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1. (WO2017149579) CHEMICAL-SUBSTANCE-SENSING SYSTEM
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明 細 書

発明の名称 化学物質センシングシステム

技術分野

0001  

背景技術

0002   0003   0004   0005   0006   0007   0008   0009   0010  

先行技術文献

特許文献

0011  

発明の概要

発明が解決しようとする課題

0012   0013  

課題を解決するための手段

0014  

発明の効果

0015  

図面の簡単な説明

0016  

発明を実施するための形態

0017   0018   0019  

実施例 1

0020   0021   0022   0023   0024   0025   0026   0027   0028   0029   0030   0031   0032   0033   0034  

実施例 2

0035   0036   0037   0038   0039   0040   0041  

実施例 3

0042   0043   0044   0045   0046   0047   0048   0049   0050  

符号の説明

0051  

請求の範囲

1   2   3   4   5   6   7   8   9   10   11  

図面

1   2   3   4  

明 細 書

発明の名称 : 化学物質センシングシステム

技術分野

[0001]
 本発明は、大気または各種ガス中に含まれる化学物質を捕集する化学物質センシングシステムに関する。

背景技術

[0002]
 大気中の分子を測定する化学物質センサは、ガスセンサあるいは匂いセンサと呼ばれ、特に、金属酸化物の焼結体を利用した半導体式ガスセンサは、可燃性ガスや毒ガスの警報器などの用途で広く使用されている。
[0003]
 ヒータにより加熱された半導体式ガスセンサ中の金属酸化物表面には、清浄空気中の酸素が吸着し、酸素イオンとして存在する。酸素はイオン化する際に金属酸化物より電子を引き抜くため、表面近傍領域はキャリア密度が低下し空乏層が形成され、金属酸化物の抵抗値が増加する。
[0004]
 もし、金属酸化物が接する空気が清浄ではなく、還元性ガスを含んでいる場合、金属酸化物表面に吸着した酸素イオンと反応し電子を放出することでキャリア密度が増加するために、金属酸化物の抵抗値が清浄空気に比べて減少する。この抵抗値は、空気中に含まれるメタン、ブタン、水素、一酸化炭素などの還元性ガス濃度によって変化するために、半導体式ガスセンサは、可燃性ガスセンサ及び毒ガスセンサとして利用できる。
[0005]
 半導体式ガスセンサは小型かつ安価であるが、酸素イオンと反応する還元性ガスであれば応答するため、測定分子に選択性が乏しい。したがって、ガスに夾雑成分がある場合や、混合ガスの多成分分析を行う場合は、ガスクロマトグラフィー(GC:Gas Chromatography)が利用される。
[0006]
 GCは、混合ガスがカラム内の固定相または充填剤に対する沸点や極性に応じた吸着特性の違いにより、各成分がカラム内を流れる際に選択的に遅延することで分離し、順次検出器に導入され、各成分濃度を測定する分析手法である。検出器は、水素炎イオン化検出器、熱伝導度検出器、質量分析計などが使用できるが、各検出器の動作原理については省略する。GCを用いた分析装置は、半導体式ガスセンサに比べて大型かつ高価であり、成分分離のために遅延時間を設けていることから、リアルタイムに測定することが困難である。
[0007]
 上述した化学物質センサは、装置サイズ、分子選択性、応答速度の観点で、全てを満たすことは難しいが、生体における嗅覚は、数センチから数ミリという小型の器官でありながら、分子選択性の異なる数百から数千種の嗅覚受容体を用いて1秒以下の応答速度で大気中の成分を弁別することができる。感度については、どの測定手法も測定成分に依存するが、生体は数ppt(part per trillion:1兆分の1)以下の濃度であっても感じることができるので、生体の感度は、GCの検出器に質量分析計を用いたガスクロマトグラフ質量分析計(GC-MS:Gas Chromatography-Mass Spectrometry)の感度と同等かそれ以上である。
[0008]
 生体の嗅覚と同等の、小型かつ高感度、高速応答の高選択性センサを実現するために、細胞やタンパク質または脂質膜等の生体材料を利用したバイオセンサが研究されている。生体材料は水中で機能発現するため、センサを水に浸している必要がある。したがって、気中の物質を検知するには水中に溶解させる必要がある。
[0009]
 しかし、一般に揮発性の匂い分子は疎水性の傾向が強く、水に対する溶解度が低い。生物においては、疎水性分子を体液中に溶解するために匂い結合タンパク質を合成し利用しているが、種々の匂い分子に対して適した匂い結合タンパク質を生物より大量に抽出、精製することは容易ではない。したがって、匂い結合タンパク質の代替となる分子可溶化手法が必要である。
[0010]
 現状知られている代替法として、特許文献1は、気中の分子を効率的に液中に溶解するために、溶解度の大きな溶液を霧化する技術を開示している(特許文献1参照)。

先行技術文献

特許文献

[0011]
特許文献1 : 特開2004-233061号公報

発明の概要

発明が解決しようとする課題

[0012]
 特許文献1のように、気中分子を効率的に捕集することを目的とした高溶解度の溶液を使用すると、化学物質センサが変性され、特性の変化や短寿命化が引き起こされる。特に、生細胞に対しては、水溶液中に疎水性分子を溶解させるために、一般的に利用される溶媒においても、溶媒濃度が高いほど毒性を示すことが知られており、生体物質を利用したバイオセンサの高感度化の課題となっている。
[0013]
 本発明の目的は、高感度かつ長寿命な化学物質センシングシステムを提供することにある。

課題を解決するための手段

[0014]
 上記目的を達成するために本発明は、気体中の化学物質を検出する検出部を備える化学物質センサと、前記検出部と接する第一の液体と、前記第一の液体よりも、測定対象である前記化学物質の溶解度が大きい第二の液体と、前記第二の液体を霧化する霧化装置を備える。

発明の効果

[0015]
 本発明によれば、高感度かつ長寿命な化学物質センシングシステムを提供することができる。

図面の簡単な説明

[0016]
[図1] 本発明の一実施形態である気中分子捕集センシングシステムの概略構成図である。
[図2] 実施例1の吹付け式の気体分子連続捕集センシングシステムの概略構成図である。
[図3] 実施例2の電場式の気体分子間欠捕集センシングシステムの概略構成図である。
[図4] 実施例3の液滴式の気体分子間欠捕集センシングシステムの概略構成図である。

発明を実施するための形態

[0017]
 本実施形態では、図1に示す気中分子センシングシステムの概略構成図に示すように、生体分子等の液中で動作する検出部S1と、検出部S1の変化を電気信号に変換する変換部S2とを備えた化学物質センサにおいて、検出部S1が機能するために必要なセンサ溶液L1に溶解しにくい気中分子を高感度に検出するために、より溶解度が高い捕集液L2に気中分子を溶かしてからセンサ溶液L1に導入することが効果的である。
[0018]
 一方で、センサ溶液L1に対して捕集液L2が混入することが、センサ寿命の低下を引き起こすため、捕集液L2を霧化装置AT1で霧化することで気体と捕集液L2との接触面積を増大し、捕集効率を改善することで、センサ感度を維持しながらセンサ溶液中に混入する捕集液量を低減し、センサ寿命の低下を抑制することができる。
[0019]
 以下に、本発明の一実施形態を、実施例を用いて詳細に説明する。
実施例 1
[0020]
 本実施例では、化学物質センシングシステムの一形態である吹付け式の気体分子連続捕集センシングシステムについて説明する。図2は、本実施例における化学物質センシングシステムの概略構成図である。
[0021]
 図2において、エアポンプAP1により装置外部より吸気口P1を通して取り込まれた気体は、霧導入管T1より導入される霧状溶液L3とともに、混合管T2に導入される。ここで、霧状溶液L3は、霧化装置AT2の表面に励振した機械的振動により送液ポンプLP1から吐出された捕集液L2を細かく分断し、霧化することで生成される。本実施形態では、霧化装置としてSAWデバイス(Surface Acoustic Wave:表面弾性波)を用いる。
[0022]
 生成される霧状溶液L3の直径は、SAWデバイスAT2表面のすだれ状電極のパターン、及び印加する電圧の周波数により制御することが可能である。また、外部より取り込んだ気体とともに混合管T2に導入される霧の個数は、SAWデバイスAT2に供給する電力、及び霧導入管L3の長さや断面積により制御することが可能である。なお、霧化装置には、SAWデバイスのみならず、超音波霧化ユニットや同軸型または直行型ネブライザを用いることもできる。
[0023]
 霧状溶液L3は、ともに導入された気体中の分子を溶解しながら混合管T2の内部(混合領域)を通過し、センサ溶液L1の表面に吹き付けられる。霧状溶液L3が気中分子を溶解する時間は、混合管T2の長さ、及びエアポンプAP1の送気流量によって制御することができる。つまり、エアポンプAP1は、混合管T2内における気体中の分子と霧状溶液L3との混合時間を制御する制御部として機能する。
[0024]
 ここで、混合管T2の長さが固定値であるのに対して、エアポンプAP1の送気流量は可変であるため、測定感度と応答速度を各測定条件に対して最適化することができる。例えば、測定対象である気体中の分子の濃度が低いために検出できない場合には、エアポンプAP1の送気流量を低下させ、混合時間を長くすることでより多くの気体中の分子を霧状溶液L3へ溶解し、検出精度を高めることができる。しかし、混合時間を長くする程に測定の応答速度が低下するため、匂い源探索といった測定のリアルタイム性が重要な用途の場合は、エアポンプAP1の送気流量を増加する必要がある。
[0025]
 したがって、使用用途に合わせた検出精度と応答速度を設定するために、エアポンプAP1を制御部として使用することができる。
[0026]
 霧化する捕集液L2は、気体に含まれる測定対象物質の溶解度が高く、かつ検知用の細胞を備えた検出部C1に対しての毒性が低く、水を主成分とするセンサ溶液L1に対して混和しやすいことが望まれる。このような条件を満たすものとして、ジメチルスルホキシド(DMSO:Dimethyl sulfoxid)やエタノールなどが知られており、測定対象物に適した溶媒を選択すればよい。例えば、測定対象がアルカンの場合は、DMSOに対して溶解度が低いため、エタノールを使用する方が望ましい。
[0027]
 霧状溶液L3は、センサ溶液L1表面に吹き付けられる際に混和し、霧状溶液L3に溶解しない気体成分と分離し、残った気体成分は排気口P2より排出される。
[0028]
 センサ溶液L1に捕集された成分は、センサ溶液L1に接する検出部C1(細胞と細胞膜を備えた検出部)の細胞膜中に発現した受容体と接触し、細胞内外のイオン濃度を変化させ、この変化に伴う、細胞近傍のISFET(Ion Sensitive Field Effect Transistor:イオン応答性電界効果トランジスタ)I1の電気特性の変化を利用することで検出される。
[0029]
 捕集成分の検出は、イオン濃度変化に限らず、細胞膜中の受容体の開閉に伴う細胞内外を通るイオン電流の変化や、細胞膜電位の変化、細胞内の蛍光タンパク質による蛍光強度の変化を利用して検出してもよい。
[0030]
 なお、検出部C1は、タンパク質、脂質膜、または感応膜(測定対象とする化学物質に対して選択性を有するポリマーあるいは官能基によって修飾される感応膜)等を備える構成であってもよい。このように、タンパク質、脂質膜や細胞といった生体由来物質を用いることで、高い分子選択性を得られるが、感応膜に比べて短寿命であるため、使用目的に合わせて検出部C1の構成を選択することができる。
[0031]
 霧状溶液L3をセンサ溶液L1中に混和し続けると、センサ溶液L1に対する捕集液L2の濃度が上昇し、細胞を備えた検出部C1に対して毒性が強まり、センサ寿命の短期化を引き起こす。そのため、送液ポンプLP2によって随時センサ溶液L1を補充し、廃液口P3より排出することで、センサ溶液L1に対する捕集液L2の濃度を一定以下に維持する。従って、送液ポンプLP2は、上記センサ溶液L1を交換または循環する液体制御部としての機能を有する。
[0032]
 捕集液L2は細胞に対して低毒性であることが望ましく、具体的には水に対して1体積%以上の条件においてタンパク質を変性しない溶液、または生細胞の24時間後阻害率が50%以下の溶液を用いる。溶解度が1体積%以上あれば、それ未満に比べて多くの気体中の分子を水中に導入可能であり、また、濃度が1体積%よりも低濃度であっても溶解速度が速いために、水中に導入した分子をより早く検出することが可能である。したがって、捕集液L2は溶解度が1気圧、25℃の条件において1体積%以上のものを用いる。
[0033]
 具体的には、メタノール、エタノール、エチレングリコール、アセトニトリル、アセトン、ジメチルホルムアミド、イソプロピルアルコール、n-プロパノール、テトラヒドロフラン、ジオキサン、ヘキサメチルリン酸トリアミド、ジメチルスルホキシド、メチルエチルケトン、トリエチルアミン、酢酸エチル等を用いることができ、測定対象となる気体中の分子の溶解度が高い溶液を捕集液L2として選択する。例えば、測定対象がアルカンの場合は、DMSOに対しては溶解度が低いため、エタノールを選択することで高感度にアルカンを検出することができる。
[0034]
 本実施例における構成では、エアポンプAP1を用いて連続して測定対象となる気体を吸気し、リアルタイムに測定することができるため、匂い源探索のような、短い測定間隔が重要となる用途に適している。
実施例 2
[0035]
 本実施例では、化学物質センシングシステムの一形態である、電場式の気体分子間欠捕集センシングシステムについて説明する。図3は、本実施例における化学物質センシングシステムの概略構成図である。
[0036]
 実施例1に示した吹付け式の気体分子連続捕集センシングシステムとの違いは、混合管T2を廃し、霧化装置であるSAWデバイスAT2と、化学物質センサの測定部であるイオン応答性電界効果トランジスタI1と、細胞を備えた検出部C1とを同一空間に配置した点と、絶縁膜IF1により被覆された大電極E1と小電極E2とを備える点である。本実施例においては、大電極E1と小電極E2との間に電場勾配が生じる構成である。
[0037]
 本実施例では、混合管T2を廃することで装置全体の大きさを小さくすることができるが、混合管T2の長さによって混合時間を調整する機能が失われる。そのため、エアポンプAP1による吸気動作を間欠的に行うことで、エアポンプAP1の動作周期によって混合時間を制御する機能を代替する。
[0038]
 エアポンプAP1による短時間の吸気によって捕集空間SP1(混合領域)へ導入された気体は、SAWデバイスAT2によって発生した霧状溶液と混合され、任意の時間、捕集空間SP1に留め置かれる。つまり、エアポンプAP1は、捕集空間SP1内における溶液の混合時間を制御する制御部として機能する。
[0039]
 霧状溶液中に気中分子が十分溶解した後に、外部電源V1を用いて大電極E1と小電極E2の間に電位差を生じさせることにより、捕集空間SP1内部に電場勾配を生じさせる。電場中の霧状溶液は各々の液滴中で分極し、双極子モーメントを生じるため、霧状溶液は強電場方向に引力を受け、センサ溶液L1側に引き寄せられて回収される。
[0040]
 図3においては、絶縁膜IF1により被覆された小電極E2は、イオン応答性電界効果トランジスタI1を挟んで捕集空間SP1の反対側に配置されているが、イオン応答性電界効果トランジスタI1による電場の遮蔽効果が大きい場合は、イオン応答性電界効果トランジスタI1と細胞を備えた検出部C1との境界部、または検出部C1とセンサ溶液L1との境界部に配置してもよい。
[0041]
 本実施例における構成では、大電極E1と小電極E2に電圧を印加することで、混合時間を精度よく制御し、気体中の分子と霧状溶液L3との混合時間を均一にすることが可能であるため、成分分析のような、分子濃度の測定精度が重要となる用途に適している。
実施例 3
[0042]
 本実施例では、化学物質センシングシステムの一形態である、液滴式の気体分子間欠捕集センシングシステムについて説明する。図4は、本実施例における化学物質センシングシステムの概略構成図である。
[0043]
 実施例2の液滴式の気体分子間欠捕集センシングシステムとの違いは、大小電極E1、E2を廃し、霧化装置(SAWデバイス)AT2へ溶液を供給する送液系が、捕集液L2を供給するLP1だけではなく、センサ溶液L1を供給するLP3を備える点である。
[0044]
 SAWデバイスAT2により微小な液滴となった捕集液L2の、重力による沈降速度は遅く、流体中の微小粒子が沈降する際の終端速度を求めるストークスの式を用いると数十μm/s程度である。
[0045]
 沈降の終端速度は液滴直径の二乗に比例するため、霧化装置で発生する液滴の直径を大きくするほどに沈降も早くなるが、液滴中に気中分子用を溶解するためには、捕集液L2液滴の直径は小さい方が、接触面積の点で都合がよい。したがって、より直径の大きな液滴を別に発生させることができれば、捕集面積を大きく保ったままで、実施例2のように電場印加用電極を備える構成を採用することなく、捕集用L2の液滴を回収し、センサ溶液中に導入することができる。
[0046]
 回収用の液滴を捕集液L2と同じにすると、センサ溶液L1中の捕集液L2濃度が増加しセンサ寿命が低下するため、センサ溶液L2をSAWデバイスAT2に供給し、霧化することで、濃度増加を回避することができる。回収用の液滴直径を100μmとすると、沈降終端速度は数十cm/sとなり、十分早く捕集液を回収することができる。
[0047]
 上述した各実施例により、生体材料を利用したバイオセンサのような、液中で動作が必須となるガスセンサ及び匂いセンサが共通して直面する課題である、疎水性分子の可溶化を可能とするとともに、捕集液による溶液の汚染を最低限に抑えることで、センサの短寿命化を回避できる。
[0048]
 また、本実施例によれば、化学物質センサにおいて気中分子の検出感度を改善するために、化学物質センサと接する溶液よりも、より溶解度の高い溶液を捕集用溶液することで、効率的に気中分子を捕集できる。また、捕集用溶液を霧化し、気体との接触面積を増大することで少量の溶液で効率的に気中分子の捕集を可能とし、化学物質センサと接する溶液に対する捕集用溶液の濃度を低減することで、化学物質センサの検出部に使われている材料の変性を抑制し、長寿命化することができる。
[0049]
 大気環境中に存在する成分を高感度に分析するには、従来であればGC-MSのような大型の装置が必要であるが、本実施例により、可搬型の高感度、高選択性を備えた化学物質センサが実現し、訓練を受けた犬やマウスなどの動物の嗅覚に頼らざるを得なかった爆発物、麻薬、遭難者の探知や、医療用呼気分析の家庭向け応用に利用することができる。
[0050]
 本実施例における構成では、実施例1における混合管T2や、実施例2における外部電源V2が不要であり、システム全体の大きさを小さくすることが可能であるため、モバイル機器のような、携行性や低消費電力が重要となる用途に適している。

符号の説明

[0051]
AP1:エアポンプ
AT1:霧化装置
AT2:SAWデバイス
C1:検出部
E1:大電極
E2:小電極
I1:ISFET
IF1:絶縁膜
L1:センサ溶液
L2:捕集液
L3:霧状溶液
LP1:霧化装置用捕集液送液ポンプ
LP2:センサ溶液送液ポンプ
LP3:霧化装置用センサ溶液送液ポンプ
P1:吸気口
P2:排気口
P3:廃液口
S1:化学物資センサ検出部
S2:化学物質センサ変換部
T1:霧導入管
T2:混合管
V1:外部電源

請求の範囲

[請求項1]
 気体中の化学物質を検出する検出部を備える化学物質センサと、
 前記検出部と接する第一の液体と、
 前記第一の液体よりも、測定対象である前記化学物質の溶解度が大きい第二の液体と、
 前記第二の液体を霧化する霧化装置を備えることを特徴とする化学物質センシングシステム。
[請求項2]
 前記化学物質センサは、細胞、タンパク質、脂質膜、または、測定対象とする化学物質に対して選択性を有するポリマーあるいは官能基によって修飾される感応膜を備えることを特徴とする請求項1に記載の化学物質センシングシステム。
[請求項3]
 前記化学物質センサは、イオン応答性電界効果トランジスタを備えることを特徴とする請求項1に記載の化学物質センシングシステム。
[請求項4]
 前記第一の液体を交換または循環する液体制御部を備えたことを特徴とする請求項1に記載の化学物質センシングシステム。
[請求項5]
 前記第二の液体の水に対する溶解度が1気圧、25℃の条件において1体積%以上であることを特徴とする請求項1に記載の化学物質センシングシステム。
[請求項6]
 前記第二の液体は、1体積%以上の条件においてタンパク質を変性しない、または生細胞の24時間後阻害率が50%以下であることを特徴とする請求項1に記載の化学物質センシングシステム。
[請求項7]
 前記第二の液体の成分にメタノール、エタノール、エチレングリコール、アセトニトリル、アセトン、ジメチルホルムアミド、イソプロピルアルコール、n-プロパノール、テトラヒドロフラン、ジオキサン、ヘキサメチルリン酸トリアミド、ジメチルスルホキシド、メチルエチルケトン、トリエチルアミン、酢酸エチルのいずれかを含むこと特徴とする請求項1に記載の化学物質センシングシステム。
[請求項8]
 前記霧化ユニットによって霧化した第二の液体および測定対象となる物質を含む気体を導入または保持する混合領域を備えたことを特徴とする請求項1に記載の化学物質センシングシステム。
[請求項9]
 前記混合領域における混合時間を制御する制御部を備えることを特徴とする請求項8に記載の化学物質センシングシステム。
[請求項10]
 前記混合領域に導入または保持する霧の直径を制御する制御部を備えることを特徴とする請求項8に記載の化学物質センシングシステム。
[請求項11]
 前記混合領域に導入または保持する霧の液量を制御する制御部を備えることを特徴とする請求項8に記載の化学物質センシングシステム。

図面

[ 図 1]

[ 図 2]

[ 図 3]

[ 図 4]