JP2024037407A

JP2024037407A - ケミカルセンサシステム

Info

Publication number: JP2024037407A
Application number: JP2022142256A
Authority: JP
Inventors: 吉昭杉崎; Yoshiaki Sugizaki; 浩史濱崎; Hiroshi Hamazaki; 紘山田; Hiroshi Yamada
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2022-09-07
Filing date: 2022-09-07
Publication date: 2024-03-19
Also published as: US20240077464A1

Abstract

【課題】高い精度と応答性とで標的物質を検出することができるケミカルセンサシステムを提供すること。【解決手段】実施形態によれば、第１ケミカルセンサと、第２ケミカルセンサユニットと、第１ケミカルセンサと第２ケミカルセンサユニットとの間に位置する第１検体雰囲気タンクと、を具備し、検体雰囲気を第１ケミカルセンサから第１検体雰囲気タンクに供給する第１動作と、検体雰囲気を第１検体雰囲気タンクから第２ケミカルセンサユニットに供給する第２動作と、第１検体雰囲気タンク内の検体雰囲気を排気する第３動作と、を実行する送気機構を有するケミカルセンサシステム。【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、ケミカルセンサシステムに関する。

気相中の標的物質を検出するケミカルセンサは、検体から空気中に放出される成分を検出することでガス検出や匂い検出に利用することができる。ガス検出や匂い検出には高い精度と応答性の両立が求められる。

特開２０２０－０４６２６３号公報特開２０２１－０４７０５１号公報

しかしながら、気相中の標的物質を検出するセンサは、短時間で応答するが、高い選択性を得ることが困難である場合がある。対して、液相中の標的物質を検出するセンサは、一般に、高い選択性を実現することができるが、検出に時間がかかってしまう。

気相センサと液相センサを直結し、同一検体を同時にセンシングすることで、この問題を解決することができる。気相センサでスクリーニングを行い、液相センサは気相センサで応答があった検体だけセンシングを続行すれば、気相センサのスクリーニングで応答がなかった検体のセンシングを継続する時間を省略することができる。しかし、気相センサのスクリーニングで応答であった場合は、液相センサのセンシング完了まで、次の検体のセンシングに移行することができない。

これより本発明が解決しようとする課題は、高い精度と応答性とで標的物質を検出することができるケミカルセンサシステムを提供することである。

実施形態によれば、第１ケミカルセンサと、第２ケミカルセンサユニットと、第１ケミカルセンサと第２ケミカルセンサユニットとの間に位置する第１検体雰囲気タンクと、を具備し、検体雰囲気を第１ケミカルセンサから第１検体雰囲気タンクに供給する第１動作と、検体雰囲気を第１検体雰囲気タンクから第２ケミカルセンサユニットに供給する第２動作と、第１検体雰囲気タンク内の検体雰囲気を排気する第３動作と、を実行する送気機構を有するケミカルセンサシステムが提供される。

実施形態に係るケミカルセンサシステムの一例を示すブロック図。実施形態に係るケミカルセンサシステムにおける第１ケミカルセンサの一例を示す構成図。実施形態に係るケミカルセンサシステムにおける第２ケミカルセンサユニットの一例を示す概略図。実施形態に係るケミカルセンサシステムにおける検体雰囲気取り込みユニットの一例を示す模式図。実施形態に係るケミカルセンサシステムにおける第２ケミカルセンサの一例を示す斜視図。実施形態に係るケミカルセンサシステムにおける第２ケミカルセンサ搭載部の模式図。

以下、実施形態について図面を参照しながら説明する。なお、以下の説明において、同一又は類似した機能を発揮する構成要素には全ての図面を通じて同一の参照符号を付し、重複する説明は省略する。なお、各図は実施形態の説明とその理解を促すための模式図であり、その形状や寸法、比などは実際の装置と異なる点があるが、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。

［第１の実施形態］
第１の実施形態によれば、第１ケミカルセンサと、第２ケミカルセンサユニットと、第１ケミカルセンサと第２ケミカルセンサユニットとの間に位置する第１検体雰囲気タンクと、を具備し、検体雰囲気を第１ケミカルセンサから第１検体雰囲気タンクに供給する第１動作と、検体雰囲気を第１検体雰囲気タンクから第２ケミカルセンサユニットに供給する第２動作と、第１検体雰囲気タンク内の検体雰囲気を排気する第３動作と、を実行する送気機構を有するケミカルセンサシステムが提供される。

図１は、第１の実施形態に係るケミカルセンサシステムの概略図である。図１をもとに、第１の実施形態に係るケミカルセンサシステムを説明する。

ケミカルセンサシステム１０００は、第１ケミカルセンサ２、第１検体雰囲気タンク３、第２ケミカルセンサユニット４、第１のバルブ５、第２のバルブ６、第３のバルブ７、第１制御回路９、第１判定回路１３、第２判定回路１４を有する。ケミカルセンサシステム１０００は、検体雰囲気に含まれる標的物質（匂い成分）を検出するシステムである。本明細書において、匂い成分は、ケミカルセンサによって気相中又は液相中で検出可能な物質を指し、必ずしも生体の嗅覚受容体に反応する物質ではない。ケミカルセンサシステム１０００は、図１における破線で囲まれた部分である。

吸気口１は、検体雰囲気の取り込み部である。気密経路１０は吸気口１に接続される。ここで、気密経路とは、外部との気密を保ちながら経路内部に気体を流通させることが可能な構造を指す。気密経路として、樹脂や金属製のパイプを用いることができる。吸気口１は、対象物から検体雰囲気を取り込む気密経路１０の端部に取り付けられ、対象物の形態に応じて、細く絞られた形状や、広く開いた形状、あるいは必要に応じて対象物に吸着するパッキンなどを備える。吸気口１は、検体雰囲気を移送する送気機構としてポンプ又はファンを備えることができる。

第１ケミカルセンサは、導入された検体雰囲気に含まれる標的物質又は標的物質を含む標的物質群を検出し、電圧値や電流値等で表される電気信号として、第１判定回路１３に出力する装置である。第１ケミカルセンサ２は気相センサである。第１ケミカルセンサ２は、気密経路１０と接続される。特定の物質が存在するときにケミカルセンサの電気信号に変化が生じることを応答と表現する。第１ケミカルセンサ２が応答する物質を標的物質群と表現する。

気密経路１１は、排気経路である。気密経路１１は、一端が第１検体雰囲気タンク３に接続される。気密経路１１の他端は、第２バルブ６が接続される。第２バルブ６が開いたとき、気密経路１１は解放され、例えば経路外部に接続される。

第１検体雰囲気タンク３は、気密経路１０及び第１ケミカルセンサ２を介して供給された検体雰囲気を捕集する。ここで、第１検体雰囲気タンク３は、送気機構として容積制御装置１０３及び第１バルブ５，第２バルブ６、第３バルブ７を備えることができる。第１バルブ５，第２バルブ６、第３バルブ７は、第１制御回路９から入力される信号に応じて開閉する。を容積制御装置１０３は、第１制御回路９から信号を入力された時、入力されるタンクの内容積を可変に制御する。容積制御装置１０３は、例えばアクチュエータ付きのポンプである。送気機構は、検体雰囲気を第１ケミカルセンサ２から第１検体雰囲気タンク３に供給し、検体雰囲気を第１検体雰囲気タンク３から第２ケミカルセンサユニット４に供給することができれば、任意の構成で実現することができる。送気機構は、第１検体雰囲気タンク３と離れて設けられたポンプやファン及び弁によって実現されることもできる。

気密経路１２は、第１検体雰囲気タンク３と第２ケミカルセンサユニット４とを接続する。気密経路１２には、第１検体雰囲気タンク３と第２ケミカルセンサユニット４とを隔てるように第３バルブ７が設けられる。

第２ケミカルセンサユニット４は、第２ケミカルセンサを有する。第２ケミカルセンサは、導入された検体雰囲気に含まれる標的物質又は標的物質を含む標的物質群を検出し、電圧値や電流値等で表される電気信号として、第２判定回路１４に出力する装置である。第２ケミカルセンサは、液相センサである。第２ケミカルセンサユニット４は、導入された検体雰囲気に含まれる物質を溶剤に接触させた検体溶液とした後、第２ケミカルセンサと検体溶液を接触させることで検出を行う。第２ケミカルセンサが応答する物質を標的物質と表現する。標的物質は標的物質群に含まれる。第２ケミカルセンサは、第１ケミカルセンサ２よりも選択性が高い。第２ケミカルセンサユニット４に検体雰囲気を導入してから応答が得られるまでにかかる第２応答時間は、第１ケミカルセンサ２に検体雰囲気を導入してから応答が得られるまでにかかる第１応答時間よりも長い。

第１判定回路１３は、第１ケミカルセンサ２が応答したか否かを判定する回路である。第１判定回路１３は、第１ケミカルセンサ２の信号出力と接続される。第１ケミカルセンサ２の出力信号を解析し、検体雰囲気に標的物質を含む標的物質群が規定以上含まれているかを判定する。第１判定回路１３は、捕集された検体雰囲気に含まれる検体を第１ケミカルセンサ２が検査した時間とその検査結果を記憶することができる。検査した時間は、時刻あるいは、ケミカルセンサシステム１０００の起動を基準とした時間情報として記憶されることができる。

第１判定回路１３は、第１ケミカルセンサ２の応答をもとに、検体雰囲気に含まれる物質の特性や種類を特定してもよい。第１判定回路１３の判定方法は特に限定されず、第１ケミカルセンサ２の種類・特性に応じて適宜選択できる。例えば、第１判定回路１３は第１ケミカルセンサ２の信号強度が規定値以上であるか否かを判別してもよいし、第１判定回路１３内部に保持される参照パラメータと比較して近似性を判定し物質の種類を同定してもよい。第１判定回路１３は、Ｉ／Ｆに接続されてもよく、判定結果をＩ／Ｆに出力する。

第２判定回路１４は、第２ケミカルセンサが応答したか否かを判定する回路である。第２判定回路１４は、後述する第２ケミカルセンサの出力と接続される。第２判定回路１４は、第２ケミカルセンサの出力信号を解析し、第１ケミカルセンサ２に応答した後に第２ケミカルセンサで検査した検体雰囲気に標的物質が規定以上含まれているかを判定する。第２判定回路１４は、検体雰囲気を第２ケミカルセンサが検査した時間とその結果を記憶することができる。また、吸気口１などの取り込み口で検体雰囲気が捕集された時間と第１ケミカルセンサ２及び第２ケミカルセンサの検査結果とを紐づけて記録することができる。これによって、捕集した検体雰囲気と第１ケミカルセンサ２及び第２ケミカルセンサで検査した検体雰囲気とを同期することができ、捕集した検体雰囲気の検査結果を精度良く管理することができる。第２判定回路１４は、不図示のＩ／Ｆに接続されてもよく、判定結果をＩ／Ｆに出力することができる。

第１判定回路１３と第２判定回路１４は、それぞれ専用回路として実現することも、それぞれの回路として機能する１つのＣＰＵ（ＣｅｎｔｒａｌＰｒｏｃｅｓｓｉｎｇＵｎｉｔ）として実現することも可能である。第１判定回路１３と第２判定回路１４は、検査結果、参照パラメータ、及びプログラムを保持する１以上の記憶媒体を有する。第１判定回路１３、第２判定回路１４、第１制御回路９の記憶媒体は、機能を共有する同一の構成として実現することもできる。

第１制御回路９は、本実施形態に係るケミカルセンサシステム１０００内の第１乃至第３バルブ５乃至７、容積制御装置１０３を制御する。また第１制御回路９は、第２検体雰囲気タンク２０に繋がったバルブと同タンクに付随する容積制御装置を制御する。第１制御回路９は、前述した各構成及び第１判定回路１３と接続され、第１ケミカルセンサ２の検査結果に基づく第１判定回路１３の信号を受け取り、前述した各構成へと制御信号を出力する。さらに第１制御回路９は、検体雰囲気の捕集を開始する信号を受け取ることもでき、当該信号によっても前述した各構成への制御信号を出力する。検体雰囲気の捕集を開始する信号は、当該ケミカルセンサシステムを使用する作業者によって入力することも可能であるし、あるいは、吸気口１が検体雰囲気捕集状態になったことをロボット動作や画像認識などによって自動的に判断して発信されても構わない。図１には、第１制御回路９と前述した各構成及び第１判定回路１３とが、図示しない無線を介して接続された例を示しているが、配線を介して有線接続されてもよい。また、検体雰囲気の捕集を開始する信号の送信経路も無線を介して接続された例として不図示としているが、配線を介して有線接続されていてもよい。第１制御回路９は、制御信号の出力および検体雰囲気の捕集開始信号によって、第１乃至第３バルブ５乃至７の開閉のタイミングや容積制御装置１０３の駆動を制御することで、検体雰囲気タンク３に検体雰囲気を捕集するのか、あるいは検体雰囲気タンク３に捕集された検体雰囲気を排気するのか、第２ケミカルセンサユニット４へと送るのかを制御する。さらに、第１制御回路９は、第２検体雰囲気タンク２０およびそれに繋がるバルブおよびそれに付随する容積制御装置に関しても同様に制御して、第２検体雰囲気タンク２０に検体雰囲気を捕集するのか、あるいは検体雰囲気タンク２０に捕集された検体雰囲気を排気するのか、第３ケミカルセンサユニット２１へと送るのかを制御する。

第１制御回路９は、ＣＰＵ等のプロセッサにプログラムを実行させることにより、上述した各構成への制御を実現することが可能である。制御回路は、例えば、ＣＰＵ等の演算装置、演算装置と接続されプログラムやデータが記憶される記憶装置、及び制御回路によって制御される構成に出力される信号を生成する信号生成装置を含む。

図２は、実施形態に係るケミカルセンサシステムにおける第１ケミカルセンサの一例を示す構成図である。

第１ケミカルセンサの一例として、図２に示すセラミック半導体型の気相センサ装置を説明する。気相センサ装置は、例えば酸化スズや酸化亜鉛などのｎ型半導体材料が多孔質状に焼結されたものからなる。ｎ型半導体の表面には空気中の酸素が負電荷を帯びた状態で吸着するため、図（ａ）のようにｎ型半導体の表面近傍に空乏層が形成されて高抵抗状態となる。ここで気相センサ装置を高温状態で例えば一酸化炭素のような還元性雰囲気に暴露すると、一酸化炭素がｎ型半導体表面の酸素と反応して、表面吸着酸素が減少するため、図（ｂ）のようにｎ型半導体表面の空乏層が薄くなり低抵抗状態に変化する。この変化は一酸化炭素濃度に依存し、また同様の現象は他の可燃性のガスにおいても発生する。このような原理を用いることによって、各種可燃性ガスの濃度を検出することができる（図（ｃ））。

気相センサは、短時間で応答するが、標的物質と同じ性質（還元性、可燃性などの物性）を有する物質（標的物質群）にも応答する。図２（ｃ）から明らかなように、気相に含まれるガスの種類が分からなければ濃度に換算できないし、濃度が分からなければガスの種類も分からない。すなわち未知の検体雰囲気を検査する用途には適用することが難しい。なお、第１ケミカルセンサの種類及び検出方法は、センサ素子に気相が接触する方式であればセラミック半導体型センサ装置に限定されず、固体電解質型センサやグラフェンＦＥＴを用いたセンサ、等任意の検査装置及び検査方法を用いることができる。

図３は、実施形態に係るケミカルセンサシステムにおける第２ケミカルセンサユニットの一例を示す概略である。

第２ケミカルセンサユニットの一例について、図３を用いて説明する。

第２ケミカルセンサユニット４は、検体雰囲気をセンシング用溶液に曝露する機構と、検体雰囲気が曝露されたセンシング用溶液に含まれる含有物を検出する第２ケミカルセンサとを備える。

検体雰囲気取り込みユニット４００は、気密経路１２と配管４５２（図４で図示）に接続されている。配管４５２には、必要に応じて、吸排気装置４４３（図４で図示）が接続されている。吸排気装置４４３は、例えばポンプ又はファンである。図１で図示した第１バルブと第２バルブを閉じて、第３バルブを開けた状態で、容積制御装置１０３を用いて第１検体雰囲気タンク３の内容積を小さくすると、気密経路１２を介して、検体雰囲気取り込みユニット４００内の気液接触容器４１１に検体雰囲気が送り込まれる。この際、必要に応じて設置された吸排気装置４４３を用いて、気液接触容器４１１からの排気とのバランスを取ってもよい。

気液接触容器４１１は、有機溶剤の供給源に接続されている。例えば、気液接触容器４１１（図４で図示）は、配管４５４（図４で図示）、配管４５５（図４で図示）、及びバルブ４７１（図４で図示）を介して、有機溶剤が貯留された有機溶剤タンク４４１（図４で図示）に接続されている。有機溶剤は、親水性の有機溶剤であり、例えば、エタノール、メタノールなどの低級アルコール、ＤＭＳＯ（ＤｉｍｅｔｈｙｌＳｕｌｆｏｘｉｄｅ）、ＤＭＦ（Ｎ，Ｎ－ｄｉｍｅｔｈｙｌｆｏｒｍａｍｉｄｅ）、アセトン、及びアセトニトリルからなる群より選択されるいずれかである。

有機溶剤タンク４４１から有機溶剤が気液接触容器４１１に供給される。気液接触容器４１１は、疎水性の標的分子を含む可能性のある検体雰囲気を親水性の有機溶剤に曝露する。

検体雰囲気取り込みユニット４００内の気液接触容器４１１は、排液するための配管４５３に接続され、配管４５３にはバルブ４７３が接続されている。また、検体雰囲気取り込みユニット４００内の気液接触容器４１１は、配管４５６（図４で図示）、バルブ４７２（図４で図示）、及び配管４５７を介して、計量ユニット４４４に接続されている。

有機溶剤タンク４４１は、配管４５４、バルブ４７１、配管４５６、バルブ４７２（図４で図示）、及び配管４５７を介して、計量ユニット４４４に接続されている。

計量ユニット４４４は、排液するための配管４５９に接続され、配管４５９にはバルブ４７４が接続されている。また、計量ユニット４４４は、配管４６１を介して混合ユニット４２０に接続され、配管４６１にはバルブ４７５が接続されている。

また、混合ユニット４２０には、水溶液の供給源が接続されている。例えば、混合ユニット４２０は、計量ユニット４４５を介して、水溶液が貯留された水溶液タンク４４２に接続されている。水溶液タンク４４２と計量ユニット４４５とを接続する配管４６２にはバルブ４７６が接続されている。混合ユニット４２０と計量ユニット４４５とを接続する配管４６３にはバルブ４７８が接続されている。水溶液は、例えば、リン酸緩衝液、ＨＥＰＥＳ緩衝液、トリス塩酸緩衝液などである。

混合ユニット４２０には、検体雰囲気取り込みユニット４００から標的分子を含む有機溶剤が供給され、さらに水溶液タンク４４２から水溶液が供給される。そして、混合ユニット４２０は、標的分子を含む有機溶剤を水溶液と混合して、検体液を作成する。

混合ユニット４２０は、配管４６４を介して第２ケミカルセンサ５３０に接続されている。配管４６４には、バルブ４７７が接続されている。また、混合ユニット４２０は、必要に応じて、排液するための配管４６６に接続され、配管４６６にはバルブ４７９が接続されている。

第２ケミカルセンサ５３０は、排液するための配管４６５に接続され、配管４６５にはバルブ４８１が接続されている。

次に、検体雰囲気取り込みユニットについて、図４を用いて説明する。図４は、検体雰囲気取り込みユニットの一例を示す模式図である。

検体雰囲気取り込みユニットは、検体雰囲気を有機溶剤にバブリングさせる気液接触容器４１１を有する。容器４１１は、配管４５４、バルブ４７１、及び配管４５５を介して、有機溶剤タンク４４１と接続されている。配管４５４にはポンプ４１２が接続されている。バルブ４７１を開き、ポンプ４１２を駆動させることで、有機溶剤タンク４４１に貯留された有機溶剤が容器４１１内に供給される。

気密経路１２の一端部は、図４に図示しない検体雰囲気タンクと接続している。気密経路１２の他端部は、容器４１１内の有機溶剤４０１中に位置する。さらに配管４５２の一端部は容器４１１内の有機溶剤４０１より上部の気相部に位置し、配管４５２の他端部は排気口となっていて、容器４１１と排気口の途中に必要に応じて、吸排気装置４４３が繋がっている。図１で図示した第１バルブと第２バルブを閉じて、第３バルブを開けた状態で、容積制御装置１０３を用いて第１検体雰囲気タンク３の内容積を小さくすると、気密経路１２から送り込まれた検体雰囲気は、容器４１１内の有機溶剤４０１にバブリングされ、検体雰囲気中の標的分子は有機溶剤４０１に溶解する。

容器４１１は、配管４５６、バルブ４７２、及び配管４５７を介して、計量ユニット４４４に接続されている。バルブ４７２を開き、ポンプ４１３を駆動させることで、容器４１１内の標的分子を含む有機溶剤が、計量ユニット４４４に供給される。所望量の有機溶剤を計量ユニット４４４に供給した後に容器４１１内に残った有機溶剤はバルブ４７３を開けることによって配管４５３から排出される。さらに容器４１１内を洗浄するため検体雰囲気をバブリングしないで有機溶剤４０１でパージすることも可能で、その際にも洗浄に用いた有機溶剤４０１を同様の経路で排出できる。
図５は、実施形態に係るケミカルセンサシステムにおける第２ケミカルセンサの一例を示す斜視図である。

次に、図５を参照して、第２ケミカルセンサの一例について説明する。第２ケミカルセンサは液相センサである。

第２ケミカルセンサ５３０は、例えば、グラフェン膜５３１を含む電荷検出素子である。第２ケミカルセンサ５３０の表面（例えばグラフェン膜５３１の表面）は、上記混合ユニット４２０において標的分子を含む有機溶剤を水溶液と混合して得られる検体液５００に曝露される。

第２ケミカルセンサ５３０は、例えば、ＦＥＴ（ｆｉｅｌｄｅｆｆｅｃｔｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）構造を有する。

第２ケミカルセンサ５３０は、基板５３３と、基板５３３上に設けられた下地膜５３４とを有する。下地膜５３４上にグラフェン膜５３１が設けられている。または、下地膜５３４を設けずに、基板５３３の表面にグラフェン膜５３１を設けてもよい。また、基板５３３には、図示せぬ回路やトランジスタが形成されていてもよい。

基板５３３の材料として、例えば、シリコン、酸化シリコン、ガラス、高分子材料を用いることができる。下地膜５３４は、例えばシリコン酸化膜のような絶縁膜である。また、下地膜５３４に、グラフェン膜５３１を形成するための化学的触媒の機能をもたせることもできる。

また、第２ケミカルセンサ５３０は、少なくとも２つの電極（第１電極５３５と第２電極５３６）とを有する。第１電極５３５及び第２電極５３６の一方はドレイン電極として機能し、他方はソース電極として機能する。

第１電極５３５及び第２電極５３６は、必要に応じて、保護絶縁膜５３７によって被覆されている。保護絶縁膜５３７は例えば、酸化アルミニウム、酸化シリコン、高分子などである。

第２ケミカルセンサ５３０の下地膜５３４上には、必要に応じて、さらにゲート配線Ｇが形成され、その一部が保護絶縁膜５３７に被覆されずに露出している。ゲート配線Ｇの保護絶縁膜５３７から露出した箇所は、金、白金、銀、銀・塩化銀積層膜などからなる。

なお、ゲート配線Ｇは、第２ケミカルセンサ５３０の近傍で検体液５００に接触していればよいため、必ずしも第２ケミカルセンサ５３０上に形成しなくてもよい。例えば、第２ケミカルセンサ５３０とは別の素子上に形成して、第２ケミカルセンサ５３０と検体液５００を介して接続されていてもよい。

第１電極５３５と第２電極５３６との間にグラフェン膜５３１が設けられている。第１電極５３５及び第２電極５３６はグラフェン膜５３１に電気的に接触している。グラフェン膜５３１を通じて、第１電極５３５と第２電極５３６との間に電流が流れることができる。

第２ケミカルセンサ５３０は、その表面上で標的分子と選択的に会合するプローブ分子５３２をさらに有する。プローブ分子５３２は、グラフェン膜５３１の表面に結合あるいは吸着している。プローブ分子は、標的物質に特異的に結合または吸着する特性を有し、標的物質に合わせて任意に変更できる。プローブ分子として、核酸、酵素、ペプチド、やこれらを有する合成分子や誘導体を使用することができるが、特に限定されない。

グラフェン膜５３１を含むセンサ素子面は、検体液５００が供給される流路内に曝露されている。グラフェン膜５３１の表面、及びプローブ分子５３２及びゲート配線Ｇは検体液５００に曝露される。

図６は、実施形態に係るケミカルセンサシステムにおける第２ケミカルセンサ搭載部の模式図である。

配管４６４及び配管４６５には、図６（ａ）に示すように、第２ケミカルセンサ搭載部において窓６００が開けられており、窓６００の外周にはパッキン６１０が形成されている。第２ケミカルセンサ５３０はカートリッジ基板６０１に実装された形態となっており、図６（ｂ）に示すように、センサ素子面を窓６００の部分に対向させて設置するとパッキン６１０によって気密されて、センサ素子面が配管４６４、４６５内に露出された状態となる。このような形態とすることにより、第２ケミカルセンサ５３０を交換部品や消耗部品として着脱することが可能となる。

第２ケミカルセンサ５３０は、プローブ分子５３２が標的分子と会合したことを電気的に検出する。プローブ分子５３２が標的分子を認識・捕獲すると、標的分子がグラフェン膜５３１の表面に近接するため、例えば標的分子の持つ電荷や分極、電子吸引・供与性などによってグラフェン膜５３１の電子状態が変わる。これを電気的に検出することにより、標的分子の存在や濃度を知ることができる。

なお、グラフェン膜５３１の電子状態を電気的に検出する際に、ゲート電極を介して、検体液に所望のゲート電位を印加することによって、グラフェンの電気特性が高感度となる状態に調整することができる。

あるいはゲート電位を走査しながら、グラフェンのソースドレイン間電流を計測することにより、グラフェン内を流れるキャリアが正孔と電子との間で切り替わる電荷中性点を測定することができ、グラフェンに対する電荷の注入状態を知ることができる。

なお、必要に応じてグラフェン膜５３１の表面が絶縁体で被覆されていても構わない。この絶縁体としては、例えばペプチドβシートやリン脂質膜などを用いることができる。

ケミカルセンサユニット１０００の動作を説明する。以下に説明する動作は、第１制御回路９によって、第１乃至第３バルブ５乃至７、容積制御装置１０３の動作が制御されることで実現される。上記の動作１～７は、異なる構成要素によって同時に実施される場合がある。

動作１。送気機構が検体雰囲気を第１ケミカルセンサ２から前記第１検体雰囲気タンクに供給する。例えば、第１のバルブ５が開けられ、第２と第３のバルブ６，７が閉じた状態で、容積制御装置１０３が第１検体雰囲気タンク３の内容積を大きくすれば、第１検体雰囲気タンク３内部が減圧される。検体雰囲気が、気密経路１０を介して第１検体雰囲気タンク３に流入する。

動作２。第１ケミカルセンサ２が流入する検体雰囲気をセンシングする。

動作３。第１判定回路１３は、第１ケミカルセンサ２が応答したか否かを判定する。第１ケミカルセンサ２が応答していなければ検体雰囲気に標的物質及び検体物質群が含まれていないと判定され、動作４に移行する。第１ケミカルセンサ２が応答しており、かつ第２ケミカルセンサユニット４がセンシング動作していないとき、検体雰囲気に検体物質群が含まれていると判定され、動作５に移行する。第１ケミカルセンサ２が応答しており、かつ第２ケミカルセンサユニット４がセンシング動作しているときは、第２ケミカルセンサユニット４がセンシング動作終了後（前回の検体雰囲気に対する動作７終了後）、動作５に移行する。

動作４。送気機構が第１検体雰囲気タンク３に捕集された検体雰囲気を廃棄する。例えば、第１バルブ５第３バルブ７が閉じ、第２バルブ６が開き、容積制御装置１０３が第１検体雰囲気タンクの内容積を小さくすることで、第１検体雰囲気タンク３に捕集された検体雰囲気は排気される。排気完了後、動作１に戻る、もしくは、動作を停止してケミカルセンサシステム１０００は待機状態になる。

動作５。送気機構が検体雰囲気を前記第１検体雰囲気タンクから第２ケミカルセンサユニット４に供給する。例えば、第１バルブ５、第２バルブ６が閉じ、第３バルブ７が開き、容積制御装置１０３によって第１検体雰囲気タンクの内容積が小さくなることで、第１検体雰囲気タンク３に捕集された検体雰囲気は第２ケミカルセンサユニット４に送られる。

動作６。第２ケミカルセンサユニット４が流入する検体雰囲気をセンシングする。

動作７。第２判定回路１４が、第２ケミカルセンサが応答したか否かを判定する。判定結果に応じて、検体雰囲気に標的物質が含まれているか否かを判別する。

上記の動作１～７に示す通り、選択性が高いが応答に時間がかかる第２ケミカルセンサは、応答時間が短い第１ケミカルセンサ２が応答した場合にセンシングを実施する。第１ケミカルセンサ２は、第２ケミカルセンサユニットがセンシング中に第１ケミカルセンサ２が応答しない限り、動作１～４の繰り返しにより大量の検体雰囲気を連続的にセンシングすることができる。第１ケミカルユニット２と第２ケミカルセンユニット４とは、同時にセンシング動作を実行できる。ケミカルセンサシステム１０００は、高い選択性を維持しながら、単位時間あたりに処理できる検体量（センシング速度）を向上させることができる。

実施形態に係るケミカルセンサシステムに任意で設けられる構成について説明する。本実施形態に係るケミカルセンサシステムは、第３ケミカルセンサユニット２１と、第１ケミカルセンサ２と第３ケミカルセンサユニット２１との間に位置する第２検体雰囲気タンク２０と、をさらに具備してもよい。第３ケミカルセンサユニット２１は第２ケミカルセンサと同様の構成を有する。第２検体雰囲気タンクは第１検体雰囲気タンク３と同様の構成を有する。ケミカルセンサシステム１０００は、第１ケミカルセンサ２で検査する検体雰囲気を第２検体雰囲気タンクに供給する第４動作と、第２検体雰囲気タンク内の検体雰囲気を第３ケミカルセンサユニットに供給する第５動作と、第２検体雰囲気タンク内の検体雰囲気を排気する第６動作と、を実行する送気機構をさらに備える。

第２検体雰囲気タンク２０は、第１ケミカルセンサ２とつながっており、第１ケミカルセンサ２と第２検体雰囲気タンク２０との間には第４バルブ８が備えられている。第１バルブ５が開くとき、第４バルブ８が閉じる。第４バルブ８が開くとき、第１バルブ５が閉じる。これによって、検体雰囲気が第２ケミカルセンサユニット４において検査されている間に別の検体雰囲気を新たに第２検体雰囲気タンク２０に捕集し、第１ケミカルセンサ２にて次の検査を行うことができる。さらに逆に検体雰囲気が第３ケミカルセンサユニット２１において検査（センシング）されている間にも別の検体雰囲気を新たに第１検体雰囲気タンク３に捕集し、第１ケミカルセンサ２にて次の検査を行うこともできる。これにより、本実施形態に係るケミカルセンサシステム１０００における検査の１サイクル時間を短くすることができる。なお、第１検体雰囲気タンク３に検体雰囲気を取り込む際には、第４のバルブ８は締めておく。

第２検体雰囲気タンク２０は、第１検体雰囲気タンク３と同じ仕様になっていて、容積制御装置を備えている（不図示）。また、第２検体雰囲気タンク２０と第３ケミカルセンサユニット２１の間には、第３バルブ７に相当するバルブも備えられており（不図示）、さらに気密経路１１や第２バルブ６に相当する気密経路とバルブも第２検体雰囲気タンク２０に繋がっている（不図示）。検体雰囲気を第２検体雰囲気タンク２０に捕集する際も、第１検体雰囲気タンク３に捕集する際と同じ操作を行えばよく、その際には、第１のバルブ５を閉じて第４のバルブ８を開ければよい。

上述した第２判定回路１４は、第３ケミカルセンサ２１の出力とも接続される。第２判定回路１４は、第２ケミカルセンサに加えて第３ケミカルセンサの出力信号を解析し、第１ケミカルセンサの検査結果が陽性となった後に第２ケミカルセンサ又は第３ケミカルセンサで検査した検体雰囲気に標的物質が規定以上含まれているかを判定する。

第２判定回路１４は、検体雰囲気を第２ケミカルセンサ及び第３ケミカルセンサが検査した時間とその結果を記憶することができる。また、吸気口１などの取り込み口で検体雰囲気が捕集された時間と第１ケミカルセンサ２及び第２ケミカルセンサの検査結果又は、第１ケミカルセンサ２と第３ケミカルセンサの検査結果とを紐づけて記録することができる。これによって、捕集した検体雰囲気と第１ケミカルセンサ２及び第２ケミカルセンサで検査した検体雰囲気とを又は、捕集した検体雰囲気と第１ケミカルセンサ２及び第３ケミカルセンサで検査した検体雰囲気とを同期することができ、捕集した検体雰囲気の検査結果を精度良く管理することができる。

第３ケミカルセンサユニット２１、第２検体雰囲気タンク２０及び容積制御装置（不図示）も、上記の動作１～７と同様の動作を実行する。ただし、第１制御回路９は、第２ケミカルセンサユニット４、第１検体雰囲気タンク３及び容積制御装置１０３からなる系統と、第３ケミカルセンサユニット２１、第２検体雰囲気タンク２０及び容積制御装置（不図示）からなる系統とが、同時に動作１～３を実行しないように排他的に制御する。第１制御回路９は、一方の系統の動作４～７を他方の動作４～７と独立して制御する。

なお、ここでは第１検体雰囲気タンクおよび第２ケミカルセンサユニットと同じ構成を持った、第２検体雰囲気タンクと第３ケミカルセンサユニットを例にして説明したが、同様の構成を持った検体雰囲気タンクとケミカルセンサユニットのセットをさらに増設しても構わない。

第１の実施形態に係るケミカルセンサシステムは、第１ケミカルセンサと、第２ケミカルセンサユニットと、第１ケミカルセンサと第２ケミカルセンサユニットとの間に位置する第１検体雰囲気タンクと、を具備し、検体雰囲気を第１ケミカルセンサから第１検体雰囲気タンクに供給する第１動作と、検体雰囲気を第１検体雰囲気タンクから第２ケミカルセンサユニットに供給する第２動作と、第１検体雰囲気タンク内の検体雰囲気を排気する第３動作と、を実行する送気機構を有する。これによって、高い精度と応答性とで標的物質を検出することができる。

本発明のいく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、その他の様々な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。

以下に実施形態に係る発明を付記する。

［１］
第１ケミカルセンサと、
第２ケミカルセンサユニットと、
前記第１ケミカルセンサと前記第２ケミカルセンサユニットとの間に位置する第１検体雰囲気タンクと、を具備し、
検体雰囲気を前記第１ケミカルセンサから前記第１検体雰囲気タンクに供給する第１動作と、前記検体雰囲気を前記第１検体雰囲気タンクから前記第２ケミカルセンサユニットに供給する第２動作と、前記第１検体雰囲気タンク内の前記検体雰囲気を排気する第３動作と、を実行する送気機構を有するケミカルセンサシステム。

［２］
前記第２ケミカルセンサユニットは前記検体雰囲気をセンシング用溶液に曝露する機構と、
前記検体雰囲気が曝露された前記センシング用溶液に含まれる含有物を検出する第２ケミカルセンサと、を備える、［１］に記載のケミカルセンサシステム。

［３］
前記第１ケミカルセンサは気相センサである、［１］又は［２］に記載のケミカルセンサシステム。

［４］
前記第２ケミカルセンサは液相センサである、［２］に記載のケミカルセンサシステム。

［５］
前記第１検体雰囲気タンクと前記第２ケミカルセンサユニットとの間に位置するバルブをさらに備える、［１］から［４］のいずれか１項に記載のケミカルセンサシステム。

［６］
前記バルブは、前記第１ケミカルセンサの検査結果に基づいて開閉が行なわれる、［５］に記載のケミカルセンサシステム。

［７］
前記第１ケミカルセンサは前記検体雰囲気を捕集する取り込み口を有する、［１］から［６］のいずれか１項に記載のケミカルセンサシステム。

［８］
前記取り込み口で前記検体雰囲気が捕集された時間と前記第１ケミカルセンサ及び第２ケミカルセンサの検査結果とを紐づけて記録する、［７］に記載のケミカルセンサシステム。

［９］
前記検体雰囲気は前記第１ケミカルセンサを通って前記第１検体雰囲気タンクに捕集される、［１］から［８］のいずれか１項に記載のケミカルセンサシステム。

［１０］
第３ケミカルセンサユニットと、
前記第１ケミカルセンサと前記第３ケミカルセンサユニットとの間に位置する第２検体雰囲気タンクと、をさらに具備し、
前記第１ケミカルセンサで検査する検体雰囲気を前記第２検体雰囲気タンクに供給する第４動作と、
前記第２検体雰囲気タンク内の前記検体雰囲気を前記第３ケミカルセンサユニットに供給する第５動作と、
前記第２検体雰囲気タンク内の前記検体雰囲気を排気する第６動作と、を実行する送気機構を有する、［１］から［９］のいずれか１項に記載のケミカルセンサシステム。

［１１］
前記第３ケミカルセンサユニットは前記検体雰囲気をセンシング用溶液に曝露する機構と、
前記検体雰囲気が曝露された前記センシング用溶液に含まれる含有物を検出する第３ケミカルセンサと、を備える、［１０］に記載のケミカルセンサシステム。

［１２］
前記第３ケミカルセンサは液相センサである、［１１］に記載のケミカルセンサシステム。

［１３］
前記第２検体雰囲気タンクと前記第３ケミカルセンサユニットとの間に位置するバルブをさらに備える、［１０］から［１２］のいずれか１項に記載のケミカルセンサシステム。

［１４］
前記バルブは、前記第１ケミカルセンサの検査結果に基づいて開閉が行なわれる、［１３］に記載のケミカルセンサシステム。

［１５］
前記第１ケミカルセンサは前記検体雰囲気を捕集する取り込み口を有する、［１０］から［１４］のいずれか１項に記載のケミカルセンサシステム。

［１６］
前記取り込み口で前記検体雰囲気が捕集された時間と前記第１ケミカルセンサ及び第３ケミカルセンサの検査結果とを紐づけて記録する、［１５］に記載のケミカルセンサシステム。

［１７］
前記検体雰囲気は前記第１ケミカルセンサを通って前記第２検体雰囲気タンクに捕集される、［１０］から［１６］のいずれか１項に記載のケミカルセンサシステム。

［１８］
前記第１ケミカルセンサが応答しないとき、前記送気前機構は記第１検体雰囲気タンク内の前記検体雰囲気を排気するように制御される、［１］から［１７］のいずれか１項に記載のケミカルセンサシステム。

［１９］
前記第１ケミカルセンサが応答するとき、前記送気機構は前記検体雰囲気を前記第１検体雰囲気タンクから前記第２ケミカルセンサユニットに供給するように制御される、［１］から［１７］のいずれか１項に記載のケミカルセンサシステム。

［２０］
前記送気機構は前記検体雰囲気を前記第２ケミカルセンサユニットに供給後、前記第２ケミカルセンサが前記検体雰囲気のセンシングを実行し、別の検体雰囲気を前記第１ケミカルセンサから前記第１検体雰囲気タンクに供給するように制御される、［２］から［１９］のいずれか１項に記載のケミカルセンサシステム。

１０００…ケミカルセンサシステム、１…吸気口、２…第１ケミカルセンサ、３…検体雰囲気タンク、４…第２ケミカルセンサユニット、９…第１制御回路、１３…第１制御回路、１４…第２判定回路、２００…第１ケミカルセンサ、５３０…第２ケミカルセンサ

Claims

第１ケミカルセンサと、
第２ケミカルセンサユニットと、
前記第１ケミカルセンサと前記第２ケミカルセンサユニットとの間に位置する第１検体雰囲気タンクと、を具備し、
検体雰囲気を前記第１ケミカルセンサから前記第１検体雰囲気タンクに供給する第１動作と、前記検体雰囲気を前記第１検体雰囲気タンクから前記第２ケミカルセンサユニットに供給する第２動作と、前記第１検体雰囲気タンク内の前記検体雰囲気を排気する第３動作と、を実行する送気機構を有するケミカルセンサシステム。
前記第２ケミカルセンサユニットは前記検体雰囲気をセンシング用溶液に曝露する機構と、
前記検体雰囲気が曝露された前記センシング用溶液に含まれる標的物質に応答する第２ケミカルセンサと、を備える、請求項１に記載のケミカルセンサシステム。
前記第１ケミカルセンサは気相センサである、請求項１に記載のケミカルセンサシステム。
前記第２ケミカルセンサは液相センサである、請求項２に記載のケミカルセンサシステム。
前記第１検体雰囲気タンクと前記第２ケミカルセンサユニットとの間に位置するバルブをさらに備える、請求項１に記載のケミカルセンサシステム。
前記バルブは、前記第１ケミカルセンサの検査結果に基づいて開閉が行なわれる、請求項５に記載のケミカルセンサシステム。
前記第１ケミカルセンサは前記検体雰囲気を捕集する取り込み口を有する、請求項１に記載のケミカルセンサシステム。
前記取り込み口で前記検体雰囲気が捕集された時間と前記第１ケミカルセンサ及び第２ケミカルセンサの検査結果とを紐づけて記録する、請求項７に記載のケミカルセンサシステム。
前記検体雰囲気は前記第１ケミカルセンサを通って前記第１検体雰囲気タンクに捕集される、請求項１に記載のケミカルセンサシステム。
第３ケミカルセンサユニットと、
前記第１ケミカルセンサと前記第３ケミカルセンサユニットとの間に位置する第２検体雰囲気タンクと、をさらに具備し、
前記第１ケミカルセンサで検査する検体雰囲気を前記第２検体雰囲気タンクに供給する第４動作と、
前記第２検体雰囲気タンク内の前記検体雰囲気を前記第３ケミカルセンサユニットに供給する第５動作と、
前記第２検体雰囲気タンク内の前記検体雰囲気を排気する第６動作と、を実行する送気機構を有する、請求項１に記載のケミカルセンサシステム。
前記第３ケミカルセンサユニットは前記検体雰囲気をセンシング用溶液に曝露する機構と、
前記検体雰囲気が曝露された前記センシング用溶液に含まれる含有物を検出する第３ケミカルセンサと、を備える、請求項１０に記載のケミカルセンサシステム。
前記第３ケミカルセンサは液相センサである、請求項１１に記載のケミカルセンサシステム。
前記第２検体雰囲気タンクと前記第３ケミカルセンサユニットとの間に位置するバルブをさらに備える、請求項１０に記載のケミカルセンサシステム。
前記バルブは、前記第１ケミカルセンサの検査結果に基づいて開閉が行なわれる、請求項１３に記載のケミカルセンサシステム。
前記第１ケミカルセンサは前記検体雰囲気を捕集する取り込み口を有する、請求項１０に記載のケミカルセンサシステム。
前記取り込み口で前記検体雰囲気が捕集された時間と前記第１ケミカルセンサ及び第３ケミカルセンサの検査結果とを紐づけて記録する、請求項１５に記載のケミカルセンサシステム。
前記検体雰囲気は前記第１ケミカルセンサを通って前記第２検体雰囲気タンクに捕集される、請求項１０に記載のケミカルセンサシステム。
前記第１ケミカルセンサが応答しないとき、前記送気機構は前記第１検体雰囲気タンク内の前記検体雰囲気を排気するように制御される、請求項１に記載のケミカルセンサシステム。
前記第１ケミカルセンサが応答するとき、前記送気機構は前記検体雰囲気を前記第１検体雰囲気タンクから前記第２ケミカルセンサユニットに供給するように制御される、請求項１に記載のケミカルセンサシステム。
前記送気機構は前記検体雰囲気を前記第２ケミカルセンサユニットに供給後、前記第２ケミカルセンサが前記検体雰囲気のセンシングを実行し、別の検体雰囲気を前記第１ケミカルセンサから前記第１検体雰囲気タンクに供給するように制御される、請求項２に記載のケミカルセンサシステム。