる。これらの中でも、イオン交換反応が進行し易い点から、水を使用することが好ましく、特には、純水を使用することが好ましい。   The solvent used for the surface modification solution is not particularly limited as long as the metal complex is soluble. For example, water, alcohol such as methanol or ethanol, or a mixed solvent thereof is used. it can. Among these, it is preferable to use water from the viewpoint that the ion exchange reaction easily proceeds, and it is particularly preferable to use pure water.

表面修飾用溶液の濃度及び使用量、並びに、カチオン性官能基導入カーボンナノ構造体の投入量は、カーボンナノ構造体に対する錯イオンの表面修飾量が所望の値となるように適宜調整されればよい。ここで、表面修飾量とは、1mgのカーボンナノ構造体に対して表面修飾される錯イオンの量(mg/mg)のことである。   The concentration and amount of the surface modification solution, and the input amount of the cationic functional group-introduced carbon nanostructure may be adjusted as appropriate so that the surface modification amount of the complex ion with respect to the carbon nanostructure has a desired value. Good. Here, the surface modification amount is the amount (mg / mg) of complex ions that are surface-modified with respect to 1 mg of the carbon nanostructure.

ステップS103において、超音波の照射は、一般的に用いられる超音波洗浄器(例えば、市販品(商品名:シュアー超音波洗浄器CS−20、株式会社石崎電機製作所製))等の超音波発生装置を用いて行なうことができる。照射する超音波の周波数としては、イオン交換反応が円滑に進行する程度に適宜設定されればよいが、40kHz〜60kHzであることが好ましい。超音波を照射する時間としては、イオン交換反応が確実に完了する時間であれば特に限定されないが、例えば、溶剤が全て蒸発しない程度である1時間〜3時間であることが好ましい。   In step S103, irradiation with ultrasonic waves generates ultrasonic waves such as a generally used ultrasonic cleaner (for example, a commercially available product (trade name: Sure ultrasonic cleaner CS-20, manufactured by Ishizaki Electric Co., Ltd.)). This can be done using an apparatus. The frequency of the ultrasonic wave to be irradiated may be appropriately set so that the ion exchange reaction proceeds smoothly, but is preferably 40 kHz to 60 kHz. The time for irradiating the ultrasonic wave is not particularly limited as long as the ion exchange reaction is completed with certainty, but for example, it is preferably 1 hour to 3 hours so that the solvent does not completely evaporate.

上述のようにして作製された表面修飾カーボンナノ構造体は、表面修飾用溶液から取出された後、風乾等による乾燥とともに、減圧下で一定時間乾燥させることが好ましい。減圧条件としては、溶剤が完全に除去できる程度であれば特に限定されないが、1.0×10−6MPa〜1.0×10−5MPaで1時間〜3時間乾燥させることが好ましい。 The surface-modified carbon nanostructure produced as described above is preferably taken out from the solution for surface modification and then dried under reduced pressure for a certain period of time together with drying by air drying or the like. The decompression condition is not particularly limited as long as the solvent can be completely removed, but it is preferable to dry at 1.0 × 10 −6 MPa to 1.0 × 10 −5 MPa for 1 to 3 hours.

得られた表面修飾カーボンナノ構造体において、錯イオンによる表面修飾がなされているか否かの確認は、蛍光X線元素分析法(XRF(X−ray Fluorescence Analysis))によって得られるXRFスペクトル等において、錯イオン由来のピークが確認できるか否かに基づいて行なうことができる。また、カーボンナノ構造体に対する錯イオンの表面修飾量は、ステップS103前後の表面修飾用溶液のUV−visスペクトルにおける、錯イオンに由来する吸光度の差に基づいて算出することができる。UV−visスペクトルは、紫外・可視分光法によって得ることができる。   In the obtained surface-modified carbon nanostructure, confirmation of whether or not surface modification with complex ions has been made is based on the XRF spectrum obtained by XRF (X-ray Fluorescence Analysis), etc. This can be done based on whether or not a peak derived from a complex ion can be confirmed. Further, the surface modification amount of the complex ions with respect to the carbon nanostructure can be calculated based on the difference in absorbance derived from the complex ions in the UV-vis spectrum of the surface modification solution before and after Step S103. The UV-vis spectrum can be obtained by ultraviolet / visible spectroscopy.

(第2の製造方法)
図4は、第2の製造方法の手順を示す工程図である。図4を参照して、第2の製造方法は、この順で進行するステップS200〜ステップS202を含む。このステップS200〜ステップS202によって、表面修飾カーボンナノ構造体を製造できる。第2の製造方法において、ステップS201及びステップS202は、第1の製造方法におけるステップS102及びステップS103と同じである。以下、第1の製造方法とは異なるステップS200について説明する。
(Second manufacturing method)
FIG. 4 is a process diagram showing the procedure of the second manufacturing method. Referring to FIG. 4, the second manufacturing method includes steps S200 to S202 that proceed in this order. A surface-modified carbon nanostructure can be manufactured through steps S200 to S202. In the second manufacturing method, step S201 and step S202 are the same as step S102 and step S103 in the first manufacturing method. Hereinafter, step S200 different from the first manufacturing method will be described.

ステップS200では、カチオン性官能基を共有結合によってカーボンナノ構造体に導入することで、カチオン性官能基導入カーボンナノ構造体を作製する。カチオン性官能基を共有結合によってカーボンナノ構造体に導入する方法としては、当該分野において一般的に使用される方法であれば特に限定されない。例えば、カチオン性官能基をカーボンナノ構造体表面に直接導入してもよいし、エチレン基等のアルキレン基等のスペーサーを介して導入してもよい。   In step S200, a cationic functional group-introduced carbon nanostructure is produced by introducing a cationic functional group into the carbon nanostructure by a covalent bond. The method for introducing a cationic functional group into a carbon nanostructure by covalent bonding is not particularly limited as long as it is a method generally used in the art. For example, a cationic functional group may be introduced directly on the surface of the carbon nanostructure, or may be introduced via a spacer such as an alkylene group such as an ethylene group.

例えば、カチオン性官能基としてアンモニウム基をカーボンナノ構造体表面に直接導入する場合には、カーボンナノ構造体の表面にカルボン酸を導入した後、アンモニウム基に変換する方法等がある。より詳細には、例えば、硫酸:硝酸=3:1の混酸中にカーボンナノ構造体を投入した後、超音波を照射する方法等によってカーボンナノ構造体の表面にカルボン酸を導入し、導入されたカルボン酸をリチウムアルミニウムハイドライド(LAH)等の還元剤によって還元することでアルコールに変換し、更に、ジエチルアゾジカルボキシレート(DEAD)及びトリフェニルホスフィン等を使用した光延反応条件下において、得られたアルコールをフタルイミドに変換した後、トリフルオロ酢酸等によって加水分解する方法等がある。上述の還元反応及び光延反応条件下において用いる溶剤としては、当該分野において一般的に使用されるものであれば特に限定されないが、例えば、テトラヒドロフラン(THF)等を使用できる。溶剤の量は、原料等の使用量に応じて、適宜調整されればよい。   For example, when an ammonium group is introduced directly to the surface of the carbon nanostructure as a cationic functional group, there is a method of introducing a carboxylic acid to the surface of the carbon nanostructure and then converting it to an ammonium group. More specifically, for example, after introducing the carbon nanostructure into a mixed acid of sulfuric acid: nitric acid = 3: 1, the carboxylic acid is introduced to the surface of the carbon nanostructure by a method of irradiating ultrasonic waves, etc. The carboxylic acid is converted to alcohol by reduction with a reducing agent such as lithium aluminum hydride (LAH), and further obtained under Mitsunobu reaction conditions using diethyl azodicarboxylate (DEAD) and triphenylphosphine. There is a method in which after the alcohol is converted into phthalimide, it is hydrolyzed with trifluoroacetic acid or the like. The solvent used under the above-described reduction reaction and Mitsunobu reaction conditions is not particularly limited as long as it is generally used in the field, and for example, tetrahydrofuran (THF) or the like can be used. The amount of the solvent may be appropriately adjusted according to the amount of raw material used.

カチオン性官能基としてアンモニウム基をアルキレン基等のスペーサ−を介してカーボンナノ構造体表面に導入する場合には、カーボンナノ構造体の表面に導入されたカルボン酸とアルキレンジアミンとを縮合剤を用いて縮合させてアミド結合を形成させる方法等がある。縮合剤としては、ペプチド合成等のアミド結合形成反応においてカップリング剤として一般的に使用されるものであれば特に限定されないが、例えば、1−ヒドロキシベンゾトリアゾール(HOBt)等のN−ヒドロキシベンゾトリアゾール類、ジシクロヘキシルカルボジイミド(DCC)等のカルボジイミド類、及び、O−(7−アザベンゾトリアゾール−1−イル)−N,N,N’,N’−テトラメチルウロニウムヘキサフルオロフォスフェート(HATU)等からなるグループから選択されるものを使用できる。これらの中でも、取扱いの容易さ及び安全性の点から、HATUを使用することが好ましい。縮合剤の含有量としては、当該分野において一般的に使用される量であれば特に限定されないが、例えば、アミド結合を形成するための所望のカルボン酸1molに対して、1mol〜1.5molであることが好ましい。   When introducing an ammonium group as a cationic functional group to the surface of the carbon nanostructure through a spacer such as an alkylene group, a condensing agent is used for the carboxylic acid and alkylenediamine introduced on the surface of the carbon nanostructure. And an amide bond to form an amide bond. The condensing agent is not particularly limited as long as it is generally used as a coupling agent in an amide bond forming reaction such as peptide synthesis. For example, N-hydroxybenzotriazole such as 1-hydroxybenzotriazole (HOBt) is used. , Carbodiimides such as dicyclohexylcarbodiimide (DCC), and O- (7-azabenzotriazol-1-yl) -N, N, N ′, N′-tetramethyluronium hexafluorophosphate (HATU), etc. Can be selected from the group consisting of Among these, it is preferable to use HATU from the viewpoint of easy handling and safety. The content of the condensing agent is not particularly limited as long as it is an amount generally used in the art, but for example, 1 mol to 1.5 mol with respect to 1 mol of a desired carboxylic acid for forming an amide bond. Preferably there is.

アミド結合形成反応には、必要に応じて溶剤を使用してもよい。溶剤としては、当該分野において一般的に使用されるものであれば特に限定されないが、例えば、ジメチルホルムアミド(DMF)又はテトラヒドロフラン(THF)等を使用できる。溶剤の量は、カルボン酸が導入されたカーボンナノ構造体の使用量に応じて、適宜調整されればよい。上述のアミド結合形成反応は、反応系内を塩基性条件にして反応をより一層促進するにするために、必要に応じてN,N−ジイソプロピルエチルアミン(DIEA)等の塩基を適当量添加して行なってもよい。   In the amide bond forming reaction, a solvent may be used as necessary. The solvent is not particularly limited as long as it is generally used in the field, and for example, dimethylformamide (DMF) or tetrahydrofuran (THF) can be used. The amount of the solvent may be adjusted as appropriate according to the amount of the carbon nanostructure into which the carboxylic acid has been introduced. In the above amide bond formation reaction, an appropriate amount of a base such as N, N-diisopropylethylamine (DIEA) is added as necessary in order to further promote the reaction under basic conditions in the reaction system. You may do it.

なお、カーボンナノ構造体に対する錯イオンの表面修飾量は、カーボンナノ構造体に対するカチオン性官能基の導入量に依存するので、カチオン性官能基の導入量は、錯イオンの所望の表面修飾量に基づいて決定されることが好ましい。   Since the surface modification amount of the complex ion for the carbon nanostructure depends on the introduction amount of the cationic functional group to the carbon nanostructure, the introduction amount of the cationic functional group depends on the desired surface modification amount of the complex ion. It is preferable to be determined based on this.

このように、第2の製造方法は、ステップS200において、カチオン性官能基を共有結合によってカーボンナノ構造体に導入することで、カチオン性官能基導入カーボンナノ構造体を作製する。このように、カチオン性官能基は、共有結合によってカーボンナノ構造体表面に導入されるので、カチオン性官能基をカーボンナノ構造体表面に強固に固定しておくことができる。   Thus, in the second manufacturing method, in step S200, the cationic functional group-introduced carbon nanostructure is produced by introducing the cationic functional group into the carbon nanostructure by a covalent bond. Thus, since the cationic functional group is introduced to the surface of the carbon nanostructure by a covalent bond, the cationic functional group can be firmly fixed to the surface of the carbon nanostructure.

上述したように、本実施の形態に係る表面修飾カーボンナノ構造体の製造方法は、ステップS100及びステップS101、又は、ステップS200において、カチオン性官能基導入カーボンナノ構造体を作製し、ステップS102又はステップS201において、雰囲気中の特定物質と選択的に反応する錯イオンを含む金属錯体と、溶剤とを含む表面修飾用溶液を調製し、ステップS103又はステップS202において、調製した表面修飾用溶液に対して、カチオン性官能基導入カーボンナノ構造体を投入した後、超音波を照射することで、表面修飾カーボンナノ構造体を製造する。このように、超音波を用いることでカチオン性官能基導入カーボンナノ構造体を表面修飾用溶液に均一に分散させることができるので、カーボンナノ構造体表面を錯イオンによって均一に修飾できる。したがって、雰囲気中の特定物質をより一層高選択的かつ高感度に検出することができる表面修飾カーボンナノ構造体を製造することができる。また、錯イオンはイオン結合を介してカーボンナノ構造体を表面修飾するので、錯イオンをカーボンナノ構造体表面に強固に固定しておくことができる。したがって、長期間に渡って高選択性及び高感度を維持可能な表面修飾カーボンナノ構造体を製造することができる。   As described above, the method for producing a surface-modified carbon nanostructure according to the present embodiment produces a cationic functional group-introduced carbon nanostructure in Step S100 and Step S101 or Step S200, and Step S102 or In step S201, a surface modification solution containing a metal complex containing a complex ion that selectively reacts with a specific substance in the atmosphere and a solvent is prepared. In step S103 or step S202, the surface modification solution is prepared. Then, after introducing the cationic functional group-introduced carbon nanostructure, the surface-modified carbon nanostructure is manufactured by irradiating ultrasonic waves. Thus, since the cationic functional group-introduced carbon nanostructure can be uniformly dispersed in the surface modification solution by using ultrasonic waves, the surface of the carbon nanostructure can be uniformly modified with complex ions. Therefore, a surface-modified carbon nanostructure capable of detecting a specific substance in the atmosphere with higher selectivity and sensitivity can be produced. Further, since the complex ions modify the surface of the carbon nanostructure through ionic bonds, the complex ions can be firmly fixed on the surface of the carbon nanostructure. Therefore, a surface-modified carbon nanostructure capable of maintaining high selectivity and high sensitivity over a long period can be produced.

−化学物質センシング素子32の製造方法−
以下、化学物質センシング素子32の製造方法について説明する。図5(A)及び図5(B)は、化学物質センシング部42の製造方法の一例を説明するための図である。図5(A)及び図5(B)を参照して、化学物質センシング部42の製造方法の一例では、上述の第1の製造方法又は第2の製造方法において製造された表面修飾カーボンナノ構造体が分散された分散液58を調製するステップと、分散液58をろ過するステップとによって、表面修飾カーボンナノ構造体を含むシート状の基体56を作製する。
-Manufacturing Method of Chemical Substance Sensing Element 32-
Hereinafter, the manufacturing method of the chemical substance sensing element 32 is demonstrated. 5A and 5B are diagrams for explaining an example of a method for manufacturing the chemical substance sensing unit 42. FIG. With reference to FIG. 5A and FIG. 5B, in an example of the manufacturing method of the chemical substance sensing unit 42, the surface-modified carbon nanostructure manufactured in the first manufacturing method or the second manufacturing method described above. The sheet-like substrate 56 including the surface-modified carbon nanostructure is produced by preparing the dispersion liquid 58 in which the body is dispersed and filtering the dispersion liquid 58.

分散液58において表面修飾カーボンナノ構造体を分散させるための分散用溶剤としては、表面修飾カーボンナノ構造体を分散できるものであれば特に限定されるものではなく、例えば、水、メタノール、エタノール又はジメチルホルムアミド(DMF)等を使用できる。これらの中でも、安全性及びコストの点から水が特に好ましい。このような分散用溶剤を用いて表面修飾カーボンナノ構造体を分散させることにより、均一に表面修飾されたカーボンナノ構造体を含む基体56を、均一な厚みで形成することができる。表面修飾カーボンナノ構造体が分散しにくい溶剤を分散用溶剤として用いた場合には、表面修飾カーボンナノ構造体が局所的に凝集するために、均一な厚みの基体56が形成されないおそれがある。分散液58に使用する分散用溶剤の量は、分散させる表面修飾カーボンナノ構造体の使用量に応じて、適宜調整されればよい。   The dispersion solvent for dispersing the surface-modified carbon nanostructure in the dispersion liquid 58 is not particularly limited as long as the surface-modified carbon nanostructure can be dispersed. For example, water, methanol, ethanol or Dimethylformamide (DMF) or the like can be used. Among these, water is particularly preferable from the viewpoint of safety and cost. By dispersing the surface-modified carbon nanostructure using such a dispersion solvent, the substrate 56 including the carbon nanostructure that has been uniformly surface-modified can be formed with a uniform thickness. When a solvent in which the surface-modified carbon nanostructure is difficult to disperse is used as a solvent for dispersion, the surface-modified carbon nanostructure is locally aggregated, so that there is a possibility that the substrate 56 having a uniform thickness may not be formed. The amount of the dispersion solvent used in the dispersion 58 may be adjusted as appropriate according to the amount of the surface-modified carbon nanostructure to be dispersed.

ろ過に用いるろ材60としては、絶縁性を有し、かつ適度な機械的強度を有するものであれば特に限定されるものではないが、フッ素樹脂等の高分子材料からなるメンブレンフィルタ、銀メンブレンフィルタ、ガラス繊維ろ紙又はろ紙等を使用できる。これらの中でも、コスト面や取扱いの容易さから、テフロン(登録商標)製のメンブレンフィルタを使用することが特に好ましい。ろ過方法としては、減圧ろ過又は自然ろ過等の一般的な方法を使用できるが、ろ過速度が速く、かつ、均一な厚みの基体56を形成しやすい点から減圧ろ過を使用することが好ましい。自然ろ過を用いる場合には、ろ過速度が遅いため基体56の形成に長時間を要するおそれがあり、また均一な厚みの基体56を形成できないおそれがある。減圧ろ過は、ブフナー漏斗62及び吸引瓶(図示せず。)等からなる減圧ろ過装置を用いて行なうことが好ましく、更には、分散液58をブフナー漏斗62内に注入した後減圧することが好ましい。減圧後に分散液58を注入した場合には、中央部の厚みが他の部分の厚みよりも大きい基体56が形成されてしまうおそれがある。上述のようにして作製された基体56は、乾燥させることが好ましい。なお、基体56は、基板48及び化学物質センシング部42からなり、この場合、基板48はろ材60であり、化学物質センシング部42はろ材上に残るろ物64である。   The filter medium 60 used for the filtration is not particularly limited as long as it has insulating properties and appropriate mechanical strength. However, a membrane filter or a silver membrane filter made of a polymer material such as a fluororesin is used. Glass fiber filter paper or filter paper can be used. Among these, it is particularly preferable to use a membrane filter made of Teflon (registered trademark) because of cost and ease of handling. As a filtration method, a general method such as reduced-pressure filtration or natural filtration can be used, but it is preferable to use reduced-pressure filtration from the viewpoint of a high filtration rate and easy formation of a substrate 56 having a uniform thickness. When natural filtration is used, since the filtration speed is slow, it may take a long time to form the substrate 56, and the substrate 56 with a uniform thickness may not be formed. The vacuum filtration is preferably performed using a vacuum filtration apparatus including a Buchner funnel 62 and a suction bottle (not shown), and more preferably after the dispersion liquid 58 is injected into the Buchner funnel 62. . When the dispersion 58 is injected after the pressure is reduced, there is a possibility that the base 56 having a thickness at the central portion larger than that of other portions may be formed. The substrate 56 manufactured as described above is preferably dried. The substrate 56 includes a substrate 48 and a chemical substance sensing unit 42. In this case, the substrate 48 is a filter medium 60, and the chemical substance sensing unit 42 is a filter material 64 remaining on the filter medium.

このように、化学物質センシング部42の製造方法の一例では、上述の第1の製造方法又は第2の製造方法によって製造された表面修飾カーボンナノ構造体を含むシート状の基体56を作製する。これにより、表面修飾カーボンナノ構造体を、雰囲気中の特定物質に対して均一な状態で反応させることができるので、特定物質をより一層高選択的かつ高感度に検出することができる化学物質センシング素子32を製造することができる。更には、表面修飾カーボンナノ構造体を含む基体56を、表面修飾カーボンナノ構造体が分散された分散液58を調製し、この分散液58を減圧ろ過等によって乾燥させることで作製する。これにより、均一に表面修飾されたカーボンナノ構造体を含む基体56を、均一な厚みで、かつ短時間で形成することができる。   Thus, in an example of the manufacturing method of the chemical substance sensing part 42, the sheet-like base | substrate 56 containing the surface modification carbon nanostructure manufactured by the above-mentioned 1st manufacturing method or the 2nd manufacturing method is produced. As a result, the surface-modified carbon nanostructure can react with a specific substance in the atmosphere in a uniform state, so that the chemical substance sensing can detect the specific substance with higher selectivity and sensitivity. The element 32 can be manufactured. Furthermore, the substrate 56 including the surface-modified carbon nanostructure is prepared by preparing a dispersion 58 in which the surface-modified carbon nanostructure is dispersed and drying the dispersion 58 by vacuum filtration or the like. As a result, the substrate 56 including the carbon nanostructure with the surface modified uniformly can be formed in a uniform thickness and in a short time.

表面修飾カーボンナノ構造体を含む基体56は、必要に応じて、短冊状等の所望の形状及び所望の大きさになるようにカッティングされる。その後、化学物質センシング部42表面の両端部に蒸着法又は導電性ペーストを塗布する方法等の公知の方法によって、所望の電極間距離となるように電極44及び電極46が形成され、これにより、本実施の形態に係る化学物質センシング素子32を製造できる。   The substrate 56 including the surface-modified carbon nanostructure is cut so as to have a desired shape such as a strip shape and a desired size as necessary. Thereafter, the electrode 44 and the electrode 46 are formed to have a desired inter-electrode distance by a known method such as a vapor deposition method or a method of applying a conductive paste on both ends of the surface of the chemical substance sensing unit 42. The chemical substance sensing element 32 according to the present embodiment can be manufactured.

−動作−
図1及び図2を参照して、本実施の形態に係る化学物質センシング装置20は以下のように動作する。直流電源30により、化学物質センシング素子32と負荷抵抗34とを直列接続したものの両端に一定電圧をかけながら、特定物質を含む測定対象ガスを化学物質センシング素子32表面に導入する。化学物質センシング素子32に含まれる、化学物質センシング部42を構成する表面修飾カーボンナノ構造体の表面に測定対象ガス中の何らかの物質が付着すると、電極44,46間の電気抵抗が変化する。その変化を増幅器36の出力電圧の変化として直流電圧計(図示せず。)により検出する。このように出力電圧変化を知ることによって、測定対象ガス中の何らかの物質の存在を確認することができる。
-Operation-
With reference to FIG.1 and FIG.2, the chemical substance sensing apparatus 20 which concerns on this Embodiment operate | moves as follows. A measurement target gas containing a specific substance is introduced onto the surface of the chemical substance sensing element 32 while applying a constant voltage to both ends of the chemical substance sensing element 32 and the load resistor 34 connected in series by the DC power source 30. When any substance in the measurement target gas adheres to the surface of the surface-modified carbon nanostructure constituting the chemical substance sensing unit 42 included in the chemical substance sensing element 32, the electrical resistance between the electrodes 44 and 46 changes. The change is detected as a change in the output voltage of the amplifier 36 by a DC voltmeter (not shown). By knowing the change in output voltage in this way, the presence of some substance in the measurement target gas can be confirmed.

これは以下に示す理由による。化学物質センシング部42においては、個々のカーボンナノ構造体同士が隣接して互いに接触し合っているので、全体として導電性材料の集合体となっている。このような化学物質センシング部42を構成する、個々のカーボンナノ構造体の表面に何らかの物質が付着すると、それぞれの電気抵抗が変化し、それらの総和が出力電圧変化として出力される。したがって、化学物質センシング部42の両端の電気抵抗の変化を知ることにより、化学物質センシング部42に何らかの物質が付着したことが判るので、測定対象ガス中に何らかの物質が存在することを確認することができる。   This is for the following reason. In the chemical substance sensing unit 42, since the individual carbon nanostructures are adjacent to each other and are in contact with each other, the whole is a collection of conductive materials. When any substance adheres to the surface of each carbon nanostructure constituting such a chemical substance sensing unit 42, the respective electrical resistances change and the sum of them changes as an output voltage change. Therefore, by knowing the change in the electrical resistance at both ends of the chemical substance sensing unit 42, it can be seen that some substance has adhered to the chemical substance sensing unit 42. Therefore, confirm that there is some substance in the measurement target gas. Can do.

図6は、錯イオン72によりイオン結合を介して表面修飾されたカーボンナノ構造体74表面に一酸化窒素(NO)76が吸着する様子を示す図である。図6を参照して、雰囲気中の一酸化窒素(NO)76と選択的に反応する例示化合物(4)に示す錯イオン72がカチオン性官能基73とのイオン結合により表面修飾されたカーボンナノ構造体74に対して一酸化窒素(NO)76が接近すると、錯イオン72による選択能によって、一酸化窒素(NO)76が選択的に錯イオン72に吸着される。このように、カーボンナノ構造体74に表面修飾された錯イオン72は、一酸化窒素(NO)76を選択的に捕捉するので、一酸化窒素(NO)76が吸着されたときとそうでないときとの差が、化学物質センシング部42の全体の電気抵抗の変化として顕著に現れる。したがって、化学物質センシング部42の電気抵抗の変化を測定することによって、特定物質である一酸化窒素(NO)76の存在の有無、及び、その存在量を他の物質と比較してより高感度に検出することができる。   FIG. 6 is a diagram illustrating a state in which nitric oxide (NO) 76 is adsorbed on the surface of the carbon nanostructure 74 that has been surface-modified with complex ions 72 through ionic bonds. Referring to FIG. 6, carbon nano-particles in which complex ion 72 shown in exemplary compound (4) that selectively reacts with nitric oxide (NO) 76 in the atmosphere is surface-modified by ionic bond with cationic functional group 73. When the nitric oxide (NO) 76 approaches the structure 74, the nitric oxide (NO) 76 is selectively adsorbed on the complex ions 72 due to the selectivity by the complex ions 72. As described above, the complex ions 72 surface-modified on the carbon nanostructure 74 selectively capture the nitric oxide (NO) 76, and therefore, when the nitric oxide (NO) 76 is adsorbed and when it is not. The difference between the two is remarkably shown as a change in the overall electrical resistance of the chemical substance sensing unit 42. Therefore, by measuring the change in the electrical resistance of the chemical substance sensing unit 42, the presence or absence of the specific substance, nitric oxide (NO) 76, and the amount thereof are more sensitive than other substances. Can be detected.

〈作用・効果〉
本実施の形態によれば、化学物質センシング素子32は、雰囲気中の特定物質と選択的に反応する錯イオンとイオン結合するカチオン性官能基を有するカーボンナノ構造体を含み、カーボンナノ構造体は、錯イオンによりイオン結合を介して表面修飾されている。これにより、雰囲気中の特定物質を高選択的かつ高感度に検出できる。また、雰囲気中の特定物質を他の物質へ変換することなく直接検出できるので、変換に要する構成及び工程、並びに、変換に伴う前処理に要する構成及び工程を省くことができる。したがって、化学物質センシング素子32の小型化及び測定時間の短縮化を達成できる。また、錯イオンとカチオン性官能基とによるイオン結合を介した表面修飾により、錯イオンは、カーボンナノ構造体表面に強固に固定されるので、長期間に渡って化学物質センシング素子32の高選択性及び高感度を維持することができる。
<Action and effect>
According to the present embodiment, the chemical substance sensing element 32 includes a carbon nanostructure having a cationic functional group that ion-bonds with a complex ion that selectively reacts with a specific substance in the atmosphere. The surface is modified by complex ions through ionic bonds. Thereby, the specific substance in the atmosphere can be detected with high selectivity and high sensitivity. In addition, since the specific substance in the atmosphere can be directly detected without being converted to another substance, the configuration and process required for the conversion and the configuration and process required for the pretreatment accompanying the conversion can be omitted. Therefore, the chemical substance sensing element 32 can be downsized and the measurement time can be shortened. Further, the complex ion is firmly fixed to the surface of the carbon nanostructure by the surface modification through the ionic bond between the complex ion and the cationic functional group, so that the chemical substance sensing element 32 is highly selected over a long period of time. And high sensitivity can be maintained.

また本実施の形態によれば、化学物質センシング装置20は、化学物質センシング素子32と、化学物質センシング素子32に電気的に接続され、化学物質センシング素子32の電気抵抗の変化を検出するための増幅器36及び直流電圧計とを含む。このように、化学物質センシング装置20は化学物質センシング素子32を含むので、雰囲気中の特定物質を高選択的かつ高感度に検出でき、更に装置の小型化及び測定時間の短縮化を達成できる。   Further, according to the present embodiment, the chemical substance sensing device 20 is electrically connected to the chemical substance sensing element 32 and the chemical substance sensing element 32, and detects a change in the electrical resistance of the chemical substance sensing element 32. An amplifier 36 and a DC voltmeter are included. As described above, since the chemical substance sensing device 20 includes the chemical substance sensing element 32, a specific substance in the atmosphere can be detected with high selectivity and high sensitivity, and further downsizing of the apparatus and reduction of measurement time can be achieved.

また本実施の形態によれば、表面修飾カーボンナノ構造体の製造方法は、ステップS100及びステップS101、又は、ステップS200において、カチオン性官能基導入カーボンナノ構造体を作製し、ステップS102又はステップS201において、雰囲気中の特定物質と選択的に反応する錯イオンを含む金属錯体と、溶剤とを含む表面修飾用溶液を調製し、ステップS103又はステップS202において、調製した表面修飾用溶液に対して、カチオン性官能基導入カーボンナノ構造体を投入した後、超音波を照射することで、表面修飾カーボンナノ構造体を製造する。このように、超音波を用いることでカチオン性官能基導入カーボンナノ構造体を表面修飾用溶液に均一に分散させることができるので、カーボンナノ構造体表面を錯イオンによって均一に修飾できる。したがって、雰囲気中の特定物質をより一層高選択的かつ高感度に検出することができる表面修飾カーボンナノ構造体を製造することができる。また、錯イオンはイオン結合を介してカーボンナノ構造体を表面修飾するので、錯イオンをカーボンナノ構造体表面に強固に固定しておくことができる。したがって、長期間に渡って高選択性及び高感度を維持可能な表面修飾カーボンナノ構造体を製造することができる。   Moreover, according to this Embodiment, the manufacturing method of the surface modification carbon nanostructure produces a cationic functional group introduction | transduction carbon nanostructure in step S100 and step S101, or step S200, and step S102 or step S201. In step S103 or step S202, a surface modification solution containing a metal complex containing a complex ion that selectively reacts with a specific substance in the atmosphere and a solvent is prepared. After introducing the cationic functional group-introduced carbon nanostructure, the surface-modified carbon nanostructure is produced by irradiating ultrasonic waves. Thus, since the cationic functional group-introduced carbon nanostructure can be uniformly dispersed in the surface modification solution by using ultrasonic waves, the surface of the carbon nanostructure can be uniformly modified with complex ions. Therefore, a surface-modified carbon nanostructure capable of detecting a specific substance in the atmosphere with higher selectivity and sensitivity can be produced. Further, since the complex ions modify the surface of the carbon nanostructure through ionic bonds, the complex ions can be firmly fixed on the surface of the carbon nanostructure. Therefore, a surface-modified carbon nanostructure capable of maintaining high selectivity and high sensitivity over a long period can be produced.

また本実施の形態によれば、化学物質センシング部42の製造方法は、上述の表面修飾カーボンナノ構造体の製造方法によって製造された表面修飾カーボンナノ構造体を含むシート状の基体56を作製する。これにより、表面修飾カーボンナノ構造体を、雰囲気中の特定物質に対して均一な状態で反応させることができるので、特定物質をより一層高選択的かつ高感度に検出することができる化学物質センシング素子32を製造することができる。   Further, according to the present embodiment, the chemical substance sensing unit 42 is manufactured by producing the sheet-like substrate 56 including the surface-modified carbon nanostructure manufactured by the above-described surface-modified carbon nanostructure manufacturing method. . As a result, the surface-modified carbon nanostructure can react with a specific substance in the atmosphere in a uniform state, so that the chemical substance sensing can detect the specific substance with higher selectivity and sensitivity. The element 32 can be manufactured.

なお、上記実施の形態では、表面修飾カーボンナノ構造体の製造方法におけるステップS103及びステップS202において超音波照射を行なったが、本発明はそのような実施の形態に限定されず、例えば、超音波照射を行なわず、攪拌する構成であってもよい。   In the above embodiment, ultrasonic irradiation is performed in step S103 and step S202 in the method of manufacturing a surface-modified carbon nanostructure. However, the present invention is not limited to such an embodiment. It may be configured to stir without irradiating.

以下に上記実施の形態を実施例及び比較例を用いて具体的に説明するが、上記実施の形態はその要旨を超えない限り特に本実施例に限定されるものではない。なお、以下特に断りのない限り、実施例及び比較例において、XPSスペクトルの測定には、X線光電子分光装置(商品名:MICRO LAB 300A、VG SCIENTIFIC社製)を使用し、IRスペクトルの測定には、赤外線分光光度計(商品名:20D FTIR SPECTROMETER、Nicolet社製)を使用し、XRFスペクトルの測定には、蛍光X線分析装置(商品名:ZSX100s、株式会社リガク製)を使用し、UV−visスペクトルの測定には、紫外可視分光光度計(商品名:U−3310 spectrometer、株式会社日立ハイテクノロジーズ製)を使用した。   Although the said embodiment is concretely demonstrated using an Example and a comparative example below, the said embodiment is not specifically limited to a present Example, unless the summary is exceeded. Unless otherwise specified, in the examples and comparative examples, an XPS spectrum is measured using an X-ray photoelectron spectrometer (trade name: MICRO LAB 300A, manufactured by VG SCIENTIFIC), and an IR spectrum is measured. Uses an infrared spectrophotometer (trade name: 20D FTIR SPECTROMETER, manufactured by Nicolet), and an XRF spectrum is measured using a fluorescent X-ray analyzer (trade name: ZSX100s, manufactured by Rigaku Corporation), and UV. For the measurement of the -vis spectrum, an ultraviolet-visible spectrophotometer (trade name: U-3310 spectrometer, manufactured by Hitachi High-Technologies Corporation) was used.

−試験例1−
(実施例1)
[アンモニウム基導入CNTの作製]
以下のようにして、カーボンナノ構造体であるCNTの表面にカチオン性官能基であるアンモニウム基を導入した。1−ピレンメチルアミン塩酸塩(アルドリッチ社製)を3mmol/Lの濃度となるように純水に溶解し、カチオン性官能基導入用溶液を調製した。このカチオン性官能基導入用溶液25mLに対してSWCNT(商品名:Single−wall nanotube、本荘ケミカル株式会社製)2mgを加えた後、超音波洗浄器(商品名:シュアー超音波洗浄器CS−20、株式会社石崎電機製作所製)にて46kHzの超音波を照射し、純水中におけるCNTの分散を確認した後、更に30分間超音波を照射した。超音波照射後、テフロン(登録商標)製メンブレンフィルタ(商品名:OMNIPORETM MEMBRANE FILTERS 0.2μm(孔径) JG、MILLIPORE社製)を用いて減圧ろ過装置により減圧ろ過を行ない、ろ物を回収して乾燥させることで、表面にアンモニウム基が導入されたCNTであるアンモニウム基導入CNTを得た。なお、得られたアンモニウム基導入CNTにおいて、XPSスペクトルではN1s領域にアンモニウム基由来のピーク(404eV)を確認し、更に、IRスペクトルでは1−ピレンメチルアミン由来のピーク(850cm−1)を確認した。
-Test Example 1
Example 1
[Preparation of ammonium group-introduced CNT]
In the following manner, an ammonium group that is a cationic functional group was introduced on the surface of CNT that is a carbon nanostructure. 1-Pyrenemethylamine hydrochloride (manufactured by Aldrich) was dissolved in pure water to a concentration of 3 mmol / L to prepare a cationic functional group introduction solution. After adding 2 mg of SWCNT (trade name: Single-wall nanotube, manufactured by Honjo Chemical Co., Ltd.) to 25 mL of this cationic functional group introduction solution, an ultrasonic cleaner (trade name: Sure Ultrasonic Cleaner CS-20) (Ishizaki Electric Mfg. Co., Ltd.) was irradiated with ultrasonic waves at 46 kHz, and after dispersion of CNTs in pure water was confirmed, ultrasonic waves were further irradiated for 30 minutes. After ultrasonic irradiation, the membrane was filtered using a Teflon (registered trademark) membrane filter (trade name: OMNIPORE MEMBRANE FILTERS 0.2 μm (pore size) JG, manufactured by MILLIPORE) using a vacuum filtration device, and the filtrate was collected. And dried to obtain ammonium group-introduced CNT, which is a CNT having an ammonium group introduced on its surface. In the obtained ammonium group-introduced CNT, an XPS spectrum confirmed a peak (404 eV) derived from an ammonium group in the N1s region, and an IR spectrum confirmed a peak derived from 1-pyrenemethylamine (850 cm −1 ). .

[表面修飾CNTの製造]
以下のようにして、アンモニウム基導入CNTに対するコバルト錯イオンの表面修飾を行なった。例示化合物(4)に示されるコバルト錯イオンとナトリウムイオンとからなるコバルト錯体(Na[CoIII(MMPPA)])を0.05mmol/Lの濃度となるように純水に溶解し、表面修飾用溶液を調製した。この表面修飾用溶液10mLに対して、上述のようにして得られたアンモニウム基導入CNT2mgを加えた後、超音波洗浄器にて46kHzの超音波を30分間照射した。超音波照射後、テフロン(登録商標)製メンブレンフィルタを用いて減圧ろ過装置により減圧ろ過を行ない、ろ物を回収して乾燥させた後減圧下9.3×10−6MPaで2時間乾燥させることで、コバルト錯イオンが表面修飾されたCNT(以下「表面修飾CNT」と記す。)を得た。
[Production of surface-modified CNT]
As described below, surface modification of cobalt complex ions with respect to ammonium group-introduced CNTs was performed. For surface modification, a cobalt complex (Na [Co III (MMPPA)]) composed of a cobalt complex ion and a sodium ion shown in the exemplified compound (4) is dissolved in pure water to a concentration of 0.05 mmol / L. A solution was prepared. To 10 mL of the surface modification solution, 2 mg of the CNT introduced CNT obtained as described above was added, and then an ultrasonic wave of 46 kHz was applied for 30 minutes with an ultrasonic cleaner. After irradiation with ultrasonic waves, vacuum filtration is performed with a vacuum filter using a Teflon (registered trademark) membrane filter, and the filtrate is collected and dried, followed by drying at 9.3 × 10 −6 MPa for 2 hours under reduced pressure. Thus, CNTs whose surface was modified with a cobalt complex ion (hereinafter referred to as “surface-modified CNT”) were obtained.

図7は、調製時における表面修飾用溶液のUV−visスペクトル、及び、減圧ろ過後におけるろ液のUV−visスペクトルを示すグラフである。図7を参照して、調製時における表面修飾用溶液のUV−visスペクトル(グラフ中Aに示す。)においてコバルト錯イオンに由来する654nmにおける吸光度は0.1387であり、減圧ろ過後におけるろ液のUV−visスペクトル(グラフ中Bに示す。)において654nmにおける吸光度は0.0792であり、その差は0.0595であった。得られた差の値と、下記式(1)に示すランベルト−ベールの式とに基づいて算出した、実施例1の表面修飾CNTにおけるコバルト錯イオンの表面修飾量は、3.79×10−2mg/mgであった。なお、モル吸光係数(ε)として、水のモル吸光係数であるε=2800を使用し、セル長さ(l)として1cmを使用した。 FIG. 7 is a graph showing the UV-vis spectrum of the solution for surface modification at the time of preparation and the UV-vis spectrum of the filtrate after filtration under reduced pressure. Referring to FIG. 7, the absorbance at 654 nm derived from cobalt complex ions in the UV-vis spectrum (shown as A in the graph) of the surface modification solution at the time of preparation is 0.1387, and the filtrate after filtration under reduced pressure In the UV-vis spectrum (shown as B in the graph), the absorbance at 654 nm was 0.0792, and the difference was 0.0595. The surface modification amount of the cobalt complex ion in the surface-modified CNT of Example 1 calculated based on the obtained difference value and the Lambert-Beer formula shown in the following formula (1) was 3.79 × 10 − 2 mg / mg. As the molar extinction coefficient (ε), ε = 2800, which is the molar extinction coefficient of water, was used, and 1 cm was used as the cell length (l).

A=εcl…(1)
(上記式(1)中、Aは吸光度、εはモル吸光係数、cは濃度、lはセル長さを示す。)
(実施例2)
0.0125mmol/Lの濃度の表面修飾用溶液を調製し、この表面修飾用溶液10mLに対してアンモニウム基導入CNTを0.5mg加えた以外は、実施例1と同様にして実施例2の表面修飾CNTを得た。この実施例2の表面修飾CNTにおけるコバルト錯イオンの表面修飾量は、3.26×10−2mg/mgであった。
A = εcl (1)
(In the above formula (1), A represents absorbance, ε represents molar extinction coefficient, c represents concentration, and l represents cell length.)
(Example 2)
The surface of Example 2 was prepared in the same manner as in Example 1 except that a surface modification solution having a concentration of 0.0125 mmol / L was prepared and 0.5 mg of ammonium group-introduced CNT was added to 10 mL of the surface modification solution. Modified CNTs were obtained. The surface modification amount of cobalt complex ions in the surface-modified CNT of Example 2 was 3.26 × 10 −2 mg / mg.

(実施例3)
0.025mmol/Lの濃度の表面修飾用溶液を調製し、この表面修飾用溶液10mLに対してアンモニウム基導入CNTを0.5mg加えた以外は、実施例1と同様にして実施例3の表面修飾CNTを得た。この実施例3の表面修飾CNTにおけるコバルト錯イオンの表面修飾量は、4.68×10−2mg/mgであった。
(Example 3)
The surface of Example 3 was prepared in the same manner as in Example 1 except that a surface modifying solution having a concentration of 0.025 mmol / L was prepared and 0.5 mg of ammonium group-introduced CNT was added to 10 mL of the surface modifying solution. Modified CNTs were obtained. The surface modification amount of the cobalt complex ion in the surface-modified CNT of Example 3 was 4.68 × 10 −2 mg / mg.

(実施例4)
0.05mmol/Lの濃度の表面修飾用溶液を調製し、この表面修飾用溶液10mLに対してアンモニウム基導入CNTを0.5mg加えた以外は、実施例1と同様にして実施例4の表面修飾CNTを得た。この実施例4の表面修飾CNTにおけるコバルト錯イオンの表面修飾量は、4.63×10−2mg/mgであった。
Example 4
The surface of Example 4 was prepared in the same manner as in Example 1 except that a surface modification solution having a concentration of 0.05 mmol / L was prepared and 0.5 mg of ammonium group-introduced CNT was added to 10 mL of this surface modification solution. Modified CNTs were obtained. The surface modification amount of the cobalt complex ion in the surface-modified CNT of Example 4 was 4.63 × 10 −2 mg / mg.

実施例1〜実施例4における表面修飾CNTにおける、使用した表面修飾用溶液の濃度、アンモニウム基導入CNTの使用量、及び、コバルト錯イオンの表面修飾量についてテーブル2に示す。図8は、実施例1〜実施例4における表面修飾CNTにおけるコバルト錯イオンの表面修飾量を示す棒グラフである。   Table 2 shows the concentration of the surface modification solution used, the amount of ammonium group-introduced CNT used, and the amount of surface modification of cobalt complex ions in the surface-modified CNTs of Examples 1 to 4. FIG. 8 is a bar graph showing the surface modification amount of cobalt complex ions in the surface-modified CNTs in Examples 1 to 4.

Figure 2010038840
Figure 2010038840

テーブル2及び図8を参照して、実施例1〜実施例4の表面修飾CNTにおけるコバルト錯イオンの表面修飾量は、いずれの条件においても4×10−2mg/mg程度であった。この結果から、コバルト錯イオンの表面修飾量は、アンモニウム基導入CNTにおけるアンモニウム基の導入量に依存することが判る。 Referring to Table 2 and FIG. 8, the surface modification of cobalt complex ion in the surface-modified CNT of Examples 1 to 4 was 4 × 10 -2 mg / mg approximately in any conditions. From this result, it can be seen that the surface modification amount of the cobalt complex ion depends on the introduction amount of the ammonium group in the ammonium group-introduced CNT.

−試験例2−
(実施例5)
以下に示す、アンモニウム基導入CNTの作製方法を用いた以外は、実施例1と同様にして実施例5の表面修飾CNTを得た。
-Test Example 2-
(Example 5)
A surface-modified CNT of Example 5 was obtained in the same manner as in Example 1 except that the following method for producing ammonium group-introduced CNT was used.

[アンモニウム基導入CNTの作製]
まず、以下のようにして、カーボンナノ構造体であるCNTの表面にカルボン酸を導入した後、カチオン性官能基であるアンモニウム基を導入した。硫酸1.5mLと硝酸0.5mLとからなる混酸に対してSWCNT(商品名:Single−wall nanotube、本荘ケミカル株式会社製)5mgを加えた後、超音波洗浄器(商品名:シュアー超音波洗浄器CS−20、株式会社石崎電機製作所製)にて46kHzの超音波を1時間照射した。超音波照射後、テフロン(登録商標)製メンブレンフィルタ(商品名:OMNIPORETM MEMBRANE FILTERS 0.2μm(孔径) JG、MILLIPORE社製)を用いて減圧ろ過装置により減圧ろ過を行ない、ろ物を回収して乾燥させることで、表面にカルボン酸が導入されたCNT(以下「カルボン酸導入CNT」と記す。)を得た。次いで、エチレンジアミン(商品名、和光純薬工業株式会社製)2mLに対して、上述のようにして得られたカルボン酸導入CNT2mgを加えた後、上述の超音波洗浄器にて46kHzの超音波を10分間照射し、エチレンジアミン中におけるカルボン酸導入CNTの分散を確認した。分散の確認後、HATU(縮合剤、シグマアルドリッチ社製)0.1mgを加え、更に4時間超音波を照射した。超音波照射後、メタノールで希釈して、上述のテフロン(登録商標)製メンブレンフィルタを用いて減圧ろ過装置により減圧ろ過を行ない、ろ物をメタノールで洗浄して残存するHATUを除去した。洗浄後のろ物を回収して風乾させた後減圧下9.3×10−6MPaで2時間乾燥させることで、アンモニウム基導入CNTを得た。なお、得られたアンモニウム基導入CNTにおいて、XPSスペクトルでは、N1s領域にアンモニウム基由来のピーク(404eV)を確認するとともに、O1s領域にカルボン酸由来のピーク(533eV)を確認した。IRスペクトルでは、カルボニル基由来のピーク(1720cm−1)を確認した。
[Preparation of ammonium group-introduced CNT]
First, after introducing a carboxylic acid onto the surface of the carbon nanostructure CNT as described below, an ammonium group as a cationic functional group was introduced. After adding 5 mg of SWCNT (trade name: Single-wall nanotube, manufactured by Honjo Chemical Co., Ltd.) to a mixed acid composed of 1.5 mL of sulfuric acid and 0.5 mL of nitric acid, an ultrasonic cleaner (trade name: Sure ultrasonic cleaning) 46 kHz ultrasonic wave was irradiated for 1 hour with a device CS-20, manufactured by Ishizaki Electric Manufacturing Co., Ltd. After ultrasonic irradiation, the membrane was filtered using a Teflon (registered trademark) membrane filter (trade name: OMNIPORE MEMBRANE FILTERS 0.2 μm (pore size) JG, manufactured by MILLIPORE) using a vacuum filtration device, and the filtrate was collected. And dried to obtain a CNT having a carboxylic acid introduced on the surface (hereinafter referred to as “carboxylic acid-introduced CNT”). Next, 2 mg of the carboxylic acid-introduced CNT obtained as described above was added to 2 mL of ethylenediamine (trade name, manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.), and then an ultrasonic wave of 46 kHz was applied using the ultrasonic cleaner described above. Irradiation was performed for 10 minutes, and dispersion of the carboxylic acid-introduced CNT in ethylenediamine was confirmed. After confirming the dispersion, 0.1 mg of HATU (condensing agent, manufactured by Sigma-Aldrich) was added, and ultrasonic waves were further irradiated for 4 hours. After ultrasonic irradiation, the solution was diluted with methanol, and filtered under reduced pressure with a vacuum filter using the above-mentioned Teflon (registered trademark) membrane filter. The residue was washed with methanol to remove the remaining HATU. The washed filtrate was collected and air-dried, and then dried at 9.3 × 10 −6 MPa under reduced pressure for 2 hours to obtain ammonium group-introduced CNT. In the obtained ammonium group-introduced CNT, in the XPS spectrum, an ammonium group-derived peak (404 eV) was confirmed in the N1s region, and a carboxylic acid-derived peak (533 eV) was confirmed in the O1s region. In the IR spectrum, a peak (1720 cm −1 ) derived from a carbonyl group was confirmed.

図9は、調製時における表面修飾用溶液のUV−visスペクトル、及び、減圧ろ過後におけるろ液のUV−visスペクトルを示すグラフである。図9を参照して、調製時における表面修飾用溶液のUV−visスペクトル(グラフ中Cに示す。)においてコバルト錯イオンに由来する654nmにおける吸光度は0.055であり、減圧ろ過後におけるろ液のUV−visスペクトル(グラフ中Dに示す。)において654nmにおける吸光度は0.0001であり、その差は0.0549であった。得られた差の値と、上記式(1)に示すランベルト−ベールの式とに基づいて算出した、実施例5の表面修飾CNTにおけるコバルト錯イオンの表面修飾量は、3.25×10−2mg/mgであった。なお、モル吸光係数(ε)として、水のモル吸光係数であるε=2800を使用し、セル長さ(l)として1cmを使用した。
た。
FIG. 9 is a graph showing the UV-vis spectrum of the solution for surface modification at the time of preparation and the UV-vis spectrum of the filtrate after filtration under reduced pressure. Referring to FIG. 9, in the UV-vis spectrum (shown in C in the graph) of the surface modification solution at the time of preparation, the absorbance at 654 nm derived from cobalt complex ions is 0.055, and the filtrate after filtration under reduced pressure In the UV-vis spectrum (shown as D in the graph), the absorbance at 654 nm was 0.0001, and the difference was 0.0549. The amount of surface modification of cobalt complex ions in the surface-modified CNT of Example 5 calculated based on the obtained difference value and the Lambert-Beer equation shown in the above formula (1) was 3.25 × 10 −. 2 mg / mg. As the molar extinction coefficient (ε), ε = 2800, which is the molar extinction coefficient of water, was used, and 1 cm was used as the cell length (l).
It was.

実施例1〜実施例5の表面修飾CNTのXRFスペクトルでは、コバルト錯イオン由来のピークを2θ角度である47.5degに確認した。   In the XRF spectra of the surface-modified CNTs of Examples 1 to 5, a peak derived from cobalt complex ions was confirmed at 47.5 deg which is a 2θ angle.

今回開示された実施の形態は単に例示であって、本発明が上記した実施の形態のみに制限されるわけではない。本発明の範囲は、発明の詳細な説明の記載を参酌した上で、特許請求の範囲の各請求項によって示され、そこに記載された文言と均等の意味及び範囲内での全ての変更を含む。   The embodiment disclosed herein is merely an example, and the present invention is not limited to the above-described embodiment. The scope of the present invention is indicated by each claim in the claims after taking into account the description of the detailed description of the invention, and all modifications within the meaning and scope equivalent to the wording described therein are included. Including.

本発明の一実施の形態に係る化学物質センシング素子を含む化学物質センシング装置の構成図である。It is a block diagram of the chemical substance sensing apparatus containing the chemical substance sensing element which concerns on one embodiment of this invention. 化学物質センシング素子の構成を示す側面図及び上面図である。It is the side view and top view which show the structure of a chemical substance sensing element. 表面修飾カーボンナノ構造体の製造方法の一例である第1の製造方法の手順を示す工程図である。It is process drawing which shows the procedure of the 1st manufacturing method which is an example of the manufacturing method of a surface modification carbon nanostructure. 表面修飾カーボンナノ構造体の製造方法の他の一例である第2の製造方法の手順を示す工程図である。It is process drawing which shows the procedure of the 2nd manufacturing method which is another example of the manufacturing method of a surface modification carbon nanostructure. 化学物質センシング部の製造方法の一例を説明するための図である。It is a figure for demonstrating an example of the manufacturing method of a chemical substance sensing part. 錯イオンによりイオン結合を介して表面修飾されたカーボンナノ構造体表面に一酸化窒素が吸着する様子を示す図である。It is a figure which shows a mode that nitric oxide adsorb | sucks to the carbon nanostructure surface surface-modified by the complex ion through the ionic bond. 調製時における表面修飾用溶液のUV−visスペクトル、及び、減圧ろ過後におけるろ液のUV−visスペクトルを示すグラフである。It is a graph which shows the UV-vis spectrum of the solution for surface modification at the time of preparation, and the UV-vis spectrum of the filtrate after reduced pressure filtration. 実施例1〜実施例4における表面修飾CNTにおけるコバルト錯イオンの表面修飾量を示す棒グラフである。It is a bar graph which shows the surface modification amount of the cobalt complex ion in the surface modification CNT in Example 1- Example 4. 調製時における表面修飾用溶液のUV−visスペクトル、及び、減圧ろ過後におけるろ液のUV−visスペクトルを示すグラフである。It is a graph which shows the UV-vis spectrum of the solution for surface modification at the time of preparation, and the UV-vis spectrum of the filtrate after reduced pressure filtration.

符号の説明Explanation of symbols

20 化学物質センシング装置
30 直流電源
32 化学物質センシング素子
34 負荷抵抗
36 増幅器
42 化学物質センシング部
44,46 電極
48 基板
56 基体
58 分散液
60 ろ材
62 ブフナー漏斗
64 ろ物
72 錯イオン
73 カチオン性官能基
74 カーボンナノ構造体
76 一酸化窒素
DESCRIPTION OF SYMBOLS 20 Chemical substance sensing apparatus 30 DC power supply 32 Chemical substance sensing element 34 Load resistance 36 Amplifier 42 Chemical substance sensing part 44,46 Electrode 48 Substrate 56 Base body 58 Dispersion liquid 60 Filter medium 62 Buchner funnel 64 Filtrate 72 Complex ion 73 Cationic functional group 74 Carbon nanostructure 76 Nitric oxide

Claims (9)

雰囲気中の特定物質と選択的に反応する錯イオンとイオン結合するカチオン性官能基を有するカーボンナノ構造体を含み、
前記カーボンナノ構造体は、前記錯イオンにより前記イオン結合を介して表面修飾されていることを特徴とする化学物質センシング素子。
A carbon nanostructure having a cationic functional group that ionically bonds with a complex ion that selectively reacts with a specific substance in an atmosphere;
A chemical substance sensing element, wherein the carbon nanostructure is surface-modified with the complex ions via the ionic bonds.
前記錯イオンは、一般式(1)で表されることを特徴とする請求項1に記載の化学物質センシング素子。
Figure 2010038840
(式中、Mは鉄原子及びコバルト原子からなるグループから選択される金属原子であり、nは2〜3の整数であり、mは0〜1の整数である。)
The chemical substance sensing element according to claim 1, wherein the complex ion is represented by a general formula (1).
Figure 2010038840
(In the formula, M is a metal atom selected from the group consisting of iron atom and cobalt atom, n is an integer of 2 to 3, and m is an integer of 0 to 1.)
前記カーボンナノ構造体は、カーボンナノチューブ、カーボンナノファイバー、カーボンナノホーン及びフラーレンからなるグループから選択される炭素系導電性材料からなることを特徴とする請求項1又は請求項2に記載の化学物質センシング素子。   The chemical substance sensing according to claim 1 or 2, wherein the carbon nanostructure is made of a carbon-based conductive material selected from the group consisting of carbon nanotubes, carbon nanofibers, carbon nanohorns, and fullerenes. element. 前記カチオン性官能基は、アンモニウム基であることを特徴とする請求項1〜請求項3のいずれか1つに記載の化学物質センシング素子。   The chemical substance sensing element according to any one of claims 1 to 3, wherein the cationic functional group is an ammonium group. 請求項1〜請求項4のいずれか1つに記載の化学物質センシング素子と、
前記化学物質センシング素子に電気的に接続され、前記化学物質センシング素子の電気抵抗の変化を検出するための検出手段とを含むことを特徴とする化学物質センシング装置。
The chemical substance sensing element according to any one of claims 1 to 4,
A chemical substance sensing device, comprising: a detecting means which is electrically connected to the chemical substance sensing element and detects a change in electrical resistance of the chemical substance sensing element.
表面にカチオン性官能基が導入されたカーボンナノ構造体であるカチオン性官能基導入カーボンナノ構造体を作製する第1のステップと、
雰囲気中の特定物質と選択的に反応する錯イオンを含む金属錯体と、第1の溶剤とを含む表面修飾用溶液を調製する第2のステップと、
前記表面修飾用溶液に対して、前記カチオン性官能基導入カーボンナノ構造体を投入した後、超音波を照射する第3のステップとを含み、
前記第1のステップ〜前記第3のステップによって、前記錯イオンにより表面修飾されたカーボンナノ構造体である表面修飾カーボンナノ構造体を製造することを特徴とする表面修飾カーボンナノ構造体の製造方法。
A first step of producing a cationic functional group-introduced carbon nanostructure, which is a carbon nanostructure having a cationic functional group introduced on the surface;
A second step of preparing a surface modification solution comprising a metal complex containing a complex ion that selectively reacts with a specific substance in the atmosphere, and a first solvent;
A third step of irradiating the surface modification solution with ultrasonic waves after introducing the cationic functional group-introduced carbon nanostructure;
A method for producing a surface-modified carbon nanostructure, characterized by producing a surface-modified carbon nanostructure that is a carbon nanostructure that has been surface-modified with the complex ions by the first step to the third step. .
前記第1のステップは、
カチオン性官能基を有する芳香族性分子と第2の溶剤とを含むカチオン性官能基導入用溶液を調製するステップと、
前記カチオン性官能基導入用溶液に対してカーボンナノ構造体を投入した後、超音波を照射するステップとを含むことを特徴とする請求項6に記載の表面修飾カーボンナノ構造体の製造方法。
The first step includes
Preparing a cationic functional group introduction solution comprising an aromatic molecule having a cationic functional group and a second solvent;
The method for producing a surface-modified carbon nanostructure according to claim 6, further comprising: irradiating an ultrasonic wave after introducing the carbon nanostructure into the cationic functional group introduction solution.
前記第1のステップは、前記カチオン性官能基を共有結合によって前記カーボンナノ構造体に導入することで、前記カチオン性官能基導入カーボンナノ構造体を作製することを特徴とする請求項6に記載の表面修飾カーボンナノ構造体の製造方法。   The said 1st step produces the said cationic functional group introduction | transduction carbon nanostructure by introduce | transducing the said cationic functional group into the said carbon nanostructure by a covalent bond. A method for producing a surface-modified carbon nanostructure. 請求項6〜請求項8のいずれか1つに記載の方法によって製造された表面修飾カーボンナノ構造体を含むシート状の基体を作製するステップを含むことを特徴とする化学物質センシング素子の製造方法。
A method for producing a chemical substance sensing element, comprising the step of producing a sheet-like substrate comprising a surface-modified carbon nanostructure produced by the method according to any one of claims 6 to 8. .
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