JP4395705B2

JP4395705B2 - Switching element and switching method

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Publication date: 2010-01-13
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Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、イオンセンサー、イオンセンシング方法、スイッチ素子、スイッチング方法、イオン担持体およびイオン担持方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来のイオンセンサーとしては、クラウンエーテル誘導体を用いたもの（非特許文献１、２、３）やバリノマイシンを用いたもの（非特許文献４、５、６）などのニュートラルキャリアが知られている。
【非特許文献１】
KIM,J.,MCQUADE,D.T.,MCHUGH,S.K.,and SWAGER,T.M.,Angew.Chem.
Int.Ed,Vol.39,No.21,3868-3872(2000)
【非特許文献２】
MOORE,A.J.,GOLDENBERG,L.M.,BRYCE,M.R.,PETTY,M.C.,MOLONEY,J.,
HOWARD,J.A.K.,JOYCE,M.J.,and PORT,S.N.,J.Org.Chem.,Vol.65,
No.24,8269-8276(2000)
【非特許文献３】
de WALL,S.L.,MEADOWS,E.S.,BARBOUR,L.J.,and GOKEL,G.W.,Chem
Commun,No.16,1553-1554(1999)
【非特許文献４】
ZHU,J.Z.,XIE,J.F.,LU,D.R.,ZHANG,G.X.,and ZHANG,Z.R,Sens.Actuators B,Vol.B65,No.1/3,157-159(2000)
【非特許文献５】
MALAVOLTI,E.,CAGNINI,A.,MASCINI,M.,CAPUTO,G.,and DELLA,CIANA.
L,Anal.Chim.Acta,Vol.401,NO.1/2,129-136(1999)
【非特許文献６】
MOWERY,K.A.,SCHOENFISCH,M.H.,BALIGA,N.,WAHR,J.A.,and
MEYERHOFF,M.E.,Electroanalysis Vol.11,No.10/11,681-686(1999)
【０００３】
なお、ポルフィリンにＢｒを付加する方法の報告（非特許文献７）、フラーレンに導電性高分子を接続する方法の報告（非特許文献８）がある。
【非特許文献７】
Tetrahedron,58(2002)2405-2413
【非特許文献８】
Chem.Lett.(1999)443
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記の従来のイオンセンサーでは、一種類の分子に付き一種類のイオンしかセンシングすることができない。このため、一種類の分子で様々なイオン半径を持つ多種類のイオンをセンシングすることができるイオンセンサーが望まれていた。
【０００５】
従って、この発明が解決しようとする課題は、一種類の分子で多種類のイオンをセンシングすることができるイオンセンサーおよびイオンセンシング方法を提供することにある。
この発明が解決しようとする他の課題は、上記のイオンセンサーの原理をスイッチングに応用した新規なスイッチ素子およびスイッチング方法を提供することにある。
この発明が解決しようとするさらに他の課題は、上記のイオンセンサーの原理をイオン担持に応用した新規なイオン担持体およびイオン担持方法を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、この発明の第１の発明は、
互いに異なる第１の分子および第２の分子を両端に有し、かつ、分子鎖中にアニオンまたはアニオン性分子を有する鎖状分子を用いた
ことを特徴とするイオンセンサーである。
【０００７】
この発明の第２の発明は、
互いに異なる第１の分子および第２の分子を両端に有し、かつ、分子鎖中にカチオンまたはカチオン性分子を有する鎖状分子を用いた
ことを特徴とするイオンセンサーである。
【０００８】
この発明の第３の発明は、
互いに異なる第１の分子および第２の分子を両端に有し、かつ、分子鎖中にアニオンまたはアニオン性分子とカチオンまたはカチオン性分子との一方を有する鎖状分子が複数連結されたものを用いた
ことを特徴とするイオンセンサーである。
【０００９】
この発明の第４の発明は、
互いに異なる第１の分子および第２の分子を両端に有し、かつ、分子鎖中にアニオンまたはアニオン性分子を有する鎖状分子を用い、
鎖状分子がカチオンまたはカチオン性分子に巻き付くことによって第１の分子および第２の分子が互いに近づくことにより電子または励起の授受を行う
ことを特徴とするイオンセンシング方法である。
【００１０】
この発明の第５の発明は、
互いに異なる第１の分子および第２の分子を両端に有し、かつ、分子鎖中にカチオンまたはカチオン性分子を有する鎖状分子を用い、
鎖状分子がアニオンまたはアニオン性分子に巻き付くことによって第１の分子および第２の分子が互いに近づくことにより電子または励起の授受を行う
ことを特徴とするイオンセンシング方法である。
【００１１】
この発明の第６の発明は、
互いに異なる第１の分子および第２の分子を両端に有し、かつ、分子鎖中にアニオンまたはアニオン性分子とカチオンまたはカチオン性分子との一方を有する鎖状分子が複数連結されたものを用い、
少なくとも一つの鎖状分子がカチオンまたはカチオン性分子とアニオンまたはアニオン性分子との一方に巻き付くことによって第１の分子および第２の分子が互いに近づくことにより電子または励起の授受を行う
ことを特徴とするイオンセンシング方法である。
【００１２】
第１〜第６の発明においては、測定対象となる系にイオンセンサーを接触させたとき、その系にカチオンまたはカチオン性分子あるいはアニオンまたはアニオン性分子あるいはそれらの両者が存在すると、分子鎖中にアニオンまたはアニオン性分子を有する鎖状分子はそのカチオンまたはカチオン性分子に巻き付き、分子鎖中にカチオンまたはカチオン性分子を有する鎖状分子はそのアニオンまたはアニオン性分子に巻き付き、それによって第１の分子および第２の分子が互いに近づくことにより電子または励起（エネルギー、励起子）の授受を行う。このように鎖状分子がカチオンまたはカチオン性分子あるいはアニオンまたはアニオン性分子に巻き付いた状態は、一般には、鎖状分子がその分子鎖中に有するアニオンまたはアニオン性分子あるいはカチオンまたはカチオン性分子と系に存在するカチオンまたはカチオン性分子あるいはアニオンまたはアニオン性分子とが非常に穏やかなイオン性の結合で擬似的な錯体を形成した状態と考えることができる。第１の分子および第２の分子が互いに近づくことにより、すなわちそれらの分子間距離が短くなることにより電子または励起の授受が行われるのは、それらの電子雲が互いに重なったり、エネルギー移動が起きやすくなるためである。なお、以上の説明からも明らかであるが、鎖状分子のカチオンまたはカチオン性分子あるいはアニオンまたはアニオン性分子への巻き付き方は、巻き付きによって鎖状分子の両端の第１の分子および第２の分子が互いに近づくことにより電子または励起の授受が行われる限り、カチオンまたはカチオン性分子あるいはアニオンまたはアニオン性分子の円周の一部に巻き付くだけでもよい。
【００１３】
鎖状分子は、その分子鎖中に有するアニオンまたはアニオン性分子あるいはカチオンまたはカチオン性分子がカチオンまたはカチオン性分子あるいはアニオンまたはアニオン性分子と接近したとき、その形が変わることによりそのカチオンまたはカチオン性分子あるいはアニオンまたはアニオン性分子に巻き付くことができ、さらにその両端に第１の分子および第２の分子として必要なものを結合することができる限り、基本的にはどのようなものを用いてもよい。この鎖状分子は、その結合鎖が主としてσ結合で構成されていてそのσ結合の周りの回転の自由度により三次元的にほぼ自由な構造を取ることができるものであることが望ましい。この鎖状分子は、測定対象が水溶液であるような場合には、疎水性相互作用による形状変化を防止するため、親水性であることが望ましい。
【００１４】
鎖状分子の具体的をいくつか挙げると、複数のエチレングリコールがσ結合で結合したエチレングリコール鎖や、
【化１】

に示すようなものや、
【化２】

に示すように複数の芳香環がσ結合で結合したものなどを用いることができる。この鎖状分子としては、複数のアミノ酸がペプチド結合で結合したポリペプチド鎖を用いることもできる。アミノ酸にはその側鎖によって親水性のものと疎水性のものとがあることから、親水性のアミノ酸を用いてポリペプチド鎖を構成することにより、親水性に優れた鎖状分子を容易に得ることができる。また、親水性のアミノ酸の側鎖には正電荷を持つもの（ヒスチジン、リシン、アルギニン）と負電荷を持つもの（アスパラギン酸、グルタミン酸）とがあることから、その正電荷を持つ側鎖をカチオンまたはカチオン性分子に、その負電荷を持つ側鎖をアニオンまたはアニオン性分子に対応させて考えれば、ポリペプチド鎖を構成するアミノ酸として側鎖が正電荷あるいは負電荷を持つものを用いることによって、分子鎖中にアニオンまたはアニオン性分子あるいはカチオンまたはカチオン性分子を有する鎖状分子を容易に得ることができる。しかも、ポリペプチド鎖は、ＤＮＡまたはＲＮＡの塩基配列を利用して所望のアミノ酸配列のものを容易に得ることができる。鎖状分子としてはさらに、複数のヌクレオチドがホスホジエステル結合で結合したポリヌクレオチド鎖（核酸）を用いることも可能である。
【００１５】
鎖状分子の長さは、検出しようとするイオン、すなわちカチオンまたはカチオン性分子あるいはアニオンまたはアニオン性分子に巻き付くことができる限り、基本的にはどのような長さであってもよい。鎖状分子の長さを一つの目安で示すと次のとおりである。主な元素のイオン半径を元素名に続く括弧内にÅ単位で示すと、Ａｌ（０．５４）、Ａｓ（０．４６）、Ａｕ（１．３７）、Ｂａ（１．６１）、Ｃａ（１．１２）、Ｃｒ⁺⁴（０．６２）、Ｃｒ⁺⁶（０．４４）、Ｃｕ（０．７３）、Ｆｅ⁺²（０．９２）、Ｆｅ⁺³（０．４９）、Ｈｇ（１．１４）、Ｋ（１．６４）、Ｌｉ（０．９２）、Ｍｇ（０．８９）、Ｎａ（１．３９）、Ｚｎ（０．８９）（価数が複数存在しにくいと考えられる元素については価数を省略した）であり、Ｃｒ⁺⁶の０．４４ÅからＫの１．６４Åの範囲内にあることから、イオンの円周では２．７６Åから１０．２９Åの範囲にある。鎖状分子の長さはこのイオンの円周より長ければ基本的には足りると考えられるが、鎖状分子の両端の第１の分子および第２の分子が嵩高いものである場合には、これを考慮して余裕をみるとイオンの円周の２〜３倍程度以上あれば足りると考えられる。鎖状分子の長さは、一般には３０〜４０Å（３〜４ｎｍ）程度あれば、上記の全てのイオンに十分に巻き付くことができると考えられる。一方、鎖状分子の長さが不必要に長すぎると、カチオンまたはカチオン性分子あるいはアニオンまたはアニオン性分子に巻き付いたときに、その両端の第１の分子および第２の分子が互いに近づきにくくなる上、鎖状分子同士の絡み合いも生じやすくなり、イオンセンシングに不都合が生じることから、カチオンまたはカチオン性分子あるいはアニオンまたはアニオン性分子に巻き付くことができ、かつ、巻き付いたときに第１の分子および第２の分子が互いに近づくのに必要最小限の長さにするのが望ましい。
【００１６】
特に鎖状分子がエチレングリコール鎖である場合を考えると、その長さ（計算値）はエチレングリコールの数が３、４、５、６、７、８、９、１０、１１、１２のとき、それぞれ１２．０６Å、１５．５７５Å、１９．１２１Å、２２．６４２Å、２６．１８６Å、２９．７０９Å、３３．２４９Å、３６．７７３Å、４０．３１４Å、４３．８３９Åであるので、エチレングリコールの数が９〜１０、余裕をみて９〜１２あれば、上記の全てのイオンに十分に巻き付くことができると考えられる。ただし、例えば、イオン半径が０．４４Åでイオンの円周が２．７６ÅのＣｒ⁺⁶のようなイオン半径が十分に小さいイオンを検出する場合には、エチレングリコールの数が３のエチレングリコール鎖（トリエチレングリコール）でも十分に巻き付くことができると考えられる。従って、エチレングリコール鎖では、検出するイオンの半径にもよるが、エチレングリコールの数は一般には３〜１２である。
鎖状分子の分子鎖中に有するアニオンまたはアニオン性分子あるいはカチオンまたはカチオン性分子としては種々のものを用いることができ、必要に応じて最適なものが選ばれる。
【００１７】
鎖状分子の両端の第１の分子および第２の分子としては、使用する鎖状分子の種類などに応じて最適なものが選ばれる。イオンセンシングの感度の向上を図る観点からは、これらの第１の分子および第２の分子は、鎖状分子と親和性を持たない疎水性を有するものであることが望ましい。これは、鎖状分子がカチオンまたはカチオン性分子あるいはアニオンまたはアニオン性分子に巻き付いていないときに、鎖状分子とその両端の第１の分子および第２の分子とが互いに近づくような形状変化が起きるのを防止するためである。これらの第１の分子および第２の分子としては、典型的には、最高被占軌道（ＨＯＭＯ）のエネルギーが互いに異なるものが用いられる。この場合、ＨＯＭＯのエネルギーが高い方の分子が電子供与性の分子（ドナー分子）、低い方の分子が電子吸引性の分子（アクセプター分子）となる。これらの電子供与性の分子および電子吸引性の分子としては種々のものを用いることができ、使用する鎖状分子の種類などに応じて最適なものが選ばれるが、具体例を挙げると、電子供与性の分子はポルフィリン、フェロセン、キノン、チオフェンなど、電子吸引性の分子はフラーレン、ＴＣＮＱ（７，７，８，８−テトラシアノキノジメタン）、まだ酸化され得る二価の鉄などである。典型的な一つの例を挙げると、鎖状分子がエチレングリコール鎖であり、その一端に電子供与性の分子としてポルフィリンを有し、他端に電子吸引性の分子としてフラーレンを有するものである。
【００１８】
第１の分子および第２の分子が互いに近づくことによる電子または励起の授受は、例えば、電気化学的測定（サイクリックボルタンメトリ）や光学的測定、例えば蛍光測定により検出することが可能である。このうちサイクリックボルタンメトリは溶液系の電位差を測る際に一般的に行われている測定方法で、電子供与性の分子から電子吸引性の分子にどの程度電子が流れやすくなるかを見積もることができる測定方法である。一方、蛍光測定は、電子供与性分子のもともとの蛍光ピークが弱くなる（消光する) ことで電子吸引性分子に電子が受け渡されたことを確認することができる測定方法である。
【００１９】
鎖状分子に巻き付いたカチオンまたはカチオン性分子あるいはアニオンまたはアニオン性分子を鎖状分子から離す方法としては、例えば次のような方法を用いることができる。上述のように、鎖状分子がその分子鎖中に有するアニオンまたはアニオン性分子あるいはカチオンまたはカチオン性分子と、この鎖状分子に巻き付いたカチオンまたはカチオン性分子あるいはアニオンまたはアニオン性分子とは、非常に穏やかなイオン性の結合で擬似的な錯体を形成していると考えることができる。従って、カチオンまたはカチオン性分子あるいはアニオンまたはアニオン性分子が巻き付いた鎖状分子を、より強いイオン性の物質が存在する雰囲気に置けば、鎖状分子に巻き付いたカチオンまたはカチオン性分子あるいはアニオンまたはアニオン性分子は鎖状分子から簡単に離れていく。具体的には、例えば、分子鎖中にアニオンまたはアニオン性分子を有する鎖状分子がカチオンまたはカチオン性分子に巻き付いたものが溶液中にある場合を考えると、この溶液に強酸性の液体（例えば、含塩酸溶媒）などを加え、分液漏斗など、混合させた後に分離がしやすいものの中に入れるなどすれば、そのカチオンまたはカチオン性分子を簡単に離すことができる。
【００２０】
第３および第６の発明において、複数の鎖状分子は、同一種類のものであっても二種類以上のものであってもよく、また、同一の長さのものであっても異なる長さのものであってもよい。また、複数の鎖状分子には、分子鎖中にカチオンまたはカチオン性分子を有する鎖状分子と、分子鎖中にアニオンまたはアニオン性分子を有する鎖状分子とが含まれてもよい。複数の鎖状分子の連結には、好適には、主としてσ結合で構成された分子鎖が用いられる。これは、鎖状分子と同様に、この分子鎖がそのσ結合の周りの回転の自由度により三次元的にほぼ自由な構造をとることができるようにするのが望ましいためである。この分子鎖で連結された複数の鎖状分子は擬似的な高分子と考えることができる。この連結用の分子鎖の長さは、この分子鎖の一端にある第１の分子または第２の分子と他端にある第２の分子または第１の分子とが互いに影響し合わない程度の距離離れるような長さとするのが望ましい。具体的には、この分子鎖の長さは、例えば２０ｎｍ（２００Å）程度以上とするのが望ましい。この分子鎖としては、具体的には、例えばアルキル鎖などを用いることができる。
【００２１】
上記のイオンセンサおよびイオンセンシング方法の原理は、スイッチ素子あるいはスイッチング方法に応用することができ、さらにはイオン担持体あるいはイオン担持方法に応用することもできる。
すなわち、この発明の第７の発明は、
互いに異なる第１の分子および第２の分子を両端に有し、かつ、分子鎖中にアニオンまたはアニオン性分子を有する鎖状分子を用いた
ことを特徴とするスイッチ素子である。
【００２２】
この発明の第８の発明は、
互いに異なる第１の分子および第２の分子を両端に有し、かつ、分子鎖中にカチオンまたはカチオン性分子を有する鎖状分子を用いた
ことを特徴とするスイッチ素子である。
【００２３】
この発明の第９の発明は、
互いに異なる第１の分子および第２の分子を両端に有し、かつ、分子鎖中にアニオンまたはアニオン性分子とカチオンまたはカチオン性分子との一方を有する鎖状分子が複数連結されたものを用いた
ことを特徴とするスイッチ素子である。
【００２４】
この発明の第１０の発明は、
互いに異なる第１の分子および第２の分子を両端に有し、かつ、分子鎖中にアニオンまたはアニオン性分子を有する鎖状分子を用い、
鎖状分子がカチオンまたはカチオン性分子に巻き付くことによって第１の分子および第２の分子が互いに近づくことにより電子または励起の授受を行う
ことを特徴とするスイッチング方法である。
【００２５】
この発明の第１１の発明は、
互いに異なる第１の分子および第２の分子を両端に有し、かつ、分子鎖中にカチオンまたはカチオン性分子を有する鎖状分子を用い、
鎖状分子がアニオンまたはアニオン性分子に巻き付くことによって第１の分子および第２の分子が互いに近づくことにより電子または励起の授受を行う
ことを特徴とするスイッチング方法である。
【００２６】
この発明の第１２の発明は、
互いに異なる第１の分子および第２の分子を両端に有し、かつ、分子鎖中にアニオンまたはアニオン性分子とカチオンまたはカチオン性分子との一方を有する鎖状分子が複数連結されたものを用い、
少なくとも一つの鎖状分子がカチオンまたはカチオン性分子とアニオンまたはアニオン性分子との一方に巻き付くことによって第１の分子および第２の分子が互いに近づくことにより電子または励起の授受を行う
ことを特徴とするスイッチング方法である。
【００２７】
この発明の第１３の発明は、
互いに異なる第１の分子および第２の分子を両端に有し、かつ、分子鎖中にアニオンまたはアニオン性分子を有する鎖状分子を用いた
ことを特徴とするイオン担持体である。
【００２８】
この発明の第１４の発明は、
互いに異なる第１の分子および第２の分子を両端に有し、かつ、分子鎖中にカチオンまたはカチオン性分子を有する鎖状分子を用いた
ことを特徴とするイオン担持体である。
【００２９】
この発明の第１５の発明は、
互いに異なる第１の分子および第２の分子を両端に有し、かつ、分子鎖中にアニオンまたはアニオン性分子とカチオンまたはカチオン性分子との一方を有する鎖状分子が複数連結されたものを用いた
ことを特徴とするイオン担持体である。
【００３０】
この発明の第１６の発明は、
互いに異なる第１の分子および第２の分子を両端に有し、かつ、分子鎖中にアニオンまたはアニオン性分子を有する鎖状分子を用い、
鎖状分子がカチオンまたはカチオン性分子に巻き付く
ことを特徴とするイオン担持方法である。
【００３１】
この発明の第１７の発明は、
互いに異なる第１の分子および第２の分子を両端に有し、かつ、分子鎖中にカチオンまたはカチオン性分子を有する鎖状分子を用い、
鎖状分子がアニオンまたはアニオン性分子に巻き付く
ことを特徴とするイオン担持方法である。
【００３２】
この発明の第１８の発明は、
互いに異なる第１の分子および第２の分子を両端に有し、かつ、分子鎖中にアニオンまたはアニオン性分子とカチオンまたはカチオン性分子との一方を有する鎖状分子が複数連結されたものを用い、
少なくとも一つの鎖状分子がカチオンまたはカチオン性分子とアニオンまたはアニオン性分子との一方に巻き付く
ことを特徴とするイオン担持方法である。
第７〜第１８の発明においては、その性質に反しない限り、第１〜第６の発明に関連して述べたことが成立する。
【００３３】
上述のように構成された、この発明によるイオンセンサおよびイオンセンシング方法によれば、鎖状分子の長さをセンシングしようとするイオンの種類に応じて適切な長さにすることにより、一種類の鎖状分子で多種類のイオンをセンシングすることができる。
上述のように構成された、この発明によるスイッチ素子およびスイッチング方法によれば、鎖状分子がカチオンまたはカチオン性分子とアニオンまたはアニオン性分子との一方に巻き付くことによって第１の分子および第２の分子が互いに近づくことにより電子または励起の授受を行うことを利用して、スイッチングを行うことができる。
上述のように構成された、この発明によるイオン担持体およびイオン担持方法によれば、鎖状分子がカチオンまたはカチオン性分子とアニオンまたはアニオン性分子との一方に巻き付くことを利用してイオン担持を行うことができる。
【００３４】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。なお、実施形態の全図において、同一または対応する部分には同一の符号を付す。
図１はこの発明の第１の実施形態によるイオンセンサーにおいて用いるセンサー分子を示す。
【００３５】
図１に示すように、このセンサー分子は、エチレングリコール鎖１１の両端に電子供与性分子（ドナー分子）１２および電子吸引性分子（アクセプター分子）１３が化学的に結合した三分子連結分子からなる。エチレングリコール鎖１１はｎ個のエチレングリコール（ＨＯＣＨ₂ＣＨ₂ＯＨ）からなる。ここで、ｎはセンシングしようとするイオンのイオン半径に応じて決定されるが、例えば３〜１２である。電子供与性分子１２および電子吸引性分子１３は、例えばすでに挙げた分子の中から必要に応じて選ぶことができるが、イオンセンシングの感度の向上を図るためには、好適には、エチレングリコール鎖１１との親和性を持たない疎水性を有する分子が用いられる。このセンサー分子は、エチレングリコール鎖１１の両端に電子供与性分子１２および電子吸引性分子１３を化学合成の手法により結合させることで容易に得ることができる。
【００３６】
このイオンセンサーにおいては、上記の三分子連結分子からなるセンサー分子は、好適には、分子動力学的に自由度を持った状態で保持される。具体的には、このセンサー分子は、完全に固体になった状態で存在するのではなく、溶液内、ゲル内、あるいは気体内に容器などを用いて保持される。
【００３７】
次に、このイオンセンサーによるイオンセンシングの方法について説明する。図２はこのイオンセンシングの原理を示す。
まず、イオンセンシングを行おうとする系（溶液、気体など）にこのイオンセンサーを接触させる。具体的には、例えば、イオンセンシングを行おうとする溶液にこのイオンセンサーを入れるか、あらかじめイオンセンサーを入れた容器にイオンセンシングを行おうとする溶液を入れる。イオンセンシングを行おうとする系にカチオンまたはカチオン性の分子が存在すると、エチレングリコール鎖１１を構成する各エチレングリコール中の酸素原子はアニオン性を持ち合わせているので、このエチレングリコール鎖１１はそのカチオンまたはカチオン性の分子を包み込むように巻き付いていく（図２中右の図に示す状態）。イオンセンシングを行おうとする系に多種類のカチオンまたはカチオン性の分子が存在する場合には、各センサー分子のエチレングリコール鎖１１として長さが異なるものを用意しておくことにより、その長さに応じた種類のカチオンまたはカチオン性の分子に巻き付く。この巻き付きの結果、エチレングリコール鎖１１の両端の電子供与性分子１２および電子吸引性分子１３が物理的に互いに近づき、それらの電子雲が互いに重なるようになる。これにより、電子供与性分子１２から電子吸引性分子１３に電子または励起が移動する。この電子または励起の移動は、電気化学的性質または光学的性質の変化を伴うことから、電気化学的測定または蛍光測定により確認が可能である。従って、この電子または励起の移動が測定された場合には、イオンセンシングを行おうとする系にカチオンまたはカチオン性の分子が存在することが分かる。こうして、カチオンまたはカチオン性の分子を検出することができ、イオンセンシングを行うことができる。
【００３８】
上述のようにしてエチレングリコール鎖１１が巻き付いたカチオンまたはカチオン性の分子をエチレングリコール鎖１１から離すためには、言い換えればイオンセンサーをセンシングを行う前の状態に戻すためには、例えば、センサー分子が溶けた溶液に強酸性の液体、例えば含塩酸溶媒などを加えて混合すればよい。
【００３９】
以上のように、この第１の実施形態によれば、エチレングリコール鎖１１の両端に電子供与性分子１２および電子吸引性分子１３が化学的に結合した三分子連結分子からなる一種類のセンサー分子で他種類のカチオンまたはカチオン性のセンシングを行うことができ、従来にない新規な動作原理に基づくイオンセンサーを実現することができる。
【００４０】
実施例
センサー分子の合成を次のようにして行った。まず、図３に示すように、エチレングリコール鎖１１としてテトラエチレングリコール（図３中のｎ＝１）またはヘキサエチレングリコール（図３中のｎ＝２）を用意し、これにベンゼン中でＳＯＣｌ₂を反応させて両端のＯＨをＣｌに置換する。
【００４１】
一方、エチレングリコール鎖１１の一端に結合させる電子供与性分子１２として、ポルフィリンの一例である5-(4-hydroxyphenyl),10,15,20-triphenylporphyrin を図４に示す反応により合成する。
また、エチレングリコール鎖１１の他端に結合させる電子吸引性分子１３として、フラーレンの一例である[6,6]-4-hydroxybenzophenyl-[60]fullereneを図５に示す反応により合成する。
【００４２】
次に、図３に示す反応により得られた分子と図４に示す反応により得られた分子と図５に示す反応により得られた分子とを図６に示すように反応させる。その結果、エチレングリコール鎖（テトラエチレングリコールまたはヘキサエチレングリコール）の両端に5-(4-hydroxyphenyl),10,15,20-triphenylporphyrin および[6,6]-4-hydroxybenzophenyl-[60]fullereneが結合した三分子連結分子が合成された。
【００４３】
上述のようにして合成されたセンサー分子を分光グレードのベンゼンを精製した溶媒に溶かし、この溶液にチオ硫酸カリウム由来のカリウムイオン（Ｋ⁺）を０から１２０モル％加え、このカリウムイオンにエチレングリコール鎖を巻き付かせた。この状態でセンサー分子の蛍光測定を行った結果を図７に示す。カリウムイオンへのエチレングリコール鎖の巻き付きにより、その両端のポルフィリン（5-(4-hydroxyphenyl),10,15,20-triphenylporphyrin)およびフラーレン（[6,6]-4-hydroxybenzophenyl-[60]fullerene）が互いに近づくことにより、ポルフィリンからフラーレンに電子または励起の移動が起こる結果、ポルフィリン由来の蛍光が失われるが、図５はその消光が定量的に起こっていることを示している。これは、この消光の様子から溶液中のカリウムイオンの濃度の測定が可能であることを意味する。
【００４４】
次に、この発明の第２の実施形態によるイオンセンサーについて説明する。
図８はこのイオンセンサーにおいて用いるセンサー分子を示す。
図８に示すように、このセンサー分子は、エチレングリコール鎖１１の両端に電子供与性分子１２および電子吸引性分子１３が化学的に結合した三分子連結分子が連結用鎖状分子１４を介して複数連結されたものであり、擬似的な高分子構造を有する。各三分子連結分子のエチレングリコール鎖１１の長さ（例えば、ｎ＝３〜１２）は互いに同一であってもよいが、ここでは、一つのセンサー分子で他種類のイオンのセンシングを可能とするため、これらの三分子連結分子のエチレングリコール鎖１１には、各イオンのセンシングに最適な長さのものが含まれるようにする。より具体的には、例えば、仮に、互いにイオン半径が大きく異なる二種類のカチオンまたはカチオン性の分子のセンシングを行う場合を考えると、少なくとも一つの三分子連結分子のエチレングリコール鎖１１はイオン半径が小さい方のカチオンまたはカチオン性の分子に巻き付くのに最適な長さとし、他の少なくとも一つの三分子連結分子のエチレングリコール鎖１１はイオン半径が大きい方のカチオンまたはカチオン性の分子に巻き付くのに最適な長さとする。連結用鎖状分子１４としては、好適には、主としてσ結合で構成された回転自由度が高いものが用いられ、具体的には例えばアルキル鎖が用いられる。また、この連結用鎖状分子１４の長さは、この連結用鎖状分子１４を介して互いに隣接する三分子連結分子同士が互いに影響し合わない程度の長さであることが望ましく、具体的には例えば２０〜３０ｎｍ程度とする。
センサー分子の上記以外のことは第１の実施形態と同様であるので、説明を省略する。
【００４５】
次に、このイオンセンサーによるイオンセンシングの方法について説明する。図９はこのイオンセンシングの原理を示す。
まず、イオンセンシングを行おうとする系（溶液、気体など）にこのイオンセンサーを接触させる。いま、例えば、イオンセンシングを行おうとする系に互いにイオン半径が大きく異なる二種類のカチオンまたはカチオン性の分子が存在するとすると、イオン半径が小さい方のカチオンまたはカチオン性の分子への巻き付きに最適な長さのエチレングリコール鎖１１がそのカチオンまたはカチオン性の分子に巻き付くとともに、イオン半径が大きい方のカチオンまたはカチオン性の分子への巻き付きに最適な長さのエチレングリコール鎖１１がそのカチオンまたはカチオン性の分子に巻き付く（図９中下の図に示す状態）。この巻き付きの結果、各三分子連結分子のエチレングリコール鎖１１の両端の電子供与性分子１２および電子吸引性分子１３が物理的に互いに近づいてそれらの電子雲が互いに重なることにより電子供与性分子１２から電子吸引性分子１３に電子または励起が移動し、これが電気化学的測定または蛍光測定により確認されることでカチオンまたはカチオン性の分子を検出することができ、イオンセンシングを行うことができる。
イオンセンシングの方法の上記以外のことは、第１の実施形態と同様であるので、説明を省略する。
【００４６】
この第２の実施形態によれば、一種類の一つのセンサー分子で多種類のカチオンまたはカチオン性のセンシングを行うことができ、従来にない新規な動作原理に基づくイオンセンサーを実現することができる。また、このセンサー分子は擬似的な高分子構造を有するため、連結用鎖状分子１４を適切な長さにすることにより、ゲル化が可能であり、取り扱いが容易になる利点もある。
【００４７】
次に、この発明の第３の実施形態によるスイッチ素子について説明する。図１０にこのスイッチ素子を示す。
図１０に示すように、このスイッチ素子は、第１の実施形態のイオンセンサーにおけるセンサー分子と同様な構成のスイッチ分子を用い、その両端の電子供与性分子１２および電子吸引性分子１３にそれぞれ分子配線１５および分子配線１６を結合したものである。分子配線１５および分子配線１６としては、例えば導電性高分子を用いることができる。エチレングリコール鎖１１、電子供与性分子１２および電子吸引性分子１３については第１の実施形態と同様であるので、説明を省略する。
【００４８】
次に、このスイッチ素子のスイッチングの方法について説明する。
このスイッチ素子においては、例えば、少なくともそのエチレングリコール鎖１１の部分がカチオンまたはカチオン性の分子が存在する溶液に接触するようにする。エチレングリコール鎖１１がカチオンまたはカチオン性の分子に巻き付いていない場合には、エチレングリコール鎖１１の両端の電子供与性分子１２および電子吸引性分子１３は互いに離れており、それらの電子雲が互いに重なっていないため、電子供与性分子１２から電子吸引性分子１３に電子または励起が移動せず、電子供与性分子１２と電子吸引性分子１３との間は絶縁状態にある。この状態がスイッチオフの状態である。次に、エチレングリコール鎖１１がカチオンまたはカチオン性の分子に巻き付くと、エチレングリコール鎖１１の両端の電子供与性分子１２および電子吸引性分子１３が物理的に互いに近づいてそれらの電子雲が互いに重なり、電子供与性分子１２から電子吸引性分子１３に電子または励起が移動するようになる。このとき、電子供与性分子１２と電子吸引性分子１３との間は導通状態にあり、従ってこのスイッチ素子を介して分子配線１５と分子配線１６との間に電流が流れる。
【００４９】
図１１は、電子供与性分子１２および電子吸引性分子１３の最低空軌道（ＬＵＭＯ）および最高被占軌道（ＨＯＭＯ）のエネルギーと、電子供与性分子１２および電子吸引性分子１３の電子雲が互いに重なった状態のＬＵＭＯおよびＨＯＭＯのエネルギーとを示す。上記のスイッチオンの状態では、この電子供与性分子１２および電子吸引性分子１３の電子雲が互いに重なった状態のＬＵＭＯのエネルギー準位は分子配線１５、１６のフェルミエネルギーとほぼ一致しており、このエネルギー準位を介してそれらの間で電子または励起の移動が起きる。
【００５０】
スイッチオンの状態からスイッチオフの状態に戻すためには、エチレングリコール鎖１１が巻き付いたカチオンまたはカチオン性の分子を第１の実施形態と同様な方法でエチレングリコール鎖１１から離せばよい。
【００５１】
この第３の実施形態によれば、エチレングリコール鎖１１の両端に電子供与性分子１２および電子吸引性分子１３が化学的に結合した三分子連結分子からなるスイッチ分子を用いてスイッチングを行うことができ、従来にない新規な動作原理に基づくスイッチ素子を実現することができる。
【００５２】
実施例
スイッチ分子および分子配線１５、１６の合成を次のようにして行った。
第１の実施形態の実施例と同様に、エチレングリコール鎖１１としてテトラエチレングリコールまたはヘキサエチレングリコール、電子供与性分子１２としてポルフィリン、電子吸引性分子１３としてフラーレンを用意する。
ポルフィリンを用いて、図１２〜図１４に示す手順でポルフィリン−ポリチオフェン誘導体を合成し、電子供与性分子１２としてのポルフィリンに導電性高分子からなる分子配線１５が結合したものを得た（非特許文献７参照）。また、フラーレンを用いて、図１５に示すように、電子吸引性分子１３としてのフラーレンに導電性高分子からなる分子配線１６が結合したものを得た（非特許文献８参照）。
【００５３】
第１の実施形態の実施例と同様の方法で、エチレングリコール鎖１１としてのテトラエチレングリコールまたはヘキサエチレングリコール、電子供与性分子１２としてのポルフィリンに導電性高分子からなる分子配線１５が結合したもの、および、電子吸引性分子１３としてのフラーレンに導電性高分子からなる分子配線１６が結合したものを結合して、分子配線１５、１６を有する三分子連結分子からなるスイッチ素子を合成した。
【００５４】
次に、この発明の第４の実施形態によるスイッチ素子について説明する。図１６にこのスイッチ素子を示す。
図１６に示すように、このスイッチ素子は、第１の実施形態のイオンセンサーにおけるセンサー分子と同様な構成のスイッチ分子を用い、その一端の電子吸引性分子１３に分子配線１５および分子配線１６を結合し、他端は自由端としたものである。分子配線１５および分子配線１６としては、例えば導電性高分子を用いることができる。エチレングリコール鎖１１、電子供与性分子１２および電子吸引性分子１３については第１の実施形態と同様であるので、説明を省略する。
【００５５】
次に、このスイッチ素子のスイッチングの方法について説明する。
このスイッチ素子においては、例えば、少なくともそのエチレングリコール鎖１１の部分がカチオンまたはカチオン性の分子が存在する溶液に接触するようにする。第３の実施形態と同様に、エチレングリコール鎖１１がカチオンまたはカチオン性の分子に巻き付いていない状態がスイッチオフの状態である。次に、エチレングリコール鎖１１がカチオンまたはカチオン性の分子に巻き付くと、エチレングリコール鎖１１の両端の電子供与性分子１２および電子吸引性分子１３が物理的に互いに近づいてそれらの電子雲が互いに重なり、電子供与性分子１２から電子吸引性分子１３に電子または励起が移動するようになる。この電子または励起は分子回路上で見ると余剰のものであるので、分子配線１５と分子配線１６との間が導通状態となる。この状態がスイッチオンの状態である。
【００５６】
図１７は、電子供与性分子１２および電子吸引性分子１３のＬＵＭＯおよびＨＯＭＯのエネルギーと、電子供与性分子１２および電子吸引性分子１３の電子雲が互いに重なった状態のＬＵＭＯおよびＨＯＭＯのエネルギーと、分子配線１５、１６のエネルギー準位とを示す。上記のスイッチオンの状態では、電子供与性分子１２および電子吸引性分子１３の電子雲が互いに重なった状態のスイッチ分子のＬＵＭＯのエネルギー準位は分子配線１５、１６のフェルミエネルギーとほぼ一致しており、このエネルギー準位を介してそれらの間で電子または励起の移動が起きる。
スイッチオンの状態からスイッチオフの状態に戻す方法は第３の実施形態と同様である。
この第４の実施形態によれば、第３の実施形態と同様に、従来にない新規な動作原理に基づく分子スイッチ素子を実現することができる。
【００５７】
次に、この発明の第５の実施形態によるイオン担持体について説明する。
このイオン担持体は、第１の実施形態によるイオンセンサーと同様に、図１に示す三分子連結分子からなる。そして、このイオン担持体のエチレングリコール鎖１１を第１の実施形態と同様にしてカチオンまたはカチオン性分子に巻き付かせ、イオン担持を行う。
この第５の実施形態によれば、一種類の分子で多種類のイオンを担持することができる。このイオン担持体は、例えば、所望の材料を作製する際の原料として用いることができる。
【００５８】
次に、この発明の第６の実施形態によるイオン担持体について説明する。
このイオン担持体は、第２の実施形態によるイオンセンサーと同様に、図８に示す、エチレングリコール鎖１１の両端に電子供与性分子１２および電子吸引性分子１３が化学的に結合した三分子連結分子が連結用鎖状分子１４を介して複数連結されたものからなる。そして、このイオン担持体の各エチレングリコール鎖１１を第２の実施形態と同様にしてカチオンまたはカチオン性分子に巻き付かせ、イオン担持を行う。
この第５の実施形態によれば、一種類の一つの分子で多種類のイオンを担持することができる。このイオン担持体は、例えば、所望の材料、特に複数の構成元素を用いた材料を作製する際の原料として好適に用いることができる。
【００５９】
以上、この発明の実施形態について具体的に説明したが、この発明は、上述の実施形態に限定されるものではなく、この発明の技術的思想に基づく各種の変形が可能である。
【００６０】
例えば、上述の実施形態において挙げた数値、構造、物質、原料、反応などはあくまでも例に過ぎず、必要に応じて、これらと異なる数値、構造、物質、原料、反応などを用いてもよい。
【００６１】
【発明の効果】
以上説明したように、この発明によるイオンセンサーおよびイオンセンシング方法によれば、一種類の分子で多種類のイオンをセンシングすることができる。また、この発明によるスイッチ素子およびスイッチング方法によれば、新規な動作原理に基づいてスイッチングを行うことができる。さらに、この発明によるイオン担持体およびイオン担持方法によれば、新規な動作原理に基づいてイオン担持を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の第１の実施形態によるイオンセンサーにおいて用いるセンサー分子を示す略線図である。
【図２】この発明の第１の実施形態によるイオンセンサーによるイオンのセンシング方法を説明するための略線図である。
【図３】この発明の第１の実施形態によるイオンセンサーにおいて用いるセンサー分子の合成方法を説明するための略線図である。
【図４】この発明の第１の実施形態によるイオンセンサーにおいて用いるセンサー分子の合成方法を説明するための略線図である。
【図５】この発明の第１の実施形態によるイオンセンサーにおいて用いるセンサー分子の合成方法を説明するための略線図である。
【図６】この発明の第１の実施形態によるイオンセンサーにおいて用いるセンサー分子の合成方法を説明するための略線図である。
【図７】この発明の第１の実施形態によるイオンセンサーにおいて用いるセンサー分子の蛍光測定の結果を示す略線図である。
【図８】この発明の第１の実施形態によるイオンセンサーにおいて用いるセンサー分子を示す略線図である。
【図９】この発明の第２の実施形態によるイオンセンサーによるイオンのセンシング方法を説明するための略線図である。
【図１０】この発明の第３の実施形態によるスイッチ素子を示す略線図である。
【図１１】この発明の第３の実施形態によるスイッチ素子のスイッチング方法を説明するための略線図である。
【図１２】この発明の第３の実施形態によるスイッチ素子において用いるスイッチ分子の合成方法を説明するための略線図である。
【図１３】この発明の第３の実施形態によるスイッチ素子において用いるスイッチ分子の合成方法を説明するための略線図である。
【図１４】この発明の第３の実施形態によるスイッチ素子において用いるスイッチ分子の合成方法を説明するための略線図である。
【図１５】この発明の第３の実施形態によるスイッチ素子において用いるスイッチ分子の合成方法を説明するための略線図である。
【図１６】この発明の第４の実施形態によるスイッチ素子を示す略線図である。
【図１７】この発明の第４の実施形態によるスイッチ素子のスイッチング方法を説明するための略線図である。
【符号の説明】
１１…エチレングリコール鎖、１２…電子供与性分子、１３…電子吸引性分子、１４…連結用鎖状分子、１５、１６…分子配線[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to an ion sensor, an ion sensing method, a switch element, a switching method, an ion carrier, and an ion carrier method.
[0002]
[Prior art]
As conventional ion sensors, neutral carriers such as those using crown ether derivatives (Non-Patent

Documents

1, 2, and 3) and those using valinomycin (Non-Patent Documents 4, 5, and 6) are known.
[Non-Patent Document 1]
KIM, J., MCQUADE, D.T., MCHUGH, S.K., and SWAGER, T.M., Angew.Chem.
Int.Ed, Vol.39, No.21,3868-3872 (2000)
[Non-Patent Document 2]
MOORE, A.J., GOLDENBERG, L.M., BRYCE, M.R., PETTY, M.C., MOLONEY, J.,
HOWARD, J.A.K., JOYCE, M.J., and PORT, S.N., J.Org.Chem., Vol.65,
No.24,8269-8276 (2000)
[Non-Patent Document 3]
de WALL, S.L., MEADOWS, E.S., BARBOUR, L.J., and GOKEL, G.W., Chem
Commun, No. 16, 1553-1554 (1999)
[Non-Patent Document 4]
ZHU, J.Z., XIE, J.F., LU, D.R., ZHANG, G.X., and ZHANG, Z.R, Sens.Actuators B, Vol.B65, No.1 / 3,157-159 (2000)
[Non-Patent Document 5]
MALAVOLTI, E., CAGNINI, A., MASCINI, M., CAPUTO, G., and DELLA, CIANA.
L, Anal. Chim. Acta, Vol. 401, NO. 1/2, 129-136 (1999)
[Non-Patent Document 6]
MOWERY, K.A., SCHOENFISCH, M.H., BALIGA, N., WAHR, J.A., and
MEYERHOFF, M.E., Electroanalysis Vol.11, No.10 / 11,681-686 (1999)
[0003]
In addition, there are a report of a method of adding Br to porphyrin (Non-patent Document 7) and a report of a method of connecting a conductive polymer to fullerene (Non-patent Document 8).
[Non-Patent Document 7]
Tetrahedron, 58 (2002) 2405-2413
[Non-Patent Document 8]
Chem. Lett. (1999) 443
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
However, the above conventional ion sensor can sense only one type of ion per one type of molecule. For this reason, an ion sensor capable of sensing many types of ions having various ion radii with one type of molecule has been desired.
[0005]
Therefore, the problem to be solved by the present invention is to provide an ion sensor and an ion sensing method capable of sensing many kinds of ions with one kind of molecule.
Another problem to be solved by the present invention is to provide a novel switching element and switching method in which the principle of the ion sensor is applied to switching.
Still another problem to be solved by the present invention is to provide a novel ion carrier and ion carrying method in which the principle of the above ion sensor is applied to ion carrying.
[0006]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above problems, the first invention of the present invention is:
A chain molecule having a first molecule and a second molecule different from each other at both ends and having an anion or an anionic molecule in the molecular chain was used.
This is an ion sensor.
[0007]
The second invention of this invention is:
A chain molecule having a first molecule and a second molecule different from each other at both ends and having a cation or a cationic molecule in the molecular chain was used.
This is an ion sensor.
[0008]
The third invention of the present invention is:
Uses the first and second molecules which are different from each other at both ends, and a plurality of chain molecules each having one of an anion or an anionic molecule and a cation or a cationic molecule in the molecular chain. Was
This is an ion sensor.
[0009]
The fourth invention of the present invention is:
Using a chain molecule having a first molecule and a second molecule different from each other at both ends, and having an anion or an anionic molecule in the molecular chain,
When a chain molecule wraps around a cation or a cationic molecule, the first molecule and the second molecule approach each other to exchange electrons or excitation.
This is an ion sensing method.
[0010]
The fifth invention of the present invention is:
A chain molecule having a first molecule and a second molecule different from each other at both ends, and having a cation or a cationic molecule in the molecular chain,
When a chain molecule wraps around an anion or an anionic molecule, the first molecule and the second molecule approach each other to exchange electrons or excitation.
This is an ion sensing method.
[0011]
The sixth invention of the present invention is:
Using a structure in which a plurality of chain molecules each having a first molecule and a second molecule different from each other and having either an anion or an anionic molecule and a cation or a cationic molecule in the molecular chain are connected ,
When at least one chain molecule is wound around one of a cation or a cationic molecule and an anion or an anionic molecule, the first molecule and the second molecule approach each other to exchange electrons or excitation.
This is an ion sensing method.
[0012]
In the first to sixth inventions, when an ion sensor is brought into contact with a system to be measured, if a cation, a cationic molecule, an anion or an anionic molecule, or both of them are present in the system, A chain molecule having an anion or an anionic molecule wraps around the cation or cationic molecule, and a chain molecule having a cation or a cationic molecule in the molecular chain wraps around the anion or anionic molecule, whereby the first molecule When the second molecule approaches each other, electrons or excitation (energy, exciton) is transferred. The state in which a chain molecule is wound around a cation, a cationic molecule, an anion, or an anionic molecule is generally a system in which the chain molecule has an anion, an anionic molecule, a cation, or a cationic molecule in its molecular chain. It can be considered that a pseudo complex is formed by a very gentle ionic bond between a cation or a cationic molecule or an anion or an anionic molecule existing in a cation. When the first molecule and the second molecule approach each other, that is, when the distance between the molecules decreases, electrons or excitations are exchanged because the electron clouds overlap each other or energy transfer occurs. This is because it becomes easier. As is clear from the above description, how to wrap a chain molecule around a cation or a cationic molecule or an anion or an anion molecule is determined by winding the first molecule and the second molecule at both ends of the chain molecule. As long as electrons or excitations are exchanged by approaching each other, they may only wrap around a part of the circumference of the cation or cationic molecule or anion or anionic molecule.
[0013]
A chain molecule has its cation or cationic property by changing its shape when the anion or anionic molecule or cation or cationic molecule in the molecular chain approaches the cation or cationic molecule or anion or anionic molecule. As long as it is possible to wrap around a molecule or an anion or an anionic molecule, and can bind the necessary molecules as the first molecule and the second molecule to both ends thereof, basically what is used Also good. It is desirable that the chain molecule is one in which the bond chain is mainly composed of σ bonds and can have a three-dimensional almost free structure by the degree of freedom of rotation around the σ bond. In the case where the measurement target is an aqueous solution, the chain molecule is desirably hydrophilic in order to prevent a shape change due to hydrophobic interaction.
[0014]
Some specific examples of chain molecules include ethylene glycol chains in which multiple ethylene glycols are linked by σ bonds,
[Chemical 1]

As shown in
[Chemical 2]

As shown in FIG. 4, a material in which a plurality of aromatic rings are bonded by a σ bond can be used. As this chain molecule, a polypeptide chain in which a plurality of amino acids are bound by peptide bonds can also be used. Since amino acids are hydrophilic and hydrophobic depending on their side chains, a chain molecule with excellent hydrophilicity can be easily obtained by constructing a polypeptide chain using hydrophilic amino acids. be able to. In addition, the hydrophilic amino acid side chain has a positive charge (histidine, lysine, arginine) and a negative charge (aspartic acid, glutamic acid). Alternatively, if the negative chain of a cationic molecule is considered to correspond to an anion or an anionic molecule, by using an amino acid that constitutes a polypeptide chain, the side chain has a positive or negative charge, A chain molecule having an anion or an anionic molecule or a cation or a cationic molecule in the molecular chain can be easily obtained. Moreover, a polypeptide chain having a desired amino acid sequence can be easily obtained using the base sequence of DNA or RNA. As the chain molecule, it is also possible to use a polynucleotide chain (nucleic acid) in which a plurality of nucleotides are linked by a phosphodiester bond.
[0015]
The length of the chain molecule may be basically any length as long as it can be wound around the ion to be detected, that is, the cation or the cationic molecule or the anion or the anionic molecule. The length of the chain molecule is shown as one guideline as follows. When the ionic radius of the main element is indicated in Å in parentheses following the element name, Al (0.54), As (0.46), Au (1.37), Ba (1.61), Ca ( 1.12), Cr⁺⁴(0.62), Cr⁺⁶(0.44), Cu (0.73), Fe⁺²(0.92), Fe⁺³(0.49), Hg (1.14), K (1.64), Li (0.92), Mg (0.89), Na (1.39), Zn (0.89) (valence) Is omitted for elements that are considered to be difficult to exist.), Cr⁺⁶Therefore, it is in the range of 2.76 Å to 10.29 では on the circumference of the ions. If the length of the chain molecule is longer than the circumference of this ion, it is basically sufficient, but if the first molecule and the second molecule at both ends of the chain molecule are bulky, Considering this, it is considered that a margin of about 2 to 3 times the circumference of the ions is sufficient. If the length of the chain molecule is generally about 30 to 40 mm (3 to 4 nm), it is considered that the chain molecule can be sufficiently wound around all the above ions. On the other hand, if the length of the chain molecule is unnecessarily too long, the first molecule and the second molecule at both ends of the chain molecule are difficult to approach each other when wrapped around the cation or the cationic molecule or the anion or the anionic molecule. In addition, entanglement between chain molecules is likely to occur and inconvenience occurs in ion sensing. Therefore, the first molecule can be wound around the cation or the cationic molecule or the anion or the anionic molecule. It is desirable to have the minimum length necessary for the and second molecules to approach each other.
[0016]
In particular, considering the case where the chain molecule is an ethylene glycol chain, the length (calculated value) is 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12 when the number of ethylene glycol is The number of ethylene glycol is 9 because it is 12.06 mm, 15.575 mm, 19.121 mm, 22.642 mm, 26.186 mm, 29.709 mm, 33.249 mm, 36.773 mm, 40.314 mm, 43.839 mm, respectively. If it is 10 to 10 and 9 to 12 with a margin, it is considered that all the above ions can be sufficiently wound. However, for example, Cr having an ion radius of 0.44 mm and an ion circumference of 2.76 mm.⁺⁶In the case of detecting ions having a sufficiently small ion radius, it is considered that even an ethylene glycol chain having 3 ethylene glycols (triethylene glycol) can be sufficiently wound. Therefore, in the ethylene glycol chain, the number of ethylene glycol is generally 3 to 12 although it depends on the radius of ions to be detected.
Various anions, anionic molecules, or cations or cationic molecules can be used in the molecular chain of the chain molecule, and the optimum one is selected as necessary.
[0017]
As the first molecule and the second molecule at both ends of the chain molecule, optimal ones are selected according to the type of the chain molecule used. From the viewpoint of improving the sensitivity of ion sensing, it is desirable that the first molecule and the second molecule have a hydrophobic property that has no affinity for the chain molecule. This is because, when the chain molecule is not wound around the cation or the cationic molecule or the anion or the anionic molecule, the shape change such that the chain molecule and the first molecule and the second molecule at both ends thereof approach each other. This is to prevent it from happening. As the first molecule and the second molecule, those having different highest occupied orbital (HOMO) energies are typically used. In this case, a molecule having higher HOMO energy is an electron-donating molecule (donor molecule), and a molecule having a lower energy is an electron-withdrawing molecule (acceptor molecule). Various types of these electron-donating molecules and electron-withdrawing molecules can be used, and the most suitable one is selected according to the type of chain molecule to be used. Donating molecules are porphyrin, ferrocene, quinone, thiophene, etc. Electron-withdrawing molecules are fullerene, TCNQ (7,7,8,8-tetracyanoquinodimethane), divalent iron that can still be oxidized, etc. . As a typical example, the chain molecule is an ethylene glycol chain, having porphyrin as an electron donating molecule at one end and fullerene as an electron withdrawing molecule at the other end.
[0018]
The transfer of electrons or excitation due to the first molecule and the second molecule approaching each other can be detected by, for example, electrochemical measurement (cyclic voltammetry) or optical measurement such as fluorescence measurement. . Cyclic voltammetry is a measurement method commonly used to measure the potential difference of a solution system, and estimates how easily electrons flow from an electron-donating molecule to an electron-withdrawing molecule. It is a measurement method that can On the other hand, the fluorescence measurement is a measurement method capable of confirming that electrons have been transferred to the electron-withdrawing molecule by weakening (quenching) the original fluorescence peak of the electron-donating molecule.
[0019]
As a method of separating the cation or the cationic molecule or the anion or the anionic molecule wound around the chain molecule from the chain molecule, for example, the following method can be used. As described above, an anion, an anionic molecule, or a cation or a cationic molecule that a chain molecule has in its molecular chain, and a cation, a cationic molecule, an anion or an anionic molecule wound around the chain molecule are It can be considered that a pseudo complex is formed by a mild ionic bond. Therefore, if a chain molecule around which a cation or a cationic molecule or an anion or an anion molecule is wound is placed in an atmosphere where a stronger ionic substance is present, the cation or the cationic molecule or the anion or anion around the chain molecule Sex molecules are easily separated from chain molecules. Specifically, for example, when a case where a chain molecule having an anion or an anionic molecule in a molecular chain is wrapped around a cation or a cationic molecule is in a solution, a strongly acidic liquid (for example, , Hydrochloric acid-containing solvent) and the like, and then put into a separatory funnel or the like that can be easily separated after mixing, the cation or cationic molecule can be easily separated.
[0020]
In the third and sixth inventions, the plurality of chain molecules may be the same type or two or more types, and may have different lengths even if they have the same length. It may be. The plurality of chain molecules may include a chain molecule having a cation or a cationic molecule in the molecular chain and a chain molecule having an anion or an anionic molecule in the molecular chain. For linking a plurality of chain molecules, molecular chains mainly composed of σ bonds are preferably used. This is because, like a chain molecule, it is desirable that this molecular chain can have a three-dimensional almost free structure by the degree of freedom of rotation around its σ bond. A plurality of chain molecules connected by this molecular chain can be considered as a pseudo polymer. The length of the molecular chain for linking is such that the first molecule or the second molecule at one end of the molecular chain and the second molecule or the first molecule at the other end do not affect each other. It is desirable to make the length away from the distance. Specifically, the length of the molecular chain is desirably about 20 nm (200 cm) or more, for example. Specifically, for example, an alkyl chain can be used as this molecular chain.
[0021]
The principle of the above ion sensor and ion sensing method can be applied to a switch element or a switching method, and can also be applied to an ion carrier or an ion carrier method.
That is, the seventh invention of the present invention is
A chain molecule having a first molecule and a second molecule different from each other at both ends and having an anion or an anionic molecule in the molecular chain was used.
This is a switch element characterized by the above.
[0022]
The eighth invention of the present invention is:
A chain molecule having a first molecule and a second molecule different from each other at both ends and having a cation or a cationic molecule in the molecular chain was used.
This is a switch element characterized by the above.
[0023]
The ninth aspect of the present invention is:
Uses the first and second molecules which are different from each other at both ends, and a plurality of chain molecules each having one of an anion or an anionic molecule and a cation or a cationic molecule in the molecular chain. Was
This is a switch element characterized by the above.
[0024]
The tenth aspect of the present invention is:
A chain molecule having a first molecule and a second molecule different from each other at both ends, and having an anion or an anionic molecule in the molecular chain,
When a chain molecule wraps around a cation or a cationic molecule, the first molecule and the second molecule approach each other to exchange electrons or excitation.
It is the switching method characterized by this.
[0025]
The eleventh aspect of the present invention is:
A chain molecule having a first molecule and a second molecule different from each other at both ends, and having a cation or a cationic molecule in the molecular chain,
When a chain molecule wraps around an anion or an anionic molecule, the first molecule and the second molecule approach each other to exchange electrons or excitation.
It is the switching method characterized by this.
[0026]
The twelfth aspect of the present invention is
Using a structure in which a plurality of chain molecules each having a first molecule and a second molecule that are different from each other and having either an anion or an anionic molecule and a cation or a cationic molecule in the molecular chain are connected ,
When at least one chain molecule is wound around one of a cation or a cationic molecule and an anion or an anionic molecule, the first molecule and the second molecule approach each other to exchange electrons or excitation.
It is the switching method characterized by this.
[0027]
The thirteenth invention of the present invention is
A chain molecule having a first molecule and a second molecule different from each other at both ends and having an anion or an anionic molecule in the molecular chain was used.
An ion carrier characterized by the above.
[0028]
The fourteenth aspect of the present invention is:
A chain molecule having a first molecule and a second molecule different from each other at both ends and having a cation or a cationic molecule in the molecular chain was used.
An ion carrier characterized by the above.
[0029]
The fifteenth aspect of the present invention is:
Uses the first and second molecules which are different from each other at both ends, and a plurality of chain molecules each having one of an anion or an anionic molecule and a cation or a cationic molecule in the molecular chain. Was
An ion carrier characterized by the above.
[0030]
The sixteenth invention of the present invention is
A chain molecule having a first molecule and a second molecule different from each other at both ends, and having an anion or an anionic molecule in the molecular chain,
Chain molecule wraps around cation or cationic molecule
This is an ion carrying method.
[0031]
The seventeenth aspect of the present invention is:
A chain molecule having a first molecule and a second molecule different from each other at both ends, and having a cation or a cationic molecule in the molecular chain,
Chain molecules wrap around anions or anionic molecules
This is an ion carrying method.
[0032]
According to an eighteenth aspect of the present invention,
Using a structure in which a plurality of chain molecules each having a first molecule and a second molecule different from each other and having either an anion or an anionic molecule and a cation or a cationic molecule in the molecular chain are connected ,
At least one chain molecule wraps around one of a cation or cationic molecule and an anion or anionic molecule
This is an ion carrying method.
In the seventh to eighteenth inventions, what has been described in relation to the first to sixth inventions is valid as long as it is not contrary to the nature thereof.
[0033]
According to the ion sensor and the ion sensing method of the present invention configured as described above, the length of the chain molecule is set to an appropriate length according to the type of ions to be sensed, thereby Many types of ions can be sensed by chain molecules.
According to the switching element and the switching method according to the present invention configured as described above, the first molecule and the second molecule are generated by winding the chain molecule around one of the cation or the cationic molecule and the anion or the anionic molecule. Switching can be performed by utilizing the exchange of electrons or excitation when the molecules of each other approach each other.
According to the ion carrier and the ion carrying method according to the present invention configured as described above, the ion-carrying is performed by utilizing the chain molecule wound around one of the cation or the cationic molecule and the anion or the anionic molecule. It can be performed.
[0034]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In all the drawings of the embodiments, the same or corresponding parts are denoted by the same reference numerals.
FIG. 1 shows a sensor molecule used in an ion sensor according to the first embodiment of the present invention.
[0035]
As shown in FIG. 1, this sensor molecule is composed of a trimolecular linked molecule in which an electron donating molecule (donor molecule) 12 and an electron withdrawing molecule (acceptor molecule) 13 are chemically bonded to both ends of an ethylene glycol chain 11. . The ethylene glycol chain 11 consists of n ethylene glycol (HOCH₂CH₂OH). Here, n is determined according to the ion radius of the ion to be sensed, and is 3 to 12, for example. The electron-donating molecule 12 and the electron-withdrawing molecule 13 can be selected, for example, from the above-listed molecules as necessary. In order to improve the sensitivity of ion sensing, an ethylene glycol chain is preferably used. A molecule having hydrophobicity that does not have an affinity for 11 is used. This sensor molecule can be easily obtained by bonding the electron-donating molecule 12 and the electron-withdrawing molecule 13 to both ends of the ethylene glycol chain 11 by a chemical synthesis technique.
[0036]
In this ion sensor, the sensor molecule composed of the above-described trimolecular linkage molecule is preferably held in a state having a degree of molecular dynamic freedom. Specifically, the sensor molecule does not exist in a completely solid state, but is held in a solution, a gel, or a gas using a container or the like.
[0037]
Next, an ion sensing method using this ion sensor will be described. FIG. 2 shows the principle of this ion sensing.
First, the ion sensor is brought into contact with a system (solution, gas, etc.) in which ion sensing is performed. Specifically, for example, this ion sensor is put in a solution to be ion-sensing, or a solution to be ion-sensing is put in a container in which the ion sensor is previously placed. When a cation or a cationic molecule is present in a system to perform ion sensing, the oxygen atom in each ethylene glycol constituting the ethylene glycol chain 11 has an anionic property, and therefore, the ethylene glycol chain 11 has its cation or It winds so as to wrap up the cationic molecule (the state shown in the right figure in FIG. 2). When there are many kinds of cations or cationic molecules in the system to perform ion sensing, by preparing different lengths of ethylene glycol chains 11 for each sensor molecule, Wrap around the appropriate type of cation or cationic molecule. As a result of this wrapping, the electron-donating molecules 12 and the electron-withdrawing molecules 13 at both ends of the ethylene glycol chain 11 physically approach each other, and their electron clouds overlap each other. Thereby, electrons or excitation moves from the electron donating molecule 12 to the electron withdrawing molecule 13. This transfer of electrons or excitation is accompanied by a change in electrochemical property or optical property, and can be confirmed by electrochemical measurement or fluorescence measurement. Therefore, when this electron or excitation transfer is measured, it can be seen that a cation or a cationic molecule exists in the system to perform ion sensing. Thus, a cation or a cationic molecule can be detected, and ion sensing can be performed.
[0038]
In order to separate the cation or the cationic molecule around which the ethylene glycol chain 11 is wound as described above from the ethylene glycol chain 11, in other words, to return the ion sensor to the state before sensing, for example, a sensor molecule A strongly acidic liquid such as a hydrochloric acid-containing solvent may be added to the solution in which is dissolved.
[0039]
As described above, according to the first embodiment, one kind of sensor molecule composed of a trimolecular linked molecule in which the electron donating molecule 12 and the electron withdrawing molecule 13 are chemically bonded to both ends of the ethylene glycol chain 11. Thus, other types of cations or cationic sensing can be performed, and an ion sensor based on an unprecedented novel operating principle can be realized.
[0040]
Example
The sensor molecule was synthesized as follows. First, as shown in FIG. 3, tetraethylene glycol (n = 1 in FIG. 3) or hexaethylene glycol (n = 2 in FIG. 3) is prepared as the ethylene glycol chain 11, and this is charged with SOCl in benzene.₂To replace OH at both ends with Cl.
[0041]
On the other hand, 5- (4-hydroxyphenyl), 10,15,20-triphenylporphyrin, which is an example of porphyrin, is synthesized by the reaction shown in FIG. 4 as the electron donating molecule 12 to be bonded to one end of the ethylene glycol chain 11.
[6,6] -4-hydroxybenzophenyl- [60] fullerene, which is an example of fullerene, is synthesized by the reaction shown in FIG. 5 as the electron-withdrawing molecule 13 to be bonded to the other end of the ethylene glycol chain 11.
[0042]
Next, the molecule obtained by the reaction shown in FIG. 3, the molecule obtained by the reaction shown in FIG. 4, and the molecule obtained by the reaction shown in FIG. 5 are reacted as shown in FIG. As a result, 5- (4-hydroxyphenyl), 10,15,20-triphenylporphyrin and [6,6] -4-hydroxybenzophenyl- [60] fullerene bind to both ends of the ethylene glycol chain (tetraethylene glycol or hexaethylene glycol) A trimolecular linking molecule was synthesized.
[0043]
The sensor molecule synthesized as described above is dissolved in a solvent obtained by purifying spectroscopic grade benzene, and potassium ion derived from potassium thiosulfate (K⁺) Was added in an amount of 0 to 120 mol%, and an ethylene glycol chain was wound around this potassium ion. The result of measuring the fluorescence of the sensor molecules in this state is shown in FIG. By wrapping ethylene glycol chain around potassium ion, porphyrin (5- (4-hydroxyphenyl), 10,15,20-triphenylporphyrin) and fullerene ([6,6] -4-hydroxybenzophenyl- [60] fullerene) at both ends As they approach each other, electron or excitation transfer from porphyrin to fullerene results in loss of porphyrin-derived fluorescence, but FIG. 5 shows that the quenching occurs quantitatively. This means that the concentration of potassium ions in the solution can be measured from the state of quenching.
[0044]
Next explained is an ion sensor according to the second embodiment of the invention.
FIG. 8 shows sensor molecules used in this ion sensor.
As shown in FIG. 8, this sensor molecule has a trimolecular linking molecule in which an electron donating molecule 12 and an electron withdrawing molecule 13 are chemically bonded to both ends of an ethylene glycol chain 11 via a linking chain molecule 14. A plurality of linked ones have a pseudo polymer structure. The length of the ethylene glycol chain 11 (for example, n = 3 to 12) of each trimolecular linking molecule may be the same, but here, one sensor molecule can sense other types of ions. For this reason, the ethylene glycol chain 11 of these trimolecular linking molecules includes those having an optimum length for sensing each ion. More specifically, for example, when sensing two kinds of cations or cationic molecules having greatly different ionic radii from each other, the ethylene glycol chain 11 of at least one trimolecular linked molecule has an ionic radius. The length is optimal to wrap around the smaller cation or cationic molecule, and the ethylene glycol chain 11 of at least one other trimolecular linking molecule wraps around the cation or cationic molecule having a larger ionic radius. The optimal length is used. As the linking chain molecule 14, a molecule mainly composed of σ bonds and having a high degree of rotational freedom is preferably used. Specifically, for example, an alkyl chain is used. Further, the length of the linking chain molecule 14 is desirably such a length that the trimolecular linking molecules adjacent to each other via the linking chain molecule 14 do not affect each other. For example, the thickness is about 20 to 30 nm.
Since the sensor molecule other than the above is the same as in the first embodiment, the description thereof is omitted.
[0045]
Next, an ion sensing method using this ion sensor will be described. FIG. 9 shows the principle of this ion sensing.
First, the ion sensor is brought into contact with a system (solution, gas, etc.) in which ion sensing is performed. Now, for example, if there are two types of cations or cationic molecules having different ionic radii in the system to perform ion sensing, it is most suitable for wrapping around a cation or cationic molecule having a smaller ionic radius. The length of ethylene glycol chain 11 is wound around the cation or cationic molecule, and the length of ethylene glycol chain 11 optimal for winding around the cation or cationic molecule having a larger ionic radius is the cation or cation. It wraps around the sex molecule (the state shown in the lower diagram of FIG. 9). As a result of this wrapping, the electron donating molecule 12 and the electron withdrawing molecule 13 at both ends of the ethylene glycol chain 11 of each trimolecular connecting molecule physically approach each other, and their electron clouds overlap each other, thereby causing the electron donating molecule 12 to overlap. Electron or excitation is transferred from the electron-withdrawing molecule 13 to the electron-withdrawing molecule 13, and this is confirmed by electrochemical measurement or fluorescence measurement, whereby a cation or cationic molecule can be detected and ion sensing can be performed.
Since the other aspects of the ion sensing method are the same as those in the first embodiment, description thereof will be omitted.
[0046]
According to the second embodiment, multiple types of cation or cationic sensing can be performed with one type of one sensor molecule, and an ion sensor based on a novel operating principle that has not existed before can be realized. . In addition, since this sensor molecule has a pseudo polymer structure, there is an advantage that gelation is possible and handling is facilitated by setting the connecting chain molecule 14 to an appropriate length.
[0047]
Next explained is a switching element according to the third embodiment of the invention. FIG. 10 shows this switch element.
As shown in FIG. 10, this switch element uses a switch molecule having the same configuration as the sensor molecule in the ion sensor according to the first embodiment, and the molecule is respectively used as the electron donating molecule 12 and the electron withdrawing molecule 13 at both ends thereof. The wiring 15 and the molecular wiring 16 are combined. As the molecular wiring 15 and the molecular wiring 16, for example, a conductive polymer can be used. Since the ethylene glycol chain 11, the electron donating molecule 12, and the electron withdrawing molecule 13 are the same as those in the first embodiment, description thereof is omitted.
[0048]
Next, a method for switching the switch element will be described.
In this switch element, for example, at least a portion of the ethylene glycol chain 11 is brought into contact with a solution containing a cation or a cationic molecule. When the ethylene glycol chain 11 is not wrapped around a cation or a cationic molecule, the electron donating molecule 12 and the electron withdrawing molecule 13 at both ends of the ethylene glycol chain 11 are separated from each other, and their electron clouds overlap each other. Therefore, electrons or excitation does not move from the electron donating molecule 12 to the electron withdrawing molecule 13, and the electron donating molecule 12 and the electron withdrawing molecule 13 are in an insulating state. This state is a switch-off state. Next, when the ethylene glycol chain 11 is wound around a cation or a cationic molecule, the electron donating molecule 12 and the electron withdrawing molecule 13 at both ends of the ethylene glycol chain 11 are physically close to each other, and their electron clouds are mutually connected. Overlap, electrons or excitation moves from the electron donating molecule 12 to the electron withdrawing molecule 13. At this time, the electron-donating molecule 12 and the electron-withdrawing molecule 13 are in a conductive state. Therefore, a current flows between the molecular wiring 15 and the molecular wiring 16 through the switch element.
[0049]
FIG. 11 shows the energy of the lowest empty orbit (LUMO) and highest occupied orbit (HOMO) of the electron donating molecule 12 and the electron withdrawing molecule 13, and the electron clouds of the electron donating molecule 12 and the electron withdrawing molecule 13 with each other. The energy of LUMO and HOMO in the overlapped state is shown. In the above switch-on state, the energy level of LUMO in a state where the electron clouds of the electron donating molecule 12 and the electron withdrawing molecule 13 overlap each other substantially matches the Fermi energy of the

molecular wirings

15 and 16. Electron or excitation transfer occurs between them via this energy level.
[0050]
In order to return from the switch-on state to the switch-off state, the cation or cationic molecule around which the ethylene glycol chain 11 is wound may be separated from the ethylene glycol chain 11 in the same manner as in the first embodiment.
[0051]
According to the third embodiment, switching can be performed using a switch molecule composed of a trimolecular linked molecule in which an electron donating molecule 12 and an electron withdrawing molecule 13 are chemically bonded to both ends of an ethylene glycol chain 11. In addition, it is possible to realize a switching element based on an unprecedented new operating principle.
[0052]
Example
The switch molecules and

molecular wirings

15 and 16 were synthesized as follows.
Similarly to the example of the first embodiment, tetraethylene glycol or hexaethylene glycol is prepared as the ethylene glycol chain 11, porphyrin as the electron donating molecule 12, and fullerene as the electron withdrawing molecule 13.
Using porphyrin, a porphyrin-polythiophene derivative was synthesized by the procedure shown in FIGS. 12 to 14 to obtain a porphyrin serving as the electron-donating molecule 12 and a molecular wiring 15 made of a conductive polymer bound thereto (non-patent document). Reference 7). Further, using fullerene, as shown in FIG. 15, the fullerene as the electron-withdrawing molecule 13 was bonded to the molecular wiring 16 made of a conductive polymer (see Non-Patent Document 8).
[0053]
In the same manner as in the example of the first embodiment, a molecular wiring 15 made of a conductive polymer is bonded to tetraethylene glycol or hexaethylene glycol as an ethylene glycol chain 11 and porphyrin as an electron donating molecule 12 Then, a fullerene as the electron-withdrawing molecule 13 was combined with a molecular wiring 16 made of a conductive polymer, and a switch element made of a trimolecular connecting molecule having

molecular wirings

15 and 16 was synthesized.
[0054]
Next explained is a switching element according to the fourth embodiment of the invention. FIG. 16 shows this switch element.
As shown in FIG. 16, this switch element uses a switch molecule having the same configuration as the sensor molecule in the ion sensor of the first embodiment, and a molecular wiring 15 and a molecular wiring 16 are attached to the electron-withdrawing molecule 13 at one end thereof. The other end is a free end. As the molecular wiring 15 and the molecular wiring 16, for example, a conductive polymer can be used. Since the ethylene glycol chain 11, the electron donating molecule 12, and the electron withdrawing molecule 13 are the same as those in the first embodiment, description thereof is omitted.
[0055]
Next, a method for switching the switch element will be described.
In this switch element, for example, at least a portion of the ethylene glycol chain 11 is brought into contact with a solution containing a cation or a cationic molecule. As in the third embodiment, the state where the ethylene glycol chain 11 is not wound around a cation or a cationic molecule is a switch-off state. Next, when the ethylene glycol chain 11 wraps around a cation or a cationic molecule, the electron donating molecule 12 and the electron withdrawing molecule 13 at both ends of the ethylene glycol chain 11 are physically close to each other, and their electron clouds are mutually connected. Overlap, electrons or excitation moves from the electron donating molecule 12 to the electron withdrawing molecule 13. Since this electron or excitation is excessive when viewed on the molecular circuit, the molecular wiring 15 and the molecular wiring 16 are in a conductive state. This state is a switch-on state.
[0056]
FIG. 17 shows the LUMO and HOMO energies of the electron donating molecule 12 and the electron withdrawing molecule 13, and the LUMO and HOMO energies in a state where the electron clouds of the electron donating molecule 12 and the electron withdrawing molecule 13 overlap each other. The energy levels of the

molecular wirings

15 and 16 are shown. In the above-mentioned switch-on state, the LUMO energy level of the switch molecule in a state where the electron clouds of the electron donating molecule 12 and the electron withdrawing molecule 13 overlap each other substantially coincides with the Fermi energy of the

molecular wirings

15 and 16. Electron or excitation transfer occurs between them through this energy level.
The method of returning from the switch-on state to the switch-off state is the same as in the third embodiment.
According to the fourth embodiment, similarly to the third embodiment, it is possible to realize a molecular switch element based on a novel operation principle that has not been conventionally provided.
[0057]
Next explained is an ion carrier according to the fifth embodiment of the invention.
Similar to the ion sensor according to the first embodiment, this ion carrier comprises the trimolecular linked molecule shown in FIG. Then, the ethylene glycol chain 11 of this ion carrier is wound around a cation or a cationic molecule in the same manner as in the first embodiment to carry out ion loading.
According to the fifth embodiment, one kind of molecule can carry many kinds of ions. This ion carrier can be used as a raw material for producing a desired material, for example.
[0058]
Next explained is an ion carrier according to the sixth embodiment of the invention.
Similar to the ion sensor according to the second embodiment, this ion carrier is a trimolecular linkage in which an electron-donating molecule 12 and an electron-withdrawing molecule 13 are chemically bonded to both ends of an ethylene glycol chain 11 as shown in FIG. The molecule consists of a plurality of molecules linked via a linking chain molecule 14. Then, each ethylene glycol chain 11 of this ion carrier is wound around a cation or a cationic molecule in the same manner as in the second embodiment to carry out the ion carrier.
According to the fifth embodiment, one kind of one molecule can carry many kinds of ions. This ion carrier can be suitably used as a raw material for producing a desired material, particularly a material using a plurality of constituent elements, for example.
[0059]
As mentioned above, although embodiment of this invention was described concretely, this invention is not limited to the above-mentioned embodiment, The various deformation | transformation based on the technical idea of this invention is possible.
[0060]
For example, the numerical values, structures, substances, raw materials, reactions, and the like given in the above-described embodiments are merely examples, and different numerical values, structures, substances, raw materials, reactions, and the like may be used as necessary.
[0061]
【The invention's effect】
As described above, according to the ion sensor and the ion sensing method of the present invention, it is possible to sense many kinds of ions with one kind of molecule. Further, according to the switching element and the switching method according to the present invention, switching can be performed based on a novel operation principle. Furthermore, according to the ion carrier and the ion carrying method of the present invention, it is possible to carry ions on the basis of a novel operating principle.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic diagram showing sensor molecules used in an ion sensor according to a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a schematic diagram for explaining the ion sensing method by the ion sensor according to the first embodiment of the present invention;
FIG. 3 is a schematic diagram for explaining a method of synthesizing sensor molecules used in the ion sensor according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 4 is a schematic diagram for explaining a method of synthesizing a sensor molecule used in the ion sensor according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 5 is a schematic diagram for explaining a method of synthesizing a sensor molecule used in the ion sensor according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 6 is a schematic diagram for explaining a method of synthesizing a sensor molecule used in the ion sensor according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 7 is a schematic diagram showing the result of fluorescence measurement of sensor molecules used in the ion sensor according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 8 is a schematic diagram showing sensor molecules used in the ion sensor according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 9 is a schematic diagram for explaining a method of sensing ions by an ion sensor according to a second embodiment of the present invention.
FIG. 10 is a schematic diagram showing a switch element according to a third embodiment of the present invention.
FIG. 11 is a schematic diagram for explaining a switching method of the switch element according to the third embodiment of the present invention;
FIG. 12 is a schematic diagram for explaining a method of synthesizing switch molecules used in the switch element according to the third embodiment of the present invention.
FIG. 13 is a schematic diagram for explaining a method of synthesizing switch molecules used in the switch element according to the third embodiment of the present invention.
FIG. 14 is a schematic diagram for illustrating a method of synthesizing switch molecules used in the switch element according to the third embodiment of the present invention.
FIG. 15 is a schematic diagram for explaining a method of synthesizing switch molecules used in the switch element according to the third embodiment of the present invention.
FIG. 16 is a schematic diagram showing a switch element according to a fourth embodiment of the present invention.
FIG. 17 is a schematic diagram for explaining a switching method of the switch element according to the fourth embodiment of the present invention;
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 11 ... Ethylene glycol chain | strand, 12 ... Electron donating molecule | numerator, 13 ... Electron withdrawing molecule | numerator, 14 ... Chain-like molecule | numerator for connection, 15, 16 ... Molecular wiring

Claims

It has an electron-donating molecule and an electron-withdrawing molecule at both ends, and has a chain molecule having an anion or an anionic molecule in the molecular chain, and the molecular wiring is connected to the electron-donating molecule and the electron-withdrawing molecule, respectively. The switch element that is connected.

The switch element according to claim 1, wherein the chain molecules are mainly composed of σ bonds.

The switch element according to claim 1, wherein the chain molecule is an ethylene glycol chain.

The switch element according to claim 3, wherein the number of ethylene glycol constituting the ethylene glycol chain is 3 or more and 12 or less.

2. The switch element according to claim 1, wherein the electron donating molecule is porphyrin and the electron withdrawing molecule is fullerene.

It has an electron-donating molecule and an electron-withdrawing molecule at both ends, and has a chain molecule having an anion or an anionic molecule in the molecular chain, and the molecular wiring is connected to the electron-donating molecule and the electron-withdrawing molecule, respectively. Using a switch element to which
A switching method in which the chain molecule is turned on by wrapping around a cation or a cationic molecule, and the switch is turned off by separating the cation or the cationic molecule from the chain molecule.

The switching method according to claim 6, wherein the chain molecules are mainly composed of σ bonds.

The switching method according to claim 6, wherein the chain molecule is an ethylene glycol chain.

The switching method according to claim 8, wherein the number of ethylene glycol constituting the ethylene glycol chain is 3 or more and 12 or less.

The switching method according to claim 6, wherein the electron donating molecule is porphyrin and the electron withdrawing molecule is fullerene.

It has an electron-donating molecule and an electron-withdrawing molecule at both ends, and has a chain molecule having an anion or an anionic molecule in the molecular chain, and two molecular wirings are bonded to the electron-withdrawing molecule. Switch element.

The switch element according to claim 11, wherein the chain molecule is mainly composed of σ bonds.

The switch element according to claim 11, wherein the chain molecule is an ethylene glycol chain.

The switch element according to claim 13, wherein the number of ethylene glycol constituting the ethylene glycol chain is 3 or more and 12 or less.

12. The switch element according to claim 11, wherein the electron donating molecule is porphyrin and the electron withdrawing molecule is fullerene.

It has an electron-donating molecule and an electron-withdrawing molecule at both ends, and has a chain molecule having an anion or an anionic molecule in the molecular chain, and two molecular wirings are bonded to the electron-withdrawing molecule. Using switch elements,
A switching method in which the chain molecule is turned on by wrapping around a cation or a cationic molecule, and the switch is turned off by separating the cation or the cationic molecule from the chain molecule.

The switching method according to claim 16, wherein the chain molecule is mainly composed of σ bonds.

The switching method according to claim 16, wherein the chain molecule is an ethylene glycol chain.

The switching method according to claim 18, wherein the number of ethylene glycol constituting the ethylene glycol chain is 3 or more and 12 or less.

The switching method according to claim 16, wherein the electron donating molecule is porphyrin and the electron withdrawing molecule is fullerene.