JP7145777B2 - sensor - Google Patents
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Description
本発明は、センサーに関する。 The present invention relates to sensors.
一般にセンサーは、対象となるアナライトを高感度かつ高選択的な検出を可能とする検知部(受容体)を有する。受容体として自己組織化膜、単分子膜、DNA/RNA、タンパク質、抗原/抗体、ポリマーなど多岐に渡る物質が用いられている。嗅覚/ガスセンサー分野では近年のAI,IoTの発達により、今後新たなアプリケーションが期待されている。近年、食物の輸送過程における食品の過成熟による青果物の廃棄が世界的に大きな問題と認識されている。青果物が成熟していく過程では、エチレンやエタノール、アセトアルデヒドといった固有のガスが発散される。特に、食品の品質をセンサーにより管理する場合には、食物の嫌気呼吸由来のエタノールやアルデヒドの追跡が重要となる。 Sensors generally have a sensing portion (receptor) that enables highly sensitive and selective detection of the analyte of interest. A wide variety of substances such as self-assembled membranes, monolayers, DNA/RNA, proteins, antigens/antibodies, and polymers are used as receptors. Due to the recent development of AI and IoT in the olfactory/gas sensor field, new applications are expected in the future. In recent years, the disposal of fruits and vegetables due to over-maturity of foods during the food transportation process has been recognized as a major global problem. In the process of ripening fruits and vegetables, specific gases such as ethylene, ethanol, and acetaldehyde are emitted. In particular, tracking of ethanol and aldehyde derived from anaerobic respiration of food is important when controlling food quality with sensors.
特許文献1では、多孔質材料または粒状材料を、物理パラメータを検出するタイプのセンサー本体上に被覆し、検体分子を前記多孔質材料または粒状材料が吸着することによる前記物理パラメータの変化により前記検体分子を検出するセンサーが記載されている。
In
特許文献2では、物理パラメータの変化を検出するセンサー本体と、炭化水素基で修飾された粒径が1mm以下の微粒子を含み、前記センサー本体表面を被覆する受容体層とを設けた燃料油識別センサーが記載されている。
In
特許文献3では、測定する対象ガスと層状無機化合物粒子との吸着特性を利用してVOCガス検知を行う水晶振動子マイクロバランス(QCM)ガスセンサーであって、層状無機化合物の層間に有機残基が挿入、固定されている多孔性有機無機ハイブリッド粒子が水晶振動子電極上に検知膜として積層された構造を有することを特徴とするガスセンサーが記載されている。
In
特許文献1に記載の技術では、高い感度と選択性、安定性を実現する一方で、乾燥雰囲気下以外では電気シグナルが大きく減衰し、嗅覚センサーとして使用できる環境が大きく制限されており、特許文献2に記載の技術では疎水性の高いガスにアナライトが限定されている。
Although the technology described in
特許文献3に記載の技術では、良好な応答回復性、再現性を有するVOCガスセンサーを実現する一方、乾燥下以外では空気中の湿度の吸着が妨害ガスとなるため、目的のアナライトの吸着が阻害され、乾燥限定条件以外で再現よく使用することができない。
The technique described in
本発明は、上記の従来技術が有する課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、エタノール、アルデヒドといった親水性の高いガスを湿度のある状態下であっても高感度で測定可能であり、更にはリフロー処理後、長時間使用後であっても感応膜の劣化がなく継続測定可能なセンサーを提供することにある。 The present invention has been made in view of the above-mentioned problems of the prior art, and an object of the present invention is to enable measurement of highly hydrophilic gases such as ethanol and aldehyde with high sensitivity even under humid conditions. Another object of the present invention is to provide a sensor capable of continuous measurement without deterioration of the sensitive film even after reflow treatment and long-term use.
前記課題を解決すべく、本願発明者らは鋭意検討し、実験を重ねた結果、予想外に前記課題を解決しうることを見出し、本発明を完成するに至った。 In order to solve the above-mentioned problems, the inventors of the present application have made earnest studies and repeated experiments.
すなわち、本発明は以下の態様を包含する。
[1]
有機無機ハイブリッドを含む感応膜を有するセンサーであって、
前記有機無機ハイブリッドが、RSiO3/2で表される構造を含み、ここで、前記Rは有機官能基を表し、
前記感応膜の体積分率としての空隙率が、10%以下である、センサー。
[2]
前記空隙率が、5%以下である、[1]に記載のセンサー。
[3]
前記空隙率が、3%以下である、[1]又は[2]に記載のセンサー。
[4]
前記感応膜が、さらにフィラーを含む、[1]~[3]のいずれかに記載のセンサー。
[5]
前記フィラーが、無機フィラーである、[4]に記載のセンサー。
[6]
前記フィラーが、金属酸化物である、[4]又は[5]に記載のセンサー。
[7]
前記フィラーが、シリカである、[4]~[6]のいずれかに記載のセンサー。
[8]
前記フィラーの形状が、球状又は鎖状である、[4]~[7]のいずれかに記載のセンサー。
[9]
前記有機官能基が、芳香環を含む、[1]~[8]のいずれかに記載のセンサー。
[10]
前記芳香環が、前記有機無機ハイブリッドにおけるSi原子に直接結合している、[1]~[9]のいずれかに記載のセンサー。
[11]
前記有機官能基が、芳香環と非芳香環構造との共重合構造を含む、[1]~[10]のいずれかに記載のセンサー。
[12]
前記有機官能基が、ハロゲン原子、窒素原子、酸素原子、リン原子、硫黄原子及びホウ素原子からなる群より選択される少なくとも一つを含む、[1]~[11]のいずれかに記載のセンサー。
[13]
前記有機無機ハイブリッド中の前記有機官能基量が、75重量%以下である、[1]~[12]のいずれかに記載のセンサー。
[14]
前記有機無機ハイブリッド中の前記有機官能基量が、65重量%である、[1]~[13]のいずれかに記載のセンサー。
[15]
前記感応膜の最大厚みが、30μm以下である、[1]~[14]のいずれかに記載のセンサー。
[16]
表面応力型センサーである、[1]~[15]のいずれかに記載のセンサー。
That is, the present invention includes the following aspects.
[1]
A sensor having a sensitive membrane comprising an organic-inorganic hybrid,
The organic-inorganic hybrid comprises a structure represented by RSiO3/2 , wherein R represents an organic functional group;
The sensor, wherein the porosity as a volume fraction of the sensitive film is 10% or less.
[2]
The sensor according to [1], wherein the porosity is 5% or less.
[3]
The sensor according to [1] or [2], wherein the porosity is 3% or less.
[4]
The sensor according to any one of [1] to [3], wherein the sensitive film further contains a filler.
[5]
The sensor according to [4], wherein the filler is an inorganic filler.
[6]
The sensor according to [4] or [5], wherein the filler is a metal oxide.
[7]
The sensor according to any one of [4] to [6], wherein the filler is silica.
[8]
The sensor according to any one of [4] to [7], wherein the shape of the filler is spherical or chain.
[9]
The sensor according to any one of [1] to [8], wherein the organic functional group contains an aromatic ring.
[10]
The sensor according to any one of [1] to [9], wherein the aromatic ring is directly bonded to a Si atom in the organic-inorganic hybrid.
[11]
The sensor according to any one of [1] to [10], wherein the organic functional group includes a copolymer structure of an aromatic ring and a non-aromatic ring structure.
[12]
The sensor according to any one of [1] to [11], wherein the organic functional group contains at least one selected from the group consisting of halogen atoms, nitrogen atoms, oxygen atoms, phosphorus atoms, sulfur atoms and boron atoms. .
[13]
The sensor according to any one of [1] to [12], wherein the organic functional group content in the organic-inorganic hybrid is 75% by weight or less.
[14]
The sensor according to any one of [1] to [13], wherein the organic functional group content in the organic-inorganic hybrid is 65% by weight.
[15]
The sensor according to any one of [1] to [14], wherein the sensitive film has a maximum thickness of 30 μm or less.
[16]
The sensor according to any one of [1] to [15], which is a surface stress sensor.
本発明によれば、エタノールやアルデヒド等の高親水性のガスを湿度のある状態下であっても高感度に測定可能であり、更にはリフロー処理後、長時間使用後であっても感応膜の劣化がなく継続測定可能なセンサーを提供できる。 According to the present invention, highly hydrophilic gases such as ethanol and aldehyde can be measured with high sensitivity even under humid conditions. It is possible to provide a sensor that can continuously measure without deterioration of
以下、本発明の実施の形態(以下、「本実施形態」という。)について詳細に説明するが、本発明はこれに限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で様々な変形が可能である。 Hereinafter, an embodiment of the present invention (hereinafter referred to as "this embodiment") will be described in detail, but the present invention is not limited to this, and various modifications are possible without departing from the gist thereof. is.
本実施形態のセンサーは、有機無機ハイブリッドを含む感応膜を有するセンサーであって、前記有機無機ハイブリッドが、RSiO3/2で表される構造を含み、ここで、前記Rは有機官能基を表し、前記感応膜の体積分率としての空隙率が、10%以下である。このように構成されているため、本実施形態のセンサーは、エタノールやアルデヒド等の高親水性のガスを湿度のある状態下であっても高感度に測定することができ、更にはリフロー処理後、長時間使用後であっても感応膜の劣化がなく継続して測定することができる。 The sensor of this embodiment is a sensor having a sensitive film containing an organic-inorganic hybrid, wherein the organic-inorganic hybrid contains a structure represented by RSiO 3/2 , where R represents an organic functional group. and the porosity as a volume fraction of the sensitive film is 10% or less. Because of this configuration, the sensor of this embodiment can measure highly hydrophilic gases such as ethanol and aldehyde with high sensitivity even under humid conditions. , continuous measurement can be performed without deterioration of the sensitive film even after long-term use.
本実施形態のセンサーは、特に限定されないが、例えば、物理パラメータを検出するタイプのセンサー本体を含む。物理パラメータとしては、特に限定されないが、例えば、表面応力、応力、力、表面張力、圧力、質量、弾性、ヤング率、ポアソン比、共振周波数、周波数、体積、厚み、粘度、密度、磁力、磁気量、磁場、磁束、磁束密度、電気抵抗、電気量、誘電率、電力、電界、電荷、電流、電圧、電位、移動度、静電エネルギー、キャパシタンス、インダクタンス、リアクタンス、サセプタンス、アドミッタンス、インピーダンス、コンダクタンス、プラズモン、屈折率、光度および温度やその他の様々な物理パラメータが挙げられる。本実施形態のセンサーは、例えば、センサー本体上に直接、感応膜(本技術分野において、「受容体層」と呼ばれる場合もある。)を設けたセンサーである。すなわち、本実施形態のセンサーは、当該感応膜が検体分子を吸着することで、そこに引き起こされる物理パラメータの変化を、センサー本体により検出するものとすることができる。上記のとおり、本実施形態において使用可能なセンサー本体は、その表面上に配された感応膜が検知対象物質を吸着することによって当該感応膜に引き起こされる変化を検知するものであれば、特に限定されない。 The sensor of this embodiment includes, but is not limited to, a sensor body of a type that detects physical parameters, for example. Physical parameters include, but are not limited to, surface stress, stress, force, surface tension, pressure, mass, elasticity, Young's modulus, Poisson's ratio, resonance frequency, frequency, volume, thickness, viscosity, density, magnetic force, magnetism quantity, magnetic field, magnetic flux, magnetic flux density, electrical resistance, electrical quantity, permittivity, power, electric field, charge, current, voltage, potential, mobility, electrostatic energy, capacitance, inductance, reactance, susceptance, admittance, impedance, conductance , plasmons, refractive index, luminosity and temperature and various other physical parameters. The sensor of this embodiment is, for example, a sensor in which a sensitive film (sometimes referred to as a "receptor layer" in this technical field) is provided directly on the sensor body. That is, the sensor of the present embodiment can detect, by the sensor main body, changes in physical parameters caused by the adsorption of analyte molecules on the sensitive film. As described above, the sensor main body that can be used in the present embodiment is particularly limited as long as it detects a change caused in the sensitive film by the sensitive film arranged on its surface adsorbing the substance to be detected. not.
本実施形態のセンサーを、例えば、表面応力型嗅覚センサーに適用する場合には、センサー本体の表面の少なくとも一部を被覆した感応膜が検知対象物質を吸着することで当該感応膜中に引き起こされた応力変化を検出して本体がシグナルを出力する。 When the sensor of the present embodiment is applied to, for example, a surface stress-type olfactory sensor, the sensitive film covering at least a portion of the surface of the sensor main body adsorbs a substance to be detected, causing a reaction in the sensitive film. The main body outputs a signal by detecting the stress change.
また、別の種類のセンサー本体として、例えば、QCM装置を適用しうる。QCM装置は、交流電場を印加した水晶振動子の電極表面に物質が吸着すると、その吸着質の質量や粘弾性等に応じて共振周波数が減少する性質を利用して微量な質量変化を計測する質量センサーであり、in-situでの測定が可能である。本実施形態のセンサーをQCM装置として適用する場合、例えば、電極の表面に本実施形態における感応膜を形成することにより、当該感応膜が検知対象物質を吸着することで起こる質量変化をセンサー本体で検出してシグナルを出力する。また、QCMの電極としては、様々な導電性材料を適用しうるが、本実施形態における感応膜に導電性を持たせる場合、当該感応膜をQCMの電極として用いることもできる。 Also, another type of sensor body may be applied, for example, a QCM device. The QCM device measures minute changes in mass by using the property that when a substance is adsorbed on the electrode surface of a crystal oscillator to which an alternating electric field is applied, the resonance frequency decreases according to the mass and viscoelasticity of the adsorbate. It is a mass sensor and can be measured in-situ. When the sensor of this embodiment is applied as a QCM device, for example, by forming the sensitive film of this embodiment on the surface of the electrode, the sensor body detects the mass change caused by the adsorption of the substance to be detected by the sensitive film. Detect and output a signal. Various conductive materials can be used as the electrodes of the QCM. When the sensitive film in this embodiment is to have conductivity, the sensitive film can also be used as the electrode of the QCM.
なお、本明細書において、吸着という用語は、ある物体の界面において、(吸着質となる)他の物質の濃度が周囲よりも増加する現象を含む意味で用いており、物理吸着だけではなく、化学結合や生化学的な作用による化学吸着も含むものである。 In the present specification, the term "adsorption" is used to include a phenomenon in which the concentration of another substance (which becomes an adsorbate) increases compared to the surroundings at the interface of a certain object, and not only physical adsorption, It also includes chemisorption due to chemical bonding and biochemical action.
[感応膜]
本実施形態における感応膜は、有機無機ハイブリッドを含む。本実施形態における有機無機ハイブリッドは、湿度のある環境下での感度及び安定性の観点から、RSiO3/2で表される構造を含み、ここで、前記Rは有機官能基を表す。
[Sensitive film]
The sensitive film in this embodiment contains an organic-inorganic hybrid. The organic-inorganic hybrid in this embodiment includes a structure represented by RSiO 3/2 from the viewpoint of sensitivity and stability in a humid environment, where R represents an organic functional group.
本実施形態において、有機官能基が1種類以上の芳香環を含むことが好ましい。芳香環を含む場合、耐湿度性がより向上する傾向にある。芳香環としては、センサーの用途等を考慮して適宜選択できるため特に限定されないが、例えば、フェニル基、ナフチル基、p-トリル基、ビフェニル基等の芳香族炭化水素基、4-クロロフェニル基、4-メトキシフェニル基、4-アミノフェニル基、ペンタフルオロフェニル基等の置換芳香族炭化水素基、3-フリル基、3-チエニル基、2-ピリジル基、3-ピリジル基、4-ピリジル基等の複素環炭化水素基、フェロセニル基等のメタロセン等が挙げられる。本実施形態における有機官能基は、上述した芳香環を1種単独で含んでいてもよく、2種以上を併せて含んでいてもよい。 In this embodiment, the organic functional group preferably contains one or more aromatic rings. When it contains an aromatic ring, the moisture resistance tends to be further improved. The aromatic ring is not particularly limited because it can be appropriately selected in consideration of the use of the sensor, etc. Examples include aromatic hydrocarbon groups such as phenyl group, naphthyl group, p-tolyl group and biphenyl group, 4-chlorophenyl group, 4-methoxyphenyl group, 4-aminophenyl group, substituted aromatic hydrocarbon groups such as pentafluorophenyl group, 3-furyl group, 3-thienyl group, 2-pyridyl group, 3-pyridyl group, 4-pyridyl group, etc. and metallocenes such as a ferrocenyl group and the like. The organic functional group in the present embodiment may contain one of the aromatic rings described above, or may contain two or more of them.
有機無機ハイブリッドにおいて、芳香環とケイ素原子との間には、アルキル基(炭素数が1から18までのもの)やエーテル基、カルボニル基、カルボキシル基、アミド基、ウレタン結合、尿素結合、イミド基、イミン基等のスペーサーとなる構造を挟んでもよいが、応答性感度の観点から、これらのスペーサーは挟まず、芳香環が、前記有機無機ハイブリッドにおけるSi原子に直接結合していることが好ましい。 In the organic-inorganic hybrid, between the aromatic ring and the silicon atom, an alkyl group (having 1 to 18 carbon atoms), an ether group, a carbonyl group, a carboxyl group, an amide group, a urethane bond, a urea bond, an imide group , An imine group or other spacer structure may be interposed, but from the viewpoint of responsive sensitivity, it is preferable that the aromatic ring is directly bonded to the Si atom in the organic-inorganic hybrid without interposing such a spacer.
耐湿度性と様々なガス分子への選択性とを両立する観点から、本実施形態における有機官能基は、芳香環と非芳香環構造との共重合構造を含むことが好ましい。また、極性の高いガス・ニオイ分子への応答性の観点から、本実施形態における有機官能基は、窒素原子、酸素原子、硫黄原子、フッ素、塩素、臭素、ヨウ素原子等のハロゲン原子、ホウ素原子、及びリン原子からなる群より選択される1種以上の原子を含有する官能基を含むことが好ましい。これらの中でも、安定性の観点から、有機官能基は、窒素原子、酸素原子、硫黄原子、及びフッ素原子からなる群より選択される1種以上の原子を含有する官能基を含むことが好ましい。 From the viewpoint of achieving both humidity resistance and selectivity to various gas molecules, the organic functional group in the present embodiment preferably contains a copolymer structure of an aromatic ring and a non-aromatic ring structure. In addition, from the viewpoint of responsiveness to highly polar gas and odor molecules, the organic functional group in the present embodiment includes a nitrogen atom, an oxygen atom, a sulfur atom, a halogen atom such as a fluorine atom, a chlorine atom, a bromine atom and an iodine atom, and a boron atom. , and phosphorus atoms. Among these, from the viewpoint of stability, the organic functional group preferably contains a functional group containing one or more atoms selected from the group consisting of a nitrogen atom, an oxygen atom, a sulfur atom, and a fluorine atom.
本実施形態における有機官能基の具体例としては、以下に限定されないが、ハロゲン原子等の置換基を有してもよい直鎖状若しくは分岐状炭化水素基(例えば、3-クロロプロピル基、オクチル基等の直鎖状若しくは分岐状C1-8アルキル基)、ハロゲン原子等の置換基を有してもよい脂環炭化水素基(例えば、シクロヘキシル基等のC5-6シクロアルキル基)、ハロゲン原子等の置換基を有してもよい芳香族炭化水素基(例えば、フェニル基、ペンタフルオロフェニル基等)、ビニル基、アリル基、(メタ)アクリル基、(メタ)アクリロイルオキシアルキル基(例えば、(メタ)アクリロイルオキシプロピル基等の(メタ)アクリロイルオキシC1-3アルキル基)、エポキシ基、グリシジルオキシアルキル基(例えば、3-グリシジルオキシプロピル基等のグリシジルオキシC1-3アルキル基)、(エポキシシクロアルキル)アルキル基(例えば、2-(3,4-エポキシシクロヘキシル)エチル基等)、ヒドロキシ基、エーテル基、カルボニル基、カルボキシル基、エステル基、ウレタン基、ウレア基、メルカプト基、メルカプトアルキル基(例えば、メルカプトプロピル基等のメルカプトC1-3アルキル基)、スルフィド基、アミノ基(例えば、1級アミノ基、2級アミノ基、3級アミノ基)、アミノアルキル基(例えば、アミノプロピル基等のアミノC1-3アルキル基)、(アミノアルキルアミノ)アルキル基(例えば、3-(2-アミノエチルアミノ)プロピル基)、イミダゾリル基、イミダゾリルアルキル基(例えば、3-(2-イミダゾリン-1-イル)プロピル基)、アルキルアミノアルキル基(例えば、3-(ジメチルアミノ)プロピル基)、アミド基、複素環芳香族基、オキシム基、イミド基、イミン基、ハロゲン基、ニトリル基、ホスホン基、リン酸基等があげられる。これらの中でも、有機官能基は、入手性の観点から、置換基を有してもよい直鎖状又は分岐状炭化水素基、置換基を有してもよい脂環炭化水素基、置換基を有してもよい芳香族炭化水素基、ビニル基、アリル基、(メタ)アクリロイルオキシアルキル基、グリシジルオキシアルキル基、(エポキシシクロアルキル)アルキル基、メルカプトアルキル基、アミノアルキル基、(アミノアルキルアミノ)アルキル基、イミダゾリルアルキル基、及びアルキルアミノアルキル基、ヒドロキシ基からなる群より選択される1種以上であることが好ましい。これらの官能基は1種を単独で、又は2種以上を組み合わせて用いられる。 Specific examples of the organic functional group in the present embodiment are not limited to the following, but linear or branched hydrocarbon groups that may have substituents such as halogen atoms (e.g., 3-chloropropyl group, octyl linear or branched C 1-8 alkyl groups such as groups), alicyclic hydrocarbon groups optionally having substituents such as halogen atoms (e.g., C 5-6 cycloalkyl groups such as cyclohexyl groups), Aromatic hydrocarbon groups that may have substituents such as halogen atoms (e.g., phenyl group, pentafluorophenyl group, etc.), vinyl groups, allyl groups, (meth)acrylic groups, (meth)acryloyloxyalkyl groups ( (Meth)acryloyloxy C 1-3 alkyl groups such as (meth)acryloyloxypropyl groups), epoxy groups, glycidyloxyalkyl groups (e.g. glycidyloxy C 1-3 alkyl groups such as 3-glycidyloxypropyl groups) ), (epoxycycloalkyl)alkyl group (e.g., 2-(3,4-epoxycyclohexyl)ethyl group, etc.), hydroxy group, ether group, carbonyl group, carboxyl group, ester group, urethane group, urea group, mercapto group , mercaptoalkyl groups (e.g., mercapto C 1-3 alkyl groups such as mercaptopropyl groups), sulfide groups, amino groups (e.g., primary amino groups, secondary amino groups, tertiary amino groups), aminoalkyl groups (e.g., , amino C 1-3 alkyl group such as aminopropyl group), (aminoalkylamino)alkyl group (e.g., 3-(2-aminoethylamino)propyl group), imidazolyl group, imidazolylalkyl group (e.g., 3-( 2-imidazolin-1-yl)propyl group), alkylaminoalkyl group (e.g., 3-(dimethylamino)propyl group), amide group, heterocyclic aromatic group, oxime group, imide group, imine group, halogen group, A nitrile group, a phosphonic group, a phosphoric acid group and the like can be mentioned. Among these, from the viewpoint of availability, the organic functional group is a linear or branched hydrocarbon group which may have a substituent, an alicyclic hydrocarbon group which may have a substituent, and a substituent. Aromatic hydrocarbon group, vinyl group, allyl group, (meth)acryloyloxyalkyl group, glycidyloxyalkyl group, (epoxycycloalkyl)alkyl group, mercaptoalkyl group, aminoalkyl group, (aminoalkylamino ) is preferably one or more selected from the group consisting of an alkyl group, an imidazolylalkyl group, an alkylaminoalkyl group, and a hydroxy group. These functional groups are used singly or in combination of two or more.
有機官能基は、シランカップリング剤由来の有機官能基であることが好ましい。シランカップリング剤としては、アルコキシシラン、アセトキシシランもしくはクロロシラン等の加水分解性金属酸化物が挙げられる。これらの中でも、加水分解性金属酸化物は、取り扱い性、官能基の汎用性からアルコキシシランが好ましく、反応性の観点から3官能性のアルコキシシランがより好ましい。
3官能性のアルコキシシランは1、2,4官能性のアルコキシシラン等と共重合されてもよいが、有機無機ハイブリッドのヤング率を上げ高感度化させる観点から4官能性のものとの共重合が好ましい。
The organic functional group is preferably an organic functional group derived from a silane coupling agent. Silane coupling agents include hydrolyzable metal oxides such as alkoxysilanes, acetoxysilanes and chlorosilanes. Among these, hydrolyzable metal oxides are preferably alkoxysilanes from the viewpoint of handleability and versatility of functional groups, and more preferably trifunctional alkoxysilanes from the viewpoint of reactivity.
Trifunctional alkoxysilanes may be copolymerized with mono-, di-, or tetra-functional alkoxysilanes, but from the viewpoint of increasing the Young's modulus of organic-inorganic hybrids and increasing their sensitivity, copolymerization with tetra-functional alkoxysilanes is preferred. is preferred.
3官能性のアルコキシシランとしては、アルコキシ基にメトキシ基、エトキシ基、イソプロポキシ基を有するシランカップリング剤を使用することができる。
市販の芳香族系シランカップリング剤としてはフェニルトリアルコキシシラン、ニトロベンゼンアミドトリアルコキシシラン、ベンジルトリアルコキシシラン、4-クロロフェニルトリアルコキシシラン、フェニルアミノプロピルトリアルコキシシラン、4-アミノフェニルトリアルコキシシラン、ナフチルトリアルコキシシラン、4-メトキシトリアルコキシシラン、ペンタフルオロフェニルトリアルコキシシラン、フェロセニルトリアルコキシシラン、ビフェニルトリアルコキシシラン、3―フリルトリアルコキシシラン、3-チエニルトリアルコキシシラン、2-ピリジルトリアルコキシシラン、3-ピリジルトリアルコキシシラン、4-ピリジルトリアルコキシシラン等が挙げられるがこれに限定されるものではない。
市販の非芳香族系シランカップリング剤としては、3-(2-アミノエチルアミノ)プロピルトリアルコキシシラン、3-メルカプトプロピルトリアルコキシシラン、ビニルトリアルコキシシラン、シクロヘキシルトリアルコキシシラン、3-グリシジルオキシプロピルトリアルコキシシラン、2-(3,4-エポキシシクロヘキシル)エチルトリアルコキシシラン、3-(ジメチルアミノ)プロピルトリアルコキシシラン、3-(2-イミダゾリン-1-イル)プロピルトリアルコキシシラン、3-アミノプロピルトリアルコキシシラン、3-(メタクリロイルオキシ)プロピルトリアルコキシシラン、3-(アクリロイルオキシ)プロピルトリアルコキシシラン、アリルトリアルコキシシラン、メチルトリアルコキシシラン、エチルトリアルコキシシラン、プロピルトリアルコキシシラン、ブチルアルコキシシラン、ヘキシルトリアルコキシシラン、オクチルトリアルコキシシラン、デシルトリアルコキシシラン、ドデシルトリアルコキシシラン、オクタデシルトリアルコキシシラン、3-ウレイドプロピルトリアルコキシシラン、シクロヘキシルアミノプロピルトリアルコキシシラン、ヘキサフルオロフェニルトリアルコキシシラン、3-クロロプロピルトリアルコキシシラン、3-ブロモプロピルトリアルコキシシラン、3-ピペラジノプロピルトリアルコキシシラン、3-モルフォリノプロピルトリアルコキシシラン、3-アリルアミノプロピルトリアルコキシシラン、ノルボルニルトリアルコキシシラン、ピペリジノプロピルトリアルコキシシラン等が挙げられるがこれに限定されるものではない。
As the trifunctional alkoxysilane, a silane coupling agent having an alkoxy group having a methoxy group, an ethoxy group, or an isopropoxy group can be used.
Commercially available aromatic silane coupling agents include phenyltrialkoxysilane, nitrobenzeneamidetrialkoxysilane, benzyltrialkoxysilane, 4-chlorophenyltrialkoxysilane, phenylaminopropyltrialkoxysilane, 4-aminophenyltrialkoxysilane, and naphthyl. trialkoxysilane, 4-methoxytrialkoxysilane, pentafluorophenyltrialkoxysilane, ferrocenyltrialkoxysilane, biphenyltrialkoxysilane, 3-furyltrialkoxysilane, 3-thienyltrialkoxysilane, 2-pyridyltrialkoxysilane, Examples thereof include 3-pyridyltrialkoxysilane, 4-pyridyltrialkoxysilane, and the like, but are not limited to these.
Commercially available non-aromatic silane coupling agents include 3-(2-aminoethylamino)propyltrialkoxysilane, 3-mercaptopropyltrialkoxysilane, vinyltrialkoxysilane, cyclohexyltrialkoxysilane, and 3-glycidyloxypropyl. trialkoxysilane, 2-(3,4-epoxycyclohexyl)ethyltrialkoxysilane, 3-(dimethylamino)propyltrialkoxysilane, 3-(2-imidazolin-1-yl)propyltrialkoxysilane, 3-aminopropyl trialkoxysilane, 3-(methacryloyloxy)propyltrialkoxysilane, 3-(acryloyloxy)propyltrialkoxysilane, allyltrialkoxysilane, methyltrialkoxysilane, ethyltrialkoxysilane, propyltrialkoxysilane, butylalkoxysilane, hexyltrialkoxysilane, octyltrialkoxysilane, decyltrialkoxysilane, dodecyltrialkoxysilane, octadecyltrialkoxysilane, 3-ureidopropyltrialkoxysilane, cyclohexylaminopropyltrialkoxysilane, hexafluorophenyltrialkoxysilane, 3-chloro Propyltrialkoxysilane, 3-bromopropyltrialkoxysilane, 3-piperazinopropyltrialkoxysilane, 3-morpholinopropyltrialkoxysilane, 3-allylaminopropyltrialkoxysilane, norbornyltrialkoxysilane, piperidine Examples include, but are not limited to, nopropyltrialkoxysilane.
2種類以上のシランカップリング剤を共重合する場合、芳香族シランカップリング剤と非芳香族シランカップリング剤の比率として、モル比で1:10から1:5であることが好ましく、耐熱性の点から1:5から1:1であることが好ましく、湿度下におけるシグナル強度低減の抑制の点から1:1から10:1であることが好ましい。 When two or more silane coupling agents are copolymerized, the ratio of the aromatic silane coupling agent and the non-aromatic silane coupling agent is preferably 1:10 to 1:5 in terms of molar ratio. from 1:5 to 1:1 from the point of view, and preferably from 1:1 to 10:1 from the point of suppression of reduction in signal intensity under humidity.
本実施形態のセンサーにおける有機官能基については、センサー本体上の感応膜をSEM-EDXやXPS、ATR等の表面元素解析に供することにより、同定することができる。 The organic functional groups in the sensor of this embodiment can be identified by subjecting the sensitive film on the sensor body to surface elemental analysis such as SEM-EDX, XPS, and ATR.
本実施形態において、湿度のある環境下での感度及び安定性の観点から、感応膜の体積分率としての空隙率は、10%以下となる。感度をより向上させる観点から5%以上がより好ましく、湿度下環境において感度の低減を抑制する観点から3%以下であることがさらに好ましい。上記空隙率は、例えば、フィラーとRSiO3/2で表される構造の比を調節すること等により上記範囲に調整することができる。また、上記空隙率は、本明細書の実施例の項に記載の方法、又はこれと同等であることが当業者に理解される方法で測定される値である。 In this embodiment, from the viewpoint of sensitivity and stability in a humid environment, the porosity as a volume fraction of the sensitive film is 10% or less. It is more preferably 5% or more from the viewpoint of further improving sensitivity, and further preferably 3% or less from the viewpoint of suppressing a decrease in sensitivity in a humid environment. The porosity can be adjusted within the above range, for example, by adjusting the ratio of the filler to the structure represented by RSiO 3/2 . Moreover, the porosity is a value measured by the method described in the Examples section of this specification or by a method understood to be equivalent thereto by those skilled in the art.
[フィラー]
本実施形態における感応膜は、さらにフィラーを含むことが好ましい。フィラーを用いると、有機無機ハイブリッドのヤング率を向上させ、感度を高めることができる。本実施形態におけるフィラーとしては、特に限定されず、種々公知のものから選択することができる。具体例としては、以下に限定されないが、ポリスチレンやポリメチルメタクリレート、ポリフェニレンオキシド等のポリマービーズやアクリルラテックス等の球状粒子、窒化シリコン等の金属窒化物、シリカ、ジルコニア、チタニア、酸化亜鉛、酸化アルミニウム、酸化スズ等の金属酸化物、チタン酸バリウム、チタン酸ストロンチウム、ITO等の複合金属化合物、金や銀、銅、パラジウム、白金、鉄、アルミニウム等の無機金属フィラーから選ばれる1種以上を含むことができる。
[Filler]
It is preferable that the sensitive film in the present embodiment further contains a filler. The use of a filler can improve the Young's modulus of the organic-inorganic hybrid and enhance the sensitivity. The filler in this embodiment is not particularly limited, and can be selected from various known fillers. Specific examples include, but are not limited to, polymer beads such as polystyrene, polymethyl methacrylate, and polyphenylene oxide, spherical particles such as acrylic latex, metal nitrides such as silicon nitride, silica, zirconia, titania, zinc oxide, and aluminum oxide. , metal oxides such as tin oxide, barium titanate, strontium titanate, composite metal compounds such as ITO, and inorganic metal fillers such as gold, silver, copper, palladium, platinum, iron, aluminum, etc. be able to.
本実施形態におけるフィラーとしては、分散性、塗布性の観点から、無機フィラーであることが好ましい。上記同様の観点から、本実施形態においては、シリカ、ジルコニア、チタニア、アルミナ等の金属化合物、金や銀、銅、パラジウム、白金、鉄、アルミニウム等の無機金属フィラーが好ましく、湿度下での水分によるシグナル減衰の影響が小さい点からシリカ、ジルコニア等の金属酸化物がより好ましく、経済性の観点からシリカであることがさらに好ましい。本発明者らは、特にシリカを用いる場合、湿度のある状態でもエタノール、アセトアルデヒド等の一般的な親水性ガスの応答の減衰がより顕著に改良されることを見出した。その理由としては、以下のように考えられるが、以下に限定する趣旨ではない。すなわち、シリカの骨格及びケイ素原子に結合した状態で存在する水酸基が、特許文献1のチタニア骨格もしくはチタン原子に結合した水酸基に比べて比較的疎水的であるため、疎水性相互作用により、水分由来の吸着阻害が抑制されるものと推定する。
From the viewpoint of dispersibility and coatability, the filler in the present embodiment is preferably an inorganic filler. From the same viewpoint as above, in the present embodiment, metal compounds such as silica, zirconia, titania, and alumina, and inorganic metal fillers such as gold, silver, copper, palladium, platinum, iron, and aluminum are preferable, and moisture under humidity is preferred. Metal oxides such as silica and zirconia are more preferable because they are less affected by signal attenuation, and silica is more preferable from the viewpoint of economy. The inventors have found that, especially when silica is used, the attenuation of the response of common hydrophilic gases such as ethanol, acetaldehyde, etc. is significantly improved even in humid conditions. The reason for this is considered as follows, but it is not intended to be limited to the following. That is, since the hydroxyl group present in a state bonded to the skeleton of silica and the silicon atom is relatively hydrophobic compared to the hydroxyl group bonded to the titania skeleton or titanium atom of
フィラーの形状としては、特に限定されないが、好ましくは、球状、棒状、板状若しくは繊維状又はこれらの2種類以上が合体した形状であり、より好ましくは球状、鎖状である。なお、ここでいう球状とは、真球状の他、回転楕円体、卵形等も含む略球状を意味する。 The shape of the filler is not particularly limited, but is preferably spherical, rod-like, plate-like, fibrous, or a combination of two or more of these, more preferably spherical or chain-like. The term "spherical" as used herein means not only a perfect sphere, but also a substantially spherical shape including spheroids, ovoids, and the like.
球状のフィラーのサイズとしては、特に限定するものではないが、インクの分散性を維持し、ノズルのつまりを防ぎ、インクジェットでの塗布性を向上できる観点から、平均一次粒子径として、100μm以下が好ましく、感度を向上できる観点から500nm以下がさらに好ましく、より空隙を低減する観点から200nm以下であることがさらに好ましい。ここで、平均一次粒子径とは数平均での値を意味する。上記平均一次粒子径は、本明細書の実施例の項に記載の走査型電子顕微鏡を用いた方法、又はこれと同等であることが当業者に理解される方法で測定される粒子50個の数平均値である。 The size of the spherical filler is not particularly limited, but from the viewpoint of maintaining ink dispersibility, preventing nozzle clogging, and improving ink-jet coating properties, the average primary particle size should be 100 μm or less. It is preferably 500 nm or less from the viewpoint of improving sensitivity, and further preferably 200 nm or less from the viewpoint of further reducing voids. Here, the average primary particle diameter means a number average value. The average primary particle size of 50 particles measured by the method using a scanning electron microscope as described in the Examples section of this specification, or by a method understood to be equivalent to this It is a numerical average value.
鎖状のフィラーとしては、連続鎖状構造を有することが好ましく、例えば、球状の粒子が連続的に真直につながった構造、分岐してつながった構造、屈曲してつながった構造、環状につながった構造(「パールネックレス状」につながった構造ともいう。)、又は個々には連続した球状には観察されず糸状の構造が多数絡まりあった構造(「ネットワーク状」につながった構造ともいう。)が好ましい例として挙げられる。 The chain-like filler preferably has a continuous chain-like structure. A structure (also referred to as a "pearl necklace-like" structure), or a structure in which a number of thread-like structures are not observed as individual continuous spheres but are entwined (also referred to as a "network-like" structure). is mentioned as a preferable example.
連続鎖状構造を構成するフィラーは、一概に球状を仮定して、一次粒子径で規定することは容易でないが、透過型又は走査型の電子顕微鏡観察により鎖幅を観察することができる。鎖幅としては、1nm~200nmであり、被表面積を大きくする観点から1nm~100nmであることが好ましく、ガス応答性の感度の観点から1nm~85nmであることがさらに好ましい。上記平均一次粒子径は、本明細書の実施例の項に記載の走査型電子顕微鏡を用いた方法、又はこれと同等であることが当業者に理解される方法で測定される粒子50個の数平均値であり、鎖幅として定義する。 The filler that constitutes the continuous chain structure is generally assumed to be spherical, and it is not easy to define it by the primary particle size, but the chain width can be observed by transmission or scanning electron microscope observation. The chain width is 1 nm to 200 nm, preferably 1 nm to 100 nm from the viewpoint of increasing the surface area covered, and more preferably 1 nm to 85 nm from the viewpoint of gas responsive sensitivity. The average primary particle size of 50 particles measured by the method using a scanning electron microscope as described in the Examples section of this specification, or by a method understood to be equivalent to this Number average, defined as chain width.
このようなフィラーとしての金属酸化物は、ゾルゲル法を用いてアルコキシ、クロロ等の4官能性加水分解基を有する金属酸化物前駆体のゾルゲル法によって製造することができるし、市販品を用いることもできる。4官能性の加水分解基を有する金属酸化物前駆体としてはテトラアルコキシシラン、テトラクロロシラン、テトラアルコキシチタン、テトラアセトキシジルコニウム等が挙げられる。これらの4官能性の加水分解性金属無機酸化物は3官能性の加水分解性金属酸化物と共重合してもよく、反応系の濃度、温度、pH、水分量等を調整することにより形状の制御を行うことができる。なお、例えばエマルジョン重合によりフィラーが製造された場合等、フィラー側にRSiO3/2で表される構造が得られることも考えられるが、感応膜中でこのような構造を持つフィラーについては本実施形態における有機無機ハイブリッドと扱うものとする。 Such a metal oxide as a filler can be produced by a sol-gel method using a metal oxide precursor having a tetrafunctional hydrolyzable group such as alkoxy or chloro, or a commercially available product can be used. can also Metal oxide precursors having a tetrafunctional hydrolyzable group include tetraalkoxysilane, tetrachlorosilane, tetraalkoxytitanium, tetraacetoxyzirconium and the like. These tetrafunctional hydrolyzable metal inorganic oxides may be copolymerized with trifunctional hydrolyzable metal oxides, and the shape can be obtained by adjusting the concentration, temperature, pH, water content, etc. of the reaction system. can be controlled. It is conceivable that a structure represented by RSiO 3/2 may be obtained on the filler side, for example, when the filler is produced by emulsion polymerization. shall be treated as an organic-inorganic hybrid in form.
使用し得るフィラーの市販品としては、LEVASILシリーズ(H.C.Starck(株)製)、クオートロンP Lシリーズ(扶桑化学(株)製)、OSCALシリーズ(触媒化成工業(株)製)等;粉体状のシリカ粒子として、例えばアエロジル130、同300、同380、同TT600、同OX50(以上、日本アエロジル(株)製)、シルデックスH31、同H32、同H51、同H52、同H121、同H122(以上、旭硝子(株)製)、E220A、E220(以上、日本シリカ工業(株))、SYLYSIA470(富士シリシア(株)製)、SGフレーク(日本板硝子(株)製)等、IPA-ST, IPA-ST-L, IPA-ST-ZL, ST-XS,ST-S, ST-30,ST-50T, ST-30L,ST-YL, ST-ZL,MP-1040, MP-2040, MP-4540M,ST-OXS, ST-OS, ST-O, ST-O-40, ST-OL, ST-OYL, ST-NXS, ST-NS, ST-N, ST-N-40,ST-CXS,ST-C, ST-CM, ST-AK, ST-AK-L, ST-AK-YL,OZ-S30K,SZ-S30K-AC, OZ-S30M、セルナックス CX-S505M、IPA―ST-UP、MEK―ST―UP、ST―UP、ST-PS-S、ST-PS-M、ST-OUP、ST-PS―SO、ST-PS-MO、ST-AK-PS-S等(日産化学(株)製),SRD-K, SRD-M, SXR-CM, SZR-K, SZR-M(堺化学(株)製)があげられる。粉体状のフィラーとして、例えばアエロジル130、同300、同380、同TT600、同OX50(以上、日本アエロジル(株)製)、シルデックスH31、同H32、同H51、同H52、同H121、同H122(以上、旭硝子(株)製)、E220A、E220(以上、日本シリカ工業(株)製)、SYLYSIA470(富士シリシア(株)製)、SGフレーク(日本板硝子(株)製)等を挙げることができる。 Commercially available fillers that can be used include the LEVASIL series (manufactured by HC Starck Co., Ltd.), the Quartron PL series (manufactured by Fuso Chemical Co., Ltd.), the OSCAL series (manufactured by Catalysts and Chemicals Industry Co., Ltd.), and the like; Examples of powdery silica particles include Aerosil 130, Aerosil 300, Aerosil 380, Aerosil TT600, Aerosil OX50 (manufactured by Nippon Aerosil Co., Ltd.), Sildex H31, Sildex H32, Sildex H51, Sildex H52, Sildex H121, Same H122 (manufactured by Asahi Glass Co., Ltd.), E220A, E220 (manufactured by Nippon Silica Industry Co., Ltd.), SYLYSIA470 (manufactured by Fuji Silysia Co., Ltd.), SG flake (manufactured by Nippon Sheet Glass Co., Ltd.), etc., IPA- ST, IPA-ST-L, IPA-ST-ZL, ST-XS, ST-S, ST-30, ST-50T, ST-30L, ST-YL, ST-ZL, MP-1040, MP-2040, MP-4540M, ST-OXS, ST-OS, ST-O, ST-O-40, ST-OL, ST-OYL, ST-NXS, ST-NS, ST-N, ST-N-40, ST- CXS, ST-C, ST-CM, ST-AK, ST-AK-L, ST-AK-YL, OZ-S30K, SZ-S30K-AC, OZ-S30M, CELNAX CX-S505M, IPA-ST- UP, MEK-ST-UP, ST-UP, ST-PS-S, ST-PS-M, ST-OUP, ST-PS-SO, ST-PS-MO, ST-AK-PS-S, etc. (Nissan Chemical Co., Ltd.), SRD-K, SRD-M, SXR-CM, SZR-K, SZR-M (manufactured by Sakai Chemical Co., Ltd.). Examples of powdery fillers include Aerosil 130, Aerosil 300, Aerosil 380, Aerosil TT600, Aerosil OX50 (manufactured by Nippon Aerosil Co., Ltd.), Sildex H31, Sildex H32, Sildex H51, Sildex H52, and Sildex H121. H122 (manufactured by Asahi Glass Co., Ltd.), E220A, E220 (manufactured by Nippon Silica Industry Co., Ltd.), SYLYSIA470 (manufactured by Fuji Silysia Co., Ltd.), SG flake (manufactured by Nippon Sheet Glass Co., Ltd.), etc. can be done.
[有機無機ハイブリッドの製造方法]
有機無機ハイブリッドの製造方法としては、特に限定されないが、主にゾルゲル法を用いて製造される。具体的には、加水分解性シラン化合物(シランカップリング剤を含む)を水存在下で酸、塩基性条件下でゾルゲル法により処理することにより、シランカップリング剤の縮合体、すなわち、RSiO3/2で表される構造を含む有機無機ハイブリッドを得ることができる。
[Method for producing organic-inorganic hybrid]
Although the method for producing the organic-inorganic hybrid is not particularly limited, it is mainly produced using a sol-gel method. Specifically, a hydrolyzable silane compound (including a silane coupling agent) is treated by a sol-gel method under acidic and basic conditions in the presence of water to produce a condensate of the silane coupling agent, namely RSiO 3 . Organic-inorganic hybrids containing structures represented by /2 can be obtained.
加水分解及び縮合の反応速度を調節できる観点から、触媒の存在下で、シランカップリング剤を加水分解及び縮合、表面修飾することがより好ましい。
触媒の種類としては、酸触媒及び塩基触媒が挙げられる。酸触媒としては、例えば、無機酸及び有機酸が挙げられる。無機酸としては、以下に限定されないが、例えば、塩酸、硝酸、硫酸、フッ酸、リン酸、ホウ酸等が挙げられる。有機酸としては、以下に限定されないが、例えば、酢酸、プロピオン酸、ブタン酸、ペンタン酸、ヘキサン酸、ヘプタン酸、オクタン酸、ノナン酸、デカン酸、シュウ酸、マレイン酸、メチルマロン酸、安息香酸、p-アミノ安息香酸、p-トルエンスルホン酸、ベンゼンスルホン酸、トリフルオロ酢酸、ギ酸、マロン酸、スルホン酸、フタル酸、フマル酸、クエン酸、酒石酸、シトラコン酸、リンゴ酸、グルタル酸等が挙げられる。塩基触媒としては、例えば、無機塩基及び有機塩基が挙げられる。無機塩基としては、以下に限定されないが、例えば、水酸化リチウム、水酸化ナトリウム、水酸化カリウム、水酸化セシウム等のアルカリ金属水酸化物;水酸化カルシウム等のアルカリ土類金属水酸化物;炭酸リチウム、炭酸カリウム、炭酸ナトリウム等のアルカリ又はアルカリ土類金属炭酸塩;炭酸水素カリウム、炭酸水素ナトリウム等の金属炭酸水素塩;等が挙げられる。有機塩基としては、以下に限定されないが、トリエチルアミン、エチルジイソプロピルアミン等のトリアルキルアミン;N,N-ジメチルアニリン、N,N-ジエチルアニリン等の炭素数1~4のN,N-ジアルキルアニリン誘導体;ピリジン、2,6-ルチジン等の、炭素数1~4のアルキル置換基を有していてもよいピリジン誘導体;等が挙げられる。これらの触媒は、1種で又は2種以上を混合して用いることができる。
From the viewpoint of being able to control the reaction rate of hydrolysis and condensation, it is more preferable to hydrolyze and condense the silane coupling agent and modify the surface in the presence of a catalyst.
Types of catalysts include acid catalysts and base catalysts. Acid catalysts include, for example, inorganic acids and organic acids. Examples of inorganic acids include, but are not limited to, hydrochloric acid, nitric acid, sulfuric acid, hydrofluoric acid, phosphoric acid, and boric acid. Examples of organic acids include, but are not limited to, acetic acid, propionic acid, butanoic acid, pentanoic acid, hexanoic acid, heptanoic acid, octanoic acid, nonanoic acid, decanoic acid, oxalic acid, maleic acid, methylmalonic acid, and benzoic acid. acid, p-aminobenzoic acid, p-toluenesulfonic acid, benzenesulfonic acid, trifluoroacetic acid, formic acid, malonic acid, sulfonic acid, phthalic acid, fumaric acid, citric acid, tartaric acid, citraconic acid, malic acid, glutaric acid, etc. is mentioned. Base catalysts include, for example, inorganic bases and organic bases. Examples of inorganic bases include, but are not limited to, alkali metal hydroxides such as lithium hydroxide, sodium hydroxide, potassium hydroxide, and cesium hydroxide; alkaline earth metal hydroxides such as calcium hydroxide; alkali or alkaline earth metal carbonates such as lithium, potassium carbonate and sodium carbonate; metal hydrogencarbonates such as potassium hydrogencarbonate and sodium hydrogencarbonate; and the like. Examples of organic bases include, but are not limited to, trialkylamines such as triethylamine and ethyldiisopropylamine; N,N-dialkylaniline derivatives having 1 to 4 carbon atoms such as N,N-dimethylaniline and N,N-diethylaniline; pyridine derivatives optionally having an alkyl substituent having 1 to 4 carbon atoms, such as pyridine and 2,6-lutidine; and the like. These catalysts can be used singly or in combination of two or more.
反応系のpHを0.01~6.0の範囲、若しくはpH8~14になる量の触媒を加えることが、反応効率の点で好ましく、より効率を高めるためにはpH8~14の塩基性条件下でゾルゲル反応を行うことがより好ましい。 It is preferable in terms of reaction efficiency to add an amount of catalyst that brings the pH of the reaction system to a range of 0.01 to 6.0, or pH 8 to 14. In order to further increase efficiency, basic conditions of pH 8 to 14 are used. It is more preferable to carry out the sol-gel reaction under
有機無機ハイブリッドを製造するための加水分解及び縮合は、有機溶媒中で行うこともできる。縮合反応に使用できる有機溶媒としては、例えば、アルコール、エステル、ケトン、エーテル、脂肪族炭化水素化合物、芳香族炭化水素化合物、アミド化合物等が挙げられる。 Hydrolysis and condensation to produce organic-inorganic hybrids can also be carried out in organic solvents. Examples of organic solvents that can be used in the condensation reaction include alcohols, esters, ketones, ethers, aliphatic hydrocarbon compounds, aromatic hydrocarbon compounds, amide compounds and the like.
上記アルコールとしては、以下に限定されないが、例えば、メチルアルコール、エチルアルコール、プロピルアルコール、ブチルアルコールのような一価アルコール;エチレングリコール、ジエチレングリコール、プロピレングリコール、グリセリン、トリメチロールプロパン、ヘキサントリオールのような多価アルコール;エチレングリコールモノメチルエーテル、エチレングリコールモノエチルエーテル、エチレングリコールモノプロピルエーテル、エチレングリコールモノブチルエーテル、ジエチレングリコールモノメチルエーテル、ジエチレングリコールモノエチルエーテル、ジエチレングリコールモノプロピルエーテル、ジエチレングリコールモノブチルエーテル、プロピレングリコールモノメチルエーテル、プロピレングリコールモノエチルエーテル、プロピレングリコールモノプロピルエーテル、プロピレングリコールモノブチルエーテルのような多価アルコールのモノエーテル類;等が挙げられる。 Examples of the alcohol include, but are not limited to, monohydric alcohols such as methyl alcohol, ethyl alcohol, propyl alcohol, butyl alcohol; ethylene glycol, diethylene glycol, propylene glycol, glycerin, trimethylolpropane, hexanetriol Polyhydric alcohol; ethylene glycol monomethyl ether, ethylene glycol monoethyl ether, ethylene glycol monopropyl ether, ethylene glycol monobutyl ether, diethylene glycol monomethyl ether, diethylene glycol monoethyl ether, diethylene glycol monopropyl ether, diethylene glycol monobutyl ether, propylene glycol monomethyl ether, propylene monoethers of polyhydric alcohols such as glycol monoethyl ether, propylene glycol monopropyl ether, propylene glycol monobutyl ether; and the like.
上記エステルとしては、以下に限定されないが、例えば、酢酸メチル、酢酸エチル、酢酸ブチル、γ-ブチロラクトン等が挙げられる。ケトン類としては、以下に限定されないが、例えば、アセトン、メチルエチルケトン、メチルイソアミルケトン等が挙げられる。 Examples of the ester include, but are not limited to, methyl acetate, ethyl acetate, butyl acetate, γ-butyrolactone, and the like. Examples of ketones include, but are not limited to, acetone, methyl ethyl ketone, methyl isoamyl ketone, and the like.
上記エーテルとしては、上記の多価アルコールのモノエーテル類の他に、例えば、エチレングリコールジメチルエーテル、エチレングリコールジエチルエーテル、エチレングリコールジプロピルエーテル、エチレングリコールジブチルエーテル、プロピレングリコールジメチルエーテル、プロピレングリコールジエチルエーテル、プロピレングリコールジブチルエーテル、ジエチレングリコールジメチルエーテル、ジエチレングリコールメチルエチルエーテル、ジエチレングリコールジエチルエーテルのような多価アルコールの水酸基の全てをアルキルエーテル化した多価アルコールエーテル類;テトラヒドロフラン;1,4-ジオキサン;アニソール等が挙げられる。 Examples of the ether include, in addition to the above monoethers of polyhydric alcohols, ethylene glycol dimethyl ether, ethylene glycol diethyl ether, ethylene glycol dipropyl ether, ethylene glycol dibutyl ether, propylene glycol dimethyl ether, propylene glycol diethyl ether, and propylene. Polyhydric alcohol ethers obtained by alkyl-etherifying all hydroxyl groups of polyhydric alcohols such as glycol dibutyl ether, diethylene glycol dimethyl ether, diethylene glycol methyl ethyl ether and diethylene glycol diethyl ether; tetrahydrofuran; 1,4-dioxane; anisole and the like.
上記脂肪族炭化水素化合物としては、以下に限定されないが、例えば、ヘキサン、ヘプタン、オクタン、ノナン、デカン等が挙げられる。 Examples of the aliphatic hydrocarbon compound include, but are not limited to, hexane, heptane, octane, nonane, and decane.
上記芳香族炭化水素化合物としては、以下に限定されないが、例えば、ベンゼン、トルエン、キシレン等が挙げられる。 Examples of the aromatic hydrocarbon compound include, but are not limited to, benzene, toluene, and xylene.
上記アミド化合物としては、以下に限定されないが、例えば、ジメチルホルムアミド、ジメチルアセトアミド、N-メチルピロリドン等が挙げられる。 Examples of the amide compound include, but are not limited to, dimethylformamide, dimethylacetamide, N-methylpyrrolidone, and the like.
以上の溶媒の中でも、アルコールとしてメタノール、エタノール、イソプロパノール、ブタノール等;ケトンとしてアセトン、メチルエチルケトン、メチルイソブチルケトン等;エーテルとしてエチレングリコールモノメチルエーテル、ジエチレングリコールモノブチルエーテル、プロピレングリコールモノメチルエーテル、プロピレングリコールモノエチルエーテル等;及びアミド化合物としてジメチルホルムアミド、ジメチルアセトアミド、N-メチルピロリドン等が水と混合しやすい点で好ましい。これらの溶媒は単独で使用してもよいし、複数の溶媒を組み合わせて使用してもよい。 Among the above solvents, alcohols such as methanol, ethanol, isopropanol, butanol, etc.; ketones such as acetone, methyl ethyl ketone, methyl isobutyl ketone, etc.; ethers such as ethylene glycol monomethyl ether, diethylene glycol monobutyl ether, propylene glycol monomethyl ether, propylene glycol monoethyl ether, etc. ; and amide compounds such as dimethylformamide, dimethylacetamide, and N-methylpyrrolidone are preferred because they are easily mixed with water. These solvents may be used alone or in combination of multiple solvents.
有機無機ハイブリッドにフィラーを配合する場合は、有機無機ハイブリッドはフィラーの存在下で製造してもよいし、有機無機ハイブリッドにフィラーを配合してもよい。市販の分散フィラーにシランカップリング剤の縮合物を溶解させてもよいし、フィラーとシランカップリング剤をボールミル、ジェットミル等で分散処理してもよいし、アルコキシシランとフィラーを同時に縮合反応することで製造することができるが、フィラーの溶剤分散性を高め、インクジェット塗布性を高める点でアルコキシシランとフィラーを同時に縮合する製造方法がより好ましい。コロイダルフィラーをシランカップリング剤存在下でゾルゲル法により処理した場合は、シランカップリング剤の縮合体がフィラーの表面を変性しながら隙間を埋めるように縮合体が配されることになりアルコキシシランの量を任意に調整することで細孔量を調整することができる。フィラー表面に水酸基が存在する場合、その表面水酸基とアルコキシシランの加水分解により生成される水酸基が相互作用、縮合反応によりエーテル結合を形成するため、フィラーと縮合体の相溶性を高めることができるため、より安定な感応膜を得ることができる。 When the organic-inorganic hybrid is blended with a filler, the organic-inorganic hybrid may be produced in the presence of the filler, or the organic-inorganic hybrid may be blended with the filler. A condensate of a silane coupling agent may be dissolved in a commercially available dispersion filler, a filler and a silane coupling agent may be dispersed using a ball mill, a jet mill, or the like, or the alkoxysilane and the filler may undergo a condensation reaction at the same time. However, from the viewpoint of enhancing the solvent dispersibility of the filler and improving the ink jet applicability, the production method of condensing the alkoxysilane and the filler at the same time is more preferable. When the colloidal filler is treated by the sol-gel method in the presence of a silane coupling agent, the condensate of the silane coupling agent modifies the surface of the filler while filling the gaps. The pore volume can be adjusted by adjusting the amount arbitrarily. When hydroxyl groups are present on the surface of the filler, the surface hydroxyl groups and the hydroxyl groups generated by hydrolysis of the alkoxysilane interact and form ether bonds through a condensation reaction, so the compatibility between the filler and the condensate can be enhanced. , a more stable sensitive film can be obtained.
フィラーに有機官能基を表面変性させることは、分散媒に分散させた状態で表面修飾することにより行われる。具体的には、例えば、アルコール及び水を含む金属酸化物の均一分散液に、触媒存在下で上記シランカップリング剤を添加する工程により有機無機ハイブリッドが製造される。 The surface modification of the filler with organic functional groups is carried out by surface modification while the filler is dispersed in a dispersion medium. Specifically, for example, an organic-inorganic hybrid is produced by adding the silane coupling agent to a uniform dispersion of metal oxides containing alcohol and water in the presence of a catalyst.
有機無機ハイブリッドは沈殿物、ゲル化物を遠心分離、ろ過により濾別することにより回収してもよいし、エバポレーター等で揮発性溶剤を除去することにより単離される。 The organic-inorganic hybrid may be recovered by centrifuging and filtering the precipitate or gelled product, or isolated by removing the volatile solvent with an evaporator or the like.
有機官能基の導入は、FT-IRや元素分析により確認することができる。また、熱重量減少測定により確認することができる。吸着水の影響を除去するため150℃から1000℃までの、無機フィラー(i)と有機官能基(ii)を合わせた有機分の熱重量減少率が、感度の観点から、3%~75%であることが好ましく、湿度耐性の観点から5%~65%であることがより好ましく、更に熱安定性の観点から5%~60%であることが更に好ましい。すなわち、本実施形態における有機無機ハイブリッド中の有機官能基量としては、特に限定されないが、アナライトへの応答性と感応膜の安定性とのバランスの観点から、75重量%以下であることが好ましく、65重量%以下であることがより好ましい。 Introduction of an organic functional group can be confirmed by FT-IR or elemental analysis. Moreover, it can be confirmed by thermogravimetric loss measurement. In order to remove the influence of adsorbed water, the thermal weight loss rate of the organic content of the inorganic filler (i) and the organic functional group (ii) combined from 150 ° C. to 1000 ° C. is 3% to 75% from the viewpoint of sensitivity. , more preferably 5% to 65% from the viewpoint of humidity resistance, and even more preferably 5% to 60% from the viewpoint of thermal stability. That is, the amount of the organic functional group in the organic-inorganic hybrid in the present embodiment is not particularly limited, but from the viewpoint of the balance between the responsiveness to the analyte and the stability of the sensitive film, it is preferably 75% by weight or less. Preferably, it is 65% by weight or less.
本実施形態における感応膜の膜厚は、有機無機ハイブリッドが均質な膜厚分布を有する形状でもよいし、端部の膜厚が厚くなるように分布するコーヒーリング状の形状を有することができる。コーヒーリング状の形状となる場合は、感応膜の中心部分における最も薄い部分、及び端部分における最も厚い部分の膜厚は、それぞれ通常10nm以上50μm以下であることが好ましい。膜厚は、製造時における乾燥に要する時間を短縮し、生産性を高める観点から、好ましくは10nm以上30μm以下であり、感度を高める観点から、より好ましくは10nm以上20μm以下である。また、本実施形態における感応膜の最大厚みは、30μm以下であることが好ましい。上記膜厚や最大厚みは、後述する実施例に記載の方法により測定することができる。 The film thickness of the sensitive film in this embodiment may be a shape in which the organic-inorganic hybrid has a uniform film thickness distribution, or may have a coffee ring shape in which the film thickness is distributed so as to be thicker at the ends. In the case of a coffee ring shape, the film thickness of the thinnest portion at the central portion of the sensitive film and the thickest portion at the end portions are preferably 10 nm or more and 50 μm or less. The film thickness is preferably 10 nm or more and 30 μm or less from the viewpoint of shortening the time required for drying during production and increasing productivity, and more preferably 10 nm or more and 20 μm or less from the viewpoint of increasing sensitivity. Further, the maximum thickness of the sensitive film in this embodiment is preferably 30 μm or less. The above film thickness and maximum thickness can be measured by the methods described in Examples below.
本実施形態における感応膜で被覆した表面応力センサー(MSS)を嗅覚センサーとして用いる為には、気相中において、有機官能基とガス分子が相互作用し、感応膜内部に拡散することにより応力発生し、それによってガスを検出することが好ましい。 In order to use the surface stress sensor (MSS) coated with the sensitive film in this embodiment as an olfactory sensor, the organic functional groups and gas molecules interact in the gas phase and diffuse into the sensitive film to generate stress. and thereby detect the gas.
[表面応力センサー(MSS)]
本実施形態のセンサーは、表面応力センサー(MSS)として用いることができる。MSSは4点固定のピエゾ素子型MSSであることが好ましい。
[Surface stress sensor (MSS)]
The sensor of this embodiment can be used as a surface stress sensor (MSS). The MSS is preferably a piezo element type MSS fixed at four points.
[センサーの製造方法]
本実施形態のセンサーの製造方法としては、特に限定されないが、センサー本体上に感応膜を形成するための種々の方法により製造することができる。本実施形態における感応膜は、例えば、有機無機ハイブリッドを有機溶剤に分散させて塗布液を調製し、当該塗布液をセンサー本体上に塗布することにより製造される。塗布液をセンサーのチップ上に塗布する際には、インクジェット装置を好適に用いることができる。インクジェット装置によれば、塗布液の液滴を射出し、液滴がセンサー上に塗布され、感応膜が成膜される。チップ上に感応膜を形成した例を図1に示す。センサー1は、センサー本体に対応するチップ3と、その表面上に形成された感応膜2を有するものとして構成されており、図1に示す例において、このような構成を4箇所において備えている。
[Sensor manufacturing method]
The method of manufacturing the sensor of this embodiment is not particularly limited, but various methods for forming a sensitive film on the sensor body can be used. The sensitive film in the present embodiment is manufactured by, for example, dispersing an organic-inorganic hybrid in an organic solvent to prepare a coating liquid, and coating the coating liquid on the sensor main body. An inkjet device can be suitably used when applying the coating liquid onto the chip of the sensor. According to the inkjet device, droplets of a coating liquid are ejected, the droplets are coated on the sensor, and a sensitive film is formed. FIG. 1 shows an example in which a sensitive film is formed on a chip. The
有機無機ハイブリッドをセンサー本体(例えば、MSS本体)の表面に被覆するための手法は、特に限定されないが、例えば、ディップコーティング、スプレーコーティング、スピンコーティング、インクジェットスポッティング、キャスティング、ドクターブレードなどを用いた被覆方法が挙げられる。 The method for coating the organic-inorganic hybrid on the surface of the sensor body (e.g., MSS body) is not particularly limited, but for example, dip coating, spray coating, spin coating, inkjet spotting, casting, coating using a doctor blade, etc. method.
300μmφのMSSメンブレンに塗布するためには、インクジェット、マイクロジェット方式が好ましく、生産性の観点からマイクロジェット方式の塗布がより好ましい。 Inkjet or microjet methods are preferable for coating on a 300 μmφ MSS membrane, and microjet coating is more preferable from the viewpoint of productivity.
感応膜は、例えば、有機無機ハイブリッドを有機溶剤に分散させ、その分散液をMSSチップ上に塗布することにより製造できる。有機無機ハイブリッドは、有機溶剤中に0.1g/L~50g/Lの濃度で分散されて塗布液となる。生産性の観点から、濃度は、0.5~50g/Lであることが好ましく、ノズルつまりを抑制する観点から、0.5~15g/Lであることがより好ましい。 The sensitive film can be produced, for example, by dispersing an organic-inorganic hybrid in an organic solvent and coating the dispersion on the MSS chip. The organic-inorganic hybrid is dispersed in an organic solvent at a concentration of 0.1 g/L to 50 g/L to form a coating liquid. From the viewpoint of productivity, the concentration is preferably 0.5 to 50 g/L, and from the viewpoint of suppressing nozzle clogging, it is more preferably 0.5 to 15 g/L.
有機無機ハイブリッドを分散する有機溶媒としては、分散可能な溶媒であればよく、沸点としては80℃~250℃のものが好ましく、ノズルのつまりによる生産性の低下を抑制するためには100℃~250℃のものが好ましく、乾燥にかかる時間を早め、生産性を高めるために100℃~200℃であることがより好ましい。 The organic solvent for dispersing the organic-inorganic hybrid may be any solvent that can be dispersed, and preferably has a boiling point of 80°C to 250°C. A temperature of 250° C. is preferable, and a temperature of 100° C. to 200° C. is more preferable in order to shorten the drying time and improve productivity.
有機溶媒としては、以下に限定されないが、例えば、アルコール溶媒、エステル溶媒、ケトン溶媒、エーテル溶媒、脂肪族炭化水素溶媒、芳香族炭化水素溶媒、アミド溶媒等が挙げられる。 Examples of organic solvents include, but are not limited to, alcohol solvents, ester solvents, ketone solvents, ether solvents, aliphatic hydrocarbon solvents, aromatic hydrocarbon solvents, amide solvents, and the like.
アルコール溶媒としては、以下に限定されないが、例えば、メチルアルコール、エチルアルコール、プロピルアルコール、ブチルアルコール等の一価アルコール;エチレングリコール、ジエチレングリコール、プロピレングリコール、グリセリン、トリメチロールプロパン、ヘキサントリオール等の多価アルコール;エチレングリコールモノメチルエーテル、エチレングリコールモノエチルエーテル、エチレングリコールモノプロピルエーテル、エチレングリコールモノブチルエーテル、ジエチレングリコールモノメチルエーテル、ジエチレングリコールモノエチルエーテル、ジエチレングリコールモノプロピルエーテル、ジエチレングリコールモノブチルエーテル、プロピレングリコールモノメチルエーテル、プロピレングリコールモノエチルエーテル、プロピレングリコールモノプロピルエーテル、プロピレングリコールモノブチルエーテル等の多価アルコールのモノエーテル類;等が挙げられる。
エステル溶媒としては、例えば、酢酸メチル、酢酸エチル、酢酸ブチル、γ-ブチロラクトン等が挙げられる。
Alcohol solvents include, but are not limited to, monohydric alcohols such as methyl alcohol, ethyl alcohol, propyl alcohol, and butyl alcohol; polyhydric alcohols such as ethylene glycol, diethylene glycol, propylene glycol, glycerin, trimethylolpropane, and hexanetriol; Alcohol; ethylene glycol monomethyl ether, ethylene glycol monoethyl ether, ethylene glycol monopropyl ether, ethylene glycol monobutyl ether, diethylene glycol monomethyl ether, diethylene glycol monoethyl ether, diethylene glycol monopropyl ether, diethylene glycol monobutyl ether, propylene glycol monomethyl ether, propylene glycol mono monoethers of polyhydric alcohols such as ethyl ether, propylene glycol monopropyl ether, propylene glycol monobutyl ether; and the like.
Examples of ester solvents include methyl acetate, ethyl acetate, butyl acetate, γ-butyrolactone and the like.
ケトン溶媒としては、以下に限定されないが、例えば、アセトン、メチルエチルケトン、メチルイソアミルケトン等が挙げられる。 Examples of ketone solvents include, but are not limited to, acetone, methyl ethyl ketone, methyl isoamyl ketone, and the like.
エーテル溶媒としては、以下に限定されないが、例えば、エチレングリコールジメチルエーテル、エチレングリコールジエチルエーテル、エチレングリコールジプロピルエーテル、エチレングリコールジブチルエーテル、プロピレングリコールジメチルエーテル、プロピレングリコールジエチルエーテル、プロピレングリコールジブチルエーテル、ジエチレングリコールジメチルエーテル、ジエチレングリコールメチルエチルエーテル、ジエチレングリコールジエチルエーテル等の多価アルコールの水酸基の全てをアルキルエーテル化した多価アルコールエーテル類;テトラヒドロフラン;1,4-ジオキサン;アニソール;等が挙げられる。 Examples of ether solvents include, but are not limited to, ethylene glycol dimethyl ether, ethylene glycol diethyl ether, ethylene glycol dipropyl ether, ethylene glycol dibutyl ether, propylene glycol dimethyl ether, propylene glycol diethyl ether, propylene glycol dibutyl ether, diethylene glycol dimethyl ether, Polyhydric alcohol ethers obtained by alkyl-etherifying all hydroxyl groups of polyhydric alcohols such as diethylene glycol methyl ethyl ether and diethylene glycol diethyl ether; tetrahydrofuran; 1,4-dioxane; anisole;
脂肪族炭化水素溶媒としては、以下に限定されないが、例えば、ヘキサン、ヘプタン、オクタン、ノナン、デカン等が挙げられる。 Examples of aliphatic hydrocarbon solvents include, but are not limited to, hexane, heptane, octane, nonane, decane, and the like.
芳香族炭化水素溶媒としては、以下に限定されないが、例えば、ベンゼン、トルエン、キシレン等が挙げられる。 Examples of aromatic hydrocarbon solvents include, but are not limited to, benzene, toluene, xylene, and the like.
アミド溶媒としては、以下に限定されないが、例えば、N,N-ジメチルホルムアミド、N,N-ジメチルアセトアミド、N-メチルピロリドン等が挙げられる。 Examples of amide solvents include, but are not limited to, N,N-dimethylformamide, N,N-dimethylacetamide, N-methylpyrrolidone, and the like.
これらの有機溶媒は、1種単独で用いてもよく、2種以上を組み合わせて用いてもよい。 These organic solvents may be used singly or in combination of two or more.
これらの有機溶媒の中でも、安全性及び溶解性に優れることから、N,N-ジメチルホルムアミド、プロピレングリコールモノメチルエーテルが好ましい。 Among these organic solvents, N,N-dimethylformamide and propylene glycol monomethyl ether are preferred because of their excellent safety and solubility.
本実施形態における感応膜は、有機無機ハイブリッド以外に、任意の粒子、イオン性化合物、樹脂、及び低分子化合物等の添加物を含んでもよい。上記添加物は、例えば、塗布液に配合し、センサー本体の表面に塗布することにより、上記添加物を含む感応膜を有するセンサーを得ることができる。 The sensitive film in this embodiment may contain additives such as arbitrary particles, ionic compounds, resins, and low-molecular-weight compounds in addition to organic-inorganic hybrids. For example, the additive can be blended in a coating solution and applied to the surface of the sensor body to obtain a sensor having a sensitive film containing the additive.
以下、実施例及び比較例により本実施形態を具体的に説明するが、本実施形態はこれらに限定されるものではない。 EXAMPLES The present embodiment will be specifically described below with reference to examples and comparative examples, but the present embodiment is not limited to these.
各実施例及び比較例のMSSの各種物性を以下の(1)~(8)に従って評価した。 Various physical properties of MSS of each example and comparative example were evaluated according to the following (1) to (8).
(1)有機無機ハイブリッド感応膜の空隙率の測定
ダイシングにより断面を形成した試料を加工台に固定した後、下記のFIB Millingで加工を行い、SEM観察を行った。SEM観察条件は下記のとおりとした。
(加工条件FIB Milling)
装置 Helios 650
粗加工 Wによる保護膜形成後実施
加速電圧 30kV
電流値 9.4nA、2.4nA、0.7nAの順に変更
(仕上げ加工)
加速電圧 30 kV
電流値 0.24nA
(SEM観察条件)
装置 Helios 650 (ThermoFisher SCIENTIFIC製)
加速電圧 2kV, 0.1又は0.2nA
観察像 反射電子像(組成像)
傾斜 52°
(1) Measurement of Porosity of Organic-Inorganic Hybrid Sensitive Film A sample having a cross section formed by dicing was fixed on a processing table, processed by FIB Milling described below, and observed with an SEM. The SEM observation conditions were as follows.
(Processing conditions FIB Milling)
Equipment Helios 650
Rough processing Executed after forming a protective film with
Change current value in order of 9.4nA, 2.4nA, 0.7nA (finishing)
Accelerating
Current value 0.24nA
(SEM observation conditions)
Apparatus Helios 650 (manufactured by ThermoFisher SCIENTIFIC)
Observation image Backscattered electron image (composition image)
Incline 52°
断面SEM観察で取得した像から凹凸微細構造層を切り出し、さらに有機無機ハイブリッド中に存在する空隙を抽出した。抽出については、取得像において空隙周辺がエッジ効果により明コントラストを有すること、また空隙自体は暗コントラストを有することを利用し、画像解析ソフトにて2値化処理を行った。その際、凹凸微細構造層を白色に、空隙、基板および背景を黒色とする2値化処理を行った。2値化処理で追従しきれない部位については、手動による判別を行い補足した。得られた空隙の抽出像にて、空隙に対応する部分の面積の、凹凸微細構造層及び空隙に対応する部分の面積に対する比を、凹凸微細構造層中の空隙率として算出した。上記操作を3視野に対して行い、その数平均値を空隙率とした。 The uneven fine structure layer was cut out from the image obtained by cross-sectional SEM observation, and the voids present in the organic-inorganic hybrid were extracted. For the extraction, binarization processing was performed using image analysis software, taking advantage of the fact that in the acquired image, the gaps have a bright contrast due to the edge effect, and that the gaps themselves have a dark contrast. At that time, a binarization process was performed in which the concave-convex microstructure layer was white, and the voids, the substrate, and the background were black. Parts that could not be followed by the binarization process were supplemented by manual discrimination. In the extracted image of the voids obtained, the ratio of the area of the portion corresponding to the void to the area of the uneven fine structure layer and the void was calculated as the void ratio in the uneven fine structure layer. The above operation was performed for 3 fields of view, and the numerical average value was defined as the porosity.
(2)有機無機ハイブリッドにおける有機官能基種の同定
下記の条件に基づき、センサー本体上の感応膜を顕微ATR法で測定することにより、有機無機ハイブリッドにおける有機官能基を同定した。
(測定条件)
使用装置;Cary620(Agilent社製)
測定方法;顕微ATR法(結晶:Ge) スライド・オン型ATRアタッチメントを使用
検出器;MCT(HgCeTe)赤外線検出素子
アパーチャサイズ;約100um
ATR結晶へのIR入射角 30°
分解能;4cm-1
積算回数;64scans
(2) Identification of Organic Functional Group Species in Organic-Inorganic Hybrid Organic functional groups in the organic-inorganic hybrid were identified by measuring the sensitive film on the main body of the sensor by a microscopic ATR method based on the following conditions.
(Measurement condition)
Apparatus used; Cary620 (manufactured by Agilent)
Measurement method; microscopic ATR method (crystal: Ge) using a slide-on type ATR attachment Detector; MCT (HgCeTe) infrared detection element Aperture size; about 100um
IR incident angle to
Resolution; 4 cm -1
Accumulation times; 64 scans
(3)熱重量減少率(有機官能基量の定量)
センサーから削りとった感応膜の粉末試料を、大気中100℃で乾燥し、次いで室温に戻してから正確に秤量した。その後、TGAを用いて大気中で1000℃まで10℃/分で昇温加熱することで有機成分を除去し、熱重量減少率とした。有機官能基のみ加熱で分解せず、SiO3/2の部分はシリカとして残るため、熱重量減少率を有機官能基量(質量%)とした。
(3) Thermal weight loss rate (quantification of the amount of organic functional groups)
A powder sample of the sensitive film scraped from the sensor was dried in air at 100° C., then returned to room temperature and weighed accurately. Thereafter, the organic component was removed by heating to 1000° C. at a rate of 10° C./min in the atmosphere using TGA, and the thermal weight loss rate was obtained. Since only the organic functional group is not decomposed by heating and the SiO 3/2 portion remains as silica, the thermal weight loss rate was defined as the amount of organic functional group (% by mass).
(4)感応膜の最大厚み
共焦点レーザー顕微鏡(VK09700 Violet Laser(キーエンス製))を用いてセンサーにおける感応膜未塗布部分と感応膜の最大膜厚部分を観察することにより、感応膜の膜厚を測定した。すなわち、略円形状に形成された感応膜の直径上における2点間の断面プロファイルを取得し、断面プロファイルから未塗布部分と最大膜厚部分を特定し、これらの差をとり最大厚みとした。
(観察条件)
対物レンズ:標準レンズ 20.0倍
測定エリア:面
測定モード:表面形状
RPD:精度優先
測定品質:高精細
測定ピッチ:0.5μm
Z測定距離:37.92μm
ワイドダイナミックレンジ:OFF
明るさ1:648
減光フィルタ:100%
光学ズーム:1倍
平均回数:1回
フィルタ:OFF
ホワイトバランスモード:ワンプッシュ
ホワイトバランスR:131
ホワイトバランスB:138
受光光量補正モード:γ補正
γ補正値:0.45
γオフセット:0
白黒反転:OFF
ヘッド種別:VK-9700
光量偏心補正:ON
像面湾曲補正:ON
XYキャリブレーション:688nm/pixel
Zキャリブレーション:1nm/digit
鮮やかさ:5
コントラスト:5
明るさ:0
(4) Maximum thickness of the sensitive film By observing the uncoated part of the sensitive film and the maximum thickness part of the sensitive film in the sensor using a confocal laser microscope (VK09700 Violet Laser (manufactured by Keyence)), the thickness of the sensitive film was measured. That is, the cross-sectional profile between two points on the diameter of the sensitive film formed in a substantially circular shape was obtained, the uncoated portion and the maximum film thickness portion were specified from the cross-sectional profile, and the difference between them was taken as the maximum thickness.
(Observation conditions)
Objective lens: Standard lens, 20.0x Measurement area: Plane Measurement mode: Surface shape RPD: Accuracy priority Measurement quality: High definition Measurement pitch: 0.5 μm
Z measurement distance: 37.92 μm
Wide dynamic range: OFF
Brightness 1:648
Neutral filter: 100%
Optical zoom: 1x Average count: 1 Filter: OFF
White balance mode: One push White balance R: 131
White balance B: 138
Received light amount correction mode: γ correction γ correction value: 0.45
γ offset: 0
Black and white inversion: OFF
Head type: VK-9700
Light intensity eccentricity correction: ON
Field curvature correction: ON
XY calibration: 688 nm/pixel
Z calibration: 1 nm/digit
Vividness: 5
Contrast: 5
Brightness: 0
(5)耐湿度影響性
25℃、エタノール100ppmを10分/窒素のみのパージを10分ずつ3度繰り返し、3度目のシグナルを採用した。100×(「乾燥下で測定された3度目のシグナルの強度」-「30RT%下で測定された3度目のシグナルの強度」)/(「乾燥下で測定された3度目のシグナルの強度」を減衰率(%)とし、その値が20%以下のものを◎、21%から40%以下のものを〇、41%以上50%未満のものを△、51%以上のものを×とした。
(5) Influence of Humidity Resistance 25° C., 100 ppm of ethanol for 10 minutes/purging with only nitrogen was repeated three times for 10 minutes each, and the third signal was adopted. 100 × ("Intensity of the third signal measured under dry" - "Intensity of the third signal measured under 30 RT%") / ("Intensity of the third signal measured under dry" is the attenuation rate (%), and when the value is 20% or less, it is ◎, when it is 21% to 40% or less, it is ○, when it is 41% or more and less than 50%, it is △, when it is 51% or more, it is x. .
(6)物理・化学安定性
25℃にて水飽和蒸気、エタノール、トルエン、(流量30sccm)10分/パージパージ(乾燥窒素下)10分を順次3回ずつ測定後、光学顕微鏡による観察で膜形状についてエタノールまでに変形がみられたものを×、トルエンで変形がみられたものを△、いずれの後でも変形が見られなかったものを〇とした。
(6) Physical and chemical stability Water-saturated steam, ethanol, and toluene (flow
(7)耐熱性(リフロー耐性)
250℃、30秒のリフロー後に感応膜に剥離、変形、クラック等がみられたものを×、見られなかったものを〇とした。
(7) Heat resistance (reflow resistance)
After reflowing at 250° C. for 30 seconds, peeling, deformation, cracking, etc. were observed in the sensitive film, and those not observed were evaluated as ◯.
(8)フィラー粒径(直径)
上記(1)に記載の走査型電子顕微鏡を用い、フィラー粒子50個の数平均値とした。球状粒子の場合は、最大径を粒径とし、鎖状粒子の場合は、鎖幅を粒子径とし、各々50個分の数平均値を算出した。
(8) Filler particle size (diameter)
The number average value of 50 filler particles was obtained using the scanning electron microscope described in (1) above. In the case of spherical particles, the maximum diameter was defined as the particle diameter, and in the case of chain-shaped particles, the chain width was defined as the particle diameter, and the number average value for 50 particles was calculated.
<実施例1>
セパラブルフラスコに鎖状コロイダルシリカの2-プロパノール分散液IPA-ST-UP(日産化学製品)50g、水90g、28%アンモニア水10g、2-プロパノール300gに、フェニルトリメトキシシラン27.1gを加え80℃で4時間反応させた。反応液を空冷後、6000rpm、10分間遠心分離することで沈殿物を単離した。エタノールでサンプルを十分に洗浄したのち、N,Nジメチルホルムアミドで10g/mLになるように溶解し、塗布液を得た。サンプルを一部80℃真空下で乾燥させて、熱重量減少率を測定した。塗布液を、インクジェット装置を用いて1滴当たり300pLの量にて30滴を、80℃のホットプレート上に配したMSS表面上に塗布することにより感応膜付きの表面応力センサーを得た。その外観としては、図1に示すものと同様であった。
<Example 1>
In a separable flask, 27.1 g of phenyltrimethoxysilane was added to 50 g of chain colloidal silica 2-propanol dispersion IPA-ST-UP (Nissan Kagaku), 90 g of water, 10 g of 28% aqueous ammonia, and 300 g of 2-propanol. The reaction was carried out at 80°C for 4 hours. After air-cooling the reaction solution, the precipitate was isolated by centrifuging at 6000 rpm for 10 minutes. After thoroughly washing the sample with ethanol, it was dissolved in N,N dimethylformamide to a concentration of 10 g/mL to obtain a coating solution. A portion of the sample was dried at 80° C. under vacuum and the thermal weight loss rate was measured. A surface stress sensor with a sensitive film was obtained by applying 30 droplets of the coating liquid in an amount of 300 pL per droplet onto the MSS surface placed on a hot plate at 80° C. using an inkjet device. Its appearance was the same as that shown in FIG.
実施例1に係る表面応力センサーの表面を、SEM観察して得られた感応膜中心部分の画像を図2に示す。図2からわかるように、実施例1に係る表面応力センサー中の感応膜中心部分において、感応膜はセンサー本体上に均一に形成されていた。
次いで、実施例1に係る表面応力センサーを断面SEM観察した結果を図3に示す。このような断面SEM画像に基づいて、上記(1)のとおりに空隙率を算出した。結果は表1に示す。
また、実施例1に係る表面応力センサーの最大厚みを上記(4)の方法に基づいて測定した結果、図4上部の画像が得られた。図4上部の画像より、縦700μm×横500μmのセンサー本体上にコーヒーリング状の感応膜が形成されていることがわかる。さらに、膜厚を分析した結果、図4下部に示す膜厚分布が得られた。図4下部の画像は、図4上部におけるX-X’断面における2点間の断面プロファイルを示しており、このプロファイルに基づいて最大膜厚部分と感応膜未塗布部分を特定し、これらの差より最大厚みを求めた。結果は表1に示す。
さらに、上記(5)の方法に基づいて耐湿度の影響を検討した結果を図5に示す。湿度0%(乾燥下)では最大振幅550μVで湿度30%では360μVの最大振幅が得られた。前述の方法にて算出された減衰率は40%であったため〇とした。
上述した方法と同様の要領にて、以降の実施例及び比較例についても評価を行うこととした。
FIG. 2 shows an image of the central portion of the sensitive film obtained by observing the surface of the surface stress sensor according to Example 1 with an SEM. As can be seen from FIG. 2, in the central portion of the sensitive film in the surface stress sensor according to Example 1, the sensitive film was uniformly formed on the sensor main body.
Next, FIG. 3 shows the result of cross-sectional SEM observation of the surface stress sensor according to Example 1. As shown in FIG. Based on such a cross-sectional SEM image, the porosity was calculated as described in (1) above. Results are shown in Table 1.
Moreover, as a result of measuring the maximum thickness of the surface stress sensor according to Example 1 based on the method (4) above, the image shown in the upper part of FIG. 4 was obtained. From the image at the top of FIG. 4, it can be seen that a coffee-ring-shaped sensitive film is formed on the main body of the sensor measuring 700 μm long×500 μm wide. Furthermore, as a result of analyzing the film thickness, the film thickness distribution shown in the lower part of FIG. 4 was obtained. The image at the bottom of FIG. 4 shows a cross-sectional profile between two points in the XX' cross section at the top of FIG. A maximum thickness was obtained. Results are shown in Table 1.
Furthermore, FIG. 5 shows the result of examining the effect of humidity resistance based on the method (5) above. A maximum amplitude of 550 μV was obtained at a humidity of 0% (dry) and a maximum amplitude of 360 μV was obtained at a humidity of 30%. Since the attenuation rate calculated by the method described above was 40%, ◯ was given.
The following examples and comparative examples were also evaluated in the same manner as the method described above.
<実施例2>
フェニルトリメトキシシラン27.1gを13.5gにした以外は実施例1に準じた。
<Example 2>
Example 1 was followed except that 27.1 g of phenyltrimethoxysilane was changed to 13.5 g.
<実施例3>
IPA-ST-UP(日産化学製品)50gをIPA-ST(12nm球状シリカ)25gに変えた以外は実施例1に準じた。
<Example 3>
Example 1 was followed except that 50 g of IPA-ST-UP (Nissan Kagaku) was changed to 25 g of IPA-ST (12 nm spherical silica).
<実施例4>
IPA-ST-UP(日産化学製品)50gをIPA-ST―L(45nm球状シリカ)25gに変えた以外は実施例1に準じた。
<Example 4>
Example 1 was followed except that 50 g of IPA-ST-UP (Nissan Kagaku) was changed to 25 g of IPA-ST-L (45 nm spherical silica).
<実施例5>
IPA-ST-UP(日産化学製品)50gをMP-4540M(450nm球状シリカ)20gに変えた以外は実施例1に準じた。
<Example 5>
Example 1 was followed except that 50 g of IPA-ST-UP (Nissan Kagaku) was changed to 20 g of MP-4540M (450 nm spherical silica).
<実施例6>
IPA-ST-UP(日産化学製品)50gをZR-40BL20g(90nmジルコニア)に変えた以外は実施例1に準じた。
<Example 6>
Example 1 was followed except that 50 g of IPA-ST-UP (product of Nissan Chemical Industries) was changed to 20 g of ZR-40BL (90 nm zirconia).
<実施例7>
フェニルトリメトキシシラン27.1gを4-クロロフェニルトリエトキシシラン37.6gにした以外は実施例1に準じた。
<Example 7>
Example 1 was followed except that 27.1 g of phenyltrimethoxysilane was changed to 37.6 g of 4-chlorophenyltriethoxysilane.
<実施例8>
フェニルトリメトキシシラン27.1gを4-メトキシフェニルトリメトキシシラン30.4gにした以外は実施例1に準じた。
<Example 8>
Example 1 was followed except that 27.1 g of phenyltrimethoxysilane was changed to 30.4 g of 4-methoxyphenyltrimethoxysilane.
<実施例9>
フェニルトリメトキシシラン27.1gを3-フリルトリエトキシシラン31.5gにした以外は実施例1に準じた。
<Example 9>
Example 1 was followed except that 27.1 g of phenyltrimethoxysilane was changed to 31.5 g of 3-furyltriethoxysilane.
<実施例10>
フェニルトリメトキシシラン27.1gを3-チエニルトリエトキシシラン33.9gにした以外は実施例1に準じた。
<Example 10>
Example 1 was followed except that 27.1 g of phenyltrimethoxysilane was changed to 33.9 g of 3-thienyltriethoxysilane.
<実施例11>
フェニルトリメトキシシラン27.1gを4-アミノフェニルトリメトキシシラン23.3gにした以外は実施例1に準じた。
<Example 11>
Example 1 was followed except that 27.1 g of phenyltrimethoxysilane was changed to 23.3 g of 4-aminophenyltrimethoxysilane.
<実施例12>
フェニルトリメトキシシラン27.1gをp-トリルトリメトキシシラン29gにした以外は実施例1に準じた。
<Example 12>
Example 1 was followed except that 27.1 g of phenyltrimethoxysilane was replaced with 29 g of p-tolyltrimethoxysilane.
<実施例13>
フェニルトリメトキシシラン27.1gをナフタレントリメトキシシラン27.2gにした以外は実施例1に準じた。
<Example 13>
Example 1 was followed except that 27.1 g of phenyltrimethoxysilane was changed to 27.2 g of naphthalenetrimethoxysilane.
<実施例14>
フェニルトリメトキシシラン27.1gをフェニルトリメトキシシラン27.1g+3-(2-イミザゾリンプロピル)トリエトキシシラン37.5gにした以外は実施例1に準じた。
<Example 14>
Example 1 was followed except that 27.1 g of phenyltrimethoxysilane was changed to 27.1 g of phenyltrimethoxysilane+37.5 g of 3-(2-imizazolinepropyl)triethoxysilane.
<実施例15>
フェニルトリメトキシシラン27.1gをフェニルトリメトキシシラン27.1g+3-(2-アミノプロピルエチルアミノ)プロピルトリエトキシシラン36.1gにした以外は実施例1に準じた。
<Example 15>
Example 1 was followed except that 27.1 g of phenyltrimethoxysilane was changed to 27.1 g of phenyltrimethoxysilane+36.1 g of 3-(2-aminopropylethylamino)propyltriethoxysilane.
<実施例16>
フェニルトリメトキシシラン27.1gをフェニルトリメトキシシラン27.1g+ノルボルニルトリエトキシシラン35.7gにした以外は実施例1に準じた。
<Example 16>
Example 1 was followed except that 27.1 g of phenyltrimethoxysilane was changed to 27.1 g of phenyltrimethoxysilane+35.7 g of norbornyltriethoxysilane.
<実施例17>
フェニルトリメトキシシラン27.1gをフェニルトリメトキシシラン27.1g+3-N,Nジメチルアミノプロピルトリメトキシシシラン7.08gにした以外は実施例1に準じた。
<Example 17>
Example 1 was repeated except that 27.1 g of phenyltrimethoxysilane was changed to 27.1 g of phenyltrimethoxysilane+7.08 g of 3-N,N-dimethylaminopropyltrimethoxysilane.
<実施例18>
フェニルトリメトキシシラン27.1gをフェニルトリメトキシシラン27.1g+3-メルカプトプロピルトリエトキシシシラン9.77gにした以外は実施例1に準じた。
<Example 18>
Example 1 was repeated except that 27.1 g of phenyltrimethoxysilane was changed to 27.1 g of phenyltrimethoxysilane+9.77 g of 3-mercaptopropyltriethoxysilane.
<実施例19>
フェニルトリメトキシシラン27.1gをフェニルトリメトキシシラン24.4g+ペンタフルオロフェニルトリメトキシシシラン3.93gにした以外は実施例1に準じた。
<Example 19>
Example 1 was followed except that 27.1 g of phenyltrimethoxysilane was changed to 24.4 g of phenyltrimethoxysilane+3.93 g of pentafluorophenyltrimethoxysilane.
<実施例20>
フェニルトリメトキシシラン27.1gをフェニルトリメトキシシラン27.1g+3-メタクリルオキシプロピルトリエトキシシシラン11.9gにした以外は実施例1に準じた。
<Example 20>
Example 1 was followed except that 27.1 g of phenyltrimethoxysilane was changed to 27.1 g of phenyltrimethoxysilane+11.9 g of 3-methacryloxypropyltriethoxysilane.
<実施例21>
フェニルトリメトキシシラン27.1gをフェニルトリメトキシシラン27.1g+2-(3,4-エポキシシクロヘキシルトリメトキシシラン8.75gにした以外は実施例1に準じた。
<Example 21>
Example 1 was followed except that 27.1 g of phenyltrimethoxysilane was changed to 27.1 g of phenyltrimethoxysilane+8.75 g of 2-(3,4-epoxycyclohexyltrimethoxysilane.
<実施例22>
フェニルトリメトキシシラン27.1gをフェニルトリメトキシシラン27.1g+4-アミノフェニルトリメトキシシシラン8.74gにした以外は実施例1に準じた。
<Example 22>
Example 1 was followed except that 27.1 g of phenyltrimethoxysilane was changed to 27.1 g of phenyltrimethoxysilane and 8.74 g of 4-aminophenyltrimethoxysilane.
<実施例23>
フェニルトリメトキシシラン27.1gをフェニルトリメトキシシラン27.1g+3-ウレイドプロピルトリエトキシシシラン21.6gにした以外は実施例1に準じた。
<Example 23>
Example 1 was followed except that 27.1 g of phenyltrimethoxysilane was changed to 27.1 g of phenyltrimethoxysilane+21.6 g of 3-ureidopropyltriethoxysilane.
<実施例24>
フェニルトリメトキシシラン27.1gをフェニルトリメトキシシラン27.1g+3-フェニルアミノプロピルトリメトキシシラン10.4gにした以外は実施例1に準じた。
<Example 24>
Example 1 was followed except that 27.1 g of phenyltrimethoxysilane was changed to 27.1 g of phenyltrimethoxysilane+10.4 g of 3-phenylaminopropyltrimethoxysilane.
<実施例25>
フェニルトリメトキシシラン27.1gをフェニルトリメトキシシラン27.1g+3-[ビス[(ジフェニルホスフィノ)メチル]アミノ]プロピルトリメトキシシラン25.3gにした以外は実施例1に準じた。
<Example 25>
Example 1 was followed except that 27.1 g of phenyltrimethoxysilane was changed to 27.1 g of phenyltrimethoxysilane+25.3 g of 3-[bis[(diphenylphosphino)methyl]amino]propyltrimethoxysilane.
<実施例26>
フェニルトリメトキシシラン10g、水10g、エタノール30g、28%アンモニア水を混合し、80℃で2h反応させた。6000rpm、10分間遠心分離することで沈殿物を単離した。エタノールでサンプルを十分に洗浄したのち、N,N-ジメチルホルムアミドで1g/mLになるように溶解し、塗布液を得た。塗布液を、マイクロジェットを用いて1滴当たり300pLの量にて300滴を80℃のホットプレート上に配したMSS表面上に塗布した。
<Example 26>
10 g of phenyltrimethoxysilane, 10 g of water, 30 g of ethanol and 28% aqueous ammonia were mixed and reacted at 80° C. for 2 hours. The precipitate was isolated by centrifugation at 6000 rpm for 10 minutes. After thoroughly washing the sample with ethanol, it was dissolved in N,N-dimethylformamide to a concentration of 1 g/mL to obtain a coating solution. The coating solution was applied onto the MSS surface placed on a hot plate at 80° C. with 300 drops at a volume of 300 pL per drop using a microjet.
<実施例27>
500mLのセパラブルフラスコにエタノール30g、テトラエトキシシラン4.7g、フェニルトリエトキシシラン4.3g、28%アンモニア水を1.8gを混合、撹拌したのち室温でゲル化するまで静置した。得られたゲルをエタノールで洗浄し、アンモニアを除去したのち、DMF10mg/mLになるように溶解させ塗布液を得た。塗布液を、マイクロジェットを用いて1滴当たり300pLの量にて30滴を80℃のホットプレート上に配したMSS表面上に塗布した。
<Example 27>
30 g of ethanol, 4.7 g of tetraethoxysilane, 4.3 g of phenyltriethoxysilane, and 1.8 g of 28% aqueous ammonia were mixed in a 500 mL separable flask, stirred, and allowed to stand at room temperature until gelation. The resulting gel was washed with ethanol to remove ammonia, and then dissolved in DMF to a concentration of 10 mg/mL to obtain a coating solution. The coating solution was applied onto the MSS surface placed on a hot plate at 80° C. with 30 drops at a volume of 300 pL per drop using a microjet.
<実施例28>
500mLのセパラブルフラスコにエタノール37g、テトラエトキシシラン2.6g、フェニルトリエトキシシラン9.0g、28%アンモニア水を2.26gを混合、撹拌したのち室温でゲル化するまで静置した。得られたゲルをエタノールで洗浄し、アンモニアを除去したのち、DMF10mg/mLになるように溶解させ塗布液を得た。塗布液を、マイクロジェットを用いて1滴当たり300pLの量にて30滴を80℃のホットプレート上に配したMSS表面上に塗布した。
<Example 28>
In a 500 mL separable flask, 37 g of ethanol, 2.6 g of tetraethoxysilane, 9.0 g of phenyltriethoxysilane, and 2.26 g of 28% aqueous ammonia were mixed, stirred, and allowed to stand at room temperature until gelation. The resulting gel was washed with ethanol to remove ammonia, and then dissolved in DMF to a concentration of 10 mg/mL to obtain a coating solution. The coating solution was applied onto the MSS surface placed on a hot plate at 80° C. with 30 drops at a volume of 300 pL per drop using a microjet.
<実施例29>
3-フリルトリエトキシシラン10.1gにした以外は実施例9に準じた。
<Example 29>
Example 9 was followed except that 10.1 g of 3-furyltriethoxysilane was used.
<実施例30>
3-フリルトリエトキシシラン17.3gにした以外は実施例9に準じた。
<Example 30>
Example 9 was followed except that 17.3 g of 3-furyltriethoxysilane was used.
<実施例31>
実施例1の塗布液をインクジェット装置を用いて1滴当たり700pLの量にて150滴を、80℃のホットプレート上に配したMSS表面上に塗布することにより感応膜付きの表面応力センサーを得た。
<Example 31>
A surface stress sensor with a sensitive film was obtained by applying 150 droplets of the coating liquid of Example 1 in an amount of 700 pL per droplet to the MSS surface placed on a hot plate at 80°C using an inkjet device. rice field.
<比較例1>
シリカチタニア粒子(粒状)はWO2016/121155公報に記載の方法に準じて合成した。オクタデシルアミン(ODA)が溶解したアンモニア塩基性のイソプロパノール(IPA)水溶液中における、アミノプロピルトリメトキシシランとチタニウムテトライソプロポキシド(TTIP)の共加水分解、縮合重合反応により合成した。上記合成反応は、マイクロメートルサイズのY字型流路を有するテフロン(登録商標)製マイクロリアクタを用いて実施した。前駆溶液は、溶液1:アミノプロピルトリメトキシシラン/IPA、溶液2:H2O/IPA/アンモニア、溶液3:TTIP/IPA、溶液4:H2O/IPAの4つとし、溶液1から溶液4まで体積を揃えて調製した。前駆溶液はシリンジポンプにより同時に一定速度で送液した。溶液1と溶液2、溶液3と溶液4を並列したマイクロリアクタ内でそれぞれ混合し、両リアクタからの吐出液をさらに別のマイクロリアクタ内で混合することにより、1つの反応液とした。反応液は別途調製しておいた前駆溶液5:ODA/H2O/IPA中へ吐出し、吐出終了まで一定速度で撹拌した。その後、室温で静置し、ナノ粒子(NH2-STNP)分散液を得た。かかるナノ粒子にRSiO3/2で表される構造が確認されたため、これを有機無機ハイブリッドと扱った。反応液を空冷後、6000rpm, 10分間遠心分離することで沈殿物を単離した。エタノールでサンプルを十分に洗浄したのち、N,N-ジメチルホルムアミドで1g/mLになるように溶解し、塗布液を得た。塗布液を、マイクロジェットを用いて1滴当たり300pLの量にて300滴を80℃のホットプレート上に配したMSS表面上に塗布することにより感応膜付きの表面応力センサーを得た。
<Comparative Example 1>
Silica-titania particles (granular) were synthesized according to the method described in WO2016/121155. It was synthesized by cohydrolysis and condensation polymerization reaction of aminopropyltrimethoxysilane and titanium tetraisopropoxide (TTIP) in an ammonia basic isopropanol (IPA) aqueous solution in which octadecylamine (ODA) was dissolved. The above synthesis reaction was carried out using a Teflon (registered trademark) microreactor having a micrometer-sized Y-shaped channel. The four precursor solutions are solution 1: aminopropyltrimethoxysilane/IPA, solution 2: H 2 O/IPA/ammonia, solution 3: TTIP/IPA, and solution 4: H 2 O/IPA. The volume was adjusted up to 4 and prepared. The precursor solution was simultaneously fed at a constant speed by a syringe pump.
比較例1に係る表面応力センサーにおける感応膜表面を実施例1と同様に観察した結果を図6に示す。実施例1に比べ、比較例1では空隙が多く観察された。
また、実施例1と同様に、湿度0%と30%でのエタノール100ppmに対する応答シグナルを確認した結果を図7に示す。比較例1では、30%の湿度による顕著なシグナル減衰がみられた。
FIG. 6 shows the result of observing the surface of the sensitive film in the surface stress sensor according to Comparative Example 1 in the same manner as in Example 1. FIG. Compared with Example 1, in Comparative Example 1, many voids were observed.
Also, as in Example 1, FIG. 7 shows the result of confirming the response signal to 100 ppm ethanol at 0% and 30% humidity. Comparative Example 1 showed significant signal attenuation with 30% humidity.
<比較例2>
アミノプロピルトリメトキシシランの代わりに、オクタデシルトリエトキシシランを用いて得られたナノ粒子(C18-STNP)分散液を用いた以外は比較例1に準じた。なお、上記ナノ粒子にRSiO3/2で表される構造が確認されたため、これを有機無機ハイブリッドと扱った。
<Comparative Example 2>
Comparative Example 1 was followed except that a nanoparticle (C 18 -STNP) dispersion obtained by using octadecyltriethoxysilane instead of aminopropyltrimethoxysilane was used. Since the structure represented by RSiO 3/2 was confirmed in the above nanoparticles, they were treated as an organic-inorganic hybrid.
<比較例3>
アミノプロピルトリメトキシシランの代わりに、フェニルトリメトキシシランを用いて得られたナノ粒子(フェニル-STNP)分散液を用いた以外は比較例1に準じた。なお、上記ナノ粒子にRSiO3/2で表される構造が確認されたため、これを有機無機ハイブリッドと扱った。
<Comparative Example 3>
Comparative Example 1 was followed except that a nanoparticle (phenyl-STNP) dispersion obtained by using phenyltrimethoxysilane instead of aminopropyltrimethoxysilane was used. Since the structure represented by RSiO 3/2 was confirmed in the above nanoparticles, they were treated as an organic-inorganic hybrid.
<比較例4>
ポリ(メタクリル酸メチル)(Aldrich, average Mw ~15,000 by GPC, powder)をN,N-ジメチルホルムアミドで1g/mLになるように希釈し塗布液を作成した。塗布液を、マイクロジェットを用いて1滴当たり300pLの量にて300滴を、80℃のホットプレート上に配したMSS表面上に塗布した。エチレン100ppmへのシグナルが全く見られず、25℃にてエチレン、エタノール、アセトアルデヒド、トルエン500ppm10分/パージ10分を3回ずつ測定後、光学顕微鏡による観察で膜に剥離がみられたので×とした。
<Comparative Example 4>
Poly(methyl methacrylate) (Aldrich, average Mw ~15,000 by GPC, powder) was diluted with N,N-dimethylformamide to 1 g/mL to prepare a coating solution. 300 droplets of the coating solution were applied onto the MSS surface placed on a hot plate at 80° C. using a microjet at a volume of 300 pL per droplet. No signal was observed at 100 ppm of ethylene, and 500 ppm of ethylene, ethanol, acetaldehyde, and toluene were measured at 25°C three times each for 10 minutes/purge for 10 minutes. did.
<比較例5>
鎖状コロイダルシリカの2-プロパノール分散液IPA-ST-UP(日産化学製品)をDMFで10mg/mLになるように希釈し、インクジェット装置を用いて1滴当たり300pLの量にて350滴を、80℃のホットプレート上に配したMSS表面上に塗布することにより感応膜付きの表面応力センサーを得た。
<Comparative Example 5>
A chain colloidal silica 2-propanol dispersion IPA-ST-UP (Nissan Kagaku Co., Ltd.) was diluted with DMF to 10 mg/mL, and 350 drops were applied at an amount of 300 pL per drop using an inkjet device. A surface stress sensor with a sensitive film was obtained by coating the MSS surface placed on a hot plate at 80°C.
<比較例6>
鎖状コロイダルシリカの2-プロパノール分散液IPA-ST-UP(日産化学製品)をDMFで10mg/mLになるように希釈し、インクジェット装置を用いて1滴当たり300pLの量にて30滴を、80℃のホットプレート上に配したMSS表面上に塗布することにより感応膜付きの表面応力センサーを得た。
<Comparative Example 6>
A chain colloidal silica 2-propanol dispersion IPA-ST-UP (Nissan Kagaku Co., Ltd.) was diluted with DMF to 10 mg/mL, and an inkjet device was used to apply 30 drops in an amount of 300 pL per drop. A surface stress sensor with a sensitive film was obtained by coating the MSS surface placed on a hot plate at 80°C.
実施例1と比較例5について、センサー本体上の感応膜における有機官能基を上記(2)の方法により同定した結果を図8に示す。導入されたフェニル基に由来するシグナルが検出された。また、実施例1ではRSiO3/2で表される構造が観測されたのに対して、比較例5ではそのような構造が観測されなかった。他の実施例及び比較例についても同様に有機官能基種を同定した。 FIG. 8 shows the results of identifying the organic functional groups in the sensitive film on the sensor body in Example 1 and Comparative Example 5 by the method (2) above. A signal originating from the introduced phenyl group was detected. Also, in Example 1, a structure represented by RSiO 3/2 was observed, whereas in Comparative Example 5, such a structure was not observed. Organic functional group species were similarly identified for other examples and comparative examples.
各実施例/比較例について上記測定(1)~(8)を行った結果を次の表1~3に示す。 The results of the above measurements (1) to (8) for each example/comparative example are shown in Tables 1 to 3 below.
本発明のセンサーは、例えば、湿度存在下でもエタノール、アセトアルデヒドといった親水性ガスに対して高い感度で応答を示す効果を奏するので、食品の輸送管理分野において好適に利用可能である。 INDUSTRIAL APPLICABILITY The sensor of the present invention exhibits the effect of exhibiting a response with high sensitivity to hydrophilic gases such as ethanol and acetaldehyde even in the presence of humidity, so it can be suitably used in the field of food transportation management.
1 センサー
2 感応膜
3 チップ(センサー本体)
1
Claims (16)
前記有機無機ハイブリッドが、RSiO3/2で表される構造を含み、ここで、前記Rは有機官能基を表し、
前記感応膜の体積分率としての空隙率が、10%以下である、センサー。 A sensor having a sensitive membrane comprising an organic-inorganic hybrid,
The organic-inorganic hybrid comprises a structure represented by RSiO3/2 , wherein R represents an organic functional group;
The sensor, wherein the porosity as a volume fraction of the sensitive film is 10% or less.
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