JP2004117350A - Luminescence nanochannel sensor - Google Patents

Luminescence nanochannel sensor Download PDF

Info

Publication number
JP2004117350A
JP2004117350A JP2003314806A JP2003314806A JP2004117350A JP 2004117350 A JP2004117350 A JP 2004117350A JP 2003314806 A JP2003314806 A JP 2003314806A JP 2003314806 A JP2003314806 A JP 2003314806A JP 2004117350 A JP2004117350 A JP 2004117350A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
nanochannel
thin film
luminescence
target substance
sensor
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
JP2003314806A
Other languages
Japanese (ja)
Other versions
JP4104510B2 (en
Inventor
Tatsuya Uchida
内田 達也
Norio Teramae
寺前 紀夫
Yasuo Sudo
須藤 康夫
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
TOKYO INSTR Inc
Tokyo University of Pharmacy and Life Sciences
Tokyo Instruments Inc
Original Assignee
TOKYO INSTR Inc
Tokyo University of Pharmacy and Life Sciences
Tokyo Instruments Inc
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by TOKYO INSTR Inc, Tokyo University of Pharmacy and Life Sciences, Tokyo Instruments Inc filed Critical TOKYO INSTR Inc
Priority to JP2003314806A priority Critical patent/JP4104510B2/en
Publication of JP2004117350A publication Critical patent/JP2004117350A/en
Application granted granted Critical
Publication of JP4104510B2 publication Critical patent/JP4104510B2/en
Anticipated expiration legal-status Critical
Expired - Fee Related legal-status Critical Current

Links

Landscapes

  • Investigating, Analyzing Materials By Fluorescence Or Luminescence (AREA)
  • Investigating Or Analysing Materials By The Use Of Chemical Reactions (AREA)
  • Investigating Or Analyzing Non-Biological Materials By The Use Of Chemical Means (AREA)

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To aim at a hydrophobic field given by presence of surfactant in pores with nanometer size for developing a new sensor function. <P>SOLUTION: In a nanochannel body thin film in which an oxide layer includes surfactant micella, presence of a target substance in a specimen is detected according to luminescence intensity of the thin film associated with recognition of the target substance by a luminescence recognition agent inside the nanochannel. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO

Description

 この出願の発明は、発光型ナノチャンネルセンサーに関するものである。さらに詳しくは、この出願の発明は、生化学分析、微量成分分析等のためのセンサーとして、医学、衛生、産業、農業、さらには環境評価等の広範囲な領域において有用な、ナノメートルサイズの細孔(ナノチャンネル)構造を利用した新しい発光型ナノチャンネルセンサーに関するものである。 The invention of this application relates to a light-emitting nanochannel sensor. More specifically, the invention of this application is a nanometer-sized thin film useful as a sensor for biochemical analysis, trace component analysis, etc. in a wide range of fields such as medicine, hygiene, industry, agriculture, and environmental evaluation. A new light-emitting nanochannel sensor using a pore (nanochannel) structure.

 従来より、ナノメートルサイズの細孔に注目して、この細孔(メソポーラス)物質を作製することが検討されてきている。これらの従来の検討では、アルコキシシラン化合物の加水分解を界面活性剤の存在下に行うことで、界面活性剤を鋳型として細孔をもつ物質を形成している。たとえば、従来の技術としては、マイカ基板上へのメソポーラス物質の作製(非特許文献1)や溶媒の蒸発によるメソポーラス薄膜の作製(非特許文献2)、メソポーラス薄膜のパターニングとシランカップリング剤による機能化(非特許文献3)等が報告されている。
Hong Yang, et al., Nature,Vol.379,22 Feb. 1996,p.703-705 Yun Feng Lu,et al.,Nature,Vol.389,25 Sep.1997, p.364-368 Hongyou Fan,et al.,Nature,Vol.405, 4May.2000,p.56-60
Conventionally, attention has been paid to nanometer-sized pores to produce such pore (mesoporous) substances. In these conventional studies, a substance having pores is formed by using the surfactant as a template by hydrolyzing the alkoxysilane compound in the presence of the surfactant. For example, conventional techniques include the preparation of a mesoporous substance on a mica substrate (Non-Patent Document 1), the preparation of a mesoporous thin film by evaporating a solvent (Non-Patent Document 2), the patterning of a mesoporous thin film, and the function of a silane coupling agent. (Non-Patent Document 3) and the like have been reported.
Hong Yang, et al., Nature, Vol. 379, 22 Feb. 1996, p. 703-705 Yun Feng Lu, et al., Nature, Vol. 389, 25 Sep. 1997, p. 364-368 Hongyou Fan, et al., Nature, Vol. 405, 4May. 2000, p.56-60

 しかしながら、たとえば以上のような検討にもかかわらず、ナノメートルサイズの細孔をもつ物質、その薄膜についての機能性材料としての技術的展開は、pHセンサーとしての利用等について示唆されているものの、ほとんど進展していないのが実情である。たとえばナノメートルスケールの細孔構造を利用しての超微量分析等の実現が期待されるもののいまだに具体化されていない。 However, for example, despite the above-mentioned studies, although the technical development of a substance having nanometer-sized pores and its thin film as a functional material has been suggested for use as a pH sensor, etc., The fact is that little progress has been made. For example, although ultra-trace analysis using a nanometer-scale pore structure is expected to be realized, it has not been embodied yet.

 このようなこの理由の一つとしては、従来の技術においては、細孔形成のための鋳型として界面活性剤を使用しているが、この界面活性剤は焼成によって除去されており、界面活性剤による疎水場については着目されていないことがある。分析センサー等としての機能の展開のためには、この疎水場はもっと注目されてよい。 One of the reasons for this is that, in the prior art, a surfactant is used as a template for forming pores. In some cases, attention is not paid to the hydrophobic field due to This hydrophobic field may receive more attention for the development of its function as an analytical sensor or the like.

 そこで、この出願の発明は、以上のとおりの事情に鑑みてなされたものであって、ナノメートルサイズの細孔をもつ物質について、その作製過程に用いられていた界面活性剤の存在が与える疎水場に着目し、その機能としてセンサーへの展開を可能にする新しい技術的手段を提供することを課題としている。 Therefore, the invention of this application has been made in view of the circumstances described above, and it has been found that a substance having nanometer-sized pores has a hydrophobic property given by the presence of the surfactant used in the production process. Focusing on the field, it is an object to provide new technical means that can be applied to sensors as its function.

 この出願の発明は、上記の課題を解決するものとして、第1には、酸化物層が界面活性剤ミセルを内包しているナノチャンネル体の薄膜を有するナノチャンネルセンサーであって、ナノチャンネル内での発光型認識試薬による標的物質の認識にともなう薄膜の発光強度により検体中の標的物質の存在を検出することを特徴とする発光型ナノチャンネルセンサーを提供する。 The invention of this application solves the above-mentioned problems. First, there is provided a nanochannel sensor having a thin film of a nanochannel body in which an oxide layer includes surfactant micelles. The present invention provides a luminescent nanochannel sensor characterized in that the presence of a target substance in a sample is detected based on the luminescence intensity of a thin film accompanying the recognition of the target substance by the luminescent recognition reagent.

 また、この出願の発明は、第2には、ナノチャンネル体の酸化物層が珪素酸化物を主として構成されていることを特徴とする発光型ナノチャンネルセンサーを、第3には、発光型認識試薬と検体溶液とを混合し、発光型認識試薬とともにこれに認識された標的物質とをナノチャンネル内に抽出捕捉し、薄膜の発光強度により検体溶液中の標的物質の存在を検出することを特徴とする発光型ナノチャンネルセンサーを、第4には、発光型認識試薬をあらかじめナノチャンネル内に含浸させ、検体溶液中の標的物質を捕捉認識にともなう薄膜の発光強度により検体溶液中の標的物質の存在を検出することを特徴とする発光型ナノチャンネルセンサーを提供する。 The invention of this application also provides, secondly, a light-emitting nanochannel sensor characterized in that the oxide layer of the nanochannel body is mainly composed of silicon oxide. Mixing a reagent and a sample solution, extracting and capturing the target substance recognized by the reagent together with the luminescence-type recognition reagent in the nanochannel, and detecting the presence of the target substance in the sample solution by the luminescence intensity of the thin film Fourth, a luminescence-type recognition reagent is impregnated in the nanochannel in advance, and the target substance in the sample solution is detected by the luminescence intensity of the thin film associated with capture and recognition of the target substance in the sample solution. Provided is a luminescent nanochannel sensor characterized by detecting its presence.

 この出願の上記の発明によって、酸化物が界面活性剤ミセルを内包しているナノチャンネル体薄膜において、ナノチャンネル内での発光型認識試薬による標的物質の認識にともなう薄膜の発光強度により検体溶液中の標的物質の存在を検出し、ナノメートルサイズの細孔内の界面活性剤の存在が与える疎水場を活用することでセンサー機能の新しい展開を実現する。 According to the above invention of the present application, in a nanochannel thin film in which an oxide encapsulates a surfactant micelle, the emission intensity of the thin film accompanying the recognition of a target substance by a luminescence-type recognition reagent in a nanochannel can be used in a sample solution. The new development of the sensor function is realized by detecting the presence of the target substance and utilizing the hydrophobic field given by the presence of the surfactant in the nanometer-sized pore.

 この出願の発明は上記のとおりの特徴をもつものであるが、以下にその実施の形態について説明する。 発 明 The invention of this application has the features as described above, and embodiments thereof will be described below.

 なによりも特徴的なことは、この出願の発明においては、ナノチャンネルセンサーの構造として、酸化物層が界面活性剤ミセルを内包してナノチャンネル内を疎水的な場として保持していることであり、また、この疎水的な場での発光型認識試薬による標的物質の認識にともなうナノチャンネル体薄膜の発光強度により検体溶液中の標的物質の検出が行われることである。このような特異な構造とその作用を可能とするナノチャンネル体の薄膜は、シリカ層の場合として模式的に示すと、たとえば図1の構成として考慮されるものである。 What is most characteristic is that in the invention of this application, the structure of the nanochannel sensor is such that the oxide layer encapsulates the surfactant micelle and holds the inside of the nanochannel as a hydrophobic field. In addition, the detection of the target substance in the sample solution is performed based on the emission intensity of the nanochannel thin film accompanying the recognition of the target substance by the luminescence-type recognition reagent in the hydrophobic field. Such a unique structure and a thin film of a nanochannel body that enables the function thereof can be considered as, for example, the structure of FIG. 1 when schematically shown as a silica layer.

 このナノチャンネル体は、好適には、まず、原料としての酸化物形成性アルコキシド化合物と界面活性剤含有の酸性アルコール溶液より、加熱もしくは乾燥によって、酸化物層が界面活性剤ミセルを内包するようにして作製することができる。 The nanochannel body is preferably prepared by first heating or drying an oxide-forming alkoxide compound as a raw material and a surfactant-containing acidic alcohol solution so that the oxide layer contains the surfactant micelles. Can be manufactured.

 一般的には、上記溶液の原料濃度が比較的希薄な場合は蒸発乾固の過程でミセルが形成され、それらが鋳型となってナノチャンネル体が形成される。一方、原料濃度が濃厚な場合は高温加圧下で原料等が溶融し、その過程でナノチャンネル体が形成される。 Generally, when the concentration of the raw material in the solution is relatively low, micelles are formed in the process of evaporation to dryness, and these serve as templates to form nanochannel bodies. On the other hand, when the raw material concentration is high, the raw material and the like are melted under high temperature and pressure, and a nanochannel body is formed in the process.

 この場合の酸化物形成性アルコキシド化合物としては、ナノチャンネル構造体の酸化物層を形成するものであれば各種のものであってよい。たとえば代表的には、珪素酸化物層を形成するものとして珪素アルコキシド化合物が挙げられるが、この他にも、チタン、ジルコニウム、ハフニウム、タンタル、ニオブ、ガリウム、希土類元素等の各種のもののアルコキシドを考慮することができる。 酸化 物 As the oxide-forming alkoxide compound in this case, various compounds may be used as long as they form an oxide layer of the nanochannel structure. For example, a silicon alkoxide compound is typically used to form a silicon oxide layer. In addition, alkoxides of various types such as titanium, zirconium, hafnium, tantalum, niobium, gallium, and rare earth elements are considered. can do.

 これらのアルコキシド化合物とともに使用される界面活性剤については各種のものが考慮されてよく、たとえば代表的なものとしてはイオン性界面活性剤としての第四級アンモニウム塩型の界面活性剤で挙げられる。また、スルホン酸型のものも挙げられる。ポリエーテル型ノニオン型界面活性剤であってもよい。ただ、なかでも好適なものの一つは、カチオン性の第四級アンモニウム塩型のものである。 各種 Various surfactants may be considered for use with these alkoxide compounds. For example, typical ones include quaternary ammonium salt type surfactants as ionic surfactants. Further, a sulfonic acid type is also included. It may be a polyether-type nonionic surfactant. However, one of the preferable ones is a cationic quaternary ammonium salt type.

 アルコキシド化合物と界面活性剤との使用割合については、その両者の種類等によって相違し、特に限定的ではないが、一般的には、アルコキシド化合物に対する界面活性剤のモル比として、0.01〜0.5を目安とすることができる。 The use ratio of the alkoxide compound and the surfactant differs depending on the types of the two and the like, and is not particularly limited. In general, the molar ratio of the surfactant to the alkoxide compound is 0.01 to 0. .5 can be used as a guide.

 アルコキシド化合物と界面活性剤は酸性の水溶液中で混合し、加熱する。この際の加熱温度については、還流温度までとすることができる。酸性条件とするために、塩酸や硫酸、あるいは有機酸を混合することができる。また、水溶液中には、低沸点のエタノール、プロパノール、メタノール等のアルコールを共存させるのが好ましい。 The alkoxide compound and the surfactant are mixed in an acidic aqueous solution and heated. The heating temperature at this time can be up to the reflux temperature. Hydrochloric acid, sulfuric acid, or an organic acid can be mixed to obtain acidic conditions. Further, it is preferable to coexist low-boiling alcohols such as ethanol, propanol and methanol in the aqueous solution.

 加熱後にこの出願の発明におけるナノチャンネル体が生成されるが、この際には、加熱溶液を固体基板上に展開するか、固体基板上で前記の溶液を加熱してもよい。こうすることによって、図1に模式的に示したようなナノチャンネル体の薄状物が得られることになる。これは薄膜と呼ぶことができる。もちろん、固体基板は各種のものであってもよい。マイカ・アルミナ等のセラミックス基板やガラス基板でもよいし、金属や有機高分子の基板であってもよい。 (4) After heating, the nanochannel body in the invention of this application is generated. In this case, the heating solution may be spread on a solid substrate, or the solution may be heated on the solid substrate. In this way, a thin nanochannel body as schematically shown in FIG. 1 can be obtained. This can be called a thin film. Of course, various solid substrates may be used. A ceramic substrate such as mica / alumina or a glass substrate may be used, or a metal or organic polymer substrate may be used.

 たとえば以上のようなプロセスによって作製することのできる界面活性剤ミセルを酸化物層に内包しているナノチャンネル体薄膜によって、この出願の発明の発光型ナノチャンネルセンサーが構成される。その形態としては次の抽出型と含浸型のものとに大別される。図2はその概要を模式的に示したものである。 発 光 For example, the light-emitting nanochannel sensor of the invention of the present application is constituted by a nanochannel thin film in which an oxide layer contains surfactant micelles that can be produced by the above process. The form is roughly classified into the following extraction type and impregnation type. FIG. 2 schematically shows the outline.

 抽出型では、たとえば検体水溶液中に発光型認識試薬を溶解させ、これと標的物質との錯形成させつつ疎水性相互作用でナノチャンネル内に抽出し、薄膜の蛍光強度をもとに標的物質を検出する。一方、含浸型では予め発光性の認識試薬をその水溶液からナノチャンネル内に導入しておき、その後、検体水溶液中の標的物質をチャンネル内に存在する発光性認識試薬で捕集し、膜の蛍光強度をもとに標的物質を検出する。この含浸型は、異なる認識試薬を有するナノチャンネル体薄膜を同一基板上にそれぞれ配置することによって、多種類の化学物質を一斉に検出することを可能にする。 In the extraction type, for example, a luminescence-type recognition reagent is dissolved in an aqueous sample solution, and is extracted into a nanochannel by hydrophobic interaction while forming a complex with the target substance, and the target substance is extracted based on the fluorescence intensity of the thin film. To detect. On the other hand, in the case of the impregnated type, a luminescent recognition reagent is introduced in advance from the aqueous solution into the nanochannel, and then the target substance in the sample aqueous solution is collected by the luminescent recognition reagent present in the channel, and the fluorescence of the membrane is measured. The target substance is detected based on the intensity. This impregnation type enables simultaneous detection of various types of chemical substances by arranging nanochannel thin films having different recognition reagents on the same substrate.

 以上のいずれの場合においても、発光型認識試薬は各種のものであってよく、標的物質との錯形成が可能なもの、あるいは反応による結合や、物理的な捕捉結合が可能なもの等の各種のものとすることができる。ナノチャンネル内の疎水場においては、発光型認識試薬がその分子構造として各種の官能基をもつものであっても使用することが可能である。これらの発光型認識試薬については、発光機能は種々の方法によって可能としてよい。また、これらの試薬は、低分子化合物だけでなく、DNA、タンパク質、酵素等の高分子や生物由来のものであってもよい。 In any of the above cases, the luminescence-type recognition reagent may be of various types, such as those capable of forming a complex with the target substance, those capable of binding by reaction, and those capable of physical capture binding. It can be. In the hydrophobic field in the nanochannel, it is possible to use the luminescent recognition reagent even if it has various functional groups as its molecular structure. For these luminescent recognition reagents, the luminescent function may be enabled by various methods. In addition, these reagents may be not only low molecular weight compounds but also macromolecules such as DNAs, proteins, enzymes and the like and biological ones.

 また、この出願の発明においては、前記ナノチャンネル体の疎水性の保持のための方法として、前記ナノチャンネル体を水または水性溶液に浸漬すると、ナノチャンネル(細孔)に内包されている界面活性剤ミセルの一部が水または水性溶液中に溶出し、ナノチャンネル内の疎水性が時間とともに低下することがあることから、あらかじめナノチャンネル内壁を疎水化処理し、界面活性剤ミセルとこの内壁との疎水性相互作用を増すことで、水または水性溶液中への界面活性剤ミセルの溶出を抑えるようにすることも有効である。 In the invention of this application, as a method for maintaining the hydrophobicity of the nanochannel body, when the nanochannel body is immersed in water or an aqueous solution, the surface activity contained in the nanochannel (pores) is reduced. Since part of the drug micelles elutes in water or an aqueous solution and the hydrophobicity in the nanochannel may decrease with time, the inner wall of the nanochannel is subjected to a hydrophobic treatment in advance, and the surfactant micelle and this inner wall are It is also effective to suppress the elution of surfactant micelles into water or an aqueous solution by increasing the hydrophobic interaction of.

 このような疎水化処理には、ナノチャンネル体との親和性等を考慮しての疎水化処理剤を用いることができる。たとえばナノチャンネル体が珪素酸化物により構成されている場合には、適宜なシランカップリング剤、より具体的にはメルカプト基を有するシランカップリング剤を好適なものとして考慮される。 に は In such a hydrophobizing treatment, a hydrophobizing agent can be used in consideration of the affinity with the nanochannel body. For example, when the nanochannel body is composed of silicon oxide, an appropriate silane coupling agent, more specifically, a silane coupling agent having a mercapto group is considered as a preferable one.

 このような疎水化処理の条件については実験的に適宜に選定されてよい。より好適な方法としては、前記のようなこの出願の発明のナノチャンネル構造体あるいはナノチャンネル薄膜の製造において、ナノチャンネル体の形成時に前記疎水化処理剤を界面活性剤とともに添加して含有させておくことが考慮される。 条件 The conditions for such a hydrophobic treatment may be appropriately selected experimentally. As a more preferable method, in the production of the nanochannel structure or the nanochannel thin film of the invention of the present application as described above, the hydrophobic treatment agent is added and contained together with a surfactant during the formation of the nanochannel body. Is considered.

 ナノチャンネル体形成のためのアルコキシド化合物と界面活性剤に対する添加割合としては、たとえばシランカップリング剤等の疎水化処理剤を、前者に対してのモル比0.3〜1.2倍、後者に対してのモル比3〜20倍程度とすることが考慮される。 The addition ratio of the alkoxide compound and the surfactant for forming the nanochannel body is, for example, a hydrophobizing agent such as a silane coupling agent in a molar ratio of 0.3 to 1.2 times the former, and It is considered that the molar ratio is about 3 to 20 times.

 前記のナノチャンネル体薄膜の発光強度の検出は、たとえば図2にも示したように、励起光照射にともなう発光の強度変化を測定してもよいし、あるいは別の発光機構とその検出方法に基づくようにしてもよい。 For example, as shown in FIG. 2, the emission intensity of the nanochannel thin film may be measured by measuring a change in emission intensity due to excitation light irradiation, or by using another emission mechanism and its detection method. It may be based on.

 そこで以下に実施例を示し、さらに詳しく発明の実施の形態について説明する。もちろん、以下の例によって発明が限定されることはない。 Therefore, examples will be shown below, and embodiments of the invention will be described in more detail. Of course, the invention is not limited by the following examples.

1.ナノチャンネル体薄膜の作製
 以下の手順に従って、
 界面活性分子集合体(ミセル)を鋳型として、ナノメートルサイズの細孔(ナノチャンネル)構造を有するシリカー界面活性剤ナノチャンネル体薄膜を作製した。
<薄膜作製用溶液の調製>
・溶液の組成(モル比)を次のとおりとした。
1. Preparation of nanochannel thin film
Using a surfactant molecular assembly (micelle) as a template, a silica-surfactant nanochannel thin film having a nanometer-sized pore (nanochannel) structure was prepared.
<Preparation of thin film preparation solution>
-The composition (molar ratio) of the solution was as follows.

 TEOS:EtOH:H2O:HCl:CTAB=1:8.8:5.0:0.004:0.075
 CTAB:セチルトリメチルアンモニウムプロミド
 TEOS:オルトけい酸テトラエチル
 1) EtOH9.7mL,TEOS12.3mL,2.78×10-3MHC   lmLを混合し60℃で90分還流した。
TEOS: EtOH: H 2 O: HCl: CTAB = 1: 8.8: 5.0: 0.004: 0.075
CTAB: Cetyltrimethylammonium bromide TEOS: Tetraethyl orthosilicate 1) 9.7 mL of EtOH, 12.3 mL of TEOS, and 1 mL of 2.78 × 10 −3 MHC were mixed and refluxed at 60 ° C. for 90 minutes.

 2) 還流後の溶液にEtOH18.4mL,CTAB1.519g,5.4   8×10-2MHCl4mLを加えて30分攪拌した。
<薄膜作製>
 1) 前記調製により得られた薄膜溶液350μLを、洗浄、乾燥したガラス   基板上へ滴下し、
 2) 回転塗布(spin-coat法)(4000rpm,30sec)した。
<薄膜の乾燥>
 spin-coatした後、常温で1時間乾燥した。
<アルカリ処理>(薄膜にふくまれているHClの中和)
・使用するアルカリ緩衝液(NH4Cl−NH3
 0.1MNH4Clと0.1MNH3aqを混合(約pH10)
 1) 乾燥させた薄膜をアルカリ緩衝液へ20分浸積した。
2) 18.4 mL of EtOH, 1.519 g of CTAB, and 4 mL of 5.48 × 10 −2 M HCl were added to the refluxed solution, followed by stirring for 30 minutes.
<Thin film production>
1) 350 μL of the thin film solution obtained by the above preparation was dropped on a washed and dried glass substrate,
2) Spin coating (spin-coat method) (4000 rpm, 30 sec).
<Drying of thin film>
After spin-coating, it was dried at room temperature for 1 hour.
<Alkali treatment> (Neutralization of HCl contained in thin film)
・ Alkaline buffer used (NH 4 Cl-NH 3 )
Mix 0.1M NH 4 Cl and 0.1M NH 3 aq (about pH 10)
1) The dried thin film was immersed in an alkaline buffer for 20 minutes.

 2) アルカリ緩衝液を超純水で置換しながらすすぎ、超純水に20分浸積した。
2.薄膜のキャラクタリゼーション
<X線回折>
 前記プロセスにより得られた薄膜について、図3にはそのX線回折の結果を示した。2θが2.0にピークがみられ、ナノメートルオーダーの周期構造が薄膜内に形成されたことがわかる。ナノチャンネルが図1に示すようなハニカム類似構造をとっているものとすると、この2θ値から隣接したチャンネル間の距離は5.1nmと算出される。シリカ壁の厚みを1nmとすると、チャンネルの孔径はおよそ4nmであると推定される。またX線回折と示差走査熱量の同時測定により、300℃まで界面活性分子がチャンネル内に存在し、ミクロな秩序構造に顕著な変化がないことを確認した。
<膜厚>
 エリプソメトリー及び原子間力顕微鏡による段差測定によって得られた膜厚はほぼ同一であり、およそ390nmであった。次に、薄膜作製用溶液をエタノールで希釈し、薄膜の制御を試みた。図4は、薄膜作製用溶液におけるTEOSのモル分率に対して、膜厚をプロットしたものである。膜厚はTEOSの含有量にほぼ比例していることが明らかとなった。
3.抽出型によるアルミニウムイオンの検出
 前記プロセスに従って基板上に作製した界面活性分子集合体(ミセル)を含有するナノチャンネル体薄膜をガラス基板とともに図5の8−キノリノール−5−スルホン酸(Qs)20μMを含む濃度の異なるアルミニウム水溶液に20分間浸漬し、風乾後、大気中で発光スペクトルおよび強度を測定した。図6に発光スペクトルのアルミニウム濃度依存性を、図7に発光強度の増幅率(アルミニウムイオンが存在しない場合を1)をアルミニウムイオン濃度に対してプロットしたものを示した。発光強度はアルミニウムイオン濃度とともに増大し、30μM付近でおよそ7倍程度まで増大していることがわかる。また、図8は、5μMまでのアルミニウムイオン濃度に対しての発光強度の相対比を示したものであって、これによれば1μM以下のアルミニウムイオンの検出が可能であることがわかる。
2) Rinse while replacing the alkaline buffer with ultrapure water, and immerse in ultrapure water for 20 minutes.
2. Characterization of thin film <X-ray diffraction>
FIG. 3 shows the results of X-ray diffraction of the thin film obtained by the above process. A peak is observed at 2θ of 2.0, which indicates that a periodic structure on the order of nanometers was formed in the thin film. Assuming that the nanochannel has a honeycomb-like structure as shown in FIG. 1, the distance between adjacent channels is calculated to be 5.1 nm from the 2θ value. Assuming that the thickness of the silica wall is 1 nm, the pore diameter of the channel is estimated to be about 4 nm. Simultaneous measurement of X-ray diffraction and differential scanning calorimetry confirmed that surfactant molecules were present in the channel up to 300 ° C., and that there was no significant change in the micro-ordered structure.
<Thickness>
The film thickness obtained by ellipsometry and step measurement with an atomic force microscope was almost the same, and was about 390 nm. Next, the thin film preparation solution was diluted with ethanol to control the thin film. FIG. 4 is a graph in which the film thickness is plotted against the mole fraction of TEOS in the solution for forming a thin film. It became clear that the film thickness was almost proportional to the content of TEOS.
3. Detection of Aluminum Ion by Extraction Type A nanochannel thin film containing surfactant molecular aggregates (micelles) formed on a substrate according to the above process was treated with a glass substrate together with 20 μM of 8-quinolinol-5-sulfonic acid (Qs) in FIG. The samples were immersed in aluminum aqueous solutions having different concentrations for 20 minutes, air-dried, and then the emission spectrum and intensity were measured in the air. FIG. 6 shows the dependence of the emission spectrum on the aluminum concentration, and FIG. 7 shows a plot of the amplification factor of the emission intensity (1 when no aluminum ion is present) with respect to the aluminum ion concentration. It can be seen that the emission intensity increases with the aluminum ion concentration and increases to about 7 times around 30 μM. FIG. 8 shows the relative ratio of the emission intensity to the aluminum ion concentration up to 5 μM. It can be seen from this that the detection of aluminum ions of 1 μM or less is possible.

 以上のような結果は、これは、図9に示すように試料溶液中のQsとAlが錯体を形成しつつナノチャンネル内のミセルに捕集され、Al濃度に伴ってその量が増加することを示している。以上の結果は、μM(およそppb)オーダー、さらには1μM以下のオーダーのアルミニウムイオンを極めて高感度かつ簡便に検出可能であることを実証している。
4.抽出型によるマグネシウムイオンの検出
 上記と同様の薄膜基板を所定のQs(1μMおよび10μM)を含む濃度の異なるマグネシウム水溶液に20分間浸漬し、風乾後、大気中で蛍光スペクトルおよび強度を測定した。その結果を図10に示した。いずれのQs濃度の場合でも、Mg濃度が3オーダー異なる範囲で、Mg濃度にともなって発光強度が増大していることがわかる。このことから、この出願の発明のセンサーの測定濃度範囲が極めて広く、ダイナミックレンジの広い物質検出法であることが理解される。また、Mg濃度に対する発光強度の増幅率はQs濃度が高い方が良好である。
5.含浸型によるマグネシウムイオンの検出
 上記と同様の薄膜基板を用意し、10μM,200μM,2mMのQs水溶液にそれぞれ20分間浸漬した。これによって、ナノチャンネル内に含浸されるQs量を制御した。これらの基板を濃度の異なるMg水溶液に20分間浸漬し、風乾後、大気中で発光スペクトルおよび強度を測定した。その結果を図11に示した。Qs処理濃度がいずれの場合においても、増幅率は単調に増加せずに、あるMg濃度で極大を有することがわかる。さらにその極大を与えるMg濃度は、Qs処理濃度ともに増加している。この結果は、Qs処理濃度を変えることで、マグネシウムに対するセンサーの最適検出濃度範囲が制御可能であることを示している。このことは、検体に応じてセンサーの最適検出濃度を設定できることを意味する。また、最適検出濃度のことなるナノチャンネルセンサーを同一基板上に集積することにより、標的物質濃度が全く未知であっても他の予備測定を必要とせずにその濃度を決定することが可能である。さらに、異なる認識試薬を有するナノチャンネル薄膜を同一基板上にそれぞれ配置することによって、多種類の化学物質を一斉に検出することを可能にする。
6.カリウムイオンの検出
 前記5.の場合と同様に、含浸型センサーの薄膜を、蛍光性分子認識試薬の水溶液に浸漬し、認識試薬をナノチャンネル内に導入した。
The above results indicate that Qs and Al in the sample solution form a complex and are trapped in micelles in the nanochannel as shown in FIG. 9, and the amount increases with the Al concentration. Is shown. The above results demonstrate that aluminum ions on the order of μM (approximately ppb), and even on the order of 1 μM or less, can be detected with extremely high sensitivity and simple.
4. Detection of Magnesium Ion by Extraction Type The same thin film substrate as described above was immersed in aqueous magnesium solutions having different concentrations containing predetermined Qs (1 μM and 10 μM) for 20 minutes, air-dried, and the fluorescence spectrum and intensity were measured in the air. The results are shown in FIG. It can be seen that in any of the Qs concentrations, the emission intensity increases with the Mg concentration in a range where the Mg concentration differs by three orders of magnitude. From this, it is understood that the sensor of the invention of this application has a very wide measurement concentration range and is a substance detection method with a wide dynamic range. In addition, the higher the Qs concentration, the better the amplification ratio of the emission intensity with respect to the Mg concentration.
5. Detection of magnesium ion by impregnation type A thin film substrate similar to the above was prepared and immersed in a 10 μM, 200 μM, 2 mM Qs aqueous solution for 20 minutes each. This controlled the amount of Qs impregnated in the nanochannel. These substrates were immersed in Mg aqueous solutions having different concentrations for 20 minutes, air-dried, and the emission spectrum and intensity were measured in the air. The result is shown in FIG. It can be seen that, regardless of the Qs treatment concentration, the amplification rate does not monotonically increase but has a maximum at a certain Mg concentration. Further, the Mg concentration giving the maximum increases both with the Qs treatment concentration. This result indicates that the optimum detection concentration range of the sensor for magnesium can be controlled by changing the Qs treatment concentration. This means that the optimum detection concentration of the sensor can be set according to the sample. In addition, by integrating nanochannel sensors having different optimum detection concentrations on the same substrate, even if the target substance concentration is completely unknown, it is possible to determine the concentration without requiring another preliminary measurement. . Furthermore, by disposing nanochannel thin films having different recognition reagents on the same substrate, it becomes possible to detect many kinds of chemical substances simultaneously.
6. Detection of potassium ion 5. As in the case of the above, the thin film of the impregnated sensor was immersed in an aqueous solution of a fluorescent molecule recognition reagent, and the recognition reagent was introduced into the nanochannel.

 認識試薬としては、
  N−(9−Anthrylmethyl)monoaza−18crown−6
を用いた。
As a recognition reagent,
N- (9-Anthrylmethyl) monoaza-18crown-6
Was used.

 その後、KCl、NaClの水溶液(pH7.6に調整)に浸漬し、カリウムイオン、ナトリウムイオンに対する発光応答を測定した。その結果を図12に示した。 Thereafter, the substrate was immersed in an aqueous solution of KCl and NaCl (adjusted to pH 7.6), and the luminescence response to potassium ions and sodium ions was measured. FIG. 12 shows the result.

 図12の結果から、カリウムイオンの濃度に依存して蛍光強度が増大することと、ナトリウムイオンにはほとんど応答しないことがわかる。つまり、カリウムイオン選択性のセンサーとして優れたものであることがわかる。 結果 The results in FIG. 12 show that the fluorescence intensity increases depending on the concentration of potassium ions, and that they hardly respond to sodium ions. That is, it is understood that the sensor is excellent as a potassium ion selective sensor.

 そして、溶液内に共存する高濃度なナトリウムイオンの影響は極めて小さい。以上のことから、この例に示したセンサーは、血液、尿などの生体試料分析に利用可能である。
7.センサーアレイ
 前記同様に、ガラス基板上に薄膜作製溶液を複数箇所で滴下して風乾し、複数の円形スポット状(約3mmφ)のナノチャンネル薄膜が配列したアレイ構成体とした。次いで、このものを発光性分子認識試薬としての前記Qsの水溶液中に浸漬し、このものをナノチャンネル内に導入した。
The effect of high-concentration sodium ions coexisting in the solution is extremely small. From the above, the sensor shown in this example can be used for analyzing biological samples such as blood and urine.
7. Sensor Array In the same manner as described above, a thin film forming solution was dropped on a glass substrate at a plurality of locations and air-dried to obtain an array structure in which a plurality of circular spot-shaped (about 3 mmφ) nanochannel thin films were arranged. Next, this was immersed in an aqueous solution of Qs as a luminescent molecule recognition reagent, and introduced into a nanochannel.

 得られたセンサーアレイを用いて、各々のスポット状ナノチャンネル薄膜に、濃度の異なるアルミニウムイオン(Al3+)含有の水溶液を滴下し、円形スポットでの発光を測定した。 Using the obtained sensor array, aqueous solutions containing aluminum ions (Al 3+ ) having different concentrations were dropped on each of the spot-like nanochannel thin films, and light emission at circular spots was measured.

 励起波長365mmで、1/3カラーCCDカメラ検出器による検出結果を図13に示した。また、センサーアレイの蛍光像を図14に示した。 FIG. 13 shows the results of detection by a 1/3 color CCD camera detector at an excitation wavelength of 365 mm. FIG. 14 shows a fluorescent image of the sensor array.

 この結果から、センサーアレイの構成とすることにより、複数の試料溶液を瞬時に測定することができ、たとえば、図13のようにして、標準溶液を用いた検量線作成および試料の定量分析を1回の測定で完了できることがわかる。そして、ナノチャンネルの傑出した物質捕集特性により、分子認識試薬等を高濃度に捕集しているために蛍光が強いことから、高価で大規模な検出器を必要とせず、小型で省電力なCCDカメラ、CMOSカメラあるいは民生用カメラ付き携帯電話を利用でき、可動性の高い微小な測定装置を構築できる。 From this result, by employing a sensor array configuration, a plurality of sample solutions can be measured instantaneously. For example, as shown in FIG. It can be seen that the measurement can be completed in a single measurement. And, because of the outstanding substance-collecting properties of the nanochannel, the high-concentration collection of the molecular recognition reagents and the like results in strong fluorescence, eliminating the need for expensive, large-scale detectors, and being compact and power-saving. A portable CCD camera, a CMOS camera, or a mobile phone equipped with a consumer camera can be used, and a highly mobile minute measuring device can be constructed.

 そして、機能の異なる蛍光生分子認識試薬を同一基板上の薄膜スポットにそれぞれ含浸させることにより、複数化学種の一斉検出も可能とされる。 Simultaneous detection of multiple chemical species is also possible by impregnating thin film spots on the same substrate with fluorescent biomolecule recognition reagents having different functions.

 図15はその例を示したものである。Al3+イオンとK+イオンの同時分析を行った結果を示した写真である。Al3+検出列ではAl3+溶液に対して蛍光が増大し、K+溶液に対しては応答していない。これによりAl3+の選択的検出が確認される。一方、K+検出列では、K+溶液に対して蛍光が増大し、Al3+溶液に対しては応答していない。K+の選択的検出が確認される。 FIG. 15 shows an example. 5 is a photograph showing the result of simultaneous analysis of Al 3+ ions and K + ions. In the Al 3+ detection row, the fluorescence increases with respect to the Al 3+ solution, but does not respond to the K + solution. This confirms the selective detection of Al 3+ . On the other hand, in the K + detection line, the fluorescence increases with respect to the K + solution, but does not respond to the Al 3+ solution. The selective detection of K + is confirmed.

 そして、Al3+とK+共存溶液に対しては、対応するそれぞれの検出サイトの発光が増大し、このことから同時検出が確認される。 Then, for the solution in which Al 3+ and K + coexist, the luminescence of each corresponding detection site increases, which confirms simultaneous detection.

 この出願の発明によって、以上詳しく説明したとおり、ナノメートルサイズの細孔をもつナノチャンネルが内包する界面活性剤の存在が与える疎水場に着目し、センサーとしての機能の新しい展開を可能にすることができる。 According to the invention of this application, as described in detail above, it is possible to focus on the hydrophobic field provided by the presence of a surfactant contained in a nanochannel having nanometer-sized pores and to enable new development of a function as a sensor. Can be.

ナノチャンネル体の薄膜についてこれを模式的に示した図である。It is the figure which showed this about the thin film of a nanochannel body typically. 抽出型と含浸型のセンサーについて模式的に示した図である。It is the figure which showed typically about the extraction type and the impregnation type sensor. 実施例におけるナノチャンネル体薄膜についてのX線回析の結果を例示した図である。It is the figure which illustrated the result of the X-ray diffraction about the nanochannel body thin film in an Example. 実施例におけるTEOS含有率と膜厚との関係を例示した図である。FIG. 3 is a diagram illustrating a relationship between a TEOS content and a film thickness in an example. 8−キノタノール−5−2スルホン酸(Qs)の分子構造を示した図である。It is a figure showing the molecular structure of 8-quinotanol-5-sulfonic acid (Qs). 発光スペクトル(薄膜)のアルミニウム濃度依存性を例示した図である。FIG. 3 is a diagram illustrating an aluminum concentration dependency of an emission spectrum (thin film). 発光型ナノチャンネルセンサー(抽出型)のアルミニウムイオンに対する応答性を例示した図である。It is the figure which illustrated the response to the aluminum ion of the light emitting type nanochannel sensor (extraction type). 5μMまでのアルミニウムイオン濃度に対しての発光強度の相対比を示した図である。It is a figure showing relative ratio of luminescence intensity to aluminum ion concentration up to 5 μM. ナノチャンネル内ミセルによるアルミニウム−キノリノール錯体の抽出のメカニズムを示した図である。FIG. 3 is a diagram showing a mechanism of extraction of an aluminum-quinolinol complex by micelles in a nanochannel. 発光型ナノチャンネルセンサー(抽出型)のマグネシウムイオンに対する応答性を例示した図である。It is the figure which illustrated the response to the magnesium ion of the light emitting type nanochannel sensor (extraction type). 発光型ナノチャンネルセンサー(含浸型)のマグネシウムイオンに対する応答性を例示した図である。It is the figure which illustrated the response to the magnesium ion of the light emitting type nanochannel sensor (impregnation type). カリウムイオン、ナトリウムイオンに対しての発光応答の測定結果を示した図である。It is a figure showing a measurement result of luminescence response to potassium ion and sodium ion. センサーアレイによる発光についてアルミニウムイオンの濃度と発光強度との対応を示した図である。FIG. 4 is a diagram showing the correspondence between the concentration of aluminum ions and the light emission intensity for light emission by a sensor array. センサーアレイによる発光像を示した図である。FIG. 3 is a diagram showing a light emission image by a sensor array. センサーアレイによる二元素(イオン)同時分析の発光像の例を示した図である。It is the figure which showed the example of the luminescence image of two element (ion) simultaneous analysis by a sensor array.

Claims (4)

 酸化物層が界面活性剤ミセルを内包しているナノチャンネル体の薄膜を有するナノチャンネルセンサーであって、ナノチャンネル内での発光型認識試薬による標的物質の認識にともなう薄膜の発光強度により検体中の標的物質の存在を検出することを特徴とする発光型ナノチャンネルセンサー。 A nanochannel sensor with a nanochannel thin film in which the oxide layer contains surfactant micelles. A luminescent nanochannel sensor characterized by detecting the presence of a target substance.  ナノチャンネル体の酸化物層が珪素酸化物を主として構成されていることを特徴とする請求項1の発光型ナノチャンネルセンサー。 2. The luminescent nanochannel sensor according to claim 1, wherein the oxide layer of the nanochannel body is mainly composed of silicon oxide.  発光型認識試薬と検体溶液とを混合し、発光型認識試薬とともにこれに認識された標的物質とをナノチャンネル内に抽出捕捉し、薄膜の発光強度により検体溶液中の標的物質の存在を検出することを特徴とする請求項1または2の発光型ナノチャンネルセンサー。 The luminescence-type recognition reagent and the sample solution are mixed, and the target substance recognized by the luminescence-type recognition reagent is extracted and captured in the nanochannel, and the presence of the target substance in the sample solution is detected by the luminescence intensity of the thin film. The luminescent nanochannel sensor according to claim 1 or 2, wherein:  発光型認識試薬をあらかじめナノチャンネル内に含浸させ、検体溶液中の標的物質を捕捉認識にともなう薄膜の発光強度により検体溶液中の標的物質の存在を検出することを特徴とする請求項1または2の発光型ナノチャンネルセンサー。 3. The method according to claim 1, wherein the nanochannel is preliminarily impregnated with a luminescence-type recognition reagent, and the presence of the target substance in the sample solution is detected by the luminescence intensity of the thin film associated with capture and recognition of the target substance in the sample solution. Luminescence type nano channel sensor.
JP2003314806A 2002-09-05 2003-09-05 Method for detecting target substance in sample solution using luminescent nanochannel sensor Expired - Fee Related JP4104510B2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2003314806A JP4104510B2 (en) 2002-09-05 2003-09-05 Method for detecting target substance in sample solution using luminescent nanochannel sensor

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2002260503 2002-09-05
JP2003314806A JP4104510B2 (en) 2002-09-05 2003-09-05 Method for detecting target substance in sample solution using luminescent nanochannel sensor

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JP2004117350A true JP2004117350A (en) 2004-04-15
JP4104510B2 JP4104510B2 (en) 2008-06-18

Family

ID=32301476

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2003314806A Expired - Fee Related JP4104510B2 (en) 2002-09-05 2003-09-05 Method for detecting target substance in sample solution using luminescent nanochannel sensor

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP4104510B2 (en)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2008224461A (en) * 2007-03-13 2008-09-25 National Institute Of Advanced Industrial & Technology Chemical sensor material

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2008224461A (en) * 2007-03-13 2008-09-25 National Institute Of Advanced Industrial & Technology Chemical sensor material

Also Published As

Publication number Publication date
JP4104510B2 (en) 2008-06-18

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Han et al. Mercury (II) detection by SERS based on a single gold microshell
Yan et al. Fluorescent sensor arrays for metal ions detection: A review
You et al. Superhydrophobic silica aerogels encapsulated fluorescent perovskite quantum dots for reversible sensing of SO2 in a 3D-printed gas cell
Zheng et al. Core-shell quantum dots coated with molecularly imprinted polymer for selective photoluminescence sensing of perfluorooctanoic acid
Li et al. Molecularly imprinted silica nanospheres embedded CdSe quantum dots for highly selective and sensitive optosensing of pyrethroids
Lashgari et al. Modification of mesoporous silica SBA-15 with different organic molecules to gain chemical sensors: a review
Wei et al. Molecularly imprinted polymer nanospheres based on Mn-doped ZnS QDs via precipitation polymerization for room-temperature phosphorescence probing of 2, 6-dichlorophenol
US20110065820A1 (en) Method for fabricating aerogels and their applications in biocomposites
CN100392387C (en) Method of fixing tripyridyl ruthenium on electrochemical electrode surface
Wei et al. Composites of surface imprinting polymer capped Mn-doped ZnS quantum dots for room-temperature phosphorescence probing of 2, 4, 5-trichlorophenol
Zhou et al. A mesoporous fluorescent sensor based on ZnO nanorods for the fluorescent detection and selective recognition of tetracycline
De Stefano et al. Porous silicon-based optical biochips
CN103756004A (en) Preparation method of quantum-dot phosphorescent imprinted polymer
Wei et al. Molecularly imprinted CsPbBr 3 quantum dot-based fluorescent sensor for trace tetracycline detection in aqueous environments
Díaz-Liñán et al. based sorptive phases for microextraction and sensing
CN105319192A (en) Method for detecting hypochlorite anions through water-soluble fluorescent silica nanoparticle
US9903821B2 (en) Coated mesoflowers for molecular detection and smart barcode materials
Li et al. Biological functionalization and patterning of porous silicon prepared by Pt-assisted chemical etching
CN103411951B (en) Preparation method of surface enhanced Raman scattering substrate based on spirogram ordered porous membrane
JP4104510B2 (en) Method for detecting target substance in sample solution using luminescent nanochannel sensor
Cheng et al. Wafer-level fabrication of 3D nanoparticles assembled nanopillars and click chemistry modification for sensitive SERS detection of trace carbonyl compounds
WO2004023120A1 (en) Luminescent nanochannel sensor
Zheng et al. Simple preparation of fluorescence probe based on CdTe quantum dots combined with MIP for selective detection of sulfadimidine
EP1548421A1 (en) Crystal oscillator nanochannel sensor
JP2004117349A (en) Quartz resonator type nanochannel sensor

Legal Events

Date Code Title Description
A621 Written request for application examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

Effective date: 20060713

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20071204

A521 Written amendment

Effective date: 20080204

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

TRDD Decision of grant or rejection written
A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Effective date: 20080304

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

A61 First payment of annual fees (during grant procedure)

Effective date: 20080325

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61

R150 Certificate of patent (=grant) or registration of utility model

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150

FPAY Renewal fee payment (prs date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20110404

Year of fee payment: 3

FPAY Renewal fee payment (prs date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20120404

Year of fee payment: 4

LAPS Cancellation because of no payment of annual fees