JP2020046263A - 液膜維持装置及びケミカルセンサ - Google Patents

Abstract

【課題】生体物質が液体で濡れている状態を維持する液膜維持装置及びケミカルセンサを提供する。【解決手段】生体物質を濡らす液膜７に液体を供給する液体供給機構１１０と前記液膜中の液体を排出する液体排出機構１２０とを備えた液膜維持装置１００と、感応膜２と、感応膜の表面に固定された生体物質と、感応膜及び生体物質を覆う液膜と、感応膜の一端に接続されたソース電極３と、感応膜の他端に接続されたドレイン電極４と、を有するケミカルセンサ１０である。【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、液膜維持装置及びケミカルセンサに関する。

犬のような生き物の嗅覚は、鼻の奥に、生体物質である嗅覚受容体があり、嗅覚受容体に匂い物質が結合したことを検知して、脳に信号が伝達され、匂いを認識するという仕組みである。実際の生き物の嗅覚では、嗅覚受容体が乾燥して失活してしまわないように、鼻の内部表面は粘液で覆われている。嗅覚受容体が乾燥しそうになると、粘液が分泌され、生き物の鼻の内部表面は常に濡れている状態が維持されている。このような生体物質を用いたセンサを実現するために、生体物質が液体で濡れている状態を維持することが求められている。

本発明が解決しようとする課題は、生体物質が液体で濡れている状態を維持する液膜維持装置及びケミカルセンサを提供することである。

実施形態の液膜維持装置は、生体物質を濡らす液膜に液体を供給する液体供給機構と、液膜中の液体を排出する液体排出機構とを備える。

実施形態のケミカルセンサは、感応膜と、感応膜の表面に固定された生体物質と、感応膜及び生体物質を覆う液膜と、実施形態の液膜維持装置とを備える。

別の実施形態のケミカルセンサは、感応膜と、感応膜の表面に固定された生体物質と、感応膜及び生体物質を覆う第１の液膜と、第１の液膜を覆う隔壁と、隔壁を覆う第２の液膜と、第２の液膜の液体を第１の液膜に向けて流し、第１の液膜中の液体を排出する液膜維持装置とを備える。

図１は、第１の実施形態のケミカルセンサの一例を示す断面図である。 図２は、第１の実施形態のケミカルセンサの一例を示す平面図である。 図３は、実施形態のケミカルセンサを用いる標的物質の検出方法の一例を示すフローチャートである。 図４は、実施形態のケミカルセンサの使用時の様子を示す模式図である。 図５は、複数種類のセンサ素子を備えるケミカルセンサを示す図である。 図６は、第２の実施形態のケミカルセンサの一例を示す断面図である。 図７は、第３の実施形態のケミカルセンサの一例を示す断面図である。 図８は、第４の実施形態のケミカルセンサの一例を示す断面図である。 図９は、第５の実施形態のケミカルセンサの一例を示す断面図である。

以下に、図面を参照しながら種々の実施形態について説明する。各図は実施形態とその理解を促すための模式図であり、その形状や寸法、比等は実際と異なる個所があるが、これらは以下の説明と公知の技術を参酌して適宜、設計変更することができる。
以下、実施形態のケミカルセンサについて説明する。

（第１の実施形態）
図１は、第１の実施形態のケミカルセンサの一例を示す断面図、図２は、第１の実施形態のケミカルセンサの一例を示す平面図である。なお、図２は、図１に示す液膜維持装置１００を省略してある。

ケミカルセンサ１０は、基板１を備えている。基板１の表面１ａ上には、感応膜２と、感応膜２の一端に接続されたソース電極３と、感応膜２の他端に接続されたドレイン電極４が設けられている。基板１の表面１ａ上には、壁部５が立設され、壁部５は平面視において感応膜２の周囲を囲み、かつソース電極３及びドレイン電極４の外周面を覆っている。感応膜２の表面２ａには、生体物質である受容体６が固定されている。感応膜２の表面２ａには、受容体６を覆うように、液体を含む液膜７が配置されている。本実施形態に係る「覆う」とは、少なくとも一部を覆うことを示す。液膜７には、標的物質８を含む気体試料９が取り込まれる。また、ケミカルセンサ１０は、受容体６が液膜７によって濡れている状態を維持する液膜維持装置１００を備えている。受容体６が液膜７によって濡れている状態は、受容体６が液膜７によって覆われている状態を示す。

液膜維持装置１００は、生体物質を濡らす液膜７に液体を供給する液体供給機構１１０と、液膜７中の液体を排出する液体排出機構１２０とを備えている。

液体供給機構１１０は、図１に示すように液膜７に液体を供給する。液体供給機構１１０は、壁部５から隔てて設置された液体供給源である液体１１１を収容した第１の容器（ボトル）１１２を備えている。ボトル１１２内の液体１１１には、細管１１３の一端が挿入されている。細管１１３の他端は液膜７に接触して配置されている。細管１１３は、ボトル１１２内の液体１１１を液膜７に送る。細管１１３は、例えば、ガラス等の材料から形成され、細管１１３の内面は親水性を有する。

液体供給機構１１０は、ボトル１１２内の液体１１１を液膜７に細管１１３を経由して供給できる。この供給は、毛細管現象を利用できる。このような液体供給において、感応膜２の表面２ａが親水性を有することが好ましく、毛細管現象を利用して液膜７に供給された液体を感応膜２の表面２ａ全体に速やかに浸透、拡散させることが可能になる。

液体排出機構１２０は、図１に示すように液膜７中の液体を排出する。液体排出機構１２０は、壁部５から隔てて設置された、排液を回収する第２の容器１２１を備えている。第２の容器１２１内には、吸収材１２２の一端が挿入されている。吸収材１２２の他端は液膜７に接触して配置されている。吸収材１２２は、液膜７中の液体を吸収して第２の容器１２１に送る。吸収材１２２は、例えば、ポリアクリル酸ナトリウム、ポリエチレン、ポリスチレン等を含む吸湿性材料、吸水性材料から形成されている。

液膜維持装置１００は、液体供給機構１１０により液膜７の一端側から液体を供給し、液体排出機構１２０により液膜７の他端側から液膜７中の液体を排出することによって、液膜７の一端側から他端側に向かう液体の流れを発生させて、生体物質である受容体６が液膜７によって濡れている状態を維持することができる。また、液膜維持装置１００は、液膜７を０．５μｍ以上１０．０μｍ以下の厚さに維持することができる。

以下、各構成について詳細に説明する。
基板１は、例えば、矩形の板状である。基板１は、例えば、シリコン、ガラス、セラミックス、高分子材料又は金属等から形成されている。基板１の大きさは、限定されるものではないが、例えば、１〜１０ｍｍ×１〜１０ｍｍ×０．１〜０．５ｍｍ（幅×長さ×厚さ）である。

基板１は、例えば、表面１ａ側に絶縁膜（図示せず）を備えてもよい。絶縁膜は、例えば、酸化シリコン、窒化ケイ素、酸化アルミニウム、高分子材料、又は有機分子の自己組織化膜等の電気的に絶縁性の材料から形成されている。基板１は、表面１ａ側に設けられた絶縁膜と、ゲート電極として機能する導体層とを備えてもよい。この場合、絶縁層の厚さは、絶縁性を損なわない範囲で出来る限り薄い方がよく、例えば数ｎｍ程度とすることが好ましい。このような薄膜は、例えばＡＬＤ（Atomic Layer Deposition）法によって形成することが可能である。

感応膜２は、そこに結合している物質の構造や電荷の状態などが変化した時に物性が変化する膜である。感応膜２は、例えば、電気抵抗が変化する物質から形成されている。感応膜２は、炭素原子１個分の厚さを有する単層のグラフェンの膜である。グラフェン膜は、複数層で設けられてもよい。感応膜２の大きさは、限定されるものではないが、例えば、０．１〜５００μｍ×０．１〜５００μｍ（幅×長さ）とすることができる。実用的には１０〜１００μｍ×１０〜１００μｍであれば製造が容易である。

感応膜２は、例えば、高分子、金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、銅（Ｃｕ）、ニッケル（Ｎｉ）、ケイ素（Ｓｉ）、シリサイド等の導体の膜若しくはそのナノワイヤ、或いはグラフェン、カーボンナノチューブ、二硫化モリブデン（ＭｏＳ_２）若しくは二セレン化タングステン（ＷＳｅ_２）等の材料等から形成されていてもよい。

ソース電極３及びドレイン電極４は、例えば、金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、銅（Ｃｕ）、パラジウム（Ｐｄ）、白金（Ｐｔ）、ニッケル（Ｎｉ）、チタン（Ｔｉ）、クロム（Ｃｒ）又はアルミニウム（Ａｌ）等の金属、或いは、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、酸化インジウムスズ（ＩＴＯ）、ＩＧＺＯ、導電性高分子等の導電性物質から形成されている。

ソース電極３及びドレイン電極４は、電源（図示せず）と電気的に接続している。ソース電極３及びドレイン電極４は、例えば、電源から電圧（ソース・ドレイン電圧（Ｖ_ｓｄ））が印加されると、ソース電極３から感応膜２を介してドレイン電極４に電流（ソース・ドレイン電流（Ｉ_ｓｄ））が流れるように構成される。この時、グラフェンの膜である感応膜２は、ソース電極３及びドレイン電極４に対してチャネルとして機能する。

壁部５は、例えば、電気的に絶縁性の材料から形成されている。壁部５の絶縁性材料は、例えば、アクリル樹脂、ポリイミド、ポリベンゾオキサゾール、エポキシ樹脂、フェノール樹脂、ポリジメチルシロキサン、フッ素樹脂等の高分子物質、又は酸化シリコン、窒化ケイ素、酸化アルミニウム等の無機絶縁膜、あるいは有機分子の自己組織化膜等である。

受容体６は、上述したように生体物質である。受容体６には、例えば、嗅覚受容体の断片を用いることができる。受容体６は、標的物質８と結合する部位の配列を含む嗅覚受容体の断片である。例えば、そのような配列は、嗅覚受容体の細胞外に位置するリガンド結合部位を含む。受容体６は、例えば、嗅覚受容体のデータベースからそのリガンド結合部位のアミノ酸配列を得て、そのアミノ酸配列を有するオリゴペプチドを合成することによって製造できる。受容体６は標的物質と結合するものであればよく、例えば、リガンド結合部位の配列を部分的に改変したものであってもよく、新たな配列を付加したものであってもよい。受容体６は、例えば、嗅覚受容体として、動物の嗅覚受容体を用いることができる。動物は、例えば、脊椎動物又は昆虫等である。例えば、ヒト、ハエ、マウス等の嗅覚受容体を用いることができる。

受容体６は、例えば、受容体６及び／又は感応膜２に修飾基を付加し、両者を化学合成により結合することによって、感応膜２に固定することができる。受容体６が感応膜２に固定されている状態は、受容体６が感応膜２に化学結合により接続している状態を示す。

なお、感応膜２の表面２ａには、受容体６に加えて、ブロッキング剤（図示せず）が、表面２ａ上を覆うように配置されていてもよい。ブロッキング剤は、例えば、金属酸化物（Ａｌ_２Ｏ_３、ＨｆＯ_２等）、タンパク質、有機分子、脂質膜、ペプチド、核酸等を用いることができる。このようなブロッキング剤を備えることにより、気体試料９に含まれる非標的物質１１（例えば、夾雑物）が感応膜２の表面に結合することを防止することができる。

液膜７は、感応膜２の表面２ａに受容体６を覆うように配置される。液膜７は、例えば、水、生理水、緩衝液等の水溶性の液体であり、気体試料９に含まれる標的物質８を受容体６へと運ぶ媒体として働く。また、液膜７は、受容体６を覆うように配置されているため、受容体６の乾燥による変性又は損傷を防ぐことができる。

液膜７は、０．５μｍ以上１０．０μｍ以下の厚さを有する。液膜７の厚さは、例えば、図１において感応膜２の表面２ａから液膜７と気体との界面までの最短距離をいう。液膜７の厚さが０．５μｍ未満である場合、気体試料９に含まれる標的物質８の受容体６への到達距離が短くなり、ケミカルセンサの感度が向上し得るものの、液膜７が乾燥して、受容体６の乾燥による変性又は損傷を防ぐことができない虞がある。一方、液膜７の厚さが１０．０μｍを超える場合、気体試料９に含まれる標的物質８の受容体６への到達距離が長くなり、標的物質８が受容体６に到達し難くなるため、ケミカルセンサの感度が低下する虞がある。液膜７の厚さは、例えば、０．５μｍ以上５．０μｍ以下であることが好ましい。

標的物質８は、気体中に含まれ、動物の嗅覚受容体のリガンドとなり得る物質である。標的物質８は、例えば、匂い物質又はフェロモン物質のような揮発性有機化合物（ＶＯＣ：volatile organic compound）である。標的物質８は、例えば、アルコール類、エステル類、アルデヒド類、ケトン類等であるがこれらに限定されるものではない。このような標的物質８の多くは、水への溶解性が低い物質である。

気体試料９は、例えば、標的物質８が含まれ得る分析されるべき気体である。気体試料９は、例えば、大気、呼気、又は生体や物体等の分析対象から発生られる他の気体、或いは当該分析対象の周辺の空気等である。気体試料９は、非標的物質１１を含み得る。

以上、上述したようにケミカルセンサ１０は、感応膜２の表面２ａに受容体６を覆うように配置される液膜７と、液膜維持装置１００とを備えるため、受容体６が液膜７によって濡れている状態を維持できる。その結果、受容体６の乾燥による変性又は損傷を防ぐことができる。

また、ケミカルセンサ１０は、液膜７の一端側から他端側に向かう液体の流れを発生させることができる液膜維持装置１００である液体供給機構１１０と液体排出機構１２０を備えるため、新たな液膜７を形成することができる。その結果、ケミカルセンサ１０は、標的物質８の検出を繰り返し行なうことができる。

前述したケミカルセンサは、グラフェン電界効果型トランジスタ（グラフェンＦＥＴとも称する）の構成を有しているが、グラフェンＦＥＴに限られるものではなく、受容体６のような生体物質を用いる場合であれば、例えば、他の電荷検出素子、表面プラズモン共鳴素子（ＳＰＲ）、表面弾性波（ＳＡＷ）素子、圧電薄膜共振（ＦＢＡＲ）素子、水晶振動子マイクロバランス（ＱＣＭ）素子、又はＭＥＭＳカンチレーバー素子等の構成とすることができる。

以下に実施形態のケミカルセンサを用いる標的物質の検出方法を、図３に示すフローチャートを参照して説明する。
標的物質の検出方法は、例えば、以下の工程を含む。（Ｓ１）実施形態のケミカルセンサを用意すること、（Ｓ２）気体試料を液膜に接触させること、（Ｓ３）感応膜の物性の変化を検出すること、及び（Ｓ４）検出の結果から、気体試料中の標的物質の有無又は量を決定すること。
以下、上記各工程を行うことによって標的物質を検出する原理について説明する。

工程（Ｓ２）において気体試料９をケミカルセンサ１０の液膜７に接触させる。この時のケミカルセンサの様子を図４に示す。気体試料９の液膜７への接触によって標的物質８が液膜７に入り込み（図４の（ａ）、（ｂ））、受容体６に結合する（図４の（ｃ））。一方、非標的物質１１（夾雑物）は、受容体６に結合しない（図４の（ｄ））。標的物質８と受容体６との結合（図４の（ｃ））によって感応膜２の物性が変化する。物性とは、例えば、感応膜の電気抵抗等である。

工程（Ｓ３）において、物性の変化を電気的信号の変化として検出する。電気的信号は、例えば、電流値、電位値、電気容量値又はインピーダンス値等である。電気信号の変化とは、例えば、電気的信号の増加、減少、消失、又は特定時間内での積算値の変化等である。上述したグラフェンＦＥＴを用いる場合、物性の変化は、例えば、ゲート電圧及びドレイン電圧として一定電圧を印加した際の、ソース・ドレイン間電流値の変化として検出できる。あるいは、ソース・ドレイン間電流値を一定に維持している際の、ゲート電圧値の変化として検出してもよい。電気信号の変化の情報は、例えば、電気的に接続されたデータ処理部などに送られ、記憶され、処理される。

工程（Ｓ４）において、検出の結果から気体試料９中の標的物質８の有無又は量を決定する。例えば、電気的信号の変化が生じた場合に気体試料９に標的物質８が存在すると判断し、変化が起きない場合に標的物質８が存在しないと判断してもよい。また、電気的信号が予め設定された閾値よりも大きく変化した場合に標的物質８が存在すると判断し、変化が閾値よりも小さい場合に標的物質８が存在しないと判断してもよい。そのような閾値は、例えば、標的物質が含まれていることが知られている気体試料をケミカルセンサの分析に供して電気的信号の変化値を得ることなどによって得ることができる。或いは、変化量によって標的物質の量を決定してもよい。その場合、濃度既知の標的物質を用いて、標的物質の濃度に対する変化量の検量線を作成し、それと照らし合わせることによって標的物質の量を決定してもよい。

以上に説明した工程により、実施形態のケミカルセンサは、気体試料中の標的物質を検出することができる。

また、実施形態のケミカルセンサは、液膜維持装置を備えるため、気体試料中の標的物質を検出した後に、新たな液膜を形成して、上述した標的物質の検出を繰り返し行なうことができる。

標的物質の検出方法は、各工程を自動的に行う装置によって行われてもよい。そのような装置は、例えば、ケミカルセンサ１０と、感応膜２の物性の変化を電気的信号の変化に変換する検出部と、検出部から得られた電気的信号の情報を格納し、処理するデータ処理部と、これらの各部の操作を制御する制御部とを含む。上記工程（Ｓ２）〜（Ｓ４）の操作は、装置の操作者の入力により実行されてもよいし、制御部に含まれるプログラムによって実行されてもよい。

実施形態のケミカルセンサを用いる標的物質の検出方法によれば、標的物質と結合する受容体を用いるため、非標的物質（夾雑物）が検出されるのを防ぐことが可能である。したがって、気体中に含まれる物質の組成が異なる条件においても、夾雑物の影響を受けることなく標的物質を検出することが可能である。

以下、基板１、感応膜２、ソース電極３、ドレイン電極４、壁部５、１種類の受容体６、液膜７、液膜維持装置１００を含む一つの単位を「センサ素子」と称する。いくつかの実施形態において、１つのケミカルセンサに複数種類のセンサ素子を搭載させることもできる。複数種類のセンサ素子はそれぞれ、互いに異なる種類の受容体６を備え、異なる種類の標的物質を検出することができる。

複数種類のセンサ素子を備えるケミカルセンサについて図５を用いて説明する。
この例におけるケミカルセンサ２０は、受容体６Ａが固定された感応膜２Ａを備えるセンサ素子Ａと、受容体６Ｂが固定された感応膜２Ｂを備えるセンサ素子Ｂと、受容体６Ｃが固定された感応膜２Ｃを備えるセンサ素子Ｃと、受容体６Ｄが固定された感応膜２Ｄを備えるセンサ素子Ｄとを備える。
各センサ素子の感応膜２Ａ〜２Ｄはそれぞれ、その物性の変化を個別に検出できるように構成されている。

１つのケミカルセンサに搭載されるセンサ素子の数、種類、配置等は図５に示されるものに限定されるものではない。また、各種類のケミカルセンサ素子をそれぞれ複数備えてもよい。

ケミカルセンサが複数種類のケミカルセンサ素子を備える場合の標的物質の検出方法について図５の例を用いて説明する。
このような標的物質の検出方法においては、図５のケミカルセンサ２０を用いて上記工程（Ｓ１）〜（Ｓ３）を同様に行う。工程（Ｓ３）においては各センサ素子Ａ〜Ｄから個別に電気的信号が得られる。工程（Ｓ４）において電気的信号の変化が生じたセンサ素子の種類（そこに固定された受容体の種類）及び個数から、複数の標的物質を含む標的物質混合物の種類を特定してもよい。例えば、センサ素子Ａ及びＢで電気的信号の変化が生じた場合、気体試料中に標的物質混合物Ｉが存在し、センサ素子Ａ、Ｃ及びＤで電気的信号の変化が生じた場合、気体試料中に標的物質混合物ＩＩが存在すると判断すること等ができる。或いは、各センサ素子をそれぞれ複数備えるケミカルセンサにおいて、センサ素子Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄから検出される電気的信号の強度比によって、特定の標的物質混合物の有無を決定してもよい。また、その強度比によって気体試料中に含まれる標的物質混合物の種類を特定することができる。

標的物質混合物とは、複数の標的物質が特定の組み合わせで混合された混合物であり、例えば、標的物質混合物を１つの特定の「匂い」と結び付け、上記方法によって「匂い」の有無又は量を決定してもよい。また、「匂い」と「匂い」を発する原因とを予め結び付けておき、このような検出によって匂いを発する原因を特定することも可能である。

以下、図６〜図９を参照して、別の実施形態のケミカルセンサについて説明する。なお、図６〜図９において、図１と同様な部材は同符号を付して説明を省略する。

（第２の実施形態）
図６は、第２の実施形態のケミカルセンサの一例を示す断面図である。なお、図６に示すケミカルセンサ３０は、液体供給機構１１０の構成を除いて図１に示すケミカルセンサと同様な構造を有する。

液体供給機構１１０は、図６に示すように液膜７に液体を供給する。液体供給機構１１０は、壁部５から隔てて設置された液体供給源である液体１１１を収容した第１の容器（コップ）１１４を備えている。コップ１１４の底部には、超音波振動子１１５が設けられている。超音波振動子１１５は、例えば、１８０Ｈｚ〜２．４ＭＨｚの周波数で振動し、コップ１１４内の液体１１１をミスト化する。ファン１１６は、コップ１１４を挟んで壁部５と反対側にコップ１１４から隔てて設置されている。ファン１１６は、液膜７に向かう風を発生させる。ファン１１６は、風により液体１１１のミスト化物を、液膜７の表面に送る。ファン１１６は、ミスト化物とともに標的物質８を含む気体試料９も液膜７に送ることができる。ここで、ミスト化物をファン１１６によって発生させた風により液膜７の表面に送りやすくするために、すなわち、液体を液膜７に供給しやすくするために、液膜７の表面上に、ファン１１６によって発生させた風を液膜７の表面に案内するプレートを設けてもよい。

このような液体供給機構１１０は、超音波振動子１１５を振動させることによってコップ１１４内の液体１１１をミスト化してミスト化物を発生させ、ミスト化物をファン１１６によって発生させた風により液膜７の表面に送り、液膜７に液体を供給する。

従って、ケミカルセンサ３０は、上述した図１に示す第１の実施形態のケミカルセンサ１０と同様な作用、効果を奏するとともに、ファン１１６によって発生させた風により標的物質８を含む気体試料９も液膜７に送ることができる。その結果、ケミカルセンサ３０は、標的物質の検出感度が向上し得る。

（第３の実施形態）
図７は、第３の実施形態のケミカルセンサの一例を示す断面図である。なお、図７に示すケミカルセンサ４０は、１１０の構成を除いて図１に示すケミカルセンサと同様な構造を有する。

液体供給機構１１０は、図７に示すように、基板１と感応膜２との間に配置され、基板１の表面１ａ側に埋設されたペルティエ素子１１７を備える。

ペルティエ素子１１７は、感応膜２及び液膜７を冷却することによって、大気中の蒸気を結露させることにより液膜７に液体を供給する。ここで、液体供給機構１１０は、液体供給源として、上述した液体が収容された容器（図示せず）を備えてもよい。このような液体供給源は、例えば、壁部５から隔てて設置される。なお、感応膜２及び液膜７を冷却すると、受容体６の活性が低下し得るため、液膜７に液体を供給した後は、ペルティエ素子１１７による冷却を停止することが好ましい。

このような液体供給機構１１０は、ペルティエ素子１１７により感応膜２及び液膜７を冷却して、大気中から結露水を発生させ、結露水を液膜７に供給する。

従って、ケミカルセンサ４０は、上述した図１に示す第１の実施形態のケミカルセンサ１０と同様な作用、効果を奏する。

（第４の実施形態）
図８は、第４の実施形態のケミカルセンサの一例を示す断面図である。なお、図８に示すケミカルセンサ５０は、液膜７の表面を覆うように配置された油膜１２をさらに備えること、異なる液体排出機構１２０を備えることを除いて図１に示すケミカルセンサと同様な構造を有する。

油膜１２は、液膜７の表面を覆うように配置される。油膜１２の厚さは、例えば、０．１μｍ〜３．０μｍである。油膜１２は、液膜７の表面に、油の液滴を滴下することにより形成することができる。油膜１２は、液膜７と比べて標的物質との親和性が高いため、標的物質を液膜７に速やかに通過させる。従って、油膜１２は、標的物質が受容体６に到達することを妨げることなく、液膜７の蒸発による乾燥を抑制ないし防止できる。

吸収材１２３は、一端が第２の容器１２１内に配置され、他端は液膜７及び油膜１２に接触して配置されている。吸収材１２３は、液膜７中の液体及び油膜１２中の油を第２の容器１２１に送る。吸収材１２３は、例えば、ポリプロピレン、ポリエチレン等を含む材料から形成されている。

従って、ケミカルセンサ５０は、上述した図１に示す第１の実施形態のケミカルセンサ１０と同様な作用、効果を奏するともに、受容体６の乾燥による変性又は損傷をさらに防ぐことができる。

（第５の実施形態）
図９は、第５の実施形態のケミカルセンサの一例を示す断面図である。
図９に示すケミカルセンサ６０は、図１に示すケミカルセンサ１０と比較して、感応膜２の表面２ａに、受容体６を覆うように液体を含む第１の液膜７１が配置されている。第１の液膜７１には、第１の液膜７１を覆うように、隔壁１３が配置されている。隔壁１３には、隔壁１３を覆うように、第２の液膜７２が配置されている。第２の液膜７２は、標的物質８を含む気体試料９が取り込まれる。また、ケミカルセンサ６０は、第２の液膜７２の液体を第１の液膜７１に向けて流し、第１の液膜７１中の液体を排出する液膜維持装置１４を備えている。

第１の液膜７１は、感応膜２の表面２ａに受容体６を覆うように配置される。第１の液膜７１は、上述した液膜７と同様に、水、生理水、又は緩衝液等の水溶性の液体であり、気体試料９に含まれる標的物質８を受容体６へと運ぶ媒体として働く。また、第１の液膜７１は、受容体６を覆うように配置されているため、受容体６の乾燥による変性又は損傷を防ぐことができる。

隔壁１３は、第１の液膜７１の表面を覆うように配置されている。隔壁１３は、隔壁１３の表面１３ａは、超親水処理により親水性を有することが好ましい。例えば、隔壁１３は、ＴｉＯ_２で表面１３ａを被覆することによって、親水性を向上させることができる。

第２の液膜７２は、隔壁１３の表面１３ａを覆うように配置されている。第２の液膜７２は、上述した液膜７と同様に、水、生理水、又は緩衝液等の水溶性の液体であり、気体試料９からの標的物質８を取り込む媒体として働く。

液膜維持装置１４は、例えば、ＭＥＭＳ ＰＵＭＰ（Micro Electro Mechanical Systems Pump）である。液膜維持装置１４は、標的物質８を含んだ第２の液膜７２の液体を第１の液膜７１に向けて送り、第１の液膜７１中の液体を第２の容器１２１に排出する。

シリンジ１５は、隔壁１３の表面１３ａの一端に配置されている。シリンジ１５は、水、生理水、又は緩衝液等の水溶性の液体を含む液体供給源である。

従って、図９に示すケミカルセンサ６０は、気体試料９に含まれる標的物質８を受容体６へと運ぶ第１の液膜７１と気体試料９からの標的物質８を取り込む第２の液膜７２とが別々に構成されているため、受容体６の乾燥による変性又は損傷を防ぐことができるとともに、第１の液膜７１をリフレッシュして、別の気体試料中の標的物質を検出することができるため、繰り返し測定することができる。

本発明のいつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の種々の形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１０、２０、３０、４０、５０、６０…ケミカルセンサ
１…基板
２、２Ａ、２Ｂ、２Ｃ、２Ｄ…感応膜
３…ソース電極
４…ドレイン電極
５…壁部
６、６Ａ、６Ｂ、６Ｃ、６Ｄ…受容体
７…液膜
８…標的物質
９…気体試料
１１…非標的物質
１２…油膜
１３…隔壁
１４、１００…液膜維持装置
１１０…液体供給機構
１２０…液体排出機構

Claims (11)

1. 生体物質を濡らす液膜に液体を供給する液体供給機構と、
   前記液膜中の液体を排出する液体排出機構と
   を備えた液膜維持装置。
2. 前記液体供給機構は、液体を収容する第１の容器と、一端が前記第１の容器内に挿入され、他端が前記液膜中に接触する細管とを備え、前記細管による毛細管現象を利用して液体を前記液膜に供給する請求項１に記載の液膜維持装置。
3. 前記液体排出機構は、排液を回収する第２の容器と、一端が前記第２の容器内に挿入され、他端が前記液膜中に接触して配置された吸収材とを備え、前記吸収材によって前記液膜中の液体を吸収して排出する請求項１又は２に記載の液膜維持装置。
4. 前記液膜維持装置は、前記液膜を０．５μｍ以上１０．０μｍ以下の厚さに維持する請求項１〜３のいずれか１項に記載の液膜維持装置。
5. 前記液膜の表面を覆うように配置された油膜をさらに備える請求項１〜４のいずれか１項に記載の液膜維持装置。
6. 前記生体物質は、受容体である請求項１〜５のいずれか１項に記載の液膜維持装置。
7. 前記生体物質は、気体試料中の標的物質と結合する請求項１〜６のいずれか１項に記載の液膜維持装置。
8. 感応膜と、
   前記感応膜の表面に固定された生体物質と、
   前記感応膜及び前記生体物質を覆う液膜と、
   請求項１〜７のいずれか１項に記載の液膜維持装置と
   を備えたケミカルセンサ。
9. 前記感応膜はグラフェンを含み、
   前記感応膜の一端に接続されたソース電極と、前記感応膜の他端に接続されたドレイン電極とをさらに備えた請求項８に記載のケミカルセンサ。
10. 前記生体物質は標的物質と結合する請求項８又は９に記載のケミカルセンサ。
11. 感応膜と、
    前記感応膜の表面に固定された生体物質と、
    前記感応膜及び前記生体物質を覆う第１の液膜と、
    前記第１の液膜を覆う隔壁と、
    前記隔壁を覆う第２の液膜と、
    前記第２の液膜の液体を前記第１の液膜に向けて流し、前記第１の液膜中の液体を排出する液膜維持装置と
    を備えたケミカルセンサ。

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