JP2012246163A - Nano-porous thin film and method for producing the same - Google Patents

Nano-porous thin film and method for producing the same Download PDF

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a nano-porous thin film, wherein a material of a pore wall surrounding a periphery of a pore is optionally controlled in a film thickness direction, and to provide a method for producing the same.SOLUTION: The nano-porous thin film having nano-porous structure includes a plurality of layer regions along the film thickness direction. The plurality of layer regions include a first layer region having a first pore and a second layer region having a second pore, wherein the first pore and the second pore penetrate each other, and materials forming the first layer region and the second layer region are different.

Description

本発明は、ナノ多孔質薄膜およびその製造方法に関する。より詳しくは、触媒や機能性分子のような物質を担持する担持材料、物質を吸着する吸着材料、物質の分離、検出などに用いる分離、分子認識、センサ材料、物質の輸送、交換に利用される伝導材料、電子デバイスや光デバイス、マイクロデバイスなどに利用するナノ構造材料など、広い範囲で利用可能なナノ多孔質薄膜およびその製造方法に関するものである。   The present invention relates to a nanoporous thin film and a method for producing the same. More specifically, it is used for supporting materials that support substances such as catalysts and functional molecules, adsorbing materials that adsorb substances, separation for separation and detection of substances, molecular recognition, sensor materials, transportation and exchange of substances. The present invention relates to a nanoporous thin film that can be used in a wide range such as a conductive material, an electronic device, an optical device, a nanostructure material used for a microdevice, and the like, and a manufacturing method thereof.

近年、ナノテクノロジーの発展は目覚ましく、ナノメートルサイズの構造を持った様々なナノ構造材料が提案されている。中でもナノメートルサイズの空間を有したナノ多孔質材料は、吸着材料や触媒などの担体、物質の分離や認識材料など、多くの産業分野において利用されている。   In recent years, the development of nanotechnology has been remarkable, and various nanostructured materials having nanometer-sized structures have been proposed. In particular, nanoporous materials having a nanometer-sized space are used in many industrial fields such as adsorbent materials and carriers such as catalysts, material separation and recognition materials.

このナノ多孔質材料を作製する方法として、分子を鋳型として用いた製造方法がある。例えば、界面活性剤ミセルを鋳型として作製するメソポーラス材料や、認識対象の分子を鋳型として分子認識部位を形成するモレキュラーインプリンティング法が広く知られている。   As a method for producing this nanoporous material, there is a production method using a molecule as a template. For example, a mesoporous material prepared using a surfactant micelle as a template and a molecular imprinting method for forming a molecular recognition site using a recognition target molecule as a template are widely known.

これらのナノ多孔質材料をさらに機能性材料分野に応用するためには、形態を制御する技術が重要である。例えば、デバイス応用に適した形態制御技術として、ナノ多孔質材料を基板上に薄膜状に形成する技術が重要である。特に、ナノ空間が単層で形成されるレベルの超薄膜形成技術は、機能性材料の担体や、高密度記録材料の実現につながる非常に重要な技術である。   In order to further apply these nanoporous materials to the functional material field, a technique for controlling the morphology is important. For example, as a shape control technique suitable for device application, a technique for forming a nanoporous material in a thin film on a substrate is important. In particular, the ultra-thin film formation technology at a level where the nanospace is formed as a single layer is a very important technology that leads to the realization of a functional material carrier and a high-density recording material.

例えば、非特許文献1では、デンドリマーを鋳型とし表面ゾルゲル法を利用して多孔質膜を形成する方法が開示されている。この方法により、デンドリマーサイズの細孔を有した膜厚8−10nmの薄膜が基板上に形成されると記載されている。   For example, Non-Patent Document 1 discloses a method of forming a porous film using a surface sol-gel method using a dendrimer as a template. It is described that a thin film having a thickness of 8 to 10 nm having dendrimer-sized pores is formed on the substrate by this method.

また、非特許文献2では、ペプチドを鋳型とし、表面ゾルゲル法を利用して多孔質膜を形成する方法が開示されている。ここでは、基板上へのペプチドの吸着およびチタニアゲル層の形成を10サイクル繰り返し、膜厚14±3nmの膜を形成し、その分子認識能を評価している。   Non-Patent Document 2 discloses a method of forming a porous film using a surface sol-gel method using a peptide as a template. Here, the adsorption of the peptide on the substrate and the formation of the titania gel layer are repeated 10 cycles to form a film with a film thickness of 14 ± 3 nm, and its molecular recognition ability is evaluated.

J.Huang, Chemical Communications, p.2070 (2002)J. et al. Huang, Chemical Communications, p. 2070 (2002) I.Ichinose, Chemistry Letters, p.104 (2002)I. Ichinose, Chemistry Letters, p. 104 (2002)

しかしながら、非特許文献1では、多孔質の材質は一種類のみであり、多孔質の形状や配置と多孔質材料のより複雑な制御はされていない。
非特許文献2においても、繰り返し処理により厚膜化が行われているものの、多孔質組織の形状や配置、および多孔質材料についてのより複雑な制御はされていない。
However, in Non-Patent Document 1, there is only one kind of porous material, and the complicated shape and arrangement of the porous material and the porous material are not controlled.
Even in Non-Patent Document 2, although the film thickness is increased by repeated processing, the shape and arrangement of the porous tissue and the more complicated control of the porous material are not performed.

そこで、本発明は、上記問題点を鑑みなされたもので、多孔質薄膜、特に細孔の周囲を囲む細孔壁の材料が膜厚方向に任意に制御されたナノ多孔質薄膜、およびその製造方法を提供することを目的とする。さらには、分子認識材料、およびセンサの提供を目的とする。   Therefore, the present invention has been made in view of the above problems, and a porous thin film, particularly a nanoporous thin film in which the material of the pore wall surrounding the pores is arbitrarily controlled in the film thickness direction, and the production thereof It aims to provide a method. Furthermore, it aims at provision of a molecular recognition material and a sensor.

本発明は、ナノ多孔質構造を有するナノ多孔質薄膜であって、膜厚方向に沿って複数の層領域を有し、前記複数の層領域は、第一の細孔を有する第一の層領域と第二の細孔を有する第二の層領域とを含み、前記第一の細孔と前記第二の細孔は貫通し、前記第一の層領域と前記第二の層領域とを構成する材料が異なることを特徴とする。尚、前記複数の層領域の少なくとも一つを構成する材料が無機酸化物からなることが好ましい。また、前記第一の層領域と前記第二の層領域とを構成する材料の等電点が異なることが好ましい。また、前記第一の細孔と前記第二の細孔との空間の大きさが異なることが好ましい。   The present invention is a nanoporous thin film having a nanoporous structure, having a plurality of layer regions along the film thickness direction, wherein the plurality of layer regions are first layers having first pores A second layer region having a region and a second pore, the first pore and the second pore penetrate, and the first layer region and the second layer region The constituent materials are different. Note that the material constituting at least one of the plurality of layer regions is preferably made of an inorganic oxide. Moreover, it is preferable that the isoelectric point of the material which comprises said 1st layer area | region and said 2nd layer area | region differs. In addition, it is preferable that the first pore and the second pore have different space sizes.

また本発明は、認識対象分子と選択的に結合する分子認識材料であって、基体上に保持されたナノ多孔質構造を有するナノ多孔質薄膜を備え、前記ナノ多孔質薄膜は、膜厚方向に沿って複数の層領域を有し、前記複数の層領域は、第一の細孔を有する第一の層領域と第二の細孔を有する第二の層領域とを含み、前記第一の層領域と前記第二の層領域とは、前記基体上から前記膜厚方向に沿ってこの順で有し、前記第一の細孔と前記第二の細孔は貫通し、前記第一の層領域と前記第二の層領域とを構成する材料が異なることを特徴とする。尚、前記第二の細孔の空間の大きさが前記第一の細孔の空間の大きさより大きいことが好ましい。   The present invention also provides a molecular recognition material that selectively binds to a recognition target molecule, comprising a nanoporous thin film having a nanoporous structure held on a substrate, wherein the nanoporous thin film has a thickness direction. A plurality of layer regions, the plurality of layer regions including a first layer region having a first pore and a second layer region having a second pore, The layer region and the second layer region in this order along the film thickness direction from above the substrate, the first pore and the second pore penetrate, The material constituting the layer region and the second layer region are different. In addition, it is preferable that the size of the space of the second pore is larger than the size of the space of the first pore.

また、本発明は、検体液中の認識対象分子の有無および/または濃度を検出するセンサであって、検出デバイス上に保持されたナノ多孔質構造を有するナノ多孔質薄膜を備え、前記ナノ多孔質薄膜は、膜厚方向に沿って複数の層領域を有し、前記複数の層領域は、第一の細孔を有する第一の層領域と第二の細孔を有する第二の層領域とを含み、前記第一の層領域と前記第二の層領域とは、前記基体上から前記膜厚方向に沿ってこの順で有し、前記第一の細孔と前記第二の細孔は貫通し、前記第一の層領域と前記第二の層領域とを構成する材料が異なることを特徴とする。尚、前記検出デバイスがFETデバイスであることが好ましい。   The present invention also provides a sensor for detecting the presence and / or concentration of a recognition target molecule in a sample liquid, comprising a nanoporous thin film having a nanoporous structure held on a detection device, the nanoporous The thin film has a plurality of layer regions along the film thickness direction, and the plurality of layer regions are a first layer region having a first pore and a second layer region having a second pore. The first layer region and the second layer region in this order along the film thickness direction from above the substrate, the first pore and the second pore Are penetrated, and the materials constituting the first layer region and the second layer region are different. The detection device is preferably an FET device.

また本発明は、ナノ多孔質構造を有するナノ多孔質薄膜の製造方法であって、第一の鋳型分子と第一の重合性モノマーとを含む第一の反応溶液を基体に接触させる工程と、前記第一の反応溶液の溶媒を除去し、前記第一の重合性モノマーを重合させ、前記基体上に第一の重合膜を形成する工程と、前記第一の重合性モノマーとは異なる第二の重合性モノマーと第二の鋳型分子とを含む第二の反応溶液を前記第一の重合膜に接触させる工程と、前記第二の反応溶液の溶媒を除去し、前記第二の重合性モノマーを重合させ、前記第一の重合膜上に第二の重合膜を形成する工程と、前記第一および第二の鋳型分子を除去する工程とを含むことを特徴とする。さらに、前記第一の鋳型分子と前記第二の鋳型分子とが異なる分子であることが好ましい。   Further, the present invention is a method for producing a nanoporous thin film having a nanoporous structure, the step of contacting a first reaction solution containing a first template molecule and a first polymerizable monomer to a substrate, Removing the solvent of the first reaction solution, polymerizing the first polymerizable monomer, and forming a first polymer film on the substrate; and a second different from the first polymerizable monomer A step of bringing a second reaction solution containing the polymerizable monomer and the second template molecule into contact with the first polymerized film; removing the solvent of the second reaction solution; and And a step of forming a second polymer film on the first polymer film and a step of removing the first and second template molecules. Furthermore, the first template molecule and the second template molecule are preferably different molecules.

また本発明は、ナノ多孔質構造を有するナノ多孔質薄膜の製造方法であって、第一の鋳型分子を含む第一の溶液を基体に接触させ、前記基体上に前記第一の鋳型分子を固定化させた後、第一の重合性モノマーを含む第三の反応溶液を前記基体に接触させる工程と、前記第三の反応溶液の溶媒を除去し、前記第一の重合性モノマーを重合させ、前記基体上に第一の重合膜を形成する工程と、前記第一の重合性モノマーとは異なる第二の重合性モノマーと第二の鋳型分子とを含む第二の反応溶液を前記第一の重合膜に接触させる工程と、 前記第二の反応溶液の溶媒を除去し、前記第二の重合性モノマーを重合させ、前記第一の重合膜上に第二の重合膜を形成する工程と、前記第一および第二の鋳型分子を除去する工程とを含むことを特徴とする。さらに、前記第一の鋳型分子と前記第二の鋳型分子とが異なる分子であることが好ましい。   The present invention is also a method for producing a nanoporous thin film having a nanoporous structure, wherein a first solution containing a first template molecule is brought into contact with a substrate, and the first template molecule is placed on the substrate. After the immobilization, the step of bringing the third reaction solution containing the first polymerizable monomer into contact with the substrate, the solvent of the third reaction solution is removed, and the first polymerizable monomer is polymerized. Forming a first polymerized film on the substrate; and a second reaction solution containing a second polymerizable monomer different from the first polymerizable monomer and a second template molecule. A step of contacting the polymer film, a step of removing the solvent of the second reaction solution, polymerizing the second polymerizable monomer, and forming a second polymer film on the first polymer film; And removing the first and second template molecules.Furthermore, the first template molecule and the second template molecule are preferably different molecules.

また本発明は、ナノ多孔質構造を有するナノ多孔質薄膜の製造方法であって、第一の鋳型分子と第一の重合性モノマーとを含む第一の反応溶液を基体に接触させる工程と、前記第一の反応溶液の溶媒を除去し、前記第一の重合性モノマーを重合させ、前記基体上に第一の重合膜を形成する工程と、第二の鋳型分子を含む第二の溶液を前記第一の重合膜に接触させ、前記第一の重合膜上に前記第二の鋳型分子を固定させた後、前記第一の重合性モノマーとは異なる第二の重合性モノマーを含む第四の反応溶液を前記第一の重合膜に接触させる工程と、前記第四の反応溶液の溶媒を除去し、前記第二の重合性モノマーを重合させ、前記第一の重合膜上に第二の重合膜を形成する工程と、前記第一および第二の鋳型分子を除去する工程とを含むことを特徴とする。さらに、前記第一の鋳型分子と前記第二の鋳型分子とが異なる分子であることが好ましい。   Further, the present invention is a method for producing a nanoporous thin film having a nanoporous structure, the step of contacting a first reaction solution containing a first template molecule and a first polymerizable monomer to a substrate, Removing the solvent of the first reaction solution, polymerizing the first polymerizable monomer, and forming a first polymer film on the substrate; and a second solution containing a second template molecule. A fourth polymer containing a second polymerizable monomer different from the first polymerizable monomer after contacting the first polymerized film and fixing the second template molecule on the first polymerized film; Contacting the first polymerized film with the first polymerized film; removing the solvent of the fourth reaction solution; polymerizing the second polymerizable monomer; Including a step of forming a polymerized film and a step of removing the first and second template molecules. And features. Furthermore, the first template molecule and the second template molecule are preferably different molecules.

また本発明は、ナノ多孔質構造を有するナノ多孔質薄膜の製造方法であって、第一の鋳型分子を含む第一の溶液を基体に接触させ、前記基体上に前記第一の鋳型分子を固定化させた後、第一の重合性モノマーを含む第三の反応溶液を前記基体に接触させる工程と、前記第三の反応溶液の溶媒を除去し、前記第一の重合性モノマーを重合させ、前記基体上に第一の重合膜を形成する工程と、第二の鋳型分子を含む第二の溶液を前記第一の重合膜に接触させ、前記第一の重合膜上に前記第二の鋳型分子を固定させた後、前記第一の重合性モノマーとは異なる第二の重合性モノマーを含む第四の反応溶液を前記第一の重合膜に接触させる工程と、前記第四の反応溶液の溶媒を除去し、前記第二の重合性モノマーを重合させ、前記第一の重合膜上に第二の重合膜を形成する工程と、前記第一および第二の鋳型分子を除去する工程とを含むことを特徴とする。さらに、前記第一の鋳型分子と前記第二の鋳型分子とが異なる分子であることが好ましい。   The present invention is also a method for producing a nanoporous thin film having a nanoporous structure, wherein a first solution containing a first template molecule is brought into contact with a substrate, and the first template molecule is placed on the substrate. After the immobilization, the step of bringing the third reaction solution containing the first polymerizable monomer into contact with the substrate, the solvent of the third reaction solution is removed, and the first polymerizable monomer is polymerized. A step of forming a first polymer film on the substrate; and a second solution containing a second template molecule is brought into contact with the first polymer film, and the second polymer film is formed on the first polymer film. After fixing the template molecule, a step of bringing a fourth reaction solution containing a second polymerizable monomer different from the first polymerizable monomer into contact with the first polymerized film, and the fourth reaction solution And the second polymerizable monomer is polymerized, and the second polymerized monomer is polymerized on the first polymer film. Characterized in that it comprises the forming a polymerized film, and removing the first and second template molecule. Furthermore, the first template molecule and the second template molecule are preferably different molecules.

本発明によれば、多孔質薄膜、特に細孔の周囲を囲む細孔壁の材料が細孔形状もしくは細孔配置と共に、膜厚方向に任意に制御されたナノ多孔質薄膜、およびその製造方法を提供する。さらには、分子認識材料、およびセンサの提供が可能となる。   According to the present invention, a porous thin film, in particular, a nanoporous thin film in which the material of the pore wall surrounding the periphery of the pore is arbitrarily controlled in the film thickness direction together with the pore shape or pore arrangement, and a method for producing the same I will provide a. Furthermore, it is possible to provide a molecular recognition material and a sensor.

本発明に係る薄膜の膜構成を模式的に示す断面図である。It is sectional drawing which shows typically the film | membrane structure of the thin film concerning this invention. 本発明に係る細孔を模式的に示す図である。It is a figure which shows typically the pore which concerns on this invention. 本発明に係る細孔配列を模式的に示す図である。It is a figure which shows typically the pore arrangement | sequence which concerns on this invention. 本発明に係る細孔形状を模式的に示す図である。It is a figure which shows typically the pore shape which concerns on this invention. 本発明に係る基体上に形成されるナノ多孔質薄膜を模式的に示す図である。It is a figure which shows typically the nanoporous thin film formed on the base | substrate which concerns on this invention. 本発明に係る分子認識材料を搭載したセンサデバイスを模式的に示した図である。It is the figure which showed typically the sensor device carrying the molecular recognition material which concerns on this invention. 本発明に係るナノ多孔質薄膜の製造方法を模式的に示した図である。It is the figure which showed typically the manufacturing method of the nanoporous thin film which concerns on this invention. 検量線を模式的に示した図である。It is the figure which showed the calibration curve typically. FETデバイスの構成を模式的に示した図である。It is the figure which showed the structure of FET device typically.

次に、本発明の好ましい実施の形態について、詳細に説明する。   Next, a preferred embodiment of the present invention will be described in detail.

まず、ナノ多孔質薄膜について詳細に説明する。   First, the nanoporous thin film will be described in detail.

本発明に係るナノ多孔質構造を有するナノ多孔質薄膜は、膜厚方向に沿って複数の層領域を有し、前記複数の層領域は、第一の細孔を有する第一の層領域と第二の細孔を有する第二の層領域とを含み、前記第一の細孔と前記第二の細孔は貫通し、前記第一の層領域と前記第二の層領域とを構成する材料が異なることを特徴とする。   The nanoporous thin film having a nanoporous structure according to the present invention has a plurality of layer regions along the film thickness direction, and the plurality of layer regions includes a first layer region having a first pore. A second layer region having a second pore, wherein the first pore and the second pore penetrate and constitute the first layer region and the second layer region It is characterized by different materials.

(ナノ多孔質薄膜の構成)
本発明におけるナノ多孔質構造を有するナノ多孔質薄膜とは、空間の大きさがナノメートルサイズの細孔を複数有した薄膜である。
(Configuration of nanoporous thin film)
The nanoporous thin film having a nanoporous structure in the present invention is a thin film having a plurality of pores having a nanometer size in space.

本発明における細孔は、後述するように分子を鋳型とすることで形成可能となる。この結果、空間の大きさがナノメートルサイズ、すなわち最大径が0.1nm〜1μm、より好ましくは、0.2nm〜100nm、さらに好ましくは0.2nm〜10nmの細孔が形成される。このようなナノメートルサイズの空間は、いわゆる超微粒子や分子のサイズに相当し、これらの物質を細孔内に導入することにより、機能性材料としての応用が可能となる。   The pores in the present invention can be formed by using molecules as templates as will be described later. As a result, pores having a space size of nanometer size, that is, a maximum diameter of 0.1 nm to 1 μm, more preferably 0.2 nm to 100 nm, and still more preferably 0.2 nm to 10 nm are formed. Such a nanometer-sized space corresponds to a so-called ultrafine particle or molecular size, and by introducing these substances into the pores, application as a functional material is possible.

本発明におけるナノ多孔質構造を有するナノ多孔質薄膜は、膜厚方向に沿って積層した複数の層領域からなり、前記複数の層領域は、第一の細孔を有する第一の層領域と第二の細孔を有する第二の層領域とを含む。そして、前記第一の細孔と前記第二の細孔は貫通し、前記第一の層領域と前記第二の層領域とを構成する材料が異なる。   The nanoporous thin film having a nanoporous structure in the present invention is composed of a plurality of layer regions laminated along the film thickness direction, and the plurality of layer regions include a first layer region having a first pore. And a second layer region having a second pore. Then, the first pore and the second pore penetrate, and the materials constituting the first layer region and the second layer region are different.

本発明におけるナノ多孔質薄膜は、膜厚方向に沿って積層した複数の層領域からなる。各々の層領域は単層薄膜からなる。図1は本発明におけるナノ多孔質薄膜の膜構成を模式的に示す断面図である。単層薄膜は膜厚方向に沿って連続的に形成され積層される。積層した複数の層領域とは、図1(a)のように一つの層領域が膜厚方向に沿って連続して形成され、全体として層領域を形成している状態を意味する。尚、複数の層領域とは一対以上の層領域から構成されることを意味し、図1(a)のような一対の構成でも、図1(b)のような一対以上の層領域を有する構成でも構わず、この中に第一の層領域1と第二の層領域2が含まれればよい。また、図1(c)のように、それぞれの膜厚が異なっていてもよい。また、第一の層領域1や第二の層領域2は、それぞれ第一の膜3や第二の膜4からなる。こうした複数の層領域の少なくとも一つを構成する材料は無機酸化物からなることが好ましい。   The nanoporous thin film in the present invention is composed of a plurality of layer regions laminated along the film thickness direction. Each layer region consists of a single layer thin film. FIG. 1 is a cross-sectional view schematically showing a film configuration of a nanoporous thin film in the present invention. Single-layer thin films are continuously formed and laminated along the film thickness direction. A plurality of laminated layer regions means a state in which one layer region is continuously formed along the film thickness direction as shown in FIG. 1A and forms a layer region as a whole. In addition, a plurality of layer regions means that it is composed of a pair of layer regions, and even a pair of configurations as shown in FIG. 1A has a pair of layer regions as shown in FIG. It does not matter even if it is configured, as long as the first layer region 1 and the second layer region 2 are included therein. Further, as shown in FIG. 1C, the respective film thicknesses may be different. The first layer region 1 and the second layer region 2 are respectively composed of a first film 3 and a second film 4. The material constituting at least one of the plurality of layer regions is preferably made of an inorganic oxide.

図2(a)のように、第一の膜3は第一の細孔5を、第二の膜4は第二の細孔6を有する。これらの細孔の空間の大きさは前述のナノメートルサイズである。   As shown in FIG. 2A, the first membrane 3 has first pores 5 and the second membrane 4 has second pores 6. The size of the space of these pores is the aforementioned nanometer size.

尚、本発明においては、一つの膜内に存在する細孔の大きさは実質的に同一とすることが可能である。つまり、第二の膜には、第一の膜と同じ大きさの細孔が存在する構成にすることも、第二の膜には第一の膜と同じ大きさの孔は存在しない構成にすることもできる。尚、本発明における第一の膜と第二の膜は、積層した複数の膜に含まれていればよく、図2(b)のように該当する部分が複数含まれていてもよい。   In the present invention, the size of the pores existing in one membrane can be made substantially the same. In other words, the second membrane can be configured to have pores of the same size as the first membrane, or the second membrane can be configured to have no pores of the same size as the first membrane. You can also In addition, the 1st film | membrane and 2nd film | membrane in this invention should just be contained in the laminated | stacked several film | membrane, and multiple corresponding parts may be contained like FIG.2 (b).

また、一つの膜内に存在する細孔の配列が図2のように実質的に単層化されている構成とすることも可能である。単層化されている構成とは、薄膜の膜厚方向に、細孔の配置が一列ごとに任意に制御された構成であり、基板表面からの距離と感度が関係するようなセンサに搭載する場合、最も感度の高い領域を効率よく使用することが可能である。
尚、このような細孔配列の単層化は第一の膜、第二の膜両方に適用されている構成(図2)でも、図3のように一方の膜にのみ適用され、もう一方の膜の細孔配列が複層化していても構わない。
Further, it is possible to adopt a configuration in which the arrangement of pores existing in one film is substantially monolayered as shown in FIG. A monolayer configuration is a configuration in which the arrangement of pores is arbitrarily controlled for each row in the film thickness direction of the thin film, and is mounted on a sensor in which the distance from the substrate surface and sensitivity are related. In this case, the most sensitive area can be used efficiently.
Such a monolayer arrangement of the pore arrangement is applied only to one film as shown in FIG. 3 even in the configuration (FIG. 2) applied to both the first film and the second film. The pore arrangement of this film may be multilayered.

さらに、第一の細孔と第二の細孔は貫通している。
貫通とは、図2(a)のように一方の膜内に存在する細孔と他方の膜内に存在する細孔とがつながった部位が存在することを意味する。第一の細孔と第二の細孔とは一対一の関係で貫通していても、複数対一、複数対複数で貫通していてもよく、その使用用途に合わせて適宜決めればよい。例えば物質を細孔内に導入し利用する場合は、アクセスパスを増やす観点から複数箇所で貫通していることが好ましい。
Furthermore, the first pore and the second pore penetrate.
The penetration means that there is a site where the pores existing in one membrane and the pores existing in the other membrane are connected as shown in FIG. The first pore and the second pore may pass through in a one-to-one relationship, or may pass through a plurality of one-to-one or a plurality of pairs, and may be appropriately determined according to the intended use. For example, when a substance is introduced into a pore and used, it is preferable to penetrate through a plurality of locations from the viewpoint of increasing the access path.

さらに、本発明においては、第一の膜と第二の膜は材料が異なる。
本発明における異なる材料とは、膜を構成する成分の成分比率や結合状態、官能基などの分布が異なることを指す。これらが異なること、つまり材料が異なることにより、膜により異なる特性を付与することが可能となり、その異なる特性を利用することが可能となる。例えば、等電点の異なる材料によって第一の膜、第二の膜を形成すれば、それぞれの表面電位の組み合わせ(正電荷と正電荷、正電荷と負電荷、負電荷と負電荷)をpHによって自在に制御することが可能となる。例えば、無機酸化物はそれぞれ固有の等電点を有しており、膜を構成する材料に好適である。また、膜ごとの材料が異なることによって、選択的に膜の表面処理を行うことも可能である。このように、薄膜を構成する膜ごとに材料特性を変化させられるという機能は、細孔内に物質を担持、放出する際に好適に利用できる。特に、本発明を分子認識材料に用いセンサに搭載して使用する場合、検体液中の認識対象分子を特異的に認識して細孔内に捕捉した後、さらに非特異吸着物質を除去する際に、この材料特性の差を好適に使用することができる。さらには、導電性、非導電性のような物理的性質の異なる材料を用いることにより、機能性材料としての利用も可能となる。このような材料が異なる膜は後述の本発明によるナノ多孔質薄膜の製造方法において、異なる重合性モノマーを用いることによって形成可能となる。
Furthermore, in the present invention, the first film and the second film are made of different materials.
The different materials in the present invention refer to different component ratios, bonding states, distributions of functional groups, etc. constituting the membrane. By being different, that is, by using different materials, different characteristics can be imparted to the film, and the different characteristics can be used. For example, if the first film and the second film are formed of materials having different isoelectric points, the combination of the surface potentials (positive charge and positive charge, positive charge and negative charge, negative charge and negative charge) is adjusted to pH. It becomes possible to control freely. For example, each inorganic oxide has a specific isoelectric point, and is suitable for a material constituting the film. Further, the surface treatment of the film can be selectively performed by using different materials for each film. As described above, the function of changing the material characteristics for each film constituting the thin film can be suitably used when a substance is supported and released in the pores. In particular, when the present invention is used as a molecular recognition material and mounted on a sensor, when a non-specifically adsorbed substance is further removed after specifically recognizing a recognition target molecule in a sample liquid and capturing it in a pore. In addition, this difference in material properties can be preferably used. Furthermore, the use as a functional material is also possible by using materials having different physical properties such as conductivity and non-conductivity. Such films with different materials can be formed by using different polymerizable monomers in the method for producing a nanoporous thin film according to the present invention described later.

また、異なる鋳型分子を用いても、膜を構成する成分の結合状態、官能基の分布を変えることが可能となる。例えば、後述するモレキュラーインプリンティング法の概念を利用し、鋳型分子と結合(共有結合、または非共有結合)可能な官能基を持ったモノマー(機能性モノマー)を含む重合性モノマーを使用する。その場合、鋳型分子の形状、大きさに対応し、相補的な官能基が相補的な位置に配置された認識サイト(細孔)が形成される。つまり、鋳型分子における官能基配置が異なる場合は、細孔表面の官能基の配置、すなわち官能基の分布も異なる。本発明におけるナノ多孔質薄膜は膜ごとに、このような違いを持つものも含まれる。例えば、光学異性体分子を鋳型分子として用い、第一の膜と第二の膜を作製すれば、膜全体としての組成はほぼ同じであるが、細孔表面の官能基の分布が異なる、つまり、第一の膜と第二の膜とを構成する材料が異なるナノ多孔質薄膜が形成される。多種類の認識対象分子を位置制御しつつ捕捉したい際に好適である。   Even if different template molecules are used, it is possible to change the bonding state of the components constituting the membrane and the distribution of the functional groups. For example, a polymerizable monomer including a monomer (functional monomer) having a functional group that can be bonded (covalently bonded or noncovalently bonded) to a template molecule is used by using a concept of molecular imprinting method described later. In that case, a recognition site (pore) is formed in which complementary functional groups are arranged at complementary positions corresponding to the shape and size of the template molecule. That is, when the functional group arrangement in the template molecule is different, the arrangement of the functional group on the pore surface, that is, the distribution of the functional group is also different. The nanoporous thin film in the present invention includes those having such a difference for each film. For example, if an optical isomer molecule is used as a template molecule and a first film and a second film are produced, the composition of the entire film is almost the same, but the distribution of functional groups on the pore surface is different. A nanoporous thin film having different materials constituting the first film and the second film is formed. This is suitable for capturing various types of recognition target molecules while controlling the position.

さらに、第一の細孔と第二の細孔は空間の大きさが異なるとよい。
空間の大きさとは、細孔における径の最大値や最小値、形状のいずれかを意味する。空間の大きさが異なる細孔は、後述の製造方法において異なる鋳型分子を用いることで形成される。また、第一の細孔と第二の細孔の空間の大きさの大小関係は限定されるものではなく、例えば本発明によるナノ多孔質薄膜には、図4(a)、(b)どちらの構成も含まれる。細孔の空間の大きさを変えることで、細孔の大きさによって異なる機能を同時に利用することが可能である。例えば、分子認識サイトと分子が通過するパス、物質担持サイトと原料導入パスというように利用することが可能である。また、膜ごとに細孔の大きさが制御されることにより余計な空間を減らせるため、機能分離、高密度化に優れている。
Further, the first pore and the second pore may have different space sizes.
The size of the space means either the maximum value, the minimum value, or the shape of the diameter in the pore. The pores having different space sizes are formed by using different template molecules in the production method described later. Further, the size relationship between the first pore and the second pore is not limited. For example, the nanoporous thin film according to the present invention includes either one of FIGS. 4 (a) and 4 (b). Is also included. By changing the size of the pore space, different functions depending on the size of the pore can be used simultaneously. For example, it can be used as a molecular recognition site and a path through which molecules pass, a substance loading site and a raw material introduction path. Moreover, since the extra space can be reduced by controlling the size of the pores for each membrane, it is excellent in function separation and density increase.

本発明に係るナノ多孔質薄膜は、基体上に形成されていることが好ましい。基体上に形成されることにより、強度、耐久性を向上させることが可能である。また、センサや電極など、ナノ多孔質薄膜を保持する基体自体がデバイスであってもよく、基体とは、その形状に制限されるものではない。例えば、平板状のみならず、表面に凹凸を有する基板や粒子形状のものでも構わない。さらには、ナノ多孔質薄膜の搭載量を増やすために、マクロポーラス材料といった細孔サイズの大きな多孔質材料を基体として用いても構わない。また基体上にナノ多孔質薄膜が形成される場合、第一の膜、第二の膜の配置順、第一の細孔と第二の細孔の空間の大きさの大小関係は限定されるものではなく、図5(a)、(b)、(c)のように、いかなる配置も可能である。また、図5(d)のように、基体7上に下地膜8が形成され、その上にナノ多孔質薄膜が保持されていてもよい。また、下地膜を合わせて基体とみなしてもよい。下地膜として、保護膜や密着膜を用いることで、強度、耐久性を上げることができる。   The nanoporous thin film according to the present invention is preferably formed on a substrate. By being formed on the substrate, it is possible to improve strength and durability. Further, the substrate itself that holds the nanoporous thin film such as a sensor or an electrode may be a device, and the substrate is not limited to its shape. For example, not only a flat plate shape but also a substrate having an uneven surface or a particle shape may be used. Furthermore, a porous material having a large pore size such as a macroporous material may be used as the substrate in order to increase the amount of the nanoporous thin film mounted. When a nanoporous thin film is formed on a substrate, the order of arrangement of the first film and the second film, and the size relationship between the first pore and the second pore space are limited. Any arrangement is possible as shown in FIGS. 5A, 5B, and 5C. Further, as shown in FIG. 5D, a base film 8 may be formed on the substrate 7, and a nanoporous thin film may be held thereon. Further, the base film may be combined and regarded as a substrate. By using a protective film or an adhesion film as the base film, the strength and durability can be increased.

次に本発明によるナノ多孔質薄膜を備えた分子認識材料について説明する。   Next, the molecular recognition material provided with the nanoporous thin film according to the present invention will be described.

(分子認識材料)
特定の分子を特異的に識別、結合する分子認識材料は分離、センサ材料などに広く利用されている。この分子認識材料には、遺伝子、抗体、糖鎖などいわゆる生体材料のみならず、近年では人工的に合成された材料も数多く提案されている。この手法の一つとして、モレキュラーインプリンティング法(分子鋳型重合法)という技術がある。モレキュラーインプリンティング法とは、特異的に認識したい分子(以下、認識対象分子)を鋳型分子として利用する方法である。この方法の一般的な手順を以下に示す。まず、鋳型分子、そしてこの鋳型分子と結合(共有結合、または非共有結合)可能な官能基を持ったモノマー(機能性モノマー)を、反応溶液中で自己集合させ、鋳型分子/機能性モノマーの複合体を作る。その後、機能性モノマーに対して重合反応を行い、鋳型分子との相補性を保ったまま官能基の位置を固定する。最後に、得られた重合体から鋳型分子を抽出、除去する。この結果、鋳型分子の形状、大きさに対応し、さらには相補的な官能基が相補的な位置に配置された認識サイト(細孔)が、重合体に構築される。そして、この認識サイトにより、特異的な分子認識能が発揮されるのである。このモレキュラーインプリンティング法は、原理上、所望の認識対象分子に合わせて容易に認識材料を構築できるという特徴を有し、人工抗体、人工レセプターの製造方法として期待されている。
(Molecular recognition material)
Molecular recognition materials that specifically identify and bind to specific molecules are widely used for separation, sensor materials, and the like. As this molecular recognition material, not only so-called biomaterials such as genes, antibodies and sugar chains but also many artificially synthesized materials have been proposed in recent years. One of these techniques is a technique called molecular imprinting (molecular template polymerization). The molecular imprinting method is a method in which a molecule to be specifically recognized (hereinafter, recognition target molecule) is used as a template molecule. The general procedure of this method is shown below. First, a template molecule and a monomer (functional monomer) having a functional group capable of binding (covalent bond or non-covalent bond) to the template molecule are self-assembled in the reaction solution, and the template molecule / functional monomer Make a complex. Thereafter, a polymerization reaction is performed on the functional monomer to fix the position of the functional group while maintaining complementarity with the template molecule. Finally, template molecules are extracted and removed from the obtained polymer. As a result, a recognition site (pore) corresponding to the shape and size of the template molecule and having complementary functional groups arranged at complementary positions is constructed in the polymer. And this molecular recognition ability is exhibited by this recognition site. This molecular imprinting method is characterized in that a recognition material can be easily constructed according to a desired recognition target molecule in principle, and is expected as a method for producing artificial antibodies and artificial receptors.

一方、これらの分子認識材料により特異的に結合捕捉された検体液中の認識対象分子を検出するデバイスもQCM、SPR、LSPR、FETなど数多く提案されている。これらの検出デバイスは、分子認識材料が検体液中の認識対象分子を選択的に捕捉したことによる重量変化や屈折率変化、ポテンシャル変化のような物理量変化を捉え、その捕捉を検知する。   On the other hand, many devices such as QCM, SPR, LSPR, and FET have been proposed for detecting a recognition target molecule in a sample liquid that is specifically bound and captured by these molecular recognition materials. These detection devices detect changes in physical quantities such as weight change, refractive index change, and potential change caused by the molecular recognition material selectively capturing molecules to be recognized in the sample liquid, and detect the capture.

これらの検出デバイスと分子認識材料を組み合わせることで、いわゆるケミカルセセンサが構築される。
しかしながら上述の検出デバイスは、その検出領域に、非特異的に吸着する非特異吸着物質が存在すると、それによる物理量変化も検知し、結果としてノイズが多くなってしまうという問題があった。また、ケミカルセンサに用いられるこれら検出デバイスの中には、その検出機構により、検体液中の認識対象分子を捕捉する位置がセンサの検出デバイス表面に近ければ近いほどその検出感度が上がるものがある。SPR、LSPR、FETなどがその代表例である。これらの検出デバイスにおいては、センサの検出デバイス表面から離れたところに認識対象分子を捕捉しても感度が上がらない。また、センサの検出デバイス表面に上記非特異吸着物質が存在すると非常に大きなノイズが発生するという問題があった。よって、このような検出デバイスに対してノイズを軽減できる分子認識材料が望まれている。
A so-called chemical sensor is constructed by combining these detection devices and molecular recognition materials.
However, the above-described detection device has a problem that if a non-specifically adsorbing substance that adsorbs nonspecifically exists in the detection region, a change in physical quantity due to the non-specifically adsorbed substance is detected, resulting in increased noise. In addition, among these detection devices used in chemical sensors, the detection mechanism increases the detection sensitivity as the position where the recognition target molecule in the sample liquid is captured is closer to the detection device surface. . SPR, LSPR, FET, etc. are typical examples. In these detection devices, even if the recognition target molecule is captured at a position away from the detection device surface of the sensor, the sensitivity does not increase. In addition, there is a problem that a very large noise occurs when the non-specifically adsorbed substance is present on the detection device surface of the sensor. Therefore, a molecular recognition material that can reduce noise for such a detection device is desired.

本発明による分子認識材料は、認識対象分子と選択的に結合する分子認識材料であって、基体上に保持されたナノ多孔質構造を有するナノ多孔質薄膜を備え、前記ナノ多孔質薄膜は、膜厚方向に沿って複数の層領域を有し、前記複数の層領域は、第一の細孔を有する第一の層領域と第二の細孔を有する第二の層領域とを含み、前記第一の層領域と前記第二の層領域とは、前記基体上から前記膜厚方向に沿ってこの順で有し、前記第一の細孔と前記第二の細孔は貫通し、前記第一の層領域と前記第二の層領域とを構成する材料が異なることを特徴とする。   A molecular recognition material according to the present invention is a molecular recognition material that selectively binds to a molecule to be recognized, and includes a nanoporous thin film having a nanoporous structure held on a substrate. A plurality of layer regions along the film thickness direction, the plurality of layer regions include a first layer region having a first pore and a second layer region having a second pore, The first layer region and the second layer region have in this order along the film thickness direction from the base, the first pore and the second pore penetrate, The materials constituting the first layer region and the second layer region are different.

図6は、本発明による認識対象分子と選択的に結合する分子認識材料を搭載したセンサデバイスを模式的に示した図である。本発明における基体は検出デバイスである。この検出デバイス上に、上記モレキュラーインプリンティングの概念を利用して第一の細孔を有する第一の膜を形成する。認識対象分子を鋳型分子として形成された認識サイトが、本発明における第一の細孔となる。本発明では、検出デバイス上に保持されたナノ多孔質薄膜内に形成される第一の細孔と第二の細孔は貫通し、前記第一の膜と第二の膜は材料が異なる。   FIG. 6 is a diagram schematically showing a sensor device equipped with a molecule recognition material that selectively binds to a recognition target molecule according to the present invention. The substrate in the present invention is a detection device. A first film having first pores is formed on the detection device using the concept of molecular imprinting. The recognition site formed using the recognition target molecule as a template molecule is the first pore in the present invention. In the present invention, the first and second pores formed in the nanoporous thin film held on the detection device penetrate, and the first membrane and the second membrane are made of different materials.

例えば、無機酸化物はそれぞれ固有の等電点を有しており、膜を構成する材料に好適である。また、膜ごとの材料が異なることによって、選択的に膜の表面処理を行うことも可能である。このように、薄膜を構成する膜ごとに材料特性を変化させられるという機能は、細孔内に物質を担持、放出する際に好適に利用できるである。特に、本発明を分子認識材料に用いセンサに搭載して使用する場合、検体液中の認識対象分子を特異的に認識して細孔内に捕捉した後、さらに非特異吸着物質を除去する際に、この材料特性の差を好適に使用することができる。さらには、導電性、非導電性のような物理的性質の異なる材料を用いることにより、機能性材料としての利用も可能となる。   For example, each inorganic oxide has a specific isoelectric point, and is suitable for a material constituting the film. Further, the surface treatment of the film can be selectively performed by using different materials for each film. As described above, the function of changing the material characteristics for each film constituting the thin film can be suitably used when a substance is supported and released in the pores. In particular, when the present invention is used as a molecular recognition material and mounted on a sensor, when a non-specifically adsorbed substance is further removed after specifically recognizing a recognition target molecule in a sample liquid and capturing it in a pore. In addition, this difference in material properties can be preferably used. Furthermore, the use as a functional material is also possible by using materials having different physical properties such as conductivity and non-conductivity.

このように、膜を構成する材料によって異なる特性を利用することが可能となる。例えば、等電点の異なる材料によって第一の膜、第二の膜を形成すれば、それぞれの膜の表面電位の組み合わせ(正電荷と正電荷、正電荷と負電荷、負電荷と負電荷)をpHによって自在に制御することが可能となる。分子認識反応を行う際には、認識対象分子に対して、第一および第二の膜が異なる電荷になるように制御することで、認識対象分子と本発明による分子認識材料は静電的に引き合うことになり、分子認識の反応促進効果を得ることができる。そして、認識反応完了後には、認識対象分子に対して、第二の膜のみ同じ電荷になるようにする。こうして、第二の膜の表面に吸着した認識対象分子と同符号の電荷を有する非特異吸着物質を、電荷反発により除去することができる。その結果、非特異吸着物質による検出デバイスのノイズを低減することが可能となる。   In this way, different characteristics can be used depending on the material constituting the film. For example, if the first film and the second film are formed of materials with different isoelectric points, the combination of the surface potentials of each film (positive charge and positive charge, positive charge and negative charge, negative charge and negative charge) Can be freely controlled by pH. When performing the molecular recognition reaction, the recognition target molecule and the molecular recognition material according to the present invention are electrostatically controlled by controlling the recognition target molecule so that the first and second films have different charges. It will be attracted and the reaction promotion effect of molecular recognition can be obtained. Then, after completion of the recognition reaction, only the second film has the same charge with respect to the recognition target molecule. In this way, the nonspecifically adsorbed substance having the same sign as the recognition target molecule adsorbed on the surface of the second film can be removed by charge repulsion. As a result, it is possible to reduce the noise of the detection device due to the nonspecific adsorption substance.

尚、第二の細孔の存在も、ノイズ低減効果に寄与する。分子認識反応は、認識対象分子が入った検体液中にこの分子認識材料を接触させることで行われる。この際、基体と反対側に形成された第二の細孔を通過して、選択的に認識対象分子は第一の細孔、即ち認識サイトに捕捉される。よって、第二の細孔が存在することにより非特異吸着物質の多く、特に第二の細孔の空間の大きさより大きな物質は第二の細孔を通過できない。よって、非特異吸着物質によるノイズの低減効果が得られる。こうして、検体液中の認識対象分子の有無および/または濃度を検出できる。また、前述のセンサの検出デバイス表面近傍の感度が高いセンサデバイスを基体に用いた場合は、図6(b)のように検出デバイス上に保持された第二の膜の細孔を多層化し、膜厚を適宜制御するとよい。第二の膜厚を制御し、第二の膜表面とセンサデバイス表面との距離をセンサ感度が低下する距離以上にすることにより、分子認識材料表面、即ち、第二の膜の表面に非特異吸着物質が吸着しても、ノイズを低減することが可能となる。SPRを用いた場合、この距離は以上300nm以上、より好ましくは1μm以上、LSPRを用いた場合は、この距離は50nm以上、より好ましくは100nm以上、FETを用いた場合は、この距離は50nm以上より好ましくは100nm以上である。   The presence of the second pore also contributes to the noise reduction effect. The molecular recognition reaction is performed by bringing the molecular recognition material into contact with the sample liquid containing the recognition target molecule. At this time, the molecules to be recognized are selectively captured by the first pores, that is, the recognition sites, through the second pores formed on the side opposite to the substrate. Therefore, many non-specifically adsorbed substances due to the presence of the second pores, in particular, substances larger than the size of the second pore space cannot pass through the second pores. Therefore, the noise reduction effect by the nonspecific adsorption substance can be obtained. In this way, the presence and / or concentration of the recognition target molecule in the sample liquid can be detected. When a sensor device having a high sensitivity near the detection device surface of the sensor is used as a substrate, the pores of the second film held on the detection device are multilayered as shown in FIG. The film thickness may be appropriately controlled. By controlling the second film thickness and making the distance between the second film surface and the sensor device surface equal to or greater than the distance at which the sensor sensitivity decreases, the surface of the molecular recognition material, that is, the surface of the second film is non-specific. Even if the adsorbing substance is adsorbed, noise can be reduced. When using SPR, this distance is 300 nm or more, more preferably 1 μm or more. When using LSPR, this distance is 50 nm or more, more preferably 100 nm or more. When using FET, this distance is 50 nm or more. More preferably, it is 100 nm or more.

さらに、本発明に係る分子認識材料は、第二の細孔6の空間の大きさが第一の細孔5の空間の大きさより大きいことが望ましい(図6(c))。この構成にすることによって、前述のノイズ低減効果を得つつ、認識対象分子の第一の細孔へのアクセシビリティを確保することが可能となる。   Furthermore, in the molecular recognition material according to the present invention, it is desirable that the size of the space of the second pore 6 is larger than the size of the space of the first pore 5 (FIG. 6C). With this configuration, it is possible to ensure accessibility to the first pores of the recognition target molecule while obtaining the noise reduction effect described above.

次に、ナノ多孔質薄膜の製造方法について詳細に説明する。   Next, the manufacturing method of a nanoporous thin film is demonstrated in detail.

(ナノ多孔質薄膜の製造方法)
本発明に係るナノ多孔質構造を有するナノ多孔質薄膜の製造方法は、第一の鋳型分子と第一の重合性モノマーとを含む第一の反応溶液を基体に接触させる工程と、前記第一の反応溶液の溶媒を除去し、前記第一の重合性モノマーを重合させ、前記基体上に第一の重合膜を形成する工程と、前記第一の重合性モノマーとは異なる第二の重合性モノマーと第二の鋳型分子とを含む第二の反応溶液を前記第一の重合膜に接触させる工程と、前記第二の反応溶液の溶媒を除去し、前記第二の重合性モノマーを重合させ、前記第一の重合膜上に第二の重合膜を形成する工程と、前記第一および第二の鋳型分子を除去する工程とを含むことを特徴とする。
(Method for producing nanoporous thin film)
The method for producing a nanoporous thin film having a nanoporous structure according to the present invention comprises a step of bringing a first reaction solution containing a first template molecule and a first polymerizable monomer into contact with a substrate; Removing the solvent from the reaction solution, polymerizing the first polymerizable monomer to form a first polymerized film on the substrate, and second polymerizability different from the first polymerizable monomer A step of bringing a second reaction solution containing a monomer and a second template molecule into contact with the first polymerized film; and removing a solvent of the second reaction solution to polymerize the second polymerizable monomer. And a step of forming a second polymer film on the first polymer film and a step of removing the first and second template molecules.

本発明に係るナノ多孔質構造を有するナノ多孔質薄膜の製造方法は、第一の鋳型分子を含む第一の溶液を基体に接触させ、前記基体上に前記第一の鋳型分子を固定化させた後、第一の重合性モノマーを含む第三の反応溶液を前記基体に接触させる工程と、前記第三の反応溶液の溶媒を除去し、前記第一の重合性モノマーを重合させ、前記基体上に第一の重合膜を形成する工程と、前記第一の重合性モノマーとは異なる第二の重合性モノマーと第二の鋳型分子とを含む第二の反応溶液を前記第一の重合膜に接触させる工程と、前記第二の反応溶液の溶媒を除去し、前記第二の重合性モノマーを重合させ、前記第一の重合膜上に第二の重合膜を形成する工程と、前記第一および第二の鋳型分子を除去する工程とを含むことを特徴とする。   In the method for producing a nanoporous thin film having a nanoporous structure according to the present invention, a first solution containing a first template molecule is brought into contact with a substrate, and the first template molecule is immobilized on the substrate. Then, the step of bringing the third reaction solution containing the first polymerizable monomer into contact with the substrate, the solvent of the third reaction solution is removed, the first polymerizable monomer is polymerized, and the substrate A step of forming a first polymerized film thereon, and a second reaction solution containing a second polymerizable monomer different from the first polymerizable monomer and a second template molecule is used as the first polymerized film. A step of contacting the second reaction solution, removing the solvent of the second reaction solution, polymerizing the second polymerizable monomer, and forming a second polymer film on the first polymer film, and the first And removing the first and second template molecules.

本発明に係るナノ多孔質構造を有するナノ多孔質薄膜の製造方法は、第一の鋳型分子と第一の重合性モノマーとを含む第一の反応溶液を基体に接触させる工程と、前記第一の反応溶液の溶媒を除去し、前記第一の重合性モノマーを重合させ、前記基体上に第一の重合膜を形成する工程と、第二の鋳型分子を含む第二の溶液を前記第一の重合膜に接触させ、前記第一の重合膜上に前記第二の鋳型分子を固定させた後、前記第一の重合性モノマーとは異なる第二の重合性モノマーを含む第四の反応溶液を前記第一の重合膜に接触させる工程と、前記第四の反応溶液の溶媒を除去し、前記第二の重合性モノマーを重合させ、前記第一の重合膜上に第二の重合膜を形成する工程と、前記第一および第二の鋳型分子を除去する工程とを含むことを特徴とする。   The method for producing a nanoporous thin film having a nanoporous structure according to the present invention comprises a step of bringing a first reaction solution containing a first template molecule and a first polymerizable monomer into contact with a substrate; Removing the solvent from the reaction solution, polymerizing the first polymerizable monomer to form a first polymerized film on the substrate, and adding a second solution containing a second template molecule to the first A fourth reaction solution containing a second polymerizable monomer different from the first polymerizable monomer after contacting the polymerized film and fixing the second template molecule on the first polymerized film Contacting the first polymerized film, removing the solvent of the fourth reaction solution, polymerizing the second polymerizable monomer, and forming a second polymerized film on the first polymerized film. And forming, and removing the first and second template molecules That.

本発明に係るナノ多孔質構造を有するナノ多孔質薄膜の製造方法は、第一の鋳型分子を含む第一の溶液を基体に接触させ、前記基体上に前記第一の鋳型分子を固定化させた後、第一の重合性モノマーを含む第三の反応溶液を前記基体に接触させる工程と、前記第三の反応溶液の溶媒を除去し、前記第一の重合性モノマーを重合させ、前記基体上に第一の重合膜を形成する工程と、第二の鋳型分子を含む第二の溶液を前記第一の重合膜に接触させ、前記第一の重合膜上に前記第二の鋳型分子を固定させた後、前記第一の重合性モノマーとは異なる第二の重合性モノマーを含む第四の反応溶液を前記第一の重合膜に接触させる工程と、前記第四の反応溶液の溶媒を除去し、前記第二の重合性モノマーを重合させ、前記第一の重合膜上に第二の重合膜を形成する工程と、前記第一および第二の鋳型分子を除去する工程とを含むことを特徴とする。
このような製造方法により、本発明に係るナノ多孔質薄膜の製造が可能となる。
In the method for producing a nanoporous thin film having a nanoporous structure according to the present invention, a first solution containing a first template molecule is brought into contact with a substrate, and the first template molecule is immobilized on the substrate. Then, the step of bringing the third reaction solution containing the first polymerizable monomer into contact with the substrate, the solvent of the third reaction solution is removed, the first polymerizable monomer is polymerized, and the substrate Forming a first polymer film thereon, bringing a second solution containing a second template molecule into contact with the first polymer film, and placing the second template molecule on the first polymer film After fixing, a step of bringing a fourth reaction solution containing a second polymerizable monomer different from the first polymerizable monomer into contact with the first polymer film, and a solvent of the fourth reaction solution, Removing, polymerizing the second polymerizable monomer and second polymerizing on the first polymerized film Forming a, characterized in that it comprises a step of removing the first and second template molecule.
With such a manufacturing method, the nanoporous thin film according to the present invention can be manufactured.

図7は、本発明に係るナノ多孔質薄膜の製造方法を模式的に示した図である。ナノ多孔質薄膜は膜厚方向に沿って複数の層領域を有し、この複数の層領域の少なくとも一つを構成する材料が無機酸化物からなることが好ましい。   FIG. 7 is a view schematically showing a method for producing a nanoporous thin film according to the present invention. The nanoporous thin film has a plurality of layer regions along the film thickness direction, and the material constituting at least one of the plurality of layer regions is preferably made of an inorganic oxide.

(第一の鋳型分子と第一の重合性モノマーとを含む第一の反応溶液を基体に接触させる工程)
図7(a)が本工程に相当する模式図である。
本製造方法における鋳型分子とは、後に細孔となる空間を占める分子である。
したがって、第一の鋳型分子は第一の細孔の所望のサイズに合わせて適宜選ばれる。所望のサイズを有する鋳型分子としては、デンドリマーやデンドロンが好適である。ポリアミドアミン(PAMAM)構造をもつデンドリマーは、様々なサイズのデンドリマーが市販されており、1nm〜30nm程度の大きさの細孔を形成する場合に好適に用いられる。また生体材料であるタンパク質分子も様々な大きさを有しており、数nm〜数十nmの大きさの細孔を形成する際に、好適に用いられる。
(Step of bringing the first reaction solution containing the first template molecule and the first polymerizable monomer into contact with the substrate)
FIG. 7A is a schematic diagram corresponding to this step.
The template molecule in this production method is a molecule that occupies a space that later becomes a pore.
Therefore, the first template molecule is appropriately selected according to the desired size of the first pore. Dendrimers and dendrons are suitable as template molecules having a desired size. Dendrimers having a polyamidoamine (PAMAM) structure are commercially available in various sizes, and are preferably used when pores having a size of about 1 nm to 30 nm are formed. Protein molecules that are biomaterials also have various sizes, and are suitably used when forming pores with a size of several nanometers to several tens of nanometers.

また、前述の認識対象分子と選択的に結合する分子認識材料として本発明によるナノ多孔質薄膜を使用する場合は、第一の細孔は分子認識サイトとして働くものであり、第一の鋳型分子は検体中の認識対象分子そのもの、もしくはその認識対象分子の大きさ、化学構造等に合わせて選択される。   When the nanoporous thin film according to the present invention is used as a molecular recognition material that selectively binds to the recognition target molecule, the first pore serves as a molecular recognition site, and the first template molecule Is selected according to the recognition target molecule itself in the specimen, or the size, chemical structure, etc. of the recognition target molecule.

第一の重合性モノマーとは、第一の重合膜を形成する原料である。重合により、薄膜状の第一の重合膜16が形成される。よって、この重合法には薄膜形成が可能な方法が好ましく、有機反応であれば、反応を制御できるリビングラジカル重合、無機反応であれば、ゾルゲル法や液相析出法が好ましく用いられる。特にゾルゲル法は、スピンコート法、ディップコート法、表面ゾルゲル法により薄膜化可能な方法であり、好適である。ゾルゲル法に用いられる重合モノマーとしては、金属アルコキシド、金属有機酸塩、硝酸塩、塩化物のような金属化合物が挙げられ、本発明においても好適に用いられる。
尚、第一の重合膜は本発明によるナノ多孔質薄膜の第一の膜となるものである。
The first polymerizable monomer is a raw material for forming the first polymer film. A thin film-like first polymer film 16 is formed by polymerization. Therefore, this polymerization method is preferably a method capable of forming a thin film, and if it is an organic reaction, living radical polymerization capable of controlling the reaction, and if it is an inorganic reaction, a sol-gel method or a liquid phase precipitation method is preferably used. In particular, the sol-gel method is preferable because it can be thinned by a spin coating method, a dip coating method, or a surface sol-gel method. Examples of the polymerization monomer used in the sol-gel method include metal compounds such as metal alkoxides, metal organic acid salts, nitrates, and chlorides, which are also preferably used in the present invention.
The first polymerized film is the first film of the nanoporous thin film according to the present invention.

そして、前述の認識対象分子と選択的に結合する分子認識材料に、本発明によるナノ構造薄膜を使用する場合は、第一の膜に形成される第一の細孔は分子認識サイトとして働くことが好ましい。よって、第一の重合性モノマーは、鋳型分子に対して相補的な官能基を有し、機能性モノマーとしても働くものであることが好ましい。例えば、シラン剤は種々の官能基を有する化合物が市販されており、ゾルゲル法に使用する重合性モノマーとして好適である、例示すると、アルキルアルコキシシラン、アミノアルコキシシラン、ビニルアルコキシシランなどが挙げられる。尚、これらのモノマーや前述の重合性モノマーを複数混合し、その混合体を第一の重合性モノマーとして用いてもよい。   When the nanostructured thin film according to the present invention is used as the molecular recognition material that selectively binds to the recognition target molecule, the first pore formed in the first film functions as a molecular recognition site. Is preferred. Therefore, the first polymerizable monomer preferably has a functional group complementary to the template molecule and also functions as a functional monomer. For example, as the silane agent, compounds having various functional groups are commercially available and are suitable as polymerizable monomers used in the sol-gel method. Illustrative examples include alkylalkoxysilanes, aminoalkoxysilanes, and vinylalkoxysilanes. In addition, you may mix these monomers and the above-mentioned polymerizable monomer, and may use the mixture as a 1st polymerizable monomer.

本工程においては、第一の鋳型分子10の存在下で、第一の重合性モノマーを含む第一の反応溶液12を基体7に接触させればよい。よって、第一の鋳型分子10と第一の重合性モノマーとを混合した第一の反応溶液12を基体7に塗布するとよい(図7(a))。この場合、溶媒に対する第一の鋳型分子および第一の重合性モノマーの濃度、第一の鋳型分子と第一の重合性モノマーとの混合比を適宜調整することで、第一の膜の厚さ、および第一の膜内の細孔の配列(単層もしくは複層)、細孔密度が制御可能となる。   In this step, the first reaction solution 12 containing the first polymerizable monomer may be brought into contact with the substrate 7 in the presence of the first template molecule 10. Therefore, the first reaction solution 12 in which the first template molecule 10 and the first polymerizable monomer are mixed may be applied to the substrate 7 (FIG. 7A). In this case, the thickness of the first film can be adjusted by appropriately adjusting the concentration of the first template molecule and the first polymerizable monomer with respect to the solvent, and the mixing ratio of the first template molecule and the first polymerizable monomer. , And the pore arrangement (single layer or multilayer) and pore density in the first membrane can be controlled.

また、第一の鋳型分子10を含む第一の溶液を基体7に接触させ、基体7上に第一の鋳型分子10を固定化させた後、第一の重合性モノマーを含む第三の反応溶液14を基体7に塗布してもよい(図7(b))。この場合、第一の鋳型分子を基体に固定化する際は、単なる吸着反応により行ってもよく、基体と第一の鋳型分子とをスペーサ―分子を介して化学結合させてもよい。   Further, after the first solution containing the first template molecule 10 is brought into contact with the substrate 7 and the first template molecule 10 is immobilized on the substrate 7, the third reaction containing the first polymerizable monomer is performed. The solution 14 may be applied to the substrate 7 (FIG. 7B). In this case, when the first template molecule is immobilized on the substrate, it may be carried out by simple adsorption reaction, or the substrate and the first template molecule may be chemically bonded via a spacer molecule.

第一、および第三の反応溶液には溶媒が含まれる。前者の方法であれば、第一の鋳型分子と第一の重合性モノマーを、後者の方法であれば第一の重合性モノマーを溶解することが可能であり、基板に塗布可能な溶媒が適宜選ばれる。また、この溶媒は後述の図7(c)の工程において除去される。よって、乾燥によって容易に除去が可能なアルコール類、トルエン、アセトニトリルのような有機溶媒が含まれることが好ましい。   The first and third reaction solutions contain a solvent. In the former method, the first template molecule and the first polymerizable monomer can be dissolved, and in the latter method, the first polymerizable monomer can be dissolved. To be elected. Further, this solvent is removed in the step of FIG. Therefore, it is preferable to include an alcohol that can be easily removed by drying, and an organic solvent such as toluene and acetonitrile.

尚、こうした工程を行う前に、基体表面に下地膜を形成してもよい。下地膜の形成により、後の工程で行う鋳型分子の固定化の効率が上がる。また、分子認識材料にも同一の材料を用いる場合、下地膜と細孔を形成する薄膜との材料が同一となることで、下地膜にも相互的な官能基を形成することが可能となり、細孔(分子認識サイト)と認識対象分子との親和性を上げることもできる。これらの場合、下地膜を形成した基体を基体として使用することが好ましい。   Note that a base film may be formed on the surface of the substrate before such a process is performed. The formation of the base film increases the efficiency of immobilizing template molecules performed in a later step. In addition, when the same material is used for the molecular recognition material, it is possible to form a mutual functional group on the base film by using the same material for the base film and the thin film forming the pores. It is also possible to increase the affinity between the pore (molecular recognition site) and the molecule to be recognized. In these cases, it is preferable to use a substrate on which a base film is formed as the substrate.

(第一または第三の反応溶液の溶媒を除去し、第一の重合性モノマーを重合させ、基体上に第一の重合膜を形成する工程)
図7(c)が、本工程に相当する模式図である。
まず、基体7上に塗布された第一の反応溶液12または第三の反応溶液14の溶媒が除去される。溶媒除去は乾燥により行うことが好ましい。乾燥により、溶媒のみを選択的に除去することが可能となる。
さらに第一の重合性モノマーは基体7上で重合し、基体7上に第一の重合膜16を形成する。ゾルゲル法を用いた場合、前述の第一の重合性モノマーは、加水分解反応、縮合反応を経て、無機重合体を形成する。これらの反応速度は、温度、湿度などの環境やpH、水分量、用いる重合性モノマーの種類などの反応液の組成、混合比により制御することが可能である。
(Step of removing the solvent of the first or third reaction solution and polymerizing the first polymerizable monomer to form the first polymer film on the substrate)
FIG. 7C is a schematic view corresponding to this step.
First, the solvent of the first reaction solution 12 or the third reaction solution 14 applied on the substrate 7 is removed. Solvent removal is preferably performed by drying. By drying, only the solvent can be selectively removed.
Further, the first polymerizable monomer is polymerized on the substrate 7 to form a first polymer film 16 on the substrate 7. When the sol-gel method is used, the first polymerizable monomer described above forms an inorganic polymer through a hydrolysis reaction and a condensation reaction. These reaction rates can be controlled by the composition of the reaction solution, such as the environment such as temperature and humidity, the pH, the amount of water, the type of polymerizable monomer used, and the mixing ratio.

尚、ゾルゲル法の中でも、基体上に重合性モノマーを付与し所定の溶剤を用いて洗浄する表面ゾルゲル法という方法がある。この表面ゾルゲル法はオングストローム、乃至はナノメートル単位の厚さの超薄膜層を形成することが可能であり、本発明にも好適に用いられる。特に、基体に第一の鋳型分子を含む第一の溶液を塗布し、基体上に第一の鋳型分子を固定化し、その後に第一の重合性モノマーを含む第三の反応溶液を基体に塗布する方法を用いる場合には、好適である。第一の鋳型分子を固定化した基体を、第一の重合性モノマーを含む第三の反応溶液に浸漬する。所定の時間後、基体を取り出し、所定の溶剤で基体表面を洗浄する。この洗浄によって、余分な第一の重合性モノマーは洗い流される。この後、乾燥により溶媒除去を行い、基体上に第一の重合膜を形成する。但し、この表面ゾルゲル法を用いる場合、一度に形成される重合膜の厚さは非常に薄く、鋳型分子の大きさによっては、十分に周りを取り囲めない。この場合、図7(a)または(b)の工程と図7(c)の工程とを、即ち第一の重合性モノマーを含む反応溶液への浸漬、洗浄、乾燥を複数回繰り返すとよい。   Among the sol-gel methods, there is a method called a surface sol-gel method in which a polymerizable monomer is provided on a substrate and washed with a predetermined solvent. This surface sol-gel method can form an ultrathin film layer having a thickness of angstroms or nanometers, and is suitably used in the present invention. In particular, the first solution containing the first template molecule is applied to the substrate, the first template molecule is immobilized on the substrate, and then the third reaction solution containing the first polymerizable monomer is applied to the substrate. It is suitable when using the method to do. The substrate on which the first template molecule is immobilized is immersed in a third reaction solution containing the first polymerizable monomer. After a predetermined time, the substrate is taken out and the surface of the substrate is washed with a predetermined solvent. By this washing, excess first polymerizable monomer is washed away. Thereafter, the solvent is removed by drying to form a first polymer film on the substrate. However, when this surface sol-gel method is used, the thickness of the polymer film formed at one time is very thin, and depending on the size of the template molecule, the surroundings cannot be sufficiently surrounded. In this case, the step of FIG. 7 (a) or (b) and the step of FIG. 7 (c), that is, immersion, washing and drying in the reaction solution containing the first polymerizable monomer may be repeated a plurality of times.

(前記第一の重合性モノマーとは異なる第二の重合性モノマーと第二の鋳型分子とを含む第二の反応溶液を前記第一の重合膜に接触させる工程)
図7(d)が本工程に相当する模式図である。
本工程においては、第一の重合性モノマーとは異なる第二の重合性モノマーを用い、第二の鋳型分子の存在下で、第二の重合性モノマーを含む第二の反応溶液13を第一の重合層16の表面に接触させれば、本工程における操作は、図7(a)の工程と同様の操作でよい。よって、第二の鋳型分子と第二の重合性モノマーとを混合した第二の反応溶液を第一の重合膜に塗布するとよい。
(Step of bringing a second reaction solution containing a second polymerizable monomer different from the first polymerizable monomer and a second template molecule into contact with the first polymerized film)
FIG. 7D is a schematic view corresponding to this step.
In this step, a second polymerizable monomer different from the first polymerizable monomer is used, and in the presence of the second template molecule, the second reaction solution 13 containing the second polymerizable monomer is added to the first reaction solution 13. If it contacts the surface of the polymerization layer 16, the operation in this step may be the same as the step in FIG. Therefore, a second reaction solution obtained by mixing the second template molecule and the second polymerizable monomer may be applied to the first polymer film.

また、第二の鋳型分子11を含む第二の溶液を第一の重合膜16に接触させ、第一の重合膜16上に第二の鋳型分子11を固定化させた後、第一の重合性モノマーとは異なる第二の重合性モノマーを含む第四の反応溶液15を第一の重合膜16に塗布してもよい(図7(e)。   In addition, after the second solution containing the second template molecule 11 is brought into contact with the first polymer film 16 and the second template molecule 11 is immobilized on the first polymer film 16, the first polymerization is performed. A fourth reaction solution 15 containing a second polymerizable monomer different from the polymerizable monomer may be applied to the first polymer film 16 (FIG. 7E).

また、第一の鋳型分子と第二の鋳型分子とは同一のものでも異なるものでもよい。
但し、分子認識材料として本発明によるナノ多孔質薄膜を使用する場合は、第二の鋳型分子は第一の鋳型分子より大きな分子であることが好ましい。
Further, the first template molecule and the second template molecule may be the same or different.
However, when the nanoporous thin film according to the present invention is used as a molecule recognition material, the second template molecule is preferably a larger molecule than the first template molecule.

(前記第二または第四の反応溶液の溶媒を除去し、前記第二の重合性モノマーを重合させ、前記第一の重合膜上に第二の重合膜を形成する工程)
図7(f)が、本工程に相当する模式図である。
第一の重合膜16上に第二の重合膜17を形成すれば、本工程における操作は図7(c)の工程と同様の操作でよい。
(Step of removing the solvent of the second or fourth reaction solution, polymerizing the second polymerizable monomer, and forming a second polymer film on the first polymer film)
FIG. 7F is a schematic diagram corresponding to this step.
If the second polymer film 17 is formed on the first polymer film 16, the operation in this step may be the same as the step in FIG.

(前記第一および第二の鋳型分子を除去する工程)
図7(g)が、本工程に相当する模式図である。
本工程は、第一および第二の鋳型分子10、11を第一および第二の重合膜16、17から除去する工程である。本工程により、これら重合膜内には第一および第二の細孔5、6が形成される。
(Step of removing the first and second template molecules)
FIG. 7G is a schematic diagram corresponding to this step.
This step is a step of removing the first and second template molecules 10 and 11 from the first and second polymer films 16 and 17. By this step, first and second pores 5 and 6 are formed in these polymer films.

よって、本工程における除去法は鋳型分子を好適に除去できる手法であれば、限定されるものではない。例えば、光照射やオゾン曝露、熱処理による鋳型分子の分解などが挙げられる。これらの方法は鋳型分子の除去率が高く好ましい。
また、有機溶剤、酸、アルカリ液による抽出によっても除去は可能である。これらの溶剤抽出法は、重合膜の材料に合わせて適宜溶剤を選択することにより、重合膜を変質させないで鋳型分子を除去することが可能である。
Therefore, the removal method in this step is not limited as long as the template molecule can be suitably removed. For example, light irradiation, ozone exposure, and decomposition of template molecules by heat treatment can be mentioned. These methods are preferred because of the high removal rate of template molecules.
It can also be removed by extraction with an organic solvent, acid, or alkali solution. In these solvent extraction methods, it is possible to remove template molecules without altering the polymerized film by appropriately selecting a solvent according to the material of the polymerized film.

分子認識材料として本発明によるナノ多孔質薄膜を用いる場合は、鋳型分子の形状、大きさに対応して細孔(分子認識サイト)表面に配置された相補的な官能基の存在が重要である。よって、重合膜の変質の可能性の低い溶剤抽出法が好ましい。
また、これらの手法を複数組み合わせて用いても構わない。
When the nanoporous thin film according to the present invention is used as a molecular recognition material, the presence of complementary functional groups arranged on the pore (molecular recognition site) surface corresponding to the shape and size of the template molecule is important. . Therefore, a solvent extraction method with a low possibility of alteration of the polymer film is preferable.
A combination of these methods may be used.

以下、実施例を用いてさらに詳細に本発明を説明するが、本発明は、これらの実施例に限定されるものではなく、材料、組成条件、反応条件など、同様な機能、効果を有するナノ多孔質薄膜が得られる範囲で自由に変えることができる。   Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to examples. However, the present invention is not limited to these examples, and nanostructures having similar functions and effects such as materials, composition conditions, reaction conditions, and the like. It can be freely changed as long as the porous thin film can be obtained.

本実施例は、実質的に同一の大きさの細孔が単層化して配列した多孔質薄膜を形成する例である。本実施例で示す多孔質薄膜は、本発明によるナノ多孔質薄膜の構成の基本となる膜である。   This example is an example of forming a porous thin film in which pores having substantially the same size are arranged in a single layer. The porous thin film shown in the present example is a film that is the basis of the configuration of the nanoporous thin film according to the present invention.

(薄膜作製)
本実施例では、2種類の基体を用いた。
1種類はシリコン基板である。まず、シリコン基板の表面をアセトン、イソプロピルアルコール、および純水で洗浄し、オゾン発生装置中で10分間UV照射し、基板表面をクリーニングした。
もう1種類はシリコン基板上に金をスパッタし表面に100nm厚の金層を形成した金基板である。この金基板に上記シリコン基板と同様な洗浄処理を行った。さらに、この金基板を10mMメルカプトエタノールのエタノール溶液に一晩浸漬し、エタノールで十分に洗浄し、さらに窒素ブローにより乾燥させた。以上の操作で、金基板表面に水酸基を形成した。
(Thin film production)
In this example, two types of substrates were used.
One type is a silicon substrate. First, the surface of the silicon substrate was washed with acetone, isopropyl alcohol, and pure water, and UV irradiation was performed for 10 minutes in an ozone generator to clean the substrate surface.
The other type is a gold substrate in which gold is sputtered on a silicon substrate to form a 100 nm thick gold layer on the surface. The gold substrate was subjected to a cleaning process similar to that for the silicon substrate. Further, this gold substrate was immersed in an ethanol solution of 10 mM mercaptoethanol overnight, thoroughly washed with ethanol, and further dried by nitrogen blowing. Through the above operation, a hydroxyl group was formed on the gold substrate surface.

次に反応溶液を調製した。鋳型分子には末端基がOH基であるPAMAMデンドリマーの第四世代を用い、重合性モノマーにはチタンブトキシドを用いた。
まず、トルエンとエタノールとの1:1混合溶媒を調製し、この混合溶媒に0.05mMの濃度でデンドリマーを混合し、撹拌した。次に、チタンブトキシドを10mMの濃度で混合した。こうして反応溶液を作製した。
Next, a reaction solution was prepared. The template molecule was a fourth generation of PAMAM dendrimer having an OH group at the end group, and titanium butoxide was used as the polymerizable monomer.
First, a 1: 1 mixed solvent of toluene and ethanol was prepared, and a dendrimer was mixed with this mixed solvent at a concentration of 0.05 mM and stirred. Next, titanium butoxide was mixed at a concentration of 10 mM. Thus, a reaction solution was prepared.

次に、スピンコート法によりこの反応溶液をシリコン基板、および金基板上に塗布し、これら基板表面と反応溶液とを接触させた。スピンコート条件は、500rpmで5秒間、続けて3000rpmで60秒間であった。このスピンコート操作の間に反応溶液の溶媒は蒸発し除去された。また、反応溶液に含まれていた水分や、空気中の水分により、チタンブトキシドの加水分解、脱水縮合が進み、シリコン基板、および金基板上には重合膜が形成された。   Next, this reaction solution was applied onto a silicon substrate and a gold substrate by a spin coating method, and the substrate surface and the reaction solution were brought into contact with each other. The spin coating conditions were 500 rpm for 5 seconds, followed by 3000 rpm for 60 seconds. During the spin coating operation, the solvent of the reaction solution was evaporated and removed. Moreover, hydrolysis and dehydration condensation of titanium butoxide proceeded by moisture contained in the reaction solution and moisture in the air, and a polymer film was formed on the silicon substrate and the gold substrate.

次に、鋳型分子の除去処理として、重合膜が形成されたシリコン基板、金基板それぞれに対して、オゾン発生装置中で10分間UV照射を行った。   Next, as a template molecule removal process, each of the silicon substrate and the gold substrate on which the polymer film was formed was irradiated with UV for 10 minutes in an ozone generator.

(薄膜分析)
上記方法で金基板上に形成された薄膜に対し、高感度反射赤外分光測定(IRRAS)を行った。鋳型分子の除去処理前の薄膜については、デンドリマー由来の吸収ピークとチタン酸化物由来の吸収ピークが確認された。さらに、除去処理を行うことで、デンドリマーに由来する吸収ピーク強度が減少した。このことより、本実施例における鋳型分子の除去処理によって、鋳型分子が除去されることが確認される。
(Thin film analysis)
High sensitivity reflection infrared spectroscopy (IRRAS) was performed on the thin film formed on the gold substrate by the above method. As for the thin film before the removal treatment of the template molecule, an absorption peak derived from dendrimer and an absorption peak derived from titanium oxide were confirmed. Furthermore, the absorption peak intensity derived from a dendrimer decreased by performing a removal process. From this, it is confirmed that the template molecule is removed by the template molecule removal process in this example.

(細孔観察)
上記方法でシリコン基板上に形成された薄膜の表面、および断面に対して電子顕微鏡観察を行った。直径約5nmの複数の細孔を有する薄膜がSi基板上に形成されることが確認された。さらに、それぞれの細孔が独立して存在している状態も確認された。また、細孔が薄膜に対して単層化している状態が観察された。
(Pore observation)
The surface and cross section of the thin film formed on the silicon substrate by the above method were observed with an electron microscope. It was confirmed that a thin film having a plurality of pores having a diameter of about 5 nm was formed on the Si substrate. Furthermore, the state where each pore exists independently was also confirmed. In addition, a state in which the pores were monolayered with respect to the thin film was observed.

以上の結果より、本実施例では、本発明によるナノ多孔質薄膜の構成の基本となる、実質的に同一の大きさの細孔が単層化して配列した多孔質薄膜が形成されることが確認された。   From the above results, in this example, a porous thin film in which pores of substantially the same size, which are the basis of the configuration of the nanoporous thin film according to the present invention, are arranged in a single layer can be formed. confirmed.

本実施例は、実質的に同一の大きさの細孔が単層化して配列した多孔質薄膜を形成する別の例である。本実施例で示す多孔質薄膜は、本発明によるナノ多孔質薄膜の構成の基本となる膜である。   This example is another example of forming a porous thin film in which pores having substantially the same size are arranged in a single layer. The porous thin film shown in this example is a film that is the basis of the structure of the nanoporous thin film according to the present invention.

(薄膜作製)
本実施例では、実施例1と同様に2種類の基板を用いた。洗浄方法も実施例1と同様である。
次に下地膜形成用の反応溶液を調製した。まず、トルエンとエタノールとの1:1混合溶媒を調製し、チタンブトキシドを100mMの濃度で混合して反応溶液とした。
次にシリコン基板および金基板表面に下地膜を形成した。洗浄したシリコン基板、および金基板を前記反応溶液に3分間浸漬した。その後、トルエンに浸漬し、エタノールで洗浄することで、余分な反応溶液を除去した。さらに窒素ブローにより乾燥させた。反応溶液中に含まれる水や空気中の湿気から供給される水により、チタンブトキシドの加水分解は進み、さらに脱水縮合により重合が進む。尚、トルエンへの浸漬後、もしくは窒素ブロー後に、水や水飽和トルエンに1分程度浸漬して、より積極的にこの加水分解、縮合反応を進めてもよい。浸漬から乾燥までのプロセスを数回繰り返し、シリコン基板および金基板上にチタン酸化物からなる下地膜を形成した。
本実施例では、このような下地膜を表面に形成したシリコン基板と金基板を基体として用いる。
(Thin film production)
In this example, two types of substrates were used as in Example 1. The cleaning method is the same as that in the first embodiment.
Next, a reaction solution for forming a base film was prepared. First, a 1: 1 mixed solvent of toluene and ethanol was prepared, and titanium butoxide was mixed at a concentration of 100 mM to obtain a reaction solution.
Next, a base film was formed on the surfaces of the silicon substrate and the gold substrate. The cleaned silicon substrate and gold substrate were immersed in the reaction solution for 3 minutes. Then, the excess reaction solution was removed by immersing in toluene and washing with ethanol. Furthermore, it was dried by nitrogen blowing. Hydrolysis of titanium butoxide proceeds by water contained in the reaction solution or water supplied from moisture in the air, and further polymerization proceeds by dehydration condensation. In addition, after immersion in toluene or after nitrogen blowing, it may be immersed in water or water-saturated toluene for about 1 minute to promote the hydrolysis and condensation reaction more actively. The process from immersion to drying was repeated several times to form a base film made of titanium oxide on the silicon substrate and the gold substrate.
In this embodiment, a silicon substrate and a gold substrate having such a base film formed on the surface are used as a base.

次に、末端基がOH基であるPAMAMデンドリマーの第四世代を鋳型分子に用い、このデンドリマーの1wt%溶液(溶媒は、エタノール、メタノール混合溶媒)を調製した。基体をこのデンドリマー溶液に20分間浸漬してデンドリマーを基体表面に吸着させた。さらにメタノールによる洗浄、窒素ブローによる乾燥を行った。   Next, a fourth generation of PAMAM dendrimer having an OH group at the end group was used as a template molecule to prepare a 1 wt% solution of this dendrimer (solvent: ethanol / methanol mixed solvent). The substrate was immersed in this dendrimer solution for 20 minutes to adsorb the dendrimer to the substrate surface. Further, washing with methanol and drying with nitrogen blowing were performed.

次に、下地膜形成に用いた反応溶液と同様な反応溶液を調製した。下地膜形成工程と同様な方法で、基体を反応溶液に浸漬し、トルエン、エタノールで洗浄した。さらに窒素ブローにより乾燥させた。この浸漬から乾燥までのプロセスを数回繰り返して、基体上に重合膜を形成した。   Next, a reaction solution similar to the reaction solution used for forming the base film was prepared. The substrate was immersed in the reaction solution and washed with toluene and ethanol in the same manner as in the base film formation step. Furthermore, it was dried by nitrogen blowing. This process from immersion to drying was repeated several times to form a polymerized film on the substrate.

次に、鋳型分子の除去処理として、重合膜が形成されたシリコン基板、金基板それぞれに対して、オゾン発生装置中で10分間UV照射を行った。   Next, as a template molecule removal process, each of the silicon substrate and the gold substrate on which the polymer film was formed was irradiated with UV for 10 minutes in an ozone generator.

(薄膜分析)
上記方法で金基板上に形成された薄膜に対し、高感度反射赤外分光測定(IRRAS)を行った。鋳型分子吸着後の薄膜については、デンドリマー由来の吸収ピークとチタン酸化物由来の吸収ピークが確認された。重合後、鋳型分子の除去処理前の薄膜については、デンドリマー由来の吸収ピークとチタン酸化物由来の吸収ピークが確認された。尚、チタン酸化物由来の吸収ピーク強度は、鋳型分子吸着後と比較して増大することも確認された。さらに、鋳型分子の除去処理を行うことで、デンドリマーに由来する吸収ピーク強度が減少することも確認された。このことより、本実施例では、鋳型分子存在下で重合膜が形成され、さらに鋳型分子除去処理によって、鋳型分子が除去されていることが確認された。
(Thin film analysis)
High sensitivity reflection infrared spectroscopy (IRRAS) was performed on the thin film formed on the gold substrate by the above method. As for the thin film after template molecule adsorption, an absorption peak derived from dendrimer and an absorption peak derived from titanium oxide were confirmed. After the polymerization, the thin film before the removal treatment of the template molecule was confirmed to have an absorption peak derived from dendrimer and an absorption peak derived from titanium oxide. In addition, it was also confirmed that the absorption peak intensity derived from titanium oxide is increased as compared with that after adsorption of the template molecule. Furthermore, it was also confirmed that the absorption peak intensity derived from the dendrimer decreases by removing the template molecule. From this, in this example, it was confirmed that the polymer film was formed in the presence of the template molecule, and the template molecule was removed by the template molecule removal treatment.

(細孔観察)
上記方法でシリコン基板上に形成された薄膜の表面、および断面に対して電子顕微鏡観察を行った。直径約5nmの複数の細孔を有する薄膜がSi基板上に形成されることが確認される。さらに、それぞれの細孔が独立して存在している状態も確認された。また、細孔が薄膜に対して単層化している状態が観察された。
(Pore observation)
The surface and cross section of the thin film formed on the silicon substrate by the above method were observed with an electron microscope. It is confirmed that a thin film having a plurality of pores having a diameter of about 5 nm is formed on the Si substrate. Furthermore, the state where each pore exists independently was also confirmed. In addition, a state in which the pores were monolayered with respect to the thin film was observed.

以上の結果より、本実施例では、本発明によるナノ多孔質薄膜の構成の基本となる、実質的に同一の大きさの細孔が単層化して配列した多孔質薄膜が形成されることが確認された。   From the above results, in this example, a porous thin film in which pores of substantially the same size, which are the basis of the configuration of the nanoporous thin film according to the present invention, are arranged in a single layer can be formed. confirmed.

本実施例は、基体上にナノ多孔質薄膜を形成し、分子認識材料、およびセンサを作製する例である。   In this example, a nanoporous thin film is formed on a substrate to produce a molecular recognition material and a sensor.

(水晶発振子基板)
本実施例では、基体に水晶発振子(以下QCMチップ)を用いた。
QCMとは、水晶振動子をセンサとして微小重量変化を測定する方法であり、水晶振動子の電極表面に物質が付着すると、その物質の質量に応じて共振周波数が変動する(下がる)。本実施例では、金で被覆した水晶発振子を基体として用いた。
(Crystal oscillator substrate)
In this embodiment, a crystal oscillator (hereinafter referred to as a QCM chip) is used for the substrate.
QCM is a method of measuring a minute weight change using a crystal resonator as a sensor. When a substance adheres to the electrode surface of the crystal oscillator, the resonance frequency varies (lowers) according to the mass of the substance. In this example, a quartz crystal coated with gold was used as a substrate.

(分子認識材料の作製)
まず、基体であるQCMチップの前処理を行った。濃硫酸:過酸化水素水を3:1で混合し、ピラニア洗浄液を調製した。次に、QCMチップの金表面にこのピラニア洗浄液を滴下した後、5分間静置し、純水で十分に洗浄した。この操作を3回繰り返し、窒素ブローにより乾燥させた。次に、このQCMチップを10mMメルカプトエタノールのエタノール溶液に一晩浸漬し、エタノールで十分に洗浄し、さらに窒素ブローにより乾燥させた。以上の操作で、金表面に水酸基を形成した。
(Production of molecular recognition materials)
First, pretreatment of the QCM chip as the substrate was performed. Concentrated sulfuric acid: hydrogen peroxide solution was mixed at a ratio of 3: 1 to prepare a piranha cleaning solution. Next, this piranha cleaning solution was dropped on the gold surface of the QCM chip, and then allowed to stand for 5 minutes, and then thoroughly washed with pure water. This operation was repeated three times and dried by nitrogen blowing. Next, this QCM chip was immersed in an ethanol solution of 10 mM mercaptoethanol overnight, thoroughly washed with ethanol, and further dried by nitrogen blowing. Through the above operation, a hydroxyl group was formed on the gold surface.

次に下地膜形成用の反応溶液を調製した。重合性モノマーをチタンブトキシドとし、実施例2の下地膜形成用の反応溶液と同様な方法で調製した。さらに、実施例2と同様な方法で、下地膜形成用の反応溶液をQCMチップの金表面上に塗布し、反応溶液の溶媒を除去した。チタンブトキシドを重合させ、QCMチップの金表面上に下地膜を形成した。
本実施例では、このような下地膜を表面に形成したQCMチップを基体として用いた。
Next, a reaction solution for forming a base film was prepared. The polymerizable monomer was titanium butoxide, and it was prepared in the same manner as the reaction solution for forming the base film in Example 2. Further, the reaction solution for forming the base film was applied on the gold surface of the QCM chip in the same manner as in Example 2, and the solvent of the reaction solution was removed. Titanium butoxide was polymerized to form a base film on the gold surface of the QCM chip.
In this example, a QCM chip having such a base film formed on the surface was used as a substrate.

次に、第一の重合膜を形成した。後に認識対象分子となるアルギニンを第一の鋳型分子とした。アルギニンは等電点10.8の塩基性アミノ酸である。このアルギニンの水溶液を調製した。このアルギニン溶液に基体を10分間浸漬してアルギニンを基体の下地膜表面に吸着させた。この際、アルギニン水溶液を弱アルカリ性にし、先に形成した下地膜の表面を負電荷側に帯電させるとよい。さらに純水で洗浄し、乾燥させた。   Next, a first polymer film was formed. Arginine, which later becomes a recognition target molecule, was used as the first template molecule. Arginine is a basic amino acid with an isoelectric point of 10.8. An aqueous solution of this arginine was prepared. The substrate was immersed in this arginine solution for 10 minutes to adsorb arginine on the surface of the base film of the substrate. At this time, it is preferable to make the arginine aqueous solution weakly alkaline and charge the surface of the base film formed earlier to the negative charge side. Further, it was washed with pure water and dried.

次に、下地膜形成に用いた反応溶液と同様な方法で第一の反応溶液を調製し、基体を第一の反応溶液に3分間浸漬した。トルエン、エタノールで洗浄した後に、水に1分間浸漬し、アルコキシドの加水分解縮合を促進させた。さらに窒素ブローにより第一の反応溶液を乾燥させた。この浸漬から乾燥までのプロセスを数回繰り返して、基体の下地膜上に第一の重合膜を形成した。   Next, a first reaction solution was prepared in the same manner as the reaction solution used for forming the base film, and the substrate was immersed in the first reaction solution for 3 minutes. After washing with toluene and ethanol, it was immersed in water for 1 minute to promote hydrolysis condensation of the alkoxide. Further, the first reaction solution was dried by nitrogen blowing. This process from immersion to drying was repeated several times to form a first polymer film on the base film of the substrate.

次に第二の反応溶液を調製した。第二の反応溶液には、第二の鋳型分子に第一の鋳型分子と同じアルギニンを、第二の重合性モノマーにアルミニウムブトキシドを用いた。トルエンとエタノールとの1:1の混合溶媒にこのアルギニンを混合し、さらにアルミニウムブトキシドを混合することで第二の反応溶液を調製した。   Next, a second reaction solution was prepared. In the second reaction solution, the same arginine as the first template molecule was used as the second template molecule, and aluminum butoxide was used as the second polymerizable monomer. The arginine was mixed with a 1: 1 mixed solvent of toluene and ethanol, and aluminum butoxide was further mixed to prepare a second reaction solution.

次にスピンコート法により、この第二の反応溶液を第一の重合膜が形成された基体上に塗布し、第二の反応溶液の溶媒を除去した。アルミニウムブトキシドを重合させ、第一の重合膜の表面に第二の重合膜を形成した。   Next, this second reaction solution was applied onto the substrate on which the first polymer film was formed by spin coating, and the solvent of the second reaction solution was removed. Aluminum butoxide was polymerized to form a second polymer film on the surface of the first polymer film.

次に、上述のように、第一および第二の鋳型分子の除去処理として、オゾン発生装置中で10分間UV照射を行った。   Next, as described above, UV irradiation was performed for 10 minutes in an ozone generator as a removal process of the first and second template molecules.

以上の操作により、基体上にナノ多孔質薄膜が形成された。尚、本実施例では、第一の重合性モノマーにチタンブトキシド、第二の重合性モノマーにアルミニウムブトキシドを使用している。それぞれの重合により形成されるチタン酸化物とアルミニウム酸化物とは異なる等電点を有し、チタン酸化物の等電点は6付近、アルミニウム酸化物の等電点は9付近である。   Through the above operation, a nanoporous thin film was formed on the substrate. In this embodiment, titanium butoxide is used as the first polymerizable monomer and aluminum butoxide is used as the second polymerizable monomer. Titanium oxide and aluminum oxide formed by the respective polymerizations have different isoelectric points. The isoelectric point of titanium oxide is around 6 and the isoelectric point of aluminum oxide is around 9.

(ケミカルセンサのノイズの検証)
比較例として、第二の重合膜を形成せずに第一の重合膜のみ形成し、鋳型分子の除去処理を行った多孔質膜1を同様な基体上に作製し、比較材料1とした。
(Chemical sensor noise verification)
As a comparative example, a porous film 1 in which only the first polymer film was formed without forming the second polymer film and the template molecule was removed was produced on a similar substrate, and used as a comparative material 1.

ケミカルセンサを使用する際のノイズについては、本実施例による分子認識材料と比較材料1を使用して、認識対象分子と非特異吸着物質との両方が混合された検体液中から認識対象分子の検出を行うことで検証される。本実施例では、検体液に、認識対象分子であるアルギニンと、非特異吸着物質として等電点が11付近で塩基性タンパクである卵白リゾチームとを混合した水溶液を用いた。   About the noise at the time of using a chemical sensor, using the molecular recognition material and the comparative material 1 according to the present embodiment, the recognition target molecule is detected from the sample liquid in which both the recognition target molecule and the nonspecifically adsorbed substance are mixed. It is verified by performing detection. In this example, an aqueous solution in which arginine, which is a recognition target molecule, and egg white lysozyme, which is a basic protein with an isoelectric point of around 11, was used as a nonspecific adsorption substance in the sample solution.

まず、比較材料1が表面に形成されたQCMチップの乾燥状態での共振周波数を測定し、その値を初期値とした。次に、アルギニンと卵白リゾチームを混合し、pH10に調整した液に比較材料1を加えた。10分間浸漬した後に、比較材料1を洗浄液1(pH10に調整)で数回洗浄し、乾燥させた。そして、再び比較材料1の共振周波数を測定し、その周波数が安定したところで、その値を結合値1とし、初期値との差を算出した。この差を周波数変化ΔF1とし、ΔF1がアルギニンと卵白リゾチームとの吸着量に相当する。その後、比較材料1を洗浄液2(pH7.5に調整)で数回洗浄し、乾燥させた。そして、再度比較材料1の共振周波数を測定し、その周波数が安定したところで、その値を結合値2とし、初期値との差を算出した。この差を周波数変化ΔF2とし、ΔF2がアルギニンおよび卵白リゾチームの洗浄後の吸着量に相当する。その後、比較材料1をアルカリ(1wt%NH水溶液)、酸(pH5の塩酸)で洗浄し、吸着物質を除去した。除去の完了は、除去後の乾燥時の共振周波数が初期値に戻ることで確認される。 First, the resonance frequency in the dry state of the QCM chip on which the comparative material 1 was formed was measured, and the value was set as the initial value. Next, arginine and egg white lysozyme were mixed and the comparative material 1 was added to the liquid adjusted to pH10. After dipping for 10 minutes, the comparative material 1 was washed several times with the washing solution 1 (adjusted to pH 10) and dried. Then, the resonance frequency of the comparative material 1 was measured again, and when the frequency was stabilized, the value was taken as the coupling value 1, and the difference from the initial value was calculated. This difference is defined as a frequency change ΔF1, and ΔF1 corresponds to the adsorption amount of arginine and egg white lysozyme. Thereafter, the comparative material 1 was washed several times with the washing solution 2 (adjusted to pH 7.5) and dried. Then, the resonance frequency of the comparative material 1 was measured again, and when the frequency was stabilized, the value was set as the coupling value 2, and the difference from the initial value was calculated. This difference is defined as a frequency change ΔF2, and ΔF2 corresponds to the adsorption amount after washing arginine and egg white lysozyme. Thereafter, the comparative material 1 was washed with alkali (1 wt% NH 3 aqueous solution) and acid (pH 5 hydrochloric acid) to remove the adsorbed substances. Completion of the removal is confirmed by returning the resonance frequency at the time of drying after the removal to the initial value.

以上の操作を卵白リゾチームの濃度は一定にし、アルギニンの濃度のみを変えて複数点測定を行い、アルギニンの濃度に対して結合値2をプロットした検量線を作成した。(図8)   By performing the above operation, the concentration of egg white lysozyme was kept constant, and only the concentration of arginine was changed to perform multipoint measurement, and a calibration curve in which the binding value 2 was plotted against the concentration of arginine was created. (Fig. 8)

次に本実施例による分子認識材料が表面に形成されたQCMチップに対しても同様に検量線を作成した。
検量線において、濃度と結合値とが線形関係にある領域が濃度検出可能範囲、低濃度側でその関係性の崩れる領域が濃度検出不可能範囲、濃度検出可能範囲の低濃度側における濃度検出不可能範囲との境目の濃度が検出下限値である。
Next, a calibration curve was similarly prepared for the QCM chip on which the molecular recognition material according to this example was formed.
In the calibration curve, the region where the concentration and the binding value are linearly related is the concentration detectable range, the region where the relationship is broken on the low concentration side is the concentration undetectable range, and the concentration detection not possible on the low concentration side of the concentration detectable range. The density at the boundary with the possible range is the lower limit of detection.

比較材料1はチタン酸化物からなるため、洗浄液1(pH10)および、洗浄液2(pH7.5)による洗浄中は、その表面電位は負電荷である。一方、アルギニンの等電点は10.8付近、卵白リゾチームの等電点は11.2付近であるため、この洗浄液中では正電荷を帯びている。よって、これらの分子は、認識サイトに結合されたものも、認識サイト以外の表面に非特異的に結合したものも、除去されにくかった。
一方、本実施例による分子認識材料においては、第二の重合層がアルミニウム酸化物であり、洗浄液2(pH7.5)での洗浄中は正電荷を帯びる。よって、認識サイト以外の表面に非特異的に結合したものは、除去されやすくなる。この結果、非特異吸着量が減った。
これらは、本実施例による分子認識材料を用いた場合の検出下限値が、比較材料1を用いた場合の検出下限値より低いことから確認された。
Since the comparative material 1 is made of titanium oxide, the surface potential is negatively charged during cleaning with the cleaning liquid 1 (pH 10) and the cleaning liquid 2 (pH 7.5). On the other hand, since the isoelectric point of arginine is around 10.8 and the isoelectric point of egg white lysozyme is around 11.2, the washing solution is positively charged. Therefore, it was difficult to remove these molecules, both those bound to the recognition site and those non-specifically bound to the surface other than the recognition site.
On the other hand, in the molecular recognition material according to the present example, the second polymerization layer is made of aluminum oxide and is positively charged during cleaning with the cleaning liquid 2 (pH 7.5). Therefore, those non-specifically bound to the surface other than the recognition site are easily removed. As a result, the amount of nonspecific adsorption decreased.
These were confirmed from the fact that the lower limit of detection when the molecular recognition material according to this example was used was lower than the lower limit of detection when the comparative material 1 was used.

以上の操作により、本発明による分子認識材料によるノイズ低減の効果が確認された。   By the above operation, the effect of noise reduction by the molecular recognition material according to the present invention was confirmed.

本実施例は基体上にナノ多孔質薄膜を形成し、分子認識材料、およびセンサを作製する例である。   In this embodiment, a nanoporous thin film is formed on a substrate to produce a molecular recognition material and a sensor.

(FETデバイス基板)
本実施例では、基体にFETデバイス基板を用いた。
FETデバイス基板とは、半導体基板18に、ソース領域19、ドレイン領域20、チャネル領域21、ゲート絶縁膜22が形成されている図9のような構造を有するデバイスである。FETデバイス基板の製造方法には公知の方法を適用することが可能である。例えば、(100)の方位を有するp型シリコン基板を使用し、n型半導体を形成する不純物(例えばリン)を熱拡散法またはイオン注入法などにより拡散または注入しソース領域とドレイン領域とを形成し、乾燥酸素雰囲気中での熱処理やCVD法によるシリコン窒化膜の形成などによりゲート絶縁膜を形成する、といった一般的なFETの製造方法を用いることが可能である。
本実施例では、FETデバイス基板を基体として用い、ゲート絶縁膜上に本発明による分子認識材料を形成した。
(FET device substrate)
In this example, an FET device substrate was used as the substrate.
The FET device substrate is a device having a structure as shown in FIG. 9 in which a source region 19, a drain region 20, a channel region 21, and a gate insulating film 22 are formed on a semiconductor substrate 18. A known method can be applied to the method of manufacturing the FET device substrate. For example, a p-type silicon substrate having a (100) orientation is used, and an impurity (for example, phosphorus) for forming an n-type semiconductor is diffused or implanted by a thermal diffusion method or an ion implantation method to form a source region and a drain region. In addition, it is possible to use a general FET manufacturing method in which a gate insulating film is formed by heat treatment in a dry oxygen atmosphere or formation of a silicon nitride film by a CVD method.
In this example, an FET device substrate was used as a substrate, and the molecular recognition material according to the present invention was formed on the gate insulating film.

ソース領域、およびドレイン領域は図示しない電極、および電気回路に接続され、検体液中の認識対象分子がゲート絶縁膜上の分子認識材料に捕捉されると、ソース・ドレイン間の電流値が変化する。よって、この変化を測定することで、本実施例による分子認識材料を搭載したFETデバイスを検体液中の認識対象分子の有無および/または濃度を検出するケミカルセンサとして使用することが可能となる。   The source region and the drain region are connected to an electrode and an electric circuit (not shown), and when the recognition target molecule in the sample liquid is captured by the molecular recognition material on the gate insulating film, the current value between the source and the drain changes. . Therefore, by measuring this change, the FET device equipped with the molecular recognition material according to the present embodiment can be used as a chemical sensor for detecting the presence and / or concentration of the recognition target molecule in the sample liquid.

(分子認識材料の作製)
まず、オゾン発生装置中で10分間UV照射しFETデバイス基板表面をクリーニングした。
次に下地膜形成用の反応溶液を調製した。重合性モノマーをチタンブトキシドとし、実施例2の下地膜形成用の反応溶液と同様な方法で調製した。
さらに、実施例2と同様な方法で、下地膜形成用の反応溶液をゲート絶縁膜上に塗布し、溶媒を除去した。チタンブトキシドを重合させ、ゲート絶縁膜上に下地膜を形成した。
本実施例では、このような下地膜を表面に形成したFETデバイス基板を基体として用いた。
(Production of molecular recognition materials)
First, the surface of the FET device substrate was cleaned by UV irradiation for 10 minutes in an ozone generator.
Next, a reaction solution for forming a base film was prepared. The polymerizable monomer was titanium butoxide, and it was prepared in the same manner as the reaction solution for forming the base film in Example 2.
Further, a reaction solution for forming a base film was applied on the gate insulating film by the same method as in Example 2, and the solvent was removed. Titanium butoxide was polymerized to form a base film on the gate insulating film.
In this example, an FET device substrate having such a base film formed on the surface was used as a substrate.

次に、後に認識対象分子となるアルギニンを第一の鋳型分子とした。アルギニンは等電点10.8の塩基性アミノ酸である。このアルギニンの水溶液を調製した。このアルギニン溶液に基体を10分間浸漬してアルギニンを基体表面に吸着させた。この際、アルギニン水溶液を弱アルカリ性にし、先に形成した下地膜の表面を負電荷側に帯電させるとよい。さらに純水で洗浄し、乾燥させる。   Next, arginine, which later becomes a recognition target molecule, was used as the first template molecule. Arginine is a basic amino acid with an isoelectric point of 10.8. An aqueous solution of this arginine was prepared. The substrate was immersed in this arginine solution for 10 minutes to adsorb arginine on the substrate surface. At this time, it is preferable to make the arginine aqueous solution weakly alkaline and charge the surface of the base film formed earlier to the negative charge side. Further, it is washed with pure water and dried.

次に、下地膜形成に用いた反応溶液と同様な方法で第一の反応溶液を調製し、基体を第一の反応溶液に3分間浸漬した。トルエン、エタノールで洗浄した後に、水に1分間浸漬し、チタンブトキシドの加水分解縮合を促進させた。さらに窒素ブローにより乾燥させた。こうして、第一の反応溶液の溶媒を除去した。この浸漬から乾燥までのプロセスを数回繰り返して、基体上に第一の重合膜を形成した。   Next, a first reaction solution was prepared in the same manner as the reaction solution used for forming the base film, and the substrate was immersed in the first reaction solution for 3 minutes. After washing with toluene and ethanol, it was immersed in water for 1 minute to promote hydrolysis and condensation of titanium butoxide. Furthermore, it was dried by nitrogen blowing. Thus, the solvent of the first reaction solution was removed. This process from immersion to drying was repeated several times to form a first polymer film on the substrate.

次に第二の反応溶液を調製した。第二の反応溶液は、第二の鋳型分子には末端基がOH基であるPAMAMデンドリマーの第二世代、および重合性モノマーにはアルミニウムブトキシドを用いた。トルエンとエタノール1:1の混合溶媒にこのデンドリマーを混合し、さらにアルミニウムブトキシドを混合することで第二の反応溶液を調製した。   Next, a second reaction solution was prepared. In the second reaction solution, the second generation of the PAMAM dendrimer having an OH group at the end group was used as the second template molecule, and aluminum butoxide was used as the polymerizable monomer. This dendrimer was mixed with a mixed solvent of toluene and ethanol 1: 1, and aluminum butoxide was further mixed to prepare a second reaction solution.

次に、スピンコート法により、この第二の反応溶液を第一の重合膜が形成された基体上に塗布し、第二の反応溶液の溶媒を除去した。アルミニウムブトキシドを重合させ、第一の重合膜の表面に第二の重合膜を形成した。   Next, this second reaction solution was applied onto the substrate on which the first polymer film was formed by spin coating, and the solvent of the second reaction solution was removed. Aluminum butoxide was polymerized to form a second polymer film on the surface of the first polymer film.

以上の操作により、基体上にナノ多孔質薄膜が形成される。尚、本実施例では、第一の鋳型分子にアルギニン、第二の鋳型分子にPAMAMデンドリマーの第二世代を使用している。アルギニンは、第二世代デンドリマーより小さな分子であり、これら異なる鋳型分子を用いて重合膜を膜厚方向に沿って積層することにより、空間の大きさの異なる細孔が形成される。本実施例では、基体側に形成される第一の細孔はアルギニンを鋳型としており、基体と反対側に形成される第二の細孔は第二世代デンドリマーを鋳型としているため、第二の細孔の空間の大きさは第一の細孔の空間の大きさより大きい。これは電子顕微鏡観察により確認された。
また、第一の細孔は認識対象分子を鋳型として作製され、この第一の細孔が分子の認識サイトになる。特に本実施例では、基体、即ちFETデバイス基板の表面に近い領域に分子の認識サイトが形成される。これは表面に近い領域の感度が高いFETデバイスには好適である。
Through the above operation, a nanoporous thin film is formed on the substrate. In this example, arginine is used as the first template molecule, and the second generation of PAMAM dendrimer is used as the second template molecule. Arginine is a smaller molecule than the second-generation dendrimer, and pores having different space sizes are formed by laminating polymer films along the film thickness direction using these different template molecules. In this example, the first pore formed on the substrate side uses arginine as a template, and the second pore formed on the side opposite to the substrate uses a second generation dendrimer as a template. The size of the pore space is larger than the size of the first pore space. This was confirmed by electron microscope observation.
The first pore is produced using the recognition target molecule as a template, and this first pore becomes a recognition site for the molecule. In particular, in this embodiment, molecular recognition sites are formed in a region close to the surface of the substrate, that is, the FET device substrate. This is suitable for FET devices with high sensitivity in the region close to the surface.

(ケミカルセンサのノイズの検証)
比較例として、第二の重合膜を形成せずに第一の重合膜のみ形成し、鋳型分子の除去処理を行った多孔質膜2を同様な基体上に作製し、比較材料2とした。
(Chemical sensor noise verification)
As a comparative example, a porous film 2 in which only the first polymer film was formed without forming the second polymer film and the template molecule was removed was prepared on a similar substrate, and used as a comparative material 2.

ケミカルセンサを使用する際のノイズについては、本実施例による分子認識材料と比較材料2を使用して、認識対象分子と非特異吸着物質との両方が混合された検体液中から認識対象分子の検出を行うことで検証される。本実施例では、検体液に、認識対象分子であるアルギニンと、非特異吸着物質として卵白リゾチームとを混合した水溶液を用いた。   Regarding noise when using the chemical sensor, the molecular recognition material according to this example and the comparative material 2 are used to detect the recognition target molecule from the sample liquid in which both the recognition target molecule and the nonspecifically adsorbed substance are mixed. It is verified by performing detection. In this example, an aqueous solution in which arginine as a recognition target molecule and egg white lysozyme as a non-specific adsorbent were mixed in the sample liquid.

まず、比較材料2が表面に形成されたFETデバイスをリン酸緩衝溶液に浸漬した。このあと、緩衝溶液にアルギニン溶液を注入した。さらに、緩衝溶液に卵白リゾチーム溶液を注入した。この間、ソース・ドレイン間の電流変化を測定した。同様な操作を分子認識材料が表面に形成されたFETデバイスに対しても行った。アルギニン溶液を注入したときの電流変化量と卵白リゾチーム溶液を注入したときの電流変化量との比率を、比較材料2と本実施例による分子認識材料とについて比較することで、ノイズの影響が検証される。比較材料2では、卵白リゾチーム溶液を入れた際の電流変化(ノイズに相当)が大きいが、本実施例による分子認識材料では小さかった。   First, the FET device on which the comparative material 2 was formed was immersed in a phosphate buffer solution. Thereafter, the arginine solution was injected into the buffer solution. Furthermore, the egg white lysozyme solution was injected into the buffer solution. During this time, the current change between the source and the drain was measured. A similar operation was performed on an FET device having a molecular recognition material formed on the surface. The effect of noise is verified by comparing the ratio of the current change amount when the arginine solution is injected and the current change amount when the egg white lysozyme solution is injected between the comparative material 2 and the molecular recognition material according to this example. Is done. In Comparative Material 2, the current change (corresponding to noise) when the egg white lysozyme solution was added was large, but was small in the molecular recognition material according to this example.

以上の操作により、本発明による分子認識材料によるノイズ低減の効果が確認された。   By the above operation, the effect of noise reduction by the molecular recognition material according to the present invention was confirmed.

触媒や機能性分子のような物質を担持する担持材料、物質を吸着する吸着材料、物質の分離、検出などに用いる分離、分子認識、センサ材料、物質の輸送、交換に利用される伝導材料、電子デバイスや光デバイス、マイクロデバイスなどに利用するナノ構造材料などの広い範囲で利用可能である。   Support materials that carry substances such as catalysts and functional molecules, adsorbent materials that adsorb substances, separation used for separation and detection of substances, molecular recognition, sensor materials, conductive materials used for transport and exchange of substances, It can be used in a wide range of nanostructure materials used for electronic devices, optical devices, micro devices, and the like.

1. 第一の層領域
2. 第二の層領域
3. 第一の膜
4. 第二の膜
5. 第一の細孔
6. 第二の細孔
7. 基体
8. 下地膜
9. 担持物質
10.第一の鋳型分子
11.第二の鋳型分子
12.第一の反応溶液
13.第二の反応溶液
14.第三の反応溶液
15.第四の反応溶液
16.第一の重合膜
17.第二の重合膜
18.半導体基板
19.ソース領域
20.ドレイン領域
21.チャネル領域
22.ゲート絶縁膜
1. First layer region 2. Second layer region 3. First membrane 4. Second membrane 5. First pore 6. Second pore 7. Base 8 8. Underlayer film Support material 10. First template molecule 11. Second template molecule 12. First reaction solution 13. Second reaction solution 14. Third reaction solution 15. Fourth reaction solution 16. First polymerized film 17. Second polymerized film 18. Semiconductor substrate 19. Source region 20. Drain region 21. Channel region 22. Gate insulation film

Claims (13)

ナノ多孔質構造を有するナノ多孔質薄膜であって、
膜厚方向に沿って複数の層領域を有し、
前記複数の層領域は、第一の細孔を有する第一の層領域と第二の細孔を有する第二の層領域とを含み、
前記第一の細孔と前記第二の細孔は貫通し、
前記第一の層領域と前記第二の層領域とを構成する材料が異なることを特徴とするナノ多孔質薄膜。
A nanoporous thin film having a nanoporous structure,
It has a plurality of layer regions along the film thickness direction,
The plurality of layer regions include a first layer region having a first pore and a second layer region having a second pore,
The first pore and the second pore penetrate,
A nanoporous thin film characterized in that materials constituting the first layer region and the second layer region are different.
前記複数の層領域の少なくとも一つを構成する材料が無機酸化物からなることを特徴とする請求項1に記載のナノ多孔質薄膜。   2. The nanoporous thin film according to claim 1, wherein the material constituting at least one of the plurality of layer regions is made of an inorganic oxide. 前記第一の層領域と前記第二の層領域とを構成する材料の等電点が異なることを特徴とする請求項1に記載のナノ多孔質薄膜。   The nanoporous thin film according to claim 1, wherein isoelectric points of materials constituting the first layer region and the second layer region are different. 前記第一の細孔と前記第二の細孔との空間の大きさが異なることを特徴とする請求項1に記載のナノ多孔質薄膜。   The nanoporous thin film according to claim 1, wherein the first pore and the second pore have different space sizes. 認識対象分子と選択的に結合する分子認識材料であって、
基体上に保持されたナノ多孔質構造を有するナノ多孔質薄膜を備え、
前記ナノ多孔質薄膜は、膜厚方向に沿って複数の層領域を有し、
前記複数の層領域は、第一の細孔を有する第一の層領域と第二の細孔を有する第二の層領域とを含み、
前記第一の層領域と前記第二の層領域とは、前記基体上から前記膜厚方向に沿ってこの順で有し、
前記第一の細孔と前記第二の細孔は貫通し、
前記第一の層領域と前記第二の層領域とを構成する材料が異なることを特徴とする分子認識材料。
A molecular recognition material that selectively binds to a recognition target molecule,
Comprising a nanoporous thin film having a nanoporous structure held on a substrate;
The nanoporous thin film has a plurality of layer regions along the film thickness direction,
The plurality of layer regions include a first layer region having a first pore and a second layer region having a second pore,
The first layer region and the second layer region have in this order along the film thickness direction from above the substrate,
The first pore and the second pore penetrate,
A molecular recognition material characterized in that materials constituting the first layer region and the second layer region are different.
前記第二の細孔の空間の大きさが前記第一の細孔の空間の大きさより大きいことを特徴とする請求項5に記載の分子認識材料。   The molecular recognition material according to claim 5, wherein the size of the space of the second pore is larger than the size of the space of the first pore. 検体液中の認識対象分子の有無および/または濃度を検出するセンサであって、
検出デバイス上に保持されたナノ多孔質構造を有するナノ多孔質薄膜を備え、
前記ナノ多孔質薄膜は、膜厚方向に沿って複数の層領域を有し、
前記複数の層領域は、第一の細孔を有する第一の層領域と第二の細孔を有する第二の層領域とを含み、
前記第一の層領域と前記第二の層領域とは、前記基体上から前記膜厚方向に沿ってこの順で有し、
前記第一の細孔と前記第二の細孔は貫通し、
前記第一の層領域と前記第二の層領域とを構成する材料が異なることを特徴とするセンサ。
A sensor for detecting the presence and / or concentration of a molecule to be recognized in a sample liquid,
Comprising a nanoporous thin film having a nanoporous structure held on a detection device;
The nanoporous thin film has a plurality of layer regions along the film thickness direction,
The plurality of layer regions include a first layer region having a first pore and a second layer region having a second pore,
The first layer region and the second layer region have in this order along the film thickness direction from above the substrate,
The first pore and the second pore penetrate,
The material which comprises said 1st layer area | region and said 2nd layer area | region differs.
前記検出デバイスがFETデバイスであることを特徴とする請求項7に記載のセンサ。   8. A sensor according to claim 7, wherein the detection device is a FET device. ナノ多孔質構造を有するナノ多孔質薄膜の製造方法であって、
第一の鋳型分子と第一の重合性モノマーとを含む第一の反応溶液を基体に接触させる工程と、
前記第一の反応溶液の溶媒を除去し、前記第一の重合性モノマーを重合させ、前記基体上に第一の重合膜を形成する工程と、
前記第一の重合性モノマーとは異なる第二の重合性モノマーと第二の鋳型分子とを含む第二の反応溶液を前記第一の重合膜に接触させる工程と、
前記第二の反応溶液の溶媒を除去し、前記第二の重合性モノマーを重合させ、前記第一の重合膜上に第二の重合膜を形成する工程と、
前記第一および第二の鋳型分子を除去する工程とを含むことを特徴とするナノ多孔質薄膜の製造方法。
A method for producing a nanoporous thin film having a nanoporous structure,
Contacting a substrate with a first reaction solution containing a first template molecule and a first polymerizable monomer;
Removing the solvent of the first reaction solution, polymerizing the first polymerizable monomer, and forming a first polymer film on the substrate;
Contacting a second reaction solution containing a second polymerizable monomer different from the first polymerizable monomer and a second template molecule with the first polymerized film;
Removing the solvent of the second reaction solution, polymerizing the second polymerizable monomer, and forming a second polymer film on the first polymer film;
Removing the first and second template molecules, and a method for producing a nanoporous thin film.
ナノ多孔質構造を有するナノ多孔質薄膜の製造方法であって、
第一の鋳型分子を含む第一の溶液を基体に接触させ、前記基体上に前記第一の鋳型分子を固定化させた後、第一の重合性モノマーを含む第三の反応溶液を前記基体に接触させる工程と、
前記第三の反応溶液の溶媒を除去し、前記第一の重合性モノマーを重合させ、前記基体上に第一の重合膜を形成する工程と、
前記第一の重合性モノマーとは異なる第二の重合性モノマーと第二の鋳型分子とを含む第二の反応溶液を前記第一の重合膜に接触させる工程と、
前記第二の反応溶液の溶媒を除去し、前記第二の重合性モノマーを重合させ、前記第一の重合膜上に第二の重合膜を形成する工程と、
前記第一および第二の鋳型分子を除去する工程とを含むことを特徴とするナノ多孔質薄膜の製造方法。
A method for producing a nanoporous thin film having a nanoporous structure,
A first solution containing a first template molecule is brought into contact with the substrate, the first template molecule is immobilized on the substrate, and then a third reaction solution containing a first polymerizable monomer is added to the substrate. Contacting with
Removing the solvent of the third reaction solution, polymerizing the first polymerizable monomer, and forming a first polymer film on the substrate;
Contacting a second reaction solution containing a second polymerizable monomer different from the first polymerizable monomer and a second template molecule with the first polymerized film;
Removing the solvent of the second reaction solution, polymerizing the second polymerizable monomer, and forming a second polymer film on the first polymer film;
Removing the first and second template molecules, and a method for producing a nanoporous thin film.
ナノ多孔質構造を有するナノ多孔質薄膜の製造方法であって、
第一の鋳型分子と第一の重合性モノマーとを含む第一の反応溶液を基体に接触させる工程と、
前記第一の反応溶液の溶媒を除去し、前記第一の重合性モノマーを重合させ、前記基体上に第一の重合膜を形成する工程と、
第二の鋳型分子を含む第二の溶液を前記第一の重合膜に接触させ、前記第一の重合膜上に前記第二の鋳型分子を固定させた後、前記第一の重合性モノマーとは異なる第二の重合性モノマーを含む第四の反応溶液を前記第一の重合膜に接触させる工程と、
前記第四の反応溶液の溶媒を除去し、前記第二の重合性モノマーを重合させ、前記第一の重合膜上に第二の重合膜を形成する工程と、
前記第一および第二の鋳型分子を除去する工程とを含むことを特徴とするナノ多孔質薄膜の製造方法。
A method for producing a nanoporous thin film having a nanoporous structure,
Contacting a substrate with a first reaction solution containing a first template molecule and a first polymerizable monomer;
Removing the solvent of the first reaction solution, polymerizing the first polymerizable monomer, and forming a first polymer film on the substrate;
A second solution containing a second template molecule is brought into contact with the first polymer film, and after fixing the second template molecule on the first polymer film, the first polymerizable monomer and Contacting the first polymerized film with a fourth reaction solution containing a different second polymerizable monomer;
Removing the solvent of the fourth reaction solution, polymerizing the second polymerizable monomer, and forming a second polymer film on the first polymer film;
Removing the first and second template molecules, and a method for producing a nanoporous thin film.
ナノ多孔質構造を有するナノ多孔質薄膜の製造方法であって、
第一の鋳型分子を含む第一の溶液を基体に接触させ、前記基体上に前記第一の鋳型分子を固定化させた後、第一の重合性モノマーを含む第三の反応溶液を前記基体に接触させる工程と、
前記第三の反応溶液の溶媒を除去し、前記第一の重合性モノマーを重合させ、前記基体上に第一の重合膜を形成する工程と、
第二の鋳型分子を含む第二の溶液を前記第一の重合膜に接触させ、前記第一の重合膜上に前記第二の鋳型分子を固定させた後、前記第一の重合性モノマーとは異なる第二の重合性モノマーを含む第四の反応溶液を前記第一の重合膜に接触させる工程と、
前記第四の反応溶液の溶媒を除去し、前記第二の重合性モノマーを重合させ、前記第一の重合膜上に第二の重合膜を形成する工程と、
前記第一および第二の鋳型分子を除去する工程とを含むことを特徴とするナノ多孔質薄膜の製造方法。
A method for producing a nanoporous thin film having a nanoporous structure,
A first solution containing a first template molecule is brought into contact with the substrate, the first template molecule is immobilized on the substrate, and then a third reaction solution containing a first polymerizable monomer is added to the substrate. Contacting with
Removing the solvent of the third reaction solution, polymerizing the first polymerizable monomer, and forming a first polymer film on the substrate;
A second solution containing a second template molecule is brought into contact with the first polymer film, and after fixing the second template molecule on the first polymer film, the first polymerizable monomer and Contacting the first polymerized film with a fourth reaction solution containing a different second polymerizable monomer;
Removing the solvent of the fourth reaction solution, polymerizing the second polymerizable monomer, and forming a second polymer film on the first polymer film;
Removing the first and second template molecules, and a method for producing a nanoporous thin film.
前記第一の鋳型分子と前記第二の鋳型分子とが異なる分子であることを特徴とする請求項9〜12のいずれか1項に記載のナノ多孔質薄膜の製造方法。   The method for producing a nanoporous thin film according to any one of claims 9 to 12, wherein the first template molecule and the second template molecule are different molecules.
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