JP2008216083A - 化学物質センシング素子、化学物質センシング装置、及び化学物質センシング素子の製造方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】化学物質センシング素子は、製造が安易なカーボンナノ構造体からなり、アルキル基により表面修飾されることでガス選択性を有する。さらに、金属フタロシアニンにより表面修飾されることにより従来技術より高い感度を示す。本素子のガス吸着による電気抵抗変化は、トルエンガス(288)、キシレンガス(290)のいずれについても固有の変化を示し、大気を構成するN2ガス(286)の挙動とも区別できる上に、従来のものに比べ高い感度を示す。
【選択図】 図17
Description
齋藤理一郎、「カーボンナノチューブの概要と課題」、機能材料、vol.21、No.5、p6−14、2001年5月号
―構成―
図1に、本発明の第1の実施の形態に係る化学物質センシング素子を採用した化学物質センシング装置20の構成図を示す。図1を参照して、装置20は、直流電源30と、直流電源30のプラス端子に一端が接続された、本実施の形態に係る化学物質センシング素子32と、化学物質センシング素子32の他端と直流電源30のマイナス端子との間に接続された負荷抵抗34と、化学物質センシング素子32及び負荷抵抗34の接点に入力が接続され、この接点の電位変化を増幅するための増幅器36とを含む。測定時、この電位変化を測定するために、増幅器36の他方の端子に図示しない直流電圧計が接続される。
図3に、化学物質センシング部42の製造方法の一部を説明するための模式図を示す。図3(A)を参照して、容器60に用意されたエタノール溶液62にカーボンナノ構造体64を投入する。
図1、図2、及び図3を参照して、本実施の形態に係る装置20は以下のように動作する。直流電源30により、化学物質センシング素子32と負荷抵抗34とを直列接続したものの両端に一定電圧をかけながら、センシング対象ガスを化学物質センシング素子32表面に導入する。
―構成―
第2の実施の形態に係る装置は、図1に示す装置20において、化学物質センシング素子32に代えて、図7に概要を示す、化学物質センシング素子32とは異なる化学物質センシング素子110を使用する。
図7に示す化学物質センシング部122は以下の製造方法により製造される。図3(C)を参照して、カーボンナノ構造体凝集体68をピペット等で吸い上げた後、図8に示す絶縁性繊維シート130の上に滴下すると、シート状カーボンナノ構造体凝集体132が形成される。この時、カーボンナノ構造体凝集体68と共に残渣液70がピペット等に吸い上げられ、絶縁性繊維シート130の上に共に滴下されるが、残渣液70がその揮発性のため乾燥により除去され、シート状カーボンナノ構造体凝集体132は絶縁性繊維シート130の上に残存する。絶縁性繊維シート130を適切な大きさに切断することにより、化学物質センシング部122が得られる。
―構成―
第3の実施に係る装置は、図1に示す装置20において、化学物質センシング素子32に代えて、図9に概要を示す、化学物質センシング素子32とは異なる化学物質センシング素子150を使用する。
図10に、図9に示す化学物質センシング部160の製造方法の一部を説明する模式図を示す。図10を参照して、はじめに、第2の実施の形態と同様の方法で、平板状のカーボンナノ構造体凝集体132を作成する。次に、平板状カーボンナノ構造体凝集体132の上に、予め溶剤に溶かしたCuフタロシアニン170を滴下し、平板状カーボンナノ構造体凝集体132の表面に付着させる。その後絶縁性繊維シート130を適切な大きさに切断することにより、化学物質センシング部160が得られる。
Cuフタロシアニンは表面を活性化する効果があるため、第3の実施に係る装置は、第1及び第2の実施に係る装置と比べ、電気抵抗の変化量、すなわち感度は、数倍向上する。電気抵抗の変化量については、後の実施例の項で説明する。
―構成―
第4の実施の形態に係る装置は、図1に示す装置20において、化学物質センシング素子32に代えて、化学物質センシング素子32とは異なる化学物質センシング素子200を使用する。
化学物質センシング部210は以下の製造方法により製造される。図12(A)を参照して、容器60に、図3(B)に示されたカーボンナノ構造体64が分散したエタノール分散液66、または、図3(C)に示す、凝集したカーボンナノ構造体凝集体68を保持する残渣液70を用意し、予め溶剤に溶かしたCuフタロシアニンを滴下する。その後、図示しない超音波発生器により超音波を照射し、分散液220が形成される。これにより、エタノール分散液66に含まれるカーボンナノ構造体、または、カーボンナノ構造体凝集体の表面がCuフタロシアニンに修飾される。
―構成―
第5の実施の形態に係る装置は、図1に示す装置20において、化学物質センシング素子32に代えて、図14に概要を示す、化学物質センシング素子32とは異なる化学物質センシング素子250を使用する。
図14に示す化学物質センシング部260は以下の製造方法により製造される。図15を参照して、絶縁性繊維シート130の上に、図12に示すカーボンナノ構造体凝集体224をピペット等で吸い上げた後、滴下すると、平板状カーボンナノ構造体凝集体270が形成される。その後絶縁性繊維シート130を適切な大きさに切断することにより、化学物質センシング部260が得られる。
以下、第1の実施の形態に基づく実施例1について説明する。
図2を参照して、化学物質センシング素子32を以下の方法により製造した。はじめに、カーボンナノ構造体を、平行平板プラズマ化学気相合成(CVD)法により、触媒を用いて石英基板上に作製した。その作製条件は、基板温度800度、ガス流量;メタンガス50sccm、水素ガス50sccm、反応圧力15torr、高周波出力350W、成長時間15分とした。次に、カーボンナノ構造体をマニピュレータを用いて石英基板から擦り取った。その後、表面のアルキル基修飾を行なうために、このカーボンナノ構造体をビーカーに用意したエタノール溶液に投入した後、このビーカーを、10kHz、8Wの超音波洗浄器内に設置し、ビーカー内試料に対し超音波照射をカーボンナノ構造体が分散するまで行なった。その後、試料を30分放置し、カーボンナノ構造体の凝集を行なった。凝集終了後、ピンセットで絶縁性細線(アクリル繊維など)を残渣液に挿入して、約数十nm径の線状カーボンナノ構造体凝集体を絶縁性細線に付着または吸着させ、これを残渣液から取り出し、図4に示す化学物質センシング部42とした。さらに、その両端に銀ペーストで0.5mmφの銅線を接続し、これを図2に示す電極40a及び40bとし、化学センシング素子32の製造を終了した。製造した化学センシング素子32を化学物質センシング装置へ導入した。
化学物質センシング装置20の特性評価方法を次に示す。図1を参照して、装置20を、雰囲気が制御できる約20リットルの真空容器に挿入し、一旦、化学物質センシング素子32の周辺雰囲気を0.1torr程度の真空とした。直流電源により電流200μAを流し、化学物質センシング素子32と負荷抵抗34との間の接点の電気抵抗変化を増幅器36において増幅し、増幅した電気抵抗変化を増幅器36の出力電圧変化として図示しない直流電圧計により測定した。なお、化学物質センシング素子の抵抗はRo=18kΩであり、測定頻度は1秒毎で、90秒間行なった。この測定値を初期値(0V)とした。次に、参照試料として、1リットルのテドラーバッグに充満させたN2ガス20リットルを一気に真空容器に導入し、その際の電位変化を基準値測定時と同様に行ない、基準値との差異を図16にプロットした。次に、真空ポンプによりN2ガスを排気し、化学物質センシング素子32に吸着したN2を脱離させた。その後、1リットルのテドラーバッグに封入したトルエン濃度200ppmのセンシング対象ガスを、N2ガス同様に一気に真空容器に導入し、同様の測定を行なった。キシレンはセンシング対象ガス濃度200ppmとし、同様の方法で測定を行なった。
以下、第3の実施の形態に基づく実施例2について説明する。
図9を参照して、以下に化学物質センシング素子150の製造方法を示す。実施例1と同様の要領で、約数十nm径の線状カーボンナノ構造体凝集体を得、ピペットにて残渣液から5マイクロリットルを取り出し、半透明の紙(以下「シート」と示す)の中央に滴下した。カーボンナノ構造体凝集体に含まれるエタノールを揮発させるため3時間放置し、アルキル基により修飾されたカーボンナノ構造体凝集体を得た。次に、Cuフタロシアニン(東京化成工業製)をテトラヒドロフラン(THF)で溶解し、0.1mMのCuフタロシアニン溶液を調製した。その後、Cuフタロシアニン溶液5マイクロリットルをピペットにより、シート上カーボンナノ構造体凝集体表面に滴下した。以上により得た平板状試料をサイズ10mm×30mmに切断し、化学物質センシング部160とした。その両端に銀ペーストで0.5mmφの金の細線を接続し、これを電極120a及び120bとし、化学物質センシング素子150の製造を終了した。製造した化学物質センシング素子150を化学物質センシング装置へ導入した。
−比較用化学物質センシング素子の製造方法−
図示しない比較用化学物質センシング素子の製造方法は実施例1と同様であるが、図3に示すカーボンナノ構造体表面へのCH基修飾を行なわず、図4に示す細線80も挿入しない。
−比較用化学物質センシング装置の評価方法−
また、比較用化学物質センシング装置の特性評価は、検出対象ガスとしてN2ガスと、トルエンとの2種類を用い、化学物質センシング素子の抵抗はRo=15kΩであり、実施例1と同様の測定により行なった。尚、初期抵抗値Roの違いは、修飾することによる抵抗増加或いは作製時のセンサー抵抗のばらつきである。
図16に実施例1の測定結果グラフを示す。縦軸は、図1を参照して、化学物質センシング素子32と負荷抵抗34の接点での電気抵抗変化を増幅器36により増幅後、出力した電圧(単位:V ボルト)について、ガス吸着なしの場合を基準値(0V)としたときの、ガス吸着ありの場合での変化量を、横軸は測定開始からの測定時間(単位:秒)を示す。図16中280はN2ガス、282はトルエンガス、284はキシレンガスの電圧変化を示す。図17は実施例2の測定結果グラフであり、図16と同様のグラフ構成である。図17中、286はN2ガス、288はトルエンガス、290はキシレンガスの結果を示す。図18は比較例の測定結果グラフであり、図16と同様で、292はN2ガス、294はトルエンガス、296は、キシレンガスの結果を示す。なお、N2ガスは大気を構成するガスであり、参照データとして測定した。
カーボンナノ構造体64は、その製造方法を問わない。プラズマCVD法、熱CVD法、アーク法及びレーザーアブレーション等が知られているが、いずれでもよい。カーボンナノ構造体表面のCH基修飾を行なう溶液は、CH基を有するアルコール類であればその種類を限定しない。さらに、その溶液濃度も限定しない。
30 直流電源
32,110,150,200,250 化学物質センシング素子
34 負荷抵抗
36 増幅器
40a,40b,120a,120b 電極
42,122,160,210,260 化学物質センシング部
60 容器
62 エタノール溶液
64 カーボンナノ構造体
66 超音波照射によりカーボンナノ構造体64が分散したエタノール
68,222 カーボンナノ構造体凝集体
70,226 残渣液
80 細線(繊維)
82,230 細線(繊維)80に付着したカーボンナノ構造体凝集体
90 エタノール分散後のカーボンナノ構造体表面のIRスペクトル
92 エタノール分散前のカーボンナノ構造体表面のIRスペクトル
100,102,104 アルキル基の吸収
105,107 石英基板
106,108 カーボンナノ構造体
130 絶縁性繊維シート
132,270 シート状カーボンナノ構造体凝集体
170 滴下されたCuフタロシアニン溶液
220 分散液
224 沈降したCuフタロシアニン修飾後カーボンナノ構造体凝集体
280,286,292 N2ガスの反応特性
282,288,294 トルエンガスの反応特性
284,290,296 キシレンガスの反応特性
Claims (12)
- 雰囲気中の特定物質を検出するための、アルキル基により表面修飾されたカーボンナノ構造体を含む、化学物質センシング素子。
- 前記カーボンナノ構造体は、実質的に、グラファイト構造を有するナノ構造炭素同位体からなる、請求項1に記載の化学物質センシング素子。
- 前記カーボンナノ構造体は、さらに、金属フタロシアニンにより表面修飾されている、請求項1又は請求項2に記載の化学物質センシング素子。
- 前記特定物質は、トルエン、及びキシレンである、請求項1〜請求項3のいずれかに記載の化学物質センシング素子。
- アルキル基により表面修飾されたカーボンナノ構造体を含む化学物質センシング素子と、
前記化学物質センシング素子に電気的に結合され、前記化学物質センシング素子の電気抵抗の変化を検出するための検出手段とを含む、化学物質センシング装置。 - 前記カーボンナノ構造体は、実質的に、グラファイト構造を有するナノ構造炭素同位体からなる、請求項5に記載の化学物質センシング装置。
- 前記カーボンナノ構造体は、さらに、金属フタロシアニンにより表面修飾されている、請求項5又は請求項6に記載の化学物質センシング装置。
- 雰囲気中の特定物質を検出する化学物質センシング素子の製造方法であって、
アルキル基を有するアルコール類からなる溶液中にカーボンナノ構造体が分散した分散液を作製するステップと、
前記分散液中に分散した前記カーボンナノ構造体を凝集させることによりカーボンナノ構造体凝集体を作製するステップとを含み、それによって、前記カーボンナノ構造体がアルキル基により修飾される、方法。 - 前記分散液を作製するステップは、
前記溶液中にカーボンナノ構造体を投入して、前記アルコール類からなる溶液と前記カーボンナノ構造体との混合体を作製する第1のステップと、
前記第1のステップにおいて作製された前記混合体に超音波を照射することにより、前記カーボンナノ構造体を前記アルコール類の溶液中に均一に分散させる第2のステップとを含む、請求項8に記載の方法。 - 前記カーボンナノ構造体凝集体に絶縁性繊維を挿入して当該絶縁性繊維に前記カーボンナノ構造体を付着させるステップをさらに含む、請求項8又は請求項9に記載の方法。
- 前記カーボンナノ構造体凝集体を絶縁性繊維により形成されたシートに滴下して当該シートに前記カーボンナノ構造体を付着させるステップをさらに含む、請求項8又は請求項9に記載の方法。
- 雰囲気中の特定物質を検出する化学物質センシング素子の製造方法であって、
アルキル基を有するアルコール類からなる溶液中にカーボンナノ構造体が分散した分散液を作製するステップと、
前記分散液を絶縁性繊維により形成されたシートに滴下して当該シートに前記カーボンナノ構造体を付着させるステップとを含む、方法。
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