CN1678899A - 水晶振子型纳米管传感器 - Google Patents

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藤原祺多夫
池田美和子
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Abstract

在水晶振子上的电极面上配设氧化物层内包表面活性剂胶束的纳米管体薄膜，由纳米管内的识别试剂与被该识别试剂捕集的目标物质导致的重量变化检测试样溶液中的目标物质的存在，着眼于纳米尺寸细孔内的表面活性剂的存在赋予的疏水场，可以开展水晶振子型传感器功能的新应用。

Description

水晶振子型纳米管传感器
技术领域
本发明涉及水晶振子型纳米管传感器。更详细地讲，作为生物化学分析、微量成分分析等用的传感器，本申请发明涉及医学、卫生、工业、农业、及环境评价等的宽范围领域中使用的，利用纳米尺寸的细孔(纳米管)结构的新的水晶振子型纳米管传感器。
技术背景
从过去，纳米尺寸的细孔便引入注目，并研究了制造这种细孔(介孔)物质的方法。这些以往的研究是在表面活性剂的存在下进行烷氧基硅烷化合物的水解，以表面活性剂作为铸模形成具有细孔的物质。例如，作为以往的技术，报道了在云母基板上形成介孔物质(文献1)或利用溶剂蒸发形成介孔薄膜(文献2)，介孔薄膜的图案化与利用硅烷偶联剂的功能化(文献3)等。
文献1：Hong Yang，et al.，Nature，Vol.379，22 Feb.1996，p.703-705
文献2：Yun Feng Lu，et al.，Na ture，Vol.389，25 Sep，1997，p.364-368
文献3：Hong you Far，et al.，Nature，Vol.405，4 May，2000.p.56-60
然而，例如虽然有如以上的研究，但作为有关具有纳米尺寸细孔的物质、该物制裁薄膜的功能性材料的技术应用，尽管对作为pH传感器的应用等作了暗示，但实际情况是基本上没有进展。例如期望实现利用的纳米尺寸细孔结构的超微量分析等至今没有实现。
作为这样的理由之一，以往的技术虽然使用表面活性剂作为形成细孔用的铸模，但通过烧成除去该表面活性剂，有时没着眼表面活性剂形成的疏水场。为了作为分析传感器等的功能的应用，该疏水场更引人注目为宜。
因此，本申请发明是鉴于如以上的问题而完成的研究，把对具有纳米尺寸细孔的物质，着眼于该物质制造过程中使用的表面活性剂的存在所赋予的疏水场，提供可作为其功能向传感器展开应用的新技术方法作为课题。
发明内容
本申请发明，作为解决上述课题的手段，第1提供水晶振子型纳米管传感器，其特征在于是在水晶振子微量天平的水晶振子上的电极面上配设氧化物层内包表面活性剂胶束的纳米管体薄膜的纳米管传感器，所捕集的目标物质导致的纳米管体薄膜的重量变化作为水晶振子的频率变化来进行检测，由此检测目标物质的存在。
另外，本申请发明第2提供纳米管传感器，其特征为在水晶振子微量天平的水晶振子上的电极上配设氧化物层所形成的纳米管体经化学改性的纳米管体薄膜。
第3提供水晶振子型纳米管传感器，其特征为这些上述的传感器，以硅氧化物为主构成纳米管体的氧化物层。
另外，本申请发明第4提供水晶振子型纳米管传感器，其特征为上述的传感器，检测试样液相中的目标物质的存在。
第5提供水晶振子型纳米管传感器，其特征为将识别试剂与试样溶液混合，在纳米管内提取识别试剂与被该识别试剂捕集的目标物质，检测目标物质的存在。
第6提供水晶振子型纳米管传感器，其特征为预先使纳米管内含浸识别试剂，该含浸的识别试剂捕集试样溶液中的标的物质，检测目标物质的存在。
此外，本申请发明，第7提供水晶振子型纳米管传感器，其特征为检测试样气相中的目标物质的存在。
QCM法(Quartz CryStal Microblance：水晶振子微量天平)作为可检测纳克级质量变化的原地(in-situ)测定法可在多方面使用。一般地QCM测量随物质对水晶振子上金属极的吸附脱附的质量变化(由频率变化换算)。因此，由于用金属极的表面积规定物质检测量，故过去不适宜对质量小的分子和离子的检测，为了利用QCM作为更通用的化学传感器，传感器的高灵敏度化必不可少。在这样的状况下，如上述的本申请发明是将功能性纳米管薄膜应用于QCM用的水晶振子型传感器，是通过着眼于具有直径数nm的细孔(纳米管结构)、极高比表面积(～1000m2/g)的纳米管结构，和利用纳米管内的表面活性剂胶束形成的疏水场，通过向水晶振子的电极上固定纳米管薄膜，可以进行利用三维空间的QCM测定，谋求大幅度改善检测极限与灵敏度，利用这种细孔内的疏水环境，进而有效利用细孔内的化学修饰，或分子认识试剂的化学敏感。
附图的简单说明
图1是模式地表示有关纳米管体薄膜的图。
图2是模式地表示有关提取型与含浸型传感器的图。
图3是表示使用实施例中的水晶振子纳米管传感器检测Mg离子的图。
图4是表示无Qs存在下的水晶振子型纳米管传感器的应答性的图。
图5是表示利用纳米管内胶束捕集金属络合物的模式图。
图6是表示频率变化(重量变化)对Mg浓度依赖性的图。
图7是表示使用水晶振子型纳米管传感器检测铝离子的灵敏度的图。
图8是表示将大气中的VOC中的苯的检测作为频率变化的图。
图9是表示VOC中的氯仿的定量检测性的图。
图10是表示检测水溶液中乙醇的图。
图11是表示检测汞离子的图。
图12是表示汞的定量检测性的图。
具体实施方式
本申请发明具有如上述的特征，以下对发明的实施方案进行说明。
本申请发明中最突出的特征是作为纳米管传感器的结构，氧化物层内包表面活性剂胶束而保持纳米管内为疏水性的场，另外，是由纳米管体薄膜随在该疏水性场的目标物质的捕集所引起的重量变化来进行试样中的目标物质的检测。可成为这样的特异结构及其作用的纳米管体的薄膜，如果模式地表示为二氧化硅等的硅氧化物层的场合，例如可考虑为图1的构成。
这种纳米管体，可优选首先由作为原料的氧化物形成性烷氧基金属化合物和含表面活性剂的酸性醇溶液，经加热或干燥制成氧化物层内包表面活性剂胶束。上述溶液的原料浓度比较稀薄的场合，在蒸发干固的过程中形成胶束，这些胶束成为铸模形成纳米管体。而原料浓度浓厚的场合在高温加压下原料等熔融，在熔融的过程中形成纳米管体。
作为该场合的氧化物形成性烷氧基金属化合物，只要是形成纳米管结构体的氧化物层的物质则可以是各种的物质。例如代表性的例可列举烷氧基硅化合物作为形成硅氧化物层的化合物，除此之外，也可以考虑钛、锆、铪、钽、铌、镓、稀土类元素等的各种元素的烷氧基金属化合物。
有关与这些烷氧基金属化合物一起使用的表面活性剂可以考虑各种的表面活性剂，例如作为代表性的表面活性剂，可列举作为离子性表面活性剂的季铵盐型的表面活性剂，还可列举磺酸型的表面活性剂。也可以是聚醚型非离子型表面活性剂。但是，其中优选的一种是阳离子性的季铵盐型表面活性剂。
有关烷氧基金属化合物与表面活性剂的使用比例，根据这两者的种类而不同，没有特殊地限定，但一般，作为表面活性剂与烷氧烷金属化合物的摩尔比可以把0.01-0.5作为目标。
烷氧基金属化合物与表面活性剂在酸性的水溶液中进行混合、加热。此时的加热温度可以加热到回流温度。为了成为酸性条件，可以混合盐酸或硫酸、或有机酸。另外，水溶液中优选使低沸点的乙醇、丙醇、甲醇等的醇共存。
加热后生成本申请发明中的纳米管体，此时，在水晶振子上的电极、例如金电极的面上展开加热溶液，或在该面上加热前述的溶液。这样，可以得到如图1模式地表示的纳米管体的薄状物。这种薄状物可称为薄膜。
另外，本申请发明在形成以上的纳米管体薄膜时，可以在纳米管体薄膜形成用溶液中，与烷氧基金属化合物、表面活性剂一起，添加提高电极与薄膜密合性用的化合物，例如金电极场合的巯基化合物，或认为对保持纳米管体细孔疏水性有效的疏水化剂，例如硅烷偶联剂等。
将纳米管体薄膜含浸在水或水性溶液中时，内包在纳米管(细孔)中的表面活性剂胶束的一部分在水或水性溶剂中溶出，有时纳米管内的疏水性随时间而降低，这样的场合，通过预先将纳米管内壁进行疏水化处理，增大表面活性剂胶束与纳米管内壁的疏水性相互作用，可抑制表面活性剂胶束向水或水性溶液中的溶出。
因此，可良好地维持作为水晶振子型纳米管传感器的检测灵敏度(精确度)。
兼具提高对电极的密合性的功能和作为如上述疏水化剂的功能，可适当考虑例如使用巯烷基烷氧基硅烷系化合物。
此外，纳米管体考虑作为传感器检测对象的目标物质的捕捉性，还可以实施对此有用的化学改性。例如前述巯基化合物的场合，作为具有特有的金属离子捕捉性的化合物，化学改性上有效。
例如利用可以采用如上述方法制的氧化物层中内包表面活性剂胶束的纳米管体薄膜，构成本发明申请的水晶振子型纳米管传感器。这种纳米管传感器可以用于检测试样液相中的目标物质，也可以用于检测气相中的目标物质。
另外，也可以使与目标物质有强的相互作用的分子识别试剂共存在纳米管体中。这种分子识别试剂，作为其形态大致分成提取型与含浸型。图2是模式地表示使用分子识别试剂场合的概要图。
提取型时，例如使分子识别试剂溶解于试样水溶液中，通过边使该溶液与目标化学物质形成络合物边利用疏水性相互作用在纳米管内提取。以水晶振子的频率变化为基础检测薄膜中所捕集的化学物质导致的薄膜的重量变化。提取型的优点是检测出分子识别试剂加到目标物质上后的重量变化，灵敏度比利用目标化学物质单体的重量变化进行检测高。而含浸型是预先由该水溶液向纳米管内导入分子识别试剂，然后利用存在于纳米管内的分子识别试剂捕集试样水溶液中的目标化学物质，以水晶振子的频率变化为基础检测目标化学物质的重量变化。这种含浸型通过将有不同识别试剂的传感器分别配置在同一个基板上，可以一齐检测多种的化学物质。
以上任何一种的场合，识别试剂可以是各种的试剂，目标物质，可以为例如金属离子或无机化合物、合成有机化合物、天然有机物、或可与来自于生物体的物质等形成络合物的物质、或通过反应结合、或可物理性的捕捉结合的物质等各种的物质。纳米管内的疏水场，识别试剂作为其分子结构有各种官能基也可以使用。另外，这些试剂不只是低分子化合物、也可以是DNA、蛋白质、酶等的高分子或来自生物的物质。
此外，作为本申请发明的水晶振子型纳米管传感器，也可以活用作为前述疏水性环境场的纳米管(细孔)，不使用特殊的分子识别试剂而捕捉目标化学种来进行检测。作为代表性的例子是检测大气中的VOC(探发性有机化合物)。近年来，由于住宅的建材、家具、粘合剂等放出的VOC(挥发性有机化合物)的影响而引起的头痛或目眩等症状的室内空气污染综合症成为问题。而以往的VOC检测器存在检测时间长、大型且价格高的问题。因此处于期望分析仪器的小型化、通过复合化来改善测定的质量或成本的状况，本申请发明的以胶束(表面活性剂)为铸模形成利用纳米管薄膜的QCM(水晶振子微量天平法)传感器，具有许多的微小细孔(～3nm)结构，有极高的比表面积，并且由于细孔内部形成疏水性环境故可以高效率地在细孔内捕集VOC。这种传感器可大幅度改善QCM的检测极限与灵敏度。
这样，本申请发明的水晶振子型纳米管传感器也可应用于气体传感器。当然，该气体传感器的应用也可以根据目标气体成分，使用如前所述的特有的分子识别试剂。
此外，疏水环境场的利用，也可以对纳米管的细孔内疏水性地进行化学修饰，利用此时的化学修饰物质捕捉目标化学种来进行检测。此时，根据情况也可以在减压下加热表面活性剂胶束，除去胶束的一部分或全部。
需说明的是，在以上的任何一种情况，前述纳米管体薄膜的重量变化的检测可以与以往的QCM法的场合相同。
以下列举实施例，更详细地对发明的实施方案进行说明。当然本发明不受以下例限定。
实施例
1.薄膜的制作方法
首先，按以下的顺序在水晶振子上的金电极面上形成纳米管体薄膜。
<制薄膜用溶液的制备例>
·薄膜溶液的组成(摩尔比)如下：
TEOS∶EtOH∶H2O∶HCl∶CTAB∶MPS＝1∶17.54∶5.04∶0.004∶0.075∶0.1
MPS：3-巯丙基三甲氧基硅烷
CTAB：十六烷基三甲基溴化铵
TEOS：原硅酸四乙酯
该组成中，通过添加MPS提高薄膜与水晶振子上的金电极的密合性。可认为MPS的硫羟基与金表面化学性地进行结合。
制备顺序如下：
①将EtOH 9.7mL、TEOS 12.3mL、2.78×10-3M的HCl 1mL进行混合在60℃回流90分钟。
②向回流后的溶液中加入EtOH 18.4mL、CTAB 1.519g、5.48×10-2M的HCL 4mL，搅拌30分钟。
③向②的溶液1mL中加入MPS 14μL。
④将③的溶液稀释50倍。
<成膜>
①把1μL溶液滴加在水晶振子上金电极表面。
②干燥1小时。
对该成膜由x射线衍射的结果确认在薄膜内形成纳米级的周期结构，由x射线衍射与差示热量的同时测定，确认大约到300℃在管内存在表面活性剂，微观的有序结构没有明显的变化。
2.检测镁离子
在装满纯水的溶液用池中配置前述方法制的传感器，顺序地向该池中添加8-羟基喹啉-5-磺酸：Qs水溶液、Mg水溶液。把检测结果示于图3。首先添加Qs使之成为10μM，此时频率随时间减少达到一定值。这是由于Qs导入纳米管内，膜的重量增加的缘故。再添加Mg使之成为10μM，此时频率随时间减少达到一定值。这是由于Mg导入纳米管内，膜的重量增加的缘故。另外，如图4所示不添加Qs只添加Mg的场合没观测到频率变化。这样的差异表示在Qs存在下的Mg所致如图3的频率变化是由于如图5所示存在于水溶液中的Mg一边与Qs形成络合物一边被捕集在纳米管内发生的。此外，图6表示研究频率变化对Mg浓度依赖性的结果。随Mg浓度的增加频率变化减少，由频率变化换出的重量变化增加。捕集量对Mg浓度大致呈线性变化，说明本发明的传感器适用于化学物质的定量分析。QCM的实质性的频率测定精确度是±0.1Hz左右，此外也可以测定低浓度领域(ppt级)。
3.检测铝离子
在装满纯水的溶液用池中配置前述的传感器，向该池中顺序地添加Qs水溶液、Al水溶液。首先，添加Qs成为200μM，结果频率随时间变化减少达到一定值。再如图7所示，添加Al成为10μM时，频率随时间变化减少达到一定值。该结果表示本传感器可检测ppt级的金属离子。
4.检测VOC(挥发性有机化合物)
为了与前述的传感器一起进行比较，准备在前述制造方法中把由不含CTAB：表面活性剂的溶液制得的无纳米细孔的玻璃薄膜固定在水晶振子金电极上的传感器。
将两者在设定成23℃温度的简易室内静置。
频率稳定后，注入各种VOC(挥发性有机化合物)液，由频率变化测出挥发的VOC气体的吸附。
尝试使用固定了纳米管薄膜的水晶振子，检测注入的苯50mg/L，结果如图8的实线所示，瞬时观察到200～300Hz左右的频率的减少。图中的黑箭头表示50mg/L苯的注入。另外，使用无纳米细孔的玻璃薄膜(图8的虚线)的场合没发现频率的减少。这认为是纳米细孔吸附氯仿导致的质量增加可观测为频率减少的缘故。此外，把室内的苯气置换成大气(图8的灰色箭头)的结果，频率增加恢复到初期值。这估计是纳米细孔吸附的苯放出的缘故。由此确认苯对纳米细孔的吸附是可逆的。使用氯仿、四氯乙烯、二氯甲烷进行同样实验，结果可得到大致同样的结果，例如如图9列举氯仿的场合，确认有关VOC的定量性和可测出0.1mg/L左右的VOC。另外，使用乙醛进行同样实验的结果是，通过用无纳米细孔的玻璃薄膜观测到频率的减少，确认由于纳米细孔的有无可实现VOC类与乙醛类的选择性检测。
5.检测水溶液中的乙醇
前述1的薄膜制作方法中，TEOS∶MPS∶CTAB的摩尔比为1∶0.1∶0.0075，形成薄膜，制作水晶振子型纳米管传感器。然后，把该传感器置于超纯水中，进行添加0.01％乙醇的检测。把检测结果示于图10。图中的箭头表示乙醇的添加。
由该结果确认，使用本申请发明的水晶振子型纳米管传感器，可高灵敏度检测水溶液中的乙醇。由于没有纳米管的玻璃薄膜的情况也观测到若干的应答，因此推测制作薄膜时形成的溶剂分子作为铸模的细孔所进行的捕集也与乙醇的检测有关。
6.选择性检测汞离子
前述1的薄膜形成方法中，TEOS∶MPS∶CTAB的摩尔比为1∶0.1∶0.0075，形成薄膜。然后，在真空下在200℃进行加热处理。把该水晶振子装到溶液用容器中，在设定成23℃的恒温水槽内进行静置。频率稳定后，注入各种金属离子水溶液，测定频率变化。另外，制作不存在纳米管的薄膜，用于对比实验。
在频率稳定的状态下注入汞离子：Hg(II)水溶液，使最终浓度为71μM，结果观测到频率大幅度的减少。另外，不存在纳米管的薄膜，没观测到汞离子注入导致的频率变化。因此，确认所观测的频率的减少是汞离子从水溶液中被捕集到薄膜细孔内的缘故。接着，使用固定有与汞离子测定相同条件薄膜的水晶振子，对锌离子和铅离子也进行相同浓度下的实验。结果，频率的减少与汞离子的结果相比，铅离子是1/35左右，锌离子是1/70左右。由这些推测使用MPS的硫羟基修饰薄膜对汞离子有高的选择性。
图11是表示汞离子：Hg(II)场合的频率变化(实线)、与锌离子：Zn(II)的场合的频率变化(虚线))的图。图12是表示可定量检测汞离子：Hg(II)的图。
根据本申请发明，如以上详细地说明，着眼于内包具有纳米尺寸细孔的纳米管体的表面活性剂的存在赋予的疏水场，可以展开水晶振子型传感器的功能的新应用。

Claims (7)

1.水晶振子型纳米管传感器，是在水晶振子微量天平的水晶振子上的电极面上配设氧化物层内包表面活性剂胶束的纳米管体薄膜的纳米管传感器，其特征在于所捕集的目标物质导致的纳米管体薄膜的重量变化作为水晶振子的频率变化，来进行检测，由此检测目标物质的存在。
2.水晶振子型纳米管传感器，是在水晶振子微量天平的水晶振子上的电极上配设化学改性氧化物层所形成的纳米管体的纳米管体薄膜的纳米管传感器，其特征在于检测所捕集的目标物质导致的纳米管体薄膜的重量变化作为水晶振子的频率变化，来进行检测，由此检测目标物质的存在。
3.权利要求1或2的水晶振子型纳米管传感器，其特征在于以硅氧化物为主构成纳米管体的氧化物层。
4.权利要求1～3的任一项的水晶振子型纳米管传感器，其特征在于检测试样液相中的目标物质的存在。
5.权利要求1或4的水晶振子型的纳米管传感器，其特征在于将识别试剂与试样溶液混合，在纳米管内提取识别试剂与被该识别试剂捕集的目标物质，检测目标物质的存在。
6.权利要求4的水晶振子型纳米管传感器，其特征在于预先使纳米管内含浸识别试剂，该含浸的识别试剂捕集试样溶液中的目标物质，检测目标物质的存在。
7.权利要求1～3的任一项的水晶振子型纳米管传感器，其特征在于检测试样气相中的目标物质的存在。
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