JP2004069661A - Chemical sensor - Google Patents
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Abstract
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
この発明は、水晶振動子を使用した化学センサに関するものである。
【0002】
【従来の技術】
現在、NOx排ガスやダイオキシンを含む環境ホルモンによる環境汚染、建材からのホルムアルデヒド等の化学物質の放出によるシックハウス症候群が深刻な社会問題となっている。しかし、対象とする化学物質は極微量であり、ppm〜pptレベルの高感度の化学計測が必要である。
このような微量成分を検出できる従来の化学センサとして、図10に示すように水晶振動子を用いたものがある。図10において、水晶振動子1の面にそれぞれ一対の参照電極2と検出電極3とを形成し、さらに水晶振動子1の面の検出電極3間に測定対象ガスの吸着性を有する物質の感応体4を形成する。水晶振動子1は表面に物質が付着すると、付着した物質の質量に応じて発信周波数が減少する。そこで、参照電極2側の参照側発信周波数frを参照側発信周波数検出手段5aで検出し、検出電極3側の検出側発信周波数fsを検出側発信周波数検出手段5bで検出する。そして、両発信周波数fr,fsの差である変動周波数fdを周波数検出手段6で算出する。この変動周波数fdは感応体4に付着した物質の量に比例するため、極微量のナノグラムレベルの質量変化を計測して、対象ガスの濃度を検出することができる。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】
従来の化学センサは以上のように構成されているので、対象ガスが低濃度の場合には感応体にはガスの付着量が少ないため、検出精度を向上させるのが困難であるという問題点があった。
この発明は、感応体への対象ガスの付着量を多くすることができる化学センサを提供することを目的としたものである。
【0004】
【課題を解決するための手段】
この発明に係わる化学センサは、水晶振動子の面にそれぞれ一対の参照電極と検出電極とを形成し、水晶振動子の面の検出電極間に多孔性で薄膜の感応体を形成したものである。
また、感応体は塩基性を有するものである。
また、感応体は酸性を有するものである。
また、感応体は表面にアミノ基を含む層が形成され、アミノ基と最外層の抗体蛋白とをクロスリンカー分子を介して接合したものである。
さらに、感応体は撥水性を有するものである。
【0005】
【発明の実施の形態】
実施の形態1.
図1は実施の形態1の構成を示す斜視図である。図1において、7は水晶振動子、8は一対の参照電極で、水晶振動子7の面に形成されている。9は一対の検出電極で、水晶振動子1の面に形成されている。10は多孔性薄膜で形成された感応体で、水晶振動子7の面の検出電極9間に配置されている。なお、感応体10は次の方法で形成されている。すなわち、導入原料のトリメチルメトキシラン(TMMOS)とアルゴン(Ar)に、マイクロ波出力300W、圧力80Paで5分間マイクロ波プラズマを印加することにより、水晶振動子7の面に多孔性を有する薄膜の感応体10を形成することができた。水晶振動子7の面に形成された薄膜の感応体10は、表面が疎水性のメチル基で覆われているので、水滴接触角が150度以上あって撥水性を有する。なお、7〜10で化学センサ11が構成されている。
【0006】
次に実験結果について説明する。図2は実験装置を示す説明図である。図1及び図2において、12は密封された容積が500mlの容器で、内部に化学センサ11が収納されている。さらに、容器12には検出しようとする物質を入れる検出物質投入口12a、N2ガスを入れるN2ガス投入口12b及び排出口12cが設けられている。13は化学センサ11の各電極8,9と接続線8a,8b,9a,9bを介して接続された周波数検出手段で、参照電極8間の参照発振周波数frと検出電極9間の検出発振周波数fsとの差である周波数変動量fdを算出する。
【0007】
ここで、図3はトルエンに対する応答を示す説明図である。容器12内に検出物質投入口12aからトルエンと水との割合を1対50にした混合溶液を投入(ON)して気化させる。すると、トルエンが感応体10に吸着されることにより検出電極9間の発振周波数が、図3の特性Aに示すように周波数変動量fdが150Hzとなり大きく低下する。そして、N2ガス投入口12bからN2ガスを投入してトルエンガスを排出(OFF)すると、周波数変動量がトルエンを投入(ON)する前の状態に復帰した。なお、図3の特性Bは比較のために示したもので、水だけを容器12内に投入(ON)して気化させたときの応答である。この場合、感応体10が疎水性(撥水性)を有するので、相対湿度100%でも影響が抑制されている。なお、この実験に使用した化学センサ11の感応体10の膜圧は283nmである。
【0008】
図4はトルエンガスに対する化学センサ11の検出特性を示す説明図である。図4は周波数検出手段13により検出された参照電極8間の参照発信周波数frと、検出電極9間の検出発振周波数fsとの差である周波数変動量fdを示す。図4によると、トルエンガス濃度と周波数変動量fdとが比例関係にあり、数ppmレベルの微量域においても検出可能である。
次に、ホルムアルデヒドの検出について説明する。図5はホルムアルデヒドに対する応答を示す説明図である。図1、図2及び図5において、容器12内に検出物質投入口12aから、37%ホルムアルデヒド、8%メタノール、55%水の組成溶液1mlを10mlの純粋に混合した溶液を投入して気化(ON)させる。
【0009】
この気化した蒸気内での化学センサ11のホルムアルデヒドに対する応答を図5に示す。ホルムアルデヒドが感応体10に吸着されることにより、検出電極9間の発振周波数が図5の特性Aに示すように周波数変動量fdが130Hzと大きく低下する。そして、N2ガス投入口12bからN2ガスを投入してホルムアルデヒドガスを排出(OFF)すると、ホルムアルデヒドを投入(ON)する前の状態に復帰した。図5の特性Bは比較のために示したもので、水だけを容器12内に投入(ON)して気化させたときの応答で、図3の特性Bと同様である。なお、この実験に使用した化学センサ11の感応体10の膜圧は283nmである。
図6は周波数検出手段13により検出された参照電極8間の参照発信周波数frと、検出電極9間の検出発振周波数fsとの差である周波数変動量fdを示す。図6によると、ホルムアルデヒドガス濃度と周波数変動量fdとが比例関係にあり、数ppmレベルの微量域においても検出可能である。
【0010】
以上のように、水晶振動子7の面にそれぞれ一対の参照電極8と検出電極9とを形成し、検出電極9間に多孔性で薄膜の感応体10を形成したことにより、感応体10の表面積が増大して感応体10へ付着する検出対象ガスが多くなるので、検出精度の向上を図ることができる。
さらに、感応体10は撥水性を有するので、相対湿度100%でも影響を抑制することができる。
実施の形態1において、トルエン(C7H8)、ホルムアルデヒド(HCHO)を検出するものについて説明したが、ベンゼン等の有機ガスについても同様の効果を期待することができる。
【0011】
実施の形態2.
図7は実施の形態2の構成を示す斜視図である。図7において、7〜9は実施の形態1のものと同様のものである。14は多孔性薄膜で形成された感応体で、水晶振動子7の面の検出電極9間に配置されている。ここで、感応体14は次の方法で形成されている。すなわち、導入原料のアルミニウム(III)アミノn−ブトキサイドとアルゴン(Ar)に、マイクロ波出力300W、圧力80Paで5分間マイクロ波プラズマを印加することにより、水晶振動子7の面に多孔性で撥水性を有する薄膜の塩基性の感応体14を形成することができた。なお、7〜9,14で化学センサ15が構成されている。水晶振動子7の面に形成された感応体14は塩基性を示すので、酸性ガスの検出に適している。そして、図2の実験装置で実験した結果ではppmレベルの微量のNO2の検出に有効であることが判明した。
【0012】
以上のように、検出電極9間に多孔性で薄膜の感応体14を形成したことにより、感応体14の表面積が増大して感応体14へ付着する検出対象ガスが多くなるので、検出精度の向上を図ることができる。さらに、塩基性を有する感応体14を形成することにより、酸性ガスの検出を行うことができる。
さらに、感応体14は撥水性を有するので、相対湿度100パーセントでも影響を抑制することができる。
実施の形態2において、NO2 (二酸化窒素)の検出について説明したが、SO2(二酸化硫黄)、H2S(硫化水素)等の酸性ガスについても同様の効果を期待することができる。
【0013】
実施の形態3.
図8は実施の形態3の構成を示す斜視図である。図8において、7〜9は実施の形態1のものと同様のものである。16は多孔性薄膜で形成された感応体で、水晶振動子7の面の検出電極9間に配置されている。ここで、感応体16は次の方法で形成されている。すなわち、導入原料のアルミニウム(III)n−プトキサイドとアルゴン(Ar)に、マイクロ波出力300W、圧力80Paで5分間マイクロ波プラズマを印加することにより、水晶振動子7の面に多孔性で撥水性を有する塩基性の薄膜を形成し、薄膜の表面に硝酸蒸気を暴露して硝酸を化学吸着させた感応体16とした。これにより、感応体16は酸性状態に形成したので、塩基性ガスの吸着に適している。なお、7〜9,16で化学センサ17が構成されている。
化学センサ17を図2の実験装置で実験した結果では、ppmレベルの微量のトリメチルアミン(CH3)3N、アンモニアNH3、アニリンC6H7N等の有機性ガスの検出に有効であることが判明した。
以上のように、感応体16を多孔性を有するものに形成したことにより、感応体16へ検出対象ガスの付着量が多くなるため検出精度の向上を図ることができる。さらに、感応体16を酸性状態に形成したことにより、塩基性ガスの検出を行うことができる。
さらに、感応体16は撥水性を有するので、相対湿度100パーセントでも影響を抑制することができる。
【0014】
実施の形態4.
図9は実施の形態4の構成を示す斜視図である。図9において、7〜9は実施の形態1のものと同様のものである。18は多孔性薄膜で形成された感応体で、水晶振動子7の面の検出電極9間に配置されている。ここで、感応体18は次の方法で形成されている。すなわち、導入原料のトリメチルメトキシラン(TMMOS)とアルゴン(Ar)に、マイクロ波出力300W、圧力80Paで5分間マイクロ波プラズマを印加することにより、水晶振動子7の面に多孔性を有する薄膜を形成する。続いて、プラズマ印加により形成された薄膜の表面にアミノ基を含む層を形成し、アミノ基と最外層のダイオキシン(抗原)に対する抗体蛋白とをクロスリンカー分子を介して接合することにより感応体18が得られる。なお、7〜9,18で化学センサ19が構成されている。
化学センサ19を図2の実験装置で実験した結果では、微量のダイオキシンの検出に有効であることが判明した。
【0015】
以上のように、感応体18に抗体蛋白を接合させたことにより、抗体蛋白に対応した抗原を検出することができる。
さらに、感応体18は撥水性を有するので、相対湿度100パーセントでも影響を抑制することができる。
実施の形態4において、感応体18の最外層にダイオキシン(抗原)に対する抗体蛋白を配置したものについて説明したが、環境ホルモンであるポリ塩化ダイオキシン、ポリ塩化ジベンゾフラン、ベンゾフェノン、n−ブチルベンゼン、エチルパラチオン等の抗原に対応した抗体蛋白を配置することにより、それぞれの対象物質を検出することができる。
【0016】
【発明の効果】
この発明によれば、水晶振動子の面にそれぞれ一対の参照電極と検出電極とを形成し、検出電極間に多孔性で薄膜の感応体を形成したことにより、感応体の表面積が増大して感応体へ付着する検出対象ガスが多くなるので、検出精度の向上を図ることができる。
また、塩基性を有する感応体を形成したことにより、酸性ガスの検出を行うことができる。
また、感応体を酸性状態に形成したことにより、塩基性ガスの検出を行うことができる。
また、感応体に抗体蛋白を接合させたことにより、抗体蛋白に対応した抗原を検出することができる。
さらに、感応体が撥水性を有するので、相対湿度100パーセントでも影響を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】この発明の実施の形態1の構成を示す斜視図である。
【図2】化学センサの実験装置を示す説明図である。
【図3】実施の形態1のトルエンに対する応答を示す説明図である。
【図4】実施の形態1のトルエンガスに対する化学センサの検出特性を示す説明図である。
【図5】実施の形態1の化学センサのホルムアルデヒドに対する応答を示す説明図である。
【図6】実施の形態1のホルムアルデヒドガスに対する化学センサの検出特性を示す説明図である。
【図7】この発明の実施の形態2の構成を示す斜視図である。
【図8】この発明の実施の形態3の構成を示す斜視図である。
【図9】この発明の実施の形態4の構成を示す斜視図である。
【図10】従来の化学センサの構成を示す斜視図である。
【符号の説明】
7 水晶振動子、8 参照電極、9 検出電極、
10,14,16,18 感応体、11,15,17,19 化学センサ。[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a chemical sensor using a quartz oscillator.
[0002]
[Prior art]
At present, environmental pollution by environmental hormones including NOx exhaust gas and dioxin, and sick house syndrome due to release of chemical substances such as formaldehyde from building materials have become serious social problems. However, the target chemical substance is very small, and high-sensitivity chemical measurement at the ppm to ppt level is required.
As a conventional chemical sensor capable of detecting such a trace component, there is a sensor using a quartz oscillator as shown in FIG. In FIG. 10, a pair of reference electrodes 2 and detection electrodes 3 are formed on the surface of the crystal unit 1, respectively. The body 4 is formed. When a substance adheres to the surface of the crystal unit 1, the transmission frequency decreases in accordance with the mass of the adhered substance. Therefore, the reference-side transmission frequency fr on the reference electrode 2 side is detected by the reference-side transmission frequency detection unit 5a, and the detection-side transmission frequency fs on the detection electrode 3 side is detected by the detection-side transmission frequency detection unit 5b. Then, the fluctuating frequency fd, which is the difference between the two transmitting frequencies fr and fs, is calculated by the frequency detecting means 6. Since the fluctuation frequency fd is proportional to the amount of the substance adhering to the sensitive body 4, it is possible to detect the concentration of the target gas by measuring a very small nanogram-level change in mass.
[0003]
[Problems to be solved by the invention]
Since the conventional chemical sensor is configured as described above, when the target gas has a low concentration, there is a problem that it is difficult to improve the detection accuracy because the amount of gas adhering to the sensitive body is small. there were.
An object of the present invention is to provide a chemical sensor that can increase the amount of target gas adhering to a sensitive body.
[0004]
[Means for Solving the Problems]
The chemical sensor according to the present invention is such that a pair of reference electrodes and a detection electrode are formed on the surface of a quartz oscillator, and a porous thin-film sensitive body is formed between the detection electrodes on the surface of the quartz oscillator. .
Further, the sensitizer has basicity.
Further, the sensitive body has acidity.
The sensitizer has an amino group-containing layer formed on the surface, and the amino group and the outermost antibody protein are bonded via a crosslinker molecule.
Further, the sensitive body has water repellency.
[0005]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Embodiment 1 FIG.
FIG. 1 is a perspective view showing the configuration of the first embodiment. In FIG. 1,
[0006]
Next, experimental results will be described. FIG. 2 is an explanatory view showing the experimental apparatus. 1 and 2,
[0007]
Here, FIG. 3 is an explanatory diagram showing a response to toluene. A mixed solution in which the ratio of toluene and water is 1:50 is charged (ON) into the
[0008]
FIG. 4 is an explanatory diagram showing detection characteristics of the
Next, detection of formaldehyde will be described. FIG. 5 is an explanatory diagram showing a response to formaldehyde. 1, 2 and 5, 10 ml of a purely mixed solution of 1 ml of a 37% formaldehyde, 8% methanol, and 55% water composition solution is introduced into the
[0009]
FIG. 5 shows the response of the
FIG. 6 shows a frequency fluctuation amount fd which is a difference between the reference oscillation frequency fr between the
[0010]
As described above, the pair of
Further, since the
In the first embodiment, the case where toluene (C7H8) and formaldehyde (HCHO) are detected has been described. However, the same effect can be expected for an organic gas such as benzene.
[0011]
Embodiment 2 FIG.
FIG. 7 is a perspective view showing the configuration of the second embodiment. In FIG. 7, 7 to 9 are the same as those in the first embodiment. Reference numeral 14 denotes a sensitive body formed of a porous thin film, which is arranged between the
[0012]
As described above, by forming the porous thin-film sensitive body 14 between the
Further, since the sensitive body 14 has water repellency, the influence can be suppressed even when the relative humidity is 100%.
In the second embodiment, detection of NO 2 (nitrogen dioxide) has been described. However, similar effects can be expected for acidic gases such as SO 2 (sulfur dioxide) and H 2 S (hydrogen sulfide).
[0013]
Embodiment 3 FIG.
FIG. 8 is a perspective view showing the configuration of the third embodiment. In FIG. 8,
The
As described above, by forming the
Further, since the
[0014]
Embodiment 4 FIG.
FIG. 9 is a perspective view showing the configuration of the fourth embodiment. In FIG. 9,
The results of experiments on the
[0015]
As described above, by attaching the antibody protein to the
Further, since the
In the fourth embodiment, an example in which an antibody protein against dioxin (antigen) is arranged on the outermost layer of the
[0016]
【The invention's effect】
According to the present invention, a pair of reference electrodes and a detection electrode are respectively formed on the surface of the quartz oscillator, and a porous and thin-film sensitive body is formed between the detection electrodes, so that the surface area of the sensitive body is increased. Since the detection target gas attached to the sensitive body increases, the detection accuracy can be improved.
In addition, the formation of the basic sensitizer enables the detection of an acidic gas.
Further, by forming the sensitive body in an acidic state, it is possible to detect a basic gas.
In addition, by attaching the antibody protein to the sensitizer, an antigen corresponding to the antibody protein can be detected.
Further, since the sensitive body has water repellency, the influence can be suppressed even when the relative humidity is 100%.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a perspective view showing a configuration of a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is an explanatory view showing an experimental device for a chemical sensor.
FIG. 3 is an explanatory diagram showing a response to toluene according to the first embodiment.
FIG. 4 is an explanatory diagram showing detection characteristics of a chemical sensor for toluene gas according to the first embodiment.
FIG. 5 is an explanatory diagram showing a response of the chemical sensor according to the first embodiment to formaldehyde.
FIG. 6 is an explanatory diagram showing detection characteristics of a chemical sensor for formaldehyde gas according to the first embodiment.
FIG. 7 is a perspective view showing a configuration of a second embodiment of the present invention.
FIG. 8 is a perspective view showing a configuration of a third embodiment of the present invention.
FIG. 9 is a perspective view showing a configuration of a fourth embodiment of the present invention.
FIG. 10 is a perspective view showing a configuration of a conventional chemical sensor.
[Explanation of symbols]
7 crystal oscillator, 8 reference electrode, 9 detection electrode,
10, 14, 16, 18 Sensitive body, 11, 15, 17, 19 Chemical sensor.
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