JP2020016461A - sensor - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、センサーに関する。 The present invention relates to sensors.
一般にセンサーは、対象となるアナライトを高感度かつ高選択的な検出を可能とする検知部(受容体)を有する。受容体として自己組織化膜、単分子膜、DNA/RNA、タンパク質、抗原/抗体、ポリマーなど多岐に渡る物質が用いられている。嗅覚/ガスセンサ分野では近年のAI,IoTの発達により、今後新たなアプリケーションが期待されている。近年、食物の輸送過程における食品の過成熟による青果物の廃棄が世界的に大きな問題と認識されている。青果物が成熟していく過程で、エチレンやエタノール、アセトアルデヒドといった固有のガスが発散され、特に食品をセンサーを用いて管理するにはその他のガスに加えてエチレンのモニタは極めて重要である。 In general, a sensor has a detection unit (receptor) that enables highly sensitive and highly selective detection of an analyte of interest. A wide variety of substances such as self-assembled membranes, monomolecular membranes, DNA / RNA, proteins, antigens / antibodies, and polymers have been used as receptors. In the field of olfaction / gas sensors, new applications are expected in the future due to the development of AI and IoT in recent years. BACKGROUND ART In recent years, the disposal of fruits and vegetables due to overmaturation of food in the process of transporting food has been recognized as a major problem worldwide. During the process of maturation of fruits and vegetables, inherent gases such as ethylene, ethanol, and acetaldehyde are released, and in particular, monitoring ethylene in addition to other gases is extremely important for managing foods using sensors.
特許文献1では多孔質材料または粒状材料を、物理パラメータを検出するタイプのセンサー本体上に被覆し、検体分子を前記多孔質材料または粒状材料が吸着することによる前記物理パラメータの変化により前記検体分子を検出するセンサーが記載されている。 In Patent Document 1, a porous material or a granular material is coated on a sensor body of a type for detecting a physical parameter, and the analyte molecule is changed by a change in the physical parameter due to the adsorption of the analyte molecule by the porous material or the granular material. A sensor for detecting is described.
特許文献2では母材と粒状材料とを含む複合体の受容体層と、前記受容体層を表面上に有し、検体分子が前記受容体層に吸着される際に生じる物理パラメータの変化を検出するセンサー本体とを備えたセンサーが記載されている。 In Patent Document 2, a receptor layer of a complex including a base material and a particulate material, and a change in physical parameters that occur when analyte molecules are adsorbed to the receptor layer, having the receptor layer on the surface, A sensor having a sensor body for detection is described.
特許文献3では基板と、この基板上に形成された金属酸化物半導体膜を構成要素として含むガスセンサであって、その表面を前記金属酸化物半導体表面と水素結合が可能な官能基を有する有機物層で修飾したことを特徴とする極性ガスに対して選択的に応答する作用を有するガスセンサーが記載されている。 Patent Document 3 discloses a gas sensor including, as constituents, a substrate and a metal oxide semiconductor film formed on the substrate, the surface of which is an organic layer having a functional group capable of hydrogen bonding with the surface of the metal oxide semiconductor. A gas sensor having a function of selectively responding to a polar gas, characterized by being modified with a gas sensor, is described.
特許文献4では基体と、前記基体の表面に形成された検知膜とを含む一酸化窒素検出エレメントであって、前記検知膜が、一酸化窒素検出粒子と、高分子接着剤とからなり、前記一酸化窒素検出粒子が、ポルフィリン骨格を有し、かつ中心金属として2価のコバルトを有する色素を、無機粒子の表面に吸着させることで形成されたものである、一酸化窒素検出エレメントが記載されている。 Patent Document 4 discloses a nitric oxide detection element including a base and a detection film formed on the surface of the base, wherein the detection film is formed of nitric oxide detection particles and a polymer adhesive, A nitric oxide detecting element, wherein the nitric oxide detecting particles have a porphyrin skeleton and are formed by adsorbing a dye having divalent cobalt as a central metal on the surface of the inorganic particles, is described. ing.
特許文献1、2では、高い感度と選択性、安定性を実現する一方で、乾燥雰囲気下以外では電気シグナルが大きく減衰し、嗅覚センサーとして使用できる環境が大きく制限されるとともにエチレンガスの検出感度は非常に小さい。 In Patent Documents 1 and 2, while realizing high sensitivity, selectivity, and stability, the electric signal is greatly attenuated except in a dry atmosphere, and the environment that can be used as an olfactory sensor is greatly limited, and the detection sensitivity of ethylene gas is also high. Is very small.
特許文献3では、従来の金属酸化物半導体型のガスセンサーであって、受容体部の加熱を要するため消費電力が大きく、またエチレンガスに対する検出感度は非常に小さい。 Patent Document 3 discloses a conventional metal oxide semiconductor type gas sensor, which requires a large amount of power due to the necessity of heating a receptor portion, and has a very low detection sensitivity to ethylene gas.
特許文献4では、NOガスに対して非常に高い感度と選択性を有するが、エチレンに対する応答はなく、光学的測定であるため大掛かりな装置を要する。 Patent Document 4 has a very high sensitivity and selectivity to NO gas, but does not respond to ethylene and is an optical measurement, so a large-scale apparatus is required.
したがって、本発明の目的は、植物の生長ホルモンであるエチレン等のガスを湿度のある状態下であっても高感度で測定可能であり、更にはリフロー処理後、長時間使用後であっても感応膜の劣化がなく継続測定可能なセンサーを提供することにある。 Therefore, an object of the present invention is to measure gases such as ethylene, which is a plant growth hormone, with high sensitivity even under humid conditions, and even after reflow treatment, even after long use. An object of the present invention is to provide a sensor that can continuously measure without deterioration of a sensitive film.
前記課題を解決すべく、本願発明者らは鋭意検討し、実験を重ねた結果、予想外に前記課題を解決しうることを見出し、本発明を完成するに至った。 In order to solve the above-mentioned problems, the inventors of the present application have conducted intensive studies and, as a result of repeated experiments, have found that the above-mentioned problems can be unexpectedly solved, and have completed the present invention.
すなわち、本発明は以下のとおりのものである。
〔1〕
有機無機ハイブリッドを含む感応膜を有する表面応力センサーであって、
前記有機無機ハイブリッドは、相互に化学結合で結合されてなる連続鎖状構造を有する金属酸化物(i)を含み、
前記金属酸化物の表面もしくは内部に有機官能基(ii)が導入されているセンサー。
〔2〕
前記金属酸化物(i)がシリカである〔1〕のセンサー。
〔3〕
前記金属酸化物(i)が、10m2/g〜1000m2/gの比表面積を有する〔1〕又は〔2〕のセンサー。
〔4〕
前記金属酸化物(i)が、0.01〜1.52cm3/gの全細孔容積を有する〔1〕〜〔3〕のいずれかのセンサー。
〔5〕
前記有機官能基(ii)が、飽和もしくは不飽和炭素結合を含む〔1〕〜[4]のいずれかのセンサー。
〔6〕
前記有機官能基(ii)が、窒素原子、酸素原子、硫黄原子、ハロゲン原子、ホウ素原子、及びリン原子からなる群より選択される1種以上の原子を含有する官能基を含む〔1〕〜〔5〕のいずれかのセンサー。
〔7〕
前記有機官能基(ii)が、不飽和結合、窒素原子、酸素原子、硫黄原子、及びフッ素原子からなる群より選択される1種以上を含む〔1〕〜〔6〕のいずれかのセンサー。
〔8〕
前記金属酸化物(i)と前記有機官能基(ii)を合わせた有機分の熱重量減少率が3%〜65%である〔1〕〜〔7〕のいずれかのセンサー。
〔9〕
前記有機官能基(ii)が、シランカップリング剤由来の有機官能基である〔1〕〜〔8〕のいずれかのセンサー。
〔10〕
前記有機官能基(ii)にガス分子が吸着し、拡散することにより応力発生し、ガスを検出する〔1〕〜〔9〕のいずれかのセンサー。
〔11〕
前記感応膜がさらに(iii)金属イオン、及び/又は金属ナノ粒子を含む〔1〕〜〔10〕のいずれかのセンサー。
〔12〕
前記金属イオンがAg(I)、及び/又はCu(I)である〔1〕〜〔11〕のいずれかのセンサー。
〔13〕
前記金属イオンがAg(I)である〔1〕〜〔12〕のいずれかのセンサー。
〔14〕
前記金属ナノ粒子が金、銀、白金、及びパラジウムナノ粒子からなる群より選択される1種以上である〔1〕〜〔13〕のいずれかのセンサー。
〔15〕
前記有機無機ハイブリッドがR1R2R3SiO1/2であらわされる結合(R1〜R3は、各々独立して、有機基又は水素原子を表す。)を含む〔1〕〜〔14〕のいずれかのセンサー。
That is, the present invention is as follows.
[1]
A surface stress sensor having a sensitive film containing an organic-inorganic hybrid,
The organic-inorganic hybrid includes a metal oxide (i) having a continuous chain structure formed by a chemical bond with each other,
A sensor in which an organic functional group (ii) is introduced on the surface or inside of the metal oxide.
[2]
The sensor according to [1], wherein the metal oxide (i) is silica.
[3]
Sensors of the metal oxide (i) is, with a specific surface area of 10m 2 / g~1000m 2 / g (1) or (2).
[4]
The sensor according to any one of [1] to [3], wherein the metal oxide (i) has a total pore volume of 0.01 to 1.52 cm 3 / g.
[5]
The sensor according to any one of [1] to [4], wherein the organic functional group (ii) contains a saturated or unsaturated carbon bond.
[6]
The organic functional group (ii) includes a functional group containing one or more atoms selected from the group consisting of a nitrogen atom, an oxygen atom, a sulfur atom, a halogen atom, a boron atom, and a phosphorus atom [1] to The sensor according to any one of [5].
[7]
The sensor according to any one of [1] to [6], wherein the organic functional group (ii) includes at least one selected from the group consisting of an unsaturated bond, a nitrogen atom, an oxygen atom, a sulfur atom, and a fluorine atom.
[8]
The sensor according to any one of [1] to [7], wherein a thermal weight loss rate of an organic component obtained by combining the metal oxide (i) and the organic functional group (ii) is 3% to 65%.
[9]
The sensor according to any one of [1] to [8], wherein the organic functional group (ii) is an organic functional group derived from a silane coupling agent.
[10]
The sensor according to any one of [1] to [9], wherein gas molecules are adsorbed and diffused on the organic functional group (ii) to generate stress, and detect gas.
[11]
The sensor according to any one of [1] to [10], wherein the sensitive film further contains (iii) metal ions and / or metal nanoparticles.
[12]
The sensor according to any one of [1] to [11], wherein the metal ion is Ag (I) and / or Cu (I).
[13]
The sensor according to any one of [1] to [12], wherein the metal ion is Ag (I).
[14]
The sensor according to any one of [1] to [13], wherein the metal nanoparticles are at least one selected from the group consisting of gold, silver, platinum, and palladium nanoparticles.
[15]
The organic-inorganic hybrid contains a bond represented by R 1 R 2 R 3 SiO 1/2 (R 1 to R 3 each independently represent an organic group or a hydrogen atom) [1] to [14]. One of the sensors.
本発明によれば、植物の生長ホルモンであるエチレン等のガスを湿度のある状態下であっても高感度に測定可能であり、更にはリフロー処理後、長時間使用後であっても感応膜の劣化がなく継続測定可能なセンサーを提供できる。 According to the present invention, a gas such as ethylene, which is a plant growth hormone, can be measured with high sensitivity even under humid conditions. It is possible to provide a sensor that can be continuously measured without deterioration.
以下、本発明の実施の形態(以下、「本実施形態」という。)について詳細に説明するが、本発明はこれに限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で様々な変形が可能である。 Hereinafter, an embodiment of the present invention (hereinafter, referred to as “the present embodiment”) will be described in detail, but the present invention is not limited thereto, and various modifications can be made without departing from the gist of the present invention. It is.
本実施形態のセンサーは、有機無機ハイブリッドを含む感応膜を有するセンサーであって、前記有機無機ハイブリッドは、相互に化学結合で結合されてなる連続鎖状構造を有する金属酸化物(i)を含み、前記金属酸化物の表面もしくは内部に有機官能基(ii)が導入されている。センサーは、例えば、物理パラメータを検出するタイプのセンサー本体を含む。物理パラメータとしては、例えば、表面応力、応力、力、表面張力、圧力、質量、弾性、ヤング率、ポアソン比、共振周波数、周波数、体積、厚み、粘度、密度、磁力、磁気量、磁場、磁束、磁束密度、電気抵抗、電気量、誘電率、電力、電界、電荷、電流、電圧、電位、移動度、静電エネルギー、キャパシタンス、インダクタンス、リアクタンス、サセプタンス、アドミッタンス、インピーダンス、コンダクタンス、プラズモン、屈折率、光度および温度やその他の様々な物理パラメータが挙げられる。本実施形態のセンサーは、例えば、センサー本体上に直接、感応膜(「受容体層」ともいう。)を設けたセンサーである。このセンサーは、当該受容体層が検体分子を吸着することでそこに引き起こされる物理パラメータの変化を、センサー本体により検出する。従って、本発明で使用可能なセンサー本体は、その表面に受容体層の形成材料を被覆することで構成された受容体層が検知対象物質を吸着することによって受容体層に引き起こされる変化を検知するものであれば特に制限されない。本実施形態のセンサーを例えば表面応力型嗅覚センサーに使用した場合には、その表面を被覆した受容体層が検知対象物質を吸着することで当該受容体層中に引き起こされた応力変化を検出して表面応力型嗅覚センサーがシグナルを出力する。また、別の種類のセンサー本体として、例えば、水晶振動子の電極表面に物質が吸着するとその質量に応じて共振周波数が変動する性質を利用して微量な質量変化を計測する質量センサーであるQCMを使用した場合には、その表面を被覆した受容体層が検知対象物質を吸着することで起こる質量変化を検出してシグナルを出力する。なお、ここで吸着という用語は、物理吸着だけではなく、化学結合や生化学的な作用による吸着も含む最も広い意味で用いている。 The sensor according to the present embodiment is a sensor having a sensitive film including an organic-inorganic hybrid, wherein the organic-inorganic hybrid includes a metal oxide (i) having a continuous chain structure that is mutually bonded by a chemical bond. An organic functional group (ii) is introduced on the surface or inside of the metal oxide. The sensor includes, for example, a sensor body of a type that detects a physical parameter. As physical parameters, for example, surface stress, stress, force, surface tension, pressure, mass, elasticity, Young's modulus, Poisson's ratio, resonance frequency, frequency, volume, thickness, viscosity, density, magnetic force, magnetic quantity, magnetic field, magnetic flux , Magnetic flux density, electric resistance, electric quantity, permittivity, electric power, electric field, electric charge, current, voltage, potential, mobility, electrostatic energy, capacitance, inductance, reactance, susceptance, admittance, impedance, conductance, plasmon, refractive index , Luminosity and temperature, and various other physical parameters. The sensor of the present embodiment is, for example, a sensor in which a sensitive film (also referred to as a “receptor layer”) is provided directly on the sensor body. In this sensor, a change in a physical parameter caused by the adsorption of the analyte molecule by the receptor layer is detected by the sensor body. Therefore, the sensor body that can be used in the present invention detects a change caused in the receptor layer due to the adsorption of the substance to be detected by the receptor layer formed by coating the surface of the sensor body with the material for forming the receptor layer. There is no particular limitation as long as it does. When the sensor of the present embodiment is used for, for example, a surface stress-type olfactory sensor, a receptor layer covering the surface detects a change in stress caused in the receptor layer by adsorbing a detection target substance. The surface stress type olfactory sensor outputs a signal. Further, as another type of sensor body, for example, a QCM which is a mass sensor that measures a minute change in mass by utilizing the property that when a substance is adsorbed on the electrode surface of a quartz oscillator, the resonance frequency fluctuates in accordance with the mass of the substance. When is used, a signal is output by detecting a change in mass caused by the receptor layer covering the surface adsorbing the detection target substance. Here, the term "adsorption" is used in the broadest sense including not only physical adsorption but also adsorption by chemical bonding or biochemical action.
[有機無機ハイブリッド]
本実施形態の有機無機ハイブリッドは、相互に化学結合で接合されてなる連続鎖状構造を有する金属酸化物(i)を含み、金属酸化物(i)の表面もしくは内部に有機官能基(ii)が導入されている。
[Organic-inorganic hybrid]
The organic-inorganic hybrid of the present embodiment includes a metal oxide (i) having a continuous chain structure bonded to each other by a chemical bond, and an organic functional group (ii) on the surface or inside of the metal oxide (i). Has been introduced.
[金属酸化物(i)]
金属酸化物(i)は、相互に化学結合で接合されてなる連続鎖状構造を有する。このような連続鎖状構造としては、例えば図1、図2、又は図3に示す連続鎖状構造が挙げられるこれらに限定されない。連続鎖状構造としては、例えば、球状の粒子が連続的に真直につながった構造、分岐してつながった構造、屈曲してつながった構造、環状につながった構造(「パールネックレス状」につながった構造ともいう。)、又は個々には連続した球状には観察されず糸状の構造が多数絡まりあった構造(「ネットワーク状」につながった構造ともいう。)が挙げられる。
[Metal oxide (i)]
The metal oxide (i) has a continuous chain structure that is bonded to each other by a chemical bond. Such a continuous chain structure is not limited to, for example, the continuous chain structure shown in FIG. 1, FIG. 2, or FIG. Examples of the continuous chain structure include, for example, a structure in which spherical particles are continuously connected in a straight line, a structure in which the particles are connected in a branched manner, a structure in which the particles are connected in a bent shape, and a structure in which the particles are connected in a ring shape (a “pearl necklace-shaped” structure). Or a structure in which a plurality of thread-like structures are not individually observed in a continuous spherical shape (also referred to as a “network-like structure”).
連続鎖状構造を構成する金属酸化物しては、例えば、シリカ、チタニア、ジルコニア、チタン酸バリウム、チタン酸ジルコニウム、チタン酸ストロンチウム等があげられ、入手性、構造制御性の観点からシリカであることが好ましい。シリカは、例えば、SiO2、SiO3/22、SiO1/2の一部、もしくはこれらの複数から構成される。本発明者らは、特にシリカを用いると湿度のある状態でもエタノール、アセトアルデヒド、トルエン、エチレン等の一般的なガスの応答の減衰が改良される原因を以下のように考えている。但し、原因はこれに限定されない。連続鎖状構造にシリカ骨格を用いることにより、湿度のある状態でもエタノール、アセトアルデヒド、トルエン、エチレン等の一般的なガスの応答の減衰が改良される原因としては、シリカの骨格及びケイ素原子に結合した水酸基が、チタニア骨格もしくはチタン原子に結合した水酸基に比べて比較的疎水的であると推定する。 Examples of the metal oxide constituting the continuous chain structure include, for example, silica, titania, zirconia, barium titanate, zirconium titanate, strontium titanate, and the like. From the viewpoint of availability and structure controllability, silica is used. Is preferred. The silica is composed of, for example, a part of SiO 2 , SiO 3/22 , SiO 1/2 , or a plurality thereof. The present inventors consider the reason why the use of silica improves the attenuation of the response of general gases such as ethanol, acetaldehyde, toluene, and ethylene even in a humid state as follows. However, the cause is not limited to this. The use of a silica skeleton in the continuous chain structure improves the attenuation of general gas responses such as ethanol, acetaldehyde, toluene, and ethylene even in humid conditions due to bonding to the silica skeleton and silicon atoms. It is presumed that the resulting hydroxyl group is relatively hydrophobic compared to the hydroxyl group bonded to the titania skeleton or the titanium atom.
このような連続鎖状構造は、ゾルゲル法を用いてアルコキシ、クロロ等の3、4官能性加水分解基を有する金属酸化物前駆体のゾルゲル法によって製造することができるし、市販品を用いることもできる。市販品としてはIPA―ST−UP、MEK―ST―UP、ST―UP、ST−PS−S、ST−PS−M、ST−OUP、ST−PS―SO、ST−PS−MO、ST−AK−PS−S等(いずれも日産化学製品)があげられる。 Such a continuous chain structure can be produced by a sol-gel method of a metal oxide precursor having a 3- or 4-functional hydrolyzable group such as alkoxy and chloro by a sol-gel method, or a commercially available product can be used. Can also. Commercial products include IPA-ST-UP, MEK-ST-UP, ST-UP, ST-PS-S, ST-PS-M, ST-OUP, ST-PS-SO, ST-PS-MO, ST- AK-PS-S (all of them are Nissan Chemical Products).
連続鎖状構造を構成する金属酸化物(i)は、一概に球状を仮定して、一次粒子径で規定することは容易でないが、TEM/SEMによる電子顕微鏡観察により鎖幅を観察することができる。鎖幅としては、1nm〜200nmであり、被表面積を大きくする観点から1nm〜100nmであることが好ましく、ガス応答性の感度の観点から1nm〜85nmであることがさらに好ましい。 The metal oxide (i) constituting the continuous chain structure is not easily defined by the primary particle diameter, assuming a general spherical shape, but the chain width can be observed by TEM / SEM with an electron microscope. it can. The chain width is 1 nm to 200 nm, preferably 1 nm to 100 nm from the viewpoint of increasing the surface area, and more preferably 1 nm to 85 nm from the viewpoint of gas responsiveness.
連続鎖状構造を構成する金属酸化物(i)の比表面積と細孔容積は窒素吸着のBET測定により評価することでがきる。鎖状骨格では、その骨格の剛直性により球状の金属酸化物に比べてより大きな細孔容積を形成でき、大きな比表面積、細孔容積は、ガス分子が表面応力型センサー状の感応膜の内部へのアクセス性を高めることから、応答の高感度化に寄与すると推定される。比表面積は、10m2/g〜1000m2/gであることが好ましく、感応膜内部へのガスアクセス性を一層高める観点から,15m2/g〜1000m2/gであることが好ましく、細孔による弾性率低下による感度低下を抑制する観点から15m2/g〜800m2/gであることがより好ましい。細孔容積は、0.01cm3/g〜1.52cm3/gであることが好ましく、感応膜内部へのガスアクセス性を高める観点から,0.02m2/g〜1.50m2/gであることが好ましく、細孔による弾性率低下による感度低下を抑制する観点から0.03m2/g〜1.00m2/gであることがより好ましい。 The specific surface area and pore volume of the metal oxide (i) constituting the continuous chain structure can be evaluated by BET measurement of nitrogen adsorption. The chain skeleton can form a larger pore volume than the spherical metal oxide due to the rigidity of the skeleton, and the large specific surface area and pore volume are caused by gas molecules inside the sensitive membrane like a surface stress sensor. It is presumed that this contributes to increasing the sensitivity of the response because it improves the accessibility of the response. The specific surface area is preferably 10m 2 / g~1000m 2 / g, preferably from the viewpoint of further enhancing the gas accessibility to sensitive film inside a 15m 2 / g~1000m 2 / g, pore more preferably the sensitivity reduction due to the elastic modulus decreases from the viewpoint of suppressing a 15m 2 / g~800m 2 / g by. Pore volume is preferably 0.01cm 3 /g~1.52cm 3 / g, from the viewpoint of enhancing the gas accessibility to sensitive film inside, 0.02m 2 /g~1.50m 2 / g it is preferably, and more preferably the sensitivity reduction due to the elastic modulus decreased by pores from the viewpoint of suppressing a 0.03m 2 /g~1.00m 2 / g.
[有機官能基(ii)]
有機官能基(ii)は、例えば、連続鎖状構造を有する金属酸化物(i)の表面に修飾することにより導入されてもよく、有機官能基を有する金属酸化物前駆体と4官能性加水分解性金属酸化物とを共重合することにより導入されてもよい。
[Organic functional group (ii)]
The organic functional group (ii) may be introduced, for example, by modifying the surface of the metal oxide (i) having a continuous chain structure, and a metal oxide precursor having an organic functional group and a tetrafunctional hydrolyzate may be introduced. It may be introduced by copolymerizing with a decomposable metal oxide.
有機官能基(ii)は、耐湿度性の観点から、飽和もしくは不飽和炭素結合を含むことが好ましく、有機官能基(ii)は、極性の高いガス・ニオイ分子への応答性の観点から、窒素原子、酸素原子、硫黄原子、フッ素、塩素、臭素、ヨウ素原子等のハロゲン原子、ホウ素原子、及びリン原子からなる群より選択される1種以上の原子を含有する官能基を含むことが好ましい。これらの中でも、安定性の観点から、有機官能基(ii)は、不飽和結合、窒素原子、酸素原子、硫黄原子、及びフッ素原子からなる群より選択される1種以上の原子を含有する官能基を含むことが好ましい。有機官能基(ii)の具体例としては、ハロゲン原子等の置換基を有してもよい直鎖状若しくは分岐状炭化水素基(例えば、3−クロロプロピル基、オクチル基等の直鎖状若しくは分岐状C1-8アルキル基)、ハロゲン原子等の置換基を有してもよい脂環炭化水素基(例えば、シクロヘキシル基等のC5-6シクロアルキル基)、ハロゲン原子等の置換基を有してもよい芳香族炭化水素基(例えば、フェニル基、ペンタフルオロフェニル基等)、ビニル基、アリル基、(メタ)アクリル基、(メタ)アクリロイルオキシアルキル基(例えば、(メタ)アクリロイルオキシプロピル基等の(メタ)アクリロイルオキシC1-3アルキル基)、エポキシ基、グリシジルオキシアルキル基(例えば、3−グリシジルオキシプロピル基等のグリシジルオキシC1-3アルキル基)、(エポキシシクロアルキル)アルキル基(例えば、2−(3,4−エポキシシクロヘキシル)エチル基等)、ヒドロキシ基、エーテル基、カルボニル基、カルボキシル基、エステル基、ウレタン基、ウレア基、メルカプト基、メルカプトアルキル基(例えば、メルカプトプロピル基等のメルカプトC1-3アルキル基)、スルフィド基、アミノ基(例えば、1級アミノ基、2級アミノ基、3級アミノ基)、アミノアルキル基(例えば、アミノプロピル基等のアミノC1-3アルキル基)、(アミノアルキルアミノ)アルキル基(例えば、3−(2−アミノエチルアミノ)プロピル基)、イミダゾリル基、イミダゾリルアルキル基(例えば、3−(2−イミダゾリン−1−イル)プロピル基)、アルキルアミノアルキル基(例えば、3−(ジメチルアミノ)プロピル基)、アミド基、複素環芳香族基、オキシム基、イミド基、イミン基、ハロゲン基、ニトリル基、ホスホン基、リン酸基等があげられる。これらの中でも、有機官能基(ii)は、入手性の観点から、置換基を有してもよい直鎖状又は分岐状炭化水素基、置換基を有してもよい脂環炭化水素基、置換基を有してもよい芳香族炭化水素基、ビニル基、アリル基、(メタ)アクリロイルオキシアルキル基、グリシジルオキシアルキル基、(エポキシシクロアルキル)アルキル基、メルカプトアルキル基、アミノアルキル基、(アミノアルキルアミノ)アルキル基、イミダゾリルアルキル基、及びアルキルアミノアルキル基、ヒドロキシ基からなる群より選択される1種以上であることが好ましい。これらの官能基は1種を単独で、又は2種以上を組み合わせて用いられる。 The organic functional group (ii) preferably contains a saturated or unsaturated carbon bond from the viewpoint of humidity resistance, and the organic functional group (ii) is formed from the viewpoint of responsiveness to highly polar gas / odor molecules. It preferably contains a functional group containing at least one atom selected from the group consisting of a halogen atom such as a nitrogen atom, an oxygen atom, a sulfur atom, a fluorine atom, a chlorine atom, a bromine atom, an iodine atom, a boron atom, and a phosphorus atom. . Among these, from the viewpoint of stability, the organic functional group (ii) is a functional group containing at least one atom selected from the group consisting of an unsaturated bond, a nitrogen atom, an oxygen atom, a sulfur atom, and a fluorine atom. Preferably, it contains a group. Specific examples of the organic functional group (ii) include a linear or branched hydrocarbon group which may have a substituent such as a halogen atom (for example, a linear or branched hydrocarbon group such as a 3-chloropropyl group and an octyl group). branched C 1-8 alkyl group), optionally alicyclic hydrocarbon group which may have a substituent such as a halogen atom (e.g., C 5-6 cycloalkyl groups such as cyclohexyl group), a substituent such as a halogen atom An aromatic hydrocarbon group (eg, phenyl group, pentafluorophenyl group, etc.), a vinyl group, an allyl group, a (meth) acryl group, a (meth) acryloyloxyalkyl group (eg, (meth) acryloyloxy) (Meth) acryloyloxy C 1-3 alkyl group such as propyl group), epoxy group, glycidyloxyalkyl group (for example, glycidyloxy C group such as 3-glycidyloxypropyl group) 1-3 alkyl group), (epoxycycloalkyl) alkyl group (for example, 2- (3,4-epoxycyclohexyl) ethyl group, etc.), hydroxy group, ether group, carbonyl group, carboxyl group, ester group, urethane group, Urea group, mercapto group, mercaptoalkyl group (eg, mercapto C 1-3 alkyl group such as mercaptopropyl group), sulfide group, amino group (eg, primary amino group, secondary amino group, tertiary amino group), Aminoalkyl group (for example, amino C 1-3 alkyl group such as aminopropyl group), (aminoalkylamino) alkyl group (for example, 3- (2-aminoethylamino) propyl group), imidazolyl group, imidazolylalkyl group ( For example, 3- (2-imidazolin-1-yl) propyl group), alkylaminoalkyl group (for example, - (dimethylamino) propyl), an amide group, a heterocyclic aromatic group, an oxime group, an imide group, an imine group, a halogen group, a nitrile group, a phosphonic group and a phosphoric acid group. Among them, the organic functional group (ii) is, from the viewpoint of availability, a linear or branched hydrocarbon group which may have a substituent, an alicyclic hydrocarbon group which may have a substituent, Optionally substituted aromatic hydrocarbon group, vinyl group, allyl group, (meth) acryloyloxyalkyl group, glycidyloxyalkyl group, (epoxycycloalkyl) alkyl group, mercaptoalkyl group, aminoalkyl group, ( It is preferably at least one selected from the group consisting of an aminoalkylamino) alkyl group, an imidazolylalkyl group, an alkylaminoalkyl group, and a hydroxy group. These functional groups may be used alone or in combination of two or more.
有機官能基(ii)は、シランカップリング剤由来の有機官能基であることが好ましい。シランカップリング剤としては、アルコキシシラン、もしくはクロロシラン等の加水分解性金属酸化物が挙げられる。これらの中でも、加水分解性金属酸化物は、取り扱い性、官能基の汎用性からアルコキシシランが好ましく、反応性の観点から3官能性のアルコキシシランがより好ましい。 The organic functional group (ii) is preferably an organic functional group derived from a silane coupling agent. Examples of the silane coupling agent include hydrolyzable metal oxides such as alkoxysilane and chlorosilane. Among them, the hydrolyzable metal oxide is preferably an alkoxysilane from the viewpoint of handleability and versatility of functional groups, and more preferably a trifunctional alkoxysilane from the viewpoint of reactivity.
3官能性のアルコキシシランとしては、アルコキシ基にメトキシ基、エトキシ基、イソプロポキシ基を有するシランカップリング剤を使用することができる。市販のシランカップリング剤としてはフェニルトリアルコキシシラン、3−(2−アミノエチルアミノ)プロピルトリアルコキシシラン、3−メルカプトプロピルトリアルコキシシラン、ビニルトリアルコキシシラン、シクロヘキシルトリアルコキシシラン、3−グリシジルオキシプロピルトリアルコキシシラン、2−(3,4−エポキシシクロヘキシル)エチルトリアルコキシシラン、3−(ジメチルアミノ)プロピルトリアルコキシシラン、3−(2−イミダゾリン−1−イル)プロピルトリアルコキシシラン、3−アミノプロピルトリアルコキシシラン、3−(メタクリロイルオキシ)プロピルトリアルコキシシラン、3−(アクリロイルオキシ)プロピルトリアルコキシシラン、アリルトリアルコキシシラン、メチルトリアルコキシシラン、エチルトリアルコキシシラン、プロピルトリアルコキシシラン、ブチルアルコキシシラン、ヘキシルトリアルコキシシラン、オクチルトリアルコキシシラン、デシルトリアルコキシシラン、ドデシルトリアルコキシシラン、オクタデシルトリアルコキシシラン、3−ウレイドプロピルトリアルコキシシラン、ニトロベンゼンアミドトリアルコキシシラン、ベンジルトリアルコキシシラン、シクロヘキシルアミノプロピルトリアルコキシシラン、フェニルアミノプロピルトリアルコキシシラン、ヘキサフルオロフェニルトリアルコキシシラン、3−クロロプロピルトリアルコキシシラン、3−ブロモプロピルトリアルコキシシラン、3−ピペラジノプロピルトリアルコキシシラン、3−モルフォリノプロピルトリアルコキシシラン、3−アリルアミノプロピルトリアルコキシシラン、4−クロロフェニルトリアルコキシシラン、ノルボルニルトリアルコキシシラン、ピペリジノプロピルトリアルコキシシラン等があげられる。 As the trifunctional alkoxysilane, a silane coupling agent having a methoxy group, an ethoxy group, or an isopropoxy group in the alkoxy group can be used. Commercially available silane coupling agents include phenyl trialkoxysilane, 3- (2-aminoethylamino) propyl trialkoxysilane, 3-mercaptopropyl trialkoxysilane, vinyl trialkoxysilane, cyclohexyl trialkoxysilane, 3-glycidyloxypropyl Trialkoxysilane, 2- (3,4-epoxycyclohexyl) ethyl trialkoxysilane, 3- (dimethylamino) propyl trialkoxysilane, 3- (2-imidazolin-1-yl) propyl trialkoxysilane, 3-aminopropyl Trialkoxysilane, 3- (methacryloyloxy) propyl trialkoxysilane, 3- (acryloyloxy) propyl trialkoxysilane, allyltrialkoxysilane, methyltrialkoxy Orchid, ethyl trialkoxy silane, propyl trialkoxy silane, butyl alkoxy silane, hexyl trialkoxy silane, octyl trialkoxy silane, decyl trialkoxy silane, dodecyl trialkoxy silane, octadecyl trialkoxy silane, 3-ureido propyl trialkoxy silane, nitrobenzene Amido trialkoxysilane, benzyl trialkoxysilane, cyclohexylaminopropyl trialkoxysilane, phenylaminopropyl trialkoxysilane, hexafluorophenyl trialkoxysilane, 3-chloropropyl trialkoxysilane, 3-bromopropyl trialkoxysilane, 3-pipe Radinopropyl trialkoxysilane, 3-morpholinopropyl trialkoxysilane, 3 Allyl-aminopropyl trialkoxysilane, 4-chlorophenyl trialkoxysilane, norbornyl trialkoxysilane, piperidinopropyl trialkoxysilane, and the like.
連続鎖状構造を有する有機無機ハイブリッドは、主にゾルゲル法を用いて製造される。鎖状の市販コロイダルシリカにシランカップリング剤を処理してもよいし、シランカップリング剤と4官能性のアルコキシシランであるトリエトキシシラン、もしくはトリアルコキシシランを同時に縮合反応することで製造することができる。鎖状市販コロイダルシリカをシランカップリング剤で処理した場合は、図1に示す金属酸化物(i)の表面にシランカップリング剤の縮合体が付属したような構造となるが、連続鎖状構造は維持される。一方でシランカップリング剤と4官能性アルコキシシランの同時縮合により連続鎖状構造体を製造した場合は、表面に付着物は観察されず官能基は鎖状構造体の内部、表面に非局在的に分布する。また、その連続鎖状構造体には表面水酸基が残存する。 Organic-inorganic hybrids having a continuous chain structure are mainly produced using a sol-gel method. A commercially available linear colloidal silica may be treated with a silane coupling agent, or may be produced by simultaneously condensing a silane coupling agent and a tetrafunctional alkoxysilane, triethoxysilane, or trialkoxysilane. Can be. When the chain-shaped commercially available colloidal silica is treated with a silane coupling agent, a structure in which a condensate of the silane coupling agent is attached to the surface of the metal oxide (i) shown in FIG. Is maintained. On the other hand, when a continuous chain structure is produced by simultaneous condensation of a silane coupling agent and a tetrafunctional alkoxysilane, no deposits are observed on the surface, and the functional groups are not localized inside the chain structure and on the surface. Distribution. In addition, surface hydroxyl groups remain in the continuous chain structure.
連続鎖状構造を有する金属酸化物(i)に有機官能基を表面変性させることは、分散媒に分散させた状態で表面修飾することにより行われる。具体的には、例えば、アルコール及び水を含む金属酸化物の均一分散液に、触媒存在下で上記シランカップリング剤を添加する工程により連続鎖状構造を有する有機無機ハイブリッドが製造される。 The surface modification of the metal oxide (i) having a continuous chain structure with an organic functional group is performed by surface modification in a state of being dispersed in a dispersion medium. Specifically, for example, an organic-inorganic hybrid having a continuous chain structure is produced by a step of adding the silane coupling agent to a uniform dispersion of a metal oxide containing alcohol and water in the presence of a catalyst.
連続鎖状構造を有する有機無機ハイブリッドをシランカップリング剤と4官能性アルコキシシランの同時縮合により鎖状構造体を製造する場合は、例えば、アルコール及び水を含む溶媒中で触媒存在下、混合、反応させることにより製造される。 When an organic-inorganic hybrid having a continuous chain structure is produced by simultaneous condensation of a silane coupling agent and a tetrafunctional alkoxysilane, for example, in the presence of a catalyst in a solvent containing alcohol and water, mixing, It is produced by reacting.
加水分解及び縮合の反応速度を調節できる観点から、触媒の存在下で、シランカップリング剤を加水分解及び縮合、表面修飾することがより好ましい。 From the viewpoint of controlling the reaction rates of hydrolysis and condensation, it is more preferable to hydrolyze, condense and surface-modify the silane coupling agent in the presence of a catalyst.
触媒の種類としては、酸触媒及び塩基触媒が挙げられる。例えば、酸触媒としては、無機酸及び有機酸が挙げられる。無機酸としては、例えば、塩酸、硝酸、硫酸、フッ酸、リン酸、ホウ酸等が挙げられる。有機酸としては、例えば、酢酸、プロピオン酸、ブタン酸、ペンタン酸、ヘキサン酸、ヘプタン酸、オクタン酸、ノナン酸、デカン酸、シュウ酸、マレイン酸、メチルマロン酸、安息香酸、p−アミノ安息香酸、p−トルエンスルホン酸、ベンゼンスルホン酸、トリフルオロ酢酸、ギ酸、マロン酸、スルホン酸、フタル酸、フマル酸、クエン酸、酒石酸、シトラコン酸、リンゴ酸、グルタル酸等が挙げられる。塩基触媒としては、無機塩基及び有機塩基が挙げられる。無機塩基としては、例えば、水酸化リチウム、水酸化ナトリウム、水酸化カリウム、水酸化セシウム等のアルカリ金属水酸化物;水酸化カルシウム等のアルカリ土類金属水酸化物;炭酸リチウム、炭酸カリウム、炭酸ナトリウム等のアルカリ又はアルカリ土類金属炭酸塩;炭酸水素カリウム、炭酸水素ナトリウム等の金属炭酸水素塩;等が挙げられる。有機塩基としては、トリエチルアミン、エチルジイソプロピルアミン等のトリアルキルアミン;N,N−ジメチルアニリン、N,N−ジエチルアニリン等の炭素数1〜4のN,N−ジアルキルアニリン誘導体;ピリジン、2,6−ルチジン等の、炭素数1〜4のアルキル置換基を有していてもよいピリジン誘導体;等が挙げられる。これらの触媒は、1種で又は2種以上を混合して用いることができる。 Examples of the type of the catalyst include an acid catalyst and a base catalyst. For example, acid catalysts include inorganic acids and organic acids. Examples of the inorganic acid include hydrochloric acid, nitric acid, sulfuric acid, hydrofluoric acid, phosphoric acid, boric acid and the like. Examples of the organic acid include acetic acid, propionic acid, butanoic acid, pentanoic acid, hexanoic acid, heptanoic acid, octanoic acid, nonanoic acid, decanoic acid, oxalic acid, maleic acid, methylmalonic acid, benzoic acid, and p-aminobenzoic acid Acids, p-toluenesulfonic acid, benzenesulfonic acid, trifluoroacetic acid, formic acid, malonic acid, sulfonic acid, phthalic acid, fumaric acid, citric acid, tartaric acid, citraconic acid, malic acid, glutaric acid and the like. Examples of the base catalyst include an inorganic base and an organic base. Examples of the inorganic base include, for example, alkali metal hydroxides such as lithium hydroxide, sodium hydroxide, potassium hydroxide, and cesium hydroxide; alkaline earth metal hydroxides such as calcium hydroxide; lithium carbonate, potassium carbonate, and carbonic acid. Alkali or alkaline earth metal carbonates such as sodium; metal bicarbonates such as potassium bicarbonate and sodium bicarbonate; Examples of the organic base include trialkylamines such as triethylamine and ethyldiisopropylamine; N, N-dialkylaniline derivatives having 1 to 4 carbon atoms such as N, N-dimethylaniline and N, N-diethylaniline; pyridine, 2,6 Pyridine derivatives which may have an alkyl substituent having 1 to 4 carbon atoms, such as lutidine; These catalysts can be used alone or in combination of two or more.
反応系のpHを0.01〜6.0の範囲、若しくはpH8〜14になる量の触媒を加えることが、反応効率の点で好ましく、より効率を高めるためにはpH8〜14の塩基性条件下で修飾反応を行うことがより好ましい。 It is preferable from the viewpoint of reaction efficiency to add an amount of the catalyst that makes the pH of the reaction system in the range of 0.01 to 6.0 or pH 8 to 14. In order to further increase the efficiency, basic conditions of pH 8 to 14 are added. More preferably, the modification reaction is performed under the following conditions.
鎖状有機無機ハイブリッドを製造するための加水分解及び縮合は、有機溶媒中で行うこともできる。縮合反応に使用できる有機溶媒としては、例えば、アルコール、エステル、ケトン、エーテル、脂肪族炭化水素化合物、芳香族炭化水素化合物、アミド化合物等が挙げられる。 Hydrolysis and condensation for producing a chain organic-inorganic hybrid can also be performed in an organic solvent. Examples of the organic solvent that can be used for the condensation reaction include alcohols, esters, ketones, ethers, aliphatic hydrocarbon compounds, aromatic hydrocarbon compounds, amide compounds, and the like.
上記アルコールとしては、例えば、メチルアルコール、エチルアルコール、プロピルアルコール、ブチルアルコールのような一価アルコール;エチレングリコール、ジエチレングリコール、プロピレングリコール、グリセリン、トリメチロールプロパン、ヘキサントリオールのような多価アルコール;エチレングリコールモノメチルエーテル、エチレングリコールモノエチルエーテル、エチレングリコールモノプロピルエーテル、エチレングリコールモノブチルエーテル、ジエチレングリコールモノメチルエーテル、ジエチレングリコールモノエチルエーテル、ジエチレングリコールモノプロピルエーテル、ジエチレングリコールモノブチルエーテル、プロピレングリコールモノメチルエーテル、プロピレングリコールモノエチルエーテル、プロピレングリコールモノプロピルエーテル、プロピレングリコールモノブチルエーテルのような多価アルコールのモノエーテル類;等が挙げられる。 Examples of the alcohol include monohydric alcohols such as methyl alcohol, ethyl alcohol, propyl alcohol, and butyl alcohol; polyhydric alcohols such as ethylene glycol, diethylene glycol, propylene glycol, glycerin, trimethylolpropane, and hexanetriol; ethylene glycol Monomethyl ether, ethylene glycol monoethyl ether, ethylene glycol monopropyl ether, ethylene glycol monobutyl ether, diethylene glycol monomethyl ether, diethylene glycol monoethyl ether, diethylene glycol monopropyl ether, diethylene glycol monobutyl ether, propylene glycol monomethyl ether, propylene glycol monoethyl ether, B propylene glycol monopropyl ether, mono ethers of polyhydric alcohols such as propylene glycol monobutyl ether; and the like.
上記エステルとしては、例えば、酢酸メチル、酢酸エチル、酢酸ブチル、γ−ブチロラクトン等が挙げられる。ケトン類としては、例えば、アセトン、メチルエチルケトン、メチルイソアミルケトン等が挙げられる。 Examples of the ester include methyl acetate, ethyl acetate, butyl acetate, γ-butyrolactone, and the like. Ketones include, for example, acetone, methyl ethyl ketone, methyl isoamyl ketone and the like.
上記エーテルとしては、上記の多価アルコールのモノエーテル類の他に、例えば、エチレングリコールジメチルエーテル、エチレングリコールジエチルエーテル、エチレングリコールジプロピルエーテル、エチレングリコールジブチルエーテル、プロピレングリコールジメチルエーテル、プロピレングリコールジエチルエーテル、プロピレングリコールジブチルエーテル、ジエチレングリコールジメチルエーテル、ジエチレングリコールメチルエチルエーテル、ジエチレングリコールジエチルエーテルのような多価アルコールの水酸基の全てをアルキルエーテル化した多価アルコールエーテル類;テトラヒドロフラン;1,4−ジオキサン;アニソール等が挙げられる。 Examples of the ether include, in addition to the monohydric alcohol monoethers, for example, ethylene glycol dimethyl ether, ethylene glycol diethyl ether, ethylene glycol dipropyl ether, ethylene glycol dibutyl ether, propylene glycol dimethyl ether, propylene glycol diethyl ether, propylene Polyhydric alcohol ethers in which all of the hydroxyl groups of a polyhydric alcohol such as glycol dibutyl ether, diethylene glycol dimethyl ether, diethylene glycol methyl ethyl ether, and diethylene glycol diethyl ether are alkyl etherified; tetrahydrofuran; 1,4-dioxane; and anisole.
上記脂肪族炭化水素化合物としては、例えば、ヘキサン、ヘプタン、オクタン、ノナン、デカン等が挙げられる。 Examples of the aliphatic hydrocarbon compound include hexane, heptane, octane, nonane, and decane.
上記芳香族炭化水素化合物としては、例えば、ベンゼン、トルエン、キシレン等が挙げられる。 Examples of the aromatic hydrocarbon compound include benzene, toluene, xylene and the like.
上記アミド化合物としては、例えば、ジメチルホルムアミド、ジメチルアセトアミド、N−メチルピロリドン等が挙げられる。 Examples of the amide compound include dimethylformamide, dimethylacetamide, N-methylpyrrolidone, and the like.
以上の溶媒の中でも、アルコールとしてメタノール、エタノール、イソプロパノール、ブタノール等;ケトンとしてアセトン、メチルエチルケトン、メチルイソブチルケトン等;エーテルとしてエチレングリコールモノメチルエーテル、ジエチレングリコールモノブチルエーテル、プロピレングリコールモノメチルエーテル、プロピレングリコールモノエチルエーテル等;及びアミド化合物としてジメチルホルムアミド、ジメチルアセトアミド、N−メチルピロリドン等が水と混合しやすい点で好ましい。これらの溶媒は単独で使用してもよいし、複数の溶媒を組み合わせて使用してもよい。 Among the above solvents, methanol, ethanol, isopropanol, butanol, etc. as alcohols; acetone, methyl ethyl ketone, methyl isobutyl ketone, etc. as ketones; ethylene glycol monomethyl ether, diethylene glycol monobutyl ether, propylene glycol monomethyl ether, propylene glycol monoethyl ether, etc. as ethers And amide compounds such as dimethylformamide, dimethylacetamide, and N-methylpyrrolidone are preferred because they are easily mixed with water. These solvents may be used alone, or a plurality of solvents may be used in combination.
有機無機ハイブリッドは沈殿物、ゲル化物を遠心分離、ろ過により濾別することにより回収される。連続鎖状構造に寄与しないシランカップリング剤縮合物が残渣として存在しうるが、その縮合物が感応膜に入ることは問題ない。感応膜の物理耐久性の観点から残渣は少ないことが好ましい。 The organic-inorganic hybrid is recovered by separating the precipitate and the gelled product by centrifugation and filtration. Although a silane coupling agent condensate that does not contribute to the continuous chain structure may exist as a residue, there is no problem that the condensate enters the sensitive film. From the viewpoint of the physical durability of the sensitive film, it is preferable that the residue is small.
有機官能基の導入は、FT−IRや元素分析により確認することができる。また、熱重量減少測定により確認することができる。吸着水の影響を除去するため150℃から1000℃までの、金属酸化物(i)と有機官能基(ii)を合わせた有機分の熱重量減少率が、感度の観点から、3%〜65%であることが好ましく、5%〜65%であることがより好ましく、更に熱安定性の観点から5%〜55%であることが更に好ましい。 The introduction of the organic functional group can be confirmed by FT-IR or elemental analysis. It can also be confirmed by thermogravimetric reduction measurement. In order to remove the influence of the adsorbed water, the thermal weight loss rate of the organic component including the metal oxide (i) and the organic functional group (ii) from 150 ° C. to 1000 ° C. is 3% to 65% from the viewpoint of sensitivity. %, More preferably 5% to 65%, and even more preferably 5% to 55% from the viewpoint of thermal stability.
有機無機ハイブリッドは、R1R2R3SiO1/2で表されるモノ体構造単位(M単位)(R1〜R3は、各々独立して、有機基又は水素原子を表す。)を有することが好ましい。R1〜R3は、各々独立して、炭化水素基であることが好ましく、メチル基、フェニル基、又はビニル基であることがより好ましい。R1R2R3SiO1/2は、センサー(例えば、表面応力嗅覚センサー)をシラザン、モノクロロシラン蒸気にさらすもしくは液中に浸すことにより導入される。感応膜付表面応力センサーチップのさびによる劣化を防ぐためにシラザンを用いることが好ましく、液中での感応膜の劣化、溶解を防ぐためにシラザンの蒸気中で処理をすることが好ましい。これらの処理により感応膜表面に存在する水酸基がシラザンと反応をし、脱アンモニア反応を経て水酸基はR1R2R3SiO1/2に変換され疎水化される。疎水化の程度は接触角により確認され、疎水化が完了した時点では80から120°まで接触角は上昇し、疎水化され、湿度下においてシグナルの減衰が解消されるのはこの疎水化によるものと推定する。まだその導入はXPSやTOF−SIMSによっても確認することができる。 The organic-inorganic hybrid has a mono-structural unit (M unit) represented by R 1 R 2 R 3 SiO 1/2 (R 1 to R 3 each independently represent an organic group or a hydrogen atom). It is preferred to have. R 1 to R 3 are each independently preferably a hydrocarbon group, more preferably a methyl group, a phenyl group or a vinyl group. R 1 R 2 R 3 SiO 1/2 is introduced by exposing a sensor (eg, a surface stress olfactory sensor) to silazane or monochlorosilane vapor or immersing it in a liquid. It is preferable to use silazane to prevent deterioration of the surface stress sensor chip with a sensitive film due to rust, and it is preferable to perform treatment in a vapor of silazane to prevent deterioration and dissolution of the sensitive film in a liquid. By these treatments, the hydroxyl groups present on the surface of the sensitive film react with the silazane, and the hydroxyl groups are converted to R 1 R 2 R 3 SiO 1/2 through a deammonification reaction, and are hydrophobized. The degree of hydrophobization is confirmed by the contact angle. When the hydrophobization is completed, the contact angle increases from 80 to 120 °, becomes hydrophobic, and the signal attenuation under humidity is eliminated by this hydrophobicity. It is estimated. The introduction can still be confirmed by XPS or TOF-SIMS.
シラザンとしては、例えば、1,1,1,3,3,3−ヘキサメチルジシラザン、1,3−ジビニル−1,1,3,3−テトラメチルジシラザン、1,3ジフェニル1,1,3,3−テトラメチルジシラザン、1,1,3,3−テトラメチルジシラザン等が用いられる。 Examples of the silazane include 1,1,1,3,3,3-hexamethyldisilazane, 1,3-divinyl-1,1,3,3-tetramethyldisilazane, and 1,3 diphenyl1,1, 3,3-tetramethyldisilazane, 1,1,3,3-tetramethyldisilazane and the like are used.
表面疎水化の処理をMSSメンブレン塗布後に行うことは、センサーへの接着性の観点から好ましい。これは基材と感応膜の接着は主に表面に存在する水酸基を介して接着しており、水酸基の減少が接着性を低下させる原因と推定され、有機無機ハイブリッドを感応膜に用いることにより、リフロー温度である260℃の処理でも剥離することなく使用することができる。 Performing the surface hydrophobization treatment after the application of the MSS membrane is preferable from the viewpoint of adhesion to the sensor. This is because the adhesion between the substrate and the sensitive film is mainly via the hydroxyl groups present on the surface, and it is presumed that the decrease in the number of hydroxyl groups decreases the adhesiveness.By using an organic-inorganic hybrid for the sensitive film, It can be used without being peeled off even at a reflow temperature of 260 ° C.
[(iii)金属イオン、金属ナノ粒子]
感応膜は、感度の観点から、さらに(iii)金属イオン、及び/又は金属ナノ粒子を含むことが好ましい。金属イオン、金属ナノ粒子は、例えば、有機無機ハイブリッドに混合されて、感応膜として表面応力型センサーに塗布される。
[(iii) Metal ions, metal nanoparticles]
It is preferable that the sensitive film further includes (iii) metal ions and / or metal nanoparticles from the viewpoint of sensitivity. Metal ions and metal nanoparticles are mixed with, for example, an organic-inorganic hybrid and applied to a surface stress sensor as a sensitive film.
金属イオン、金属ナノ粒子としては、例えば、Ag(I)、Cu(I)、Cu(II)、Pd(II)、Agナノ粒子、Cuナノ粒子、パラジウムナノ粒子が挙げられる。これらの中でも、金属イオンは、Ag(I)及び/又はCu(I)であることが好ましく、Ag(I)であることがより好ましい。金属ナノ粒子は、Agナノ粒子, Cuナノ粒子、金ナノ粒子、白金、及びパラジウムナノ粒子からなる群より選ばれる1種以上であることが好ましく、金ナノ粒子、Agナノ粒子、白金、及びパラジウムナノ粒子からなる群より選ばれる1種以上であることがより好ましい。本発明者らは、これらの金属イオンを添加することによりエチレンガスを高感度で測定可能である原因は以下のように推定する。但し、原因はこれに限定されない。すなわち、これらの金属原子の空電子軌道にエチレンの軌道が効率よく配位することでより感応膜中にエチレン分子を取り込み、感応膜中でより大きな表面応力が発生するためである。 Examples of metal ions and metal nanoparticles include Ag (I), Cu (I), Cu (II), Pd (II), Ag nanoparticles, Cu nanoparticles, and palladium nanoparticles. Among these, the metal ion is preferably Ag (I) and / or Cu (I), and more preferably Ag (I). The metal nanoparticles are preferably at least one selected from the group consisting of Ag nanoparticles, Cu nanoparticles, gold nanoparticles, platinum, and palladium nanoparticles, and include gold nanoparticles, Ag nanoparticles, platinum, and palladium. More preferably, it is at least one selected from the group consisting of nanoparticles. The present inventors presume the reason why ethylene gas can be measured with high sensitivity by adding these metal ions as follows. However, the cause is not limited to this. That is, when the orbital of ethylene is efficiently coordinated with the vacant electron orbital of these metal atoms, ethylene molecules are taken into the sensitive film and a larger surface stress is generated in the sensitive film.
これらの金属イオン及び/又は金属ナノ粒子の含有比は、有機無機ハイブリッドに対して、重量比で0.1〜ら30倍であってもよい。含有比は、感度の観点から、0.15〜30倍が好ましく、感応膜の基材への接着性の観点から、0.15〜20倍がより好ましく、センサー素子への塗布性の観点から、0.15〜15倍が更に好ましい。 The content ratio of these metal ions and / or metal nanoparticles may be 0.1 to 30 times the weight ratio of the organic-inorganic hybrid. The content ratio is preferably from 0.15 to 30 times from the viewpoint of sensitivity, and more preferably from 0.15 to 20 times from the viewpoint of adhesion to the substrate of the sensitive film, and from the viewpoint of applicability to the sensor element. , 0.15 to 15 times.
[表面応力型(MSS)嗅覚センサー]
本実施形態のセンサーは、4点固定のピエゾ素子型表面応力(MSS)センサーであることが好ましい。
[Surface stress type (MSS) olfactory sensor]
The sensor of the present embodiment is preferably a four-point fixed piezo element type surface stress (MSS) sensor.
有機無機ハイブリッドをセンサー本体(例えば、MSSセンサー本体)の表面に被覆するための手法は、ディップコーティング、スプレーコーティング、スピンコーティング、インクジェットスポッティング、キャスティング、ドクターブレードなどを用いた被覆方法が挙げられる。 Methods for coating the organic-inorganic hybrid on the surface of the sensor body (for example, the MSS sensor body) include dip coating, spray coating, spin coating, inkjet spotting, casting, and a coating method using a doctor blade.
300μmφのMSSメンブレンに塗布するためにはインクジェット、マイクロジェット方式が好ましく、生産性の観点からマイクロジェット方式の塗布が最も好ましい。 For application to a 300 μmφ MSS membrane, inkjet and microjet systems are preferred, and microjet application is most preferred from the viewpoint of productivity.
感応膜は、例えば、有機無機ハイブリッドを有機溶剤に分散させ、その分散液をMSSチップ上に塗布することにより製造できる。有機無機ハイブリッドは、有機溶剤中に0.1g/l〜50g/lの濃度で分散されて塗布液となる。生産性の観点から、濃度は、0.5〜50g/lであることが好ましく、ノズルつまりを抑制する観点から、0.5〜15g/lであることがより好ましい。 The sensitive film can be produced, for example, by dispersing an organic-inorganic hybrid in an organic solvent and applying the dispersion on an MSS chip. The organic-inorganic hybrid is dispersed in an organic solvent at a concentration of 0.1 g / l to 50 g / l to form a coating liquid. The concentration is preferably 0.5 to 50 g / l from the viewpoint of productivity, and more preferably 0.5 to 15 g / l from the viewpoint of suppressing nozzle clogging.
本実施形態において、有機ハイブリッド以外に任意の粒子、樹脂等の成分を有機ハイブリッドに配合させることにより感応膜を形成してもよい。これらの成分を塗布液に溶解させることによって、MSSセンサー表面に塗布することができる。 In the present embodiment, the sensitive film may be formed by blending optional components such as particles and resin in addition to the organic hybrid in the organic hybrid. By dissolving these components in a coating solution, it can be applied to the MSS sensor surface.
有機無機ハイブリッドを分散する有機溶媒としては、分散可能な溶媒であればよく、沸点としては80℃〜250℃のものが好ましく、ノズルのつまりによる生産性の低下を抑制するためには100℃〜250℃のものが好ましく、乾燥にかかる時間を早め、生産性を高めるために100℃〜200℃であることがより好ましい。 The organic solvent for dispersing the organic-inorganic hybrid may be any solvent as long as it is a dispersible solvent, and preferably has a boiling point of 80 ° C to 250 ° C. The temperature is preferably 250 ° C., and more preferably 100 ° C. to 200 ° C. in order to shorten the time required for drying and enhance productivity.
塗布膜厚としては、インクジェットで塗布を行った場合、コーヒーリング状の形状を有することが多く、均一な膜厚にならない場合が多い。この場合、感応膜の最も薄い部分と最も厚い部分の膜厚は10nm〜50μmであり、乾燥に要する時間を短縮し、生産性を高めるためには10nm〜30μmであることが好ましく、感度の観点で20nm〜30μmであることが特に好ましい。 Regarding the thickness of the coating, when the coating is performed by inkjet, it often has a coffee ring shape, and often does not have a uniform thickness. In this case, the thickness of the thinnest portion and the thickest portion of the sensitive film is 10 nm to 50 μm, and is preferably 10 nm to 30 μm in order to shorten the time required for drying and increase the productivity. It is particularly preferred that the thickness is 20 nm to 30 μm.
上記有機無機ハイブリッドで被覆した表面応力センサーMSSを嗅覚センサーとして用いる為には、気中で使用される。 In order to use the surface stress sensor MSS coated with the organic-inorganic hybrid as an olfactory sensor, it is used in the air.
センサーは、有機官能基(ii)にガス分子が吸着し、拡散することにより応力発生し、ガスを検出することが好ましい。 The sensor preferably detects gas by adsorbing and diffusing gas molecules on the organic functional group (ii) to generate stress.
以下、実施例及び比較例により本発明を具体的に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。 Hereinafter, the present invention will be described specifically with reference to Examples and Comparative Examples, but the present invention is not limited thereto.
各実施例及び比較例の有機無機ハイブリッド、及びこの鎖状有機無機ハイブリッドを塗布したMSS嗅覚センサーの各種物性を以下の(0)−(5)に従って評価した。
(0)金属酸化物の比表面積及び全細孔容量の測定
これらの測定は、BET窒素吸着法により求めた。
(1)熱重量減少率
TGAにて空気雰囲気10℃/minで1000℃まで昇温させ、150℃と1000℃での熱重量減少量を有機分量とした。
(2)エチレン応答性
25℃、エチレン100ppm、乾燥窒素下で全流量30sccmで測定した。エチレン100ppmを10分/窒素のみのパージを10分ずつ3度繰り返し、3度目のシグナルを採用した。全くシグナルがみられなかったものを×、3μV以上のシグナルがみられたものを△、10 uV以上のシグナルがみられたものを〇、100μV以上のシグナルがみられたものを◎とした。
(3)物理・化学安定性
25℃にてエタノール、トルエン、水飽和蒸気(流量30sccm)10分/パージパージ(乾燥窒素下)10分を3回ずつ測定後、光学顕微鏡による観察で膜形状に変形がみられたものを×、変形がみられなかったものを〇とした。
(4)耐熱性(リフロー耐性)
250 ℃、30秒のリフロー後に感応膜に剥離、変形、クラック等がみられたものを×、見られなかったものを〇とした。
(5)耐湿度影響性
25℃、エタノール100ppmを10分/窒素のみのパージを10分ずつ3度繰り返し、3度目のシグナルを採用した。乾燥湿度下と30RT%でのシグナル強度の減衰率が25%以下のものを〇、25%を超え50%未満のものを△、50%以上のものを×とした。
Various physical properties of the organic-inorganic hybrid of each Example and Comparative Example and the MSS olfactory sensor coated with the chain organic-inorganic hybrid were evaluated according to the following (0) to (5).
(0) Measurement of specific surface area and total pore volume of metal oxide These measurements were obtained by a BET nitrogen adsorption method.
(1) Thermogravimetric Loss Rate The temperature was raised to 1000 ° C at 10 ° C / min in an air atmosphere by TGA, and the thermogravimetric loss at 150 ° C and 1000 ° C was defined as the organic content.
(2) Ethylene responsiveness Measured at a total flow rate of 30 sccm under 25 ° C., 100 ppm ethylene and dry nitrogen. Purging with 100 ppm of ethylene for 10 minutes / nitrogen only was repeated three times every 10 minutes, and a third signal was employed. X: No signal was observed, x: 3 μV or more was observed, Δ: 10 uV or more was observed, and Δ: 100 μV or more was observed.
(3) Physical / Chemical Stability Ethanol, toluene, water saturated steam (flow rate 30 sccm) 10 min / purge purge (under dry nitrogen) 10 min at 25 ° C. 3 times each, then deformed into a film shape by observation with an optical microscope A sample with no deformation was rated as x, and a sample with no deformation was rated as Δ.
(4) Heat resistance (reflow resistance)
A sample where peeling, deformation, cracks, etc. were observed in the sensitive film after reflow at 250 ° C. for 30 seconds was evaluated as ×, and a sample which was not observed was evaluated as Δ.
(5) Influence of Humidity Resistance Purging with ethanol at 25 ° C. and 100 ppm for 10 minutes / nitrogen only was repeated three times every 10 minutes, and a third signal was employed. A sample having a signal intensity decay rate of 25% or less under dry humidity and 30 RT% was rated as Δ, a sample with a signal intensity exceeding 25% and less than 50% as Δ, and a sample with 50% or more as ×.
<実施例1>
セパラブルフラスコに鎖状コロイダルシリカの2−プロパノール分散液IPA−UP(日産化学製品)50g、水80g、28%アンモニア水20g、2―プロパノール400gに、フェニルトリメトキシシラン79.3gを加え80℃で6時間反応させた。反応液を空冷後、6000rpm、10分間遠心分離することで沈殿物を単離した。エタノールでサンプルを十分に洗浄したのち、N,Nジメチルホルムアミドで1g/mlになるように溶解し、塗布液を得た。サンプルを一部80℃真空下で乾燥させて、熱重量減少率を測定した。塗布液を、マイクロジェットを用いて1滴当たり300plの量にて300滴を、80℃のホットプレート上に配したMSS表面上に塗布することにより感応膜を得た。塗布したMSSの光学顕微鏡写真を図4に塗布した感応膜の例として示す。また、例として、湿度0%と湿度30%でのエタノール100ppmに対する応答シグナル結果を図5に示す。更に、上記測定(0)〜(5)の結果をまとめて表1に示す。
<Example 1>
In a separable flask, 79.3 g of phenyltrimethoxysilane was added to 50 g of a chain colloidal silica 2-propanol dispersion IPA-UP (Nissan Chemical), 80 g of water, 20 g of 28% aqueous ammonia, and 400 g of 2-propanol, and 80 ° C. For 6 hours. After the reaction solution was air-cooled, the precipitate was isolated by centrifugation at 6000 rpm for 10 minutes. After sufficiently washing the sample with ethanol, the sample was dissolved in N, N dimethylformamide to a concentration of 1 g / ml to obtain a coating solution. Some of the samples were dried under vacuum at 80 ° C., and the thermogravimetric loss was measured. A 300 μl drop of the coating liquid was applied using a microjet at an amount of 300 pl per drop onto an MSS surface arranged on a hot plate at 80 ° C. to obtain a sensitive film. An optical micrograph of the applied MSS is shown in FIG. 4 as an example of the applied sensitive film. As an example, FIG. 5 shows a response signal result with respect to 100 ppm of ethanol at a humidity of 0% and a humidity of 30%. Further, Table 1 summarizes the results of the above measurements (0) to (5).
<実施例2>
フェニルトリメトキシシランの添加量を79.3gに代えて26.4gにした以外は実施例1と同様にした。上記測定(1)〜(5)の結果をまとめて表1に示す。
<Example 2>
Example 1 was repeated except that the addition amount of phenyltrimethoxysilane was changed to 76.4 g and 26.4 g. Table 1 summarizes the results of the above measurements (1) to (5).
<実施例3>
エタノール120g、フェニルトリエトキシシラン8.59g、テトラエトキシシラン9.3g、28%アンモニア水3.6を混合し、ゲル化するまで室温で放置した。ゲル化をろ過により濾別し、エタノールでサンプルを十分に洗浄したのち、N,Nジメチルホルムアミドで1g/mlになるように溶解し、塗布液を得た。サンプルを一部80℃真空下で乾燥させて、熱重量減少率を測定した。塗布液を、マイクロジェットを用いて1滴当たり300plの量にて300滴を、80℃のホットプレート上に配したMSS表面上に塗布した。上記測定(0)〜(5)の結果をまとめて表1に示す。
<Example 3>
120 g of ethanol, 8.59 g of phenyltriethoxysilane, 9.3 g of tetraethoxysilane, and 3.6% of 28% aqueous ammonia were mixed and left at room temperature until gelation. The gelation was separated by filtration, the sample was sufficiently washed with ethanol, and then dissolved with N, N dimethylformamide to a concentration of 1 g / ml to obtain a coating solution. Some of the samples were dried under vacuum at 80 ° C., and the thermogravimetric loss was measured. 300 drops of the coating solution were applied using a microjet in an amount of 300 pl per drop onto the MSS surface arranged on a hot plate at 80 ° C. Table 1 summarizes the results of the above measurements (0) to (5).
<実施例4>
エタノール量の添加量を120gに代えて60gにした以外は実施例3にと同様にした。上記測定(1)〜(5)の結果をまとめて表1に示す。
<Example 4>
The procedure was the same as in Example 3 except that the amount of ethanol added was changed to 60 g instead of 120 g. Table 1 summarizes the results of the above measurements (1) to (5).
<実施例5>
フェニルトリメトキシシラン79.3gを添加することに代えてビニルトリエトキシシラン25.4gを添加した以外は実施例1と同様にした。上記測定(1)〜(5)の結果をまとめて表1に示す。
<Example 5>
Example 1 was repeated except that 79.3 g of phenyltrimethoxysilane was added and 25.4 g of vinyltriethoxysilane was added. Table 1 summarizes the results of the above measurements (1) to (5).
<実施例6>
フェニルトリエトキシシラン8.59gを添加することに代えてビニルトリエトキシシラン6.8gを添加した以外は実施例3と同様にした。上記測定(1)〜(5)の結果をまとめて表1に示す。
<Example 6>
Example 3 was carried out in the same manner as in Example 3 except that 6.8 g of vinyltriethoxysilane was added instead of adding 8.59 g of phenyltriethoxysilane. Table 1 summarizes the results of the above measurements (1) to (5).
<実施例7>
フェニルトリエトキシシラン8.59gを添加することに代えてビニルトリエトキシシラン6.8gを添加し、エタノールの添加量を120gに代えて180gとした以外は実施例3と同様にした。上記測定(1)〜(5)の結果をまとめて表1に示す。
<Example 7>
Example 3 was carried out in the same manner as in Example 3 except that 6.8 g of vinyltriethoxysilane was added instead of adding 8.59 g of phenyltriethoxysilane, and 180 g was used instead of 120 g of ethanol. Table 1 summarizes the results of the above measurements (1) to (5).
<実施例8>
フェニルトリメトキシシラン79.3gを添加することに代えて3−アミノプロピルトリエトキシシラン29.5gを添加したこと、得られた沈殿物をN,N−ジメチルホルムアミドに代えてプロピレングリコールモノメチルエーテルに溶解させて塗布液を得たこと以外は実施例1と同様にした。上記測定(1)〜(5)の結果をまとめて表1に示す。
<Example 8>
Instead of adding 79.3 g of phenyltrimethoxysilane, 29.5 g of 3-aminopropyltriethoxysilane was added, and the obtained precipitate was dissolved in propylene glycol monomethyl ether instead of N, N-dimethylformamide. The procedure was the same as in Example 1 except that a coating solution was obtained. Table 1 summarizes the results of the above measurements (1) to (5).
<実施例9>
フェニルトリエトキシシラン8.59gに代えて3−アミノプロピルトリエトキシシラン7.91gを添加したこと、得られた沈殿物をN,N−ジメチルホルムアミドに代えてプロピレングリコールモノメチルエーテルに溶解させて塗布液を得たこと以外は実施例4と同様にした。上記測定(1)〜(5)の結果をまとめて表1に示す。
<Example 9>
Instead of 8.59 g of phenyltriethoxysilane, 7.91 g of 3-aminopropyltriethoxysilane was added, and the resulting precipitate was dissolved in propylene glycol monomethyl ether instead of N, N-dimethylformamide to form a coating solution. Except having obtained, it carried out similarly to Example 4. Table 1 summarizes the results of the above measurements (1) to (5).
<実施例10>
フェニルトリエトキシシラン8.59gを添加することに代えて3−アミノプロピルトリエトキシシラン7.91gを添加し、得られた沈殿物をN,N−ジメチルホルムアミドに代えてプロピレングリコールモノメチルエーテルに溶解させて塗布液を得たこと以外は実施例3と同様にした。上記測定(1)〜(5)の結果をまとめて表1に示す。
<Example 10>
Instead of adding 8.59 g of phenyltriethoxysilane, 7.91 g of 3-aminopropyltriethoxysilane was added, and the resulting precipitate was dissolved in propylene glycol monomethyl ether instead of N, N-dimethylformamide. The procedure was the same as in Example 3 except that a coating solution was obtained. Table 1 summarizes the results of the above measurements (1) to (5).
<実施例11>
フェニルトリメトキシシラン79.3gを添加することに代えて3−メルカプトプロピルトリエトキシシラン31.8gを添加した以外は実施例1と同様にした。上記測定(1)〜(5)の結果をまとめて表1に示す。
<Example 11>
Example 1 was repeated except that 31.8 g of 3-mercaptopropyltriethoxysilane was added instead of adding 79.3 g of phenyltrimethoxysilane. Table 1 summarizes the results of the above measurements (1) to (5).
<実施例12>
フェニルトリエトキシシラン8.59gを添加することに代えて3−メルカプトプロピルトリエトキシシラン8.51gを添加した以外は実施例4と同様にした。
<Example 12>
Example 4 was repeated except that 8.51 g of 3-mercaptopropyltriethoxysilane was added instead of adding 8.59 g of phenyltriethoxysilane.
<実施例13>
フェニルトリメトキシシラン79.3gを添加することに代えてオクチルトリエトキシシラン36.9gを添加した以外は実施例1と同様にした。
<Example 13>
Example 1 was repeated except that 79.3 g of phenyltrimethoxysilane was added and 36.9 g of octyltriethoxysilane was added.
<実施例14>
フェニルトリメトキシシラン79.3gを添加することに代えてシクロヘキシルトリメトキシシラン27.2gを添加した以外は実施例1と同様にした。
<Example 14>
The same procedure as in Example 1 was carried out except that 27.2 g of cyclohexyltrimethoxysilane was added instead of adding 79.3 g of phenyltrimethoxysilane.
<実施例15>
フェニルトリメトキシシラン79.3gを添加することに代えてアリルトリエトキシシラン27.2gを添加した以外は実施例1と同様にした。
<Example 15>
Example 1 was repeated except that 27.2 g of allyltriethoxysilane was added instead of adding 79.3 g of phenyltrimethoxysilane.
<実施例16>
フェニルトリメトキシシラン79.3gを添加することに代えて3−(メタクリロイルオキシ)プロピルトリエトキシシラン38.7gを添加した以外は実施例1と同様にした。
<Example 16>
Example 1 was repeated except that instead of adding 79.3 g of phenyltrimethoxysilane, 38.7 g of 3- (methacryloyloxy) propyltriethoxysilane was added.
<実施例17>
フェニルトリメトキシシラン79.3gを添加することに代えて3−グリシジルオキシプロピルトリエトキシシラン37.1gを添加した以外は実施例1と同様にした。
<Example 17>
Example 1 was repeated except that 37.1 g of 3-glycidyloxypropyltriethoxysilane was added instead of adding 79.3 g of phenyltrimethoxysilane.
<実施例18>
フェニルトリメトキシシラン79.3gを添加することに代えて2−(3,4−エポキシシクロヘキシル)エチルトリメトキシシラン98.6gを添加した以外は実施例1と同様にした。
<Example 18>
Example 1 was repeated, except that 98.6 g of 2- (3,4-epoxycyclohexyl) ethyltrimethoxysilane was added instead of adding 79.3 g of phenyltrimethoxysilane.
<実施例19>
フェニルトリメトキシシラン79.3gを添加することに代えて3−(2−アミノエチルアミノ)プロピルトリエトキシシラン35.3gを添加し、得られた沈殿物をN,N−ジメチルホルムアミドに代えてプロピレングリコールモノメチルエーテルに溶解させることにより塗布液を得たこと以外は実施例1と同様にした。
<Example 19>
Instead of adding 79.3 g of phenyltrimethoxysilane, 35.3 g of 3- (2-aminoethylamino) propyltriethoxysilane was added, and the obtained precipitate was replaced with N, N-dimethylformamide by propylene. Example 1 was repeated except that a coating solution was obtained by dissolving in glycol monomethyl ether.
<実施例20>
フェニルトリメトキシシラン79.3gを添加することに代えて3−(2−イミダゾリン−1−イル)プロピルトリエトキシシラン109.8gを添加した以外は実施例1と同様にした。
<Example 20>
The procedure was the same as Example 1 except that instead of adding 79.3 g of phenyltrimethoxysilane, 109.8 g of 3- (2-imidazolin-1-yl) propyltriethoxysilane was added.
<実施例21>
フェニルトリメトキシシラン79.3gを添加することに代えて3−(ジメチルアミノ)プロピルトリメトキシシラン83.0gに添加した以外は実施例1と同様にした。
<Example 21>
Example 1 was repeated except that 79.3 g of phenyltrimethoxysilane was added and 83.0 g of 3- (dimethylamino) propyltrimethoxysilane was added.
<実施例22>
フェニルトリメトキシシラン79.3gを添加することに代えてフェニルトリメトキシシラン6gと3−クロロプロピルトリエトキシシラン23.4gを混合して添加した以外は実施例1と同様にした。
<Example 22>
The same procedure as in Example 1 was performed, except that 6 g of phenyltrimethoxysilane and 23.4 g of 3-chloropropyltriethoxysilane were mixed and added instead of adding 79.3 g of phenyltrimethoxysilane.
<実施例23>
フェニルトリメトキシシラン79.3gを添加することに代えてフェニルトリメトキシシラン14gとペンタフルオロフェニルトリメトキシシラン20.2gを混合して添加した以外は実施例1と同様にした。
<Example 23>
Example 1 was repeated except that 79.3 g of phenyltrimethoxysilane was added and 14 g of phenyltrimethoxysilane and 20.2 g of pentafluorophenyltrimethoxysilane were mixed and added.
<実施例24>
MSS上に塗布した実施例1のサンプルを1,1,1,3,3,3−ヘキサメチルジシラザンの蒸気に24時間当てることで処理をしたのち、150℃で1時間硬化(キュア)させた。上記測定(1)〜(5)の結果はまとめて表1に示す。
<Example 24>
The sample of Example 1 applied on the MSS is treated by exposing it to the vapor of 1,1,1,3,3,3-hexamethyldisilazane for 24 hours, and then cured (cured) at 150 ° C. for 1 hour. Was. Table 1 shows the results of the above measurements (1) to (5).
<実施例25>
実施例1の塗布液10mlに10mgのAgBF4を溶解させることにより得られたAgBF4含有塗布液を、マイクロジェットを用いて1滴当たり300plの量にて300滴を、80℃のホットプレート上に配したMSS表面上に塗布した。上記測定(1)〜(5)の結果をまとめて表1に示す。また、例として図6にエチレン応答性の測定結果を示す。
<Example 25>
An AgBF 4 -containing coating solution obtained by dissolving 10 mg of AgBF 4 in 10 ml of the coating solution of Example 1 was coated on a hot plate at 80 ° C. with 300 drops per drop using a microjet in an amount of 300 pl per drop. Was applied on the surface of the MSS arranged in the above. Table 1 summarizes the results of the above measurements (1) to (5). FIG. 6 shows the measurement results of the ethylene responsiveness as an example.
<実施例26>
実施例1の塗布液10mlに10mgのPd(Aldrich, nanopowder<25nm particle)を溶解させ、超音波処理をすることにより分散させた。これにより得られたPd含有塗布液を、マイクロジェットを用いて1滴当たり300plの量にて300滴を、80℃のホットプレート上に配したMSS表面上に塗布した。上記測定(1)〜(5)の結果をまとめて表1に示す。
<Example 26>
10 mg of Pd (Aldrich, nanopower <25 nm particle) was dissolved in 10 ml of the coating solution of Example 1, and dispersed by ultrasonication. 300 drops of the Pd-containing coating solution obtained in this manner were applied using a microjet in an amount of 300 pl per drop on the MSS surface arranged on a hot plate at 80 ° C. Table 1 summarizes the results of the above measurements (1) to (5).
<実施例27>
実施例25のMSS表面上に塗布された感応膜を1,1,1,3,3,3−ヘキサメチルジシラザンの蒸気に24時間当てることで処理をしたのち、150℃で1時間硬化(キュア)させた。上記測定(1)〜(5)の結果をまとめて表1に示す。
<Example 27>
The sensitive film applied on the MSS surface of Example 25 was treated by exposing it to the vapor of 1,1,1,3,3,3-hexamethyldisilazane for 24 hours, and then cured at 150 ° C. for 1 hour ( Cure). Table 1 summarizes the results of the above measurements (1) to (5).
<実施例28>
実施例25のMSS表面上に塗布された感応膜を1,1,3,3−テトラメチルジシラザンの蒸気に24時間当てることで処理をしたのち、150℃で1時間硬化(キュア)させた。上記測定(1)〜(5)の結果をまとめて表1に示す。
<Example 28>
The sensitive film applied on the MSS surface of Example 25 was treated by being exposed to 1,1,3,3-tetramethyldisilazane vapor for 24 hours, and then cured (cured) at 150 ° C. for 1 hour. . Table 1 summarizes the results of the above measurements (1) to (5).
<実施例29>
実施例25のMSS表面上に塗布された感応膜を1,3−ジフェニル−1,1,3,3−テトラメチルジシラザンの蒸気に24時間当てることで処理をしたのち、150℃で1時間硬化(キュア)させた。上記測定(1)〜(5)の結果をまとめて表1に示す。
<Example 29>
The sensitive film applied on the MSS surface of Example 25 was treated by exposing it to the vapor of 1,3-diphenyl-1,1,3,3-tetramethyldisilazane for 24 hours, and then at 150 ° C. for 1 hour. It was cured (cured). Table 1 summarizes the results of the above measurements (1) to (5).
<実施例30>
実施例25のMSS表面上に塗布された感応膜を1,3−ジビニル−1,1,3,3−テトラメチルジシラザンの蒸気に24時間当てることで処理をしたのち、150℃で1時間硬化(キュア)させた。上記測定(1)〜(5)の結果をまとめて表1に示す。
<Example 30>
The sensitive film applied on the MSS surface of Example 25 was treated by exposing it to the vapor of 1,3-divinyl-1,1,3,3-tetramethyldisilazane for 24 hours, and then at 150 ° C. for 1 hour. It was cured (cured). Table 1 summarizes the results of the above measurements (1) to (5).
<実施例31>
実施例20の塗布液10mlに10mgのAgBF4を溶解させることにより得られたAgBF4含有塗布液を、マイクロジェットを用いて1滴当たり300plの量にて300滴を、80℃のホットプレート上に配したMSS表面上に塗布した。
<Example 31>
An AgBF 4 -containing coating solution obtained by dissolving 10 mg of AgBF 4 in 10 ml of the coating solution of Example 20 was coated on a hot plate at 80 ° C. with 300 drops per drop using a microjet in an amount of 300 pl per drop. Was applied on the surface of the MSS arranged in the above.
<実施例32>
実施例20の塗布液10mlに100mgのAgBF4を溶解させることにより得られたAgBF4含有塗布液を、マイクロジェットを用いて1滴当たり300plの量にて30滴を、80℃のホットプレート上に配したMSS表面上に塗布した。上記測定(1)〜(5)の結果をまとめて表1に示す。
<Example 32>
30 drops of an AgBF 4 -containing coating solution obtained by dissolving 100 mg of AgBF 4 in 10 ml of the coating solution of Example 20 at a volume of 300 pl per drop using a microjet were placed on a hot plate at 80 ° C. Was applied on the surface of the MSS arranged in the above. Table 1 summarizes the results of the above measurements (1) to (5).
<実施例33>
実施例31のMSS表面上に塗布された感応膜を1,1,1,3,3,3−ヘキサメチルジシラザンの蒸気に72時間当てることで処理をしたのち、150℃で1時間硬化(キュア)させた。上記測定(1)〜(5)の結果をまとめて表1に示す。
<Example 33>
The sensitive film applied on the MSS surface of Example 31 was treated by exposing it to 1,1,1,3,3,3-hexamethyldisilazane vapor for 72 hours, and then cured at 150 ° C. for 1 hour ( Cure). Table 1 summarizes the results of the above measurements (1) to (5).
<実施例34>
実施例1の塗布液10mlに10mgのフェニルシリコーン縮合体を溶解させることにより得られたフェニルシリコーン縮合体含有塗布液を、マイクロジェットを用いて1滴当たり300plの量にて30滴を80℃のホットプレート上に配したMSS表面上に塗布した。上記測定(1)〜(5)の結果をまとめて表1に示す。
<Example 34>
30 drops of the phenyl silicone condensate-containing coating solution obtained by dissolving 10 mg of the phenyl silicone condensate in 10 ml of the coating solution of Example 1 were dropped at 80 ° C. using a microjet in an amount of 300 pl per drop. It was applied on the MSS surface arranged on a hot plate. Table 1 summarizes the results of the above measurements (1) to (5).
<比較例1>
シリカチタニア粒子(粒状)はWO2016/121155公報に記載の方法に準じて合成した。オクタデシルアミン(ODA)が溶解したアンモニア塩基性のイソプロパノール(IPA)水溶液中における、フェニルトリメトキシシランとチタニウムテトライソプロポキシド(TTIP)の共加水分解、縮合重合反応により合成した。上記合成反応は、マイクロメートルサイズのY字型流路を有するテフロン(登録商標)製マイクロリアクタを用いて実施した。前駆溶液は、溶液1:フェニルトリメトキシシラン/IPA、溶液2:H2O/IPA/アンモニア、溶液3:TTIP/IPA、溶液4:H2O/IPAの4つとし、溶液1から溶液4まで体積を揃えて調製した。前駆溶液はシリンジポンプにより同時に一定速度で送液した。溶液1と溶液2、溶液3と溶液4を並列したマイクロリアクタ内でそれぞれ混合し、両リアクタからの吐出液をさらに別のマイクロリアクタ内で混合することにより、1つの反応液とした。反応液は別途調製しておいた前駆溶液5:ODA/H2O/IPA中へ吐出し、吐出終了まで一定速度で撹拌した。その後、室温で静置し、ナノ粒子分散液を得た。反応液を空冷後、6000rpm, 10分間遠心分離することで沈殿物を単離した。エタノールでサンプルを十分に洗浄したのち、N,N−ジメチルホルムアミドで1g/mlになるように溶解し、塗布液を得た。塗布液を、マイクロジェットを用いて1滴当たり300plの量にて300滴を80℃のホットプレート上に配したMSS表面上に塗布した。例として、湿度0%と30%でのエタノール100ppmに対する応答シグナルを図7に示したように80%の湿度によるシグナル減衰がみられたため×にした。
<Comparative Example 1>
Silica titania particles (granular) were synthesized according to the method described in WO2016 / 121155. It was synthesized by cohydrolysis and condensation polymerization of phenyltrimethoxysilane and titanium tetraisopropoxide (TTIP) in an aqueous solution of ammonia-based isopropanol (IPA) in which octadecylamine (ODA) was dissolved. The above synthesis reaction was performed using a Teflon (registered trademark) microreactor having a micrometer-sized Y-shaped channel. There are four precursor solutions: solution 1: phenyltrimethoxysilane / IPA, solution 2: H 2 O / IPA / ammonia, solution 3: TTIP / IPA, and solution 4: H 2 O / IPA. Up to the same volume. The precursor solution was simultaneously sent at a constant rate by a syringe pump. The solution 1 and the solution 2 and the solution 3 and the solution 4 were mixed in a parallel microreactor, and the liquid discharged from both reactors was further mixed in another microreactor to form one reaction liquid. The reaction solution was discharged into a separately prepared precursor solution 5: ODA / H2O / IPA, and stirred at a constant speed until the discharge was completed. Thereafter, the mixture was allowed to stand at room temperature to obtain a nanoparticle dispersion. After the reaction solution was air-cooled, the precipitate was isolated by centrifugation at 6000 rpm for 10 minutes. After thoroughly washing the sample with ethanol, it was dissolved in N, N-dimethylformamide to a concentration of 1 g / ml to obtain a coating solution. The coating solution was applied on a MSS surface arranged on a hot plate at 80 ° C., using a microjet, 300 drops per drop in an amount of 300 pl. As an example, the response signal to ethanol 100 ppm at 0% humidity and 30% humidity was evaluated as x because signal attenuation due to 80% humidity was observed as shown in FIG.
<比較例2>
2−プロパノール分散液IPA−UP(日産化学製品)をN,N−ジメチルホルムアミドで1g/mlになるように希釈し塗布液を作成した。塗布液を、マイクロジェットを用いて1滴当たり300plの量にて300滴を、80℃のホットプレート上に配したMSS表面上に塗布した。湿度30%での90%のシグナル減衰がみられたため×にした。
<Comparative Example 2>
A coating solution was prepared by diluting 2-propanol dispersion IPA-UP (Nissan Chemical) with N, N-dimethylformamide to 1 g / ml. 300 drops of the coating solution were applied using a microjet in an amount of 300 pl per drop onto the MSS surface arranged on a hot plate at 80 ° C. Since the signal decay was 90% at a humidity of 30%, it was evaluated as x.
<比較例3>
フェニルトリメトキシシラン10g、水10g、エタノール30g、28%アンモニア水を混合し、80℃で2h反応させた。6000rpm、10分間遠心分離することで沈殿物を単離した。エタノールでサンプルを十分に洗浄したのち、N,N−ジメチルホルムアミドで1g/mlになるように溶解し、塗布液を得た。塗布液を、マイクロジェットを用いて1滴当たり300plの量にて300滴を80℃のホットプレート上に配したMSS表面上に塗布した。エチレン100ppmへのシグナルが全く見られず、25℃にてエチレン、エタノール、アセトアルデヒド、トルエン500ppm10分/パージ10分を3回ずつ測定後、光学顕微鏡による観察で膜形状に変形がみられたので×とした。
<Comparative Example 3>
10 g of phenyltrimethoxysilane, 10 g of water, 30 g of ethanol and 28% aqueous ammonia were mixed and reacted at 80 ° C. for 2 hours. The precipitate was isolated by centrifugation at 6000 rpm for 10 minutes. After thoroughly washing the sample with ethanol, it was dissolved in N, N-dimethylformamide to a concentration of 1 g / ml to obtain a coating solution. The coating solution was applied on a MSS surface arranged on a hot plate at 80 ° C., using a microjet, 300 drops per drop in an amount of 300 pl. No signal to ethylene 100 ppm was observed at all, and at 25 ° C., ethylene, ethanol, acetaldehyde, and toluene were measured three times at 500 ppm for 10 minutes / purge for 10 minutes. Observation with an optical microscope revealed that the film shape was deformed. And
<比較例4>
ポリ(メタクリル酸メチル)(Aldrich, average Mw 〜15,000 by GPC, powder)をN,N−ジメチルホルムアミドで1g/mlになるように希釈し塗布液を作成した。塗布液を、マイクロジェットを用いて1滴当たり300plの量にて300滴を、80℃のホットプレート上に配したMSS表面上に塗布した。エチレン100ppmへのシグナルが全く見られず、25℃にてエチレン、エタノール、アセトアルデヒド、トルエン500ppm10分/パージ10分を3回ずつ測定後、光学顕微鏡による観察で膜に剥離がみられたので×とした。
<Comparative Example 4>
Poly (methyl methacrylate) (Aldrich, average Mw-15,000 by GPC, powder) was diluted with N, N-dimethylformamide to 1 g / ml to prepare a coating solution. 300 drops of the coating solution were applied using a microjet in an amount of 300 pl per drop onto the MSS surface arranged on a hot plate at 80 ° C. No signal to ethylene 100 ppm was observed at all, and after measuring ethylene, ethanol, acetaldehyde, and toluene 500 ppm 10 minutes / purge 10 minutes three times at 25 ° C., the film was observed by an optical microscope. did.
本発明のセンサーは、例えば、エチレン、エタノール、アセトアルデヒドに高い感度を示し、湿度下でも高い応答を示す効果を奏するので、食品の輸送管理分野において好適に利用可能である。 The sensor of the present invention has a high sensitivity to, for example, ethylene, ethanol, and acetaldehyde, and has an effect of showing a high response even under humidity, and thus can be suitably used in the field of food transport management.
Claims (15)
前記有機無機ハイブリッドは、相互に化学結合で結合されてなる連続鎖状構造を有する金属酸化物(i)を含み、
前記金属酸化物の表面もしくは内部に有機官能基(ii)が導入されているセンサー。 A surface stress sensor having a sensitive film containing an organic-inorganic hybrid,
The organic-inorganic hybrid includes a metal oxide (i) having a continuous chain structure formed by a chemical bond with each other,
A sensor in which an organic functional group (ii) is introduced on the surface or inside of the metal oxide.
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