JP2008111854A - Molecule recognition sensor - Google Patents

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野 正 人 吉
Satoshi Haraguchi
口 智 原
Masao Kaneko
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a molecule recognition sensor capable of eliminating the effect of disturbance such as temperature and humidity without complicating the device or increasing the cost. <P>SOLUTION: When an LED 37 emits light to a hole section 36, potential difference occurs between both ends of an n-Si substrate 32 to provide a state where bias voltage is applied between electrodes 34 and 35. When a recognition target molecule in drinking water is caught by a mold section of a thin-film-like recognition material 33, the capacitance of an organic compound layer of the n-Si substrate 32 varies, and this appears as variation in bias voltage between the electrodes 34 and 35. A photocurrent detector 38 detects the existence of the recognition target molecule based on the variation in photocurrent generated by the variation in bias voltage. <P>COPYRIGHT: (C)2008,JPO&INPIT

Description

本発明は、分子インプリンティングにより作成された認識材料を用いて、任意の環境下における認識対象分子の存在の有無を検出する分子認識センサに関するものである。   The present invention relates to a molecular recognition sensor that uses a recognition material created by molecular imprinting to detect the presence or absence of a molecule to be recognized in an arbitrary environment.

環境測定などの分野においては、化学物質の計測・識別などに様々な分析機器やセンサが開発、使用されている。これらセンサにおいて近年注目されている技術に、分子インプリンティングがある。これは、有機化合物合成技術を用いてセンサ素子に分子認識機能を持たせ、化学物質を検出するための技術である。   In the field of environmental measurement and the like, various analytical instruments and sensors have been developed and used for measuring and identifying chemical substances. In recent years, molecular imprinting has attracted attention in these sensors. This is a technique for detecting a chemical substance by providing a sensor element with a molecular recognition function using an organic compound synthesis technique.

すなわち、分子インプリンティングは、認識、識別、あるいは捕捉しようとする対象分子(以下、本明細書では「認識対象分子」と呼ぶ)と架橋剤、重合開始剤などとを共存させた条件で重合反応させ、その重合反応物から認識対象分子を抽出することにより、この認識対象分子を捕捉可能な鋳型部を有する材料(以下、本明細書では「認識材料」と呼ぶ)を作成する技術である。   That is, molecular imprinting is a polymerization reaction under the condition that a target molecule to be recognized, identified or captured (hereinafter referred to as “recognition target molecule” in this specification) and a crosslinking agent, a polymerization initiator, etc. coexist. And a material having a template part capable of capturing the recognition target molecule (hereinafter referred to as “recognition material” in this specification) by extracting the recognition target molecule from the polymerization reaction product.

このような分子インプリンティングにより作成された認識材料を利用して認識対象分子を検知する技術として、例えば、特許文献1あるいは特許文献2に開示されたものがある。特許文献1の技術は、上水道分野で問題となっているカビ臭物質を認識対象分子とするものであり、水晶振動子表面に固着した認識材料がその鋳型部でカビ臭物質を捕捉したときに、共振周波数が一定レベル以上変化することを利用してカビ臭物質の存在を検知しようとするものである。また、特許文献2の技術は、シックハウスの原因物質となるアセトアルデヒドを認識対象分子とするものであり、認識材料を水晶振動子表面に固着する構成を有するという点では特許文献1と同様である。但し、この特許文献2では、認識材料として鋳型部を有するもの(測定用素子)と有さないもの(参照用素子)との2種類を作成しておき、前者の周波数変化と後者の周波数変化との差に基づき、温度及び湿度の影響を排除して精度を高めるという工夫がなされている。
特許第3243937号公報 特開2002−39934号公報
As a technique for detecting a recognition target molecule using a recognition material created by such molecular imprinting, for example, there is one disclosed in Patent Document 1 or Patent Document 2. The technology of Patent Document 1 uses a mold odor substance which is a problem in the water supply field as a recognition target molecule, and when the recognition material fixed on the surface of the crystal unit captures the mold odor substance at the mold part. The present invention seeks to detect the presence of a musty odor substance by utilizing the fact that the resonance frequency changes over a certain level. The technique of Patent Document 2 uses acetaldehyde that is a causative substance of sick house as a recognition target molecule, and is similar to Patent Document 1 in that it has a configuration in which a recognition material is fixed to the surface of a crystal resonator. However, in this Patent Document 2, two types, a material having a template part (measurement element) and a material having no template (reference element) are prepared as a recognition material, and the former frequency change and the latter frequency change. Based on the difference between the two, a contrivance has been made to improve the accuracy by eliminating the influence of temperature and humidity.
Japanese Patent No. 3243937 JP 2002-39934 A

上記のように、認識材料を水晶振動子表面に固着した構成を有する分子認識センサは、温度及び湿度のような外乱の影響が大きくなってしまうという欠点を有している。特許文献2に係る分子認識センサは、このような欠点を参照用素子を追加することにより補おうとしているが、このような参照用素子を追加することは一方で装置の複雑化及びコストの上昇を伴うことになる。   As described above, the molecular recognition sensor having a configuration in which the recognition material is fixed to the surface of the crystal resonator has a drawback that the influence of disturbance such as temperature and humidity is increased. The molecular recognition sensor according to Patent Document 2 tries to compensate for such drawbacks by adding a reference element. However, the addition of such a reference element, on the other hand, complicates the apparatus and increases the cost. Will be accompanied.

本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、装置の複雑化及びコストの上昇を招くことなく、温度及び湿度のような外乱の影響を排除できる分子認識センサを提供することを目的としている。   The present invention has been made in view of the above circumstances, and an object of the present invention is to provide a molecular recognition sensor that can eliminate the influence of disturbances such as temperature and humidity without increasing the complexity and cost of the apparatus. .

上記課題を解決するための手段として、請求項1記載の発明は、分子インプリンティングにより作成された認識材料を認識対象分子が存在する可能性のある環境下に設け、この認識材料が有する鋳型部に認識対象分子が捕捉されたときの所定物理量の変化に基づき、認識対象分子の有無を検出する分子認識センサにおいて、前記認識対象分子を含む可能性のある試料を導入し、この導入した試料に接触するように前記認識材料が一方の表面に配設された半導体基板、並びに該半導体基板の一方及び他方の表面上にそれぞれ形成された第1及び第2の薄膜電極を有する試料導入部と、前記試料導入部の半導体基板に対して光を照射する光照射手段と、前記光照射手段が光を照射したときの前記第1の薄膜電極と第2の薄膜電極との間の電位差に基づき発生する電気量を検出する電気量検出部と、を備え、前記所定物理量の変化として前記電気量検出部が検出した所定電気量の変化を用いた、ことを特徴とする。   As means for solving the above-mentioned problems, the invention according to claim 1 is characterized in that a recognition material created by molecular imprinting is provided in an environment where a recognition target molecule may exist, and a template portion possessed by the recognition material In a molecular recognition sensor that detects the presence or absence of a recognition target molecule based on a change in a predetermined physical quantity when the recognition target molecule is captured in the sample, a sample that may contain the recognition target molecule is introduced, and the sample thus introduced is introduced. A sample introduction part having a semiconductor substrate in which the recognition material is disposed on one surface so as to be in contact, and first and second thin film electrodes formed on one and other surfaces of the semiconductor substrate, respectively A light irradiation means for irradiating light to the semiconductor substrate of the sample introduction portion, and a potential difference between the first thin film electrode and the second thin film electrode when the light irradiation means irradiates light. Comprising an electric quantity detector that detects the amount of electricity Hazuki occurs, it said the electric quantity detector as a change in the predetermined physical quantity using a variation of the predetermined quantity of electricity detected, characterized in that.

請求項記載の発明は、請求項1記載の発明において、前記認識材料の鋳型部は、複数種類の前記認識対象分子を捕捉可能なものである、ことを特徴とする。   The invention described in claim 1 is characterized in that, in the invention described in claim 1, the template portion of the recognition material is capable of capturing a plurality of types of recognition target molecules.

上記構成により、装置の複雑化及びコストの上昇を招くことなく、温度及び湿度のような外乱の影響を排除できる分子認識センサを得ることができる。   With the above configuration, it is possible to obtain a molecular recognition sensor that can eliminate the influence of disturbances such as temperature and humidity without complicating the apparatus and increasing costs.

まず、本発明に係る分子認識センサの認識材料の具体的作成方法につき説明する。例えば、ジメタクリル酸エチレングリコールを架橋剤として用い、認識対象分子に化学的に結合する物質(例えばメタクリル酸)と認識対象分子とを重合させて、認識対象分子の分子構造などを記憶させた有機化合物を作成する。   First, a specific method for creating a recognition material for a molecular recognition sensor according to the present invention will be described. For example, an organic material that uses ethylene glycol dimethacrylate as a cross-linking agent, polymerizes a substance (for example, methacrylic acid) that chemically binds to the molecule to be recognized and the molecule to be recognized, and stores the molecular structure of the molecule to be recognized, etc. Create a compound.

この場合、認識対象分子は1種類に限ることはなく、数種類同時に存在させた条件下で重合させてもよい。類似構造を持つ物質はその化学的特性も類似しているものが多く、それらを同時に存在させた条件で重合させることにより、その類似化学種をまとめて認識することが可能となる。   In this case, the number of molecules to be recognized is not limited to one, and the molecules may be polymerized under the condition that several kinds of molecules are simultaneously present. Many substances having a similar structure have similar chemical characteristics, and the similar chemical species can be collectively recognized by polymerizing them under the conditions in which they exist simultaneously.

例えば、トリアジン系除草剤農薬は、図1(a)に示すような基本骨格をもち、その側鎖の種類によって、図1(b)の表に掲げるように、アトラジン、シマジン、シアナジン、プロメトリン、アメトリンなどがある。これら全てを認識対象分子として共存させた条件で、クロロホルム、メタクリル酸、ジメタクリル酸エチレングリコール、アゾビスイソブチロニトリル(重合開始剤)などと混合し、混合液を真空脱泡後、窒素ガスで置換する。雰囲気温度を0〜10℃程度に設定し、波長365nm近傍の紫外線を10〜20時間程度照射して重合体を形成させる。粉砕して微粒子形状とし、酢酸−メタノール混合溶液などの極性溶媒で洗浄し、重合体中から対象物質を抽出、乾燥させることにより、これらトリアジン系除草剤農薬を認識できる有機化合物を得ることができる。   For example, a triazine herbicide pesticide has a basic skeleton as shown in FIG. 1 (a), and depending on the type of side chain, as shown in the table of FIG. 1 (b), atrazine, simazine, cyanazine, promethrin, There is ametrine. Mixing with chloroform, methacrylic acid, ethylene glycol dimethacrylate, azobisisobutyronitrile (polymerization initiator), etc. under the condition that all of these coexist as molecules to be recognized. Replace with. The atmospheric temperature is set to about 0 to 10 ° C., and a polymer is formed by irradiating with ultraviolet rays having a wavelength of about 365 nm for about 10 to 20 hours. By pulverizing into fine particles, washing with a polar solvent such as acetic acid-methanol mixed solution, and extracting and drying the target substance from the polymer, an organic compound capable of recognizing these triazine herbicide pesticides can be obtained. .

重合は紫外線照射によるものではなく、40〜60℃程度の雰囲気中で加熱重合させてもよい。なお、合成した重合体は必ずしも粉砕する必要はなく、合成した重合体を薄膜状に切り取ってもよいし、重合時に薄膜として形成させてもよい。また、構造などは異なるが検知したい物質として同じ項目に属するような物質を同時に存在させた条件で重合させることにより、その種類の特定はできないが、それらのいずれかが存在することを認識することが可能となる。   The polymerization is not performed by ultraviolet irradiation but may be performed by heating in an atmosphere of about 40 to 60 ° C. The synthesized polymer is not necessarily pulverized, and the synthesized polymer may be cut into a thin film or formed as a thin film during polymerization. In addition, by polymerizing under the condition that substances that belong to the same item as the substances to be detected are different although the structure is different, the type cannot be specified, but it is recognized that any of them exists. Is possible.

例えば、カビ臭物質として知られる、ジェオスミンおよび2−メチルイソボルネオールを認識対象分子とし、前述と同様な方法で重合反応を行うことにより、これらカビ臭物質を認識できる有機化合物を得ることができる。また、重合時に有機物の架橋剤を用いるのではなく、例えばケイ酸アルコキシドなどを用いて有機物質と無機物質との複合材料を得ることができる。予め対象物質とケイ酸アルコキシドを化学結合させて、対象物質に重合活性部位を付与しておき、ケイ酸アルコキシドの加水分解と縮重合を経由するゾルーゲル重合によって、対象物質がシリカに結合した有機物質と無機物質の複合体が形成され、化学的手段によって対象物質とケイ酸アルコキシドとの化学結合を切断することにより、認識材料を得ることができる。   For example, an organic compound that can recognize these musty odor substances can be obtained by using geosmin and 2-methylisoborneol known as mold odor substances as recognition target molecules and performing a polymerization reaction in the same manner as described above. Further, instead of using an organic crosslinking agent at the time of polymerization, for example, a silicate alkoxide or the like can be used to obtain a composite material of an organic substance and an inorganic substance. An organic substance in which the target substance is bonded to silica by sol-gel polymerization via chemical hydrolysis of the target substance and silicic acid alkoxide in advance to give a polymerization active site to the target substance and hydrolysis and condensation polymerization of the silicate alkoxide. A recognition material can be obtained by cutting a chemical bond between the target substance and the silicate alkoxide by chemical means.

次に、上記のような認識材料を用いた本発明の分子認識センサの構成を説明する。図2は、本発明の第1の参考例の構成図である。この図において、認識対象分子すなわちカビ臭物質を含んでいる可能性のある試料水は、配管1の入口からポンプ2により蒸発槽3内部に送り込まれるようになっている。この蒸発槽3には温度調節器(図示せず)が取り付けられており、試料水の一部が蒸発して気体になる程度まで内部温度を上昇できるようになっている。蒸発槽3で発生した気体は配管4から図示を省略した次処理プロセスに送られるようになっているが、一部は連結管5を介して角速度センサ8が配設されている恒温槽6内に送り込まれるようになっている。この恒温槽6内に送り込まれた気体も配管7から図示を省略した次処理プロセスに送られるようになっている。   Next, the structure of the molecular recognition sensor of the present invention using the recognition material as described above will be described. FIG. 2 is a configuration diagram of a first reference example of the present invention. In this figure, sample water that may contain a recognition target molecule, that is, a musty odor substance, is sent from the inlet of the pipe 1 into the evaporation tank 3 by the pump 2. A temperature controller (not shown) is attached to the evaporating tank 3 so that the internal temperature can be increased to such an extent that a part of the sample water evaporates to become a gas. The gas generated in the evaporating tank 3 is sent from the pipe 4 to the next processing process (not shown), but a part of the gas in the thermostatic tank 6 is provided with the angular velocity sensor 8 via the connecting pipe 5. To be sent to. The gas sent into the thermostatic chamber 6 is also sent from the pipe 7 to the next treatment process (not shown).

角速度センサ8は、コリオリの力を利用したリング型振動子を有するものであり、一般には、自動車等の各種乗り物やロボット等の各種機器における姿勢制御、あるいはカメラなどの防振装置やGPSコンパス等に広く用いられているものである。そして、この角速度センサ8の振動子表面に上記の認識材料が固着されている。この認識材料の固着は、あらかじめ作成しておいた認識材料を振動子表面に接着することにより行ってもよいが、認識対象分子及び架橋剤を含んだ混合液を振動子表面に塗布し、この振動子表面上で重合反応を起こさせることにより認識材料を形成させるようにしてもよい。   The angular velocity sensor 8 has a ring-type vibrator using Coriolis force. Generally, the angular velocity sensor 8 is used for attitude control in various vehicles such as automobiles and various devices such as robots, or a vibration isolator such as a camera, a GPS compass, etc. Is widely used. The recognition material is fixed to the surface of the vibrator of the angular velocity sensor 8. This recognition material may be fixed by adhering a previously prepared recognition material to the surface of the vibrator, but a liquid mixture containing molecules to be recognized and a crosslinking agent is applied to the vibrator surface, The recognition material may be formed by causing a polymerization reaction on the surface of the vibrator.

角速度センサ8からの信号は演算部9に出力され、演算部9はこの信号の入力に基づき認識対象分子検知のための演算を行う。そして、この演算結果は表示部10で表示されるようになっている。   A signal from the angular velocity sensor 8 is output to the calculation unit 9, and the calculation unit 9 performs a calculation for detecting a recognition target molecule based on the input of this signal. The calculation result is displayed on the display unit 10.

次に、図2の動作につき説明する。ポンプ2の起動により、配管1の入口からカビ臭物質を含んでいる可能性のある試料水が蒸発槽3内に送り込まれ、温度調節器で設定された温度まで加温される。加温された試料水の一部は蒸発されて気相となり、連結管5を介して恒温槽6内に送り込まれるが、もし試料水中にカビ臭物質が含まれていたならば、このカビ臭物質も同時に恒温槽6内に送り込まれる。   Next, the operation of FIG. 2 will be described. By starting the pump 2, sample water that may contain a mold odor substance from the inlet of the pipe 1 is sent into the evaporation tank 3 and heated to a temperature set by the temperature controller. A part of the heated sample water is evaporated to become a gas phase and is sent into the thermostat 6 through the connecting pipe 5. If the mold water contains a musty odor substance, this musty odor The substance is also fed into the thermostat 6 at the same time.

恒温槽6内に配設されている角速度センサ8は、鋳型部により送り込まれてきたカビ臭物質の一部を捕捉するが、これにより角速度センサ8の振動子の角速度が変化する。演算部9は、角速度センサ8からの角速度検出信号を入力しており、このときの角速度変化が一定レベル以上である場合にカビ臭物質の存在を検知する。このときの検知信号は表示部10に出力され、表示部10はカビ臭物質が試料水中に含まれていることを画面上に表示する。   The angular velocity sensor 8 disposed in the thermostatic chamber 6 captures a part of the mold odor substance that has been sent by the mold part, and this changes the angular velocity of the vibrator of the angular velocity sensor 8. The calculation unit 9 receives the angular velocity detection signal from the angular velocity sensor 8 and detects the presence of the musty odor substance when the angular velocity change at this time is equal to or higher than a certain level. The detection signal at this time is output to the display unit 10, and the display unit 10 displays on the screen that the musty odor substance is contained in the sample water.

上記の第1の参考例では、認識材料の鋳型部が認識対象分子を捕捉した後の、物理量変化の検出手段として従来の水晶振動子に代えて角速度センサを用いている。この角速度センサは、水晶振動子に比べて温度及び湿度等の外乱に強く、またコスト的にも有利であるという特質を有している。また、最近のセンサ技術の発達により、この角速度センサは、分子レベルの微少な質量変化についても検出可能になっている。角速度センサは、前述したように、一般的には各種乗り物や各種機器における姿勢制御等に用いられるものであるが、本発明では、認識材料と組み合わせることによって、カビ臭物質などの微小な認識対象分子を検出する手段として利用している。このように、本発明の第1の参考例では、角速度センサを通常想定されている一般的な用途とは全く異なる用途に用いることにより、装置の複雑化及びコストの上昇を招くことなく、温度及び湿度のような外乱の影響を排除できる分子認識センサを実現している。   In the first reference example described above, an angular velocity sensor is used in place of a conventional crystal resonator as a means for detecting a change in physical quantity after the recognition material template has captured the recognition target molecule. This angular velocity sensor has a characteristic that it is more resistant to disturbances such as temperature and humidity than the quartz resonator and is advantageous in terms of cost. In addition, with the recent development of sensor technology, this angular velocity sensor can detect even a minute mass change at the molecular level. As described above, the angular velocity sensor is generally used for posture control in various vehicles and various devices, but in the present invention, it is combined with a recognition material to recognize a minute recognition object such as a mold odor substance. It is used as a means for detecting molecules. As described above, in the first reference example of the present invention, the angular velocity sensor is used for an application that is completely different from a general application that is normally assumed, so that the temperature of the apparatus does not increase and the cost of the apparatus does not increase. And a molecular recognition sensor that can eliminate the influence of disturbance such as humidity.

なお、第1の参考例では、物理量変化の検出手段として角速度センサを用いていることから、認識対象分子は、気相中に含まれるものであることが好ましく、加熱等の温度変化により発生するものの他に、放電などの電気現象により生じるものや、生体反応又は酵素反応等により生じるものも含まれる。したがって、図1における角速度センサ8が配設される場所は、必ずしも恒温槽6内に限定されるわけではなく、蒸発槽3も省略されることがあり得る。   In the first reference example, since the angular velocity sensor is used as the physical quantity change detection means, the recognition target molecule is preferably contained in the gas phase, and is generated by a temperature change such as heating. In addition to those, those generated by electrical phenomena such as electric discharge, and those generated by biological reactions or enzymatic reactions are included. Therefore, the place where the angular velocity sensor 8 in FIG. 1 is disposed is not necessarily limited to the constant temperature bath 6, and the evaporation bath 3 may be omitted.

また、第1の参考例では、認識材料の鋳型部は、複数種類の認識対象分子が捕捉されるものであることを想定しており、演算部9は、角速度センサ8から検知信号を入力した場合、これら複数種類のうちの少なくともいずれかの認識対象分子が試料水中にふくまれていることを判別する。しかし、この認識対象分子を複数種類ではなく1種類のみに限定することも可能である。この場合には、演算部9は、角速度センサ8からの検知信号を入力した場合に、この認識対象分子の種類を明確に特定することができ、また、角速度の変化量から試料水中に含まれる認識対象分子の量をある程度推測することもできる。   Further, in the first reference example, it is assumed that the template portion of the recognition material captures a plurality of types of recognition target molecules, and the calculation unit 9 inputs a detection signal from the angular velocity sensor 8. In this case, it is determined that at least one of the plurality of types of recognition target molecules is included in the sample water. However, this recognition target molecule can be limited to only one type instead of a plurality of types. In this case, when the detection unit 9 receives the detection signal from the angular velocity sensor 8, the calculation unit 9 can clearly identify the type of the molecule to be recognized, and is included in the sample water from the amount of change in the angular velocity. The amount of molecules to be recognized can be estimated to some extent.

図3は、本発明の第2の参考例の構成図である。この第2の参考例は、試料水中に蛍光剤などの標識発光物質を添加し、これに光を当てたときの受光量の変化に基づき認識対象分子の存在を検知するようにしたものである。すなわち、図3において、カビ臭物質などの認識対象分子を含む可能性のある試料水は配管11の入口からポンプ12により配管13側へ送り込まれるようになっている。配管13には、標識発光物質添加部14が接続されており、配管13から送り込まれてきた試料水に蛍光剤などの標識発光物質が添加されるようになっている。この蛍光剤としては、例えば、フルオロセイン色素、ローダミン色素、インドシアニン色素、マレイミド色素、カルセイン色素、金属錯体形成蛍光物質等がある。また、蛍光剤以外の標識発光物質としては、例えば、環状ヒドラジド化合物(ルミノール系)、シュウ酸エステル系、アクリジウム系、ルシフェリン系などの化合物がある。   FIG. 3 is a configuration diagram of a second reference example of the present invention. In the second reference example, a labeling luminescent substance such as a fluorescent agent is added to sample water, and the presence of a recognition target molecule is detected based on a change in the amount of light received when light is applied thereto. . That is, in FIG. 3, sample water that may contain a recognition target molecule such as a mold odor substance is sent from the inlet of the pipe 11 to the pipe 13 side by the pump 12. The pipe 13 is connected with a label luminescent substance addition unit 14, and a label luminescent substance such as a fluorescent agent is added to the sample water sent from the pipe 13. Examples of the fluorescent agent include fluorescein dyes, rhodamine dyes, indocyanine dyes, maleimide dyes, calcein dyes, and metal complex-forming fluorescent substances. Examples of the label luminescent substance other than the fluorescent agent include compounds such as a cyclic hydrazide compound (luminol type), an oxalate ester type, an acridium type, and a luciferin type.

標識発光物質添加部14からの標識発光物質が添加された試料水は標識発光物質反応部15に送られ、ここで所定時間滞留されて試料水中の認識対象分子と標識発光物質とが結合されるようになっている。なお、この標識発光物質反応部15内の環境は、試料水中の認識対象分子と標識発光物質との結合が容易に行われるように設定されている。   The sample water to which the labeled luminescent substance is added from the labeled luminescent substance adding unit 14 is sent to the labeled luminescent substance reaction unit 15, where it is retained for a predetermined time, and the recognition target molecule and the labeled luminescent substance in the sample water are combined. It is like that. The environment in the labeled luminescent substance reaction unit 15 is set so that the recognition target molecule in the sample water and the labeled luminescent substance can be easily combined.

標識発光物質反応部15において、標識発光物質との反応により、この標識発光物質が認識対象分子に結合した状態の試料(本明細書ではこれを「反応後試料」と呼ぶ)は、内部に認識材料17が配設された反応後試料導入部16に送り込まれるようになっている。この認識材料17は、既述した第1の参考例におけるものと基本的に同様の方法により作成されるものであるが、鋳型部の形成は、上記の標識発光物質と結合した状態の認識対象分子を、クロロホルム、メタクリル酸、ジメタクリル酸エチレングリコール、アゾビスイソブチロニトリル(重合開始剤)などと混合すること等により行う。これにより、標識発光物質と結合した認識対象分子を捕捉可能な機能を有する認識材料17を得ることができる。   In the labeled luminescent substance reaction unit 15, the sample in which the labeled luminescent substance is bound to the recognition target molecule by the reaction with the labeled luminescent substance (hereinafter referred to as “post-reaction sample”) is recognized internally. It is sent to the sample introduction part 16 after the reaction in which the material 17 is disposed. This recognition material 17 is produced by a method basically similar to that in the first reference example described above, but the template portion is formed by a recognition object in a state of being bound to the above-mentioned labeled luminescent substance. The molecule is mixed with chloroform, methacrylic acid, ethylene glycol dimethacrylate, azobisisobutyronitrile (polymerization initiator), or the like. Thereby, the recognition material 17 having a function capable of capturing the recognition target molecule bound to the labeled luminescent substance can be obtained.

反応後試料導入部16付近には、発光器18及び受光器19を有する光検出部20が設置されている。そして、受光器19からの信号は演算部21に出力され、演算部21はこの信号の入力に基づき認識対象分子検知のための演算を行い、この演算結果が表示部22で表示されるようになっている。   In the vicinity of the post-reaction sample introduction unit 16, a light detection unit 20 having a light emitter 18 and a light receiver 19 is installed. Then, the signal from the light receiver 19 is output to the calculation unit 21, and the calculation unit 21 performs calculation for detection of the recognition target molecule based on the input of this signal, and the calculation result is displayed on the display unit 22. It has become.

次に、図3の動作につき説明する。ポンプ12の起動により配管11の入口からカビ臭物質を含んでいる可能性のある試料水が配管13側に送り込まれる。そして、標識発光物質添加部14からの標識発光物質が添加された試料水が標識発光物質反応部15に送られる。このとき、もし試料水中にカビ臭物質が含まれていれば、このカビ臭物質と標識発光物質とが反応し、両者が結合する。次いで、標識発光物質反応部15からの反応後試料水が反応後試料導入部16内に導入される。   Next, the operation of FIG. 3 will be described. When the pump 12 is activated, sample water that may contain a musty odor substance is fed into the pipe 13 from the inlet of the pipe 11. Then, the sample water to which the labeled luminescent substance is added from the labeled luminescent substance adding unit 14 is sent to the labeled luminescent substance reaction unit 15. At this time, if the musty odor substance is contained in the sample water, the musty odor substance reacts with the labeling luminescent substance, and both are combined. Subsequently, the post-reaction sample water from the labeled luminescent substance reaction unit 15 is introduced into the post-reaction sample introduction unit 16.

すると、反応後試料導入部16内に配設されている認識材料17の鋳型部は、標識発光物質と結合した状態のカビ臭物質を捕捉する。そして、光検出部20の発光器18は、標識発光物質特有の波長を有する光を照射する。この光の照射によって、カビ臭物質に結合している標識発光物質は光を励起し、この励起光を受光器19が受光する。受光器19は、このときの受光量に対応する信号を演算部21に出力しており、演算部21はこの信号レベルが所定レベル以上である場合にカビ臭物質の存在を検知する。このときの検知信号は表示部22に出力され、表示部22はカビ臭物質が試料水中に含まれていることを画面上に表示する。   Then, the template part of the recognition material 17 disposed in the sample introduction part 16 after the reaction captures the mold odor substance in a state of being bound to the labeling luminescent substance. The light emitter 18 of the light detection unit 20 irradiates light having a wavelength peculiar to the labeling luminescent substance. By this light irradiation, the label light-emitting substance bonded to the musty odor substance excites light, and the light receiver 19 receives this excitation light. The light receiver 19 outputs a signal corresponding to the amount of light received at this time to the calculation unit 21. The calculation unit 21 detects the presence of the mold odor substance when the signal level is equal to or higher than a predetermined level. The detection signal at this time is output to the display unit 22, and the display unit 22 displays on the screen that the mold odor substance is contained in the sample water.

上記の実施形態では、試料水に蛍光剤などの標識発光物質を添加して、これを認識対象分子に結合させるようにしておき、更にこの認識対象分子を鋳型部で捕捉した認識材料に対して発光作用を行ったときの受光量に基づき、この認識対象分子の存在を検知するようにしている。この第2の参考例に係る分子認識センサも、水晶振動子を用いた従来センサに比べて温度及び湿度等の外乱に強く、またコスト的にも有利なものとなっている。更に、既述した第1の参考例は、角速度センサを用いている構成上、温度及び湿度には強いが振動にはそれほど強くないという性質を有しているが、この実施形態は温度及び湿度のみならず振動にも強いというメリットを有している。   In the above-described embodiment, a labeling luminescent substance such as a fluorescent agent is added to the sample water so that it is bound to the recognition target molecule, and the recognition target molecule is further captured by the template portion. The presence of the recognition target molecule is detected based on the amount of light received when the light emitting action is performed. The molecular recognition sensor according to the second reference example is also more resistant to disturbances such as temperature and humidity than the conventional sensor using a crystal resonator, and is advantageous in terms of cost. Further, the first reference example described above has a property that it is strong against temperature and humidity but not so strong against vibration due to the configuration using the angular velocity sensor. In addition, it has the merit of being resistant to vibration.

なお、この第2の参考例では、認識材料が認識対象分子を検知するときの試料の状態は気相又は液相のいずれであってもよい。ただし、液相の場合には、認識対象分子は溶媒に溶存又は懸濁しているものとし、また、試料を認識材料に接触させる方式は、流通式又は回分式のいずれであってもよい。   In the second reference example, the state of the sample when the recognition material detects the recognition target molecule may be either a gas phase or a liquid phase. However, in the case of a liquid phase, the recognition target molecule is dissolved or suspended in a solvent, and the method of bringing the sample into contact with the recognition material may be either a flow type or a batch type.

次に、本発明の第3の参考例につき説明する。この第3の参考例は、認識材料に認識対象分子が捕捉された場合の電気的特性を変化し得る機能を具備させておき、この電気的特性の変化の検出に基づき認識対象分子の存在を検知するようにしたものである。認識材料にこのように電気的特性を変化し得る機能を具備させるには、例えば2つの手法が考えられる。   Next, a third reference example of the present invention will be described. In the third reference example, the recognition material is provided with a function capable of changing the electrical characteristics when the recognition target molecule is captured, and the presence of the recognition target molecule is detected based on the detection of the change in the electrical characteristics. It is intended to be detected. In order to provide the recognition material with a function capable of changing the electrical characteristics in this way, for example, two methods are conceivable.

一つは、認識材料を重合により作成する際に、架橋剤に導電性高分子を用いる手法である。導電性高分子には、例えば、共役2重結合などで繋がった炭素原子鎖を骨格とし、π電子の非局在化によって半導体的な性質を示す共役系有機高分子がある。これらの具体例としては、ポリアセチレン、ポリジアセチレン、ポリピロール、ポリパラフェニレン、ポリパラフェニレンスルフィドなどの鎖状共役導電性高分子を挙げることができ、また、アクリル酸誘導体からなる3次元のポリマーネットワークを持つ導電性高分子もある。   One is a method of using a conductive polymer as a cross-linking agent when preparing a recognition material by polymerization. As the conductive polymer, for example, there is a conjugated organic polymer having a carbon atom chain connected by a conjugated double bond as a skeleton and exhibiting semiconductor properties by delocalization of π electrons. Specific examples thereof include chain conjugated conductive polymers such as polyacetylene, polydiacetylene, polypyrrole, polyparaphenylene, polyparaphenylene sulfide, and a three-dimensional polymer network composed of acrylic acid derivatives. Some have conductive polymers.

他の手法は、認識材料を重合により作成する際に、認識対象分子及び架橋剤を含む混合液中に導電性物質を添加して重合反応を行う手法である。例えば、銅、銀、黒鉛などのナノオーダー粒径の導電性物質を高分子内に分散させて重合・合成を行う手法である。   Another method is a method in which a conductive material is added to a mixed solution containing a recognition target molecule and a crosslinking agent to perform a polymerization reaction when the recognition material is prepared by polymerization. For example, this is a technique of polymerizing and synthesizing a conductive material having a nano-order particle size such as copper, silver, or graphite dispersed in a polymer.

これらの手法により作成した認識材料の鋳型部が認識対象分子を捕捉すると、認識材料の電気的特性が変化し、所定の電気量が変化するため、この電気量の変化を検出することにより認識対象分子の存在を検知することができる。この所定の電気量としては、例えば、認識材料の静電容量、電流値、電圧値、電気伝導度などがあり、これらの電気量のうちどれを用いるかについては条件に応じて種々に設定することが可能である。例えば、静電容量、電流値、電圧値、電気伝導度の全てを検出するようにしてもよいし、あるいはこれらのどれか一つで足りることもあり得る。   When the template part of the recognition material created by these methods captures the recognition target molecule, the electrical properties of the recognition material change and the predetermined amount of electricity changes. The presence of molecules can be detected. Examples of the predetermined amount of electricity include the capacitance, current value, voltage value, and electrical conductivity of the recognition material. Which of these amounts of electricity is used is variously set according to conditions. It is possible. For example, all of the capacitance, current value, voltage value, and electrical conductivity may be detected, or any one of them may be sufficient.

図4は、このような本発明の第3の参考例の構成図である。この図において、ガラス又はプラスチック等の材料により形成された基板23上に、認識対象分子を含む可能性のある試料水を導入するための流路24が配設されている。この流路24は、パイプ等の材料により形成してもよく、あるいは基板23の表面に彫った溝により形成してもよい。この流路24はマイクロポンプ25を介して試料導入部26に接続されている。そして、この試料導入部26内に、上記のように電気的特性を変化し得る機能が具備された認識材料27が配設されている。認識材料27には電極28a,28bが接続されており、電気量検出部29はこの電極28a,28bを介して、認識材料27の静電容量、電流値、電圧値、電気伝導度のうちの少なくともいずれか一つを含む電気量を検出するようになっている。また、電気量検出部29からの信号は演算部30に出力され、表示部31はこの信号の入力に基づき認識対象分子検知のための演算を行い、この演算結果が表示部31で表示されるようになっている。   FIG. 4 is a configuration diagram of the third reference example of the present invention. In this figure, a flow path 24 for introducing sample water that may contain a recognition target molecule is disposed on a substrate 23 formed of a material such as glass or plastic. The flow path 24 may be formed of a material such as a pipe, or may be formed of a groove carved on the surface of the substrate 23. The flow path 24 is connected to the sample introduction unit 26 via a micropump 25. And in this sample introduction part 26, the recognition material 27 provided with the function which can change an electrical property as mentioned above is arrange | positioned. Electrodes 28a and 28b are connected to the recognition material 27, and the electric quantity detection unit 29 is connected to the capacitance, current value, voltage value, and electrical conductivity of the recognition material 27 via the electrodes 28a and 28b. The amount of electricity including at least one of them is detected. A signal from the electric quantity detection unit 29 is output to the calculation unit 30, and the display unit 31 performs a calculation for recognition target molecule detection based on the input of this signal, and the calculation result is displayed on the display unit 31. It is like that.

次に、図4の動作につき説明する。マイクロポンプ25の起動により、認識対象分子を含んでいる可能性のある試料水が流路24の入口から入り、試料導入部26へ導入される。試料水中にもし認識対象分子が含まれていれば、この試料導入部26に配設された認識材料27は、その鋳型部で認識対象分子を捕捉する。この捕捉により、認識材料27の電気的特性が変化し、所定の電気量の変化が電極28a,28b間の電位差として現れ、電気量検出部29により検出される。演算部30は、電気量検出部29が検出した電気量の変化が一定レベル以上である場合に認識対象分子の存在を検知する。このときの検知信号は表示部31に出力され、表示部31は認識対象分子が試料水中に含まれていることを画面上に表示する。   Next, the operation of FIG. 4 will be described. When the micropump 25 is activated, sample water that may contain a recognition target molecule enters from the inlet of the flow path 24 and is introduced into the sample introduction unit 26. If the recognition target molecule is contained in the sample water, the recognition material 27 arranged in the sample introduction part 26 captures the recognition target molecule in the template part. By this capture, the electrical characteristics of the recognition material 27 change, and a predetermined change in the amount of electricity appears as a potential difference between the electrodes 28 a and 28 b and is detected by the amount-of-electricity detection unit 29. The calculation unit 30 detects the presence of a recognition target molecule when the change in the amount of electricity detected by the amount-of-electricity detection unit 29 is a certain level or more. The detection signal at this time is output to the display unit 31, and the display unit 31 displays on the screen that the recognition target molecule is contained in the sample water.

上記のように、本発明の第3の参考例では、認識材料が認識対象分子を捕捉したときの電気的特性を変化させるようにしておき、この電気的特性の変化に基づき、認識対象分子の存在を検知するようにしている。したがって、この実施形態も、第2の参考例と同様に、温度及び湿度更には振動等の外乱に強く、またコスト的にも有利なものとなっている。また、認識材料が認識対象分子を検知するときの試料の状態は気相又は液相のいずれであってもよい。   As described above, in the third reference example of the present invention, the electrical property when the recognition material captures the recognition target molecule is changed, and the recognition target molecule is changed based on the change in the electrical property. The existence is detected. Therefore, this embodiment is also resistant to disturbances such as temperature, humidity, and vibration, as well as the second reference example, and is advantageous in terms of cost. Further, the state of the sample when the recognition material detects the recognition target molecule may be either a gas phase or a liquid phase.

図5は、本発明の実施形態の要部構成図である。この図5は、図4における構成要素27〜29に対して置換可能な構成要素のみを図示したものである。すなわち、試料導入部26内にn-Si基板(半導体基板)32が配設されており、このn-Si基板32の一方の表面に薄膜状認識材料33及び第1の薄膜電極34が形成されている。なお、図5の図示では、認識材料33の上に電極34が形成されているように見えるが、これと垂直方向からの図示によれば認識材料33及び電極34は共にn-Si基板32の一方の表面に形成されている。つまり、認識材料33と試料水との接触スペースを充分に確保するために、認識材料33の全面が電極34により覆われることのないようになっている。   FIG. 5 is a configuration diagram of a main part of the embodiment of the present invention. FIG. 5 shows only components that can be replaced with the components 27 to 29 in FIG. That is, an n-Si substrate (semiconductor substrate) 32 is disposed in the sample introduction portion 26, and a thin film recognition material 33 and a first thin film electrode 34 are formed on one surface of the n-Si substrate 32. ing. In the illustration of FIG. 5, it seems that the electrode 34 is formed on the recognition material 33, but according to the illustration from a direction perpendicular to this, the recognition material 33 and the electrode 34 are both of the n-Si substrate 32. It is formed on one surface. That is, the entire surface of the recognition material 33 is not covered with the electrode 34 in order to ensure a sufficient contact space between the recognition material 33 and the sample water.

また、n-Si基板32の他方の表面には第2の薄膜電極35が形成されている。この第2の薄膜電極35には、孔部36が設けられており、この孔部36に対向する位置に光照射手段としてのLED37が配設されている。そして、第1及び第2の薄膜電極34,35に電気量検出部としての光電流検出器38が配設されている。   A second thin film electrode 35 is formed on the other surface of the n-Si substrate 32. The second thin film electrode 35 is provided with a hole 36, and an LED 37 as a light irradiation means is disposed at a position facing the hole 36. A photocurrent detector 38 as an electric quantity detector is disposed on the first and second thin film electrodes 34 and 35.

なお、薄膜状認識材料33は、有機化合物のみにより形成されたもの、又は有機化合物と無機化合物との複合により形成されたもののいずれであってもよいものとする。また、第1の薄膜電極34はAu電極、第2の薄膜電極35はAl電極であり、これらはいずれもスパッタリング等によりn-Si基板32の表面上に形成されたものである。   Note that the thin-film recognition material 33 may be formed of only an organic compound or a composite of an organic compound and an inorganic compound. The first thin film electrode 34 is an Au electrode, and the second thin film electrode 35 is an Al electrode, both of which are formed on the surface of the n-Si substrate 32 by sputtering or the like.

次に、図5の動作につき説明する。試料導入部26内に認識対象分子を含んでいる試料水が導入されている状態では、LED37が孔部36に対して光を照射している。電極34,35間に配設されているn-Si基板32は積層構造体であり、この光照射によって両端間に電位差が生じて電極34,35間にバイアス電圧が印加された状態となる。   Next, the operation of FIG. 5 will be described. In a state where sample water containing a recognition target molecule is introduced into the sample introduction part 26, the LED 37 irradiates the hole part 36 with light. The n-Si substrate 32 disposed between the electrodes 34 and 35 is a laminated structure. Due to this light irradiation, a potential difference is generated between both ends, and a bias voltage is applied between the electrodes 34 and 35.

そして、試料水中の認識対象分子が薄膜状認識材料33の鋳型部に捕捉されると、n-Si基板32の有機化合物層の静電容量が変化し、これが電極34,35間のバイアス電圧の変化となって現れる。光電流検出器38は、このバイアス電圧の変化により生じる光電流の変化を検出し、その変化が一定レベル以上である場合に認識対象分子の存在を検知する。   When the recognition target molecule in the sample water is captured by the template portion of the thin film-like recognition material 33, the capacitance of the organic compound layer of the n-Si substrate 32 changes, and this is the bias voltage between the electrodes 34 and 35. It appears as a change. The photocurrent detector 38 detects a change in the photocurrent caused by the change in the bias voltage, and detects the presence of the recognition target molecule when the change is at a certain level or more.

上記のように、図4の本発明の第3の参考例は、認識材料自体が認識対象分子捕捉時の電気的特性を変化させる構造を有していたのに対し、この図5の本発明の実施形態では、認識材料に半導体基板を組み合わせ、認識材料が認識対象分子を捕捉したときに、この半導体基板に電気的特性を変化させる構成としている。したがって、この本発明の実施形態も、第3の参考例と同様に、温度及び湿度更には振動等の外乱に強く、またコスト的にも有利なものとなる。また、この実施形態においても、認識材料が認識対象分子を検知するときの試料の状態は気相又は液相のいずれであってもよい。   As described above, the third reference example of the present invention in FIG. 4 has a structure in which the recognition material itself changes the electrical characteristics when capturing the recognition target molecule, whereas the present invention in FIG. In the embodiment, a semiconductor substrate is combined with a recognition material, and when the recognition material captures a recognition target molecule, the electrical characteristics of the semiconductor substrate are changed. Therefore, this embodiment of the present invention is also resistant to disturbances such as temperature, humidity, and vibration, as well as the third reference example, and is advantageous in terms of cost. Also in this embodiment, the state of the sample when the recognition material detects the recognition target molecule may be either a gas phase or a liquid phase.

なお、上述した実施形態、並びに第2及び第3の参考例では、認識材料の鋳型部が複数種類の認識対象分子を捕捉可能なものであることを想定しているが、この捕捉可能な認識対象分子を複数種類ではなく1種類のみに限定し得ることは、第1の参考例と同様である。また、1種類に限定した場合には、認識対象分子の種類を明確に特定することができ、認識対象分子の量をある程度推測できることも同様である。   In the above-described embodiment and the second and third reference examples, it is assumed that the template portion of the recognition material can capture a plurality of types of recognition target molecules. Similar to the first reference example, the target molecule can be limited to only one type instead of a plurality of types. Moreover, when it is limited to one type, the type of the recognition target molecule can be clearly specified, and the amount of the recognition target molecule can be estimated to some extent.

本発明の各実施形態における認識対象分子の具体例を示す説明図であり、(a)はトリアジン系農薬の基本骨格を示す化学式、(b)はトリアジン系農薬の名称及び側鎖を示す図表である。It is explanatory drawing which shows the specific example of the recognition object molecule | numerator in each embodiment of this invention, (a) is a chemical formula which shows the basic skeleton of a triazine type agricultural chemical, (b) is a chart which shows the name and side chain of a triazine type agricultural chemical. is there. 本発明の第1の参考例の構成図。The block diagram of the 1st reference example of this invention. 本発明の第2の参考例の構成図。The block diagram of the 2nd reference example of this invention. 本発明の第3の参考例の構成図。The block diagram of the 3rd reference example of this invention. 本発明の実施形態の要部構成図。The principal part block diagram of embodiment of this invention.

符号の説明Explanation of symbols

1 配管
2 ポンプ
3 蒸発槽
4 配管
5 連結管
6 恒温槽
7 配管
8 角速度センサ
9 演算部
10 表示部
11 配管
12 ポンプ
13 配管
14 標識発光物質添加部
15 標識発光物質反応部
16 反応後試料導入部
17 認識材料
18 発光器
19 受光器
20 光検出部
21 演算部
22 表示部
23 基板
24 流路
25 マイクロポンプ
26 試料導入部
27 認識材料
28a,28b 電極
29 電気量検出部
30 演算部
31 表示部
32 n-Si基板
33 薄膜状認識材料
34 第1の薄膜電極
35 第2の薄膜電極
36 孔部
37 LED
38 光電流検出器
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Piping 2 Pump 3 Evaporating tank 4 Piping 5 Connecting pipe 6 Constant temperature bath 7 Piping 8 Angular velocity sensor 9 Calculation part 10 Display part 11 Piping 12 Pump 13 Piping 14 Label luminescent substance addition part 15 Label luminescent substance reaction part 16 Post-reaction sample introduction part 17 Recognition material 18 Light emitter 19 Light receiver 20 Light detection unit 21 Calculation unit 22 Display unit 23 Substrate 24 Channel 25 Micropump 26 Sample introduction unit 27 Recognition material 28a, 28b Electrode 29 Electric quantity detection unit 30 Calculation unit 31 Display unit 32 n-Si substrate 33 Thin film recognition material 34 First thin film electrode 35 Second thin film electrode 36 Hole 37 LED
38 Photocurrent detector

Claims (2)

分子インプリンティングにより作成された認識材料を認識対象分子が存在する可能性のある環境下に設け、この認識材料が有する鋳型部に認識対象分子が捕捉されたときの所定物理量の変化に基づき、認識対象分子の有無を検出する分子認識センサにおいて、
前記認識対象分子を含む可能性のある試料を導入し、この導入した試料に接触するように前記認識材料が一方の表面に配設された半導体基板、並びに該半導体基板の一方及び他方の表面上にそれぞれ形成された第1及び第2の薄膜電極を有する試料導入部と、
前記試料導入部の半導体基板に対して光を照射する光照射手段と、
前記光照射手段が光を照射したときの前記第1の薄膜電極と第2の薄膜電極との間の電位差に基づき発生する電気量を検出する電気量検出部と、
を備え、前記所定物理量の変化として前記電気量検出部が検出した所定電気量の変化を用いた、
ことを特徴とする分子認識センサ。
The recognition material created by molecular imprinting is placed in an environment where the recognition target molecule may exist, and recognition is performed based on the change in the predetermined physical quantity when the recognition target molecule is captured in the template part of this recognition material. In a molecular recognition sensor that detects the presence or absence of a target molecule,
A sample that may contain the molecule to be recognized is introduced, the semiconductor material on which one of the recognition materials is disposed so as to come into contact with the introduced sample, and on one and the other surfaces of the semiconductor substrate A sample introduction part having first and second thin film electrodes respectively formed on
A light irradiating means for irradiating the semiconductor substrate of the sample introduction portion with light;
An electric quantity detection unit for detecting an electric quantity generated based on a potential difference between the first thin film electrode and the second thin film electrode when the light irradiation means emits light;
And using a change in the predetermined amount of electricity detected by the electric quantity detector as the change in the predetermined physical amount,
A molecular recognition sensor characterized by the above.
前記認識材料の鋳型部は、複数種類の前記認識対象分子を捕捉可能なものである、
ことを特徴とする請求項1記載の分子認識センサ。
The template portion of the recognition material is capable of capturing a plurality of types of recognition target molecules.
The molecular recognition sensor according to claim 1.
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