JP2022052613A - アルカリ金属イオン検出センサー及び放射性セシウムイオン検出センサー - Google Patents
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Abstract
Description
したがって、本発明は、以下の構成を有する。
[2]前記チャネル層は、ポリ(3-ヘキシルチオフェン)を含む、[1]に記載のアルカリ金属イオン検出センサー。
[3] 前記脂質膜は、一方の末端に前記チャネル層に対して親和性を有する基を備え、他方の末端にシロキサン基を有する重合体と結合している、[1]または[2]に記載のアルカリ金属イオン検出センサー。
[4]前記アルカリ金属イオンを捕捉する捕捉基は、カリックスアレーン-クラウンエーテル基である、[1]~[3]のいずれかに記載のアルカリ金属イオン検出センサー。
図1は、本発明の一実施形態に係るアルカリ金属イオン検出センサーの平面図である。図2は、本発明の一実施形態に係るアルカリ金属イオン検出センサーを用いたアルカリ金属イオンの検出方法を説明する断面図である。
図1、図2に示すように、アルカリ金属イオン検出センサー10は、基板11、基板11の上に形成されたソース電極14とドレイン電極15とからなる一対の電極群16、及びソース電極14とドレイン電極15との間に配置されたチャネル層18を有する。アルカリ金属イオン検出センサー10のチャネル層18の周囲は、コンテナー19で囲われている。コンテナー19は角筒状体であって、チャネル層18の周囲をコンテナー19で囲んだ状態で、コンテナー19に試験水1(アルカリ金属水溶液)が注液される。試験水1には、ゲート電極17が挿入され、これによって、電界効果トランジスタ(FET)が構成される。
クラウンエーテルは、一般式(-CH2-CH2-O-)nで表される環状エーテル構造を有する。環状エーテル構造にアルカリ金属イオンが捕捉される。以下、本明細書では、クラウンエーテルをx-クラウン-y-エーテルと記載する場合がある。xは、環状エーテル基を構成する原子の個数を表し、yは、環状エーテル基を構成する酸素原子の個数を表す。
先ず、試験水1とチャネル層18とを十分に接触させて、試験水1中のアルカリ金属イオンをアルカリ金属イオン検出用化合物の捕捉基に捕捉させる。次いで、ゲート電極17とドレイン電極15との間に電圧(VG)を印加してドレイン電極に流れるドレイン電流(ID)を測定して、VG-|IDS|1/2曲線を得る。得られたVGS-|IDS|1/2曲線を外挿して、ドレイン電流(ID)がゼロのときの閾値電圧(Vth)を得る。得られた閾値電圧(Vth)から、予め脳濃度が既知のアルカリ金属イオン溶液を用いて作成した検量線(アルカリ金属イオン濃度-Vth曲線)を用いて試験水1のアルカリ金属イオン濃度を算出する。
アルカリ金属イオン検出センサー10は、例えば、電極形成工程と、チャネル層形成工程、脂質膜形成工程と、ポリシロキサン結合工程、アルカリ金属イオン検出用化合物結合工程と、を有する方法を用いて製造することができる。
図3は、本発明の一実施形態に係る放射性セシウムイオン検出センサーの一例の平面図である。放射性セシウムイオン検出センサーは、基板の上に配置されている電極群の個数やチャネル層の有無において、前述のアルカリ金属イオン検出センサーと異なるが、同一の機能を有するものには同一の符号を付して、その説明を省略する場合がある。
図4(a)及び図4(b)のグラフにおいて、縦軸は、ナトリウムイオンの検出量を100とした相対イオン濃度である。
図5に示す放射性セシウムイオン検出センサー30は、基板11に、セシウムイオン検出部10a、カリウムイオン検出部10b、ナトリウムイオン検出部10c、ブランク検出部10dが備えられている。セシウムイオン検出部10a、カリウムイオン検出部10b、ナトリウムイオン検出部10c、ブランク検出部10dは、それぞれ4つのセンサー部を有する。すなわち、セシウムイオン検出部10aは、セシウムイオン検出センサー部10a1~10a4を有する。カリウムイオン検出部10bは、カリウムイオン検出センサー部10b1~10b4を有する。ナトリウムイオン検出部10c、は、ナトリウムイオン検出センサー部10c1~10c4を有する。ブランク検出部10dは、ブランク検出センサー部10d1~10d4を有する。
ガラス基板を用意した。このガラス基板の表面に、ソース電極とドレイン電極とからなる一対の電極群を1組真空成膜法により形成した。ソース電極とドレイン電極の間隔は、0.1mmとした。ソース電極とドレイン電極の上面及びソース電極とドレイン電極の間に有機半導体(P3HT)の溶液をスピンコート法により塗布し、乾燥してチャネル層(幅:1mm、面積:0.1mm2)を形成した。得られたチャネル層の上に、純水に1,2-ビス(10,12-トリコサジイノイル)-sn-グリセロ-3-グリセロール(DCOH)とアゾビス(2-アミジノプロパン)二塩酸塩(AAPD)を溶解させた溶液(液温:10℃)を塗布し、32℃で10分間加熱した後、42℃で45分間加熱して、DCOHを重合させて、脂質膜を形成した(下記の反応式(I)を参照)。
純水の代わりに、上記のセシウムイオン水溶液を注液し、閾値電圧の変化量(ΔVth)を測定した。その結果を、図7に示す。図7において、横軸は、セシウムイオン水溶液のセシウムイオン濃度のログ値であり、縦軸は、閾値電圧の変化量である。図7のグラフから、セシウムイオン濃度が10-7~10-17モル/Lの範囲内において、セシウムイオン濃度と閾値電圧の変化量とが直線関係となることが確認された。セシウムイオン濃度で10-17モル/Lは、10-9ppbに相当する。この結果から、実施例1で得られたセシウムイオン検出センサーを用いることによってセシウムイオンを広範囲の濃度で検出できることが確認された。
ガラス基板の表面に、ソース電極とドレイン電極とからなる一対の電極群を8組形成した。8組の電極群を、汚染地域用の4組の電極群と非汚染地域用の4組の電極群とに分けた。汚染地域用及び非汚染地域用のそれぞれの3組の電極群について、ソース電極とドレイン電極の上面及びソース電極とドレイン電極の間のそれぞれに有機半導体(P3HT)を成膜してチャネル層を形成した。次いで、3組の電極群に形成したチャネル層のそれぞれに脂質膜を形成し、得られた脂質膜にポリメチルシロキサンを結合させた。この3つのチャネル層のうちの1つのチャネル層について、ポリメチルシロキサンとジヒドロキシカリックス[4]アレーン-ベンゾ-18-クラウン-6-エーテルとを結合させた。残りの2つのチャネル層のうちの一方のチャネル層に、ポリメチルシロキサンとジヒドロキシカリックス[4]アレーン-ベンゾ-15-クラウン-5-エーテルを結合させた。さらに、残りの一つのチャネル層に、ポリメチルシロキサンとジヒドロキシカリックス[4]アレーン-ベンゾ-12-クラウン-4-エーテルを結合させた。こうして、放射性セシウムイオン検出センサーを作製した。この放射性セシウムイオン検出センサーにおいて、ジヒドロキシカリックス[4]アレーン-ベンゾ-18-クラウン-6-エーテルを結合されたチャネル層を備える電極群は、セシウムイオン検出部となる。ジヒドロキシカリックス[4]アレーン-ベンゾ-15-クラウン-5-エーテルを結合させたチャネル層を備える電極群は、カリウムイオン検出部となる。ジヒドロキシカリックス[4]アレーン-ベンゾ-12-クラウン-4-エーテルを結合させたチャネル層を備える電極群はナトリウムイオン検出部となる。チャネル層を形成していない電極群は、ブランク検出部となる。この放射性セシウムイオン検出センサーを使用することによって、放射性セシウムイオンを検出することができる。
10 アルカリ金属イオン検出センサー
10a セシウムイオン検出部
10a1、10a2、10a3、10a4 セシウムイオン検出センサー部
10b カリウムイオン検出部
10b1、10b2、10b3、10b4、 カリウムイオン検出センサー部
10c ナトリウムイオン検出部
10c1、10c2、10c3、10c4 ナトリウムイオン検出センサー部
10d ブランク検出部
10d1、10d2、10d3、10d4 ブランク検出センサー部
10e セシウムイオン検出部
10f カリウムイオン検出部
10g ナトリウムイオン検出部
10h ブランク検出部
10r 非汚染地用センサー
10s 汚染地域用センサー
11 基板
12 下層
13 上層
14 ソース電極
14a、14e 第1ソース電極
14b、14f 第2ソース電極
14c、14g 第3ソース電極
14d、14h 第4ソース電極
15 ドレイン電極
15a、15e 第1ドレイン電極
15b、15f 第2ドレイン電極
15c、15g 第3ドレイン電極
15d、15h 第4ドレイン電極
16、16a、16b、16c、16d、16e、16f、16g、16h 電極群
17 ゲート電極
18 チャネル層
18a、18e 第1チャネル層
18b、18f 第2チャネル層
18c、18g 第3チャネル層
19 コンテナー
20、30 放射性セシウムイオン検出センサー
Claims (5)
- ソース電極、ドレイン電極、及び前記ソース電極と前記ドレイン電極との間に配置されたチャネル層を有し、
前記チャネル層は、少なくとも一部が脂質膜で被覆されていて、
前記脂質膜と、アルカリ金属イオンを捕捉する捕捉基を有する化合物とがシロキサン結合を介して結合している、アルカリ金属イオン検出センサー。 - 前記チャネル層は、ポリ(3-ヘキシルチオフェン)を含む、請求項1に記載のアルカリ金属イオン検出センサー。
- 前記脂質膜は、一方の末端に前記チャネル層に対して親和性を有する基を備え、他方の末端にシロキサン基を有する重合体と結合している、請求項1または2に記載のアルカリ金属イオン検出センサー。
- 前記アルカリ金属イオンを捕捉する捕捉基は、カリックスアレーン-クラウンエーテル基である、請求項1~3のいずれか一項に記載のアルカリ金属イオン検出センサー。
- セシウムイオンの検出部と、ナトリウムイオン及びカリウムイオンの少なくとも一方を含む非放射性アルカリ金属イオンの検出部とを備え、
前記セシウムイオンの検出部は、第1ソース電極、第1ドレイン電極、及び前記第1ソース電極と前記第1ドレイン電極との間に配置された第1チャネル層を有し、前記第1チャネル層は、第1脂質膜で被覆されていて、前記第1脂質膜と、セシウムイオンを捕捉する捕捉基を有する化合物とがシロキサン結合を介して結合し、
前記非放射性アルカリ金属イオンの検出部は、第2ソース電極、第2ドレイン電極、及び前記第2ソース電極と前記第2ドレイン電極との間に配置された第2チャネル層を有し、前記第2チャネル層は、第2脂質膜で被覆されていて、前記第2脂質膜と、非放射性アルカリ金属イオンを捕捉する捕捉基を有する化合物とがシロキサン結合を介して結合している、放射性セシウムイオン検出センサー。
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