JP2007526476A - 化合物半導体を用いたｎｏの検出並びにｎｏを検出するためのセンサ及びデバイス - Google Patents
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Abstract
本発明は、NOを検出する有機化合物半導体の使用と、斯かる化合物がNOの検出に使用されるセンサ(18)及びデバイス(19)とに関する。そのデバイス(9)は、肺及び呼吸管の状態及び／又は機能を予測するのに使用されることができる呼吸ガス分析を、簡単で無侵襲な方法で行うことを可能にする。そのセンサ(18)は、より詳細には、ナノスケールFETタイプの構造を持つ。
Description
本発明は、生きている人間の呼吸サイクルの間に生成されるようなガス混合体における酸化窒素NOを検出することに関し、その結果、生きている人間に属する現在の肺機能が正常であるか、又は所定の正常レベルから外れるかどうかを決定することが可能となる。
肺胞細胞と呼吸管上皮とが内因性(endogenous)酸化窒素を生み出すこと、並びにこの酸化窒素が呼吸管及び／又は肺において空中に分泌されることが知られている。従って、分泌された酸化窒素の一部は、呼気において測定されることができる。
更に、肺及び呼吸管における内因性酸化窒素の生成の評価が、肺及び呼吸管の状態及び／又は機能、つまり肺の状態又は機能の測定を与えることが知られている。
喘息及び肺胞炎といった炎症性肺疾患の場合には、炎症によって酸化窒素濃度が増加するので、呼気における酸化窒素濃度が通常より高いことが更に観察されている。そこで、酸化窒素濃度は、肺における炎症及び炎症性疾患のインジケータとして使用されることができる。例えば、喘息、又は、肺及び／若しくは呼吸管の炎症を生じるいずれかのアレルギー的な状態などのインジケータとなる。
喘息は、深刻かつ大きくなりつつある世界的な健康問題を構成する。今日およそ2500万人もの人々がヨーロッパにおいて喘息に苦しんでいる。
呼吸ガス分析は、簡単で無侵襲な方法であり、炎症についての医療的な経路測定(clinical routing measurement)に用いられることができる。
現在のところ、呼気分析は、化学発光法によるアナライザを用いて、医療センタの機能研究所においてのみ行われる。こうしたNOアナライザは、NOとオゾンとの間の光化学反応を利用する。
NO + O3 → NO2 (と NO2*) + O2.
NO2* → NO2 + hv.
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NO2* → NO2 + hv.
形成されるNO2の約10-20%が、電子的に励起された状態(NO2*)で生成され、基底状態への遷移の過程で光を発する。光は、590-2600nmの波長領域で発せられ、その強度は、反応室を通過するNOの質量流量に比例する。NOに関する検出限界は、およそ1 ppbであり、それは、正常又は異常な生理機能(0-200 ppb)を伴う被験者における呼気NOのレベルを考慮するには十分である。NO検出のための化学発光アナライザの不利な点は、それらが比較的高価(通常40.000ドル)であり、かつその装置がかさばる(例えば、持ち運びできない)ものである点である。こうした側面は、化学発光アナライザを、家庭での使用(個人健康監視の場合)又は一般開業医による使用にとって魅力的でないものにしている。そこで、個人の健康監視のために使い捨てデバイスの形式で実際に使用されることができるよう、比較的低コストであり小型化されたNO検出デバイスを持つことは非常に利点があることになる。
斯かるプロセス及びデバイスが、そのデバイスにおいて使用されるセンサと共に、現在発見された：それらは、より具体的には、有機化合物半導体(organic semi-conducting compound)の使用に基づく。
従って、本発明は、第１の側面において、NOを検出するための有機化合物半導体の使用に関する。
一般に、有機化合物半導体を用いてガスを検出する検出器が知られている。これらはしばしば電子の鼻(electronic nose)と呼ばれる。しかしながら、NOを検出するための具体的な例は文献において記述されていない。更に、非有機化合物半導体がガス検出器として使用され、NOを検出する具体的な例も、B.Fruhbergerその他による、Sensors and Actuators B76 (2001)、226-234から知られている。このセンサは、250℃という高温で動作するWO3薄膜化学抵抗センサ素子に基づかれる。しかしながら、このセンサ素子は、厳密に言えばNOに敏感ではなく、従って、人間の息のような複雑なガス混合体におけるNOを測定するには追加的なフィルタが必要とされる。
本発明は、それ自身が酸化窒素に反応することができる有機化合物半導体を扱う。従って、原理上は、追加的なフィルタは必要とされず、センサは、室温で動作することができる。
本使用の好ましい実施形態が、請求項２−４に記載される。
いわゆる電子の鼻の導電センサ(conductivity sensor)においてガスの検出のために導電ポリマとしてチオフェンを使用することは、それ自体国際公開番号第02/44698号において観察される。それにも関わらず、酸化窒素NOを検出するのにチオフェンを使用することは、この参照において記述されることも提案されることもなされていない。
本使用において、ペンタセンが好ましい化合物半導体である。なぜなら、ペンタセンは、(人の吐いた)空気中の主要な成分である水と酸素との両方に反応しないという利点があるからでる。
本発明は、第２の側面において、NOを含むガス混合体におけるNOの量を測定するプロセスに関する。そこでは、NOの量は有機化合物半導体を用いて測定される。その有機化合物の電気的特性は、NOとの反応に応じて変化する。その変化は、そのガス混合体に存在するNOの量に関する直接又は間接の測定として利用される。
本プロセスの好ましい実施形態が請求項６−１０に記載される。
ガス混合体におけるNOを監視するセンサ、FETタイプの素子及び空気混合体のNO成分を決定するデバイスがクレーム１１−１７、１８−２０及び２１−２２にそれぞれ記載され、対応する図面を参照して以下に説明されることになる。
上記に示されたように、有機電界効果トランジスタが、酸化窒素の検出のためにクレームされる。そこで、本書において以下説明されるように、有機半導体物質が、よく知られた従来の平面FET構造又はナノスケールのFET構造に適用されることができる。
従来の平面FET
平面電界効果トランジスタ(FET)が図１に与えられ、それはいくつかの層からなる：ゲート電極３、誘電層５、及びソース／ドレイン接点１と２。この場合、誘電体は、有機半導体物質４で覆われる。有機半導体物質へのNOのバインディング(binding)が、結果として、トランジスタ構造内の電荷担体の減少又は生成をもたらす。斯かるいわゆる化学的に起動される(chemically activated)FETの魅力的な特徴は、酸化窒素のバインディングがコンダクタンス又は関連する特性における直接的な変化により測定されることができる点にある。
平面電界効果トランジスタ(FET)が図１に与えられ、それはいくつかの層からなる：ゲート電極３、誘電層５、及びソース／ドレイン接点１と２。この場合、誘電体は、有機半導体物質４で覆われる。有機半導体物質へのNOのバインディング(binding)が、結果として、トランジスタ構造内の電荷担体の減少又は生成をもたらす。斯かるいわゆる化学的に起動される(chemically activated)FETの魅力的な特徴は、酸化窒素のバインディングがコンダクタンス又は関連する特性における直接的な変化により測定されることができる点にある。
コンダクタンスにおける斯かる変化が、図２において概略的に表わされる。そこではy軸が、コンダクタンスσを、x軸が時間tを表わす。時間点t0は、有機化合物半導体がNOと接触状態になり始める時間を表わす。
明らかに、有機半導体層の厚さ及びドーパント濃度は、最適な感度を達成するために重要なパラメタである：例えば、薄い層、及び低ドープ又は内因性(intrinsic)の物質は、低いNO濃度には反応することになるが、一層素早く「飽和」されることになる。
ナノスケールFET
従来の平面構造の検出特性を一層改善するために、ナノスケールFETが使用されることができる。斯かるナノスケールデバイスの例が、近年の論文であるCui、Wei及びLiederによるScience 293、1289(2001)やKong、Franklin、Zhou、Chapline、Peng、Cho及びDaiによるScience 287、622(2000)に与えられる。斯かるナノワイヤ又はナノチューブセンサの概略的な図が図３ａ及び図３ｂに与えられ、複数のナノワイヤ又はナノチューブ８ａ−８ｄでブリッジされる金属電極６及び７を有する。ナノワイヤ又はナノチューブの表面への酸化窒素のバインディングは、結果として、ナノメータ直径構造の「バルク」における電荷担体の減少又は生成をもたらすことができる。原理上は、単一分子検出が可能である。酸化窒素に対するナノスケールFETの感度及び選択性は、ナノワイヤ又はナノチューブを、本発明による有機半導体物質の層で覆うことにより得られる。
従来の平面構造の検出特性を一層改善するために、ナノスケールFETが使用されることができる。斯かるナノスケールデバイスの例が、近年の論文であるCui、Wei及びLiederによるScience 293、1289(2001)やKong、Franklin、Zhou、Chapline、Peng、Cho及びDaiによるScience 287、622(2000)に与えられる。斯かるナノワイヤ又はナノチューブセンサの概略的な図が図３ａ及び図３ｂに与えられ、複数のナノワイヤ又はナノチューブ８ａ−８ｄでブリッジされる金属電極６及び７を有する。ナノワイヤ又はナノチューブの表面への酸化窒素のバインディングは、結果として、ナノメータ直径構造の「バルク」における電荷担体の減少又は生成をもたらすことができる。原理上は、単一分子検出が可能である。酸化窒素に対するナノスケールFETの感度及び選択性は、ナノワイヤ又はナノチューブを、本発明による有機半導体物質の層で覆うことにより得られる。
ナノワイヤは、触媒成長中心として機能する、例えば金粒子を備える表面を用いるいわゆるヴェイパ・リキッド・ソリッド(VLS)成長法を例えば用いて成長させることができる。Xiangfeng Duan及びCharles、M.LieberによるAdvanced Materials 12、298 (2000)参照。二元又は三元III-V、II-VI、IV-IV群元素の広い範囲が、例えば、GaAs、GaP、GaN、InP、GaAs/P、InAs/P、ZnS、ZnSe、CdS、CdSe、ZnO、SiGeなどのようにして合成されることができる。ナノワイヤの直径は、触媒のAu粒子の大きさによって、粗いスケールで制御されることができる。もし必要であれば、ナノワイヤの直径の細かい調整が、光化学作用エッチングを通して達成されることができる。それによりナノワイヤの直径は、エッチングの間における入射光の波長により決定される。
更に、ナノワイヤベースのセンサの感度は、必要であれば、ナノワイヤの表面に(on top)有機半導体層を適用することにより改善されることができる。
図４は、呼吸の間のNO生成を決定するデバイス９を概略的に示す。このデバイス９は、そのデバイスを介する吸気又は呼気のため、その片側にマウスピース１３を持つ導管１２を有する。導管１２は、もう一方の側において、導管１１から導管１２へ空気サンプルを運ぶか、又は導管１２から導管１０へ呼吸空気のサンプルを通過させるよう、(選択的に)操作されることができる調整可能なバルブ１４に接続される。バルブ１４は、マウスピース１３に居る人間による空気混合体の吸入により誘発される、導管１２における副圧力(sub-pressure)の場合には、導管１１を導管１２へ(従って、導管１０を閉じるよう)接続するよう操作されることになる。バルブ１４は、マウスピース１３に居る人間による呼気が原因で導管１２に誘発される過圧力の場合には、導管１０を導管１２へ接続するよう操作されることになる。
導管１０と１１とは、それぞれ測定室１５と１６とに接続される。それらは、センサのCHEM-FET構造のコンダクタンスにおける変化としてNO成分を測定するため、図１及び図３ａ、図３ｂに説明されるセンサを伴い与えられる。
更に、NO吸収／反応に応じたゲート電位における変化もまた、測定室を通過する空気サンプルにおけるNO成分を監視するのに使用されることができる。
図示省略されているが、デバイス９は、エアフロー測定に必要な流量計も有する。更に、測定される空気サンプルから水を除去するため、測定室の上流に冷却ユニットが与えられることができる。しかしながら、ペンタセンが化合物半導体として使用される場合には、冷却ユニットは、必要ではない。なぜなら、それは、水に対して反応しないからである。
測定室１６におけるセンサは、空気中におけるNOバックグラウンド(background)を測定することになる(空気が流入されるとき)。測定室１５におけるセンサは、吐き出された空気のNO成分を測定することになる。測定室１５と１６とは、内因性のNO生成を測定室１５に存在するセンサの読み出しと測定室１６に存在するセンサの読み出しとの間の差(又は他のいずれかのアルゴリズム)に基づき計算するよう適合される、単一のプロセッサ１７と結合される。内因性のNOの量は、大気のNOの量によって影響を受けないという予備的な証拠が存在する。その場合、測定室は省略されることができる。
本デバイスの追加的な修正において、吐き出された空気のNO成分だけが測定されることになる。すると、デバイス９は、測定室１６と導管１１とを有さないであろう(この実施形態は図示されていない)。
上記記述より、CHEM-FET構造を用いたNOの電気的な検出が、集積回路技術を用いた小型化と統合化を可能にすることが明らかであろう。
本発明は、特定の好ましい実施形態を参照して説明されてきた：しかしながら、その精神又は本質的な特徴から逸脱することなく、他の特定の形式又はその変形において実現されることができることは理解されるべきである。従って上述された実施形態は、すべての側面において説明目的であると考えられものであり、限定するものではなく、本発明の範囲は、上記説明ではなく添付された特許請求の範囲により示されるものである。
Claims (23)
- NOを検出するための有機化合物半導体の使用。
- 前記有機化合物半導体が、少なくとも２つの共役二重結合C=Cを持ち、更に、オプションで反応性窒素、硫黄又は他のヘテロ原子を構造式に有する化合物である、請求項１に記載の使用。
- 前記有機化合物半導体が、ペンタセン、ポリフェニレンビニレン、芳香族アミン又はチオフェンから選択され、好ましくはペンタセンである、請求項１又は２に記載の使用。
- 前記チオフェンが、ポリエチレン・ジオキサイド・チオフェンである、請求項３に記載の使用。
- NOを含むガス混合体におけるNOの量を測定するプロセスであって、前記NOの量が有機化合物半導体を用いて測定され、前記有機化合物半導体の電気的特性がNOとの反応に応じて変化し、前記変化が前記ガス混合体に存在する前記NOの量の直接的又は間接的な測定として利用される、プロセス。
- 前記ガス混合体が、人間により吸入され又は吐き出された、呼吸ガス混合体である、請求項５に記載のプロセス。
- 前記有機化合物半導体が、少なくとも２つの共役二重結合C=Cを持ち、更に、オプションで窒素、硫黄又は酸素から選択される少なくとも１つの反応性ヘテロ原子を有する、請求項５又は６に記載のプロセス。
- 前記有機化合物半導体が、ペンタセン、ポリフェニレンビニレン、芳香族アミン又はチオフェンから選択され、好ましくはペンタセンである、請求項５乃至７のいずれかに記載のプロセス。
- 前記有機化合物半導体の電気的特性の前記変化が、FETタイプ素子を用いて検出される、請求項５乃至８のいずれかに記載のプロセス。
- 前記電気的特性の変化が、前記化合物半導体のコンダクタンスの変化、又は前記FETタイプ素子のゲート電位における変化として測定される、請求項５乃至９のいずれかに記載のプロセス。
- ガス混合体においてNOを監視するセンサであって、ガスとの反応に応じて変化する電気的特性を持つ化学的に検出性のある素子を有し、前記素子は、NOとの反応に応じて電気的に導電状態になるよう変化する共役構造を持つ有機化合物半導体を有する、センサ。
- 前記化学的に検出性のある素子は、少なくとも１つのドレインと少なくとも１つのソースとを持つ電界効果トランジスタであって、前記トランジスタにおける前記ソースと前記ドレインとの間に広がる、共役バックボーンを持つ有機化合物半導体の層を含む電界効果トランジスタである、請求項１１に記載のセンサ。
- 前記化合物半導体が、ペンタセン、ポリフェニレンビニレン、芳香族アミン又はチオフェンから選択され、好ましくはペンタセンである、請求項１１又は１２に記載のセンサ。
- 前記チオフェンが、ポリエチレン・ジオキサイド・チオフェンである、請求項１３に記載のセンサ。
- 前記センサが、カーボンナノチューブ又はナノワイヤといったナノスケールFETタイプ素子として構成され、前記有機化合物半導体が、前記素子のコーティングとして存在する、請求項１１乃至１４のいずれかに記載のセンサ。
- 前記有機化合物半導体の層は、少なくとも部分的にNO選択性であり電気的に導電する化合物で覆われる、請求項１１乃至１５のいずれかに記載のセンサ。
- ソース及びドレインと、電気的特性が変化するようにしてNOと反応することができる有機化合物半導体の層とを有するFETタイプ素子。
- 前記有機化合物半導体は、共役バックボーンを持ち、オプションで、反応性窒素、硫黄又は他のヘテロ原子を構造式に有する、請求項１７に記載のFETタイプ素子。
- 前記有機化合物半導体が、ペンタセン、ポリフェニレンビニレン、芳香族アミン又はチオフェンから選択され、好ましくはペンタセンである、請求項１７又は１８に記載のFETタイプ素子。
- 呼気のような空気混合体のNO成分を決定するデバイスであって、
空気の容積における前記NO成分を測定する測定室と、
前記NO成分に基づきセンサ読み出しを生成することができるNOセンサと共に与えられる前記測定室と、
前記NOセンサに結合される信号入力を持ち、前記センサ読み出しに基づき前記NO成分を計算する信号プロセッサとを有し、
前記NOセンサが請求項９乃至１５のいずれかに記載のセンサである、デバイス。 - 呼吸の間のNO生成を決定するデバイスであって、
第１のセンサを収容する第１の測定室に関連付けられる第１の導管と、
第２のセンサを収容する第２の測定室に関連付けられる第２の導管と、
人間に隣接して位置する注入口を持つ共通導管と、
前記第１、第２及び共通導管に結合されるバルブ手段であって、前記共通導管を前記第１の導管に選択的に接続するよう前記共通導管における比較的低い圧力に対して検出性があり、かつ、前記共通導管を前記第２の導管に選択的に接続するよう前記共通導管における比較的高い圧力に対する検出性があるバルブ手段と、
前記第１のセンサに結合される第１の信号入力と、前記第２のセンサに結合される第２の信号入力とを少なくとも持ち、前記第１のセンサの読み出しと前記第２のセンサの読み出しとの間の差又は他のいずれかのアルゴリズムに基づき、前記NO生成を計算する信号プロセッサとを有し、
前記第１及び第２の測定室が、請求項１１乃至１６に記載されるNOセンサを少なくとも１つ備えて与えられる、デバイス。 - 前記測定室は、請求項１１乃至１６に記載されるNOセンサであって、１つの読み出しを生み出すため互いに結合されるNOセンサの配列を有する、請求項２０又は２１に記載のデバイス。
- 前記センサの配列において、有機化合物半導体の量及び／又は該有機化合物半導体におけるドーパント濃度が、空気のサンプルの流れの方向で見たとき、前記配列における最初のセンサから最後のセンサに向かって増加する、請求項２２に記載のデバイス。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20080228 |
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| A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20101007 |
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| A02 | Decision of refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A02 Effective date: 20110308 |