JP2012513590A - 微多孔性有機ケイ酸塩材料を有する有機化学センサ - Google Patents

Abstract

有機化学分析質を検知するための検知素子が、開示される。検知素子は、第一の電極と、第二の電極と、第一及び第二の電極に近接する実質的に微多孔性で、非晶質であり、疎水性の分析質応答性有機ケイ酸塩材料と、を含む。
【選択図】図１

Description

本開示は、環境下にて有機化学分析質を検出又は監視するのに好適である検知素子などのセンサ及び検知素子に関する。このセンサ及び検知素子は、微多孔性有機ケイ酸塩材料を含む。

化学分析質、特に有機化学分析質を検出する能力は、環境監視などを含む多くの用途において重要である。このような有機分子の検出及び／又は監視は、例えば、レスピレータなどのパーソナル保護具のために所望される、いわゆるサポート終了日表示器に特定の用途を見出し得る。

例えば、光学的、重力測定的、微小電気機械など、化学分析質の検出のための多くの方法が開発されてきた。特に、静電容量、インピーダンス、レジスタンスなどの、電気特性を監視するセンサが開発されてきた。多くの場合、このようなセンサは、材料上への分析質の吸着、又は材料中への分析質の吸収の際に生じる、材料の電気的特性の変化に依存する。

本開示は、第一の電極と、第二の電極と、第一及び第二の電極に少なくとも近接して配置される微多孔性で疎水性の分析質応答性有機ケイ酸塩材料と、を含む、有機化学分析質を検知するための検知素子を含む。微多孔性有機ケイ酸塩材料は、孔体積を画定する。孔体積は微多孔性であり、孔体積の少なくとも５０％は、２ナノメートル未満の直径を有する孔を構成する。

有機化学分析質を検知する方法もまた開示される。これらの方法は、第一の電極と、第二の電極と、第一及び第二の電極に少なくとも近接して配置される実質的に微多孔性で、非晶質であり、疎水性の分析質応答性有機ケイ酸塩材料とを含む検知素子であって、実質的に微多孔性で、非晶質であり、疎水性の分析質応答性有機ケイ酸塩材料が、孔体積を画定する微小孔を含む検知素子、並びに、第一及び第二の電極と電気的に導通する動作回路であって、動作回路が第一及び第二の電極に電圧を印加することができ、検知素子の電気的特性の変化を検出することができる動作回路を含むセンサを提供する工程と、検知素子を１つ以上の有機化学分析質を潜在的に含有する環境に曝露する工程と、第一及び第二の電極に電圧を印加する工程と、検知素子の電気的特性を監視する工程と、を含む。いくつかの実施形態では、監視される電気的特性は、容量特性である。

平行プレート構成における、代表的な検知素子の側面図。 交互配置構成における代表的な検知素子の平面図。 図２の「２ａ」と印を付けられた線に沿って取られた、図２の代表的な検知素子の断面図。 交互配置構成における代表的な検知要素の斜視図。 直列に接続されている多重平行プレートコンデンサを含有する代表的な検知素子の側面図。 様々なレベルの有機分析質への曝露時間の関数としての、直列に接続されている多重平行プレートコンデンサを含有する検知素子の代表的な検知素子の測定された静電容量のプロット。

様々な図面において、類似参照記号は類似要素を表す。特に指定されない限り、本文献における全ての図面及び図は、一定の縮尺ではなく、異なる実施形態を例示する目的で選択される。特に、様々な構成要素の寸法は、例示的な用語としてのみ記述され、様々な構成要素の寸法間の関係が、図面から推測されるべきではない。

本開示は、第一の電極と、第二の電極と、第一及び第二の電極に少なくとも近接して配置される微多孔性で疎水性の分析質応答性有機ケイ酸塩材料と、を含む、有機化学分析質を検知するための検知素子を含む。

用語「静電容量」及び「静電容量に関連する特性」は、あらゆる電気的特性及びその測定値を包含し、これは電荷の付与（一定であっても時間的に変化しても）並びに電荷の付与中、及び／又は付与後の電気的特性の監視と一般的に関連する。このような特性は、静電容量だけではなく、インピーダンス、アドミタンス、抵抗、コンダクタンスなどをもまた含み、当該技術分野において既知の様々な方法で測定され得る。

これに関連して、用語「微多孔性の」及び「微多孔性」は、材料が有意な規模の、内部の相互接続された孔体積を有することを意味し、平均孔直径は、約２ｎｍ未満である。このような微多孔性により、有機分析質の分子（存在する場合）が、材料の内部孔体積に浸透し、内部の孔の中に定着することが可能となる。内部の孔の中のこのような分析質の存在は、材料の誘電特性を変化させることができ、それによって誘電率（又は他の任意の好適な電気的特性）の変化が観察され得る。理論又は機構によって制限されるものではないが、出願人は、微多孔性有機ケイ酸塩材料に基づく、開示される検知素子１／１０１は、誘電体材料の電気的特性の測定可能な変化が孔中の分析質分子の存在によって生じ得るという点において、有機分析質の検知に関する有利な特性を有し得ると考える。このような分析質応答性有機ケイ酸塩材料の微多孔性は、誘電性材料の、少量の有機分析質への高い感度に寄与し得る。

これに関連して、用語「分析質応答性誘電体材料」は、有機化学分析質を吸着することができ、有機分析質を材料中に吸収した際に材料の一定の電気的特性の測定可能な変化を呈し得る材料を意味する。

本明細書で使用するとき、用語「微多孔性」は、約２ナノメートル未満の平均孔直径サイズを有する多孔質材料を指す。

本明細書で使用するとき、用語「疎水性」は、水を引き付けない組成物を指す。組成物の疎水性は、所定の相対湿度において所定の時間にわたって水を吸着させることによるなどの様々な方法で測定することができる。

本明細書で使用するとき、用語「非晶質」は、実質的に結晶質ではない組成物を指す。典型的には、Ｘ線回折計で走査されると、組成物は、０．５〜８０度（２θ）で走査された場合に、検出可能なＸ線回折パターンを示さない。

本明細書で使用するとき、用語「有機ケイ酸塩」は、いくつかの有機官能基Ｒと共有結合した三次元シリカ網状組織（−Ｓｉ−Ｏ−Ｓｉ−）を含有するハイブリッドである組成物を指す（ここで、Ｒは、少なくとも１個のＳｉ−Ｃ結合によりシリカ網状組織に結合された炭化水素又はヘテロ原子置換炭化水素基である）。

本明細書で使用するとき、用語「炭化水素基」は、炭素と水素の結合を含有する基を指す。炭化水素基は、直鎖状、分枝状、環状又は芳香族であり得る。炭化水素基の例は、アルキル基及びアリール基である。

本明細書で使用するとき、用語「置換炭化水素基」は、酸素、窒素、イオウ、リン、ホウ素、ハロゲン（Ｆ、Ｃｌ、Ｂｒ又はＩ）、ヒ素、スズ又は鉛などの１個以上のヘテロ原子を含有する炭化水素基である。へテロ原子は、側枝又はカテナリーであり得る。

本明細書で使用するとき、用語「アルキル」は、飽和炭化水素である、アルカンのラジカルである一価の基を指す。アルキルは、直鎖状、分枝状、環状、又はこれらの組み合わせであることができ、典型的には１〜２０個の炭素原子を有する。いくつかの実施形態では、アルキル基は、１〜１８個、１〜１２個、１〜１０個、１〜８個、１〜６個、又は１〜４個の炭素原子を含有する。アルキル基の例としては、メチル、エチル、ｎ−プロピル、イソプロピル、ｎ−ブチル、イソブチル、ｔｅｒｔ−ブチル、ｎ−ペンチル、ｎ−ヘキシル、シクロヘキシル、ｎ−ヘプチル、ｎ−オクチル、及びエチルヘキシルが挙げられるが、これらに限定されない。

本明細書で使用するとき、用語「アリール」は、芳香族及び炭素環式である一価の基を指す。アリールは、芳香環に結合又は縮合した、１〜５個の環を有することができる。その他の環状構造は、芳香族、非芳香族、又はこれらの組み合わせであることができる。アリール基の例としては、フェニル、ビフェニル、テルフェニル、アンスリル、ナフチル、アセナフチル、アントラキノニル、フェナンスリル、アントラセニル、ピレニル、ペリレニル、及びフルオレニルが挙げられるが、これらに限定されない。

本明細書で使用するとき、用語「アルキレン」は、アルカンのラジカルである二価の基を指す。アルキレンは、直鎖、分枝状、環状、又はこれらの組み合わせであることができる。アルキレンは、多くの場合、１〜２０個の炭素原子を有する。いくつかの実施形態では、アルキレンは、１〜１８個、１〜１２個、１〜１０個、１〜８個、１〜６個、又は１〜４個の炭素原子を含有する。アルキレンのラジカル中心は、同一炭素原子上に（すなわち、アルキリデン）、又は異なる炭素原子上にあることができる。

本明細書で使用するとき、用語「アリーレン」は、炭素環式及び芳香族である二価の基を指す。この基は、結合している、縮合している、又はこれらの組み合わせである１〜５個の環を有する。その他の環は、芳香族、非芳香族、又はこれらの組み合わせであることができる。いくつかの実施形態では、アリーレン基は、５個以下の環、４個以下の環、３個以下の環、２個以下の環、又は１個の芳香環を有する。例えば、アリーレン基は、フェニレンであることができる。

本明細書で使用するとき、用語「アラルキレン」は、式−Ｒ^ａ−Ａｒ^ａ−（式中、Ｒ^ａはアルキレンであり、Ａｒ^ａはアリーレンである（すなわち、アルキレンがアリーレンに結合している））の二価の基を指す。

本明細書で使用するとき、用語「アルコキシ」は、式−ＯＲ（式中、Ｒは、アルキル、アリール又は置換アルキル基である）の基を指す。

本明細書で使用するとき、用語「アセトキシ」は、式−ＯＣ（Ｏ）ＣＨ_３（式中、Ｃ（Ｏ）は、カルボニル基Ｃ＝Ｏを指す）の基を指す。

本明細書で使用するとき、用語「アミノ」は、式−ＮＲ_２（式中、Ｒは、アルキル、アリール又は置換アルキル基である）の基を指す。

本明細書で使用するとき、用語「孔径」は孔の直径を指し、用語「孔体積」は孔の体積を指す。

本明細書で使用するとき、用語「ポロゲン」は、多孔質構造の形成を促進する材料を指す。溶媒は典型的には、本文脈においてポロゲンであるとは考えない。

本明細書で使用するとき、用語「焼成する」及び「焼成」は、揮発性材料を駆出して、有機ケイ酸塩網状組織を形成させるために、ゾルなどの混合物を融点よりも低い温度に加熱することを指す。

本明細書で使用するとき、用語「ゾル」は、焼成すると連続性有機ケイ酸塩網状組織を形成する、溶媒中に反応性有機ケイ酸塩材料を含有する前駆体混合物を指す。

図１及び図２に関し、本明細書では、少なくとも、第一の電極２０／１２０及び第二の電極３０／１３０に近接する分析質応答性有機ケイ酸塩層１０／１１０を含む検知素子１／１０１が開示される。これらの構成要素、並びにそれらの特徴及び特性、加えてそれらの他の任意の構成要素並びに特徴及び特性が次に説明される。これらの説明は、平行プレートコンデンサの一般的な構成に基づく代表的な検知素子を表す図１、並びに、交互配置コンデンサの一般的な構成に基づく代表的な検知素子を表す図２、図２ａ及び図３の双方を参照する。明確にするため、様々な構成要素が、異なる一般的な構成を表す図中において、異なる参照番号（一般的に、１００ずつ増える）を付された。しかしながら、特に指定されない限り、様々な構成要素の構造、組成、及び特性が、任意の容量設計の検知素子に適用可能であり得ることが離解されるべきである。

検知素子１／１０１は、分析質応答性有機ケイ酸塩層１０／１１０が第一の電極２０／１２０及び第二の電極３０／１３０と十分に密に近接し、それによって層中に含有される分析質応答性有機ケイ酸塩材料が、電極によって形成される電界と相互作用することができるように構成される。検知素子１／１０１の動作中、分析質応答性有機ケイ酸塩層１０／１１０は、１つ以上の分析質を吸収した際に電気的特性の変化を呈する。一実施形態において、電気的特性は、静電容量、又は以下に記載される静電容量に関連する特性である。このような、静電容量に関連する特性の変化は、第一の電極２０／１２０及び第二の電極３０／１３０の間に電荷の差を付与し（例えば、電極に電圧差を付与することによって）、分析質の存在に反応する検知素子の特性を監視することによって測定することができる。本明細書において後に記載されるように、このような監視は、動作回路２８／１２８の使用によって行うことができる。

分析質応答性有機ケイ酸塩層１０／１１０（用語「層」は一般に使用され、任意の物理的構成を包含する）は、非晶質で、微多孔性であり、疎水性の分析質応答性有機ケイ酸塩材料を少なくとも部分的に含む。

有機ケイ酸塩組成物は、シリカ枠組並びに有機官能基を含有するハイブリッド組成物である。有機ケイ酸塩組成物は、Ｓｉ−Ｏ−Ｓｉ結合による架橋を介して結合されているＲＳｉＯ_３単位を含む（式中、Ｒは、炭化水素基又は置換炭化水素基であり得る）。Ｒ基は、Ｓｉ−Ｃ共有結合によりシリカマトリックスに結合する。

本開示の有機ケイ酸塩組成物は、比較的高い有機物含量を有するものとして、説明され得る。有機ケイ酸塩組成物の比較的高い有機物含量は、望ましい特性であるが、それは、下記に示すように、有機ケイ酸塩組成物の疎水性に影響するからである。比較的高い有機物含量は、数々の方法で達成することができる。例えば、高い有機物含量を与えるために、Ｒがメチル、エチル、プロピルなどの比較的小さな炭化水素基である多数のＲＳｉＯ_３単位が存在してもよく、あるいは、Ｒがアリールなどの比較的大きな炭化水素基である少数のＲＳｉＯ_３単位が存在してもよい。

非常に様々な有機官能基（ＲＳｉＯ_３単位におけるＲ基）が、有機ケイ酸塩組成物における使用に好適である。有機官能基は、メチル、エチル、プロピル、メチレン、エチレン、プロピレン及びこれらに類するものなどの単純なアルキル又はアルキレン基であってもよく、より複雑なアルキル又はアルキレン基であってもよい。有機官能基はまた、アリール、置換アリール又はこれらに類するものなどの芳香族基であってもよい。いくつかの実施形態では、Ｒ基は、２個のＳｉＯ_３単位（例えば、−Ｏ_３Ｓｉ−Ｒ−ＳｉＯ_３−）に結合するアルキレン又はアリーレン基であり得る。好適なアリール及びアリーレン基の例としては、例えば、フェニル、トリル、ナフチル、フェニレン、トリレン、ビスフェニレン及びこれらに類するものが挙げられる。

いくつかの実施形態では、有機ケイ酸塩組成物は、少なくともある程度の芳香族成分（すなわち、アリール及び／又はアリーレン基）を含有し得る。アリーレン基（ここで、アリーレン基は２個のケイ素原子に結合している）は特に好適であるが、それは、剛性芳香環が、望ましい孔構造を提供するのを助けると考えられているからである。中でも特に好適なアリール及びアリーレン基は、フェニル、ナフチル及びビスフェニレンである。

有機基が自然に親油性（文字通り「油を好む」）であり、水よりも他の有機官能種と適合性を有することから、有機ケイ酸塩の有機官能性は、組成物を疎水性にする傾向がある。この組成物の疎水性により、これらの材料は、大気からの水分を吸着する傾向が少ない。大気からの水分の吸着は望ましくなく、特に、これらの材料が、有機分子の検知が所望されるセンサー用途に利用される場合には望ましくない。孔が実質的に環境から水分を吸着する場合には、対象とする有機分析質を吸着する孔の能力は、減少する。しかしながら、組成物は疎水性であるので、これにより、環境からの水分に比較的影響されない。

疎水性は、様々な方法で測定することができる。特に有用である１つの方法は、疎水性で、非晶質であり、実質的に微多孔性の有機ケイ酸塩組成物を、吸着した水及び大気中の水が平衡に達するように、十分な時間にわたって室温にて相対湿度５０％などの所与の相対湿度に曝露することである。この平衡状態は、時間対吸着のグラフをプロットし、プロファイル曲線がプラトーに達する個所を観察することにより、判定することができる。本開示のいくつかの実施形態では、フィルムは、平衡において、相対湿度５０％にて利用可能な孔体積の５０％未満まで水を吸着する。いくつかの実施形態では、フィルムは、平衡において、相対湿度５０％にて利用可能な孔体積の３０％未満まで水を吸着する。

有機ケイ酸塩組成物は、非晶質又は実質的に非晶質であり、つまり、これらは結晶化度を有さない又は本質的に有さない。理論に束縛されるものではないが、非晶質有機ケイ酸塩は、より多様な多孔質構造を含有し、それにより、例えば、検知用途において、広範囲の分析質に対して好適になると考えられている。

有機ケイ酸塩組成物の非晶質性は、例えば、Ｘ線回折計の使用により、判定することができる。典型的には、Ｘ線回折計で走査されると、組成物は、０．５〜８０度（２θ）で走査された場合に、検出可能なＸ線回折パターンを示さない。「識別可能なＸ線回折パターンがない」とは、Ｘ線回折データが実質的に無特性であり、構造規則性の存在に対する証拠を全く示さないことを意味する。

有機ケイ酸塩組成物は、実質的に微多孔性である。多孔質材料は、多くの異なる方法で分類されている。多孔質材料についてのＩＵＰＡＣの定義は、２ナノメートル未満の平均孔直径を有する多孔質材料は微多孔性として定義し、２〜５０ナノメートルの平均孔直径を有する多孔質材料はメソ細孔性として定義し、５０ナノメートル超過の平均孔直径を有する多孔質材料はマクロ孔性として定義する。本開示の有機ケイ酸塩組成物では、総孔体積の少なくとも５０％は、２．０ナノメートル以下の直径を有する孔を構成する。いくつかの実施形態では、総孔体積の少なくとも５０％は、０．６〜１．３ナノメートルの直径を有する孔を構成する。

いくつかの実施形態では、本開示のフィルムは、ポロゲンを含まない前駆体混合物から調製される。この文脈では、ポロゲンは、多孔質構造の形成において助けとなる前駆体混合物に添加される化学的化合物を指す。異なる目的で反応混合物に添加される溶媒及び他の成分は、ポロゲンとは考えない。他の実施形態では、所望によるポロゲンは、所望される場合に、添加され得る。

典型的には、前駆体混合物は、調製され、基材上にコーティングされ、加熱されて乾燥して、及び／又は、前駆体混合物を焼成して、疎水性で非晶質であり、実質的に微多孔性の有機ケイ酸塩フィルムを形成する。

前駆体混合物は、様々な異なる材料を含有し得る。中でも、好適な材料は、溶媒、少なくとも２つの加水分解性シラン、所望によるポロゲン、及び、酸である。使用される酸が水性酸ではない場合、所望による水もまた添加され得る。

典型的には、前駆体混合物は、少なくとも１つの溶媒を含有する。１つ又は複数の溶媒は、反応物質を可溶化し、希釈し、前駆体混合物中で生じる加水分解及び縮合反応のための反応媒質として機能する。溶媒は、少なくとも部分的に反応物質を可溶化することができるべきである。典型的には、溶媒は、水と少なくとも部分的に相溶性であるが、それは、多くの場合、水性酸などの水性試薬が使用されるからである。好適な溶媒としては、例えば、メタノール、エタノール、イソプロパノール、ｔｅｒｔ−ブタノールなどのアルコール、アセトン及びメチルエチルケトンなどのケトン、テトラヒドロフランなどのエーテル、エチルアセテートなどのエステル、ジメチルホルムアミドなどのアミド、又はこれらの混合物が挙げられる。

前駆体混合物は、少なくとも１つの加水分解性シランを含有する。加水分解性シランは、一般式Ｒ_ｎ−｛Ｓｉ（Ｚ）_４−ｎ｝_ｘの化合物である（式中、Ｒはｘ価の炭化水素又は置換炭化水素基であり、ｘは１以上の整数であり、Ｚは加水分解性基であり、ｎは１、２又は３の整数である）。好適な加水分解性基としては、アルコキシ、ハロ、アセトキシ又はアミノ基が挙げられる。いくつかの実施形態では、ｘは１であり、ｎは１であり、Ｒ基は、アルキル又はアリール基などの炭化水素基であり、Ｚはアルコキシである。他の実施形態では、Ｘは２であり、ｎは１であり、Ｒはアルキレン、アリーレン、アラルカレン基であり、Ｚはアルコキシである。

いくつかの実施形態では、前駆体混合物は、少なくとも２つの加水分解性シランを含有する。いくつかの実施形態では、前駆体混合物は、一般構造Ｒ^１−Ｓｉ（ＯＲ^２）_３の加水分解性シラン、並びに、一般構造（Ｒ^３Ｏ）_３Ｓｉ−Ｒ^５−Ｓｉ（ＯＲ^４）_３の加水分解性シラン（式中、Ｒ^１、Ｒ^２ _、Ｒ^３及びＲ^４はアルキル又はアリール基であり、Ｒ^５はアルキレン、アリーレン又はアラルキレン基である）を含有する。好適な加水分解性シランの例としては、例えば、メチルトリメトキシシラン、エチルトリメトキシシラン、フェニルトリメトキシシラン、４，４’−ビス（トリエトキシシリル）−１，１’−ビフェニル及びこれらに類するものが挙げられる。いくつかの実施形態では、前駆体混合物は、フェニルトリメトキシシラン及び４，４’−ビス（トリエトキシシリル）−１，１’−ビフェニルを含有する。

前駆体混合物中に存在する加水分解性シランの量は、加水分解性シラン（１つ又は複数）の性質、及び、形成された有機ケイ酸塩組成物の所望の特性に応じて様々である。典型的には、加水分解性シランは、前駆体混合物の総重量に基づいて、約５〜２５重量％の範囲で存在する。

前駆体混合物は、加水分解性シランの加水分解及び縮合反応を促進するために、酸を含有する。前駆体混合物と相溶性があり、加水分解反応を助ける限り、任意の好適な酸を使用することができる。好適な酸の例としては、例えば、有機酸、ホスホニウム酸、アンモニウム酸及び鉱酸が挙げられる。有機酸としては、例えば、酢酸などのカルボン酸、アルキルスルホン酸などのスルホン酸、一般式ＲＰ（Ｏ）（ＯＨ）_２（式中、Ｒはアルキル基である）のアルキルホスホン酸などのホスホン酸、一般式Ｒ_２Ｐ（Ｏ）（ＯＨ）（式中、各Ｒは独立してアルキル基である）のアルキルホスフィン酸などのホスフィン酸が挙げられる。ホスホニウム酸としては、Ｒ_３ＰＨ^＋（式中、各Ｒは独立して水素又はアルキル又はアリール基である）の型の化合物が挙げられる。アンモニウム酸としては、Ｒ_３ＮＨ^＋（式中、各Ｒは独立して水素又はアルキル又はアリール基である）の型の化合物が挙げられる。鉱酸は、例えば、塩酸、硝酸、硫酸、ホウ酸、リン酸、フッ化水素酸及びこれらに類するものが挙げられる無機酸である。典型的には、鉱酸は、水性形態で使用され、すなわち、酸は水に溶解される。一般に、これらの入手しやすさ及び使用しやすさにより、水性鉱酸が使用される。いくつかの実施形態では、酸は、水性塩酸である。

前駆体混合物は、所望により、少なくとも１つのポロゲンを含有してもよい。ポロゲンは、多孔質構造の形成を促進する物質である。ポロゲンは、有機ケイ酸塩組成物に共有結合するようにならず、典型的には、焼成中又は焼成後に有機ケイ酸塩組成物混合物から除去される。一般に、ポロゲンは、前駆体混合物中の反応性種と反応するいかなる官能基も含有しない。

好適なポロゲンの例としては、ポリエーテル界面活性剤、アルキルアンモニウム塩、１，３，５−トリメチルベンゼンなどの炭化水素及びこれらに類するものが挙げられる。いくつかの実施形態では、ポロゲンは、例えば、ハロゲン化物対イオンとのアルキルアンモニウム塩などの、アンモニウム塩である。このような塩の例としては、テトラメチルアンモニウムクロリド、テトラエチルアンモニウムクロリド、テトラプロピルアンモニウムクロリド、テトラ−ｎ−ブチルアンモニウムクロリド、オクチルトリメチルアンモニウムブロミド、デシルトリメチルアンモニウムブロミド、セチルトリメチルアンモニウムブロミド及びこれらに類するものが挙げられる。１つの特に好適なポロゲンは、オクチルトリメチルアンモニウムブロミドである。典型的には、ポロゲンは、１〜２５重量％の範囲の量で前駆体混合物中に存在する。

他の所望による添加物は、微多孔性構造の形成を妨げない限り、前駆体混合物に添加することができる。具体的には、特に水性酸が使用されない場合には、水が前駆体混合物に添加され得る。

前駆体混合物は、基材上に堆積させて、層を形成することができる。基材は、センサ素子の一部を形成してもよく、あるいは、前駆体が分析質感受性有機ケイ酸塩材料の予備形成フィルムを形成するように、一時的な基材であってもよい。前駆体は、例えば、スピンコーティング、ディップコーティング、スプレーコーティング、ロールコーティングなどの様々なコーティング技術、並びに、例えば、インクジェット印刷及びスクリーン印刷などの印刷技術を用いて、基材上に付着させることができる。スピンコーティングが特に有用である。

基材は、その上に有機ケイ酸塩層を調製することが望ましく、並びに、有機ケイ酸塩層を形成するための焼成工程に耐えることができる、任意の好適な基材であり得る。基材の例としては、例えば、金属、金属酸化物板及び箔、ガラス板、セラミックス板及び物品、シリコンウェハー、ポリイミド及びシリコーンなどの焼成工程に耐えることができるポリマー及びこれらに類するものが挙げられる。

いったん基材上に前駆体混合物をコーティングすると、これは、混合物を乾燥及び焼成するために、典型的には、加熱処理にかけられる。加熱工程は、例えば、３０〜１００℃といったように、比較的低温であり得る。一般に、加熱工程は、より高い温度を伴う。典型的には、コーティングされた前駆体混合物は、約２００℃〜約５００℃の範囲の温度に加熱される。いくつかの実施形態では、加熱工程は約４５０℃である。

加熱工程に続き、追加的な所望による加工工程が行われてもよい。例えば、処理剤での有機ケイ酸塩フィルムの処理が、望ましいものであり得る。処理剤は、有機ケイ酸塩フィルムを更に改質して、フィルムを例えば、より疎水性にすることができる。好適な処理剤の例は、ヘキサメチルジシラザンなどのアルキルジシラザンのようなオルガノシラン処理剤である。層をヘキサメチルジシラザンの蒸気に曝露することにより、このような処理を行うことができる。

センサ素子は、電極並びに有機ケイ酸塩層を含む。図１及び図２に関連し、第一の電極２０／１２０及び第二の電極３０／１３０は、任意の好適な導電性材料を含むことができる。十分な全体導電性がもたらされる限り（例えば、電極材料は約１０^−２オーム／メートルの一定抵抗率を含む）、異なる材料（導電性、及び／又は非導電性）の組み合わせが、異なる層又は混合物として使用され得る。第一の電極及び／又は第二の電極を作製するために使用され得る材料の例としては、有機材料、無機材料、金属、合金、及び様々な混合物、並びにこれらの材料のいずれか、又は全てを含む複合材料が挙げられるがこれらに限定されない。いくつかの実施形態では、コーティング（例えば、蒸気コーティング、スパッタコーティングなど）された金属、若しくは酸化金属、又はこれらの組み合わせが使用され得る。好適な導電性金属としては、例えば、アルミニウム、スズ、酸化インジウムスズ、金、銀、プラチナ、パラジウム、銅などが挙げられる。一実施形態では、両方の電極が同じ材料を含み、別の実施形態では、第一及び第二の電極が異なる材料を含む。

様々な実施形態において、電極のいずれか、又は両方が有機分析質に対して透過性であり得る。このような電極の透過性は、図１に示される平行プレートコンデンサの一般的な方法で構成される検知素子の場合において特に有用であり得る。このような場合、第二の電極３０が透過性であると、有機分析質は、縁部１５を経由して（これは、より遅いプロセスであり得る）分析質応答性有機ケイ酸塩層１０に入らなくてはならないわけではなく、主表面１３を通って分析質応答性有機ケイ酸塩層１０に入ることができる。同様に、第一の電極２０が透過性である場合、有機分析質は主表面１１を通って分析質応答性有機ケイ酸塩層１０に入ることが可能であり得る（しかしながら、支持体４０が分析質に対して透過性でない場合、第一の電極２０を透過性構成で提供することは有用でないことがある）。

様々な実施形態において、電極は非連続的であることによって分析質透過性であることができる。これに関連して、用語「非連続的」は、電極が互いに電気的に接触しないユニット（スポット、アイランドなど）を含むことを意味しない。むしろ、非連続的とは、電極の全体的な境界の内部において、いくつかの領域が導電性の材料を含まないことを意味する。このような非連続的な電極は微視的に非連続的であり得る。例えば、電極は、導電性材料の粒子（例えば、ナノ粒子）を含むゾルの堆積（例えば、コーティング、インクジェット印刷などによる）によって形成され得る。このような場合、電極は、電極が導電性であることを確実にするために、十分に接触する導電性粒子を含むが、電極を有機分析質に対して透過性とするために粒子間に十分な空間を有する。他の実施形態では、電極は巨視的に非連続的な構造を含み得る。例えば、導電性材料が蒸気コーティングされた金属（これは典型的には不透過性である）を含む場合、導電性金属は、連続的な層としてではなく、あるパターン（例えば、格子パターンで又は「櫛形」パターンで）で堆積され得る。

図１及び図２に関連し、第一の電極２０／１２０の電気的にアクセス可能な領域２５／１２５、及び第二の電極３０／１３０の電気的にアクセス可能な領域３５／１３５が提供され、それにより、これらの領域を通じて動作回路２８／１２８を検知素子に接続することが可能である。このような電気的にアクセス可能な領域は、任意の便利な位置に提供され得る。例えば、このような電気的にアクセス可能な領域は、図１及び図２の代表的な図の電極の縁部に図示され、図３の代表的な図の電極の主表面（１２３及び１３３）に図示される。一実施形態では、接続装置（例えば、接触パッド、又はタブ）２２／１２２が、第一の電極２０のアクセス可能な領域と接触するように（例えば、取り付けられる）位置付けられ、それによって検知素子１／１０１と動作回路２８／１２８との間に電気的接続をつくることができる（例えば、ワイヤ２４／１２４を取り付けることによって）。同様の接続装置３２／１３２を、第二の電極３０のアクセス可能な領域と接触するように、同様に位置付けることができる。

一実施形態では、図１の断面図の代表的な方法に示される、平行プレートコンデンサの一般的な方法で構成される、検知素子１が製造され得る。このような構成では、検知素子は２つのほぼ平面的な、平行な、対向する電極を含み、分析質応答性有機ケイ酸塩層が電極の間に存在して、２つの電極の間の直接的な電気的接触を防ぐ。

このような検知素子を作製するための代表的なプロセスでは、支持体４０（これは材料の連続的なスラブ、層、又はフィルムであり得る）が提供され、これは、電極の少なくとも一方に近接し、完成した検知素子に物理的強度、及び一体性を提供するように機能し得る。ガラス、セラミック、プラスチックなどを含む、任意の好適な材料が使用されてもよい。大規模生産では、ポリマーフィルム（ポリエステルなど）が使用されてもよい。いくつかの実施形態では、支持体は分析質透過性材料（例えば、シリコーンゴム、微多孔質膜など）である。

一実施形態では、第一の電極２０として機能する導電性層が、支持体４０上に提供される。導電性層は、導電性及び非導電性材料のブレンド又は混合物を包含する、上記の材料のいずれかを含んでもよく、スピンコーティング、ディップコーティング、スクリーン印刷、トランスファーコーティング、スパッタコーティング、物理蒸着、化学蒸着、又はこれらの方法の２つ以上の組み合わせが挙げられるがこれらに限定されない任意の好適な方法によって堆積され得る。別の実施形態では、導電性層は、支持体４０の上に予め作製されたフィルム（例えば、金属フォイル、導電性テープなど）を配置することによって提供され得る。この第一の電極２０は、既述のように、連続的な層として、又は非連続的な層として提供され得る。

一実施形態では、電極２０の第一表面２１が、支持体４０の第一表面４１の少なくとも一部に近接するように、及び／又はこれに接触するように、導電性層が提供される。別の実施形態では、電極２０の第一表面２１の少なくとも一部と、支持体４０の第一表面４１との間に任意の層が存在する。このような任意の層は、この層が検知素子１の機能に干渉しない限りにおいて、任意の目的（第一の電極２０と支持体４０との間の結合の向上など）で使用され得る。

検知素子１の製造において、分析質応答性有機ケイ酸塩層１０がまた提供される。一実施形態では、分析質応答性有機ケイ酸塩層１０は、層１０の第一主表面１１が、第一の電極２０の第二表面２３の少なくとも一部と直接接触するように（動作回路への接続のために、第一の電極２０の少なくとも一部をアクセス可能なままにしておく）、提供される。

一実施形態では、分析質応答性有機ケイ酸塩材料は、上記のように、例えば、スピンコーティング、ディップコーティング、印刷技術及びこれらに類するものが挙げられるが、これらに限定されないコーティングプロセスによって、第一の電極に近接して配置される。ある実施形態では、誘電体材料は、検知素子の性能を損なうように作用し得る、欠陥、ピンホールなどの存在を極小化するような方法で堆積される。

分析質応答性有機ケイ酸塩層１０はまた、他の方法でも提供され得る。例えば、分析質応答性有機ケイ酸塩材料の予備形成されたフィルムが、第一の電極の第二表面上に配置され得る。別の実施形態では、分析質応答性有機ケイ酸塩材料は、特定の形態（例えば、粉末として、懸濁液として、又はゾルとして）で提供することができ、このような形態で第一の電極上に堆積されて粒子状コーティングを形成することができる。所望される場合には、このような材料は、分析質応答性有機ケイ酸塩材料の連続的なマトリックスを形成するように固化され得る。

様々な実施形態において、第二の電極３０は、第二導電性層を、分析質応答性有機ケイ酸塩層１０に近接して配置することによって形成することができる。第二の電極３０は、上記の導電性材料を含んでもよく、上記の方法で堆積されてもよい。ある実施形態では、（特に、支持体４０が分析質に対して不透過性である場合）、第二の電極は、有機分析質に対して透過性となるように、非連続的な構造（やはり先述のように）を含んでもよい。

図１に関連し、任意の保護カバー、又は障壁５０が、電極の少なくとも一方に近接して提供され得る。一実施形態では、カバー層５０を、第二の電極３０の上に配置することができる（第二の電極３０の一領域を電気的接触のために、アクセス可能なままにしておく）。いかなるこのようなカバー層５０も、検知素子１の機能に有意に干渉するべきではない。例えば、対象の分析質が分析質応答性有機ケイ酸塩層１０に到達するためにカバー層５０を通過しなくてはならないように検知素子が構成されている場合、カバー層は分析質に対して十分に透過性であるべきである。

カバー層５０は、コーティング（例えば、スピンコーティング、ディップコーティング、溶媒コーティング、蒸気コーティング、トランスファーコーティング、スクリーン印刷、フレキソ印刷など）を含む、当該技術分野において既知の任意の方法で堆積されてよい。別の実施形態では、カバー層５０は、予め作製した層（例えば、フィルム又はテープ）を含むことができ、これは第二の電極３０上に配置される。一実施形態では、カバー層５０は、カバー層５０の第一表面５１が、第二の電極３０の第二表面３３の少なくとも一部と直接接するように提供される。カバー層の第二表面は、検知素子の最も外側の表面であってもよく、又はそれ自体が所望により追加のコーティング又は層を受けてもよい。

一実施形態では、第一の電極２０の第二表面２３と、分析質応答性有機ケイ酸塩層１０の第一主表面１１は直接接触し、その間に介在する層（１つ又は複数）は存在しない。同様に一実施形態では、第二の電極３０の第一表面３１と、分析質応答性有機ケイ酸塩層１０の第二主表面１３は直接接触し、その間に介在する層（１つ又は複数）は存在しない。このような実施形態が図１に図示される。しかしながら、他の任意の層が、第一の電極２０と分析質応答性有機ケイ酸塩層１０との間に、及び／又は、第二の電極３０と分析質応答性有機ケイ酸塩層１０との間に、存在し得ることもまた想到される。このような場合、電極のいずれか又は両方は、分析質応答性有機ケイ酸塩材料の表面の一部又は全てと直接接触していなくてもよい。例えば、電極と分析質応答性有機ケイ酸塩層との間の結合を向上させるために、結合層（１つ又は複数）が使用されてもよい。あるいは、電極間のアーク放電の可能性を極小化するために、不動態層（１つ又は複数）（例えば、二酸化ケイ素の層）が、分析質応答性有機ケイ酸塩層の表面と電極表面との間に配置されてもよい。いくつかの実施形態では、複数のこのような任意の層が使用され得る、あるいは、単一の層が複数の機能を果たし得る。いずれかのこのような任意の層（１つ又は複数）、例えば上記の結合層、不動態層、保護層、カバー層などが、これらが検知素子の望ましい機能に有意に干渉しない限りにおいて、あらゆる目的のために使用され得る。例えば、分析質が分析質応答性有機ケイ酸塩層１０に到達するために任意の層を通過しなくてはならないように検知素子が構成されている場合、任意の層は、対象の分析質に対して十分に透過性であるべきである。

一般的に、様々な層の縁部が互いにぴったり重なるように位置合わせされ得る（図１の代表的な実施形態に表されるように）。あるいは、様々な相が他の層と重なり合い、及び／又はいくつかの層の縁部が他の層に対して奥にあってもよい。

第一の電極２０上の分析質応答性有機ケイ酸塩材料の堆積において、電気的にアクセス可能な領域２５が第一の電極２０上に提供されて、電極と動作回路との間の電気的接触を可能にするべきである。同様に、カバー層が第二の電極３０の上に配置される場合、電気的にアクセス可能な領域３５が同様に提供されるべきである。このような電気的にアクセス可能な領域は、任意の便利な位置に提供され得る。一実施形態では、接続装置（例えば、接触パッド、タブなど）２２を、第一の電極２０のアクセス可能な領域２５と電気的に接触させてもよい。同様に、接続装置３２を、第二の電極３０のアクセス可能な領域３５と同様に接触させてもよい。

別の実施形態では、交互配置コンデンサの一般的な方法で構成される、検知素子が製造され得る。交互配置検知素子の代表的な実施形態が、図２の平面図、図２ａの断面図（図２の「２ａ」と印を付けられた線に沿って取られた）、及び図３の斜視図に図示される。これに関連して、用語「交互配置の」は交互配置構成で存在する少なくとも２つの電極を含む、任意の構成を包含する。このような構成は、交互配置櫛形パターン（図２、図２ａ、及び図３に表される）に加えて、当該技術分野において既知の交互配置の螺旋状、又はＳ字状パターンを含む。これらの設計は全て、（少なくとも）２つの電極が、電極に近接して存在する分析質応答性有機ケイ酸塩層と、概して同一平面上の交互配置構成にあるように存在するという共通の特徴を有し、その結果、電極の間に電界が形成されたときに、層中に含有される分析質応答性有機ケイ酸塩材料は、電界と相互作用することができる。分析質応答性有機ケイ酸塩層／材料は、電極の間に提供され得る（すなわち、２つの電極の平面内、並びに、第一及び第二の電極の接近部の任意の２点の間の最も近い直線通路に介在する）。あるいは、分析質応答性有機ケイ酸塩層／材料は、電極と同一平面上ではないが、分析質応答性有機ケイ酸塩材料が、少なくとも、２つの電極の近接する区分の間に形成される周辺電界に曝露されるように提供され得る。更に別の代替的実施形態では、分析質応答性有機ケイ酸塩層が、両方の位置に提供され得る。

交互配置電極は、材料のパターン化された堆積のための既知の方法（例えば、マスク蒸着、スクリーン印刷、インクジェット印刷）のいずれかによって、２つの交互配置パターンで導電性材料を堆積することによって提供され得る。電極のパターンの、特定の幾何学的／寸法的特性（間隔、高さ、長さなど）は、所望により設計されてもよい。

一実施形態では、交互配置電極は、上記の材料からなり得る支持体１４０上に提供される。第一の電極１２０及び第二の電極１３０は、典型的には、同じ支持体１４０上に提供される。一実施形態（図２、図２ａ及び図３に図示される）では、第一の電極１２０の第一表面１２１、第二の電極１３０の第一表面１３１は両方とも、支持体１４０の第一表面１４１の少なくともいくらかの部分と直接的に接する。別の実施形態では（図示されない）、任意の層（１つ又は複数）が、上記の任意の層と同様に、電極１２０及び／又は１３０と、支持体１４０との間に存在し、同じ問題及び制約を受ける場合がある。

図２、図２ａ、及び図３の代表的な実施形態に例示されるように、第一の電極１２０及び第二の電極１３０のパターン化された堆積は、支持体１４０の表面１４１の（又はその上の任意の層の表面の）領域を曝露されたままにすることがある。分析質応答性有機ケイ酸塩層は、次に、平行プレート型の検知素子に関して上述したものと同様の方法により、支持体１４０上に堆積され得る。堆積した分析質応答性有機ケイ酸塩材料はしたがって、２つの電極の間の空間（例えば、図２、図２ａ及び図３に表される空間１１７）を埋める。したがって、この実施形態では、分析質応答性有機ケイ酸塩層１１０の第一表面１１１は、支持体１４０の表面１４１の少なくとも一部と直接接する。図２ａ及び図３に表されるように、堆積プロセスによってまた、分析質応答性有機ケイ酸塩層１１０が、第一の電極の第二表面１２３、及び第二の電極の第二表面１３３を覆い、これと接触することがある（例えば、電極の一方又は両方がマスクされるなどして、堆積が選択的に行われない限り）。したがって、様々な実施形態において、分析質応答性有機ケイ酸塩層１１０の第一表面１１１は、第一の電極１２０の第二表面１２３と、及び／又は第二の電極１３０の第二表面１３３と、直接接触する。

別の実施形態では、任意の層（図２、図２ａ又は図３に図示されない）が、第一の電極１２０の第二表面１２３の上、及び／又は第一の電極１３０の第二表面１３３の上に提供され得る（この実施形態では、分析質応答性有機ケイ酸塩層１１０の第一表面１１１と、第一の電極１２０の第二表面１２３及び／又は第二の電極１３０の第二表面１３３との間の直接的接触は、生じないことがある）。このような任意の層は、上記のものと同様の目的（保護など）を果たすことがある。しかしながら、交互配置型の検知素子では、電極の一方又は両方の上の任意の層は、分析質が、分析質応答性有機ケイ酸塩層１１０の領域１１７に到達するために任意の層を通過する必要がない場合があるため、分析質に対して必ずしも透過性である必要はない場合がある。

一実施形態では、任意のカバー層１５０（保護層、絶縁層、装飾層などとして働き得る）が提供され、その結果、カバー層１５０の第一表面１５１は、分析質応答性有機ケイ酸塩層１１０の第二表面１１３の上に堆積され得る。任意のこのようなカバー層は、検知層の機能に有意に干渉するべきではない（例えば、これは対象の分析質に対して十分に透過性であるべきである）。このカバー層は、任意の既知のコーティングプロセスによって堆積されるコーティングを含み得る（例えば、スピンコーティング、ディップコーティング、溶媒コーティング、蒸気コーティング、トランスファーコーティング、スクリーン印刷、フレキソ印刷など）。別の実施形態では、カバー層１５０は、層１１０の第二表面１１３の上に配置される予め作製された層（例えば、フィルム又はテープ）を含み得る。

分析質応答性有機ケイ酸塩材料（及びいずれかの任意のカバー層の）の堆積において、各電極と動作回路との間の電気的接触を可能にするために、電気的にアクセス可能な領域１２５が第一の電極１２０上に、及びアクセス可能な領域１３５が第二の電極１３０上に提供されるべきである。このような電気的にアクセス可能な領域は、任意の便利な位置に提供され得る。例えば、このような電気的にアクセス可能な領域１２５及び１３５は、図２の代表的な図の電極の縁部上に図示され、かつ図３の代表的な図の電極の表面１２３及び１３３上で図示される。

一実施形態では、接続装置（例えば、接触パッド、タブなど）１２２を、第一の電極１２０のアクセス可能な領域１２５と電気的に接触させてもよい。同様に、接続装置１３２を、第二の電極１３０のアクセス可能な領域１３５と同様に接触させてもよい。

製造を容易にするために、直列に接続されている多重平行プレートコンデンサを含む装置を調製することが有用であり得る。このような実施形態の一例を図４に示す。

検知素子２０１の製造において、分析質応答性有機ケイ酸塩層２１０もまた提供される。一実施形態では、分析質応答性有機ケイ酸塩層２１０は、層２１０の第一主表面２１１が、第一の電極２２０の第二表面２２３の少なくとも一部と直接接触するように、提供される。

一実施形態では、分析質応答性有機ケイ酸塩材料は、上記のように、例えば、スピンコーティング、ディップコーティング、印刷技術及びこれらに類するものが挙げられるが、これらに限定されないコーティングプロセスによって、第一の電極に近接して配置される。ある実施形態では、材料は、検知素子の性能を損なうように作用し得る、欠陥、ピンホールなどの存在を極小化するような方法で堆積される。

分析質応答性有機ケイ酸塩層２１０はまた、他の方法でも提供され得る。例えば、分析質応答性有機ケイ酸塩材料の予備形成されたフィルムが、第一の電極の第二表面上に配置され得る。

様々な実施形態において、第二の電極２３０は、非連続的な第二導電性層を、分析質応答性有機ケイ酸塩層２１０に近接して配置することによって形成することができる。第二の電極２３０は、上記の導電性材料を含んでもよく、上記の方法で堆積されてもよい。

一実施形態では、第一の電極２２０の第二表面２２３と、分析質応答性有機ケイ酸塩層２１０の第一主表面２１１は直接接触し、その間に介在する層（１つ又は複数）は存在しない。同様に一実施形態では、第二の電極２３０の第一表面２３１と、分析質応答性有機ケイ酸塩層２１０の第二主表面２１３は直接接触し、その間に介在する層（１つ又は複数）は存在しない。このような実施形態が図４に図示される。しかしながら、他の任意の層が、第一の電極２２０と分析質応答性有機ケイ酸塩層２１０との間に、及び／又は、第二の電極２３０と分析質応答性有機ケイ酸塩層２１０との間に、存在し得ることもまた想到される。このような場合、電極のいずれか又は両方は、分析質応答性有機ケイ酸塩材料の表面の一部又は全てと直接接触していなくてもよい。例えば、電極と分析質応答性有機ケイ酸塩層との間の結合を向上させるために、結合層（１つ又は複数）が使用されてもよい。あるいは、電極間のアーク放電の可能性を極小化するために、不動態層（１つ又は複数）（例えば、二酸化ケイ素の層）が、分析質応答性有機ケイ酸塩層の表面と電極表面との間に配置されてもよい。いくつかの実施形態では、複数のこのような任意の層が使用され得る、あるいは、単一の層が複数の機能を果たし得る。いずれかのこのような任意の層（１つ又は複数）、例えば上記の結合層、不動態層、保護層、カバー層などが、これらが検知素子の望ましい機能に有意に干渉しない限りにおいて、あらゆる目的のために使用され得る。例えば、分析質が分析質応答性有機ケイ酸塩層２１０に到達するために任意の層を通過しなくてはならないように検知素子が構成されている場合、任意の層は、対象の分析質に対して十分に透過性であるべきである。

一般的に、様々な層の縁部が互いにぴったり重なるように位置合わせされ得る（図４の代表的な実施形態に表されるように）。あるいは、様々な相が他の層と重なり合い、及び／又はいくつかの層の縁部が他の層に対して奥にあってもよい。

第二の電極２３０の堆積では、電気的にアクセス可能な領域２３５が提供されるべきである。このような電気的にアクセス可能な領域は、任意の便利な位置に提供され得る。一実施形態では、接続装置（例えば、接触パッド、タブ又はこれらに類するもの）２３５を、第二の電極２３０のアクセス可能な領域と電気的に接触するように配置してもよい。電極２３０と電気的にアクセス可能な領域２３５との間の接触である、境界面２３３は、直接の接触であってもよく、又は、その間に層が存在してもよい。

いくつかの実施形態では、電極２２０の第一表面２２１が、任意の支持体２４０の第一表面２４１の少なくとも一部と近接して、及び／又はこれに接触するように、導電性層が提供される。支持体２４０は、前述の支持体４０及び１４０と同一であってもよい。別の実施形態では、電極２２０の第一表面２２１の少なくとも一部と、支持体２４０の第一表面２４１との間に任意の層が存在する。このような任意の層は、この層が検知素子２０１の機能に干渉しない限りにおいて、任意の目的（第一の電極２２０と支持体２４０との間の結合の向上など）で使用され得る。

様々な実施形態において、電極のいずれか、又は両方が有機分析質に対して透過性であり得る。このような電極の透過性は、図４に示される平行プレートコンデンサの一般的な方法で構成される検知素子の場合において特に有用であり得る。このような場合、第二の電極２３０が透過性であると、あるいは、これらがそうでない場合でさえも、有機分析質は、縁部２１５を経由して（これは、より遅いプロセスであり得る）分析質応答性有機ケイ酸塩層２１０に入らなくてはならないわけではなく、主表面２１３を通って分析質応答性有機ケイ酸塩層２１０に入ることができる。同様に、第一の電極２２０が透過性である場合、有機分析質は主表面２１１を通って分析質応答性有機ケイ酸塩層２１０に入ることが可能であり得る（しかしながら、支持体２４０が分析質に対して透過性でない場合、第一の電極２２０を透過性構成で提供することは有用でないことがある）。

分析質応答性有機ケイ酸塩層によって十分な分析質が吸収された際に、検知素子に関連する電気的特性（静電容量、インピーダンス、アドミタンス、電流、又は抵抗が挙げられるがこれらに限定されない）の検出可能な変化が生じ得る。このような検出可能な変化は、第一及び第二の電極と電気的に導通する動作回路２８／１２８／２２８によって検出され得る。これに関連して「動作回路」とは一般的に、第一の電極及び第二の電極に電圧を印加する（したがって、電極に電荷の差を付与する）、及び／又は検知素子の電気的特性（電気的特性は有機分析質の存在に反応して変化し得る）を監視するために使用され得る電気装置を指す。様々な実施形態において、動作回路は、インダクタンス、静電容量、電圧、抵抗、コンダクタンス、電流、インピーダンス、位相角、損失率、又は散逸のいずれか、又は組み合わせを監視してもよい。

このような動作回路は、電極に電圧を印加し、かつ電気的特性を監視することの両方を行う単一の装置を含み得る。別の実施形態では、このような動作回路は、電圧を提供するものと、信号を監視するものとの２つの別個の装置を含んでもよい。動作回路は、ワイヤ２４／１２４及び３４／１３４により、第一の電極２０／１２０、及び第二の電極３０／１３０に接続されてもよい。別の実施形態では、動作回路は、接続装置２２／１２２及び３２／１３２によって、又は動作回路の一定の部分を各電極の電気的にアクセス可能な領域へ直接的に接触させることによって、のいずれかで第一及び／又は第二の電極と直接接触するように提供され得る。例えば、動作回路は、回路基板上、又はフレキシブル回路上（これらのいずれかは、また、支持体４０／１４０として機能し得る）に存在する動作回路が提供され得る。第一の電極は次に、回路基盤／支持体４０上に直接堆積され得、それによって、これは、動作回路の一部と直接的に接触する。別の代替的実施形態（図４）では、第二の電極２３０は、ワイヤ２２４及び２３４により装置２３５を接続することによって、動作回路に接続される。この構成は、直列に動作する２つの検知素子を提供する。

動作回路２８／１２８／２２８は、例えば、電源を含んでもよい（これは電池又はハードワイヤード電源を含んでもよく、あるいは、電力が例えば動作回路内に組み込まれたＲＦＩＤ回路の充電によって間接的に提供されてもよい）。動作回路２８／１２８／２２８はまた、電極の充電を制御するように、及び／又は充電された検知電極対の１つ以上の電気的特性の変化を監視するように、構成された１つ以上のマイクロプロセッサを含んでもよい。アナログデジタル変換機、検知素子から得られるデータを保存するための記憶装置、検知素子を操作するためのソフトウェア、データロギング及び／又は一方向若しくは双方向のテレメトリ機能を提供する構成要素などもまた存在し得る。

例えば、本明細書において開示される検知素子は、有機分析質（１つ又は複数）の存在を検出及び／又は監視（定性的であっても、定量的であっても）するために使用され得る。このような分析質としては、炭化水素、フッ化炭素、アルカン、シクロアルカン、芳香族化合物、アルコール、エーテル、エステル、ケトン、ハロカーボン、アミン、有機酸、シアン酸、ニトレート、及び二トリル、例えば、ｎ−オクタン、シクロヘキサン、メチルエチルケトン、アセトン、エチルアセテート、二硫化炭素、四塩化炭素、ベンゼン、スチレン、トルエン、キシレン、メチルクロロホルム、テトラヒドロフラン、メタノール、エタノール、イソプロピルアルコール、ｎ−ブチルアルコール、ｔ−ブチルアルコール、２−エトキシエタノール、酢酸、２−アミノピリジン、エチレングリコールモノメチルエーテル、トルエン−２，４−ジイソシアネート、ニトロメタン及びアセトニトリルなどが挙げられるがこれらに限定されない。分析質は、比較的無極性の有機分子、又は比較的極性の有機分子であり得る。分析質はいわゆる蒸気、即ち、分析質が経験している周囲条件の温度及び圧力において、固体又は液体を形成することができる分子である場合がある（例えば、トルエン、アセトン、ヘプタンなど）。分析質はいわゆる気体、すなわち、通常、周囲条件において液体又は固体を形成することができない分子であり得る（ただし、このような分子は、上述のように、分析質応答性有機ケイ酸塩材料の内部の孔の中のより高密度の状態を更に含み得る）。このような気体は、メタン、エタンなどを含み得る。いくつかの環境において、有機分析質分子の混合が検出され得る。

これらの実施例は単にあくまで例示を目的としたものであり、添付した「特許請求の範囲」の範囲に限定するものではない。本明細書の実施例及びその他の部分におけるすべての部、百分率、比などは特に注記がない限り、重量による。使用される溶媒及びその他の試薬は、特に記載のない限り、Ｓｉｇｍａ−Ａｌｄｒｉｃｈ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｃｏｍｐａｎｙ；Ｍｉｌｗａｕｋｅｅ，Ｗｉｓｃｏｎｓｉｎから入手した。

試験方法
孔径の測定
窒素吸着測定のために、直径１００ｍｍのシリコンウェハー上で混合物をコーティングすることにより、実施例１のものと同一の材料を調製した。実施例に記載のように、スピンコーティング法を繰り返し用いてウェハーをコーティングし、続いて焼成した。このフィルムをシリコンウェハーから取り外し、窒素吸着測定のために使用した。総細孔容積は、７４ポイント微小細孔分析を使用して製造業者の指示にしたがって操作される商品名「ＱＵＡＮＴＡＣＨＲＯＭＥ ＡＵＴＯＳＯＲＢ ＩＣ」（Ｑｕａｎｔａｃｈｒｏｍｅ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ，Ｂｏｙｎｔｏｎ Ｂｅａｃｈ，ＦＡ）として入手可能な気体吸着分析器を使用する窒素吸着によって測定した。

Ｘ線散乱
Ｘ線散乱で試料を試験して、試料の非晶質性を判定した。反射配置データは、Ｐｈｉｌｉｐｓ垂直回折計、銅Ｋ_α放射線及び散乱放射線の比例検出器レジストリを使用することにより、測量走査の形態で収集した。回折計には、可変の入射ビームスリット、固定回折ビームスリット、及びグラファイト回折ビームモノクロメータが装着された。測量走査は、０．０４度のステップ寸法及び４秒の滞留時間を使用して５〜８０度（２θ）で行った。４５ｋＶ及び３５ｍＡのＸ線発生装置設定を使用した。Ｈｕｂｅｒ ４サイクル回折計、銅Ｋ_α放射線及び散乱放射線のシンチレーション検出器レジストリの使用により、更なる反射配置低角度データを収集した。入射光線の視準を７００μｍピンポールに合わせ、ニッケルフィルターにかけた。走査は、０．０１度のステップ間隔及び６０秒の滞留時間を使用して０．５〜１５度（２θ）で行った。４０ｋＶ及び２０ｍＡのＸ線発生装置設定を使用した。

静電容量応答試験
測定のために、単純な貫流デリバリーシステムを使用して既知の濃度のアセトンを試料に供給した。デリバリーシステム全体にわたって、テフロンチューブを使用した。ｋｄ Ｓｃｉｅｎｔｉｆｉｃ ２００ Ｓｅｒｉｅｓシリンジポンプと１ｍＬのＨａｍｉｌｔｏｎ １０００ Ｓｅｒｉｅｓ Ｇａｓｔｉｇｈｔシリンジを用いて、蒸留フラスコ内へのアセトン流量を測定することにより、曝露濃度を作製した。蒸留フラスコは、直径４２．５ｍｍの＃１型濾紙を含み、Ｍａｔｈｅｓｏｎ気体流量計により制御された窒素気流と共に蒸留プロセスを向上させた。シリンジポンプの設定点及び窒素の流量についての計算は、教本「Ｇａｓ Ｍｉｘｔｕｒｅｓ：Ｐｒｅｐａｒａｔｉｏｎ ａｎｄ Ｃｏｎｔｒｏｌ」（Ｇａｒｙ Ｏ．Ｎｅｌｓｏｎ，Ｌｅｗｉｓ Ｐｕｂｌｉｓｈｅｒｓ，１９９２）を用いて、行った。気流中のアセトンの濃度は、赤外線分光計（ＴｈｅｒｍｏＥｌｅｃｔｒｏｎ（Ｗａｌｔｈａｍ，ＭＡ）から商品名Ｍｉｒａｎ Ｓａｐｐｈｉｒｅで入手可能）を用いて、監視された。気体アセトン流が、試料を含む試料チャンバ（制御された温度に維持される）内に導入された。試料の第一及び第二の電極が、バネ仕掛けのプローブを使用して、ＬＣＲメーター（Ｉｎｓｔｅｋ Ａｍｅｒｉｃａ，Ｃｏｒｐ．（Ｃｈｉｎｏ，ＣＡ）から商品名Ｉｎｓｔｅｋ Ｍｏｄｅｌ ８２１ ＬＣＲメータで入手可能）を含む動作回路に接続された。試料の静電容量（ピコファラッドで）の変化は、蒸気試験（図５に示される）の経過全体において、特定の時間間隔で、１ｋＨｚの周波数で監視された。

（実施例１）：
ガラス板の２５×２５ｍｍ^２の部分上に厚さ１００ナノメートルのアルミニウムの層を蒸着することにより、基材を調製した。厚さ２０ナノメートルの酸化ケイ素の層を蒸着することにより、アルミニウムをコーティングした。

ポリエチレンびんの中で順にＯＴＡＢ（０．１２４グラム）、エタノール（２．１０６グラム）、ＢＴＳＢＰ（０．３９２グラム）、ＰＴＭＳ（０．１０２グラム）及び０．１モルのＨＣｌ（水溶液）（０．２０５グラム）を組み合わせることにより、コーティング溶液を調製した。

このコーティング溶液の試料を用いて、孔径測定用試料を調製した。上記「試験方法」に示した孔径測定試験を用いる試験を行った。試験結果は、総孔体積の７５％が２．０ナノメートル以下の孔直径を有する孔を含有し、総孔体積の７０％が１．５ナノメートル以下の直径を有する孔を含有したことを示した。

このコーティング溶液の試料を使用して、Ｘ線散乱分析のための試料を調製した。１１５分後、このコーティング溶液を、直径２センチメートルのチャックを用いてＨｅａｄｗａｙ Ｒｅｓｅａｒｃｈ ＥＣ１０１ ＤＴ−Ｒ７９０スピンコーティング機を使用して、シリコンウェハー上にスピンコーティングした。スピンに先立って、この部分を数滴の溶液で浸した。スピンコーティングは、１０００ｒｐｍで６０秒にわたって行った。コーティングした試料を炉内で空気中で４５０℃の温度に焼成した。上記の試験方法を用いて、Ｘ線散乱分析を行った。試験結果は、構造規則性の存在についての証拠を全く示さなかった。得られた低角度及び広角度データは、本質的に無特性であった。

コーティング溶液の追加部を使用して、試験電極を調製した。１１５分後、このコーティング溶液を、直径２センチメートルのチャックを用いてＨｅａｄｗａｙ Ｒｅｓｅａｒｃｈ ＥＣ１０１ ＤＴ−Ｒ７９０スピンコーティング機を使用して、上記基材上にスピンコーティングした。スピンに先立って、この部分を数滴の溶液で浸した。スピンコーティングは、１０００ｒｐｍで６０秒にわたって行った。コーティングした試料を炉内で空気中で４５０℃の温度に焼成した。この試料コーティングを、ＨＭＤＳのリザーバ（１〜２ミリリットル）を有するポリスチレンペトリ皿の中に置くことにより、ＨＭＤＳに曝露することによって、後処理した。ペトリ皿をカバーし、この試料を２４時間にわたってＨＭＤＳ蒸気と反応させておいた。ナノ銀インクを用いて、透過性電極を試料の表面上に塗布した。この得られた構成体を炉内にて空気中で１時間にわたって１５０℃にて加熱した。上記「試験方法」に記載の通りに、静電容量応答試験を行った。結果を図５に示す。

Claims (17)

1. 有機化学分析質を検知するための検知素子であって、
   第一の電極と、第二の電極と、
   前記第一及び第二の電極に少なくとも近接して配置される実質的に微多孔性で、非晶質であり、疎水性の分析質応答性有機ケイ酸塩材料とを含み、前記実質的に微多孔性で、非晶質であり、疎水性の分析質応答性有機ケイ酸塩材料が、孔体積を画定する微小孔を含む、検知素子。
2. 前記実質的に微多孔性で、非晶質であり、疎水性の分析質応答性有機ケイ酸塩材料が、平衡において、相対湿度５０％にて利用可能な孔体積の５０％未満まで水を吸着する、請求項１に記載の検知素子。
3. 前記実質的に微多孔性で、非晶質であり、疎水性の分析質応答性有機ケイ酸塩材料が、０．５〜８０度（２θ）で走査された場合に、検出可能なＸ線回折パターンを示さない、請求項１に記載の検知素子。
4. 総孔体積の少なくとも５０％が２．０ナノメートル以下の直径を有する孔を構成する、請求項１に記載の検知素子。
5. 総孔体積の少なくとも５０％が０．６〜１．３ナノメートルの直径を有する孔を構成する、請求項１に記載の検知素子。
6. 前記電極の少なくとも一方が有機化学分析質に対して透過性である、請求項１に記載の検知素子。
7. 前記透過性電極が導電性材料の非連続的な層を含む、請求項６に記載の検知素子。
8. 前記透過性電極が導電性材料のパターン層を含む、請求項６に記載の検知素子。
9. 前記検知素子が平行プレートコンデンサ構成を含む、請求項１に記載の検知素子。
10. 前記検知素子が交互配置コンデンサ構成を含む、請求項１に記載の検知素子。
11. 前記検知素子が、直列に接続されている多重平行プレートコンデンサ構成を含む、請求項１に記載の検知素子。
12. 前記検知素子が、前記電極の少なくとも一方に近接する支持体を含む、請求項１に記載の検知素子。
13. 前記検知素子が、前記電極の少なくとも一方に近接するカバー層を含む、請求項１に記載の検知素子。
14. 前記カバー層が、有機化学分析質に対して透過性である、請求項１３に記載の検知素子。
15. 有機化学分析質を検知する方法であって、
    第一の電極と、第二の電極と、前記第一及び第二の電極に少なくとも近接して配置される実質的に微多孔性で、非晶質であり、疎水性の分析質応答性有機ケイ酸塩材料とを含む検知素子であって、前記実質的に微多孔性で、非晶質であり、疎水性の分析質応答性有機ケイ酸塩材料が、孔体積を画定する微小孔を含む検知素子、並びに、
    前記第一及び第二の電極と電気的に導通する動作回路であって、前記第一及び第二の電極に電圧を印加することができ、前記検知素子の電気的特性の変化を検出することができる動作回路、を含むセンサを提供する工程と、
    前記検知素子を１つ以上の有機化学分析質を潜在的に含む環境に曝露する工程と、
    電圧を前記第一及び第二の電極に印加する工程と、
    前記検知素子の電気的特性を監視する工程と、を含む、方法。
16. 前記検知素子がコンデンサを含み、監視される前記電気的特性が前記検知素子の容量特性である、請求項１５に記載の方法。
17. 測定される前記特性が前記検知素子の静電容量である、請求項１６に記載の方法。

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