WO2016132738A1 - 検出セルおよびこれを用いたセンサ装置 - Google Patents

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WO2016132738A1
WO2016132738A1 PCT/JP2016/000816 JP2016000816W WO2016132738A1 WO 2016132738 A1 WO2016132738 A1 WO 2016132738A1 JP 2016000816 W JP2016000816 W JP 2016000816W WO 2016132738 A1 WO2016132738 A1 WO 2016132738A1
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WO
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cholesteric liquid
liquid crystal
detection cell
chemical substance
detection
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PCT/JP2016/000816
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English (en)
French (fr)
Inventor
岡　弘章
悠介 中野
Original Assignee
パナソニックＩｐマネジメント株式会社
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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12M—APPARATUS FOR ENZYMOLOGY OR MICROBIOLOGY; APPARATUS FOR CULTURING MICROORGANISMS FOR PRODUCING BIOMASS, FOR GROWING CELLS OR FOR OBTAINING FERMENTATION OR METABOLIC PRODUCTS, i.e. BIOREACTORS OR FERMENTERS
    • C12M1/00—Apparatus for enzymology or microbiology
    • C12M1/34—Measuring or testing with condition measuring or sensing means, e.g. colony counters
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/75—Systems in which material is subjected to a chemical reaction, the progress or the result of the reaction being investigated
    • G01N21/77—Systems in which material is subjected to a chemical reaction, the progress or the result of the reaction being investigated by observing the effect on a chemical indicator
    • G01N21/78—Systems in which material is subjected to a chemical reaction, the progress or the result of the reaction being investigated by observing the effect on a chemical indicator producing a change of colour
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N33/00—Investigating or analysing materials by specific methods not covered by groups G01N1/00 - G01N31/00
    • G01N33/48—Biological material, e.g. blood, urine; Haemocytometers
    • G01N33/50—Chemical analysis of biological material, e.g. blood, urine; Testing involving biospecific ligand binding methods; Immunological testing
    • G01N33/53—Immunoassay; Biospecific binding assay; Materials therefor
    • G01N33/543—Immunoassay; Biospecific binding assay; Materials therefor with an insoluble carrier for immobilising immunochemicals
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N37/00—Details not covered by any other group of this subclass

Definitions

  • the present invention relates to a detection cell for detecting a chemical substance and a sensor device using the same.
  • Biosensors using cholesteric liquid crystal molecules are known as biosensors for detecting test substances such as proteins.
  • the conventional biosensor disclosed in Patent Document 1 includes a receptor component that specifically binds to a test substance and a cholesteric liquid crystal having a cholesteryl group.
  • the color tone of the cholesteric liquid crystal changes when the test substance binds to the receptor component.
  • the biosensor detects a test substance by changing the color tone of the cholesteric liquid crystal.
  • a detection cell for detecting a chemical substance includes a substrate having a plurality of compartments and a plurality of cholesteric liquid crystals respectively disposed in the plurality of compartments.
  • a color change caused by a chemical substance of one cholesteric liquid crystal disposed in one of the plurality of cholesteric liquid crystals is changed in another of the plurality of cholesteric liquid crystals. This is different from the color change caused by another cholesteric liquid crystal chemical that is arranged.
  • This detection cell can accurately detect chemical substances contained in the sample.
  • FIG. 1 is a perspective view of a detection cell in the embodiment.
  • 2 is a cross-sectional view of the detection cell shown in FIG. 1 taken along line II-II.
  • FIG. 3 is a cross-sectional view showing Modification Example 3 of the detection cell in the embodiment.
  • FIG. 4 is a block diagram of the sensor device according to the embodiment.
  • FIG. 1 is a perspective view schematically showing a detection cell 10 in the embodiment.
  • the detection cell 10 is used for detection of chemical substances contained in the sample.
  • the sample is, for example, a gas such as exhaled gas or a liquid such as blood or urine.
  • the chemical substance is, for example, a volatile organic compound.
  • the detection cell 10 includes a substrate 4 having a plurality of compartments 3 and a plurality of cholesteric liquid crystals 13 respectively disposed in the plurality of compartments 3.
  • the cholesteric liquid crystal 13 is changed in color tone by a chemical substance.
  • the color change caused by the chemical substance of one cholesteric liquid crystal arranged in one of the plurality of sections 3 among the plurality of cholesteric liquid crystals 13 is different from that of the plurality of sections 3 in the plurality of cholesteric liquid crystals 13. This is different from the color change caused by the cholesteric liquid crystal chemicals in the compartments.
  • the combination of the sections in which the color tone changes among the plurality of sections 3 of the detection cell 10 differs depending on the characteristics and type of the chemical substance. Therefore, the chemical substance contained in the sample can be detected with high accuracy by examining the combination of sections whose color tone has changed. In addition, even when a plurality of chemical substances are included in the sample, the plurality of chemical substances in the sample can be identified from the combination of sections whose color tone has changed. In the case of detecting a plurality of chemical substances, the section whose color tone changes is a combination of a plurality of sections whose color tone changes according to each chemical substance.
  • the cholesteric liquid crystal 13 is a liquid crystal having a spiral structure.
  • the helical structure is changed by adsorbing a chemical substance to the cholesteric liquid crystal 13.
  • a change in the helical structure is visually detected as a change in the color tone of the cholesteric liquid crystal 13.
  • the adsorption of the chemical substance includes, for example, a chemical bond between the cholesteric liquid crystal 13 and the chemical substance, an electrostatic bond, a bond by intermolecular force, and a hydrogen bond.
  • the factor causing the color change of the cholesteric liquid crystal 13 is not limited to adsorption of chemical substances.
  • the color change of the cholesteric liquid crystal 13 also occurs due to mechanical deformation or temperature change.
  • Color tone is a hue determined by hue, brightness, or saturation.
  • the color tone includes achromatic colors such as white and black, colors having different shades even with a single color, and transparent colors. Gray and colorless and transparent colors are also included. Even if it is a single color, it is defined that the color tone is different when the shade is different.
  • detection of chemical substances means detection of the composition or characteristics of chemical substances.
  • the characteristic of a chemical substance refers to, for example, a structure or reactive group that characterizes the behavior and reactivity of the chemical substance.
  • Detection of a chemical substance includes detection of the presence or absence of a chemical substance contained in a sample and identification of the type of chemical substance.
  • the detection cell 10 has a plurality of sections 3 including a section 1 and a section 2.
  • the plurality of sections 3 are arranged in a matrix on the substrate 4.
  • the number of sections is not particularly limited as long as it is plural.
  • a plurality of cholesteric liquid crystals 13 are respectively provided in the plurality of sections 3. And each of the some division 3 has different reactivity with respect to a chemical substance.
  • the different reactivity means that the change in the color tone of the cholesteric liquid crystal 13 caused by contact with the chemical substance is different. That is, the plurality of sections 3 that have come into contact with the chemical substance exhibit color tone changes that are different color tone changes in the respective sections.
  • the cholesteric liquid crystals 11 and 12 of the plurality of cholesteric liquid crystals 13 are respectively arranged in the sections 1 and 2.
  • cholesteric liquid crystal 13 examples include cholesterol benzoate, cholesterol pelargonate, cholesterol oleyl carbonate, and the like.
  • the cholesteric liquid crystal 13 may include a cholesteric liquid crystal polymer.
  • the cholesteric liquid crystal 13 includes a molecular recognition component that reacts with a chemical substance.
  • the molecular recognition component is bonded to, for example, a cholesteryl group of a cholesteric liquid crystal molecule.
  • the molecular recognition component contained in the cholesteric liquid crystal 11 arranged in the compartment 1 is different from the molecular recognition component contained in the cholesteric liquid crystal 12 arranged in the compartment 2.
  • the detection cell 10 can detect a chemical substance using the pattern of the some division from which the color tone changed by contact of the chemical substance.
  • the molecular recognition components contained in the cholesteric liquid crystal 13 (11, 12) are siloxane compounds such as dimethylpolysiloxane, diphenyldimethylpolysiloxane, cyanopropylsiloxane, and trifluoropropylmethylsiloxane, polyethylene glycol, peptides, odor-accepting proteins, and odors. It can be selected from the group consisting of molecular receptor domains of receptor proteins, aptamers, peptide nucleic acids (PNA) and deoxyribonucleic acid (DNA) fragments.
  • PNA peptide nucleic acids
  • DNA deoxyribonucleic acid
  • the molecular recognition component By selecting the molecular recognition component from these groups, for example, the characteristics of a specific chemical substance such as a volatile organic molecule can be detected for each molecular recognition component.
  • the molecular recognition component may include a metal organic structure, thereby having an effect of increasing the selectivity of the chemical substance with respect to the functional group.
  • the molecular recognition component may be dispersed in the cholesteric liquid crystal 13 (11, 12).
  • the plurality of cholesteric liquid crystals 13 may contain the same type of molecular recognition components at different contents.
  • the binding amount of the chemical substance changes in each compartment. Therefore, the cholesteric liquid crystal 11 in the section 1 and the cholesteric liquid crystal 12 in the section 2 show different color tone changes.
  • a threshold value of a concentration at which a chemical substance can be detected can be set.
  • the concentration of the chemical substance can be detected.
  • the detection cell 10 has a temperature detection section 5.
  • the cholesteric liquid crystal 13 has a property of changing the color tone in a predetermined temperature range. Therefore, the color tone of the cholesteric liquid crystal 13 may change with respect to a change in temperature in the plurality of sections 3 rather than the influence of a chemical substance.
  • the color tone change in the plurality of sections 3 is a color tone change excluding the influence of the temperature change.
  • the detection cell 10 corrects the change in the color tone of the plurality of sections 3 using the change in the color tone detected in the temperature detection section 5, thereby detecting the change in the color tone caused by the influence of the chemical substance by eliminating the influence of the temperature. can do.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view taken along line II-II of the detection cell 10 shown in FIG.
  • a cholesteric liquid crystal 15 is disposed in the temperature detection section 5.
  • the temperature detection section 5 is a section that is not affected by chemical substances.
  • the temperature detection section 5 is covered with a protective layer 15a serving as a cover.
  • the protective layer 15a may be a surface treatment applied to the cholesteric liquid crystal 15. By performing the surface treatment, it is possible to prevent the chemical substance from adsorbing to the cholesteric liquid crystal 15.
  • the temperature detection section 5 can detect the color tone change of the cholesteric liquid crystal 15 due to the influence of the temperature change by eliminating the influence of the chemical substance.
  • the temperature range in which the color change of the cholesteric liquid crystal 15 occurs can be adjusted by an additive added to the cholesteric liquid crystal 15.
  • the detection cell 10 has a reference color tone section 6 whose color tone is not changed by a chemical substance.
  • a cholesteric liquid crystal 16 is disposed in the reference color tone section 6.
  • the color tone in the plurality of sections 3 where the color tone changes is compared with the color tone of the reference color section 6. Thereby, the dispersion
  • the reference color tone section 6 it is preferable that the first color tone of the plurality of sections 3 is substantially the same as the color tone of the reference color tone section 6. Thereby, the color tone of the reference color tone section 6 and the color tones of the plurality of sections 3 can be simply compared.
  • Modification 1 Next, Modification 1 of the plurality of sections 3 of the detection cell 10 will be described using the sections 1 and 2.
  • an additive is added to the cholesteric liquid crystal 13 arranged in the plurality of sections 3.
  • the amount of the chemical substance adsorbed on the cholesteric liquid crystal 13 can be changed.
  • the additive added to the cholesteric liquid crystal 11 arranged in the section 1 is different from the additive added to the cholesteric liquid crystal 12 arranged in the section 2.
  • the cholesteric liquid crystals 13 (11, 12) for the same chemical substance in the respective sections 1 and 2 are used.
  • Color tone change can be made different.
  • the cholesteric liquid crystals 11 and 12 respectively disposed in the sections 1 and 2 may contain the same additive at different contents.
  • the adsorption amount of the chemical substance is changed in each of the compartments 1 and 2. Therefore, the cholesteric liquid crystal 11 in the section 1 and the cholesteric liquid crystal 12 in the section 2 show different color tone changes.
  • a threshold value of a concentration at which a chemical substance can be detected can be set.
  • the threshold that is the lower limit of the concentration of the chemical substance that causes the color change in the cholesteric liquid crystal 12 is set higher than the threshold that is the lower limit of the concentration of the chemical substance that causes the change in color tone in the cholesteric liquid crystal 11.
  • the concentration of the chemical substance is not less than the threshold value of the cholesteric liquid crystal 11 and less than the threshold value of the cholesteric liquid crystal 12.
  • the additive may be a material that changes the physical properties of the cholesteric liquid crystal 13.
  • the additive may be some polymer compound or thickener.
  • the chemical stability of the cholesteric liquid crystal 13 can be enhanced by adding certain additives. Thereby, modification
  • the additive may be a surface treatment agent applied to the plurality of cholesteric liquid crystals 13 respectively disposed in the plurality of sections 3.
  • a difference occurs in the degree of adsorption of chemical substances in the plurality of compartments 3.
  • a different color tone change can be produced by contact with a chemical substance.
  • Modification 2 Next, Modification 2 of the plurality of sections 3 of the detection cell 10 will be described using the sections 1 and 2.
  • the type of the cholesteric liquid crystal 11 disposed in the section 1 is different from the type of the cholesteric liquid crystal 12 disposed in the section 2.
  • Different types of cholesteric liquid crystals 13 exhibit different changes in the helical structure upon contact with the same chemical substance. Therefore, compartment 1 and compartment 2 show different color tone changes for the same chemical substance.
  • cholesteric liquid crystal 13 examples include cholesterol benzoate, cholesterol pelargonate, cholesterol oleyl carbonate, and the like. Different types of cholesteric liquid crystals 13 can be formed by combining these materials or changing the blending ratio. When different types of cholesteric liquid crystal 13 are used, the cholesteric liquid crystal 13 does not need to contain a molecular recognition component or an additive in the plurality of sections 3.
  • FIG. 3 is a cross-sectional view of the detection cell 19 according to Modification 3 of the embodiment.
  • the same reference numerals are assigned to the same parts as those of the detection cell 10 shown in FIGS.
  • the detection cell 19 further includes a protective film 17 that covers the plurality of cholesteric liquid crystals 13 respectively disposed in the plurality of sections 3.
  • the protective film 17 is, for example, a film such as PDMS (Polydimethylsiloxane) having a small hole or polyimide.
  • the size of the small hole in the protective film 17 is smaller than that of the non-detection target other than the chemical substance contained in the sample.
  • Non-detection objects are relatively large molecules such as water, water vapor, and polymers such as proteins contained in the sample. Thereby, the non-detection object cannot pass through the small hole of the protective film 17.
  • the chemical substance that is the detection target is generally smaller than the non-detection target. Therefore, the chemical substance that is the chemical substance detection target can pass through the small hole of the protective film 17. That is, the protective film 17 serves as a filter.
  • the protective film 17 By providing the protective film 17, it is possible to reduce the influence of substances other than the chemical substance that is the detection target on the color tone change of the cholesteric liquid crystal 13, and the detection cell 19 detects the chemical substance more accurately. be able to. Moreover, by providing the protective film 17, it is possible to suppress the deterioration of the detection cell 19 due to contact with the sample.
  • the protective film 17 when the sample is colored, preferably has a protective film 17 having a small hole that does not allow the dye that expresses the color to pass therethrough.
  • the color of the sample becomes noise when photographing the color tone of the cholesteric liquid crystal 13. Therefore, the color tone of the cholesteric liquid crystal becomes difficult to understand, and it may be difficult to detect the chemical substance accurately.
  • the substrate 4 is provided to facilitate handling of the cholesteric liquid crystal 13. Therefore, when the cholesteric liquid crystal 13 is a solid or semi-solid, the substrate 4 may not be provided.
  • the detection cell 10 (19) has a plurality of sections 3 that exhibit different color tone changes with respect to contact of a sample containing a chemical substance.
  • the plurality of sections 3 are formed by the configuration shown in the present embodiment, the first modification, the second modification, and the third modification, or a combination thereof. Therefore, the detection cell 10 (19) can detect the chemical substance using the pattern of the plurality of sections 3 whose color tone is changed by the contact of the chemical substance. Thus, since a chemical substance is detected based on the change in color tone in the plurality of sections 3, the detection cell 10 (19) can suppress the possibility of erroneous detection.
  • FIG. 4 is a block diagram of the sensor device 20 according to the embodiment.
  • the sensor device 20 includes a detection cell 10 (19) for detecting a chemical substance and a detector 30.
  • the detector 30 includes an imaging unit 21 that captures a plurality of sections 3 of the detection cell 10 (19), a storage unit 22 that stores reference data indicating a chemical substance, and detection data that indicates the captured plurality of sections 3 as reference data. And a processing unit 23 for comparison.
  • the detector 30 further includes an output unit 24 that outputs the processed result.
  • the detector 30 further includes a flow path 25 through which a sample 31 containing a chemical substance flows, a pump 26 that sends the sample 31 to the flow path 25, and a valve 27 that traps the sample 31 in the flow path 25.
  • the detection cell 10 (19) is disposed inside the flow path 25.
  • the detector 30 includes a temperature measuring unit 28 that measures the temperature around the detection cell 10 (19), and a temperature control unit 29 that keeps the temperature around the detection cell 10 (19) within a predetermined range. Have.
  • the photographing unit 21 photographs the color tone of the plurality of sections 3 of the detection cell 10 and generates photographing data indicating the photographed color tone.
  • the imaging unit 21 is, for example, a camera provided with an image sensor.
  • the imaging element is a CCD sensor or a CMOS sensor.
  • the photographing operation of the photographing unit 21 is controlled by the control unit.
  • the processing unit 23 may have a function of a control unit.
  • the shooting data is sent to the processing unit 23.
  • the shooting data may be a still image or a moving image. When the shooting data is a still image, the color tone of each of the plurality of sections 3 of the detection cell 10 can be accurately acquired.
  • the shooting data is a moving image
  • the time required to change the color tone of the cholesteric liquid crystal 13 in the plurality of sections 3 varies depending on the type of chemical substance.
  • the difference in change time is caused by, for example, the ease of adsorption of the cholesteric liquid crystal 13 to the chemical substance is different. Therefore, the chemical substance can be detected by the difference in the degree of adsorption in each of the chemical substance compartments 3.
  • a change in the concentration of the chemical substance contained in the sample 31 can be detected by using a moving image.
  • the photographing unit 21 can photograph the plurality of sections 3 of the detection cell 10 as one image. Accordingly, the processing unit 23 can compare the photographic data with the reference data without performing processing such as conversion and synthesis of the photographic data.
  • the imaging unit 21 may image the detection cell 10 from either the upper side or the lower side.
  • the detection cell 19 is preferably photographed from the side where the protective film 17 is not provided.
  • the pigment contained in the sample 31 is removed by the protective film 17. Therefore, by taking an image from below the detection cell 19, that is, from the side where the protective film 17 is not provided, it is possible to reduce the influence of the dye from the imaging data. Thereby, the color tone change of the cholesteric liquid crystal 13 can be detected more clearly.
  • the substrate 4 is preferably a colorless and transparent material.
  • the processing unit 23 detects the chemical substance by comparing the detection data indicating the plurality of sections 3 with the reference data indicating the chemical substance.
  • the processing unit 23 is configured by an integrated circuit, for example.
  • the processing unit 23 has an algorithm for recognizing shooting data as a two-dimensional pattern and extracting pattern features.
  • the detection data is generated by processing the photographing data using an algorithm. Specifically, the processing unit 23 generates detection data by digitizing a change in color tone in each of the plurality of sections 3 in the photographing data. Thereafter, the chemical substance is detected by comparing the generated detection data with the reference data. In this manner, by using the pattern of the plurality of sections 3 whose color tone has changed, it is possible to detect chemical substances objectively and quickly.
  • the photographing data may be used as detection data.
  • the storage unit 22 stores reference data for comparison with detection data.
  • the reference data is a kind of detection data generated from image data acquired by bringing a sample containing a known chemical substance into contact with the detection cell 10.
  • the reference data may be representative image data indicating the color tone of the detection cell 10. Further, the reference data may be numerical data obtained by digitizing each color tone of the plurality of sections 3.
  • the reference data further includes information such as a temporal change in color tone generated from the moving image.
  • the reference data is acquired by machine learning, for example.
  • a plurality of imaging data of the detection cell 10 brought into contact with a known chemical substance is acquired.
  • the processing unit 23 analyzes the acquired plurality of photographing data, and stores the color change of the plurality of sections 3 associated with the known chemical substance in the storage unit 22 as reference data.
  • the reference data is, for example, image data representing the average color tone of a plurality of images in a plurality of sections 3.
  • the processing unit 23 has a machine learning function. As described above, the reference data can be automatically generated by providing the processing unit 23 with a plurality of pieces of photographing data representing known chemical substances.
  • the storage unit 22 may store the detection data of the detection cell 10 taken in the past in association with the detected chemical substance.
  • detection data By storing detection data as reference data in this way, a database of reference data for chemical substances can be constructed. Thereby, the color tone of the detection cell 10 photographed in the past can be used as reference data in subsequent detection.
  • the storage unit 22 may be provided in the same housing as the processing unit 23.
  • the storage unit 22 may be a storage medium provided in the processing unit 23.
  • the storage unit 22 may be provided separately from the main body of the detector 30.
  • the storage unit 22 may be provided in a server connected to the detector 30.
  • the storage unit 7 may be provided in the detection cell 10.
  • the detector 30 reads the information of the detection cell 10 from the storage unit 7 of the installed detection cell 10.
  • the information on the detection cell 10 includes, for example, reference data, detection cell identification numbers, information on a plurality of sections 3, information on the cholesteric liquid crystal 13, information on molecular recognition components, and information on additives.
  • various detection cells 10 of different types can be used for the detector 30.
  • the detection cell 10 newly developed in the future can be used as the sensor device 20.
  • the output unit 24 outputs the result processed in the processing unit 23.
  • the output unit 24 is a display device such as a display, a printer, or the like.
  • the result output by the output unit 24 may be a comparison result between the detection data of the detection cell 10 and the reference data, or the name or concentration of the detected chemical substance.
  • the detection cell 10 is disposed in the flow path 25.
  • the wall surface of the flow path 25 in which the detection cell 10 is disposed is made of a colorless and transparent material such as glass. Thereby, the imaging unit 21 can image the detection cell 10 through the wall surface of the flow path 25.
  • a pump 26 is connected to the flow path 25.
  • the pump 26 sends the sample 31 into the flow path 25.
  • the pump 26 is preferably a metering pump that can quantitatively control the flow rate of the sample 31.
  • the operation of the pump 26 is controlled by the control unit in accordance with the photographing timing of the photographing unit 21.
  • the detector 30 further includes a variable mechanism 25 a that can adjust the width of the flow path 25.
  • the variable mechanism 25a includes a driving element such as a motor or an actuator. The operation of the variable mechanism 25a is controlled by the control unit.
  • the variable mechanism 25 a can change the width of the flow path 25 even when the sample 31 is flowing in the flow path 25.
  • the section of the plurality of sections 3 through which the sample 31 can pass can be expanded.
  • the width of the flow path 25 is a direction perpendicular to the direction in which the sample 31 flows in the flow path 25 and is parallel to the surface of the detection cell 10.
  • the plurality of sections 3 are arranged in a matrix shape including a plurality of rows and a plurality of columns.
  • the width of the flow path 25 variable, it is possible to control the rows or columns of a plurality of sections through which the sample 31 can pass among the rows or columns in which the plurality of sections 3 in the detection cell 10 are arranged.
  • the color change time can be made different for each row or column in the plurality of sections 3 of the detection cell 10. Thereby, the concentration of the chemical substance contained in the sample 31 can be detected more accurately.
  • a valve 27 is connected to the flow path 25.
  • the valve 27 has a role of stopping the flow of the sample 31 in the flow path 25 by closing. For example, by closing the valve 27, the sample 31 can be kept in contact with the detection cell 10. Thereby, adsorption
  • an electromagnetic valve can be used as the valve 27. The operation of the valve 27 is controlled by the control unit in accordance with the operations of the photographing unit 21 and the pump 26.
  • the pump 26 is controlled so as to give the sample 31 a pressure necessary for allowing the chemical substance in the sample 31 to pass through the small holes of the protective film 17.
  • the valve 27 is preferably closed. By closing the valve 27, the pressure applied to the sample 31 can be easily controlled.
  • the sensor device 20 can easily handle the sample 31. Moreover, since the flow rate of the sample 31 can be controlled, the detector 30 can accurately detect the concentration of the chemical substance in the sample 31 and the like.
  • the temperature measurement unit 28 measures the detection cell 10 or the temperature around the detection cell 10.
  • the temperature measurement unit 28 is, for example, a thermocouple thermometer.
  • the measured temperature is sent to the processing unit 23.
  • the color tone of the cholesteric liquid crystal 13 may change depending on the temperature. Therefore, it is desirable that the sensor device 20 measures the temperature of the detection cell 10 (19).
  • the measured temperature is used for temperature correction of color tone change in detection of chemical substances.
  • the detector 30 may include a temperature control unit 29 that controls the detection cell 10 (19) or the temperature around the detection cell 10 (19) based on the measured temperature.
  • the temperature control unit 29 is, for example, a heating device or a cooling device.
  • the temperature control unit 29 is controlled by the control unit.
  • the temperature control unit 29 controls the temperature of the detection cell 10 to be a desired temperature based on the measurement result of the temperature measurement unit 28.
  • the influence of the temperature change on the color tone change of the cholesteric liquid crystal 13 can be reduced. Thereby, the detection accuracy of a chemical substance can be improved.
  • processing unit 23 may have a function of a control unit.
  • the sensor device 20 By using the sensor device 20 in the embodiment, it is possible to diagnose a disease or the like.
  • the breath of a person who has developed a specific disease may contain chemical substances related to the disease. Therefore, the disease can be diagnosed by specifying the chemical substance related to the disease using the detection cell 10. In many cases, not only one chemical substance but also a plurality of chemical substances are related to the disease. Since the sensor device 20 can detect a plurality of chemical substances at once by the plurality of compartments 3, it can quickly diagnose a disease. As described above, the sensor device 20 can suppress false detection by diagnosing a disease based on a change in color tone in the plurality of sections 3. Furthermore, the accuracy of disease diagnosis can be improved by using the change in color tone in the plurality of sections 3 of the detection cell 10.
  • the sensor device 20 can diagnose a specific disease even when a chemical substance related to the specific disease is not specified.
  • the detection data of the color change of the detection cell 10 is acquired using a sample collected from a person suffering from a certain kind of disease. By using the acquired detection data as reference data, a disease can be diagnosed even when a chemical substance cannot be identified.
  • a conventional biosensor using one receptor component cannot diagnose a disease unless a chemical substance related to the specific disease is specified.
  • the sensor device 20 it is preferable to use, for example, an average color tone of detection data acquired from a plurality of people suffering from the same disease as reference data used for diagnosing the disease.
  • reference data with a small individual difference can be generated, and highly reliable reference data can be acquired.
  • the reference data includes detection data based on a sick person, and a number indicating a change in color tone that is characteristic of the detection data of the color change of the detection cell 10 obtained using a sample collected from a healthy person. It may be numerical data of the section.
  • the detection of the chemical substance in the embodiment includes the diagnosis of the diseases shown above. This is because the color change in the plurality of compartments 3 that is characteristically observed in a sample collected from a sick person is caused by a chemical substance related to the disease. Therefore, the change in the color tone of the detection cell 10 means detection of a chemical substance related to a disease even when a specific chemical substance is not known.
  • the detection cell 10 is not limited to the cholesteric liquid crystal 13.
  • the liquid crystal arranged in the plurality of compartments may be a liquid crystal whose color tone is changed by a chemical substance.
  • a nematic liquid crystal may be used.
  • the detection cell 10 (19) and the sensor device 20 according to one or a plurality of aspects have been described based on the embodiment, but the present invention is not limited to this embodiment. Unless it deviates from the gist of the present invention, various modifications conceived by those skilled in the art have been made in this embodiment, and forms constructed by combining components in different embodiments are also within the scope of one or more aspects. May be included.
  • the detection cell and sensor device of the present invention are useful for detection of chemical substances in disease diagnosis and the like.

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Abstract

　化学物質を検出する検出セルは、複数の区画を有する基板と、複数の区画内にそれぞれ配置された複数のコレステリック液晶とを備える。複数のコレステレック液晶のうち複数の区画のうちの１つの区画に配置されている１つのコレステリック液晶の化学物質により生じる色調変化は、複数のコレステリック液晶のうち複数の区画のうちの別の区画に配置されている別のコレステリック液晶の化学物質により生じる色調変化とは異なる。この検出セルは、試料に含まれる化学物質を精度良く検出できる。

Description

検出セルおよびこれを用いたセンサ装置
　本発明は、化学物質を検出する検出セルおよびこれを用いたセンサ装置に関する。
　タンパク質等の被検物質を検知するバイオセンサとして、コレステリック液晶分子を用いたバイオセンサが知られている。特許文献１に開示されている従来のバイオセンサは、被検物質に特異的に結合するレセプタ成分と、コレステリル基を有するコレステリック液晶とを備える。コレステリック液晶は、レセプタ成分に被検物質が結合することにより、色調が変化する。バイオセンサは、コレステリック液晶の色調変化により被検物質の検出を行う。
特開２００５－３００４６７号公報
　化学物質を検出する検出セルは、複数の区画を有する基板と、複数の区画内にそれぞれ配置された複数のコレステリック液晶とを備える。複数のコレステレック液晶のうち複数の区画のうちの１つの区画に配置されている１つのコレステリック液晶の化学物質により生じる色調変化は、複数のコレステリック液晶のうち複数の区画のうちの別の区画に配置されている別のコレステリック液晶の化学物質により生じる色調変化とは異なる。
　この検出セルは、試料に含まれる化学物質を精度良く検出できる。
図１は実施の形態における検出セルの斜視図である。 図２は図１に示す検出セルの線ＩＩ－ＩＩにおける断面図である。 図３は実施の形態における検出セルの変形例３を示す断面図である。 図４は実施の形態におけるセンサ装置のブロック図である。
　以下では、実施の形態に係る検出セルおよびセンサ装置について、図面を用いて詳細に説明する。なお、以下に説明する実施の形態は、いずれも本発明の好ましい一具体例を示すものである。したがって、以下の実施の形態で示される数値、形状、材料、構成要素、構成要素の配置および接続形態などは、一例であり、本発明を限定する趣旨ではない。よって、以下の実施の形態における構成要素のうち、独立請求項に記載されていない構成要素については、任意の構成要素として説明される。
　また、各図は、模式図であり、必ずしも厳密に図示されたものではない。各図において、実質的に同一の構造については同一の符号を付しており、重複する説明は省略または簡略化している。
　図１は実施の形態における検出セル１０を模式的に示す斜視図である。
　検出セル１０は、試料中に含まれる化学物質の検出に用いられる。試料とは、例えば、呼気などの気体、または、血液、尿などの液体である。化学物質とは、例えば、揮発性有機化合物などである。
　検出セル１０は、複数の区画３を有する基板４と、複数の区画３内にそれぞれ配置された複数のコレステリック液晶１３とを備える。コレステリック液晶１３は、化学物質により色調変化が生じる。複数のコレステリック液晶１３のうち複数の区画３のうちの１つの区画に配置された１つのコレステリック液晶の化学物質により生じる色調変化は、複数のコレステリック液晶１３のうち複数の区画３のうちの別の区画におけるコレステリック液晶の化学物質により生じる色調変化とは異なる。
　このような構成とすることにより、化学物質の特徴や種類に応じて、検出セル１０の複数の区画３のうち、色調の変化する区画の組み合わせが異なる。そのため、色調の変化した区画の組み合わせを調べることにより、試料に含まれる化学物質を精度良く検出することができる。また、試料中に複数の化学物質が含まれる場合であっても、色調が変化した区画の組み合わせから試料中の複数の化学物質を特定することができる。複数の化学物質を検出する場合は、色調が変化する区画は、それぞれの化学物質により色調が変化する複数の区画の組み合わせである。
　コレステリック液晶１３は螺旋構造を有する液晶である。例えば、コレステリック液晶１３に化学物質が吸着することにより螺旋構造が変化する。このような螺旋構造の変化は、コレステリック液晶１３の色調の変化として視覚的に検出される。化学物質の吸着は、例えば、コレステリック液晶１３と化学物質との化学結合、静電気的結合、分子間力による結合、および、水素結合等を含む。
　コレステリック液晶１３の色調変化が生じる要因は、化学物質の吸着に限られない。例えば、機械的な変形や温度変化等によっても、コレステリック液晶１３の色調変化は生じる。
　色調とは、色相または明度または彩度によって決定される色合いである。色調には、白や黒などの無彩色、単一色であっても濃淡が異なる色、および、透明な色などが含まれる。灰色や無色透明も色調に含まれる。単一色であっても濃淡が異なる場合には色調は異なると定義される。
　なお、化学物質の検出とは、化学物質の組成または特徴の検出を意味する。化学物質の特徴とは、例えば、化学物質の挙動および反応性を特徴づける構造や反応基を指す。化学物質の検出は、試料に含まれる化学物質の有無の検出および化学物質の種類の特定を含む。
　図１に示すように、検出セル１０は、区画１と区画２を含む複数の区画３を有する。複数の区画３は、基板４上にマトリクス状に配置されている。なお、区画の数は、複数であれば特に限定されない。
　複数の区画３には複数のコレステリック液晶１３がそれぞれ設けられている。そして、複数の区画３のそれぞれは、化学物質に対して異なる反応性を有する。ここで、異なる反応性とは、化学物質との接触により生じるコレステリック液晶１３の色調の変化が異なることを意味する。つまり、化学物質と接触した複数の区画３は、それぞれの区画において異なる色調の変化である色調変化を示す。
　次に、化学物質に対して異なる色調変化を示す複数の区画３について、区画１と区画２を用いて説明する。
　区画１および区画２には、複数のコレステリック液晶１３のうちのコレステリック液晶１１、１２がそれぞれ配置されている。
　コレステリック液晶１３としては、例えば、安息香酸コレステロール、ペラルゴン酸コレステロール、コレステロール・オレイル・カルボナートなどがある。なお、コレステリック液晶１３は、コレステリック液晶重合体を含んでもよい。
　また、コレステリック液晶１３は、化学物質と反応する分子認識成分を含む。分子認識成分は、例えば、コレステリック液晶分子のコレステリル基に結合している。
　区画１に配置されるコレステリック液晶１１に含有される分子認識成分は、区画２に配置されるコレステリック液晶１２に含有される分子認識成分と異なる。このように、区画１および区画２に異なる種類の分子認識成分を配置することにより、区画１と区画２とは、同じ化学物質に対して異なる色調変化を示す。これにより、検出セル１０は、化学物質の接触により色調の変化した複数の区画のパターンを用いて、化学物質を検出することができる。
　コレステリック液晶１３（１１、１２）に含まれる分子認識成分は、ジメチルポリシロキサン、ジフェニルジメチルポリシロキサン、シアノプロピルシロキサン、トリフルオロプロピルメチルシロキサンなどのシロキサン系化合物、ポリエチレングリコール、ペプチド、匂い受容蛋白、匂い受容蛋白の分子受容ドメイン、アプタマー、ペプチド核酸（ＰＮＡ）およびデオキシリボ核酸（ＤＮＡ）の断片からなる群から選択することができる。分子認識成分をこれらの群から選択することにより、分子認識成分ごとに、例えば、揮発性有機分子などの特定の化学物質の特徴を検出することができる。また、分子認識成分は、金属有機構造体を含んでもよく、これにより、化学物質の官能基に対する選択性を高める効果を有する。なお、分子認識成分は、コレステリック液晶１３（１１、１２）中に分散して配置されてもよい。
　なお、区画１および区画２において、複数のコレステリック液晶１３は同じ種類の分子認識成分を異なる含有率で含有して配置してもよい。区画１および区画２において、分子認識成分の含有率を変えることにより、それぞれの区画において化学物質の結合量が変化する。そのため、区画１のコレステリック液晶１１と区画２のコレステリック液晶１２とは、異なる色調変化を示す。
　また、分子認識成分の含有率の異なるコレステリック液晶１３が配置されている複数の区画３を設けることにより、化学物質を検出することのできる濃度の閾値を設定することができる。このように、単一の検出セル１０の中に検出閾値の異なる複数の区画３を設けることによって、化学物質の濃度を検出することができる。
　検出セル１０は、温度検出区画５を有する。コレステリック液晶１３は、所定の温度範囲において、色調を変化させる性質を有する。そのため、複数の区画３において、化学物質の影響ではなく、温度の変化に対してコレステリック液晶１３の色調が変化する場合がある。化学物質の検出においては、複数の区画３における色調変化は、温度の変化の影響を除いた色調変化であることが望ましい。検出セル１０は、温度検出区画５で検出した色調の変化を用いて、複数の区画３の色調の変化を補正することにより、温度の影響を排して化学物質の影響により生じる色調変化を検出することができる。
　図２は図１に示す検出セル１０の線ＩＩ－ＩＩにおける断面図である。温度検出区画５にはコレステリック液晶１５が配置されている。温度検出区画５は、化学物質の影響を受けない区画である。例えば、温度検出区画５はカバーとなる保護層１５ａでカバーされている。保護層１５ａを設けることにより、温度検出区画５のコレステリック液晶１５に対する化学物質の吸着を抑制できる。保護層１５ａは、コレステリック液晶１５に施される表面処理であってもよい。表面処理を施すことにより、コレステリック液晶１５に化学物質が吸着することを抑制できる。これにより、温度検出区画５は、化学物質の影響を排除して、温度変化の影響によるコレステリック液晶１５の色調変化を検出できる。なお、コレステリック液晶１５の色調変化が生じる温度範囲は、コレステリック液晶１５に添加される添加物により調整することができる。
　また、検出セル１０は、化学物質によって色調が変化しない基準色調区画６を有する。基準色調区画６には、コレステリック液晶１６が配置されている。色調が変化する複数の区画３における色調は、基準色調区画６の色調と比較される。これにより、光源や周囲の明るさの変動による検知結果のばらつきを低減することができ、これにより、化学物質の検出精度を高めることができる。なお、基準色調区画６を備える場合、複数の区画３の最初の色調は、基準色調区画６の色調と略同一であることが好ましい。これにより、基準色調区画６の色調と複数の区画３の色調とを単純に比較することができる。
　（変形例１）
　次に、検出セル１０の複数の区画３の変形例１について、区画１および区画２を用いて説明する。
　変形例１の検出セル１０では、複数の区画３に配置されるコレステリック液晶１３には、添加物が添加されている。添加物を添加することにより、コレステリック液晶１３に吸着する化学物質の量を変えることができる。
　区画１に配置されるコレステリック液晶１１に添加される添加物は、区画２に配置されるコレステリック液晶１２に添加される添加物と異なる。このように、区画１および区画２にそれぞれ配置されたコレステリック液晶１１、１２に種類の異なる添加物を含有させることにより、それぞれの区画１、２において、同じ化学物質に対するコレステリック液晶１３（１１、１２）の色調変化を異ならせることができる。
　なお、区画１および区画２にそれぞれ配置されているコレステリック液晶１１、１２は同じ添加物を異なる含有率で含有してもよい。区画１および区画２において、添加物の含有率を変えることにより、それぞれの区画１、２において化学物質の吸着量が変化する。そのため、区画１のコレステリック液晶１１と区画２のコレステリック液晶１２とは、異なる色調変化を示す。
　また、コレステリック液晶１３での添加物の含有率の異なる複数の区画３を設けることにより、化学物質を検出することのできる濃度の閾値を設定することができる。例えば、コレステリック液晶１２で色調変化が生じる化学物質の濃度の下限である閾値がコレステリック液晶１１で色調変化が生じる化学物質の濃度の下限である閾値よりも高くする。この場合、コレステリック液晶１１で色調変化を生じかつコレステリック液晶１２で色調変化が生じなければ、化学物質の濃度はコレステリック液晶１１の閾値以上かつコレステリック液晶１２の閾値未満であることを検出することができる。このように、単一の検出セル１０の中に検出する化学物質の濃度の閾値の異なる複数の区画３を設けることによって、化学物質の濃度のレベルを検出することができる。
　なお、添加物は、コレステリック液晶１３の物性を変化させる材料でもよい。例えば、添加材は、ある種のポリマー化合物または増粘材でもよい。これらの添加物を添加することにより、コレステリック液晶１３の状態を液体状から半固体状または固体状へと変化させることができる。これにより、検出セル１０の取り扱いが容易となる。
　また、ある種の添加物を添加することにより、コレステリック液晶１３の化学的安定性を高めることができる。これにより、保管中に生じるコレステリック液晶１３の変性等を抑制することができる。また、別の添加物を添加することにより、非特異的な化学物質のコレステリック液晶１３への吸着を抑制し、特異的な化学物質のみのコレステリック液晶１３への吸着を行わせることができる。
　また、添加物は、複数の区画３にそれぞれ配置された複数のコレステリック液晶１３に施された表面処理剤であってもよい。複数の区画３にそれぞれ配置された複数のコレステリック液晶１３に異なる表面処理を施すことにより、複数の区画３への化学物質の吸着度合いに差が生じる。これにより、複数の区画３において、化学物質との接触により、異なる色調変化を生じさせることができる。
　（変形例２）
　次に、検出セル１０の複数の区画３の変形例２について、区画１および区画２を用いて説明する。
　区画１に配置されるコレステリック液晶１１の種類は、区画２に配置されるコレステリック液晶１２の種類と異なる。異なる種類のコレステリック液晶１３は、同じ化学物質との接触に対して、それぞれ異なる螺旋構造の変化を示す。そのため、同じ化学物質に対して区画１および区画２は、それぞれ異なる色調変化を示す。
　コレステリック液晶１３としては、例えば、安息香酸コレステロール、ペラルゴン酸コレステロール、コレステロール・オレイル・カルボナートなどがある。異なる種類のコレステリック液晶１３は、これらの材料を組み合わせて、または、配合比を変えて形成することができる。なお、異なる種類のコレステリック液晶１３を用いる場合は、複数の区画３において、コレステリック液晶１３は、分子認識成分または添加物等を含有しなくてもよい。
　（変形例３）
　図３は、実施の形態における変形例３の検出セル１９の断面図である。図３において、図１と図２に示す検出セル１０と同じ部分には同じ参照番号を付す。
　検出セル１９は、複数の区画３にそれぞれ配置された複数のコレステリック液晶１３を覆う保護膜１７をさらに備える。保護膜１７は、例えば、小孔を有するＰＤＭＳ（Ｐｏｌｙｄｉｍｅｔｈｙｌｓｉｌｏｘａｎｅ）またはポリイミド等の膜である。
　保護膜１７の小孔の大きさは、試料に含まれる化学物質以外の非検出対象物よりも小さい大きさである。非検出対象物は、試料に含まれる水、水蒸気、及び、タンパク質等の高分子等の比較的大きい分子である。これにより、非検出対象物は、保護膜１７の小孔を通過できない。一方、検出対象物である化学物質は、非検出対象物よりも一般的に小さい。そのため、化学物質検出対象物である化学物質は、保護膜１７の小孔を通過できる。つまり、保護膜１７は、フィルターをしての役割を有する。
　保護膜１７を設けることにより、検出対象物である化学物質以外の物質が、コレステリック液晶１３の色調変化に及ぼす影響を低減することができ、検出セル１９は、より精確な化学物質の検出を行うことができる。また、保護膜１７を設けることにより、試料との接触による検出セル１９の劣化を抑制することができる。
　また、試料に色が付いた場合は、保護膜１７は、その色を発現させている色素を通過させない小孔を有する保護膜１７を有することが好ましい。
　一般的に、試料が有する色は、コレステリック液晶１３の色調の撮影においてノイズとなる。そのため、コレステリック液晶の色調がわかりにくくなり、化学物質を精確に検出することが難しい場合がある。
　この場合、色素を通過させない保護膜１７で複数の区画３を覆うことで、色素がコレステリック液晶１３の近傍へ到達することを抑制できる。そのため、コレステリック液晶１３の色調変化をより明確に検出することができる。
　なお、実施の形態における検出セル１０（１９）において、基板４は、コレステリック液晶１３の扱いを容易にするために設けている。そのため、コレステリック液晶１３が固体または半固体である場合、基板４は設けられなくてもよい。
　特許文献１に開示されている従来のバイオセンサにおいては、試料に含まれる被検物質と結合する１種類のレセプタ成分が用いられる。そのため、レセプタ成分と結合する１種類の被検物質を検出することができる。しかしながら、このバイオセンサにおいては、レセプタ成分と非被検物質の非特異的な結合などにより、誤検出が生じる場合がある。
　以上、検出セル１０（１９）は、化学物質を含む試料の接触に対して、異なる色調変化を示す複数の区画３を有する。複数の区画３は、本実施の形態、変形例１、変形例２および変形例３で示した構成、またはこれらの組み合わせにより形成される。したがって、検出セル１０（１９）は、化学物質の接触により色調が変化する複数の区画３のパターンを用いて、化学物質を検出することができる。このように、複数の区画３での色調の変化を基に化学物質を検出するため、検出セル１０（１９）は、誤検出の可能性を抑制することができる。
　次に、検出セル１０（１９）を用いたセンサ装置２０について説明する。
　図４は実施の形態におけるセンサ装置２０のブロック図である。
　センサ装置２０は、化学物質を検出する検出セル１０（１９）と検出器３０とを備える。
　検出器３０は検出セル１０（１９）の複数の区画３を撮影する撮影部２１と、化学物質を示す基準データを格納する格納部２２と、撮影した複数の区画３を示す検出データを基準データと比較する処理部２３とを備える。
　また、検出器３０は、処理した結果を出力する出力部２４をさらに有する。検出器３０は、化学物質を含む試料３１が流れる流路２５と、流路２５に試料３１を送り出すポンプ２６と、流路２５内に試料３１を閉じ込めるバルブ２７とをさらに有する。検出セル１０（１９）は、流路２５の内部に配置される。また、検出器３０は、検出セル１０（１９）の周囲の温度を測定する温度測定部２８と、検出セル１０（１９）の周囲の温度を所定の範囲内に保つための温度制御部２９を有する。
　撮影部２１は、検出セル１０の複数の区画３の色調を撮影して、撮影した色調を示す撮影データを生成する。撮影部２１は、例えば、撮像素子を備えたカメラ等である。撮像素子は、ＣＣＤセンサまたはＣＭＯＳセンサ等である。撮影部２１の撮影動作は、制御部によって制御される。処理部２３は、制御部の機能を備えてもよい。撮影データは、処理部２３に送られる。撮影データは、静止画であっても、動画であってもよい。撮影データが静止画である場合は、検出セル１０の複数の区画３のそれぞれの色調を精確に取得することができる。また、撮影データが動画である場合、検出セル１０の複数の区画３のそれぞれの色調変化を経時的に取得することができる。複数の区画３におけるコレステリック液晶１３の色調変化に要する時間は、化学物質の種類により異なる。変化時間の違いは、例えば、コレステリック液晶１３に対する化学物質への吸着のしやすさが異なることに起因する。したがって、化学物質の区画３のそれぞれにおける吸着度合いの違いにより、化学物質を検出することができる。また、動画を用いることにより、試料３１に含まれる化学物質の濃度の変化を検出することもできる。なお、撮影部２１は、検出セル１０の複数の区画３を一枚の画像として撮影できることが望ましい。これにより、撮影データの変換や合成等の処理を行うことなく、処理部２３は撮影データを基準データと比較することができる。
　なお、撮影部２１は、検出セル１０をその上方および下方のどちら側から撮影してもよい。ただし、保護膜１７を設けた検出セル１９により色が付いている試料３１を扱う場合は、検出セル１９は保護膜１７が設けられていない側から撮影されることが好ましい。試料３１に含まれる色素は保護膜１７で取り除かれる。したがって、検出セル１９の下方、つまり、保護膜１７が設けられていない側から撮影することにより、撮影データから色素の影響を低減できる。これにより、コレステリック液晶１３の色調変化をより明確に検出することができる。なお、基板４は、無色透明な材料であることが好ましい。
　処理部２３は、複数の区画３を示す検出データと、化学物質を示す基準データとを比較して化学物質を検出する。処理部２３は、例えば、集積回路で構成される。処理部２３は、撮影データを２次元のパターンとして認識して、パターンの特徴を抽出するアルゴリズムを有する。検出データは、アルゴリズムを用いて撮影データを処理することにより生成される。具体的には、処理部２３は、撮影データにおける複数の区画３のそれぞれにおいて、色調の変化を数値化して検出データを生成する。その後、生成した検出データと基準データと比較することにより、化学物質を検出する。このように、色調が変化した複数の区画３のパターンを用いることで、客観的かつ迅速に化学物質を検出することができる。
　なお、撮影データをそのまま基準データと比較する場合は、検出データとして撮影データを用いてもよい。
　格納部２２は、検出データと比較するための基準データを記憶している。基準データは、既知の化学物質を含む試料を検出セル１０に接触させて取得した画像データから生成する一種の検出データである。基準データは、検出セル１０の色調を示す代表的な画像データであってもよい。また、基準データは、複数の区画３のそれぞれの色調を数値化した数値データであってもよい。なお、撮影データが動画である場合、基準データは、動画から生成される色調の時間変化等の情報をさらに含む。
　基準データは、例えば、機械学習により取得される。既知の化学物質に接触させた検出セル１０の複数の撮影データを取得する。処理部２３は、取得した複数の撮影データを解析することにより、既知の化学物質に対応づけられる複数の区画３の色調変化を基準データとして格納部２２に格納する。基準データは、例えば、複数の画像の平均的な色調を、複数の区画３において表した画像のデータである。処理部２３は、機械学習機能を有している。このように、既知の化学物質を表す複数の撮影データを処理部２３に与えることで、基準データを自動的に生成することができる。
　また、格納部２２は、過去に撮影した検出セル１０の検出データを、検出した化学物質と対応づけて格納してもよい。このように検出データを基準データとして格納することにより、化学物質に対する基準データのデータベースを構築することができる。これにより、過去に撮影した検出セル１０の色調を、それ以降の検出における基準データとして用いることができる。
　格納部２２は、処理部２３と同じ筐体に設けてもよい。格納部２２は、処理部２３内に設けられる記憶媒体でもよい。また、格納部２２は、検出器３０の本体とは別体で設けても良い。例えば、格納部２２は、検出器３０に接続されるサーバに設けられていてもよい。
　なお、格納部７が検出セル１０に設けられていてもよい。このとき、検出器３０は、設置された検出セル１０の格納部７から検出セル１０の情報を読み出す。検出セル１０の情報は、例えば、基準データ、検出セルの識別番号、複数の区画３の情報、コレステリック液晶１３の情報、分子認識成分の情報、および、添加物の情報等を含む。検出セル１０に格納部７を設けることにより、種類の異なる様々な検出セル１０を検出器３０に用いることができる。さらに、今後、新たに開発される検出セル１０を、センサ装置２０として用いることができる。
　出力部２４は、処理部２３において処理した結果を出力する。出力部２４は、ディプレイ等の表示装置や、プリンタ等である。出力部２４が出力する結果は、検出セル１０の検出データと基準データとの比較結果であっても、検出した化学物質の名称や濃度等であってもよい。
　検出セル１０は、流路２５内に配置されている。検出セル１０が配置される流路２５の壁面は、ガラス等の無色透明の材料で構成される。これにより、撮影部２１は、流路２５の壁面を通して、検出セル１０を撮影することができる。
　流路２５には、ポンプ２６が接続されている。ポンプ２６は、流路２５に試料３１を送り込む。ポンプ２６は、試料３１の流量を定量的に制御できる定量ポンプが望ましい。ポンプ２６の動作は、撮影部２１の撮影タイミングに合わせて、制御部により制御される。
　また、検出器３０は流路２５の幅を調整することができる可変機構２５ａをさらに備える。例えば、可変機構２５ａは、モータやアクチュエータ等の駆動素子よりなる。可変機構２５ａの動作は、制御部により制御される。可変機構２５ａは、試料３１が流路２５内を流れているときであっても流路２５の幅を変えることができる。例えば、試料３１を流路２５内に導入しながら、複数の区画３のうちの試料３１が通過できる区画を広げることができる。流路２５の幅は、流路２５内の試料３１の流れる方向に対して垂直な方向であり、かつ、検出セル１０の表面に平行な方向である。複数の区画３は複数の行と複数の列よりなるマトリクス形状に配列されている。流路２５幅を可変にすることにより、検出セル１０内の複数の区画３が配列された行または列のうち試料３１が通過できる複数の区画の行または列を制御することができる。試料３１が通過できる行または列を制御することにより、検出セル１０の複数の区画３において行または列毎に、色調変化の時間を異ならせることができる。これにより、試料３１に含まれる化学物質の濃度等をより精確に検出することができる。
　さらに、流路２５には、バルブ２７が接続されている。バルブ２７は、閉じることにより流路２５内の試料３１の流れを止める役割を有する。例えば、バルブ２７を閉めることにより、試料３１を検出セル１０に接触した状態で留まらせることができる。これにより、コレステリック液晶１３と試料３１中の化学物質との吸着等を効率良く行うことができる。したがって、コレステリック液晶１３の色調変化の速度を速めることができる。バルブ２７は、例えば、電磁弁を用いることができる。バルブ２７の動作は、撮影部２１およびポンプ２６の動作に合わせて、制御部により制御される。
　なお、保護膜１７を備えた検出セル１９では、ポンプ２６は、試料３１中の化学物質を保護膜１７の小孔を通過させるために必要な圧力を試料３１に与えるように制御される。このとき、バルブ２７は閉められていることが好ましい。バルブ２７を閉めることにより、試料３１に与えられる圧力を容易に制御することができる。
　流路２５、ポンプ２６およびバルブ２７を設けることにより、センサ装置２０は、試料３１を容易に扱うことができる。また、試料３１の流量を制御することができるため、検出器３０は試料３１中の化学物質の濃度等を精確に検出することができる。
　温度測定部２８は、検出セル１０または検出セル１０の周囲の温度を測定する。温度測定部２８は、例えば、熱電対温度計である。測定した温度は、処理部２３に送られる。コレステリック液晶１３の色調は温度によって変化する場合がある。そのため、センサ装置２０は、検出セル１０（１９）の温度を測定することが望ましい。測定した温度は、化学物質の検出において、色調変化の温度補正に利用される。検出器３０は測定した温度に基づき検出セル１０（１９）または検出セル１０（１９）の周囲の温度を制御する温度制御部２９を備えてもよい。
　温度制御部２９は、例えば、加熱装置または冷却装置である。温度制御部２９は制御部により制御される。温度制御部２９は、温度測定部２８の測定結果に基づいて、検出セル１０の温度が所望の温度になるよう制御する。検出セル１０の温度を一定に維持することにより、コレステリック液晶１３の色調変化に対する温度変化の影響を低減することができる。これにより、化学物質の検出精度を向上させることができる。
　なお、処理部２３は、制御部の機能を有してもよい。
　実施の形態におけるセンサ装置２０を用いることにより、病気の診断等を行うことができる。
　例えば、特定の病気を発症した人の呼気には、その病気に関連する化学物質が含まれる場合がある。したがって、検出セル１０を用いて病気に関連する化学物質を特定することにより、病気の診断を行うことができる。なお、病気には１つの化学物質のみならず、複数の化学物質が関連する場合が多い。センサ装置２０は、複数の区画３により複数の化学物質を１度で検出できるため、素早く病気の診断を行うことができる。以上のように、複数の区画３における色調の変化に基づいて病気の診断を行うことにより、センサ装置２０は、誤検出を抑制できる。さらには、検出セル１０の複数の区画３における色調の変化を用いることにより、病気診断の精度を向上させることができる。
　また、センサ装置２０は、特定の病気に関連する化学物質が特定されていない場合においても、特定の病気を診断することができる。例えば、ある種の病気に罹患している人から採取した試料を用いて、検出セル１０の色調変化の検出データを取得する。取得した検出データを基準データとして用いることにより、化学物質を特定できない場合であっても、病気を診断することができる。
　一方で、１つのレセプタ成分を用いた従来のバイオセンサでは、特定の病気に関連する化学物質が特定されていなければ、病気を診断することはできない。
　なお、センサ装置２０において、病気の診断に用いる基準データは、同じ病気に罹患している複数の人から取得した検出データの平均的な色調等用いることが好ましい。これにより、個人差の小さい基準データを生成することができ、信頼性の高い基準データを取得することができる。また、基準データは、病気の人に基づく検出データにおいて、健康な人から採取した試料を用いて取得された検出セル１０の色調変化の検出データに対して、特徴的な色調の変化を示すいくつかの区画の数値データであってもよい。
　なお、実施の形態における化学物質の検出には、上記に示す病気の診断も含む。なぜなら、病気の人から採取した試料において特徴的に見られる複数の区画３での色調変化は、その病気に関連する化学物質によって生じる。そのため、検出セル１０の色調変化は、具体的な化学物質がわからない場合であっても、病気に関連する化学物質の検出を意味している。
　なお、検出セル１０は、コレステリック液晶１３に限られない。複数の区画に配置される液晶は、化学物質により色調が変化する液晶であればよい。例えば、ネマティック液晶を用いてもよい。
　以上、一つまたは複数の態様に係る検出セル１０（１９）およびセンサ装置２０について、実施の形態に基づいて説明したが、本発明は、この実施の形態に限定されるものではない。本発明の趣旨を逸脱しない限り、当業者が思いつく各種変形を本実施の形態に施したものや、異なる実施の形態における構成要素を組み合わせて構築される形態も、一つまたは複数の態様の範囲内に含まれてもよい。
　本発明の検出セルおよびセンサ装置は、病気の診断等における化学物質の検出に有用である。
１　　区画（第一の区画）
２　　区画（第二の区画）
３　　区画
４　　基板
５　　温度検出区画
６　　基準色調区画
７，２２　　格納部
１０，１９　　検出セル
１１　　コレステリック液晶（第一のコレステリック液晶）
１２　　コレステリック液晶（第二のコレステリック液晶）
１３，１５，１６　　コレステリック液晶
１７　　保護膜
２０　　センサ装置
２１　　撮影部
２３　　処理部
２４　　出力部
２５　　流路
２６　　ポンプ
２７　　バルブ
２８　　温度測定部
２９　　温度制御部
３０　　検出器
３１　　試料

Claims (17)

  1. 化学物質を検出する検出セルであって、
    　複数の区画と、
    　前記複数の区画内にそれぞれ配置されるとともに、前記化学物質により色調変化が生じる複数のコレステリック液晶と、
    を備え、
    　前記複数のコレステレック液晶のうち前記複数の区画のうちの１つの区画に配置されている１つのコレステリック液晶の前記化学物質により生じる色調変化は、前記複数のコレステリック液晶のうち前記複数の区画のうちの別の区画に配置されている別のコレステリック液晶の前記化学物質により生じる色調変化とは異なる、検出セル。
  2. 前記複数の区画は、第一の区画および第二の区画を含み、
    前記複数のコレステレック液晶のうち前記第一の区画に配置されている第一のコレステリック液晶は、前記化学物質と反応する第一の分子認識成分を含有し、
    前記複数のコレステレック液晶のうち前記第二の区画に配置されている第二のコレステリック液晶は、前記化学物質と反応してかつ前記第一の分子認識成分と異なる第二の分子認識成分を含有する、請求項１に記載の検出セル。
  3. 前記第一の分子認識成分は、ジメチルポリシロキサン、ジフェニルジメチルポリシロキサン、シアノプロピルシロキサン、トリフルオロプロピルメチルシロキサンなどのシロキサン系化合物、ポリエチレングリコール、ペプチド、匂い受容蛋白、匂い受容蛋白の分子受容ドメイン、アプタマー、ペプチド核酸（ＰＮＡ）、及びデオキシリボ核酸（ＤＮＡ）の断片からなる群から選択される少なくとも１つであり、
    前記第二の分子認識成分は、ジメチルポリシロキサン、ジフェニルジメチルポリシロキサン、シアノプロピルシロキサン、トリフルオロプロピルメチルシロキサンなどのシロキサン系化合物、ポリエチレングリコール、ペプチド、匂い受容蛋白、匂い受容蛋白の分子受容ドメイン、アプタマー、ＰＮＡ、及びＤＮＡの断片からなる群から選択される少なくとも１つである、請求項２に記載の検出セル。
  4. 前記複数の区画は第一の区画および第二の区画を含み、
    前記複数のコレステレック液晶のうち前記第一のコレステリック液晶は第一の添加物を含有し、
    前記第二のコレステリック液晶は前記第一の添加物と異なる第二の添加物を含有する、請求項１に記載の検出セル。
  5. 前記複数の区画は第一の区画および第二の区画を含み、
    前記複数のコレステレック液晶のうち前記第一の区画に配置されている第一のコレステリック液晶は、前記複数のコレステレック液晶のうち第二の区画に配置されている第二のコレステリック液晶の種類と異なる、請求項１に記載の検出セル。
  6. 温度を検出する温度検出区画と、
    前記複数のコレステレック液晶のうち前記温度検出区画に配置されたコレステレック液晶と、
    前記温度検出区画をカバーする保護層と、
    をさらに備えた、請求項１に記載の検出セル。
  7. 基準色調区画と、
    前記基準色調区画に配置されて、前記化学物質により色調変化が生じないコレステレック液晶と、
    をさらに備えた、請求項１に記載の検出セル。
  8. 前記複数の区画の情報または前記化学物質を示す基準データを格納する格納部をさらに備えた、請求項１に記載の検出セル。
  9. 　前記複数のコレステリック液晶が設けられた基板と、
    　前記複数のコレステリック液晶を覆う保護膜と、
    をさらに備えた、請求項１に記載の検出セル。
  10. 前記複数のコレステリック液晶はコレステリック液晶重合体を含む、請求項１に記載の検出セル。
  11. 化学物質を検出する検出セルと検出器とを備え、
    前記検出セルは、
    　複数の区画と、
    　前記複数の区画内にそれぞれ配置されるとともに、前記化学物質により色調変化が生じる複数のコレステリック液晶と、
    を有し、
    前記複数のコレステリック液晶のうち前記複数の区画のうちの１つの区画に配置されている１つのコレステリック液晶の前記化学物質により生じる色調変化は、前記複数のコレステリック液晶のうち前記複数の区画のうちの別の区画に配置されている別のコレステリック液晶の前記化学物質により生じる色調変化とは異なり、
    前記検出器は、
    　前記検出セルの前記複数の区画を撮影する撮影部と、
    　前記化学物質を示す基準データを格納する格納部と、
    　前記撮影した前記複数の区画を示す検出データを前記基準データと比較する処理部と、
    を有する、センサ装置。
  12. 前記処理部は、前記撮影された複数の区画のデータを前記複数の区画のパターンとして認識し、前記パターンの特徴を抽出するアルゴリズムを有する、請求項１１に記載のセンサ装置。
  13. 前記処理部は機械学習機能により前記基準データを取得する、請求項１１に記載のセンサ装置。
  14. 前記撮影部は、前記複数の区画を経時的に撮影し、
    前記処理部は、前記複数の区画における色調の時間変化を示す検出データを前記基準データと比較して前記化学物質を検出する、請求項１１に記載のセンサ装置。
  15. 前記検出器は、
    　試料が流れる流路と、
    　前記流路に前記試料を送り出すポンプと、
    　前記流路内に前記送り出された試料を閉じ込めるバルブと、
    をさらに有する、請求項１１に記載のセンサ装置。
  16. 前記検出部は、前記流路の幅を調整することができる可変機構をさらに有する、請求項１５に記載のセンサ装置。
  17. 前記検出器は、
    　前記検出セルの周囲の温度を測定する温度測定部と、
    　前記検出セルの前記周囲の温度を所定の範囲内に保つための温度制御部と、
    をさらに有する、請求項１１に記載のセンサ装置。
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