JP7170613B2 - 液膜維持装置及びセンサ装置 - Google Patents

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Description

本発明の実施形態は、液膜維持装置及びセンサ装置に関する。
匂い等を検出するセンサがある。センサの高精度な検出を可能にする装置が求められている。
本発明の実施形態は、高精度な検出を可能にする液膜維持装置を提供する。
実施形態の液膜維持装置は、センサ素子上に液体を供給して、液膜を形成する液体供給部と、前記液膜中の液体を排出する液体排出部とを備える。
実施形態のセンサ装置は、センサ素子と、実施形態の液膜維持装置とを備える。
図１は、第１の実施形態のセンサ装置の一例を示す断面図である。 図２は、第１の実施形態のセンサ装置の一例を示す平面図である。 図３は、実施形態のセンサ素子の一例を示す断面図である。 図４は、実施形態のセンサ素子の標的物質の検出の様子を示す模式図である。 図５は、実施形態のセンサ素子の標的物質の検出の別の様子を示す模式図である。 図６は、第２の実施形態のセンサ装置の一例を示す断面図である。 図７は、第３の実施形態のセンサ装置の一例を示す断面図である。 図８は、第３の実施形態のセンサ装置の一例を示す平面図である。 図９は、第４の実施形態のセンサ装置の一例を示す断面図である。 図１０は、第５の実施形態のセンサ装置の一例を示す断面図である。
以下に、図面を参照しながら種々の実施形態について説明する。各図は実施形態とその理解を促すための模式図であり、その形状や寸法、比等は実際と異なる個所があるが、これらは以下の説明と公知の技術を参酌して適宜、設計変更することができる。
以下、実施形態のセンサ装置について説明する。
（第１の実施形態）
図１は、第１の実施形態のセンサ装置の一例を示す断面図、図２は、第１の実施形態のセンサ装置の一例を示す平面図である。なお、図２は、図１に示す液体供給部１１の細管２１の他端側の開口２２と、液体排出部１３の第１部材２９のセンサ素子側端部３１とを除いて、液膜維持装置７の他の構成を省略してある。
図１に示すように、センサ装置１は、センサ素子３ａ、３ｂ及び３ｃが配置された基体５と、液膜維持装置７とを備えている。液膜維持装置７は、基体５上に液体を供給して、液膜９を形成する液体供給部１１と、液膜９中の液体を排出する液体排出部１３とを備えている。センサ素子３ａ、３ｂ及び３ｃは、それぞれグラフェン電界効果型トランジスタ（グラフェンＦＥＴとも称する）であるが、具体的な構成は後述する。
基体５は、例えば、電気的に絶縁性の材料から形成されている。基体５の絶縁性材料は、例えば、アクリル樹脂、ポリイミド、ポリベンゾオキサゾール、エポキシ樹脂、フェノール樹脂、ポリジメチルシロキサン、フッ素樹脂等の高分子物質、又は酸化シリコン、窒化ケイ素、酸化アルミニウム等の無機絶縁膜、或いは有機分子の自己組織化膜等である。基体５の表面５ａは、親水性（例えば、その表面に接触する液滴が５度未満の接触角を示す）を有する。基体５の大きさは、限定されるものではないが、例えば、１～１００ｍｍ×１～１００ｍｍ×１～５ｍｍ（幅×長さ×厚さ）である。
基体５の外周には、上方に向かって延びる壁部１５が設けられている。壁部１５は平面視においてセンサ素子３ａ、３ｂ及び３ｃの周囲を囲んでいる。ここで、平面視は、基体５に配置されたセンサ素子３ａ、３ｂ及び３ｃ側の上方から基体５を見ることをいう。壁部１５は、その内側に液膜が形成される領域を規定している。
液体供給部１１は、基体５の壁部１５から隔てて設置された、液体１７を収容した第１の容器（ボトル）１９を備えている。ボトル１９内に収容された液体１７には、細管２１の一端が接触している。細管２１の他端は、センサ素子３ａ側の基体５の上方に、開口２２が基体５の表面５ａに向けられ、固定部材２３によって固定されている。液体供給部１１は、ボトル１９内の液体１７を、細管２１の内部を通して供給し、基体５に配置されたセンサ素子３ａ、３ｂ及び３ｃ上に液膜９を形成する。
液体１７は、基体５に配置されたセンサ素子３ａ、３ｂ及び３ｃ上に液膜９を形成するための液体供給源である。液体１７は、例えば、水、生理水、緩衝液等の水溶性の液体、又はイオン液体である。液体１７は、有機溶媒を含んでもよい。
細管２１は、例えば、高分子、又はガラス等の材料から形成され、細管２１の内面は親水性を有する。細管２１の内径は、例えば、０．１０ｍｍ～１０．０ｍｍである。細管２１は、例えば毛細管現象を利用して、ボトル１９内の液体１７を基体５に配置されたセンサ素子３ａ、３ｂ及び３ｃ上に送る。細管２１による、基体５上への液体の供給流量は、例えば、０．０１μＬ／ｓ～１．０μＬ／ｓである。細管２１の供給流量は、例えば、細管２１の内径を変えることによって調節できる。
液体排出部１３は、基体５の壁部１５に隣接して設置された、液膜９中から排出された液体を回収する排液回収空間２５を備えている。排液回収空間２５には、排液流路２７の一端側開口が形成されている。排液流路２７の他端側開口は、センサ素子３ｃ側の基体５の上方に配置されている。排液回収空間２５及び排液流路２７内には、第１部材２９が充填されている。第１部材２９のセンサ素子側端部３１は、センサ素子３ｃ側の基体５の表面に接触している。センサ素子側端部３１は、液膜９に接触する。液体排出部１３は、液膜９中の液体を、排液流路２７を通して排液回収空間２５に移動させる。
排液回収空間２５は、液膜９から排出された液体を回収する。排液流路２７は、液膜９から排出された液体が排液回収空間２５へ移動する。排液回収空間２５及び排液流路２７は、例えば基体５と同じ材料を加工、成形することによって形成されている。
第１部材２９の材料は、例えば、ポリアクリル酸ナトリウム、ポリエチレン、ポリスチレン、セルロース等の不織布である。セルロースの不織布は、ＬＦＩＡ（Lateral Flow Imuno－Assay）用のセルロースパッドである。第１部材２９は、例えば毛細管現象を利用して、液膜９中の液体を、排液流路２７を通して排液回収空間２５に移動させる。第１部材２９による、液膜９中の液体を排出する速度（吸水速度）は、例えば、０．０１μＬ／ｓ～１．０μＬ／ｓである。第１部材２９の吸水速度は、例えば、第１部材２９の断面積を変えることによって調節できる。ここで、第１部材２９の断面積は、センサ素子側端部３１が基体５の表面に接触している面積をいう。第１部材２９の断面積は、例えば、０．１０ｍｍ２～１０ｍｍ２である。第１部材２９の体積は、例えば、２．０ｃｍ３～５．０ｃｍ３である。
いくつかの実施形態において、第１部材２９は、液体供給部１１と、センサ素子３ａ、３ｂ及び３ｃとを結ぶ線上に配置される。このように配置された第１部材２９によって、液体供給部１１により形成される液膜９が、センサ素子３ａ、３ｂ及び３ｃ上に拡がって形成される。このため、液膜９を媒体として、後述する気体試料４９を、センサ素子３ａ、３ｂ及び３ｃ上に運ぶことができる。
第１部材２９は、例えば、断面積が０．８３ｍｍ２である場合、吸水速度は０．１０μＬ／ｓであり、断面積が１．６６ｍｍ２である場合、吸水速度は０．３０μＬ／ｓであり、断面積が３．３２ｍｍ２である場合、吸水速度は０．４０μＬ／ｓである。第１部材２９の断面積が小さいと、第１部材２９の吸水速度を容易に制御できる。排液回収空間２５内に充填される第１部材２９の体積は、例えば、２．０ｃｍ３～５．０ｃｍ３である。
このような液膜維持装置７は、液体供給部１１が、細管２１の毛細管現象を利用して、ボトル１９内の液体１７を、センサ素子３ａ側の基体５に供給して、液膜９ａを形成する。言い換えると、液体供給部１１が、センサ素子３ａの後述する感応膜３５上に液膜９ａを形成する。次に、液体供給部１１は、ボトル１９内の液体１７を、センサ素子３ａ側の基体５にさらに供給して、液体排出部１３に向かって略円形に拡がる液膜９ｂを形成する。次に、液体供給部１１は、ボトル１９内の液体１７を、センサ素子３ａ側の基体５にさらに供給して、液体排出部１３に向かって略円形にさらに拡がる液膜９ｃを形成する。次に、液体排出部１３は、第１部材２９のセンサ素子側端部３１に接触した液膜９ｃ中の液体を吸収する。吸収された液体は、第１部材２９により、排液流路２７を通って排液回収空間２５に移動する。液体が吸収された液膜９ｃは、液膜９аに戻る。このため、液膜維持装置７は、基体５に配置されたセンサ素子３ａ、３ｂ及び３ｃ上に、経時的に液体が流動することによって変化する液膜９（図１及び２に示す液膜９ａ、９ｂ、及び９ｃ）を形成し、維持することができる。ここで、液膜維持装置７による液膜９の維持は、例えば、液膜維持装置７が液膜９を、液体供給部１１側に形成された液膜（例えば、図１及び２に示す液膜９ａ）から液体排出部１３に拡がって形成された液膜（例えば、図１及び２に示す液膜９ｃ）までのいずれかの状態にすることをいう。
液膜９は、例えば、水、生理水、緩衝液等の水溶性の液体、又はイオン液体である。液膜９は、有機溶媒を含んでいてもよい。液膜９は、例えば１．０μｍ以上１０．０μｍ以下の厚さを有する。液膜９の厚さは、例えば、基体５又はセンサ素子３ａ、３ｂ及び３ｃの表面から液膜９と気体との界面までの最短距離をいう。液膜９は、例えば、後述する標的物質５１を受容体４７へと運ぶ媒体として働く。
センサ素子３ａ、３ｂ及び３ｃは、それぞれグラフェンＦＥＴであり、同様の構造を有するため、以下ではセンサ素子３ａを代表して説明する。
図３に示すように、センサ素子３ａは、基板３３を備えている。基板３３の表面３３ａ上には、感応膜３５と、感応膜３５の一端に接続されたソース電極３７と、感応膜３５の他端に接続されたドレイン電極３９が設けられている。ソース電極３７とドレイン電極３９との間、及び感応膜３５の表面３５ａには、第１の絶縁体層４１を介してゲート電極４３が設けられている。基板３３の表面３３ａ上には、第２の絶縁体層４５が設けられている。感応膜３５の表面３５ａには、受容体４７が接続されている。受容体４７は、液膜９に接触するか、又は浸漬する。
基板３３は、例えば、矩形の板状である。基板３３は、例えば、シリコン、ガラス、セラミックス、高分子材料又は金属等から形成されている。基板３３の大きさは、限定されるものではないが、例えば、１～１０ｍｍ×１～１０ｍｍ×０．１～０．５ｍｍ（幅×長さ×厚さ）である。
感応膜３５は、そこに接続している物質の構造や電荷の状態などが変化した時に物性が変化する膜である。感応膜３５は、例えば、電気抵抗が変化する物質から形成されている。感応膜３５は、炭素原子１個分の厚さを有する単層のグラフェン膜である。グラフェン膜は、複数層で設けられてもよい。感応膜３５の大きさは、限定されるものではないが、例えば、１～５００μｍ×１～５００μｍ（幅×長さ）とすることができる。実用的には１０～１００μｍ×１０～１００μｍであれば製造が容易である。
感応膜３５は、例えば、高分子、ケイ素（Ｓｉ）、シリサイド等の導体の膜若しくはそのナノワイヤ、或いはグラフェン、カーボンナノチューブ、二硫化モリブデン（ＭｏＳ２）若しくは二セレン化タングステン（ＷＳｅ２）等の材料等から形成されていてもよい。
ソース電極３７、ドレイン電極３９、及びゲート電極４３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（インジウム、ガリウム、亜鉛の酸化物半導体）、導電性高分子等の導電性物質から形成されている。
ソース電極３７、ドレイン電極３９、及びゲート電極４３は、電源（図示せず）と電気的に接続している。ソース電極３７及びドレイン電極３９は、例えば、一定のゲート電圧下、電源から電圧（ソース・ドレイン電圧（Ｖｓｄ））が印加されると、ソース電極３７から感応膜３５を介してドレイン電極３９に電流（ソース・ドレイン電流（Ｉｓｄ））が流れる。この時、グラフェン膜である感応膜３５は、ソース電極３７及びドレイン電極３９に対してチャネルとして機能する。ゲート電極４３は、ゲート電圧を変化させてソース・ドレイン電流を変化させる。
第１の絶縁体層４１は、例えば、シリコン、ガリウム、アルミニウム及びインジウムの酸化物、窒化物、又は酸窒化物、或いは高分子材料、有機分子の自己組織化膜等の電気的に絶縁性の材料から形成されている。第１の絶縁体層４１の厚さは、絶縁性を損なわない範囲で出来る限り薄い方がよく、例えば数ｎｍ程度とすることが好ましい。このような薄膜は、例えばＡＬＤ（Atomic Layer Deposition）法によって形成することが可能である。
第２の絶縁体層４５は、例えば、上述した基体５と同じ材料から形成されている。
受容体４７は、例えば、生体物質である。受容体４７には、例えば、嗅覚受容体の断片を用いることができる。受容体４７は、気体試料４９中の標的物質５１と結合する部位の配列を含む嗅覚受容体の断片である。例えば、そのような配列は、嗅覚受容体の細胞外に位置するリガンド結合部位を含む。受容体４７は、例えば、嗅覚受容体のデータベースからそのリガンド結合部位のアミノ酸配列を得て、そのアミノ酸配列を有するオリゴペプチドを合成することによって製造できる。受容体４７は標的物質５１と結合するものであればよく、例えば、リガンド結合部位の配列を部分的に改変したものであってもよく、新たな配列を付加したものであってもよい。受容体４７は、例えば、嗅覚受容体として、動物の嗅覚受容体を用いることができる。動物は、例えば、脊椎動物又は昆虫等である。例えば、ヒト、ハエ、マウス、線虫等の嗅覚受容体を用いることができる。
受容体４７は、標的物質５１と結合するものであればよく、例えば、抗体や核酸アプタマであってもよく、分子インプリントのような人工物であってもよい。受容体４７が、分子インプリントのような人工物である場合、当該受容体４７は、乾燥によって変性又は損傷し難い。
受容体４７は、例えば、受容体４７及び／又は感応膜３５に修飾基を付加し、両者を化学合成により結合することによって、感応膜３５に接続することができる。また、受容体４７は、感応膜３５の表面３５ａ上に配置することによっても感応膜３５に接続することができる。さらに、受容体４７は、π－π相互作用により、グラフェン膜のような感応膜３５に接続することができる。
なお、感応膜３５の表面３５ａには、受容体４７に加えて、ブロッキング剤（図示せず）が、表面３５ａ上を覆うように配置されていてもよい。ブロッキング剤は、例えば、タンパク質、有機分子、脂質膜、ペプチド、核酸等を用いることができる。このようなブロッキング剤を備えることにより、標的物質５１とは異なる物質（例えば、夾雑物５３）が感応膜３５の表面に結合することを防止することができる。
標的物質５１は、気体中に含まれ、動物の嗅覚受容体のリガンドとなり得る物質である。標的物質５１は、例えば、匂い物質又はフェロモン物質のような揮発性有機化合物（ＶＯＣ：volatile organic compound）である。標的物質５１は、例えば、アルコール類、エステル類、アルデヒド類、ケトン類等であるがこれらに限定されるものではない。このような標的物質５１の多くは、水への溶解性が低い物質である。水への溶解性が低い標的物質５１は、例えば、０．１ｍｇの標的物質５１を溶かすのに１μｌ以上の液膜９が必要な物質である。
気体試料４９は、例えば、標的物質５１が含まれ得る分析されるべき気体である。気体試料４９は、例えば、大気、呼気、又は生体や物体等の分析対象から発生し得る他の気体、或いは当該分析対象の周辺の空気等である。気体試料４９は、夾雑物５３を含み得る。
このようなセンサ素子３ａ、３ｂ及び３ｃによる標的物質の検出は、例えば、以下の工程を含む。（Ｓ１）実施形態のセンサ装置を用意すること、（Ｓ２）気体試料を液膜又は受容体に接触させること、（Ｓ３）感応膜の物性の変化を検出すること、及び（Ｓ４）検出の結果から、気体試料中の標的物質の有無又は量を決定すること。
以下、上記各工程を行うことによって標的物質を検出する原理について説明する。
工程（Ｓ２）において、気体試料４９を液膜９又は受容体４７に接触させる。この時のセンサ素子３の様子を図４及び図５に示す。図４は、受容体４７上に液膜９が存在している場合の状態を示す。言い換えると、図４は、液膜９ａの下方にあるセンサ素子３ａ、液膜９ｂの下方にあるセンサ素子３ｂ、又は液膜９ｃの下方にあるセンサ素子３ｃを示す。また、図５は、受容体４７上に液膜９が存在していない場合の状態を示す。言い換えると、図５は、液膜９が液膜９ａの状態にあるときのセンサ素子３ｂ、３ｃ、又は液膜９が液膜９ｂの状態にあるときのセンサ素子３ｃを示す。
図４において、気体試料４９の液膜９への接触によって標的物質５１が液膜９に入り込み（図４の（ａ）、（ｂ））、受容体４７に結合する（図４の（ｃ））。一方、夾雑物５３は、受容体４７に結合しない（図４の（ｄ））。標的物質５１と受容体４７との結合（図４の（ｃ））によって感応膜３５の物性が変化する。
また、図５において、気体試料４９の標的物質５１は、受容体４７に直接到達して結合する（図５の（ｅ））。夾雑物５３は、受容体４７に結合しない（図５の（ｄ））。ここで物性とは、例えば、感応膜の電気抵抗等である。
工程（Ｓ３）において、物性の変化を電気的信号の変化として検出する。電気的信号は、例えば、電流値、電位値、電気容量値又はインピーダンス値等である。電気信号の変化とは、例えば、電気的信号の増加、減少、消失、又は特定時間内での積算値の変化等である。上述したグラフェンＦＥＴを用いる場合、物性の変化は、例えば、ゲート電圧及びドレイン電圧として一定電圧を印加した際の、ソース・ドレイン間電流値の変化として検出できる。或いは、ソース・ドレイン間電流値を一定に維持している際の、ゲート電圧値の変化として検出してもよい。電気信号の変化の情報は、例えば、電気的に接続されたデータ処理部などに送られ、記憶され、処理される。
工程（Ｓ４）において、検出の結果から気体試料４９中の標的物質５１の有無又は量を決定する。例えば、電気的信号の変化が生じた場合に気体試料４９に標的物質５１が存在すると判断し、変化が起きない場合に標的物質５１が存在しないと判断してもよい。また、電気的信号が予め設定された閾値よりも大きく変化した場合に標的物質５１が存在すると判断し、変化が閾値よりも小さい場合に標的物質５１が存在しないと判断してもよい。そのような閾値は、例えば、標的物質が含まれていることが知られている気体試料をセンサ素子の分析に供して電気的信号の変化値を得ることなどによって得ることができる。或いは、変化量によって標的物質の量を決定してもよい。その場合、濃度既知の標的物質を用いて、標的物質の濃度に対する変化量の検量線を作成し、それと照らし合わせることによって標的物質の量を決定してもよい。
以上に説明した工程により、センサ素子３ａ、３ｂ及び３ｃは、気体試料中の標的物質を検出することができる。
標的物質の検出方法は、各工程を自動的に行う装置によって行われてもよい。そのような装置は、例えば、センサ装置１と、感応膜３５の物性の変化を電気的信号の変化に変換する検出部と、検出部から得られた電気的信号の情報を格納し、処理するデータ処理部と、これらの各部の操作を制御する制御部とを含む。上記工程（Ｓ２）～（Ｓ４）の操作は、装置の操作者の入力により実行されてもよいし、制御部に含まれるプログラムによって実行されてもよい。
このようなセンサ素子３ａ、３ｂ及び３ｃは、それぞれグラフェンＦＥＴに限られない。センサ素子３ａ、３ｂ及び３ｃは、受容体４７のような生体物質、抗体、核酸アプタマ、分子インプリントのような人工物を用いる場合であれば、例えば、他の電荷検出素子、表面プラズモン共鳴素子（ＳＰＲ）、表面弾性波（ＳＡＷ）素子、圧電薄膜共振（ＦＢＡＲ）素子、水晶振動子マイクロバランス（ＱＣＭ）素子、又はＭＥＭＳカンチレーバー素子等のセンサ素子とすることができる。
第１の実施形態のセンサ装置１は、液膜維持装置７を備えるため、当該装置７により、基体５に配置されたセンサ素子３ａ、３ｂ及び３ｃ上に、経時的に液体が流動することによって変化する液膜９（図１及び２に示す液膜９ａ、９ｂ、及び９ｃ）が形成、維持される。液膜９ａの下方に配置されているセンサ素子３ａは、受容体４７の乾燥に起因する、標的物質５１の検出性能の低下を抑制又は防止できるため、標的物質５１を高精度に検出できる。このようなセンサ素子３ａは、水溶性の標的物質５１を検出し易い。ここで、水溶性の標的物質５１は、例えば、１．０ｍｇの標的物質５１を溶かすのに１μｌ以下の液膜９が必要な物質である。また、液膜９ｂ、９ｃの下方に配置されているセンサ素子３ｂ、３ｃは、標的物質５１が液膜９を通ることなく直接に到達し易いため、標的物質５１を迅速に検出でき、標的物質５１が低濃度であっても、標的物質５１を高精度に検出できる。また、センサ素子３ｂ、３ｃは、上述したような水への溶解性が低い標的物質５１を検出できる。
従って、第１の実施形態の液膜維持装置は、センサ素子による標的物質の高精度な検出を可能にする。また、第１の実施形態のセンサ装置は、このような液膜維持装置を備えるため、標的物質を高精度に検出することができる。
また、第１の実施形態の液膜維持装置は、新たな液膜を繰り返し形成、維持することができるため、センサ素子による標的物質の繰り返しの検出を可能にする。また、第１の実施形態のセンサ装置は、このような液膜維持装置を備えるため、標的物質を繰り返し検出することができる。
さらに、第１の実施形態のセンサ装置は、標的物質と結合する受容体を有するセンサ素子を備えるため、夾雑物が検出されるのを防ぐことができる。従って、気体試料中に含まれる物質の組成が異なる条件においても、夾雑物の影響を受けることなく標的物質を検出することができる。
以下、図６～図１０を参照して、別の実施形態のセンサ装置について説明する。なお、図６～図１０において、図１と同様な部材は同符号を付して説明を省略する。
（第２の実施形態）
図６は、第２の実施形態のセンサ装置の一例を示す断面図である。図６に示すセンサ装置１は、ポンプ５５を備えていることを除いて図１に示すセンサ装置と同様な構造を有する。
第２の実施形態の液膜維持装置７の液体供給部１１は、ポンプ５５をさらに備える。ポンプ５５は、細管２１に取り付けられ、ボトル１９内の液体１７を基体５に配置されたセンサ素子３ａ、３ｂ及び３ｃ上に任意の供給流量で供給できる。ポンプ５５は、例えば、０．０１μＬ／ｓ～１．０μＬ／ｓの供給流量に設定できる。ポンプ５５は、液体排出部１３による液膜中の液体の排出速度、すなわち液体排出部１３の第１部材２９の吸水速度よりも小さい供給流量に設定することによって、過剰な供給による液体の漏れを防止できる。
第２の実施形態のセンサ装置１は、ポンプ５５を有する液膜維持装置７を備えるため、当該装置７により、基体５に配置されたセンサ素子３ａ、３ｂ及び３ｃ上に、経時的に一定周期で液体が流動することによって変化する液膜９が形成、維持される。このため、液膜９ｂ又９ｃの下方に配置されているセンサ素子３ｂ、３ｃは、液膜９が上方を通過することにより発生し得るノイズが一定周期で出現することによって、受容体４７が標的物質５１を検出したのかどうかを判定し易くなり、標的物質５１をさらに高精度に検出できる。
また、ポンプ５５を有する液膜維持装置７は、供給流量を小さく設定することによって、長時間の測定を可能にする。また、このような液膜維持装置７は、供給流量を小さく設定することによって、液体１７の収容量及び液体排出部１３の第１部材２９の充填量を低減させることもできる。
従って、第２の実施形態の液膜維持装置は、第１の実施形態の液膜維持装置と同様な作用、効果を奏するとともに、センサ素子によるさらに高精度な検出、及び長時間の検出を可能にし、センサ装置の小型化にも寄与する。また、第２の実施形態のセンサ装置は、第１の実施形態のセンサ装置と同様な作用、効果を奏するとともに、このような液膜維持装置を備えるため、標的物質を高精度に、長時間検出でき、小型化できる。
（第３の実施形態）
図７は、第３の実施形態のセンサ装置の一例を示す断面図、図８は、第３の実施形態のセンサ装置の一例を示す平面図である。なお、図８は、図７に示す液体供給部１１の細管２１の他端側の開口２２、流動制御部５７、及び保水材５９と、液体排出部１３の第１部材２９のセンサ素子側端部３１、及び突出部６１とを除いて、液膜維持装置７の他の構成を省略してある。
第３の実施形態の液膜維持装置７の液体供給部１１は、細管２１の開口２２に連通する流動制御部５７と、流動制御部５７内に配置された保水材５９とをさらに備える。また、第３の実施形態の液膜維持装置７の液体排出部１３は、第１部材２９のセンサ素子側端部３１が液体供給部１１に向かって突出する突出部６１をさらに備える。
流動制御部５７は、細管２１の開口２２に連通するように取り付けられ、平面視において液体排出部１３側に開口するコの字形状を有する。流動制御部５７は、例えば、上述した基体５と同じ材料から形成されてもよい。流動制御部５７の大きさは、限定されるものではないが、例えば、１～１０ｍｍ×１～１０ｍｍ×１～１０ｍｍ（幅×長さ×高さ）である。流動制御部５７の表面は、例えば、親水性を有する。流動制御部５７は、ボトル１９から、基体５に配置されたセンサ素子３ａ、３ｂ及び３ｃ上に供給された液体１７を、液体排出部１３に向けて流し、第１の実施形態の液膜維持装置７と比較して、液膜９の拡がりを抑制した液膜９（９ｄ、９ｅ、９ｆ）を形成し、液体の流れを制御する。
保水材５９は、液体供給部１１から供給された液体を保持する。保水材５９は、例えば、上述した第１部材２９と同じ材料から形成されている。
いくつかの実施形態において、保水材５９は、液体排出部１３と、センサ素子３ａ、３ｂ及び３ｃとを結ぶ線上に配置される。このように配置された保水材５９によって、液体供給部１１により形成される液膜９が、センサ素子３ａ、３ｂ及び３ｃ上に拡がって形成される。このため、液膜９を媒体として、後述する気体試料４９を、センサ素子３ａ、３ｂ及び３ｃ上に運ぶことができる。
第３の実施形態のセンサ装置１は、流動制御部５７、保水材５９、及び突出部６１を有する液膜維持装置７を備えるため、当該装置７により、基体５に配置されたセンサ素子３ａ、３ｂ及び３ｃ上に、拡がりを抑制して変化する液膜９（９ｄ、９ｅ、９ｆ）が形成、維持される。このため、このような液膜維持装置７は、液体１７の収容量及び液体排出部１３の第１部材２９の充填量を低減させることができる。
流動制御部５７を備える液体供給部１１は、ボトル１９から、基体５に配置されたセンサ素子３ａ、３ｂ及び３ｃ上に供給された液体１７が、液体供給部１１の開口２２付近で滞留することを抑制又は防止する。また、保水材５９を備える液体供給部１１は、ボトル１９から、基体５に配置されたセンサ素子３ａ、３ｂ及び３ｃ上に供給された液体１７が、液体供給部１１の開口２２付近で滞留することをさらに抑制又は防止する。このため、このような液膜維持装置７は、標的物質５１が、センサ素子３ａ、３ｂ及び３上を通過せずに、液体供給部１１の開口２２付近で滞留して、センサ素子３ａ、３ｂ及び３ｃによる標的物質５１の未検出を抑制又は防止することによって、標的物質５１のさらなる高精度な検出を可能にする。
従って、第３の実施形態の液膜維持装置は、第１の実施形態の液膜維持装置と同様な作用、効果を奏するとともに、センサ素子によるさらに高精度な検出、及び長時間の検出を可能にする。また、第３の実施形態のセンサ装置は、第１の実施形態のセンサ装置と同様な作用、効果を奏するとともに、このような液膜維持装置を備えるため、標的物質を高精度に、長時間検出できる。
（第４の実施形態）
図９は、第４の実施形態のセンサ装置の一例を示す断面図である。図９に示すセンサ装置１は、基体５の表面５ａの一部とセンサ素子３ｂ上に保水層６３が設けられていることを除いて、図１に示すセンサ装置と同様な構造を有する。
第４の実施形態の保水層６３は、基体５の表面５ａの一部と、センサ素子３ｂの表面を覆っている。保水層６３の厚さは、例えば、１．０μｍ～１００μｍである。保水層６３は、保水層６３の下方にある基体５の表面５ａと、センサ素子３ｂを常に濡らした状態にすることができる。保水層６３は、基体５の表面５ａの一部を覆っていてもよく、全体を覆っていてもよい。
第４の実施形態のセンサ装置１は、保水層６３を備えるため、当該保水層６３により、基体５の表面５ａ、及び／又はセンサ素子３ａ、３ｂ及び３ｃ上の任意の位置を、常に濡れた状態にすることができる。このため、保水層６３の下方に配置されているセンサ素子３ｂは、受容体４７の乾燥に起因する、標的物質５１の検出性能の低下が抑制又は防止されるため、標的物質５１を高精度に検出できる。
従って、第４の実施形態のセンサ装置は、第１の実施形態のセンサ装置と同様な作用、効果を奏するとともに、このような保水層６３を備えるため、標的物質をさらに高精度に検出することができる。
（第５の実施形態）
図１０は、第４の実施形態のセンサ装置の一例を示す断面図である。図１０に示すセンサ装置１は、ポンプ５５が設けられていること、基体５上に第１の流路６５、第２の流路６７、及び第３の流路６９を規定するカバー材７１が設けられていること、第１の流路６５の吸気口７３にフィルタ７５が設けられていること、第３の流路６９の排気口７７に気流発生装置７９が設けられていること、及び液体排出部１３の第１部材２９の一部が第３の流路６９において配置していることを除いて図１に示すセンサ装置と同様な構造を有する。
図１０に示すように、センサ装置１の上方に離間して配置されたカバー材７１によって、第１の流路６５、第２の流路６７、及び第３の流路６９が規定されている。第１の流路６５の吸気口７３には、フィルタ７５が設けられている。第３の流路６９の排気口７７には、気流発生装置７９が設けられている。第３の流路６９内において、液体排出部１３の第１部材２９の一部が配置されている。
第１の流路６５、第２の流路６７、及び第３の流路６９は連通している。第１の流路６５は、気体試料４９を取り込む流路であり、第２の流路６７は、取り込まれた気体試料４９を基体５に配置されたセンサ素子３ａ、３ｂ及び３ｃ上に導入する流路であり、第３の流路６９は、取り込まれなかった気体試料４９をセンサ装置１の外部に送る流路である。カバー材７１は、例えば、上述した基体５と同じ材料から形成されている。フィルタ７５は、流路内への塵やほこりの侵入を防止している。
第３の流路６９内において、配置している液体排出部１３の第１部材２９は、例えば、０．８３ｍｍ２×２８０ｍｍ（断面積×長さ）の短冊形状を有している。このような第１部材２９は、例えば、第３の流路６９内において折り曲げられて配置されている。第１部材２９は、第３流路内に吸収液膜中の液体を蒸発して乾燥することによって、液体排出部１３の第１部材２９の充填量を低減させることができる。
気流発生装置７９は、例えばファンである。気流発生装置７９は、第１の流路６５から、第２の流路６７を通って、第３の流路６９に向かう気流を発生させる。この気流によって気体試料４９を第１の流路６５内に取り込むことができる。また、この気流によって、第３の流路６９内において、配置されている第１部材２９を乾燥させることができる。気流発生装置７９は、第１の流路６５の吸気口７３に設けられてもよい。
第５の実施形態のセンサ装置１は、上述した構成を備えるため、基体５に配置されたセンサ素子３ａ、３ｂ及び３ｃ上に気体試料４９を効率的に導入することができる。このため、センサ装置１に導入される気体試料４９が低濃度であっても、センサ素子３ａ、３ｂ及び３ｃによって検出できるため、標的物質５１を高精度に検出できる。
従って、第５の実施形態のセンサ装置は、第２の実施形態のセンサ装置と同様な作用、効果を奏するとともに、上述した構成を備えるため、標的物質をさらに高精度に検出することができる。
本発明のい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、その他の種々の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］
センサ素子上に液体を供給して、液膜を形成する液体供給部と、
前記液膜中の液体を排出する液体排出部と
を備える液膜維持装置。
［２］
前記センサ素子は、感応膜を備え、
前記液体供給部は、前記センサ素子の前記感応膜上に前記液膜を形成する［１］に記載の液膜維持装置。
［３］
前記液体供給部は、液体を収容する第１の容器と、一端が前記第１の容器内に収容された液体に接触し、他端が前記センサ素子上に配置された細管とを備え、前記細管による毛細管現象を利用して、前記センサ素子上に液体を供給する［１］又は［２］に記載の液膜維持装置。
［４］
前記液体排出部は、前記液膜から排出された液体を回収する空間と、一端が前記空間内に配置され、他端が前記センサ素子上に配置された第１部材を備え、前記第１部材によって、前記液膜中の液体を排出する［１］～［３］のいずれか１項に記載の液膜維持装置。
［５］
前記第１部材は、前記液体供給部と、前記センサ素子とを結ぶ線上に配置される［４］に記載の液膜維持装置。
［６］
前記液体供給部は、前記センサ素子上への液体の供給流量を調節するポンプをさらに備える［１］～［５］のいずれか１項に記載の液膜維持装置。
［７］
前記ポンプは、前記液体排出部の前記液膜中の液体の排出速度よりも小さい供給流量に設定される［６］に記載の液膜維持装置。
［８］
前記液体供給部は、前記液膜中の液体の流れを制御する流動制御部をさらに備える［１］～［７］のいずれか１項に記載の液膜維持装置。
［９］
前記流動制御部は、前記液体供給部から供給された液体の拡がりを抑制する［８］に記載の液膜維持装置。
［１０］
前記流動制御部には、前記液体供給部から供給された液体を保持する保水材が配置されている［８］又は［９］に記載の液膜維持装置。
［１１］
前記保水材は、前記液体排出部と、前記センサ素子とを結ぶ線上に配置される［１０］に記載の液膜維持装置。
［１２］
前記液体排出部の第１部材は、前記液体供給部に向かって突出する突出部を備える［４］～［１１］のいずれか１項に記載の液膜維持装置。
［１３］
センサ素子と、
［１］～［１２］のいずれか１項に記載の液膜維持装置と
を備えるセンサ装置。
［１４］
前記センサ素子は、前記液体供給部と前記液体排出部との間に配置されている［１３］に記載のセンサ装置。
［１５］
前記センサ素子上には、前記液膜中の液体を保持する保水層が設けられている［１３］又は［１４］に記載のセンサ装置。
［１６］
気体試料を取り込む第１の流路と、
前記気体試料を前記センサ素子上に導入する第２の流路と、
前記気体試料をセンサ装置の外部に送る第３の流路と
をさらに備え、
前記第１の流路、前記第２の流路、及び前記第３の流路は連通している［１３］～［１５］のいずれか１項に記載のセンサ装置。
［１７］
前記第１の流路から、前記第２の流路を通過して、前記第３の流路へ向かう気流を発生させる気流発生装置をさらに備える［１６］に記載のセンサ装置。
［１８］
前記液体排出部の第１部材の一部が、前記第３の流路内に配置されている［１６］又は［１７］に記載のセンサ装置。
［１９］
前記センサ素子は、感応膜と、前記感応膜上に接続された生体物質とを備え、
前記生体物質は、気体試料中の標的物質と結合する［１３］～［１８］のいずれか１項に記載のセンサ装置。
［２０］
前記感応膜は、グラフェン膜であり、
前記グラフェン膜は、π－π相互作用により生体物質を接続している［１９］に記載のセンサ装置。
［２１］
前記センサ素子は、グラフェンＦＥＴ、カーボンナノチューブＦＥＴ、イオン感応性、ＳＰＲ、又はＳＡＷのいずれかである［１３］～［２０］のいずれか１項に記載のセンサ装置。
１…センサ装置
３ａ、３ｂ、３ｃ…センサ素子
７…液膜維持装置
１１…液体供給部
１３…液体排出部

Claims (20)

  1. センサ素子上に液体を供給して、液膜を形成する液体供給部と、
    前記液膜中の液体を排出する液体排出部とを備え、
    前記液体供給部は、前記液膜中の液体の流れを制御する流動制御部をさらに備える液膜維持装置。
  2. 前記センサ素子は、感応膜を備え、
    前記液体供給部は、前記センサ素子の前記感応膜上に前記液膜を形成する請求項１に記載の液膜維持装置。
  3. 前記液体供給部は、液体を収容する第１の容器と、一端が前記第１の容器内に収容された液体に接触し、他端が前記センサ素子上に配置された細管とを備え、前記細管による毛細管現象を利用して、前記センサ素子上に液体を供給する請求項１又は２に記載の液膜維持装置。
  4. 前記液体排出部は、前記液膜から排出された液体を回収する空間と、一端が前記空間内に配置され、他端が前記センサ素子上に配置された第１部材を備え、前記第１部材によって、前記液膜中の液体を排出する請求項１～３のいずれか１項に記載の液膜維持装置。
  5. 前記第１部材は、前記液体供給部と、前記センサ素子とを結ぶ線上に配置される請求項４に記載の液膜維持装置。
  6. 前記液体供給部は、前記センサ素子上への液体の供給流量を調節するポンプをさらに備える請求項１～５のいずれか１項に記載の液膜維持装置。
  7. 前記ポンプは、前記液体排出部の前記液膜中の液体の排出速度よりも小さい供給流量に設定される請求項６に記載の液膜維持装置。
  8. 前記流動制御部は、前記液体供給部から供給された液体の拡がりを抑制する請求項１に記載の液膜維持装置。
  9. 前記流動制御部には、前記液体供給部から供給された液体を保持する保水材が配置されている請求項１又は８に記載の液膜維持装置。
  10. 前記保水材は、前記液体排出部と、前記センサ素子とを結ぶ線上に配置される請求項９に記載の液膜維持装置。
  11. 前記液体排出部の第１部材は、前記液体供給部に向かって突出する突出部を備える請求項４～１０のいずれか１項に記載の液膜維持装置。
  12. センサ素子と、
    請求項１～１１のいずれか１項に記載の液膜維持装置と
    を備えるセンサ装置。
  13. 前記センサ素子は、前記液体供給部と前記液体排出部との間に配置されている請求項１２に記載のセンサ装置。
  14. 前記センサ素子上には、前記液膜中の液体を保持する保水層が設けられている請求項１２又は１３に記載のセンサ装置。
  15. 気体試料を取り込む第１の流路と、
    前記気体試料を前記センサ素子上に導入する第２の流路と、
    前記気体試料をセンサ装置の外部に送る第３の流路と
    をさらに備え、
    前記第１の流路、前記第２の流路、及び前記第３の流路は連通している請求項１２～１４のいずれか１項に記載のセンサ装置。
  16. 前記第１の流路から、前記第２の流路を通過して、前記第３の流路へ向かう気流を発生させる気流発生装置をさらに備える請求項１５に記載のセンサ装置。
  17. 前記液体排出部の第１部材の一部が、前記第３の流路内に配置されている請求項１５又は１６に記載のセンサ装置。
  18. 前記センサ素子は、感応膜と、前記感応膜上に接続された生体物質とを備え、
    前記生体物質は、気体試料中の標的物質と結合する請求項１２～１７のいずれか１項に記載のセンサ装置。
  19. 前記感応膜は、グラフェン膜であり、
    前記グラフェン膜は、π－π相互作用により生体物質を接続している請求項１８に記載のセンサ装置。
  20. 前記センサ素子は、グラフェンＦＥＴ、カーボンナノチューブＦＥＴ、イオン感応性、
    ＳＰＲ、又はＳＡＷのいずれかである請求項１２～１９のいずれか１項に記載のセンサ装置。
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