JP7219286B2 - ナノ多孔性材料を含むセンサ及びそのセンサを使用して検体を検出するための方法 - Google Patents
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Description
RA=ΔR/a1;(式1)
ここでは、曝露前は、Aの濃度はゼロであったと想定されている。より一般的には、式(1)のa1は、Δaで置き換えることができ、ここでΔaは、例えばa1からa2へのaの濃度の変化を意味する。式(1)は、線形応答の特殊なケースを表している。より一般的には、応答性Rは濃度の関数であり、開始濃度に応じて変化する。特性は、(i)ファイバを異なる材料でエンドコーティングすることによって達成され、それぞれのコーティング(反応膜)は、化学物質によって反応が異なる。さらに、(ii)異なる材料の堆積による各コーティングは、同じ化学物質に曝されたときに異なる反応を示す。簡単に言えば、2つの物質A及びBにそれぞれ濃度a1及びb1で曝された、2つの異なるコーティングが施されたファイバF1及びF2を考えると、
R(F1)=ΔR(F1、a1)/a1+ΔR(F1、b1)/b1)
R(F2)=ΔR(F2、a1)/a1+ΔR(F2、b1)/b1)(式2)
であり、ΔR(F1、a1)は、濃度a1の物質Aに曝されたときのファイバ1の反射率の変化であり、2つの応答性の測定から、式(1)で定義された個々の純粋な物質に対する個々のファイバの応答性が分かっているので、2つの(未知の)濃度a1及びb1を決定できる。明らかに、このスキームは任意の数のファイバ及び物質に一般化でき、応答が濃度の複雑な非線形関数になる場合、決定を行うために高度な数値手法が必要になる場合がある。検知された物質(「検体」と呼ばれることもある)が反射率を変更する正確な方法については、後で説明する(式5及び式6)。
V=κPR(式3)
ここで、κは測定セットアップのオプトエレクトロニックパラメータに依存する比例定数である。反射係数Rは、入射パワーと反射パワーの比として定義される。
R=PR/PI、(式4)
入射パワーPIは、別のフォトダイオードで測定できる(図1を参照)。Rは、ファイバパラメータ、つまり、コーティングされていないファイバのみに依存する材料特性である。
R13=[(n1-n3)/(n1+n3)]2(式5)
ここで、n1とn3は、それぞれモノファイバ導波路(下付き文字1で示される)とその端を囲む媒体(下付き文字3で示される)の屈折率である。したがって、媒体の屈折率が突然変化した場合(例えば、検体の進入により)、反射率が変化する(図3を参照)。
R123=[(n3 2+n2 2)(n2 2+n1 2)-4n3n2 2n1+(n3 2-n2 2)(n2 2-n1 2)cos2β]/[(n3 2+n2 2)(n2 2+n1 2)+4n3n2 2n1+(n3 2-n2 2)(n2 2-n1 2)cos2β] (式6)
ここで、n2は反応膜の屈折率であり、
β=2πn2d2/λ(式7)
ここで、d2は反応膜の厚さ、λは光源から放出される波長である。図2a、図2b、図2cは、デバイスの感度(応答性)を最大化するために、反応膜の厚さを調整する方法を示している。式(6)及び式(7)から、n2とd2に異なる変化を生じさせる、検体の異なる濃度に対する応答の感度は、システムの材料特性、特に反応膜の屈折率と厚さによって決まることが分かる。
n2=nporeθ+nmater(1-θ)(式8)
ここで、nporeは、最初は空気で満たされた細孔の屈折率であり、nmaterは、モノリシックフォームのナノ多孔性材料の屈折率である(つまり、細孔がない)。これは、材料の正確な構造及び組成が既知である場合にはおそらく計算によって、それ以外の場合は測定によって、既知であると想定される。汚染物質、つまり検体が空気中に存在する場合、細孔内の純粋な空気は、検体を含む空気によって置き換えられる。検体を含む空気は、純粋な空気とは屈折率が異なるため、n2が式(8)によって変化する。好ましくは、ナノ多孔性材料に対する検体の親和性は、ナノ多孔性材料に対する空気の親和性を超え、その結果、空気が細孔から追い出される。細孔材料に対する検体の熱力学的親和性を含む十分な情報が利用可能ないくつかの場合において、任意の所与の外部検体濃度に対する細孔内の検体の濃度を計算することができる。これが可能かどうかにかかわらず、検体の濃度によるn2の変化は、式6、式7、及び式8を介して経験的に決定できる。これには、d2も必要である。コーティング手順が十分に理解及び制御されている場合、d2は手順のパラメータによって決定される。他の場合には、それは、超顕微鏡法(例えば、走査型電子顕微鏡法又は原子間力顕微鏡法)を使用して、又は任意の他の好都合な方法によって独立して測定され得る。
npore=nairxair+nanalytexanalyte(式9)
ここで、xはモル分率を表し、合計が1になるため、この場合はxair=1-xanalyteである。nairとnanalyteの両方が既知であるため、測定の目的であるxanalyteを見つけることができる。
dR123/da≒(∂R123/∂n2)(dn2/da)+(∂R123/∂d2)(dd2/da)(式10)
Claims (21)
- 検体の検出に使用するためのセンサであって、
モノファイバ導波路と、前記モノファイバ導波路の遠位端に配置されたナノ多孔性材料を含む反応膜とを備え、
前記センサは、前記ナノ多孔性材料が金属有機骨格を含み、前記モノファイバ導波路の前記遠位端を前記骨格の金属部分及び有機部分の溶液に浸漬させて前記モノファイバ導波路の前記遠位端で前記金属有機骨格を合成することを含む方法によって製造されており、
使用時において、前記検体は、前記反応膜のナノ多孔性材料の最外表面、前記反応膜のナノ多孔性材料の内部表面、及び前記反応膜のナノ多孔性材料の全体積と同時に反応する、センサ。 - 前記モノファイバ導波路がシングルモードのモノファイバ導波路である、請求項1に記載のセンサ。
- 前記ナノ多孔性材料が、直径100nm未満である細孔;無機ナノ多孔性材料;ゼオライト;ポリマー;架橋ポリマー;固有微多孔性ポリマー;ナノ多孔性ゾル-ゲル;およびハイブリッド無機有機材料、のうちの1つ以上を含む、請求項1又は2に記載のセンサ。
- 前記ナノ多孔性材料が、ハイブリッド無機有機材料を含み、かつ金属有機骨格である、請求項1に記載のセンサ。
- 前記ナノ多孔性材料が、結晶性若しくは多結晶性又はアモルファスである;1000nm未満の平均粒子サイズを有する複数のナノ物体として提供される;200nm未満の平均粒子サイズを有する複数のナノ物体として提供される;80nm未満の平均粒子サイズを有する複数のナノ物体として提供される;および可撓性ナノ多孔性材料である、のうちの1つ以上である、請求項1~4のいずれか一項に記載のセンサ。
- 前記ナノ多孔性材料が、可撓性ナノ多孔性材料であり、かつ10GPa未満又は1GPa未満のヤング率を有する、請求項1に記載のセンサ。
- 前記ナノ多孔性材料が可撓性ナノ多孔性材料であり、前記可撓性ナノ多孔性材料が単位格子を含み、前記検体による前記ナノ多孔性材料への進入時における前記単位格子の寸法が少なくとも2%変化する、請求項1~6のいずれか一項に記載のセンサ。
- 前記ナノ多孔性材料が可撓性ナノ多孔性材料であり、前記可撓性ナノ多孔性材料が細孔を含み、前記検体による前記ナノ多孔性材料への進入時における前記細孔の体積が少なくとも10%増加する、請求項1~7のいずれか一項に記載のセンサ。
- 媒体中の検体を検出するための装置であって、
使用時に、前記反応膜と前記媒体との間の界面での反射と干渉する前記モノファイバ導波路と前記反応膜との間の界面での反射により、前記検体の存在を表す干渉パターンが生成されるように前記媒体と接触して配置される請求項1~8のいずれか一項に記載のセンサを備える、装置。 - 入力チャネル、出力チャネル及び共通チャネルを有するサーキュレータ又はYスプリッタを備え、前記入力チャネルは、前記媒体との前記界面から反射される入力信号を前記共通チャネルに提供し、前記共通チャネルを介して前記出力チャネルに出力信号を提供する、請求項9に記載の装置。
- 前記入力信号は、1つ又はそれ以上の放射線源によって提供され、前記1つ又はそれ以上の放射線源は、可視光又は赤外線を提供するように構成される、請求項10に記載の装置。
- 前記放射線源のコヒーレンス長が、前記反応膜の厚さよりも大きい、請求項11に記載の装置。
- 前記出力信号が放射線検出器に提供される、請求項10~12のいずれか一項に記載の装置。
- 請求項1~8のいずれか一項に記載のさらなるセンサを含む、請求項9~13のいずれか一項に記載の装置であって、各センサの前記ナノ多孔性材料が異なる、装置。
- センサの製造方法であって、
前記センサは、モノファイバ導波路と、前記モノファイバ導波路の遠位端に配置されたナノ多孔性材料を含む反応膜とを備え、
前記ナノ多孔性材料が金属有機骨格を含み、前記方法は、前記モノファイバ導波路の前記遠位端を前記骨格の金属部分及び有機部分の溶液に浸漬させて前記モノファイバ導波路の前記遠位端で前記金属有機骨格を合成することを含み、
使用時において、検体は、前記反応膜のナノ多孔性材料の最外表面、前記反応膜のナノ多孔性材料の内部表面、及び前記反応膜のナノ多孔性材料の全体積と同時に反応する、センサの製造方法。 - 請求項15に記載の方法であって、
前記ナノ多孔性材料が可撓性金属有機骨格を含み、前記可撓性金属有機骨格が金属部分及び有機部分を含み、前記製造方法が、
前記モノファイバ導波路の前記遠位端を前記金属部分を含む溶液に浸漬させ、任意で前記遠位端をすすぐか、又は前記金属部分を含む前記溶液の溶媒を蒸発させることと、
前記モノファイバ導波路の前記遠位端を前記有機部分を含む溶液に浸漬させ、任意で前記遠位端をすすぐか、又は前記有機部分を含む前記溶液の溶媒を蒸発させることと、を含む、製造方法。 - 浸漬の前に、前記モノファイバ導波路の前記遠位端をポリイオンと接触させる、請求項16に記載の製造方法。
- 最初の浸漬の前に、前記モノファイバ導波路の前記遠位端を、自己組織化が可能でありかつ前記骨格の前記金属部分との結合に適切である機能性を有する単層の溶解前駆体と接触させ、前記前駆体が自己組織化して前記単層を形成できるようにする、請求項16または17に記載の製造方法。
- 媒体中の検体を検出する方法であって、
請求項1~8のいずれか一項に記載のセンサを提供することと、前記センサを媒体と接触させて配置することと、前記モノファイバ導波路に放射線を提供して、前記モノファイバ導波路と前記反応膜との間の界面及び前記反応膜と前記媒体との間の界面における反射による干渉パターンを生成することと、前記干渉パターンを使用して前記媒体中の前記検体の存在を検出又は定量化することと、を含む方法。 - 媒体中の検体の濃度を定量する方法であって、
(i)請求項1~8のいずれか一項に記載のセンサと、前記検体に対する応答性を有するナノ多孔性材料を含む反応膜とを提供することと、
(ii)前記モノファイバ導波路に放射線を提供し、第1の反射放射線を測定することと、
(iii)前記センサを前記検体含有媒体と接触させて配置し、第2の反射放射線を測定することと、
(iv)前記第1の反射放射線と前記第2の反射放射線との間の差を判定し、前記応答性に基づいて、前記差から前記検体の濃度を計算することと、を含む方法。 - 媒体中の複数の検体の濃度が、いくつかのセンサを同時に使用することによって定量化される、請求項20に記載の方法。
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