JP6624515B2 - Method and apparatus for detecting volatile organic compounds - Google Patents
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Description
本発明は、揮発性有機化合物の検出方法及び検出装置に関する。 The present invention relates to a method and an apparatus for detecting a volatile organic compound.
有害大気汚染物質の約80%を占める揮発性有機化合物の中でも、ベンゼンなどに代表される芳香族ガスは、ppbレベルの低濃度においても発ガン性や脳神経系への深刻な影響の恐れがある。また、ニトロベンゼンなどに代表される数種の芳香族ガスは、爆発性を有する。以上の背景から、大気汚染対策や生体影響評価、空港等の重要施設におけるセキュリティ向上を目的として、大気中の揮発性有機化合物をオンサイトでリアルタイムに検出するセンサ開発の重要性が高まっている。
従来のガスセンサの代表的なものとして、水晶振動子ガスセンサがある。これは、水晶振動子表面に物質が付着すると、その質量に応じて共振周波数が変動する(下がる)性質を利用して、ガス分子の存在を検出するセンサである(非特許文献1)。この方法を用いた場合、以下のような問題が生じる。水晶振動子表面は、優れたガス吸着特性を示さないため、ガスセンサとして利用する場合は、有機薄膜材料による表面コーティングなど検出対象ガスが吸着しやすい検知膜を成膜してセンサを作製する必要がある。検知膜の成膜には、材料選定、作製法、膜厚条件など、それ自体が研究対象になるなど複雑であり、作製した個々のセンサの特性は、検知膜の性能に大きく依存するため、安定性や再現性に課題がある。
Among volatile organic compounds that account for about 80% of harmful air pollutants, aromatic gases such as benzene may cause carcinogenicity and serious effects on the cerebral nervous system even at low ppb levels. . Some aromatic gases represented by nitrobenzene and the like have explosive properties. From the above background, the importance of developing sensors for real-time detection of volatile organic compounds in the air on-site has been increasing for the purpose of measures against air pollution, biological effects assessment, and security improvement in important facilities such as airports.
A typical example of a conventional gas sensor is a quartz oscillator gas sensor. This is a sensor that detects the presence of gas molecules by utilizing the property that the resonance frequency fluctuates (decreases) according to the mass of the substance when it adheres to the surface of the crystal resonator (Non-Patent Document 1). When this method is used, the following problems occur. Since the surface of the crystal unit does not exhibit excellent gas adsorption characteristics, when used as a gas sensor, it is necessary to manufacture a sensor by forming a detection film, such as a surface coating with an organic thin film material, on which the gas to be detected is easily adsorbed. is there. The formation of the sensing film is complicated, such as material selection, fabrication method, film thickness conditions, etc., which itself becomes the subject of research, and the characteristics of each fabricated sensor greatly depend on the performance of the sensing film. There are issues with stability and reproducibility.
一方、芳香族ガスに優れた吸着特性を示す材料として、グラフェンがある。グラフェンは、炭素のsp2結合のみから構成される2次元平面状構造を有する炭素同素体である(非特許文献2)。グラフェン作製法の代表的なものに、化学気相成長法(CVD法)がある。銅箔の表面に1層のグラフェンを大面積に成長することが可能であり(非特許文献3)、最近はウエハスケールで単結晶グラフェンを成長させることも可能である(非特許文献4)。
グラフェンは、π−π相互作用により、芳香族分子と強い吸着相互作用を示すため(非特許文献5)、この相互作用を利用したセンサ応用も検討されている。さらに、熱的・化学的安定にも優れるなど、実用・応用面に有利な特長もある。2次元結晶構造を有しているため、構造が柔軟に変化する有機薄膜材料と比較して、ガスセンサ材料としての特性の変動が起こりにくいという利点がある。
On the other hand, there is graphene as a material exhibiting excellent adsorption characteristics for aromatic gas. Graphene is a carbon allotrope having a two-dimensional planar structure composed only of carbon sp2 bonds (Non-Patent Document 2). A typical example of a graphene manufacturing method is a chemical vapor deposition (CVD) method. It is possible to grow one layer of graphene over a large area on a copper foil surface (Non-Patent Document 3), and recently it is also possible to grow single-crystal graphene on a wafer scale (Non-Patent Document 4).
Graphene exhibits a strong adsorptive interaction with an aromatic molecule by a π-π interaction (Non-Patent Document 5), and sensor applications utilizing this interaction are also being studied. In addition, it has advantages in practical and application aspects, such as excellent thermal and chemical stability. Since it has a two-dimensional crystal structure, there is an advantage that the characteristics as a gas sensor material are less likely to fluctuate than an organic thin film material whose structure changes flexibly.
グラフェンはその2次元構造に由来する特異な電子構造に基づいて、高い電荷移動度を有するため、グラフェンの電荷移動度を利用したトランジスタ型センサが報告されている(非特許文献6)。電界効果トランジスタは、材料の電荷移動度を評価する手法として用いることができるが、ガスセンサとして動作させることが可能である。ソース電極とドレイン電極間のゲート絶縁物表面に、たとえばグラフェンから成るチャネルを形成し、チャネル表面へのガス分子の吸着によって生じるソースとドレインとの間を流れる電流値変化を検出することにより、ガス分子の存在が検出できる(非特許文献7)。 Since graphene has high charge mobility based on a unique electronic structure derived from its two-dimensional structure, a transistor-type sensor using the charge mobility of graphene has been reported (Non-Patent Document 6). A field-effect transistor can be used as a technique for evaluating the charge mobility of a material, but can be operated as a gas sensor. By forming a channel made of, for example, graphene on the surface of the gate insulator between the source electrode and the drain electrode, and detecting a change in the value of current flowing between the source and the drain caused by adsorption of gas molecules to the channel surface, The presence of a molecule can be detected (Non-Patent Document 7).
しかし、電界効果トランジスタを用いたガスセンサには、以下の問題がある。デバイスの構造上、チャネルとソース・ドレインの接触部の抵抗が生じることを回避できないため、チャネルに用いる材料の特性を十分に発揮できず、安定性や再現性に課題がある。また、検出対象ガスが吸着しやすい検知膜を成膜したり、ガス分子を吸着する認識分子を表面修飾したりする場合は、水晶振動子ガスセンサと同様に、作製した個々のセンサの特性が検知膜や修飾分子の性能に大きく依存するなどの課題が生じる。 However, the gas sensor using the field effect transistor has the following problems. Due to the structure of the device, it is not possible to avoid the occurrence of resistance at the contact portion between the channel and the source / drain. Therefore, the characteristics of the material used for the channel cannot be sufficiently exhibited, and there are problems in stability and reproducibility. In addition, when forming a detection film that easily adsorbs the gas to be detected, or when modifying the surface of a recognition molecule that adsorbs gas molecules, the characteristics of each manufactured sensor are detected as in the case of a quartz crystal gas sensor. Problems such as a large dependence on the performance of the membrane and the modifying molecule occur.
本発明は、以上のような問題点を解消するためになされたものであり、揮発性有機化合物の分析を、検知膜を用いずとも、より安定に再現性良く実施できる揮発性有機化合物の検出方法を提供することを目的とする。 The present invention has been made in order to solve the above problems, and a volatile organic compound can be analyzed more stably and reproducibly without using a detection film. The aim is to provide a method.
本発明の一態様は、揮発性有機化合物のグラフェンへの吸着による前記グラフェンの電荷移動度の変化を、マイクロ波の誘電損失の時間変化に基づき検出し、
検出された前記電荷移動度の変化に基づき、前記グラフェンに吸着した揮発性有機化合物を検出することを特徴とする揮発性有機化合物の検出方法である。
One embodiment of the present invention detects a change in charge mobility of the graphene due to adsorption of a volatile organic compound to graphene based on a time change in microwave dielectric loss,
A volatile organic compound detection method characterized by detecting a volatile organic compound adsorbed on the graphene based on the detected change in the charge mobility.
本発明の一態様は、上記揮発性有機化合物の検出方法であって、前記グラフェンの電荷移動度の変化量に基づき、前記グラフェンに吸着した揮発性有機化合物の量を定量することを特徴とする。 One embodiment of the present invention is the above-mentioned method for detecting a volatile organic compound, wherein the amount of the volatile organic compound adsorbed on the graphene is quantified based on a change amount of the charge mobility of the graphene. .
本発明の一態様は、上記揮発性有機化合物の検出方法であって、前記グラフェンは、単層グラフェンであることを特徴とする。 One embodiment of the present invention is the method for detecting a volatile organic compound, wherein the graphene is single-layer graphene.
本発明の一態様は、上記揮発性有機化合物の検出方法であって、前記グラフェンは、グラフェンが2層以上に積層された多層グラフェンであることを特徴とする。 One embodiment of the present invention is the method for detecting a volatile organic compound, wherein the graphene is a multilayer graphene in which graphene is stacked in two or more layers.
本発明の一態様は、上記揮発性有機化合物の検出方法に用いられる検出装置であって、マイクロ波源と、マイクロ波空洞共振器とを備え、前記マイクロ波空洞共振器は、グラフェンを有するセンサデバイスを設置可能な設置部を有することを特徴とする。 One embodiment of the present invention is a detection device used for the method for detecting a volatile organic compound, including a microwave source and a microwave cavity resonator, wherein the microwave cavity resonator is a sensor device having graphene. It is characterized by having an installation part which can be installed.
本発明によれば、揮発性有機化合物の分析を、安定的に再現性良く実施できる揮発性有機化合物の検出方法を提供することが可能となる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, it becomes possible to provide the volatile organic compound detection method which can analyze a volatile organic compound stably with good reproducibility.
以下、本発明の揮発性有機化合物の検出方法の一実施形態を、図面を参照しながら説明する。
本実施形態では、グラフェンを有するセンサデバイスを用いて、揮発性有機化合物を検出する。まず、本実施形態に係るセンサデバイスについて説明する。
Hereinafter, an embodiment of the method for detecting a volatile organic compound according to the present invention will be described with reference to the drawings.
In this embodiment, a volatile organic compound is detected using a sensor device having graphene. First, the sensor device according to the present embodiment will be described.
図1は、本発明の一実施形態に係るセンサデバイスおよびその作製法の一例を示す模式図である。センサデバイス1は、基板10の表面に、下部電極20、絶縁層30、グラフェン40、及び上部電極50がこの順で積層された構造を有する。グラフェン40は、揮発性有機化合物を吸着するため、センサデバイス1の表面に露出している。
FIG. 1 is a schematic view illustrating an example of a sensor device according to an embodiment of the present invention and a method for manufacturing the sensor device. The sensor device 1 has a structure in which a
基板10の材料としては、絶縁体材料が適し、例えば石英、サファイア、他の無機固体材料や、ポリイミド、テフロン(登録商標)、他の有機高分子材料などが挙げられる。ここでは基板10の材料として石英を用いた例を示している。
As a material for the
まず、この基板10の表面に下部電極20を作製する。下部電極20としては、金属電極が挙げられる。金属電極の材料としては、金、白金、銅、ニッケル、チタン他の金属が挙げられ、既存の蒸着法、例えば抵抗加熱蒸着、スパッタ蒸着、電子ビーム加熱蒸着、他、によって作製すればよい。ここではチタン(Ti)5nmと金(Au)30nmが積層された例を示している。
First, the
次に、下部電極を覆う絶縁層30を形成する。絶縁層30の材料は、石英、他の無機絶縁体材料であってもよいし、高分子などの有機絶縁体であってもよい。ここでは絶縁層31として、二酸化ケイ素(SiO2)が200nm厚さに積層された例を示している。絶縁層30には、絶縁性を高めるために、これらの材料を組み合わせた材料を用いてもよく、これらの材料を重ねあわせた複層を用いてもよい。最適な高分子材料には、アモルファスフッ素樹脂(サイトップ、旭硝子社製)、ポリ塩化ビニリデンフィルム(PVDCフィルム、サラン樹脂、旭化成製)などが挙げられる。ここでは絶縁層30として、アモルファスフッ素樹脂を有する絶縁層32が、絶縁層31上に積層された例を示している。絶縁層32はサイトップを180℃で1時間アニールして得られる。
Next, an
次にこの絶縁層30の表面に、グラフェン40を積層する。化学気相成長法(CVD法)により銅箔上に成長した単層グラフェン表面に、スピンコートによりポリマー薄膜41(たとえばポリメチルメタクリレート(PMMA))を形成し、グラフェン膜の担持膜を作製する。続いて、下部銅箔を酸(例えばFeCl3を0.05g/mL濃度で溶かした溶液)でエッチングし、ポリマーに担持したグラフェンを水上に浮遊した形態で作製する。この担持膜を図1の絶縁層形成までを施した基板10の下部電極20の上部にすくい取る。乾燥後、ポリマー薄膜41を有機溶剤(たとえばアセトン)で一晩処理し、ポリマー薄膜41を溶解除去する。
Next,
続いて、上部電極50を、得られたグラフェン40表面の一部に作製する。上部電極50の配置および形状は、ガスの検出に必要なガス分子の吸着サイトが得られるグラフェン面積を露出するように作製すればよい。例えば、グラフェンの一部分全面を覆う形状や、リングや四角形などの内部をくり抜いた形状、くし形形状などであってもよい。上部電極50の構成は、下部電極20と同じであってもよく、異なっていてもよい。例えば、上部電極50の材料は、下部電極20同様、金、白金、銅、ニッケル、チタン他の金属であってもよく、既存の蒸着法、例えば抵抗加熱蒸着、スパッタ蒸着、電子ビーム加熱蒸着、他、によって作製すればよい。ここでは金30nmが積層された例を示している。
このようにして、実施形態に係るセンサデバイス1を製造できる。
Subsequently, an
Thus, the sensor device 1 according to the embodiment can be manufactured.
次に、実施形態の検出装置による、センサデバイス1を用いた揮発性有機化合物の検出について説明する。なお、本発明の揮発性有機化合物の検出方法は、下記実施形態の検出装置で実施されるものに限定されない。 Next, detection of a volatile organic compound using the sensor device 1 by the detection device of the embodiment will be described. In addition, the detection method of the volatile organic compound of the present invention is not limited to the method implemented by the detection device of the following embodiment.
センサデバイス1は、図2に示す検出装置100に置き、その電荷移動度を計測する。
図2は、本発明の一実施形態に係る検出装置の一例を示す模式図である。
検出装置100は、マイクロ波空洞共振器110と、マイクロ波源120と、ゲート電圧制御部130と、増幅器140と、オシロスコープ150とを有する。マイクロ波源120、マイクロ波空洞共振器110及び増幅器140は、マイクロ波を伝送する導波路160によって接続されている。導波路160には、図2に示すように、ミキサー161、サーキュレーター162、アイソレーター163、方向性結合器164、移相器165、減衰器166が配置されている。マイクロ波空洞共振器110は、センサデバイス1を設置可能な設置部112を有している。検出装置は、マイクロ波空洞共振器内に検出対象の揮発性有機化合物を導入する導入路を有していてもよい。マイクロ波源としては、公知のマイクロ波発生装置が挙げられる。
The sensor device 1 is placed on the
FIG. 2 is a schematic diagram illustrating an example of the detection device according to the embodiment of the present invention.
The
以下、実施形態の検出方法の手順の一例について説明する。図3は、検出装置100における、マイクロ波空洞共振器110部分の一例を模式的に示す断面図である。図3に示すように、センサデバイス1のグラフェンの少なくとも一部を、電荷移動度が測定可能なよう、マイクロ波空洞共振器110内に設置する。ここでマイクロ波空洞共振器110内には検出対象の揮発性有機化合物を含む気体Aが収容されている。すなわち、マイクロ波空洞共振器110内には、上記気体A及びセンサデバイス1が収容されている。マイクロ波源120から発生されたマイクロ波を、該マイクロ波空洞共振器に設置されたセンサデバイス1のグラフェンに照射し、気体A収容条件でのマイクロ波の誘電損失を、オシロスコープ150を用いて測定する。次いで、マイクロ波空洞共振器110内から気体Aを排出し、代わりに、検出対象の揮発性有機化合物を含まない気体Bを導入する。すなわち、マイクロ波空洞共振器110内には、上記気体B及びセンサデバイス1が収容されている。マイクロ波を、該マイクロ波空洞共振器に設置されたセンサデバイス1のグラフェンに照射し、気体B収容条件でのマイクロ波の誘電損失を測定する。そして、気体A収容条件でのマイクロ波の誘電損失と、気体B収容条件でのマイクロ波の誘電損失を比較し、マイクロ波の誘電損失の時間変化を検出できる。
ここで、本実施形態に係る誘電損失の「時間変化」とは、変化が同一のセンサデバイスに係る誘電損失の値であり、実施形態に検出方法において、同一のセンサデバイスへの検出対象の揮発性有機化合物の吸着状態が、時間で変化したことによる。
なお、気体Bは、検出対象の揮発性有機化合物を含まない気体としていたが、マイクロ波の誘電損失の時間変化を検出可能である範囲において、気体Aとは異なる濃度で揮発性有機化合物を含む気体であってもよい。
次いで、検出されたマイクロ波の誘電損失の時間変化に基づき、前記グラフェンの電荷移動度の変化を検出する。マイクロ波空洞共振器内での材料のマイクロ波吸収はその材料が持つ電気伝導率に比例することが知られている。すなわち、マイクロ波の誘電損失の時間変化の検出は、該グラフェンの電荷移動度の変化の検出となる。また、グラフェンの電荷移動度の変化は、グラフェンへの揮発性有機化合物の吸着の変化によるものであり、マイクロ波の誘電損失の値の時間変化から、揮発性有機化合物の存在を検出できる。この現象を利用して、材料(グラフェン)に電荷キャリアを注入した時のマイクロ波吸収の変化から、グラフェンに非接触及び非破壊で、材料の電荷移動度を検出可能である。センサデバイス1においてグラフェン40は、その表面に露出しており、マイクロ波空洞共振器110内のセンサデバイス1のグラフェンの電荷移動度を、検知膜を介さず測定可能である。
Hereinafter, an example of a procedure of the detection method according to the embodiment will be described. FIG. 3 is a cross-sectional view schematically illustrating an example of the
Here, the “time change” of the dielectric loss according to the present embodiment is a value of the dielectric loss related to the same sensor device, and the volatilization of the detection target to the same sensor device in the detection method according to the embodiment. This is because the state of adsorption of the volatile organic compound changes with time.
The gas B is a gas that does not contain a volatile organic compound to be detected. However, the gas B contains a volatile organic compound at a concentration different from that of the gas A within a range in which the time change of dielectric loss of microwaves can be detected. It may be a gas.
Next, a change in the charge mobility of the graphene is detected based on a time change in the detected dielectric loss of the microwave. It is known that the microwave absorption of a material in a microwave cavity is proportional to the electrical conductivity of the material. That is, detection of the change over time in the dielectric loss of microwaves is detection of a change in the charge mobility of the graphene. The change in the charge mobility of graphene is due to the change in the adsorption of the volatile organic compound to graphene, and the presence of the volatile organic compound can be detected from the change over time in the value of the microwave dielectric loss. By utilizing this phenomenon, it is possible to detect the charge mobility of the material without contacting and destructing the graphene from changes in microwave absorption when charge carriers are injected into the material (graphene). The
また、この現象を利用して、材料(グラフェン)に電荷キャリアを注入した時のマイクロ波吸収の変化から、グラフェンに非接触及び非破壊で、材料の電荷移動度を絶対定量することが可能である。すなわち、グラフェンの電荷移動度の変化量に基づき、グラフェンに吸着した揮発性有機化合物の量を定量可能である。例えば、気体A収容条件でのマイクロ波の誘電損失量と、気体B収容条件でのマイクロ波の誘電損失量から、マイクロ波の誘電損失の変化量を求め、マイクロ波の誘電損失の変化量から、該グラフェンの電荷移動度の変化量を求める。グラフェンの電荷移動度の変化量は、グラフェンへの揮発性有機化合物の吸着量の変化量を反映しているので、マイクロ波の誘電損失の値から、揮発性有機化合物の量を定量できる。揮発性有機化合物を定量するには、例えば、既知の濃度の揮発性有機化合物に対する信号絶対値の変化量をあらかじめ測定しておき、検量線として用いればよい。
本実施形態の揮発性有機化合物の検出方法によれば、グラフェンに電荷キャリアが注入される前後の状態を比較することで、電極による電荷注入過程の影響を受けないという長所を持つ。
Also, by utilizing this phenomenon, it is possible to absolutely quantify the charge mobility of a material (non-contact and non-destructive) from the change in microwave absorption when charge carriers are injected into the material (graphene). is there. That is, the amount of the volatile organic compound adsorbed on the graphene can be quantified based on the change amount of the charge mobility of the graphene. For example, from the amount of microwave dielectric loss under the gas A storage condition and the amount of microwave dielectric loss under the gas B storage condition, the amount of change in microwave dielectric loss is obtained, and from the amount of change in microwave dielectric loss. Then, the change amount of the charge mobility of the graphene is obtained. Since the amount of change in the charge mobility of graphene reflects the amount of change in the amount of the volatile organic compound adsorbed on the graphene, the amount of the volatile organic compound can be quantified from the value of the microwave dielectric loss. In order to quantify the volatile organic compound, for example, the amount of change in the absolute value of the signal with respect to the volatile organic compound having a known concentration may be measured in advance and used as a calibration curve.
According to the volatile organic compound detection method of the present embodiment, by comparing the states before and after the charge carriers are injected into the graphene, there is an advantage that the method is not affected by the charge injection process by the electrodes.
本実施形態の揮発性有機化合物の検出方法の、検出対象物質としては、グラフェンに吸着可能で、吸着により電荷移動度の変化を生じさせる化合物であればよい。ここで、検出対象物がグラフェンに吸着するとは、グラフェンの電荷移動度の変化を生じさせる程度に、検出対象物とグラフェンとが接触又は近接することをいう。検出対象物とグラフェンとは直接接触してもよい。
検出対象の揮発性有機化合物は、気体であることが好ましく、芳香族ガスであることが好ましい。揮発性有機化合物とは、常温常圧で空気中に揮発し得る有機化合物である。常温とは20℃±15℃の範囲をいい、常圧とは一気圧を指す。芳香族ガスとは、芳香族化合物が気化した気体である。芳香族化合物としては、ベンゼン環を有する化合物が挙げられる。
In the method for detecting a volatile organic compound according to the present embodiment, the detection target substance may be any compound that can be adsorbed on graphene and causes a change in charge mobility by adsorption. Here, that the detection target adsorbs to the graphene means that the detection target and the graphene are in contact with or close to each other to such an extent that the charge mobility of the graphene is changed. The detection target and the graphene may be in direct contact.
The volatile organic compound to be detected is preferably a gas, and is preferably an aromatic gas. A volatile organic compound is an organic compound that can be volatilized in air at normal temperature and normal pressure. Normal temperature refers to a range of 20 ° C. ± 15 ° C., and normal pressure refers to one atmosphere. The aromatic gas is a gas in which an aromatic compound is vaporized. Examples of the aromatic compound include a compound having a benzene ring.
検出対象物質の揮発性有機化合物の気体中の物質濃度は、体積比率で0.01〜2000ppmであってよく、0.1〜2000ppmであってよく、1〜500ppmであってもよく、10〜300ppmであってもよい。 The concentration of the volatile organic compound in the gas of the detection target substance in the gas may be 0.01 to 2000 ppm, 0.1 to 2000 ppm, 1 to 500 ppm, or 10 to 10 ppm by volume. It may be 300 ppm.
実施形態の揮発性有機化合物の検出方法における、前記グラフェンとしては、単層グラフェンであってもよい。単層グラフェンは、電荷移動度が高いので、高感度な検出が可能となる。前記グラフェンとしては、単層グラフェンが2層以上積層された多層グラフェンであってもよい。多層グラフェンは、重ね合わせの配向によって、移動度が異なるので、互いに異なる配向を有する単層グラフェンが2層以上積層された多層グラフェンの膜の配向を使って、ガス検出感度を変えること(制御すること)が可能である。 In the method for detecting a volatile organic compound according to the embodiment, the graphene may be single-layer graphene. Since single-layer graphene has high charge mobility, highly sensitive detection is possible. The graphene may be a multilayer graphene in which two or more single-layer graphenes are stacked. Since the mobility of multilayer graphene is different depending on the orientation of superposition, changing the gas detection sensitivity by using the orientation of a multilayer graphene film in which two or more single-layer graphenes having different orientations are stacked (controlling) Is possible.
実施形態の検出装置によれば、実施形態の揮発性有機化合物の検出方法を実施できる。 According to the detection device of the embodiment, the method for detecting a volatile organic compound of the embodiment can be performed.
実施形態の揮発性有機化合物の検出方法によれば、検出対象の揮発性有機化合物等に対して優れたガス吸着特性を示すグラフェンを用いることによって、検知膜を成膜することなく、芳香族ガスの吸着に優れた揮発性有機化合物分析法が実現する。検知膜を用いずとも揮発性有機化合物を検出できるため、揮発性有機化合物を安定的に再現性良く検出できる。また、グラフェンが熱的・化学的安定性にも優れ、均一な特性を示す材料である特徴を活かし、安定性や再現性良く揮発性有機化合物の分析を実施できる。また、本実施形態では、グラフェンへの分子吸着により、電荷移動度が変化することを利用するが、グラフェンは高い移動度を有するため、検知膜としてガスを吸着する機能だけでなく、電荷移動度の変化という検出機能を同時に発現することができる。 According to the method for detecting a volatile organic compound of the embodiment, by using graphene exhibiting excellent gas adsorption characteristics for a volatile organic compound or the like to be detected, an aromatic gas can be formed without forming a detection film. A method for analyzing volatile organic compounds excellent in the adsorption of water is realized. Since a volatile organic compound can be detected without using a detection film, the volatile organic compound can be detected stably with good reproducibility. In addition, graphene can be analyzed for volatile organic compounds with good stability and reproducibility by utilizing the characteristics of graphene, which has excellent thermal and chemical stability and exhibits uniform properties. Further, in the present embodiment, the charge mobility is changed due to molecular adsorption to graphene. However, since graphene has high mobility, not only the function of adsorbing gas as a detection film but also the charge mobility At the same time.
本実施形態の揮発性有機化合物の検出方法によれば、ガス分子の吸着に伴うグラフェンの電荷移動度の変化を、グラフェンに非接触及び非破壊で測定することにより、接触抵抗による影響を排除し、グラフェンの電荷移動度を損なうことなくより安定性や再現性良く実施できる。本実施形態で用いる電荷移動度の評価手法は、「時間分解マイクロ波電導度測定法」という、マイクロ波の誘電損失の時間変化を用いて、材料の電荷移動度を評価する手法である(非特許文献8)。この方法は、測定対象の材料(本実施形態ではグラフェン)中に、正電荷もしくは負電荷を選択的に発生させ、非接触及び非破壊で、電荷移動度を絶対定量することが可能である。この電荷移動度の変化から、吸着した揮発性有機化合物の分子数又は濃度を定量することが可能となる。 According to the method for detecting a volatile organic compound of the present embodiment, the change in charge mobility of graphene due to adsorption of gas molecules is measured in a non-contact and non-destructive manner with graphene, thereby eliminating the influence of contact resistance. In addition, the present invention can be implemented with higher stability and reproducibility without impairing the charge mobility of graphene. The method of evaluating the charge mobility used in the present embodiment is a method called “time-resolved microwave conductivity measurement method”, which evaluates the charge mobility of a material using the time change of the dielectric loss of microwaves (non- Patent Document 8). According to this method, a positive charge or a negative charge is selectively generated in a material to be measured (in this embodiment, graphene), and the charge mobility can be absolutely determined in a non-contact and non-destructive manner. From the change in the charge mobility, the number of molecules or the concentration of the adsorbed volatile organic compound can be determined.
以上、この発明の実施形態について図面を参照して詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限られるものではなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲の設計等も含まれる。 As described above, the embodiments of the present invention have been described in detail with reference to the drawings. However, the specific configuration is not limited to the embodiments, and includes a design and the like within a range not departing from the gist of the present invention.
次に実施例を示して本発明をさらに詳細に説明するが、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。 Next, the present invention will be described in more detail with reference to examples, but the present invention is not limited to the following examples.
上記実施形態で例示のとおり作製したセンサデバイス1を、容量は、10cm3程度のマイクロ波空洞共振器に挿入した。マイクロ波空洞共振器には、芳香族ガス導入ラインおよび参照ガスの導入ラインを接続した。芳香族ガス導入ラインからは、飽和蒸気圧(20Pa,200ppm)のニトロベンゼンを含む窒素ガスを、参照ガスの導入ラインからは、窒素ガスをそれぞれ流量10〜20 L/minで,2分毎にラインを切り替えて導入した。
入射するマイクロ波の周波数を共振周波数に合わせた後、試料に対して30V,100Hzの矩形波で電圧を印加し、反射マイクロ波強度の変化をオシロスコープにて観測した。本測定で用いたデバイスでは、グラフェンの露出面積は0.14cm2であり、注入した電荷キャリアは1011個である。
The sensor device 1 manufactured as exemplified in the above embodiment was inserted into a microwave cavity resonator having a capacity of about 10 cm 3 . An aromatic gas introduction line and a reference gas introduction line were connected to the microwave cavity resonator. Nitrogen gas containing nitrobenzene at a saturated vapor pressure (20 Pa, 200 ppm) is supplied from the aromatic gas introduction line, and nitrogen gas is supplied from the reference gas introduction line at a flow rate of 10 to 20 L / min every 2 minutes. Switched and introduced.
After adjusting the frequency of the incident microwave to the resonance frequency, a voltage of 30 V, 100 Hz rectangular wave was applied to the sample, and the change in the reflected microwave intensity was observed with an oscilloscope. In the device used in this measurement, the exposed area of the graphene is 0.14 cm 2 and the injected charge carriers are 1011.
図4に、ガス導入後の時間に対して、注入した電荷キャリアの数Nとその移動度μの積(Nμ)をプロットした結果を示す。電荷キャリアと芳香族ガスの関係は、線形関係C=k・Nμで近似できる(Cはガス濃度を表し、kは定数を表す)。ここで、図4(上)は正孔注入、図4(下)は電子注入に対する結果である。図の網かけ部分はニトロベンゼン導入時間に対応する。正孔、電子注入のどちらにおいても、ニトロベンゼンガス導入時に信号絶対値(正孔はプラス方向、電子はマイナス方向の信号)が増加した。ニトロベンゼンを定量するには、既知の濃度の芳香族ガスに対する信号絶対値の変化量をあらかじめ測定しておき、検量線として用いればよい。 FIG. 4 shows the result of plotting the product (Nμ) of the number N of injected charge carriers and the mobility μ thereof with respect to the time after gas introduction. The relationship between the charge carrier and the aromatic gas can be approximated by a linear relationship C = k · Nμ (C represents gas concentration and k represents a constant). Here, FIG. 4 (upper) shows the result for hole injection, and FIG. 4 (lower) shows the result for electron injection. The shaded area in the figure corresponds to the nitrobenzene introduction time. In both the hole injection and the electron injection, the absolute value of the signal (a positive signal for holes and a negative signal for electrons) increased when nitrobenzene gas was introduced. To determine nitrobenzene, the amount of change in the absolute value of the signal with respect to a known concentration of aromatic gas may be measured in advance and used as a calibration curve.
以上から、芳香族ガス分子の吸着に伴うグラフェンの電荷移動度の変化の測定を、マイクロ波の誘電損失の時間変化に基づき、グラフェンに非接触及び非破壊で測定することにより、接触抵抗による影響を排除し、グラフェンの特性を損なうことなく実施可能なことが示された。
本実施例により、グラフェン上に検知膜を成膜することなく、芳香族ガスの検出が可能なことが示された。
From the above, the effect of contact resistance can be measured by measuring the change in charge mobility of graphene due to the adsorption of aromatic gas molecules based on the time change of microwave dielectric loss without contacting and destructing graphene. , And was shown to be feasible without impairing the properties of graphene.
This example shows that aromatic gas can be detected without forming a detection film on graphene.
1…センサデバイス,10…基板,20…下部電極,30…絶縁層,31…絶縁層,32…絶縁層,40…グラフェン,41…ポリマー薄膜,50…上部電極,100…検出装置,110…マイクロ波空洞共振器,112…設置部,120…マイクロ波源,130…ゲート電圧制御部,140…増幅器,150…オシロスコープ,160…導波路,ミキサー…161,サーキュレーター…162,アイソレーター…163,方向性結合器…164,移相器…165,減衰器…166
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Sensor device, 10 ... Substrate, 20 ... Lower electrode, 30 ... Insulating layer, 31 ... Insulating layer, 32 ... Insulating layer, 40 ... Graphene, 41 ... Polymer thin film, 50 ... Upper electrode, 100 ... Detector, 110 ... Microwave cavity resonator, 112 installation section, 120 microwave source, 130 gate voltage control section, 140 amplifier, 150 oscilloscope, 160 waveguide,
Claims (5)
検出された前記電荷移動度の変化に基づき、前記グラフェンに吸着した揮発性有機化合物を検出することを特徴とする揮発性有機化合物の検出方法。 A change in the charge mobility of the graphene due to the adsorption of the volatile organic compound to the graphene is detected based on a time change of the dielectric loss of the microwave,
A method for detecting a volatile organic compound, comprising: detecting a volatile organic compound adsorbed on the graphene based on the detected change in the charge mobility.
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