CN110691962A - 由低吸湿性材料构成的纳米机械传感器用受体及将其作为受体来使用的纳米机械传感器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种纳米机械传感器，其能够抑制样品中的水给测定带来的不利影响。本发明的一实施方式中，作为纳米机械传感器的受体材料使用了聚砜、聚己内酯、聚偏二氟乙烯、聚4‑甲基苯乙烯等低吸湿性材料。由此，能够抑制由样品中的水使受体层饱和，或能够抑制由基于样品中大量含有的水的输出信号来掩蔽基于微量成分的输出信号等不利影响。

Description

由低吸湿性材料构成的纳米机械传感器用受体及将其作为受 体来使用的纳米机械传感器

技术领域

本发明涉及一种纳米机械传感器，尤其涉及一种由低吸湿性材料构成的纳米机械传感器用受体及将其作为受体来使用的纳米机械传感器。

背景技术

近年来，由于检测传感器主体的表面或其附近的一些物理量的微小变化的纳米机械传感器的进步，能够使检测给定样品中的微量成分变得容易。需要说明的是，本申请中的纳米机械传感器，是指检测表面应力或作为其结果引起的机械变形(挠曲)的传感器，表面应力是通过使包覆于传感器表面的所谓的受体层吸附或吸收检测对象而产生的。作为纳米机械传感器已经提出了多种原理、结构，但特别地，本申请发明人等进行专利申请并发表的膜型表面应力传感器(Membrane-type Surface stress Sensor，MSS)(专利文献1、非专利文献1)，其特征在于，具有高灵敏度和操作的稳定性等，并且易使用于多种用途。

当向纳米机械传感器赋予化学物质(以下，有时将检测对象的化学物质称作被检体)时，通过其与该被检体的相互作用会引起上述微小的物理量变化。但是，由于大多被检体不在纳米机械传感器主体的表面自身上发生大量吸附等，因此仅引起几乎不能检测的物理量变化。因此，大多情况下，通过吸附或反应等尽可能多地包含所期望的被检体，另外，选择会因这种包含而引起尽可能大的物理量变化的材料，将其通过涂布于传感器主体的表面等一些方式来进行固定。将通过这样进行而固定在传感器主体的表面上来使传感器主体引起能够检测的物理量变化的物质及其膜，分别称作受体和受体层(在某些情况下，也称作感应材料和感应膜)。

大多材料中，尽管有程度差别，由于物理量变化是对复数种被检体响应而引起的，因此，为了提高检测精度，基于设置了复数种受体层的复数个纳米机械传感器的输出，进行被检体种类的识别及其量的测定。

由于能够作为检测对象的被检体的种类非常多，因此，能够作为受体层材料的物质也需要非常多的种类的物质。

作为纳米机械传感器有希望的应用领域之一，虽然没有特别的限定，但存在对下述样品的分析(确认对象物质的存在，对其定量或其量是否超过某阈值的判定等)：从生物体中通过呼吸、出汗、排泄等向体外放出的样品、或血液和其他的各种体液等从生物内部取出的样品。通过这样的分析，能够对人类或家畜等动物(某些情况下也包含植物)进行健康状态的判定和疾病的诊断等。另外，除了这样的判定和诊断以外，还考虑利用了检测包含于此种样品中或通过从此蒸发等来发散的成分的各种应用。

但是，从生物体获得的样品含有大量的水。不限定于从生物体获得的样品，自然界中也大量存在水，另外，由于日常生活和工业上的活动也大多使用水，因此在非常多的情况下样品中以大比例含有水。在将这样的样品由纳米机械传感器来进行分析的情况下，通过使受体吸收在样品中以相当多的比例来含有的水，受体层产生的表面应力等物理量变化的大部分是基于在此吸收的水而产生的。本申请发明人等的研究结果，发现存在引起掩蔽现象的情况，该现象是在水被受体大量吸收的情况下，受体的表面应力等物理量的变化饱和、或即使不饱和也会阻碍其他微量成分吸附于受体，由于由水带来的物理量变化和由其他成分带来的物理量变化不限于线形重叠等原因，使得对由其他微量成分带来的物理量变化赋予影响，从而引起的一种应该称作掩蔽的现象。即，已经发现基于应力变化的检测信号，大部分由来自水的成分构成，由微量成分带来的信号成分是被此遮蔽的状态，从而存在难以检测的情况。

发明内容

发明要解决的课题

本发明的课题是减少样品中包含的水对通过纳米机械传感器进行的测定赋予的不利影响。另外，也存在通过将这样的纳米机械传感器和其他的纳米机械传感器进行组合来提高被检体的鉴别能力等通过纳米机械传感器的组合来提高测定能力的课题。

用于解决课题的手段

根据本发明的一个方面，提供一种纳米机械传感器用受体，其中，其由低吸湿性材料构成。

在此，所述低吸湿性材料可以选自由碳材料、氟化物、芳香族化合物和具有烃链的化合物所组成的组中。

另外，所述低吸湿性材料可以选自由聚砜、聚己内酯、聚偏二氟乙烯和聚4-甲基苯乙烯所组成的组中。

所述受体可以进一步包含粘合剂。

根据本发明的另一方面，提供一种纳米机械传感器，其中，其在传感器主体的表面上具有由上述任一受体形成的低吸湿性受体层。

在此，在所述低吸湿性受体层与所述传感器主体之间可以具有其他的膜。

所述其他的膜可以为自组织化膜。

根据本发明的进一步的另一方面，提供一种纳米机械传感器，其中，其具有复数个上述任意的传感器主体。

在此，所述复数个传感器主体中的至少一者可以具有所述低吸湿性受体层。

另外，所述传感器主体可以为膜型表面应力传感器。

发明的效果

根据本发明，通过使用吸湿性低的材料来作为受体材料，能够大幅减少样品中含有的水对纳米机械传感器的输出赋予的不利影响等，能够使适用于由纳米机械传感器进行的测定的范围变得更广。

附图的简单说明

图1A是聚砜包覆MSS的光学显微镜照片。上侧四张的照片示出刚包覆之后的状态，下侧四张的照片示出作为样品气体依次赋予水、己烷、甲醇、丙酮并进行测量后的状态。另外，每个四张的照片中涂布的膜厚以左上、右上、左下、右下的顺序变厚。

图1B是聚己内酯包覆MSS的光学显微镜照片。上侧四张的照片示出刚包覆之后的状态，下侧四张的照片示出作为样品气体依次赋予水、己烷、甲醇、丙酮并进行测量后的状态。另外，每个四张的照片中涂布的膜厚以左上、右上、左下、右下的顺序变厚。

图1C是聚偏二氟乙烯包覆MSS的光学显微镜照片。上侧四张的照片示出刚包覆之后的状态，下侧四张的照片示出作为样品气体依次赋予水、己烷、甲醇、丙酮并进行测量后的状态。另外，每个四张的照片中涂布的膜厚以左上、右上、左下、右下的顺序变厚。

图1D是聚4-甲基苯乙烯包覆MSS的光学显微镜照片。上侧四张的照片示出刚包覆之后的状态，下侧四张的照片示出作为样品气体依次赋予水、己烷、甲醇、丙酮并进行测量后的状态。另外，每个四张的照片中涂布的膜厚以左上、右上、左下、右下的顺序变厚。

图1E是作为比较例的羧甲基纤维素包覆MSS的光学显微镜照片。上侧四张的照片示出刚包覆之后的状态，下侧四张的照片示出作为样品气体依次赋予水、己烷、甲醇、丙酮并进行测量后的状态。另外，每个四张的照片中涂布的膜厚以左上、右上、左下、右下的顺序变厚。

图2是实施例中通过聚合物包覆的MSS分别对四种化合物进行测定的实验装置构成的概念图。

图3A是表示聚砜包覆MSS进行的四种化合物的测定结果的图。

图3B是表示聚己内酯包覆MSS进行的四种化合物的测定结果的图。

图3C是表示聚偏二氟乙烯包覆MSS进行的四种化合物的测定结果的图。

图3D是表示聚4-甲基苯乙烯包覆MSS进行的四种化合物的测定结果的图。

图3E是表示作为比较例的羧甲基纤维素包覆MSS进行的四种化合物的测定结果的图。

具体实施方式

由本申请发明人等的研究结果可获得下述见解，通过使用低吸湿性的材料来作为纳米机械传感器的受体，能够使纳米机械传感器对水的灵敏度被抑制于低值，并基于上述见解完成了本发明。由此，即使测定包含大量水的样品，也能够减轻含量大的水带来的不利影响，该不利影响是由于水使得纳米机械传感器的输出饱和、或即使未达到饱和也由于水引起的大量输出对其他微量成分的检测信号值赋予影响或将微量成分的检测信号掩蔽等。

作为低吸湿性受体材料，虽然未限定于此，但可举出低吸湿性聚合物，更具体地可举出由以下实施例来说明的聚砜(polysulfone)、聚己内酯(polycaprolactone)、聚偏二氟乙烯(poly(vinylidene fluoride))、和聚4-甲基苯乙烯(poly(4-methylstyrene))。

化学式1

化学式2

化学式3

化学式4

此外，虽未限定于此，但作为低吸湿性受体材料，一般也能够使用碳材料、氟化物、芳香族化合物、具有烃链的化合物等。

作为与上面举出的低吸湿性受体相反的吸湿性高的受体材料的一个例子，可举出羧甲基纤维素(carboxymethyl cellulose)。

化学式5

化学式5中，R＝H或CH₂CO₂H。

将其在以下的实施例说明中作为比较例来提出。

需要说明的是，除了上面举出的受体材料之外，还能够向传感器主体添加改善密合性的粘合剂类和其他成分。另外，在传感器表面上预先包覆自组织化膜，来提高其与低吸湿性的受体材料的亲和性，即，也能够经由自组织化膜来强化这样的受体材料与传感器主体表面之间的密合性。需要说明的是，优选以这样的目的混入受体材料的粘合剂类等成分和介于传感器表面与受体层之间的膜自身也是低吸湿性的物质。

另外，不仅使用单独的纳米机械传感器来进行测定，如上所述地，将样品提供给复数个纳米机械传感器，也能够基于这些纳米机械传感器并列获得的输出来进行分析。在使用这样的多通道纳米机械传感器来进行测定的情况下，虽然各纳米机械传感器所使用的受体层通常使用不同的受体材料，但所使用的受体层不必全为低吸湿性。即，提出在由复数个纳米机械传感器的输出进行样品的识别和成分的定量等情况下，将由这些传感器的多数输出，使用例如主成分分析、机械学习等数据处理、其他手法来分析(非专利文献2、非专利文献3)。在这样的手法中，虽然根据实际使用的受体材料、样品中包含的成分的种类和量、其他各种主要原因，存在各种各样的情况，但根据情况，通过仅使一部分纳米机械传感器的受体使用低吸湿性的物质，能够以所需要的精度来进行分析。

例如，认为在对像呼气一样含有的水分接近饱和状态的气体进行测定的情况下，通常优选在多通道的纳米机械传感器中尽可能多的通道(单个的纳米机械传感器)中使用低吸湿性的受体。但是，即使在这样的情况下，无论受体因测定对象气体中的水分而完全饱和，还是因被吸收的水引起的掩蔽导致几乎不能够检测到想要检测的成分的输出的情况，在仅受到下述相对轻度的不利影响的情况下，如高吸湿性的受体由于测定对象的气体中的水分使得想检测的成分的输出丧失线性、或降低一定程度灵敏度等，也能够将使用了低吸湿性受体的通道与使用了高吸湿性受体的通道组合并进行测定。由此，能够增加可用于测定对象的受体组合的多样性。这样的多通道纳米机械传感器能够是在单独的基材上形成复数个纳米机械传感器的形态。例如，专利文献1等中，记载了在单独的硅基板上形成复数个MSS。

另外，只要作为多通道纳米机械传感器中的一个通道的受体层使用了对水有特异响应的高吸湿性受体，就能够在与样品流路中的其他成分实质上相同的场所与其他成分在同一测定条件下同时进行样品的水蒸汽量(湿度)的测定。即，能够在多通道纳米机械传感器中嵌入湿度传感器。作为这样的高吸湿性受体，虽未限定于此，但例如能够使用上述例示的羧甲基纤维素。在这种情况下，虽然作为高吸湿性的受体难以选出对水以外的成分完全不响应的物质，但即使其他成分的影响表现在具有该高吸湿性受体层的通道的输出上，此种影响，也能够通过转用来自一个或复数个通道的输出来使用机械学习或其他手法来进行补偿，该一个或复数个通道具有原本以使用于检测其他成分为目的的其他受体层(高吸湿性、低吸湿性或这些的组合)。

纳米机械传感器由传感器主体来检测该受体层通过吸附一些被检体分子而被其引起的物理参数的变化。因此，本发明中能使用的传感器主体，只要能检测由包覆于其表面的受体层吸附被检体而引起的受体层的变化，其结构、操作等就没有特别的限制。例如，在使用表面应力传感器的情况下，检测包覆其表面的受体层吸附被检体从而在该受体层中引起的应力变化，且表面应力传感器输出信号。

作为由受体层包覆的传感器主体的一个例子，例如，虽然可举出专利文献1所记载的各种表面应力传感器，但其形状、材质、尺寸等没有特别的限定，能够使用任何物体。例如，能够优选示出以一处或复数处来支撑的薄片状构件。另外，例如，能够采用以双支撑梁等两处或更多处来支撑的薄片状物体、膜体等各种各样形态的物质。

此外，除了表面应力传感器以外，尽管由于测定原理不同使得不能够期待一定是完全相同的效果，但是，即使是例如利用水晶振子(Quartz Crystal Microbalance，QCM)或悬臂等振子、表面等离子体激元共振(Surface Plasmon Resonance，SPR)的传感器；测定添加了金属纳米粒子等导电性材料、碳黑等导电性材料的物质的电导率的传感器、应用电场效应晶体管或其原理的传感器等，也能够通过包覆低吸湿性受体来实现与上述相同的效果。

虽然在以下说明的实施例中，专门使用MSS来作为传感器主体，但要注意没有将本发明中能使用的传感器主体限定于此的意图。

用于将受体包覆于传感器主体表面并形成受体层的手法，可以为喷墨点样、浸涂、喷涂、旋涂、浇注、使用刮片来包覆等，没有特别的限定。需要说明的是，虽然在实施例中示出了将受体材料直接包覆于传感器主体表面的例子，但并没有排除其他方式的意图。只要将能采用的其他方式作为非限定的示例，就能够将经由自组织化膜的包覆或与其他聚合物等的混合物来作为受体层。

[实施例]

以下，通过实施例来进一步详细地说明本发明。理所当然地，以下实施例旨在帮助理解本发明，应当理解完全没有将本发明限定于此的意图。

＜实施例1＞由聚砜、聚己内酯、聚偏二氟乙烯、聚4-甲基苯乙烯包覆表面应力传感器测定四种化合物

以下，对使用上述四种聚合物的受体层的制作和测定的一实施例来进行说明。将由日本西格玛奥德里奇公司(シグマアルドリッチジャパン)获得的聚砜(产品编号428302-100G)、聚己内酯(产品编号440752-250G)、聚偏二氟乙烯(产品编号427152-100G)、聚4-甲基苯乙烯(产品编号182273-10G)分别溶解于N，N-二甲基甲酰胺并制成1g/L的溶液，然后，通过喷墨涂布于传感器主体(本实施例中是MSS主体，即传感器芯片)上。此时，为了加快涂布液的干燥，加热传感器芯片至80℃。需要说明的是，此次使用四通道的MSS，并通过改变液滴量来控制向各通道涂布的聚合物的量。具体而言，对左上的通道滴100滴，对右上的通道滴200滴，对左下的通道滴300滴，对右下的通道滴400滴。涂布后的传感器显微镜照片示于图1A～图1D。在此，传感器使用具有膜型结构的压阻型表面应力传感器(MSS)。尽管由于这样的MSS的结构、操作和其他特征对于本领域技术人员是周知的事项，因而省略了进一步的说明，但是，可根据需要来参照专利文献1、非专利文献1等。

此外，作为比较例，将作为高吸湿性物质的一种的羧甲基纤维素(从日本西格玛奥德里奇公司(シグマアルドリッチジャパン)获得，产品编号C5678-500G)通过与上述相同的方法来涂布于MSS。但是，在这种情况下，作为羧甲基纤维素的溶剂使用了纯水。将这样进行涂布后的传感器的显微镜照片示于图1E。

接着，根据图2所示的装置结构，使用聚砜、聚己内酯、聚偏二氟乙烯、聚4-甲基苯乙烯包覆MSS和作为比较例的羧甲基纤维素包覆MSS，进行对如下所示的四种化学物质的测定。具体而言，使用水(超纯水)、己烷、甲醇、丙酮这四种。需要说明的是，在图2中，将这四种物质统称为“液体试样”。

将上述样品分取到小瓶(vial)中，作为载气向其中流通由质量流量控制器(massflow controller)(MFC1)使得流量被控制为100mL/分钟的氮，将其作为顶部空间气体，该顶部空间气体包含在小瓶(vial)的顶部空间部分积存的一定量的样品蒸汽，并向容纳了传感器的密闭腔室导入。在此，在室温下进行样品蒸汽的取得。准备另一台质量流量控制器(mass flow controller)(MFC2)，并使其在相同条件下工作。但是，在此处连接到空的小瓶(vial)，此后通过连接到传感器腔室，导入了不包含样品蒸汽的氮。由此，促进吸附于受体层的样品的挥发，并进行了受体层的洗涤。间隔30秒钟反复了4次上述的样品导入和洗涤的循环。更具体而言，反复了四次由30秒钟的样品导入和30秒钟的洗涤构成的循环(合计240秒)。

将使用聚砜、聚己内酯、聚偏二氟乙烯和聚4-甲基苯乙烯包覆MSS的情况的测定结果分别示于图3A～图3D。另外，使用了比较例的羧甲基纤维素包覆MSS的测定结果示于图3E。图1A～图1E示出的MSS覆膜(受体层)的厚度以左上→右上→左下→右下的顺序增加，但图3A～图3E示出的图表将来自这四种厚度的MSS的输出重叠表示。无论是在使用哪种受体的情况下，都确认了增加层厚度会增大输出。经分析确认了由于增加层厚度，会使得作为整体获得的应力也增大，因此结果上，输出增大。(非专利文献4)

观察作为本发明实施例的聚砜、聚己内酯、聚偏二氟乙烯和聚4-甲基苯乙烯包覆MSS对于水、n-己烷、甲醇和丙酮蒸汽的输出信号(分别示于图3A～图3D的图表)，可知对于水的输出信号均很小。因此，由低吸湿性材料形成的受体层对水的吸收非常少，因此即使提供高湿度的样品气体，也当然会防止、抑制吸收大量的水从而使作为MSS输出信号的变化源头的物理量变化变得饱和、以及妨碍水以外的成分的吸附。另外，还减轻了其他的微量成分引起的MSS的微小的输出信号的掩埋在水引起的MSS的大输出信号中而被掩蔽。

此外，由图3A～图3D可知，对于其他三种蒸汽，即己烷、甲醇和丙酮的输出信号也根据受体材料有很大不同。另外，可以看出当观察对于甲醇的输出信号时，虽然是水溶性的溶剂，但在使用由低吸湿性材料形成的受体层的情况下的输出信号并不总是很小。因此，即使使用具有由低吸湿性材料形成的受体层的MSS，或者即使使用仅由使用了由低吸湿性材料形成的受体层的MSS构成的多通道传感器，也能够检测广泛种类的物质、或进行含有复数种气体的混合物的气体(例如，特定情况下产生的恶臭等)的检测。当然，根据情况通过与使用了由高吸湿性材料形成的受体层的MSS组合使用，也能够实现更多种的检测。

相对于此，当作为比较例进行测定时，观察作为来自由羧甲基纤维素形成了受体层的MSS的输出信号的图表的图3E，则其对于水的输出信号非常大，但对于其他三种蒸汽的输出信号与水的输出信号相比较非常小。使用了由这样的材料形成的受体层的MSS，例如，即使存在除水以外输出非常大信号的物质，也会通过在赋予高湿度的气体的情况下，受体层吸收大量的水并大大地膨胀从而使MSS的输出信号饱和等，使得不能够或难以检测该物质。这样的特性，从反面来看，也可以说是尽力排除夹杂物成分的影响，能够高精度地测定湿度。

工业实用性

如上述说明，根据本发明，即使是在样品中以大比例含有水的情况下，也能够容易地检测微量成分等，存在在工业上大量使用的可能性。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：国际公开第2011/148774号。

非专利文献

非专利文献1：G.Yoshikawa,T.Akiyama,S.Gautsch,P.Vettiger,and H.Rohrer,"Nanomechanical Membrane-type Surface Stress Sensor",Nano Letters11,1044-1048(2011)。

非专利文献2：Imamura,G.,Shiba,K.&Yoshikawa,G.Smell identification ofspices using nanomechanical membrane-type surface stress sensors.JapaneseJournal of Applied Physics 55,1102B1103(2016)。

非专利文献3：江藤力、吉川元起、今村岳，“基于最尖端嗅觉IoT传感器的气味数据挖掘(最先端嗅覚IoTセンサに基づくニオイデータマイニング)”，人工知能学会第31回全国大会予稿2B2-1(2017年)。

非专利文献4：Yoshikawa,G.,"Mechanical analysis and optimization of amicrocantilever sensor coated with a solid receptor film",Applied PhysicsLetters98,173502(2011)。

权利要求书(按照条约第19条的修改)

1.一种表面应力传感器用受体，其中，

其由低吸湿性材料构成。

2.如权利要求1所述的表面应力传感器用受体，其中，

所述低吸湿性材料选自由碳材料、氟化物、芳香族化合物和具有烃链的化合物所组成的组中。

3.如权利要求1或2所述的表面应力传感器用受体，其中，

所述低吸湿性材料选自由聚砜、聚己内酯、聚偏二氟乙烯和聚4-甲基苯乙烯所组成的组中。

4.如权利要求1～3中任一项所述的表面应力传感器用受体，其中，

其进一步包含粘合剂。

5.一种表面应力传感器，其中，

在传感器主体的表面上具有由权利要求1～4中任一项所述的受体形成的低吸湿性受体层。

6.如权利要求5所述的表面应力传感器，其中，

在所述低吸湿性受体层与所述传感器主体之间具有其他的膜。

7.如权利要求6所述的表面应力传感器，其中，

所述其他的膜为自组织化膜。

8.如权利要求5～7中任一项所述的表面应力传感器，其中，

其具有复数个所述传感器主体。

9.如权利要求8所述的表面应力传感器，其中，

所述复数个传感器主体中的至少一者具有所述低吸湿性受体层。

10.如权利要求5～9中任一项所述的表面应力传感器，其中，

所述传感器主体为膜型表面应力传感器。

Claims (10)

1.一种纳米机械传感器用受体，其中，

其由低吸湿性材料构成。

2.如权利要求1所述的纳米机械传感器用受体，其中，

所述低吸湿性材料选自由碳材料、氟化物、芳香族化合物和具有烃链的化合物所组成的组中。

3.如权利要求1或2所述的纳米机械传感器用受体，其中，

所述低吸湿性材料选自由聚砜、聚己内酯、聚偏二氟乙烯和聚4-甲基苯乙烯所组成的组中。

4.如权利要求1～3中任一项所述的纳米机械传感器用受体，其中，

其进一步包含粘合剂。

5.一种纳米机械传感器，其中，

在传感器主体的表面上具有由权利要求1～4中任一项所述的受体形成的低吸湿性受体层。

6.如权利要求5所述的纳米机械传感器，其中，

在所述低吸湿性受体层与所述传感器主体之间具有其他的膜。

7.如权利要求6所述的纳米机械传感器，其中，

所述其他的膜为自组织化膜。

8.如权利要求5～7中任一项所述的纳米机械传感器，其中，

其具有复数个所述传感器主体。

9.如权利要求8所述的纳米机械传感器，其中，

所述复数个传感器主体中的至少一者具有所述低吸湿性受体层。

10.如权利要求5～9中任一项所述的纳米机械传感器，其中，

所述传感器主体为膜型表面应力传感器。

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