CN107250759A - 包覆了由母材和粒状材料混合成的受体层的传感器 - Google Patents

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Abstract

本发明使用由聚合物等的母材和吸附被检体的粒子组成的复合材料的膜作为受体层。例如,如果将本发明应用于表面应力传感器,通过独立地对吸附期待的被检体的粒子和使该粒子分散于其中的母材进行选择,能够以高自由度来设定对检测灵敏度有很大影响的受体层的杨氏模量。

Description

包覆了由母材和粒状材料混合成的受体层的传感器
技术领域
[0001] 本发明涉及一种传感器,其通过在传感器主体的表面包覆由母材和粒状材料混合 成的受体层,能够对检测对象物质进行高灵敏度且有选择性的检测。
背景技术
[0002] 对随着检测对象分子(被检体分子)的吸附而产生的物理参数的变化进行检测的 传感器,其类型多种多样,被利用在各个领域。为了更容易地检测物理参数的变化,通常,传 感器在用被称作“受体层”的层包覆后,用于测定。由于能利用的受体材料根据以何种物理 参数为对象而改变,因此,一直在进行针对各传感器的最佳受体层的开发。作为一个例子, 有对随着被检体分子的吸附而在表面产生的应力进行检测的一类表面应力传感器。可对这 种传感器的受体层提供自组装单分子膜、DNA/RNA、蛋白质、抗原/抗体、聚合物等多种物质。
[0003] 想要提高此种传感器的灵敏度时,很多情况下,对受体层的物理以及化学特性进 行最优化是很有效的。已报道的一个示例是,如非专利文献1和2中所记载的那样,受体物质 的杨氏模量(Young’s modulus)和膜厚对表面应力传感器有特别大的影响。这种倾向通过 以下的数学式表示。
[0004] [数学式1]
Figure CN107250759AD00031
[0007] 上式是关于非专利文献1中所示的悬臂型表面应力传感器的公式。此处,ΔΖ是悬 臂的挠曲量、w。《悬臂的宽度、1。是悬臂的长度、t。是悬臂的厚度、V。是悬臂的泊松比、E。是悬 臂的杨氏模量、Wf是受体层的宽、tf是受体层的厚度、Vf是受体层的泊松比、Ef是受体层的杨 氏模量、4是向受体层施加的应变。如果在该数学式的基础上计算灵敏度(此时,悬臂的挠 曲量(Deflection)),可知其很大程度地依赖于受体层的杨氏模量。也就是说,为了实现高 灵敏度,针对如杨氏模量那样的物理参数,需要设计具有其最佳值的受体层。基于上式,以 受体层的膜厚为参数,对杨氏模量和挠曲量(灵敏度)之间的关系作图,示于图1。此处,将悬 臂的尺寸设为长度500μηΐ、宽度ΙΟΟμίΉ、厚度ΙμΐΉ,将材料设为硅,进行计算。根据该图可知以 下事项。
[0008] Α.当膜厚固定时,从表面应力传感器灵敏度的观点而言,受体层的杨氏模量存在 最佳值,小于或大于该最佳值,灵敏度都会下降,以及
[0009] B.如果改变受体层的厚度,则最佳杨氏模量会变化。具体而言,受体层越薄,最佳 杨氏模量越向更大一侧移动,而且灵敏度也提高,而在杨氏模量较小的区域,反而存在受体 层薄时则显现不出灵敏度的趋势。
[0010] 另一方面,对于该种传感器而言,为了使被检体分子准确地吸附,特别是需要设计 具有化学选择性的受体层。具体而言,需要根据被检体分子的化学的性质来设计受体层中 所含的官能团,并在稳定的状态下将其固定化在受体层中。
[0011]如上所述,对于对被检体分子进行测定的一类传感器而言,为了使决定性的两个 重要的因素、也即灵敏度和选择性最优化,一般需要将物理特性和化学特性同时最优化。然 而,对此还没有确立易于实现的有效方法,强烈需要早日实现。
发明内容
[0012]发明所要解决的问题
[0013] 本发明的课题是,提供一种方法,该方法通过采用由母材和与其物理/化学特性不 同的粒状材料混合成的受体层,从而实现由粒状材料的化学组成而带来的对被检体分子的 选择性,同时通过采用杨氏模量等物理特性不同的粒状材料,使母材/粒状材料复合体实现 与母材不同的物理特性,从而实现高灵敏度。
[0014] 解决问题的技术方案
[0015] 本发明是一种传感器,其具备:复合体受体层和传感器主体,该复合体受体层包含 母材和粒状材料,该传感器主体在表面上具有前述受体层,对被检体分子吸附于前述受体 层时产生的物理参数的变化进行检测。
[0016] 在此,前述物理参数可以是表面应力、应力、力、表面张力、压力、质量、弹性、杨氏 模量、泊松比、共振频率、频率、体积、厚度、粘度、密度、磁力、磁荷、磁场、磁通量、磁通量密 度、电阻、电量、介电常数、电功率、电场、电荷、电流、电压、电位、迀移率、静电能、电容、电 感、电抗、电纳、导纳、阻抗、电导、等离子体激元、折射率、光度以及温度中的一种或两种以 上。
[0017] 另外,前述粒状材料和前述母材可以具有相互不同的物理参数值。
[0018] 另外,前述粒状材料可以是纳米粒子。
[0019] 另外,前述母材可以是高分子系材料。
[0020] 另外,前述高分子系材料可以是聚合物。
[0021] 另外,前述粒状材料可以是由多种化合物组成的多组分系材料。
[0022] 另外,前述多组分系粒状材料可以至少含有二氧化硅和二氧化钛。
[0023] 另外,前述粒状材料的表面可以修饰一种或两种以上的表面修饰基团。
[0024] 另外,前述表面修饰基团中,至少有一种表面修饰基团可以吸附前述被检体分子。
[0025] 另外,前述表面修饰基团可以含有疏水性表面修饰基团和亲水性表面修饰基团。
[0026] 另外,可以通过将硅烷偶联剂与粒状材料原料共沉淀而使前述表面修饰基团固定 化于粒子表面。
[0027] 另外,可以通过在预先合成的粒状材料表面进行硅烷偶联剂的后处理而使前述表 面修饰基团固定化。
[0028] 另外,前述表面修饰基团可以是氨基丙基、苯基、烷基、巯基丙基、缩水甘油基、乙 烯基、磺基、氟基当中的一种或两种以上。
[0029] 另外,前述传感器主体可以是表面应力传感器。
[0030] 另外,前述母材和前述粒状材料可以具有相互不同的杨氏模量。
[0031] 发明效果
[0032] 根据本发明,通过混合物理/化学性质不同的粒状材料,从而能够实现使用聚合物 等单独的母材难以实现的高灵敏度以及对多种被检体分子的选择性。更具体而言,例如,通 过将一种聚合物作为受体层的母材并在其中添加化学组成、杨氏模量不同的粒状材料,从 而能够同时且全面地控制灵敏度以及选择性。换言之,如图1的曲线所示,无论是哪种膜厚 的受体层(母材的膜),通过添加粒状材料都能够使杨氏模量在非常广的范围内自由变化, 所以,无论是哪种膜厚的受体层(母材的膜),都能够以沿着图1的各个曲线的形式调整灵敏 度。另外,对于选择性,通过根据期望的被检体而适当选择具有所需官能团的粒状材料并添 加于母材,从而能够在宽范围内自由地切换能检测的被检体。基于此,因为通过以有机合成 反应为代表的各种操作,不仅无需将母材本身的构造改变成能显现与被检体分子之间的亲 和性的形式,而且能够省略每次改变母材的种类时所需的对传感器表面的涂布条件等的再 探讨过程,因此不仅有利于研究层面,而且有利于面向产业层面的实用化。
附图说明
[0033] 图1是针对包覆了受体层的表面应力传感器,表示其灵敏度、受体层的杨氏模量、 膜厚之间的关系的图。
[0034] 图2是表示在实施例1中合成粒状材料所利用的装置构成的一个示例的图。
[0035] 图3是在实施例1中制作的具有不同的表面修饰基团的粒状材料的扫描型电子显 微镜(SEM)图像。
[0036] 图4是将实施例1的粒状材料添加于聚乙烯吡咯烷酮(PVP)并将其包覆于膜型表面 应力传感器(MSS)表面前后的光学显微镜图像。
[0037] 图5是表示使用实施例1中的包覆PVP/粒状材料复合体的MSS以及作为其比较对象 的包覆PVP的MSS,对八种化合物进行测定的结果的图。
[0038] 图6是将图5的传感器信号中的导入样品气体后30秒左右(要切换为吹扫气体之 前)的值抽出,并对各个测定的化合物进行绘制的图。
[0039] 图7是表示使用实施例2中的包覆次数不同的包覆PVP/粒状材料复合体的MSSji 八种化合物进行测定的结果的图。
[0040] 图8是将图7的传感器信号中的导入样品气体后30秒左右(要切换为吹扫气体之 前)的值抽出,并对各个测定的化合物进行绘制的图。
具体实施方式
[0041] 本发明的传感器具备复合体受体层(母材/粒状材料复合体受体层)和传感器主 体,该复合体受体层包含母材和粒状材料,该传感器主体在表面上具有受体层,并对被检体 分子吸附于受体层时产生的物理参数的变化进行检测。
[0042] 具体而言,传感器主体只要能检测表面应力、应力、力、表面张力、压力、质量、弹 性、杨氏模量、泊松比、共振频率、频率、体积、厚度、粘度、密度、磁力、磁荷、磁场、磁通量、磁 通量密度、电阻、电量、介电常数、电功率、电场、电荷、电流、电压、电位、迀移率、静电能、电 容、电感、电抗、电纳、导纳、阻抗、电导、等离子体激元、折射率、光度、温度等其他的各种各 样的物理参数即可,其具体的构成不受特别的限定。
[0043] 该传感器通过传感器主体检测因受体层吸附被检体分子而引起的物理参数的变 化。因此,对于能用于本发明的传感器主体而言,只要其对因检测对象物质吸附于其表面上 包覆的母材/粒状材料复合体受体层而引起的受体层的变化进行检测,其结构/动作等就不 受特别的限定。例如,在使用表面应力传感器的情况下,其对因包覆其表面的母材/粒状材 料复合体受体层吸附检测对象物质而在该受体层中引起的应力变化进行检测,并将信号输 出。需要注意的是,此处,吸附这一用语,不仅指物理吸附,而且也包括基于化学结合、生化 作用的吸附在内的最广泛的含义。另外,用于受体层的复合体可以仅由母材和粒状物质组 成,或者还可以添加其他的辅助成分(例如,提高粒子分散性的组分、用于实现仅采用母材 成分而难以达到的物理/化学特性的改质剂等)。母材自身也可以由多种物质(例如多种聚 合物)组成。
[0044] 另外,传感器主体表面的受体层的厚度(膜厚)能够在考虑各种物理参数的检测灵 敏度等的基础上适当设计,例如,能够例举Inm〜ΙΟΟΟμηι的范围。此外,如果基于图1考虑的 话,只要受体层的膜厚在IOOnm〜1 Ομπι的范围,在通常使用的材料的杨氏模量的范围(IMPa 〜IOOOGPa)内,能将悬臂的挠曲量设为最大。另外,假设受体层由具有非常多的空孔的材料 构成时,杨氏模量有时小于IMPa,即使在那样的情况下,从使悬臂的挠曲量最大化的观点出 发,受体层的膜厚优选为IOOnm〜ΙΟΟΟμηι的范围。
[0045] 在本发明的母材/粒状材料复合体受体层中使用的粒状材料,只要满足具有与聚 合物等母材不同的物理/化学特性这一前提条件,就可以是任意形状及结构。对于粒状材料 的粒子尺寸,只要能分散于母材中即可,并无特别的限制,但从易于定义本体相(bulk)的物 理特性并能进行定量讨论的观点出发,优选为纳米粒子。此处,纳米粒子是指粒子尺寸是 Inm〜IOOnm的粒子。
[0046] 作为粒状材料的粒子的形状,可以是各向同性也可以是各向异性。粒子结构可以 是致密结构、多孔质或中空等稀疏结构、核壳型结构等的粒子。进一步,在粒状材料的表面, 能够根据检测对象物适当固定一种或两种以上的任意的表面修饰基团。例如,当粒状材料 具有两种以上的表面修饰基团时,优选含有疏水性表面修饰基团和亲水性表面修饰基团。 另外,优选的是,表面修饰基团中,至少有一种表面修饰基团吸附被检体分子。
[0047] 进一步,例如,既能够通过将硅烷偶联剂与粒状材料原料共沉淀而使表面修饰基 团固定化于粒子表面,又能够通过在预先合成的粒状材料表面进行硅烷偶联剂的后处理而 使表面修饰基团固定化。另外,可以组合具有硫醇基的分子、膦酸等,除此以外,还可以组合 高分子、生物相关分子。
[0048] 作为这样的表面修饰基团,例如可以举出:氨基丙基、苯基、烷基、巯基丙基、缩水 甘油基、乙稀基、横基、氣基中的一种或两种以上。
[0049] 作为构成粒状材料的粒子的物质,只要满足具有与母材不同的物理/化学特性这 一条件,就可以是任何物质。例如,能够优选举出金属等单质、或氧化物、硫化物等化合物、 无机有机混合物等。另外,粒状材料优选为例如,由包含二氧化硅和二氧化钛等的多种化合 物组成的多组分系材料。
[0050] 需要说明的是,将本发明应用于MSS等表面应力传感器时,如果母材是聚合物等柔 软的材料,期望粒子的杨氏模量大于母材。相反地,当母材是一定程度的硬的物质时,有时 期望粒子采用使复合体受体层整体的杨氏模量变小的材料,如聚合物粒子、气泡等。即,优 选粒状材料和母材具有互不相同的物理参数值。
[0051] 另外,前述粒状材料可以是通过任何方法合成的材料。具体而言,从均一溶液中的 析出反应、利用了乳液的模拟均一体系中的反应,至利用了喷雾干燥、热分解的在气相中的 反应、球磨等固相反应,并无特别的限定。
[0052] 作为被母材/粒状材料复合体受体层包覆的传感器主体的一个示例,能举出表面 应力传感器,其形状、材质、尺寸等不受特别的限定,能够使用任何物体。例如能够优选地举 出一处或多处被支持的薄片状部件。此外,能够采用例如双支撑臂等两处或更多处被支持 的薄片状的物体、膜体等各种形态的物体。
[0053] 用于将母材/粒状材料复合体受体包覆于传感器表面的方法,可以是浸涂、喷涂、 旋涂、喷墨涂布、饶铸(casting)、使用刮刀的包覆等,并无特别限定。
[0054] 另外,用作受体层的粒状材料,只要其自身高效地吸附期望的被检体分子,就可以 直接使用这样的粒状材料。或者,通过用特定的表面修饰基团修饰粒状材料,能够使其吸附 期望的被检体分子、或者提高吸附效率、或者提高吸附物质的选择性等,实现检测性能的改 善。另外,利用表面修饰基团进行的修饰可以出于与被检体分子的吸附没有直接关系的目 的、例如提高粒子相互的结合性、与基板的接合性等、提高包覆母材/粒状材料复合体的传 感器的耐久性、耐环境性等。
[0055] 此处,认为在母材/粒状材料复合体层中,大部分或全部的粒状材料表面被母材覆 盖的情况非常多。即使在该情况下,当母材为聚合物等时,被检体分子也能透过母材的覆膜 而容易地到达粒状材料。或者,即使使用被检体分子不易透过的母材,当该包覆厚度极薄 时、或当覆膜中存在足够的数量/尺寸的针孔等时,被检体分子仍然能很容易到达粒状材 料。因此,期望根据被检体分子、所需的检测灵敏度、使用环境等,对使用的母材、粒状材料、 包覆体中两者的混合比、包覆体层的厚度、母材中的添加剂等进行适当调节。
[0056] 对于选择性而言,需要注意的是,也可以将由母材中的官能团等带来的母材自身 的选择性和粒状材料具有的选择性组合利用。一个示例是,当采用在具有疏水性官能团的 母材中混合了具有亲水性官能团的粒状材料而成的复合体层时,能高效地吸附两性化合 物。
[0057] 实施例
[0058] 以下,基于实施例进一步详细地说明本发明,当然,本发明并不受这些实施例的限 定。
[0059] <实施例1>由具有各种表面修饰基团的PVP/二氧化硅-二氧化钛混合粒状材料 复合体包覆的MSS
[0060] 以下,对一个实施例进行说明,该实施例将具有各种表面修饰基团的粒状材料和 作为母材的聚合物复合化,以其为受体层包覆传感器,并用该传感器进行测定。
[0061] 通过正硅酸乙酯或各种硅烷偶联剂与四异丙醇钛(TTIP)在溶解了十八烷基胺 (ODA)的氨碱性异丙醇(IPA)水溶液中的共水解、缩合聚合反应,合成了上述具有各种表面 修饰基团的二氧化硅-二氧化钛混合粒状材料。此处,使用了3-氨基丙基三乙氧基硅烷以及 苯基三乙氧基硅烷作为硅烷偶联剂。用微米尺寸的具有Y字型流路的特氟龙(Teflon)(注册 商标)制的微型反应器实施上述合成反应(图2)(非专利文献3)。前驱溶液是:溶液1:硅醇盐 或各种硅烷偶联剂/1 PA、溶液2: H2O/1 PA/氨、溶液3: TTIP/1 PA、溶液4: H2O/1 PA,制备相同体 积的溶液1至溶液4。通过注射栗,同时地以一定的速度输送前驱溶液。将溶液1和溶液2、溶 液3和溶液4分别在并列的微型反应器内混合,并通过将来自两反应器的吐出液进一步在其 他微型反应器内混合,制成一个反应液。反应液向预先另行制备的前驱溶液5: ODA/H2O/1 PA 中吐出,并以一定速度搅拌至吐出结束为止。然后,在室温条件下静置,得到了上述粒状材 料的分散液。将通过SEM观察的粒子图像示于图3。
[0062] 在此,对于本实施例中合成的粒状材料而言,根据合成时使用的醇盐或硅烷偶联 剂的种类,该粒状材料是具有氨基丙基或苯基的二氧化硅-二氧化钛混合粒子,或者是不具 有特定的修饰基团的二氧化硅-二氧化钛混合粒子。但是,需要注意的是,这三种粒状材料 全部是在ODA共存下合成的,因此粒子结构中包含十八烷基。
[0063] 作为添加上述粒状材料的聚合物,在此使用了作为常用的一种聚合物的聚乙烯吡 咯烷酮(PVP)。通过将一定量的PVP、上述粒子分散液、水和IPA混合,以PVP浓度和粒子浓度 都成为lg/L的方式进行了制备。照射超声波,通过目视确认粒子分散后,立刻用喷涂机在传 感器芯片上进行喷雾、干燥。传感器使用了专利文献1提出的具有膜型结构的压电电阻型 MSS0
[0064] 将本实施例中制成的、包覆PVP/二氧化硅-二氧化钛混合粒状材料复合体后的MSS 的光学显微镜图像示于图4。通过与包覆前相比,能够确认膜结构整体已被包覆。
[0065] 接着,对水以及易溶/难溶于水的化学物种进行了测定。具体而言,通过将水、甲醛 (福尔马林)、乙醇、IPA、己烷、庚烷、苯、甲苯这八种分别分取至小药瓶(vial),以lOOmL/min 向其中流入作为载气的氮气,从而制成含有一定量的样品蒸汽的气体,并将其导入收纳有 MSS的密闭室。将各样品蒸汽的测定结果示于图5和图6。作为比较对象,将使用相同的喷涂 机将PVP (lg/L溶液)包覆于相同结构的压电电阻型MSS并进行测定的结果、以及使用未进行 任何包覆的MSS进行测定的结果也示于图5以及图6中(利用未进行任何包覆的MSS (图中为 “MSSbare”)进行测定的结果仅示于图6)。需要说明的是,图6中的“PVP”表示仅包覆了不含 粒状材料的PVP的传感器,“ PVPNPs”表示由含有不具有表面修饰基团的粒状材料的PVP包覆 的传感器,“PVPNH2NPS”表示由含有用氨基丙基修饰的粒状材料的PVP包覆的传感器, “PVPPhNPs”表示由含有用苯基修饰的粒状材料的PVP包覆的传感器。
[0066] 在仅包覆了PVP的情况下(图6中的“PVP”),对于易溶于水的化合物有响应,而对于 难溶的化合物的响应很微弱。该现象能够通过PVP自身是易溶于水的聚合物而得到说明。在 添加了用苯基修饰的粒子的情况(图6中的“PVPPhNPs”)下,可知对于易溶于水的化合物的 响应基本不变,而对于难溶于水的化合物的响应得到改善。相对于对水的响应信号强度的 相对信号强度,难溶于水的四种化合物全都大致为1以上,认为是导入了疏水性的苯基的影 响。在不具有特定的修饰基团的二氧化硅-二氧化钛混合粒子的情况下,对于难溶于水的四 种化合物的响应得以改善,认为这是因为在结构中存在疏水性十八烷基。另一方面,在添加 了用亲水性氨基丙基修饰的粒子的情况下(图6中的“PVPNH2NPS”),对于易溶于水的化合物 的响应显著改善。由上所述,依据添加的粒状材料的表面特性,能够控制受体层对被检体分 子的选择性。
[0067] <实施例2 >通过将二氧化硅-二氧化钛混合粒状材料添加于PVP来制作高杨氏模 量的复合体以及实现MSS的高灵敏度化
[0068] 从图4的光学显微镜图像可知,在添加了用氨基丙基修饰的粒子的示例中,传感器 表面整体被比较均匀地包覆。此处,为了讨论复合体的杨氏模量的影响,考虑添加了用氨基 丙基修饰的粒子的情况。
[0069] 二氧化硅和二氧化钛的杨氏模量约为70GPa和200GPa左右,在本实施例使用的混 合粒子的情况下,考虑基于由制作该粒子时加入的原料计算的二氧化硅和二氧化钛的重量 比的加权平均,推测为IOOGPa左右。PVP的杨氏模量约为2GPa左右,基于此,能够粗略估算出 本实施例的PVP/粒状材料复合体受体层的杨氏模量约为50GPa。通过膜厚计对复合体包覆 的膜厚进行了估算,结果大约是100〜200nm。根据非专利文献1,在膜厚为100〜200nm的条 件下对杨氏模量为2GPa和50GPa时的灵敏度进行比较时,后者有可能大几倍左右(也参考图 1,该图表示以膜压为参数时的杨氏模量与灵敏度之间的关系)。由图5和图6可知,例如对于 易溶于水的化合物的灵敏度已经变成大约2倍以上,意味着杨氏模量具有贡献。
[0070] 接着,为了确认是否存在如非专利文献1所示那样的灵敏度随膜厚的增加而上升 的趋势,将上述PVP/氨基丙基修饰的粒子复合体反复地包覆在传感器表面,进行了上述八 种化学物种的测定。其结果示于图7和图8。图8中的“PVPNH2NPS”表示由含有用氨基丙基修 饰的粒状材料的PVP包覆1次或多次(X 1〜10)而成的传感器;“PVPPhNPs”表示由含有用苯 基修饰的粒状材料的PVP包覆20次(X 20)或30次(X 30)而成的传感器。
[0071] 对于水和甲醛,观察到了灵敏度随着膜厚的增加而逐渐上升的趋势。另一方面,烷 基越长等,化合物的疏水性越强,从而不能观察到单调的灵敏度上升的倾向。更具体而言, 确认了从进行了 10次或20次喷涂时起,灵敏度降低。根据非专利文献1已经表明,当杨氏模 量一定时,存在能赋予最大灵敏度的膜厚,因此,能解释为本次的结果遵循这一趋势。
[0072] 此外,观察图1可知,想要实现高灵敏度时,膜厚薄且杨氏模量大的受体层更有利。 但是,杨氏模量大、也即硬的材料通常有难以吸收、透过被检体的趋势,因此,使用杨氏模量 大的材料并不一定能实现高灵敏度。例如,如果使用金刚石膜,虽然能够实现具有非常大的 杨氏模量的膜,但是,被检体不能进入该膜的内部。其结果是,使用金刚石作为母材的受体 层基本上不会产生形变,检测灵敏度变得极低。因此,在原理上,只要使用除了杨氏模量高、 膜厚薄以外,还易于使被检体透过/吸收的母体材料,就能实现高检测灵敏度,但是,在现实 中从作为母材易于处理且将常用的材料功能化的方面考虑,使用聚合物作为母材是有利 的。
[0073] 另一方面,对于水和甲醛,仍然具有灵敏度上升的趋势,其理由仅通过杨氏模量、 膜厚的物理参数难以说明,推测是因与受体表面的化学相互作用的贡献而导致的。
[0074] 另外,通过用亲水性表面修饰基团和比该亲水性表面修饰基团更长的疏水性表面 修饰基团这两者来修饰粒状材料表面,能使该表面在宏观上为疏水性而在微观上为亲水 性。例如,对于本实施例中制作的用氨基丙基修饰的粒子表面而言,除氨基丙基以外,还用 十八烷基进行表面修饰,当粒状材料表面成为如此状态时,由于链长较长的十八烷基的存 在,在宏观上是疏水的;而由于氨基丙基共存,在微观上存在很多吸附水的位点。基于此,实 现了排斥液体状态等块(bulk)状的水而吸附水蒸汽(换言之,即分散于气体中的状态的水 分子,而不是块状的水)的状态。
[0075] 十八烷基和氨基丙基的链长是几至Inm左右,基于此,可认为例如通过将本实施
Figure CN107250759AD00091
例的包覆氨基丙基粒子/PVP的MSS设置于溶解了具有氨基和亲和性的分子(蛋白质等)的水 中,从而能够以从水中选择性地仅抽取被检体分子的方式进行吸附。由以上可知,不仅能够 实现气体中的测定,而且能够实现以往的示例中没有的液体中的测定,例如直接检测血液 中的各种气体的浓度等。
[0076] 在本实施例的氨基丙基/十八烷基表面修饰粒子表面,亲水性修饰基团和疏水性 修饰基团能够周期性地或大致周期性地混合存在,这是因为该粒子是二氧化硅-二氧化钛 混合纳米粒子,与各修饰基团结合的二氧化硅部分和二氧化钛部分在其表面上反复出现。 制造多种材料在表面如此地反复出现的粒子时,只要如实施例1所示地使多种醇盐在有机 物存在下混合并反应即可。另外,在控制通过该反应制造的粒子的尺寸及形状时,例如,只 要如实施例1所示地使用流程合成口 一合成)的方法即可。
[0077] 无论在哪种情况下都表明,作为本发明的课题,能通过控制受体层的物理参数(此 处为杨氏模量)而使灵敏度上升。
[0078] 工业实用性
[0079] 如以上详细地说明的那样,根据本发明,通过使用母材/粒状材料复合体作为受体 层材料,由此,与单独采用母材构成受体层的情况相比,能够以明显更高的自由度实现对测 定产生影响的受体层的物理/化学特性,能够实现高灵敏度和高选择性,所以期待本发明对 在传感器主体表面上设置受体层的传感器的领域具有巨大贡献。
[0080] 现有技术文献
[0081] 非专利文献
[0082] 非专利文南犬1: G · Yoshikawa,’’Mechanical Analysis and Optimization of a Microcantilever Sensor Coated with a Solid Receptor Filmj^Appl.Phys.Lett.98, 173502-1-173502-3 (2011).
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Claims (16)

  1. I. 一种传感器,其特征在于,具备复合体受体层和传感器主体, 该复合体受体层包含母材和粒状材料, 该传感器主体在表面上具有所述受体层,对被检体分子吸附于所述受体层时产生的物 理参数的变化进行检测。 2 ·根据权利要求1所述的传感器,其中,所述物理参数是表面应力、应力、力、表面张力、 压力、质量、弹性、杨氏模量、泊松比、共振频率、频率、体积、厚度、粘度、密度、磁力、磁荷、磁 场、磁通量、磁通量密度、电阻、电量、介电常数、电功率、电场、电荷、电流、电压、电位、迀移 率、静电能、电容、电感、电抗、电纳、导纳、阻抗、电导、等离子体激元、折射率、光度以及温度 中的一种或两种以上。
  2. 3. 根据权利要求1或2所述的传感器,其中,所述粒状材料和所述母材具有相互不同的 物理参数值。
  3. 4. 根据权利要求1〜3中任一项所述的传感器,其中,所述粒状材料是纳米粒子。
  4. 5. 根据权利要求1〜4中任一项所述的传感器,其中,所述母材是高分子系材料。
  5. 6. 根据权利要求5所述的传感器,其中,所述高分子系材料是聚合物。
  6. 7. 根据权利要求1〜6中任一项所述的传感器,其中,所述粒状材料是由多种化合物组 成的多组分系材料。
  7. 8. 根据权利要求7所述的传感器,其中,所述多组分系粒状材料含有二氧化硅和二氧化 钛。
  8. 9. 根据权利要求1〜8中任一项所述的传感器,其中,所述粒状材料的表面由一种或两 种以上的表面修饰基团修饰。
  9. 10. 根据权利要求9所述的传感器,其中,所述表面修饰基团中,至少有一种表面修饰基 团吸附所述被检体分子。 II. 根据权利要求9所述的传感器,其中,所述表面修饰基团含有疏水性表面修饰基团 和亲水性表面修饰基团。
  10. 12. 根据权利要求9〜11中任一项所述的传感器,其中,所述表面修饰基团是通过将硅 烷偶联剂与粒状材料原料共沉淀而被固定化于粒子表面的。
  11. 13. 根据权利要求9〜11中任一项所述的传感器,其中,所述表面修饰基团是通过在预 先合成的粒状材料表面进行硅烷偶联剂的后处理而被固定化的。
  12. 14. 根据权利要求8〜13中任一项所述的传感器,其中,所述表面修饰基团是氨基丙基、 苯基、烧基、疏基丙基、缩水甘油基、乙稀基、横基、氣基中的一种或两种以上。
  13. 15. 根据权利要求1〜14中任一项所述的传感器,其中,所述传感器主体是表面应力传 感器。
  14. 16. 根据权利要求15所述的传感器,其中,所述母材和所述粒状材料具有相互不同的杨 氏模量。
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