JP7155185B2 - 分子検出装置及び分子検出方法 - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、分子検出装置及び分子検出方法に関する。

ガス検出方法のうち、比較的濃度が高いガス成分を検出する方法としては種々の方法が知られているが、極低濃度に相当するｐｐｂ（十億分の１）からｐｐｔ（一兆分の１）の濃度では検出方法が限られている。特に、サリンなどの毒ガスや爆薬類等を検出した場合、これらは密閉された状態で保管されており、わずかに放出された揮発性の成分（匂い物質）を訓練された警察犬などによって検知することが一般的である。動物を利用した対処法は抑止効果が高いもののコストが高く、加えて常態的な正確性を確保するのが難しい。また匂い物質は一酸化炭素のような化学構造の単純な物質と異なり、分子量が数十から５００程度で化学構造が複雑であり、一酸化炭素などを検出するガスセンサでは検知が難しい。

こうした課題を解決するために、カーボンナノチューブやグラフェンを用いた乾式のセンサーが提案されている。乾式のセンサーは、表面に匂い物質と結合するプローブが固定されており、選択的に匂い物質を検出することができる。このプローブは有機分子から構成されていることが多く、また生体由来の細胞や抗体の場合もある。プローブは特定の匂い分子を捕捉してセンサーに電気的信号を発生させ、電気的信号の変化を元に被検出物の有無を確認する。

特開２０１９－０５２９９３号公報

本発明が解決しようとする課題は、より高感度で気体試料を識別することができる分子検出装置及び分子検出方法を提供することである。

実施形態に係る分子検出装置は、気体試料中の第１分子群を検出するように構成される第１検出素子を備える第１検出部と、気体試料中の、第１分子群よりも濃度の高い第２分子群を検出するように構成される第２検出素子を備える第２検出部と、第１検出部と第２検出部との間に設けられた、少なくとも第１分子群を吸着する吸着材を備える吸着部とを備える。

図１は、実施形態の分子検出装置の一例を示すブロック図である。 図２は、実施形態の検出部の一例を示す断面図である。 図３は、実施形態の検出部の一例を示す図である。（ａ）は第１検出素子の拡大断面図であり、（ｂ）は検出部の斜視図であり、（ｃ）は第１プローブの拡大図である。 図４は、実施形態の分子検出装置の一例を示すブロック図である。 図５は、ミカンの匂いの組成を示すグラフである。 図６は、実施形態の分子検出方法の一例を示すフローチャートである。 図７は、実施形態の検出部の使用時の一例を示す断面図である。 図８は、実施形態の検出素子において検出される電流値変化の一例を示す図である。 図９は、実施形態の分子検出装置の一例を示すブロック図である。

以下、実施形態について、添付の図面を参照して説明する。なお、各実施形態において、実質的に同一の構成部位には同一の符号を付し、その説明を一部省略する場合がある。図面は模式的なものであり、各部の厚さと平面寸法との関係、各部の厚さの比率等は現実のものとは異なる場合がある。

・分子検出装置
実施形態に従う分子検出装置は、気体試料中の分子を検出するための装置である。図１に示すように、分子検出装置１は、例えばフィルタ装置２と、捕集器３と、検出器４と、識別器５とを備える。

フィルタ装置２は、一般的な中高性能フィルタを備え、図示しないファン又はポンプの駆動により気体試料６が通過して、気体試料６から比較的大きな不純物、及び検出対象外の夾雑物等を除去する。捕集器３は、フィルタ装置２を通過した気体試料６を検出器４に送る。検出器４は検出素子を備え、気体試料６中の分子の検出を行う。識別器５は、例えば検出器４と接続され、検出器４で得られた測定値に基づいて気体試料６の種類を決定する。

検出器４について図２を用いて説明する。検出器４は、例えば捕集器３とつながる流路７を備える。流路７の内部は、例えば非特異的検出部７ａと、第１検出部７ｂと、吸着部７ｃと、第２検出部７ｄとの４つのユニットに分かれている。これらの４つのユニットは、この順番で流路７の上流側（捕集器３側）から下流側に向かって並んでいる。

非特異的検出部７ａ、第１検出部７ｂ及び第２検出部７ｄは、それぞれ気体試料６中の分子を検出するための検出素子を備える。非特異的検出部７ａには、非特異的検出素子８が設けられている。非特異的検出素子８は、気体試料６中の分子を非特異的に検出するように構成されている。第１検出部７ｂは第１検出素子９を備える。第１検出素子９は、気体試料６中の第１分子群を検出するように構成されている。第２検出部７ｄは、第２検出素子１１を備える。第２検出素子１１は、気体試料６中の第２分子群を検出するように構成されている。ここで、第２分子群は、第１分子群よりも気体試料中の濃度が高い分子群である。第１分子群及び第２分子群の具体例及び決定方法については後述する。

第１検出部７ｂは例えば、複数の第１検出素子９を備えてもよい。そのような例について図３を用いて説明する。図３の（ｂ）は、第１検出部７ｂの一例を示す斜視図である。第１検出部７ｂは、複数の第１検出素子９Ａ～９Ｄを備える。第１検出素子９Ａ～９Ｄは、例えばアレイ状に配置され得るが、そのような配置に限定されるものではなく一直線上に配置されてもよいし、円形に並べられていてもよいし、ランダムな配置であってもよい。

図３の（ａ）は、複数の第１検出素子９Ａ～９Ｄのうち１つの第１検出素子９Ａの拡大断面図を示す。第１検出素子９Ａは、例えば、ゲート電極１２として機能する半導体基板と、ゲート電極１２上に積層された絶縁層１３と、絶縁層１３上に積層されたチャンネルである感応膜１４と、感応膜１４の一端と接続されたソース電極１５と、感応膜１４の他端に接続されたドレイン電極１６とを具備する電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）の構成を有することが好ましい。感応膜１４上には、複数の第１プローブ１７が固定されている。

ゲート電極１２の材料は、例えば、酸化物半導体であり、例えば、酸化亜鉛、酸化アルミニウム、酸化スズ、又は酸化チタン等である。

絶縁層１３の材料は、例えば、基板の熱酸化により得られるＳｉＯ_２で良く、加えるゲート電圧に合わせて膜厚を調整すればよい。数十ナノメータから５００ｎｍ程度が選択されることが多い。

ソース電極１５及びドレイン電極１６の材料は、例えば、金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、銅（Ｃｕ）、パラジウム（Ｐｄ）、白金（Ｐｔ）、ニッケル（Ｎｉ）、チタン（Ｔｉ）、クロム（Ｃｒ）又はアルミニウム（Ａｌ）等の金属、或いは、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、酸化インジウムスズ（ＩＴＯ）、ＩＧＺＯ、導電性高分子等の導電性物質である。

感応膜１４は、例えば、グラフェン膜又はカーボンナノチューブ等であることが好ましい。感応膜１４は、金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、銅（Ｃｕ）、ニッケル（Ｎｉ）、ケイ素（Ｓｉ）、シリサイド等の導体、又は二硫化モリブデン（ＭｏＳ_２）若しくは二セレン化タングステン（ＷＳｅ_２）等から構成されてもよい。

感応膜１４としてグラフェンを用いた場合、グラフェンがゼロギャップ半導体としての性質を有することから、ゲート電極１２に電圧を加えなくともソース電極１５とドレイン電極１６との間に電流が流れる傾向もみられる。従って、ゲート電極１２を必ずしも設ける必要はない。

第１プローブ１７は、第１分子群と結合する分子である。本明細書において、「結合」とは、化学結合及び相互作用を含む。

第１プローブ１７は、有機化合物であることが好ましい。有機化合物は、第１分子群に属する分子に対する反応基として、例えばカルボニル基（＝Ｏ）やアミノ基（－ＮＨ－）を有する。ペプチドは、このような反応基を多数有するため好ましく用いられる。ペプチドは、加えてアミノ酸が持つ特性基が被検出物との結合性をさらに付与する。ここで、特性基とはカルボニル基（＝Ｏ）やアミノ基（－ＮＨ－）が結合するアルファ位に結合している水素原子以外の結合基を指す。例えばアラニン（Ａ）はメチル基を持ち、バリン（Ｖ）はイソプロピル基を持つ、またグリシン（Ｇ）は水素を持つ。このようなアミノ基を用いることで、特定の分子に対する結合力が生じる。

第１プローブ１７は、例えば図２の（ｃ）に示すように、３つの部位、即ち、第１分子群に対して結合性を有する効果部位ＨＳ、感応膜１４と結合する支持部位ＢＳ、並びに効果部位ＨＳと支持部位ＢＳとをつなぐ連結部位ＣＳから構成されることが好ましい。効果部位ＨＳ、支持部位ＢＳ及び連結部位ＣＳは、例えばペプチドから構成される。効果部位ＨＳのペプチドを構成するアミノ酸配列は、第１分子群の種類に従って選択される。連結部位ＣＳは、例えば複数のグリシンがアミノ酸結合したものであることが好ましい。支持部位ＢＳは、例えばグリシンとアラニンが交互にアミノ酸結合し、両端にアルギニンが結合したものであることが好ましい。

例えば、第１プローブ１７は例えば、次のアミノ酸配列を有するペプチドである。

ＦＦＦＦＦ－ＧＧＧ－ＲＧＡＧＡＧＡＲ（配列番号１）
ＲＲＲＲＲ－ＧＧＧ－ＲＧＡＧＡＧＡＲ（配列番号２）
ＨＨＨＨＨ－ＧＧＧ－ＲＧＡＧＡＧＡＲ（配列番号３）
ＳＳＳＳＳ－ＧＧＧ－ＲＧＡＧＡＧＡＲ（配列番号４）
ＦＬＬＦ－ＧＧＧ－ＲＧＡＧＡＧＡＲ（配列番号５）
ここで、ハイフンで別れた３つの部分は、左から順に効果部位ＨＳ、連結部位ＣＳ、支持部位ＢＳである。アルファベットはアミノ酸を示し、以下を意味する。Ｆ：フェニルアラニン、Ｌ：ロイシン、Ｒ：アルギニン、Ａ：アラニン、Ｒ：アルギニン、Ｈ：ヒスチジン、Ｓ：セリン、Ｇ：グリシン。

第１プローブ１７は、上記のようなペプチドに限定されるものではなく、他の分子であってもよい。例えば、第１プローブ１７は、核酸、他のペプチド、タンパク質、ペプチド断片、アプタマー又は細胞等であってもよい。

例えば、溶剤に溶かした第１プローブ１７を感応膜１４上に塗布することで、第１プローブ１７を感応膜１４に固定することができる。また、第１プローブ１７を含む溶液に感応膜１４を曝すことで、感応膜１４上の大部分を覆うように第１プローブ１７が自動的に配列することもある。

第１検出素子９Ｂ～９Ｄは、以上に説明した第１検出素子９Ａと同じ構成としてもよい。しかしながら、第１検出素子９Ａ～９Ｄは互に異なる種類の第１プローブ１７を備えてもよい。互いに異なる種類の第１プローブ１７は、例えば、第１分子群に対する作用強度（結合強度）が互いに異なってもよい。それより第１検出素子９Ａ～９Ｄで互いに異なる測定値が得られ得る。しかしながら第１検出素子９Ａ～９Ｄの全てが互いに異なる必要はなく、一部の検出素子の作用強度が他の検出素子と異なっているようにしてもよい。

例えば、第１検出素子９Ａ～９Ｄから得られる複数の測定値は合わせて１つのパターンとして認識することができる。検出素子に接触した分子群の種類が異なるとパターンも異なり、反対に分子群の種類が同じであれば同じパターンが得られ得る。したがって、様々な既知の分子群のパターンを取得しておき、検出結果と比較することにより、接触した分子群を特定することができる。この方法を以下「パターン認識法」とも称する。

第１検出素子の数は、４つに限定されるものではなく、例えば、１個でも良いし、数十個設けられてもよい。検出素子数は必要なデータ数に合わせて適宜調整する。第１検出素子の数は１つであってもよいが、１つであると匂い物質の検出パターンが得られず検出精度が低下する。また、数百個設けても、図４の識別器のデータ処理能力が過大に必要となる。素子数は必要に応じて調節する。

第２検出部７ｄもまた、複数の第２検出素子１１を備えてもよい。第２検出素子１１は、第１検出素子９の第１プローブ１７に代えて、第２分子群と結合する第２プローブを具備し得る。第２プローブは、図３の（ｃ）に示す構造を有するものであってもよく、或いは他の有機物であってもよい。複数の第２検出素子１１は互いに異なる第２プローブを備えてもよいが、全て又は一部が同じ第２プローブを備える構成としてもよい。

非特異的検出素子８は、例えば第１検出素子９Ａと同様の構成で、感応膜１４に第１プローブ１７を設けない構成としてもよい。

非特異的検出素子８、第１検出素子９及び第２検出素子１１は、ＦＥＴの構成に限定されるものではなく、例えば、表面プラズモン共鳴（ＳＰＲ）素子、表面弾性波（ＳＡＷ）素子、水晶振動子マイクロバランス（ＱＣＭ）素子、又はマイクロカンチレーバー（ＭＣＬ）素子等の構成を有していてもよい。

吸着部７ｃは、図２に示すように第１検出部７ｂ及び第２検出部７ｄとの間に、流路７を塞いで設けられた吸着材１０を備える。吸着材１０は、少なくとも第１分子群を吸着する材料から構成される。例えば、吸着材１０は多孔質材料から構成される。多孔質材料として、例えば、炭素材料、金属又は金属酸化物等を用いることが好ましい。多孔質材料はシート状、又はペレット状、球状若しくはナノ粒子状のものを集めて一体としたもの、などの様々な形態であってよい。

第１分子群の種類及び／又は量に応じて、多孔質材料の形態、体積及び表面積を調節することができる。第１分子群の量が多い場合は、多孔質材料の体積を大きくしたり、表面積を大きくしたりすることが好ましい。

また例えば、多孔質材料の表面に試薬を付着させておくことで分子を選択的に吸着させることも可能である。試薬は、例えば、ペプチド等の有機物であることが好ましい。ペプチドは、ＮＨなどの水素結合性部位が多数含まれているため、水素結合によって効率的に第１分子群を吸着することができる。多孔質材料が炭素材料である場合、試薬のペプチドが上記プローブの支持部位ＢＳのようなアミノ酸配列を含む構成とすれば、効率的に試薬を多孔質材料に付着させることができる。多孔質材料が金属又は金属酸化物のナノ粒子の集合体等である場合は、試薬としてカルボン酸を含む有機物を用いることが好ましい。例えば、次に示す化合物Ａのようにフッ素化した水素結合基を有する化合物を試薬として用いることも好適である。化合物Ａを用いた場合、カルボン酸部位が金属又は金属酸化物の多孔質材料表面に固定され、逆側のフッ素化された水素結合基が分子と相互作用する。

流路７の下流側の端は、例えば、分子検出装置１の外部へとつながる図示しない排気口と連結している。

識別器５は、例えば、図４に示すように、ＣＰＵ５１と、記憶部５２と、入力部５３と、表示部５４とを備える。図４は、分子検出装置の一例を示すブロック図であるが、フィルタ装置２、捕集器３を省略している。

ＣＰＵ５１は、記憶部５２に格納されたプログラムＰに従って、分子検出装置１の各部を制御し、また各検出器４で得られた測定結果から気体試料６の種類を決定するための演算を行う。

記憶部５２は、例えば不揮発性メモリ及び揮発性メモリを備え、非特異的検出素子８からの非特異的測定値５５、第１検出部７ｂにおける検出結果である第１測定値５６、第２検出部７ｄにおける検出結果である第２測定値５７、比較対照である標準測定値５８、演算式５９、識別結果６０、プログラムＰ等を格納する。

入力部５３は例えばキーボード、タッチパネル、ボタン、スイッチなどを備え、分子検出装置１の操作に必要なパラメータ等を入力する。表示部５４は、ディスプレイ等を備え、測定値及び識別結果等を表示する。

ＣＰＵ５１と、記憶部５２と、入力部５３と、表示部５４とは例えばバス６１で互いに接続している。また、識別器５は、非特異的検出素子８からの電気的信号を受信して記憶部５２に送るインターフェース（Ｉ／Ｆ）６２、第１検出素子９からの電気的信号を受信して記憶部に送るＩ／Ｆ６３、第２検出素子１１からの電気的信号を受信して記憶部に送るＩ／Ｆ６４を備えてもよい。

検出器４は、分子検出装置１に取り外し可能に取り付けられてもよい。例えば、識別器５と検出器４とは、取り外し可能に接続されていてもよい。その場合、識別器５は検出器４と別体として構成されたコンピュータ、スマートフォン又はタブレット端末などであってもよい。

・第１分子群と第２分子群の決定方法
第１分子群及び第２分子群は、１種類の気体試料について少なくとも１種類ずつ決定される。

実施形態の分子検出装置で検出される気体試料６は、例えば、大気、呼気、排気ガス、分析対象の物体から発生する気体、或いは分析対象の物体の周辺の大気等である。分析対象の物体として、例えば、薬剤、飲食物、動植物、香水等のアロマグッズ、貨物又は荷物、家庭用品又は電化製品等が挙げられる。

第１分子群又は第２分子群として選択される分子は、例えば、揮発性有機化合物（ＶＯＣ）であり、例えば、匂い物質又はフェロモン物質等である。標的分子は、例えば、アルコール類、エステル類又はアルデヒド類等であってもよいがこれらに限定されるものではない。標的分子は、例えば麻薬・覚せい剤、火薬、生鮮食品又は特定の動植物等に含まれる化学物質であってもよい。標的分子は、例えば、疎水性の物質である。

第１分子群は、例えば、気体試料６中の濃度は少ないが、気体試料６の種類を特定するのに重要な分子、又は気体試料に特異的に含まれる分子等であり得、気体試料６を識別するための検出対象であり得る。第１分子群は、気体試料６の中で相対的に濃度の低い複数種類の分子を含んでもよい。一方、第２分子群として、例えば気体試料６中で最も濃度の高い１種類の分子が選択される。或いは第２分子群は、気体試料６の中で他の成分分子と比較して相対的に濃度が高い１種類又は複数種類の分子を含んでもよい。或いは第２分子群は、比較的濃度が高いことに加え、検出されやすい１種類又は複数種類分子を含んでもよい。

第１分子群の気体試料中の濃度は、限定されるものではないが、例えば０．１ｐｐｍ～１０００ｐｐｍほどであるか、或いは第２分子群の１０分の１～１０００分の１程度の濃度であり得る。気体試料６は、第１分子群及び第２分子群以外の分子を含んでもよい。

例えば、一例としてミカンの匂いを検出する場合について説明する。ミカンの匂いに含まれる分子の組成は、図５に示すようにリモネン、β－ミルセン、γ－テルピノレン等が非常に多く、微量成分としてバレンセン、ゲルマクレンＤ等を含む。バレンセン及びゲルマクレンＤは、ミカンの匂いにおいて特異的な成分の１つであり、ミカンの匂いを他の柑橘類と分別するのに重要な分子である。このような場合、第１分子群としてバレンセン及び／又はゲルマクレンＤ等を選択し、第２分子群としてリモネン、β－ミルセン及び／又はγ－テルピノレンを選択することができる。

特定の気体試料を検出するための分子検出装置１を製造するとき、例えば、当該気体試料の組成をもとに第１分子群と第２分子群とが決定され、第１分子群と第２分子群とにそれぞれ結合する第１プローブと第２プローブとが設計又は選択され、それを備える第１検出素子９及び第２検出素子１１を含む検出器４が製造され、分子検出装置１が組み立てられる。

したがって、様々な気体試料について、対応する検出器４が各々製造されることが好ましい。しかしながら、成分が似た気体試料であれば、同じ検出器４を用いてパターン認識法により第１分子群及び／又は第２分子群の検出を行うことも可能である。また、複数の気体試料６に対応する複数の検出器４を１つの分子検出装置１内に配置してもよい。それにより、１つの装置で複数種類の気体試料について検出を行うことも可能である。

・分子検出方法
上記分子検出装置１を用いる分子検出方法について説明する。分子検出方法は、例えば、図６に示す次の工程を含む。
（Ｓ１）第１検出部で気体試料中の第１分子群の検出を行う第１検出工程、
（Ｓ２）少なくとも第１分子群を吸着する吸着材に、気体試料を通過させる通過工程、
（Ｓ３）第２検出部で、吸着材を通過した後の気体試料中の第２分子群の検出を行う第２検出工程、及び
（Ｓ４）第１検出工程及び前記第２検出工程の結果から気体試料の種類を決定する識別工程。

以下、分子検出方法の詳細な手順について図７を用いて説明する。

気体試料６は、複数種類の分子群、例えば、第１分子２０を含む第１分子群と、第１分子２０よりも多い第２分子２１を含む第２分子群とを含む。第１分子群及び第２分子群以外の分子をまとめてここでは非検出対象分子２２とも称する。

まず、検出したい気体試料６の種類に対応した検出器４を備える分子検出装置１を用意する。分子検出装置１を気体試料６に近づけ、捕集器３のファンを駆動して、気体試料６をフィルタ装置２に送り夾雑物を除去する。フィルタ装置２を通過させた後、気体試料６に含まれる分子を更にイオン化することなどにより質量ごとに分離して、不要な夾雑物を除去してもよい。その後、気体試料６を捕集器３内に導入し、流路７に流入させる。流路７内で、気体試料６は、非特異的検出部７ａ及び第１検出部７ｂの順で流通し、非特異的検出素子８と、第１検出素子９とに順次接触する。そして、各検出素子で分子の検出が行われる。

各検出素子が図３の（ａ）に示すようなＦＥＴの構成を有する場合、例えばゲート電極１２に一定の電圧を印加し、更にソース電極１５とドレイン電極１６との間に電圧を印加し、ソース電極１５とドレイン電極１６との間に流れる電流値を計測する。

非特異的検出素子８は、第１分子２０、第２分子２１及び非検出対象分子２２を非特異的に検出するため、それらを合わせた測定値が得られる。例えば、この測定値により、気体試料６が流路７に導入されたことが分かる。非特異的検出素子８による測定は必ずしも行う必要はなく、その場合、分子検出装置１は非特異的検出部７ａを備えなくともよい。或いは、第１検出部７ｂに複数の第１検出素子９を設け、そのうち１つは第１プローブ１７を設けない構成として、それを非特異的検出素子８と同様に使用してもよい。

第１検出素子９においては、第１分子群に関する測定値が得られる（第１検出工程Ｓ１）。例えば、図３の（ａ）に示す第１検出素子９を用いる場合、第１分子２０が第１プローブ１７に近づくと、水素結合の力などにより第１プローブ１７に引き付けられ、場合によっては接触する。その結果、第１分子２０と第１プローブ１７との間で電子のやり取りが発生し、それが感応膜１４の電気的変化として現れる。電気的な変化は、ソース電極１５とドレイン電極１６との間に流れる電流値を変化させるため、その電流値を計測すると、第１分子２０の結合を検知することができる。

例えば図８に示すような横軸が時間経過、縦軸が電流値の変化を示すグラフを作成すると、第１分子群の接触後、電流値の変化（例えば抵抗の増加による電流値の低下）が起こる。その後、第１プローブ１７から分子が徐々に脱離することで、電流値が元の値に近づく。例えば、変化の始まった時点での電流値Ｐ１と、変化が終わった時点でのＰ２と、および変化量のピークの先端であるＰ３とを結んで囲まれた面積を測定値としてもよい。

その後、気体試料６が吸着材１０を通過する（通過工程Ｓ２）。気体試料６が吸着材１０を通過する際、吸着材１０は、少なくとも第１分子群を吸着する。そのため、第１分子２０は吸着材１０に付着して残り、吸着されない分子が第２検出部７ｄへと流れる。したがって、吸着材１０通過前の気体試料６は、第１分子群、第２分子群及び非検出対象分子２２を含み、通過後の気体試料６は、第２分子群及び非検出対象分子２２を含み得る。しかしながら吸着材１０通過後の気体試料６に第１分子２０が全く含まれない必要はなく、例えば検出限界以下の量で第２検出部７ｄへと流れ出てもよい。また、第２分子２１は、一部が吸着材１０に付着して残ってもよい。非検出対象分子２２は、その全て又は一部が吸着材１０に付着して残ってもよい。

吸着材１０を通過した後、気体試料６は第２検出部７ｄに入り、第２検出素子１１に接触する。第２検出素子１１においては、第２分子２１を含む第２分子群に関する測定値が得られる（第２測定工程Ｓ３）。測定は、第１検出素子９において説明した方法と同様に行われる。

非特異的検出素子８、第１検出素子９及び第２検出素子１１から得られた測定値は、例えば、それぞれ非特異的測定値５５、第１測定値５６及び第２測定値５７として記憶部５２に格納される。第１測定値５６は、複数の第１検出素子９からの測定結果を合わせた１つの第１パターンであってもよい。同様に、第２測定値５７は、複数の第２検出素子１１からの測定結果を合わせた１つの第２パターンであってもよい。

次に、識別器５において第１検出部７ｂ及び第２検出部７ｄで得られた測定結果から、気体試料６の種類を決定する（識別工程Ｓ４）。

第１検出部７ｂは第１分子群を検出することを目的としているため、もし気体試料６の大半が第１分子群であれば第１検出部７ｂにおける結果を第１分子群の結果として用いることができ、それを用いれば気体試料６の種類を決定することが可能である。しかしながら、実際には気体試料６には様々な分子が含まれ、本分子検出方法のように検出対象として微量な分子を第１分子群として選択する場合、第１分子群と比較して非常に高濃度な第２分子群を含む場合が多い。第２分子群は、第１検出素子９の第１プローブ１７又は感応膜１４に非特異的に結合する場合がある。その場合、測定値が第１分子群と第２分子群とを合わせた値となり、第１検出部７ｂの結果だけでは気体試料６の識別が困難になる。この時、第１検出素子９に結合した第２分子群の量は、第２分子群の全体の量に対してはわずかであるため、吸着材１０を通過した第２検出部７ｄにおいても十分量の第２分子群が存在し、第２検出部７ｄでも検出される。

例えば、検出素子がＦＥＴである場合、第２分子群が第１検出部７ｂにほとんど結合しなかった場合は、第１測定値は、第２測定値よりも小さな電流値の変化量として得られ得る。しかしながら、第２分子群も第１検出部７ｂに結合した場合、第１測定値は、第１分子群と第２分子群との両方を合わせた混合値となり得る。例えば、第１検出部７ｂにおける第１測定値が第２測定値よりも大きな変化量となり得る。

このような時は、例えば第１測定値５６から第２測定値５７を差し引くことにより、第２分子群による第１測定値５６への影響が取り除かれ、より正確に第１分子群の測定値を得ることができる。このようなことから、第１検出素子９に結合しやすく、第１検出素子９で検出されやすい検出対象外分子が明らかな場合には、その分子を第２分子群として選択することも有効である。上記演算は、識別器５のＣＰＵ５１により行われる。例えばＣＰＵ５１は記憶部５２から第１測定値５６、第２測定値５７、及び演算式５９を取り出し、それらを用いて演算する。

例えば、第１検出素子９及び第２検出素子１１がそれぞれ複数個用いられる場合には、特定の第１検出素子９に対応する第２検出素子１１を決定し、対応関係にある検出素子同士で差し引きの演算を行えばよい。差し引き後の測定値を合わせて１つの第１分子群のパターンとして使用してもよい。

第１測定値に第２測定値の影響が見られない場合は、そのまま第１測定値を第１分子群の結果として用いてもよい。

上記のように得られた第１分子群の測定値又はパターンから、気体試料６の種類を決定する。例えば、ＣＰＵ５１により第１分子群の測定値又はパターンを記憶部５２に格納された既知の標準試料の測定値又はパターン（標準測定値５８）と比較し、似ていれば気体試料６は標準気体試料と同じ種類であると決定することができる。似ていない場合、この比較を複数種類の標準測定値５８を用いて繰り返し行い、似ている測定値又はパターンを有する標準気体試料を探すことも可能である。気体試料６の種類の識別には、第１分子群の測定値の結果に加え第２分子群の測定結果も同様に用いてもよい。

第２検出部７ｄを通過した気体試料６は装置の外部に排出される。気体試料６の無害化のため、排気口にゼオライト又は金属有機構造体（ＭＯＦ）、例えば、ＨＫＵＳＴ－１のような吸着性物質を設けることもできる。また、気体試料６が水に溶けやすい成分の場合は水へのバブリングを行うことで、水中に溶かして処理することも有効である。

以上に説明した通り、実施形態に従う分子検出装置及び分子検出方法によれば、気体試料６を高感度に検出することができる。特に、濃度の低い第１分子群と濃度の高い第２分子群とが併存する場合でも、第１検出部７ｂと、吸着部７ｃと、第２検出部７ｄを用いることにより、より正確な第１分子群の検出値を得ることが可能である。それにより様々な種類の気体試料６をより高感度に検出することが可能である。

実施形態の分子検出装置は、情報ネットワークを介して外部と通信するような構成であってもよい。そのような分子検出装置１００について図９を用いて説明する。図９は、分子検出装置の一例を示すブロック図であるが、フィルタ装置２、捕集器３を省略している。分子検出装置１００の識別器５は、送信部１０１と受信部１０２とを更に備える。識別器５は、図４に示す識別器５と同様にＣＰＵ５１、記憶部５２、入力部５３及び表示部５４を備えるが、図４ではこれらを省略している。

送信部１０１は情報ネットワーク１０３と接続されている。送信部１０１は、非特異的測定値５５、第１測定値５６、第２測定値５７等の測定値及び／又は気体試料の識別結果６０を記憶部から取り出し、情報ネットワーク１０３を介して情報利用者１０４の端末に送信する機能を有する。情報利用者１０４の端末は、例えばパソコン、スマートフォン、タブレットなどであり得る。又は、端末は、他の実施形態の分子検出装置又は他の分析装置等であってもよい。

受信部１０２は、情報ネットワーク１０３を介して情報発信者１０５の端末から発信された情報を受信して記憶部５２に格納する機能を有する。情報発信者１０５の端末は、例えばパソコン、スマートフォン、タブレットなどであり得る。又は、端末は、他の実施形態の分子検出装置又は他の分析装置等であってもよい。情報発信者１０５から発信される情報は、例えば、既知の標準気体試料から得られた標準測定値５８である。ＣＰＵ５１は、得られた標準測定値５８を気体試料６における測定値との比較に使用する。情報ネットワーク１０３は、例えばインターネットであってもよいし、又はイントラネットであってもよい。

このように、情報を外部の情報ネットワークから取得して参照することで、多くの情報を装置内に格納する必要がなく外部に代替できるため、分子検出装置１をより一層小型化して携帯性を高めることができる。さらに、複数の標準測定値５８を即時に取得することもできる。例えば、分子検出装置１を所望の複数個所に配置しておき、得られるデータを各所から集めて分析し、異常事態の避難誘導等に役立てる使用方法も可能である。
［例］
以下、実施形態の分子検出装置及び分子検出方法を用いた例及びその評価結果について記載する。

例１ 分子検出装置を用いた気体試料の分析
・検出素子の製造
まず、ＧｒＦＥＴとプローブとを組み合わせた検出素子を以下のように用意した。グラフェン膜は、グラファイトからの剥離法により基板へ転写して形成するか、化学気相成長法（ＣＶＤ）を利用して金属の表面に成長させることにより形成した。金属の表面に成長した単層や複数層のグラフェンをポリマー膜に転写して、所望の電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）作製用の半導体基板に再度転写した。例えば、銅箔表面に１０００℃程度の条件でメタンガスをフローしたＣＶＤによりグラフェン膜を形成した。

次に、ポリメチルメタクリレート膜を、スピンコート法を用いて４０００ｒｐｍで塗布し、逆面の銅箔膜を０．１Ｍの過硫酸アンモニウム溶液でエッチングし、溶液に浮遊したグラフェン膜を回収した。これでグラフェン膜がポリメチルメタクリレート膜側へ転写された。十分に表面を洗浄した後に、これをシリコン基板上に再度転写した。余分なポリメチルメタクリレート膜は、アセトンにより溶解させて除去した。シリコン基板に転写されたグラフェンには、レジストを塗布してパターニングし、酸素プラズマによって電極間隔１０μｍのパターンを形成した。電極を蒸着してソース電極とドレイン電極を設けたＦＥＴ構造を形成した。シリコン基板表面に形成されている酸化膜上にグラフェンが配置され、グラフェンがソース電極とドレイン電極で挟まれると共に、シリコン基板側をゲート電極とするＦＥＴ型のセンサー構造が形成された。この工程は順序を逆にしてもよい。すなわち電極を先に作製して後からグラフェンを転写して加工してもよい。

ＧｒＦＥＴ素子を４つ製造し、そのグラフェンの表面に互いに異なるプローブを設けた。プローブとして、表１に示すプローブＲＲ（配列番号２）、プローブＨＨ（配列番号３）及びプローブＳＳ（配列番号４）を使用した。

各プローブをメタノール溶液に１０ｎＭの濃度で溶解させて、この中に感応膜を数分間浸漬して固定した。または、リン酸系のバッファー溶液に溶解させて、この中に感応膜を数分間浸漬して設置した。それにより、互に異なるプローブを備えた第１検出素子Ａ～Ｃを得た。第１検出素子Ｄにはプローブを設けず、グラフェン面が露出した状態とした。これらを流路内に設置した。

・気体試料の調整
表２の匂いＡ、匂いＢ、匂いＣを混合した混合ガスＸを作製した。匂いＡ、匂いＢ、匂いＣは柑橘類のミカンに含まれる成分である。

匂いＡ～Ｃとしてビンの中に発生した飽和蒸気を利用した。シリンジで蒸気を取り出してテドラーバック内に入れて３つの匂いを混合した混合ガスＸを作製した。

・気体試料の検出
混合ガスＸを捕集部から流路に流し入れて、上流部に設置された第１検出部に到達させ、第１検出素子Ａ～Ｄで測定を行った。結果を表３に示す。結果は、第１検出素子Ｄを基準として強度を評価したものである。

次に混合ガスＸを多孔質体（吸着材）に通過させた。多孔質体として、ＴｅｎａｘＴＡとして知られる２、６－Ｄｉｐｈｅｎｙ－ｐ－ｐｈｅｎｙｌｅｎｅ Ｏｘｉｄｅをベースにしている多孔質体を利用した。多孔質体の表面積は、３５ｍ^２／ｇ、孔の径は２００ｎｍほどであった。ビーズ状のＴｅｎａｘＴＡを開口率が３割ほどのメッシュ状のポリエチレンに担持して第１検出部の下流部に設置した。このような多孔質体のさらに下流部には第２検出素子Ａ～Ｄを設置した。

第２検出素子Ａ～Ｄは、次のように製造した。上記ＧｒＦＥＴ素子と同じものを４つ用意し、これらのうち３つにグラフェンの表面に表４に示すプローブＦＬ（配列番号５）を設け、１つにはプローブを設けずにグラフェン面が露出した状態とした。プローブは、第１検出素子と同様の方法で固定した。

第２検出素子Ａ～Ｄにおいて、吸着材通過後の混合ガスＸの測定を行った。測定結果は、表５に示す通りとなった。

例２ 多孔質材料の検討
・吸着材Ａ及び吸着材Ｂの製造
０．１ｇの酸化亜鉛ナノ粒子（アルドリッチ製、直径は５０ｎｍ以下）が分散した５ｍＬの水溶液を作製する。ナノ粒子は超音波を利用して水の中に拡散させる。フラスコの中に、下記に示す化合物Ａ又は化合物Ｂを入れて５ｍＬの水溶性溶媒であるエタノール又はジメチルスルホキシド（ＤＭＳＯ）に溶解させた。

両溶液を混合して撹拌した。ときおり超音波によってナノ粒子の分散状態を保ちながら撹拌を続けた。撹拌を終了した後、ろ過によって固体を取り出し、エタノールやメタノールでよく洗浄し、回収した。その結果、化合物Ａを付着させたナノ粒子Ａ、及び化合物Ｂを付着させたナノ粒子Ｂが得られた。ナノ粒子Ａまたはナノ粒子Ｂを、超音波を用いてエタノールに再分散させて、メッシュ状のフッ素樹脂ＰＴＦＥに塗布して充分に乾燥させた。このようにして吸着材Ａ及び吸着材Ｂが得られた。

・気体試料の検出
例１と同様の第１検出素子Ａ～Ｄ及び第２検出素子Ａ～Ｄの間に吸着材Ａ又は吸着材Ｂを配置し、第２検出素子Ａ～Ｄで検出を行った。第２検出素子Ｄを基準として強度を評価した結果を表６及び表７に示す。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
以下に、本願出願の当初の特許請求の範囲に記載された発明を付記する。
［１］
気体試料中の第１分子群を検出するように構成される第１検出素子を備える第１検出部と、
前記気体試料中の、前記第１分子群よりも濃度の高い第２分子群を検出するように構成される第２検出素子を備える第２検出部と、
前記第１検出部と前記第２検出部との間に設けられた、少なくとも前記第１分子群を吸着する吸着材を備える吸着部と
を備える
分子検出装置。
［２］
前記第１検出素子は、前記第１分子群と結合する第１プローブを具備し、
前記第２検出素子は、前記第２分子群と結合する第２プローブを具備する、
［１］に記載の装置。
［３］
前記第１プローブ及び／又は前記第２プローブは、有機物から構成される［２］に記載の装置。
［４］
前記第１プローブ及び／又は前記第２プローブは、ペプチドから構成される、［３］に記載の装置。
［５］
前記第１検出部及び前記第２検出部で得られた測定結果から前記気体試料の種類を決定するように構成される識別器を更に備える、［１］～［４］の何れか１項に記載の装置。
［６］
前記識別器は、前記第１検出部における測定結果から、前記第２検出部における測定結果を差し引いて得られる演算結果を用いて前記気体試料の種類を決定するように構成される、［５］に記載の装置。
［７］
前記第１検出部は、互に異なる種類の前記第１プローブを備える複数の前記第１検出素子を備え、
前記第２検出部は、互に異なる種類の前記第２プローブを備える複数の前記第２検出素子を備え、
複数の前記第１検出素子からの測定結果を合わせた１つの第１パターンと、複数の前記第２検出素子からの測定結果を合わせた１つの第２パターンとを用いて前記気体試料の種類を決定するように構成される識別器を更に備える、
［２］～［４］の何れか１項に記載の装置。
［８］
前記第１検出素子は、前記第１プローブが表面に固定されたグラフェン膜と、前記グラフェン膜の一端に接続されたソース電極と、前記グラフェン膜の他端に接続されたドレイン電極とを備え、
前記第２検出素子は、前記第１プローブが表面に固定されたグラフェン膜と、前記グラフェン膜の一端に接続されたソース電極と、前記グラフェン膜の他端に接続されたドレイン電極とを備える、
［２］～［７］の何れか１項に記載の装置。
［９］
前記吸着材は、多孔質材料から構成される、［１］～［８］の何れか１項に記載の装置。
［１０］
前記吸着材の表面に、ペプチドが付着している、［１］～［９］の何れか１項に記載の装置。
［１１］
第１検出素子で、気体試料中の第１分子群を検出する第１検出工程、
前記気体試料を、少なくとも第１分子群を吸着する吸着材に通過させる吸着工程、
第２検出素子で、前記吸着工程後の前記気体試料中の、前記第１分子群よりも濃度が高い第２分子群を検出する第２検出工程、及び
前記第１検出工程及び前記第２検出工程の結果から前記気体試料の種類を決定する識別工程
を含む、分子検出方法。
［１２］
前記識別工程では、前記第１検出工程における測定結果から、前記第２検出工程における測定結果を差し引くことにより得られる演算結果を用いて前記気体試料の種類を決定する、［１１］に記載の方法。
［１３］
前記第１検出素子は、前記第１分子群と結合する第１プローブを具備し、
前記第２検出素子は、前記第２分子群と結合する第２プローブを具備する、
［１１］又は［１２］に記載の方法。
［１４］
前記第１プローブ及び／又は前記第２プローブは、有機物から構成される［１３］に記載の方法。
［１５］
前記第１プローブ及び／又は前記第２プローブは、ペプチドから構成される［１４］に記載の方法。
［１６］
前記第１検出工程は、互に異なる種類の前記第１プローブを備える複数の前記第１検出素子を用いて行われ
前記第２検出工程は、互に異なる種類の前記第２プローブを備える複数の前記第２検出素子を用いて行われ、
前記識別工程は、複数の前記第１検出素子からの測定結果を合わせた１つの第１パターンと、複数の前記第２検出素子からの測定結果を合わせた１つの第２パターンとを用いて前記気体試料の種類を決定することを含む、
［１３］～［１５］の何れか１項記載の方法。
［１７］
前記第１検出素子は、前記第１プローブが表面に固定されたグラフェン膜と、前記グラフェン膜の一端に接続されたソース電極と、前記グラフェン膜の他端に接続されたドレイン電極とを備え、
前記第２検出素子は、前記第１プローブが表面に固定されたグラフェン膜と、前記グラフェン膜の一端に接続されたソース電極と、前記グラフェン膜の他端に接続されたドレイン電極とを備える、
［１３］～［１６］の何れか１項に記載の方法。
［１８］
前記吸着材は、多孔質材料から構成される、［１１］～［１６］の何れか１項に記載の方法。
［１９］
前記吸着材の表面に、ペプチドが付着している、［１１］～［１７］の何れか１項に記載の方法。

１、１００…分子検出装置、
４…検出器、５…識別器、
６…気体試料、７ｂ…第１検出部、７ｃ…吸着部、７ｄ…第２検出部、
９…第１検出素子、１０…吸着材、１１…第２検出素子、
１４…感応膜、１５…ソース電極、１６…ドレイン電極、１７…第１プローブ。

Claims (17)

1. 気体試料中の第１分子群、及び、前記気体試料中に前記第１分子群よりも高濃度に含有される第２分子群を検出するように構成される第１検出素子を備える第１検出部と、
   前記第２分子群を検出するように構成される第２検出素子を備える第２検出部と、
   前記第１検出部と前記第２検出部との間に設けられた、少なくとも前記第１分子群を選択的に吸着する吸着材を備える吸着部と、
   前記第１検出部における測定結果から、前記第２検出部における測定結果を差し引いて得られる演算結果を用いて前記気体試料の種類を決定するように構成される識別器と、
   を備え、
   前記気体試料が、前記第１検出部と接触した後、前記吸着部を通過し、前記第２検出部と接触するように構成される、分子検出装置。
2. 前記第１検出素子は、前記第１分子群と結合する第１プローブを具備し、
   前記第２検出素子は、前記第２分子群と結合する第２プローブを具備する、
   請求項１に記載の装置。
3. 前記第１プローブ及び／又は前記第２プローブは、有機物から構成される請求項２に記載の装置。
4. 前記第１プローブ及び／又は前記第２プローブは、ペプチドから構成される、請求項３に記載の装置。
5. 前記第１検出部は、互に異なる種類の前記第１プローブを備える複数の前記第１検出素子を備え、
   前記第２検出部は、互に異なる種類の前記第２プローブを備える複数の前記第２検出素子を備え、
   複数の前記第１検出素子からの測定結果を合わせた１つの第１パターンと、複数の前記第２検出素子からの測定結果を合わせた１つの第２パターンとを用いて前記気体試料の種類を決定するように構成される識別器を更に備える、
   請求項２～４の何れか１項に記載の装置。
6. 前記第１検出素子は、前記第１プローブが表面に固定されたグラフェン膜と、前記グラフェン膜の一端に接続されたソース電極と、前記グラフェン膜の他端に接続されたドレイン電極とを備え、
   前記第２検出素子は、前記第１プローブが表面に固定されたグラフェン膜と、前記グラフェン膜の一端に接続されたソース電極と、前記グラフェン膜の他端に接続されたドレイン電極とを備える、
   請求項２～５の何れか１項に記載の装置。
7. 前記吸着材は、多孔質材料から構成される、請求項１～６の何れか１項に記載の装置。
8. 前記吸着材の表面に、ペプチド、並びに、下記式に示す化合物Ａ及び化合物Ｂが付着している、請求項１～７の何れか１項に記載の装置。
   

   
9. 第１検出素子で、気体試料中の第１分子群を検出する第１検出工程、
   前記気体試料を、少なくとも第１分子群を吸着する吸着材に通過させる吸着工程、
   第２検出素子で、前記吸着工程後の前記気体試料中の、前記第１分子群よりも濃度が高い第２分子群を検出する第２検出工程、及び
   前記第１検出工程及び前記第２検出工程の結果から前記気体試料の種類を決定する識別工程
   を含む、分子検出方法。
10. 前記識別工程では、前記第１検出工程における測定結果から、前記第２検出工程における測定結果を差し引くことにより得られる演算結果を用いて前記気体試料の種類を決定する、請求項９に記載の方法。
11. 前記第１検出素子は、前記第１分子群と結合する第１プローブを具備し、
    前記第２検出素子は、前記第２分子群と結合する第２プローブを具備する、
    請求項９又は１０に記載の方法。
12. 前記第１プローブ及び／又は前記第２プローブは、有機物から構成される請求項１１に記載の方法。
13. 前記第１プローブ及び／又は前記第２プローブは、ペプチドから構成される請求項１２に記載の方法。
14. 前記第１検出工程は、互に異なる種類の前記第１プローブを備える複数の前記第１検出素子を用いて行われ、
    前記第２検出工程は、互に異なる種類の前記第２プローブを備える複数の前記第２検出素子を用いて行われ、
    前記識別工程は、複数の前記第１検出素子からの測定結果を合わせた１つの第１パターンと、複数の前記第２検出素子からの測定結果を合わせた１つの第２パターンとを用いて前記気体試料の種類を決定することを含む、
    請求項１１～１３の何れか１項記載の方法。
15. 前記第１検出素子は、前記第１プローブが表面に固定されたグラフェン膜と、前記グラフェン膜の一端に接続されたソース電極と、前記グラフェン膜の他端に接続されたドレイン電極とを備え、
    前記第２検出素子は、前記第１プローブが表面に固定されたグラフェン膜と、前記グラフェン膜の一端に接続されたソース電極と、前記グラフェン膜の他端に接続されたドレイン電極とを備える、
    請求項１１～１４の何れか１項に記載の方法。
16. 前記吸着材は、多孔質材料から構成される、請求項９～１４の何れか１項に記載の方法。
17. 前記吸着材の表面に、ペプチドが付着している、請求項９～１５の何れか１項に記載の方法。

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