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JP2015066510A - Aromatic amine adsorbent, quartz resonator gas sensor using the same and manufacturing method of these - Google Patents

Aromatic amine adsorbent, quartz resonator gas sensor using the same and manufacturing method of these Download PDF

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JP2015066510A
JP2015066510A JP2013203943A JP2013203943A JP2015066510A JP 2015066510 A JP2015066510 A JP 2015066510A JP 2013203943 A JP2013203943 A JP 2013203943A JP 2013203943 A JP2013203943 A JP 2013203943A JP 2015066510 A JP2015066510 A JP 2015066510A
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Abstract

【課題】 芳香族アミンに対してのみ高い感度を示す吸着剤、その製造方法、および、その用途を提供すること。
【解決手段】 本発明の芳香族アミン吸着剤は、官能基を有する炭素多孔体を含有した合成樹脂からなる。好ましくは、官能基は、ヒドロキシ基、カルボニル基、カルボキシル基、および、エーテル基からなる群から少なくとも1つ選択される。好ましくは、合成樹脂はファイバ状であり、官能基を有する炭素多孔体がファイバ状の合成樹脂に含有されている。
【選択図】 図19
PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an adsorbent exhibiting high sensitivity only to an aromatic amine, a production method thereof, and an application thereof.
The aromatic amine adsorbent of the present invention comprises a synthetic resin containing a carbon porous body having a functional group. Preferably, the functional group is at least one selected from the group consisting of a hydroxy group, a carbonyl group, a carboxyl group, and an ether group. Preferably, the synthetic resin is in a fiber shape, and a carbon porous body having a functional group is contained in the fiber-shaped synthetic resin.
[Selection] FIG.

Description

本発明は、芳香族アミンに対してのみ高い吸着力を示す芳香族アミン吸着剤、それを用いた水晶振動子ガスセンサ、および、これらの製造方法に関する。   The present invention relates to an aromatic amine adsorbent exhibiting a high adsorbing power only with respect to an aromatic amine, a quartz resonator gas sensor using the same, and a method for producing them.

肺ガンは、初期段階で検出されれば、適切な治療により寛解することが可能なガンのひとつである。しかしながら、肺ガンの検出方法の多くは、高価であり、時間を要するので、早期発見がなされることなく肺ガンにより多くの人が命を失うことになっている。したがって、特に、喫煙者、特定産業従事者等の潜在的に肺ガンリスクの高い患者に対して、容易かつ安価なスクリーニング検査の開発が期待されている。   Lung cancer is one cancer that can be ameliorated by appropriate treatment if detected at an early stage. However, many detection methods for lung cancer are expensive and time-consuming, and many people lose their lives due to lung cancer without early detection. Therefore, the development of an easy and inexpensive screening test is expected especially for patients with a potentially high lung cancer risk, such as smokers and workers in specific industries.

たばこの煙、焼肉、野菜、あるいは、産業廃棄物に含まれる芳香族アミンは、構造上、発がん性物質に関係がある。芳香族アミンに毎日晒されると、体内に摂取する確率が高まり、その結果、職業関連ガンに罹患するリスクが増大し得る。アニリンやトルイジン等の芳香族アミンは、喫煙者の排泄物(例えば、呼気や尿)で検出されるだけでなく、禁煙者の肺ガン患者からも検出され得る。すなわち、芳香族アミンは、肺ガンの外因性の原因物質のひとつであり得る。したがって、呼気ガス分析により芳香族アミンを検出できれば、潜在肺ガン患者の発見に有利である。なお、芳香族アミンは、ガスクロマトグラフィ、他のセンシング技術によって正確かつ定量的に検出できるが、極めて微量の芳香族アミンを検出できる容易かつハイスループットな方法はない。   Cigarette smoke, yakiniku, vegetables, or aromatic amines in industrial waste are structurally related to carcinogens. Daily exposure to aromatic amines increases the probability of ingestion into the body and, as a result, may increase the risk of suffering from occupational cancer. Aromatic amines such as aniline and toluidine can be detected not only in smoker excrement (eg, exhaled breath and urine) but also in non-smokers with lung cancer. That is, aromatic amines can be one of the exogenous causative agents of lung cancer. Therefore, if aromatic amines can be detected by breath gas analysis, it is advantageous for finding potential lung cancer patients. Aromatic amines can be detected accurately and quantitatively by gas chromatography and other sensing techniques, but there is no easy and high-throughput method capable of detecting very small amounts of aromatic amines.

一方、多孔質材料は、その大きな吸着能や高い物質選択性により、センシング技術に用いられている。しかしながら、芳香族アミンに対してのみ高い選択性を示す多孔質材料は知られていない。   On the other hand, porous materials are used in sensing technology due to their large adsorption capacity and high substance selectivity. However, there is no known porous material that exhibits high selectivity only for aromatic amines.

以上より、本発明の課題は、芳香族アミンに対してのみ高い感度を示す吸着剤、その製造方法、および、その用途を提供することである。   As described above, an object of the present invention is to provide an adsorbent exhibiting high sensitivity only to an aromatic amine, a production method thereof, and an application thereof.

本発明による芳香族アミン吸着剤は、官能基を有する炭素多孔体を含有した合成樹脂からなり、これにより上記課題を解決する。
前記官能基は、ヒドロキシ基、カルボニル基、カルボキシル基、および、エーテル基からなる群から少なくとも1つ選択されてもよい。
前記合成樹脂はファイバ状であり、前記官能基を有する炭素多孔体がファイバ状の合成樹脂に含有されていてもよい。
前記ファイバの直径は、50nm以上1μm以下の範囲であってもよい。
前記合成樹脂は膜状であり、前記官能基を有する炭素多孔体が膜状の合成樹脂に含有されていてもよい。
前記合成樹脂と前記官能基を有する炭素多孔体との質量比は、1:0.2以上1:5以下の範囲であってもよい。
前記炭素多孔体は、ケージ型炭素多孔体であり、前記ケージ型炭素多孔体の比表面積は、1300m/g以上であり、かつ、比孔容量は、1.5cm/g以上であってもよい。
前記炭素多孔体は、ケージ型炭素多孔体であり、前記ケージ型炭素多孔体のケージ径は、5nm以上15nm以下であってもよい。
前記炭素多孔体は、ケージ型炭素多孔体であり、前記ケージ型炭素多孔体は、面心立方格子構造を有し、空間群Fm3mであるシリカ多孔体をテンプレートとして製造されてもよい。
前記合成樹脂は、ポリメチルメタクリレート(PMMA)、ポリメチルアクリレート(PAA)、ポリジメチルシロキサン(PDMS)、ポリ酢酸ビニル、エポキシ樹脂、ポリスチレン、ポリカーボネート、ポリプロピレン、ポリブタジエン、および、ポリエチレンからなる群から少なくとも1つ選択されてもよい。
芳香族アミンとしてアニリンを吸着してもよい。
本発明による芳香族アミン吸着剤を製造する方法は、官能基を有する炭素多孔体および合成樹脂を含有するポリマー溶液を付与するステップを包含し、これにより上記課題を解決する。
前記付与するステップは、エレクトロスピニング法により、前記ポリマー溶液を収容するシリンジに電圧を印加し、前記ポリマー溶液をシリンジから噴出させて、コレクタで回収してもよい。
前記シリンジと前記コレクタとの距離は、2cm以上10cm以下であってもよい。
前記ポリマー溶液中の前記合成樹脂の含有量および前記官能基を有する炭素多孔体の含有量は、それぞれ、5質量%より多く15質量%以下であってもよい。
前記ポリマー溶液の溶媒は、N,N−ジメチルホルムアミド(DMF)、テトラヒドロフラン(THF)、ジクロロメタン、クロロホルム、ジオキサン、アセトン、酢酸エチル、トルエン、および、ベンゼンからなる群から少なくとも1つ選択されてもよい。
前記ポリマー溶液の溶媒は、N,N−ジメチルホルムアミド(DMF)およびテトラヒドロフラン(THF)の組み合わせであってもよい。
前記付与するステップは、キャスト法により前記ポリマー溶液を滴下してもよい。
本発明による水晶振動子ガスセンサは、上述の芳香族アミン吸着剤が水晶振動子電極に付与され、これにより上記課題を解決する。
本発明による水晶振動子ガスセンサの製造方法は、官能基を有する炭素多孔体および合成樹脂を含有するポリマー溶液を水晶振動子電極に付与するステップを包含し、これにより上記課題を解決する。
The aromatic amine adsorbent according to the present invention comprises a synthetic resin containing a carbon porous body having a functional group, thereby solving the above-mentioned problems.
The functional group may be selected from the group consisting of a hydroxy group, a carbonyl group, a carboxyl group, and an ether group.
The synthetic resin is in a fiber shape, and the carbon porous body having the functional group may be contained in the fiber-shaped synthetic resin.
The diameter of the fiber may be in the range of 50 nm to 1 μm.
The synthetic resin is in the form of a film, and the carbon porous body having the functional group may be contained in the film-shaped synthetic resin.
The mass ratio between the synthetic resin and the carbon porous body having the functional group may be in the range of 1: 0.2 to 1: 5.
The carbon porous body is a cage-type carbon porous body, the specific surface area of the cage-type carbon porous body is 1300 m 2 / g or more, and the specific pore volume is 1.5 cm 3 / g or more. Also good.
The carbon porous body may be a cage-type carbon porous body, and a cage diameter of the cage-type carbon porous body may be 5 nm or more and 15 nm or less.
The porous carbon body may be a cage-type carbon porous body, and the cage-type carbon porous body may be manufactured using a porous silica body having a face-centered cubic lattice structure and a space group Fm3m as a template.
The synthetic resin is at least one selected from the group consisting of polymethyl methacrylate (PMMA), polymethyl acrylate (PAA), polydimethylsiloxane (PDMS), polyvinyl acetate, epoxy resin, polystyrene, polycarbonate, polypropylene, polybutadiene, and polyethylene. One may be selected.
Aniline may be adsorbed as an aromatic amine.
The method for producing an aromatic amine adsorbent according to the present invention includes a step of providing a polymer solution containing a carbon porous body having a functional group and a synthetic resin, thereby solving the above-mentioned problems.
In the applying step, a voltage may be applied to a syringe containing the polymer solution by electrospinning, and the polymer solution may be ejected from the syringe and collected by a collector.
The distance between the syringe and the collector may be 2 cm or more and 10 cm or less.
The content of the synthetic resin and the content of the carbon porous body having the functional group in the polymer solution may be more than 5% by mass and 15% by mass or less, respectively.
The solvent of the polymer solution may be selected from the group consisting of N, N-dimethylformamide (DMF), tetrahydrofuran (THF), dichloromethane, chloroform, dioxane, acetone, ethyl acetate, toluene, and benzene. .
The solvent of the polymer solution may be a combination of N, N-dimethylformamide (DMF) and tetrahydrofuran (THF).
In the applying step, the polymer solution may be dropped by a casting method.
In the quartz resonator gas sensor according to the present invention, the above-described aromatic amine adsorbent is applied to the quartz resonator electrode, thereby solving the above-described problems.
The method for manufacturing a quartz resonator gas sensor according to the present invention includes a step of applying a polymer solution containing a carbon porous body having a functional group and a synthetic resin to a quartz resonator electrode, thereby solving the above-described problems.

本発明による芳香族アミン吸着剤は、官能基を有する炭素多孔体を含有する合成樹脂からなる。官能基により芳香族アミンのみが炭素多孔体に吸着することができるので、吸着剤として機能し得る。このような吸着剤を水晶振動子に担持させれば、微量な芳香族アミンを検出するガスセンサとなる。   The aromatic amine adsorbent according to the present invention comprises a synthetic resin containing a carbon porous body having a functional group. Since only the aromatic amine can be adsorbed to the carbon porous body by the functional group, it can function as an adsorbent. If such an adsorbent is supported on a quartz resonator, a gas sensor for detecting a minute amount of aromatic amine can be obtained.

本発明による芳香族アミン吸着剤の模式図Schematic diagram of aromatic amine adsorbent according to the present invention 官能基を有する炭素多孔体の模式図Schematic diagram of a carbon porous body having a functional group 本発明による膜状の芳香族アミン吸着剤を製造する様子を示す図The figure which shows a mode that the film-like aromatic amine adsorbent by this invention is manufactured. 本発明によるファイバ状の芳香族アミン吸着剤を製造する様子を示す図The figure which shows a mode that the fiber-shaped aromatic amine adsorbent by this invention is manufactured. 本発明による水晶振動子ガスセンサの模式図Schematic diagram of a quartz crystal gas sensor according to the present invention 実施例1および比較例3の試料のSEM像を示す図The figure which shows the SEM image of the sample of Example 1 and Comparative Example 3 水晶振動子ガスセンサ装置を示す図The figure which shows the crystal oscillator gas sensor device 実施例1および比較例2〜3の試料のアニリンに対する応答定数を示す図The figure which shows the response constant with respect to the aniline of the sample of Example 1 and Comparative Examples 2-3. CNCおよびACのIRスペクトルを示す図Diagram showing IR spectrum of CNC and AC CNCおよびACのラマンスペクトルを示す図The figure which shows the Raman spectrum of CNC and AC CNCのXPSスペクトル(A)およびACのXPSスペクトル(B)を示す図The figure which shows XPS spectrum (A) of CNC and XPS spectrum (B) of AC 密度汎関数分子動力学法(DFMD)を用いたCNCとアニリンとのモデルを示す図Diagram showing model of CNC and aniline using density functional molecular dynamics method (DFMD) 参考例4の試料のSEM像を示す図The figure which shows the SEM image of the sample of the reference example 4 参考例4の試料の別のSEM像を示す図The figure which shows another SEM image of the sample of the reference example 4 参考例5の試料のSEM像を示す図The figure which shows the SEM image of the sample of the reference example 5 実施例6の試料のSEM像を示す図The figure which shows the SEM image of the sample of Example 6. 実施例6の試料のアニリンに対する応答定数を示す図The figure which shows the response constant with respect to the aniline of the sample of Example 6. 実施例6の試料のアニリンに対する繰り返し耐性を示す図The figure which shows the repetition tolerance with respect to the aniline of the sample of Example 6. 実施例6の試料の種々の揮発性有機化合物に対する応答定数を示す図The figure which shows the response constant with respect to the various volatile organic compound of the sample of Example 6. 実施例6の試料のアニリンおよびベンゼンに対する吸着等温線(a)と、それのラングミュアプロット(b)とを示す図The figure which shows the adsorption isotherm (a) with respect to the aniline and benzene of the sample of Example 6, and its Langmuir plot (b). 実施例6の試料のアニリンに対する別の繰り返し耐性を示す図The figure which shows another repetition tolerance with respect to the aniline of the sample of Example 6

以下、図面を参照して、本発明の実施の形態を詳細に説明する。なお、同様の構成要素には同様の参照番号を付し、その説明を省略する。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. In addition, the same reference number is attached | subjected to the same component and the description is abbreviate | omitted.

(実施の形態1)
実施の形態1では、本発明による芳香族アミン吸着剤およびその製造方法について詳述する。
(Embodiment 1)
In Embodiment 1, the aromatic amine adsorbent according to the present invention and the production method thereof will be described in detail.

図1は、本発明による芳香族アミン吸着剤の模式図を示す。
図2は、官能基を有する炭素多孔体の模式図を示す。
FIG. 1 shows a schematic diagram of an aromatic amine adsorbent according to the present invention.
FIG. 2 shows a schematic diagram of a carbon porous body having a functional group.

本発明による芳香族アミン吸着剤110、120は、官能基を有する炭素多孔体130を含有した合成樹脂140からなる。官能基により芳香族アミンのみが炭素多孔体に吸着することができるので、吸着剤として機能し得る。芳香族アミンの中でもとりわけアニリンの吸着に効果的であるため、本発明の芳香族アミン吸着剤は、発がん性物質の検出、潜在肺ガン患者の早期発見に寄与し得る。   The aromatic amine adsorbents 110 and 120 according to the present invention are made of a synthetic resin 140 containing a carbon porous body 130 having a functional group. Since only the aromatic amine can be adsorbed to the carbon porous body by the functional group, it can function as an adsorbent. Among the aromatic amines, the aromatic amine adsorbent of the present invention can contribute to detection of carcinogenic substances and early detection of latent lung cancer patients because it is effective for adsorption of aniline among aromatic amines.

図1(A)は、合成樹脂140が膜状であり、膜状の合成樹脂140内に分散した状態で官能基を有する炭素多孔体130が含有されている膜状の芳香族アミン吸着剤110を示す。このような芳香族アミン吸着剤110は、製造が容易であるため、好ましい。   FIG. 1A shows a film-shaped aromatic amine adsorbent 110 in which a synthetic resin 140 is in a film form and contains a carbon porous body 130 having a functional group in a state dispersed in the film-shaped synthetic resin 140. Indicates. Such an aromatic amine adsorbent 110 is preferable because it is easy to manufacture.

図1(B)は、合成樹脂140がファイバ状であり、ファイバ状の合成樹脂140内に分散した状態で官能基を有する炭素多孔体130が含有されているファイバ状の芳香族アミン吸着剤120を示す。このような芳香族アミン吸着剤120は、膜状の芳香族アミン吸着剤110と比較して、芳香族アミンに対する感度がよいため、好ましい。   FIG. 1B shows a fiber-shaped aromatic amine adsorbent 120 in which the synthetic resin 140 is in the form of a fiber and contains the carbon porous body 130 having functional groups in a state dispersed in the fiber-shaped synthetic resin 140. Indicates. Such an aromatic amine adsorbent 120 is preferable because it has higher sensitivity to aromatic amines than the film-like aromatic amine adsorbent 110.

ファイバ状の合成樹脂140のファイバの直径(ファイバ径)dは、50nm以上1μm以下の範囲である。この範囲であれば、アニリンなどの芳香族アミンを含有する検体ガスのファイバ内への拡散が促進されるので、鋭敏なセンシングを可能にする。   The fiber diameter (fiber diameter) d of the fiber-shaped synthetic resin 140 is in the range of 50 nm to 1 μm. Within this range, diffusion of the analyte gas containing an aromatic amine such as aniline into the fiber is promoted, thus enabling sensitive sensing.

図2に模式的に示すように、官能基を有する炭素多孔体130は、炭素多孔体210に官能基220を有する。炭素多孔体210は、図2では、例示的にケージ型炭素多孔体を示す。ケージ型炭素多孔体は、面心立方格子構造を有し、空間群Fm3mであるシリカ多孔体(KIT−5とも呼ばれる)をテンプレートとして製造される。   As schematically shown in FIG. 2, the carbon porous body 130 having a functional group has a functional group 220 in the carbon porous body 210. In FIG. 2, the carbon porous body 210 is illustratively a cage-type carbon porous body. The cage-type carbon porous body has a face-centered cubic lattice structure and is manufactured using a silica porous body (also referred to as KIT-5) having a space group Fm3m as a template.

炭素多孔体210が、ケージ型炭素多孔体であり、その比表面積が1300cm/g以上であり、その比孔容量2.5cm/g以上であれば、比表面積が大きく芳香族アミンに対する感度が向上するため、好ましい。比表面積と比孔容量は大きければ大きいほど芳香族アミンに対する感度が向上するため上限は特に設けていないが、合成上の限界から、比表面積が2500cm/g以下であり、比孔容量が4.0cm/g以下であると考えられる。 If the carbon porous body 210 is a cage-type carbon porous body and has a specific surface area of 1300 cm 2 / g or more and a specific pore capacity of 2.5 cm 3 / g or more, the specific surface area is large and the sensitivity to aromatic amines is large. Is preferable. The larger the specific surface area and specific pore volume, the greater the sensitivity to aromatic amines, so there is no particular upper limit. However, due to synthesis limitations, the specific surface area is 2500 cm 2 / g or less, and the specific pore volume is 4 It is considered to be 0.0 cm 3 / g or less.

官能基220は、ヒドロキシ基、カルボニル基、カルボキシル基、および、エーテル基からなる群から少なくとも1つ選択される。これらの官能基は、芳香族アミンの有するアミン基との間に水素結合を形成するので、芳香族アミンを確実に炭素多孔体210に吸着させることができる。   The functional group 220 is at least one selected from the group consisting of a hydroxy group, a carbonyl group, a carboxyl group, and an ether group. Since these functional groups form a hydrogen bond with the amine group of the aromatic amine, the aromatic amine can be adsorbed to the carbon porous body 210 with certainty.

例えば、特許第4724877号公報、A.Vinuら,J.Mater.Chem.,2005,15,5122−5127等に代表されるシリカテンプレートを用いた炭素多孔体の製造方法において、出発原料に用いるショ糖やブドウ糖に代表される糖類に含まれるヒドロキシル基等が製造過程で上述の官能基220に改変され得、官能基を有する炭素多孔体130を得ることができる。   For example, Japanese Patent No. 4724877, A. Vinu et al. Mater. Chem. , 2005, 15, 5122-5127, etc., the hydroxyl group contained in saccharides typified by sucrose and glucose used as a starting material is mentioned above in the production process. Thus, the carbon porous body 130 having a functional group can be obtained.

図2では、官能基を有する炭素多孔体130として、ケージ型炭素多孔体を例示したがこれに限らない。上述の官能基を有すれば、任意の炭素多孔体を採用することができる。このような炭素多孔体には、例えば、上述のKIT−5以外のMCM−48、SBA−15あるいはSBA−1と呼ばれるシリカ多孔体をテンプレートとして得られる炭素多孔体がある。これらも出発原料に糖類を用いるので、官能基を有する炭素多孔体を得ることができる。   In FIG. 2, a cage-type carbon porous body is illustrated as the carbon porous body 130 having a functional group, but is not limited thereto. If it has the above-mentioned functional group, arbitrary carbon porous bodies can be adopted. Examples of such a carbon porous body include a carbon porous body obtained by using a silica porous body called MCM-48, SBA-15, or SBA-1 other than KIT-5 described above as a template. Since these also use saccharides as a starting material, a carbon porous body having a functional group can be obtained.

再度、図1に戻る。合成樹脂140は、ポリメチルメタクリレート(PMMA)、ポリメチルアクリレート(PAA)、ポリジメチルシロキサン(PDMS)、ポリ酢酸ビニル、エポキシ樹脂、ポリスチレン、ポリカーボネート、ポリプロピレン、ポリブタジエン、および、ポリエチレンからなる群から少なくとも1つ選択される。これらを単独で用いてもよいし、混合してもよい。これらの合成樹脂であれば、膜状あるいはファイバ状への形成が容易であり、かつ、合成樹脂内に炭素多孔体130を分散して含有させることができる。   Returning again to FIG. The synthetic resin 140 is at least one selected from the group consisting of polymethyl methacrylate (PMMA), polymethyl acrylate (PAA), polydimethylsiloxane (PDMS), polyvinyl acetate, epoxy resin, polystyrene, polycarbonate, polypropylene, polybutadiene, and polyethylene. Is selected. These may be used alone or in combination. These synthetic resins can be easily formed into a film shape or a fiber shape, and the carbon porous body 130 can be dispersed and contained in the synthetic resin.

さらに、合成樹脂140と官能基を有する炭素多孔体130との質量比は、1:0.2以上1:5以下が好ましい。合成樹脂140と官能基を有する炭素多孔体130との質量比が、1:0.2未満になると、官能基を有する炭素多孔体130が少なすぎるため、芳香族アミンを精度よく検出できない場合がある。合成樹脂140と官能基を有する炭素多孔体130との質量比が、1:5を超えると、官能基を有する炭素多孔体130が合成樹脂140に分散されず、凝集する恐れがある。より好ましくは、合成樹脂140と官能基を有する炭素多孔体130との質量比は、1:0.5以上1:1以下である。この範囲であれば、合成樹脂140が膜状であってもファイバ状であっても官能基を有する炭素多孔体130を分散して含有させることができる。特に、ファイバ状の合成樹脂140に官能基を有する炭素多孔体130を含有させる場合、均一なファイバが得られるため、合成樹脂140と官能基を有する炭素多孔体130との質量比は、1:0.7以上1:1以下が好ましい。   Furthermore, the mass ratio between the synthetic resin 140 and the carbon porous body 130 having a functional group is preferably 1: 0.2 or more and 1: 5 or less. When the mass ratio of the synthetic resin 140 and the carbon porous body 130 having a functional group is less than 1: 0.2, the amount of the carbon porous body 130 having a functional group is too small. is there. When the mass ratio of the synthetic resin 140 and the carbon porous body 130 having a functional group exceeds 1: 5, the carbon porous body 130 having a functional group may not be dispersed in the synthetic resin 140 and may aggregate. More preferably, the mass ratio of the synthetic resin 140 and the carbon porous body 130 having a functional group is 1: 0.5 or more and 1: 1 or less. If it is this range, the carbon porous body 130 which has a functional group can be disperse | distributed and contained even if the synthetic resin 140 is a film | membrane form or a fiber form. In particular, when the fiber-shaped synthetic resin 140 contains the carbon porous body 130 having a functional group, a uniform fiber can be obtained. 0.7 or more and 1: 1 or less are preferable.

次に、本発明の芳香族アミン吸着剤の製造方法を詳述する。   Next, the manufacturing method of the aromatic amine adsorbent of the present invention will be described in detail.

本発明の芳香族アミン吸着剤の製造方法は、官能基を有する炭素多孔体および合成樹脂を含有するポリマー溶液を付与するステップを包含する。ポリマー溶液は、上述の官能基を有する炭素多孔体および合成樹脂を混合し、溶媒に溶解することにより調製される。これらの官能基を有する炭素多孔体および合成樹脂は、図1および図2を参照して説明したとおりであるため、省略する。   The method for producing an aromatic amine adsorbent of the present invention includes a step of providing a polymer solution containing a carbon porous body having a functional group and a synthetic resin. The polymer solution is prepared by mixing the above-described carbon porous body having a functional group and a synthetic resin and dissolving the mixture in a solvent. Since the carbon porous body and synthetic resin which have these functional groups are as having demonstrated with reference to FIG. 1 and FIG. 2, they are abbreviate | omitted.

ポリマー溶液の溶媒は、N,N−ジメチルホルムアミド(DMF)、テトラヒドロフラン(THF)、ジクロロメタン、クロロホルム、ジオキサン、アセトン、酢酸エチル、トルエン、および、ベンゼンからなる群から少なくとも1つ選択される。これらの溶媒であれば、上述した合成樹脂を溶解させることができるので、付与を容易にする。   The solvent of the polymer solution is at least one selected from the group consisting of N, N-dimethylformamide (DMF), tetrahydrofuran (THF), dichloromethane, chloroform, dioxane, acetone, ethyl acetate, toluene, and benzene. If these solvents are used, the above-described synthetic resin can be dissolved, so that the application is facilitated.

図3は、本発明による膜状の芳香族アミン吸着剤を製造する様子を示す図である。   FIG. 3 is a view showing a state of producing a membranous aromatic amine adsorbent according to the present invention.

図3において、付与するステップは、いわゆるキャスト法により、ポリマー溶液310を基板、水晶振動子電極等の所望の基材に滴下すればよい。ポリマー溶液310の濃度および滴下される量は、製造したい膜状の芳香族アミン吸着剤の大きさや厚さによって、適宜調整され得る。例示的なポリマー溶液310の濃度は、ポリマー溶液310中の官能基を有する炭素多孔体および合成樹脂の含有量が、それぞれ、0.05質量%〜1.5質量%、および、0.1質量%〜0.3質量%となるように調整される。例示的な滴下される量は、0.5μL〜1μLの範囲である。これにより、得られる芳香族アミンは、滴下後に基材上を広がり膜状となり、合成樹脂中に官能基を有する炭素多孔体が分散し得る。   In FIG. 3, the applying step may be performed by dropping the polymer solution 310 onto a desired base material such as a substrate or a crystal resonator electrode by a so-called casting method. The concentration of the polymer solution 310 and the amount to be dropped can be appropriately adjusted depending on the size and thickness of the membrane-like aromatic amine adsorbent to be produced. The concentration of the exemplary polymer solution 310 is such that the content of the carbon porous body having a functional group and the synthetic resin in the polymer solution 310 are 0.05% by mass to 1.5% by mass and 0.1% by mass, respectively. % To 0.3% by mass. Exemplary dripped amounts range from 0.5 μL to 1 μL. Thereby, the aromatic amine obtained spreads on the base material after dropping and forms a film, and the carbon porous body having a functional group can be dispersed in the synthetic resin.

また、付与するステップに先立って、基材を加熱することが好ましい。これにより、基材の表面湿潤性が低減するので、滴下されたポリマー溶液310が基材表面に留まることができる。このような基材の加熱は、オーブン、ホットプレート、恒温槽等の加熱手段を用いてもよい。加熱温度および時間は、例示的には、40℃以上100℃以下、15分〜1時間の間である。   Moreover, it is preferable to heat the base material prior to the applying step. Thereby, since the surface wettability of the base material is reduced, the dropped polymer solution 310 can remain on the base material surface. For heating the base material, a heating means such as an oven, a hot plate, or a thermostatic bath may be used. The heating temperature and time are, for example, 40 ° C. or more and 100 ° C. or less and 15 minutes to 1 hour.

付与するステップに次いで、滴下されたポリマー溶液を乾燥させてもよい。これにより、ポリマー溶液310中の溶媒が確実に除去されるので、合成樹脂を膜状に固定することができる。乾燥は、例えば、オーブン、ホットプレート、恒温槽等の加熱手段を用いてもよい。加熱温度および時間は、選択した溶媒の種類、膜厚等にもよるが、例示的には、40℃以上100℃以下、30分〜2時間の間である。   Following the applying step, the dropped polymer solution may be dried. Thereby, the solvent in the polymer solution 310 is surely removed, so that the synthetic resin can be fixed in a film shape. For the drying, for example, a heating means such as an oven, a hot plate, or a thermostatic bath may be used. The heating temperature and time are illustratively between 40 ° C. and 100 ° C. for 30 minutes to 2 hours, although depending on the type of solvent selected, film thickness, and the like.

図4は、本発明によるファイバ状の芳香族アミン吸着剤を製造する様子を示す図である。   FIG. 4 is a diagram showing a state of producing a fiber-like aromatic amine adsorbent according to the present invention.

図4において、付与するステップは、エレクトロスピニング法により、ポリマー溶液310を収容するシリンジに電圧を印加し、ポリマー溶液310をシリンジから噴出させて、コレクタ410で回収する。   In FIG. 4, in the applying step, a voltage is applied to the syringe containing the polymer solution 310 by the electrospinning method, and the polymer solution 310 is ejected from the syringe and collected by the collector 410.

シリンジは、ポリマー溶液310を噴出する紡糸口(φ=0.05mm〜0.2mm)を有する。シリンジには高圧電源が接続されている。コレクタ410は、基板、水晶振動子電極等の所望の基材である。コレクタ410はアースされている。   The syringe has a spinneret (φ = 0.05 mm to 0.2 mm) through which the polymer solution 310 is ejected. A high voltage power source is connected to the syringe. The collector 410 is a desired base material such as a substrate or a crystal resonator electrode. The collector 410 is grounded.

具体的には、ポリマー溶液310は、電圧10kV〜40kVの範囲で印加された、シリンジに備えられた針等の紡糸口から、流量0.2mL/h〜1.5mL/hでファイバ状に噴出され、噴出されたファイバ状のポリマー溶液310が、アースされたコレクタ410に到達し、回収される。   Specifically, the polymer solution 310 is ejected in a fiber shape at a flow rate of 0.2 mL / h to 1.5 mL / h from a spinning port such as a needle provided in a syringe, which is applied in a voltage range of 10 kV to 40 kV. The ejected fiber-like polymer solution 310 reaches the grounded collector 410 and is collected.

シリンジの先端(すなわち、紡糸口)からコレクタ410までの距離Dは、好ましくは、2cm以上10cm以下である。2cm以下であると、距離Dが短すぎるため、ポリマー溶液310がファイバ状にならない可能性がある。10cmを超えると、ファイバ径が大きくなり、不均一になるため好ましくない。   The distance D from the tip of the syringe (that is, the spinneret) to the collector 410 is preferably 2 cm or more and 10 cm or less. If the distance is 2 cm or less, the distance D is too short, so the polymer solution 310 may not be in the form of a fiber. If it exceeds 10 cm, the fiber diameter becomes large and non-uniform, which is not preferable.

ポリマー溶液310の濃度は、選択される合成樹脂、溶媒、および、これらの組合せによって、適宜調整され得るが、例示的なポリマー溶液の濃度は、ポリマー溶液中の官能基を有する炭素多孔体および合成樹脂の含有量が、それぞれ、5質量%より多く15質量%以下、および、5質量%より多く15質量%以下となるように調整される。これにより、シリンジから噴出されたポリマー溶液310がコレクタ410で回収される際に、ポリマー溶液310は、ファイバ内に官能基を有する炭素多孔体を含有させることができる。   The concentration of the polymer solution 310 can be adjusted as appropriate depending on the selected synthetic resin, solvent, and combinations thereof. The resin content is adjusted to be more than 5% by mass and 15% by mass or less, and more than 5% by mass and 15% by mass or less, respectively. Thereby, when the polymer solution 310 ejected from the syringe is collected by the collector 410, the polymer solution 310 can contain a carbon porous body having a functional group in the fiber.

ポリマー溶液310の溶媒は、好ましくは、DMFおよびTHFの組合せである。これにより、シリンジから噴出されたポリマー溶液310がコレクタ410で回収される際に、ポリマー溶液310は、ファイバ状になり得る。DMFがTHFよりも多いと、均一なファイバ(例えば、ファイバの直径が50nm以上1μm以下)が得られるため、好ましい。   The solvent of polymer solution 310 is preferably a combination of DMF and THF. Thereby, when the polymer solution 310 ejected from the syringe is collected by the collector 410, the polymer solution 310 can be in a fiber shape. When the amount of DMF is larger than that of THF, a uniform fiber (for example, the fiber diameter is 50 nm or more and 1 μm or less) is preferable.

このように、図3または図4に示す方法により本発明による膜状あるいはファイバ状の芳香族アミン吸着剤を製造することができる。   As described above, the film-like or fiber-like aromatic amine adsorbent according to the present invention can be produced by the method shown in FIG. 3 or FIG.

本発明の芳香族アミン吸着剤は、官能基を有する炭素多孔体を含有する合成樹脂からなるので、官能基により芳香族アミンのみを炭素多孔体に吸着させることができる。この結果、芳香族アミンに特化した吸着剤として機能し得る。このような吸着剤を水晶振動子に担持させれば、微量な芳香族アミンを検出するガスセンサとなる。   Since the aromatic amine adsorbent of the present invention is made of a synthetic resin containing a carbon porous body having a functional group, only the aromatic amine can be adsorbed to the carbon porous body by the functional group. As a result, it can function as an adsorbent specialized for aromatic amines. If such an adsorbent is supported on a quartz resonator, a gas sensor for detecting a minute amount of aromatic amine can be obtained.

(実施の形態2)
実施の形態2では、本発明による芳香族アミン吸着剤を用いた水晶振動子ガスセンサについて詳述する。
(Embodiment 2)
In the second embodiment, a quartz resonator gas sensor using an aromatic amine adsorbent according to the present invention will be described in detail.

図5は、本発明による水晶振動子ガスセンサの模式図である。   FIG. 5 is a schematic view of a crystal resonator gas sensor according to the present invention.

図5(A)は、本発明による水晶振動子(QCM)ガスセンサ500の正面図であり、図5(B)は、本発明によるQCMガスセンサ500の側面図である。本発明によるQCMガスセンサ500は、水晶振動子(QCM)電極510に実施の形態1で説明した芳香族アミン吸着剤520が付与されている。   FIG. 5A is a front view of a crystal resonator (QCM) gas sensor 500 according to the present invention, and FIG. 5B is a side view of the QCM gas sensor 500 according to the present invention. In the QCM gas sensor 500 according to the present invention, the aromatic amine adsorbent 520 described in the first embodiment is applied to the crystal resonator (QCM) electrode 510.

詳細には、QCM電極510は、水晶基板530と、その表裏主面に形成された電極540、540’と、電極540、540’にそれぞれ接続されたリード線550、550’とを備える。水晶基板530は、略円板形状のATカット基板である。電極540、540’は、物理蒸着等で形成される金、白金、クロム、ニッケル等の電極である。リード線550、550’は、交流電源等に接続され、水晶基板530に電位を加えるとともに、周波数の変化を測定可能な周波数カウンタ等に接続され得る。芳香族アミン吸着剤520は、少なくとも電極540、540’のいずれか一方の上に付与されるが、両方の電極540、540’上に形成されてもよい。   Specifically, the QCM electrode 510 includes a quartz crystal substrate 530, electrodes 540 and 540 'formed on the front and back main surfaces thereof, and lead wires 550 and 550' connected to the electrodes 540 and 540 ', respectively. The quartz substrate 530 is a substantially disc-shaped AT cut substrate. The electrodes 540 and 540 'are electrodes such as gold, platinum, chromium, and nickel formed by physical vapor deposition. The lead wires 550 and 550 ′ are connected to an AC power source or the like, and can be connected to a frequency counter or the like that can apply a potential to the crystal substrate 530 and measure a change in frequency. The aromatic amine adsorbent 520 is applied on at least one of the electrodes 540, 540 ', but may be formed on both electrodes 540, 540'.

本発明のQCMガスセンサ500の動作を説明する。QCMガスセンサ500のリード線550、550’および電極540、540’を介して、水晶基板530に電位を印加する。これにより、水晶基板530は、厚みすべり振動にて所定の共振周波数にて振動する。ここで、芳香族アミンを含有するガスをQCMガスセンサ500に通すと、ガス中の芳香族アミンが芳香族アミン吸着剤520に吸着される。これにより、吸着した芳香族アミンの質量分のエネルギー損失が発生するため、所定の共振周波数が変化する。周波数変化は、リード線550、550’を介して周波数カウンタ等により測定される。このようにして、本発明のQCMガスセンサ500を用いれば、周波数変化によりガス中の芳香族アミンを検出することができる。   The operation of the QCM gas sensor 500 of the present invention will be described. A potential is applied to the quartz crystal substrate 530 through the lead wires 550 and 550 ′ of the QCM gas sensor 500 and the electrodes 540 and 540 ′. Thereby, the quartz substrate 530 vibrates at a predetermined resonance frequency by thickness shear vibration. Here, when a gas containing an aromatic amine is passed through the QCM gas sensor 500, the aromatic amine in the gas is adsorbed by the aromatic amine adsorbent 520. As a result, an energy loss corresponding to the mass of the adsorbed aromatic amine occurs, so that the predetermined resonance frequency changes. The frequency change is measured by a frequency counter or the like via the lead wires 550 and 550 '. Thus, by using the QCM gas sensor 500 of the present invention, it is possible to detect an aromatic amine in the gas by changing the frequency.

本発明のQCMガスセンサ500は、実施の形態1で図3および図4を参照して説明した芳香族アミン吸着剤の製造方法において、基材としてQCM電極510を用いれば容易に製造され得る。   The QCM gas sensor 500 of the present invention can be easily manufactured by using the QCM electrode 510 as a base material in the method for manufacturing an aromatic amine adsorbent described in Embodiment 1 with reference to FIGS.

また、本発明のQCMガスセンサ500を、交流電源、増幅器、周波数カウンタ等に接続し、水晶振動子ガスセンサ装置を構築してもよい。   The QCM gas sensor 500 of the present invention may be connected to an AC power source, an amplifier, a frequency counter, etc. to construct a crystal resonator gas sensor device.

次に具体的な実施例を用いて本発明を詳述するが、本発明がこれら実施例に限定されないことに留意されたい。   The present invention will now be described in detail using specific examples, but it should be noted that the present invention is not limited to these examples.

[実施例1]
実施例1では、合成樹脂として膜状のポリメチルメタクリレート(PMMA)に、官能基を有する炭素多孔体としてケージ型炭素多孔体(CNC)を含有させた芳香族アミン吸着剤(CNC/PMMAキャスト膜と呼ぶ)を製造した。
[Example 1]
In Example 1, an aromatic amine adsorbent (CNC / PMMA cast membrane) in which caged carbon porous material (CNC) is contained as a carbon porous material having a functional group in film-like polymethyl methacrylate (PMMA) as a synthetic resin. Called).

CNCは、ケージ型シリカ多孔体KIT−5をテンプレートとして用いて、特許第4724877号あるいはArigaら,J.Am.Chem.Soc.,2007,129,11022−11023を参照して製造した。得られたCNCの比表面積(BET比表面積)は、1600m/gであり、比孔容量は、2.1cm/gであった。CNCのポア径およびケージ径はそれぞれ5.2nm、15.0nmであった。 CNC uses a cage-type silica porous material KIT-5 as a template and is disclosed in Japanese Patent No. 4724877 or Ariga et al. Am. Chem. Soc. , 2007, 129, 11022-11023. The obtained CNC had a specific surface area (BET specific surface area) of 1600 m 2 / g and a specific pore volume of 2.1 cm 3 / g. The pore diameter and cage diameter of the CNC were 5.2 nm and 15.0 nm, respectively.

ポリマー溶液を調製後、キャスト法によりポリマー溶液を滴下することにより、基材として水晶振動子(QCM)電極にポリマー溶液を付与し、CNC/PMMAキャスト膜を製造した(図3)。   After preparing the polymer solution, the polymer solution was added dropwise to the crystal resonator (QCM) electrode as a base material by dropping the polymer solution by a casting method to produce a CNC / PMMA cast film (FIG. 3).

具体的な手順は次のとおりである。QCM電極を、水酸化カリウム(1.0g)、2−プロパノール(60g)および純水(17.2MΩ、40g)からなる水溶液で、3分間超音波洗浄した。次いで、QCM電極を、純水で1分間超音波洗浄した。洗浄後、QCM電極を50℃で30分間加熱し、完全に乾燥させた。   The specific procedure is as follows. The QCM electrode was ultrasonically washed with an aqueous solution consisting of potassium hydroxide (1.0 g), 2-propanol (60 g) and pure water (17.2 MΩ, 40 g) for 3 minutes. Next, the QCM electrode was ultrasonically cleaned with pure water for 1 minute. After washing, the QCM electrode was heated at 50 ° C. for 30 minutes and completely dried.

溶媒としてN,N−ジメチルホルムアミド(DMF、和光純薬工業株式会社製)にCNC(0.10質量%)およびPMMA(0.15質量%、和光純薬工業株式会社製)を溶解させて、ポリマー溶液を調製した。   As a solvent, CNC (0.10% by mass) and PMMA (0.15% by mass, manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) are dissolved in N, N-dimethylformamide (DMF, manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) A polymer solution was prepared.

ポリマー溶液(0.7μL)を洗浄したQCM電極に滴下し、50℃で乾燥させた。これにより、DMFは除去され、QCM電極上にCNC/PMMAキャスト膜が製造された。得られた膜の質量は約1700ngであった。   A polymer solution (0.7 μL) was dropped on the washed QCM electrode and dried at 50 ° C. As a result, DMF was removed, and a CNC / PMMA cast film was manufactured on the QCM electrode. The mass of the obtained film was about 1700 ng.

CNC/PMMAキャスト膜の表面を走査型電子顕微鏡(SEM、Hitachi SU−8000)で観察した。観察時の加速電圧は5kVであった。結果を図6aに示す。   The surface of the CNC / PMMA cast film was observed with a scanning electron microscope (SEM, Hitachi SU-8000). The acceleration voltage at the time of observation was 5 kV. The result is shown in FIG.

CNC/PMMAキャスト膜を備えたQCM電極(すなわち、QCMガスセンサ)を用いてガスセンサ装置を設計した。図7に示す。ガスセンサ装置を用いて、芳香族アミンとしてアニリン(シグマアルドリッチ製)に対する周波数変化を測定した。測定条件は、ATカット水晶において10MHzであった。アニリン3〜12ppmに対する周波数変化(Hz)から応答定数(Hz/ppm)を求めた。結果を図8に示す。   A gas sensor device was designed using a QCM electrode with a CNC / PMMA cast film (ie, a QCM gas sensor). As shown in FIG. Using a gas sensor device, the frequency change with respect to aniline (manufactured by Sigma-Aldrich) as an aromatic amine was measured. Measurement conditions were 10 MHz for AT-cut quartz. The response constant (Hz / ppm) was determined from the frequency change (Hz) for aniline 3-12 ppm. The results are shown in FIG.

次に、CNCの化学分析を行い、CNCとアニリンとの化学吸着の構造を調べた。CNCの赤外吸収スペクトル(IRスペクトル)を、NEXUS670−FT−IR(Termo Nicolet)を用いて測定した。CNCのラマンスペクトルを、波長532nmの半導体レーザを備えたマイクロ−ラマンシステム(NRS−1000、JASCO)を用いて測定した。CNCにX線光電子分光分析法(XPS)を行った。XPS測定は、MgKα励起(VG Scientific、ECLIPSEデータシステムを備えたESCALAB200−X)で行った。XPSスペクトルの結合エネルギーは、標準サンプルとしてSi(100)基板からのSi2pピーク(99.3eV)を用いて校正された。これらの結果を図9〜図11に示す。   Next, the chemical analysis of CNC was conducted, and the structure of chemical adsorption between CNC and aniline was examined. The infrared absorption spectrum (IR spectrum) of CNC was measured using NEXUS670-FT-IR (Thermo Nicolet). The Raman spectrum of CNC was measured using a micro-Raman system (NRS-1000, JASCO) equipped with a semiconductor laser having a wavelength of 532 nm. The CNC was subjected to X-ray photoelectron spectroscopy (XPS). XPS measurements were performed with MgKα excitation (VG Scientific, ESCALAB 200-X with ECLIPSE data system). The binding energy of the XPS spectrum was calibrated using the Si2p peak (99.3 eV) from the Si (100) substrate as a standard sample. These results are shown in FIGS.

次に、密度汎関数理論(DFT)を用いてCNCへのアニリンの化学吸着構造を調べ、CNCによるアニリンの高い選択的な吸着に対して考察した。密度汎関数分子動力学法(DFMD)を用いて、CNCとアニリンとの相互作用によるモードを算出した。DFMDにおいて、BLYP汎関数(Beckeの交換エネルギー表式およびLee、Yang、Parrらの相関エネルギー表式)を備えたCPMDコード(CPMD V3.15.1: IBM Research division, MPI Festkoerperforschung Stuttgart:http://www.cpmd.org)に基づく平面波を用いた。Kohn−Sham軌道を、70Ryでエネルギーカットオフした平面波により拡大し、全エネルギーを超格子法のΓ点についてのみ算出した。   Next, the chemical adsorption structure of aniline to CNC was examined using density functional theory (DFT), and high selective adsorption of aniline by CNC was considered. The mode by the interaction between CNC and aniline was calculated using density functional molecular dynamics method (DFMD). In DFMD, a CPMD code (CPMD V3.15.1: IBM Research division, MPI Festkoerperschung Stuttgart: Steckgart: Beck functional (Becke's exchange energy formula and Lee, Yang, Parr's correlation energy formula)) /Www.cpmd.org) was used. The Kohn-Sham orbit was expanded by a plane wave with energy cut-off at 70 Ry, and the total energy was calculated only for the Γ point of the superlattice method.

すべての原子について、Troullier−Martin型ノルム保存型擬ポテンシャルを採用した。カノニカル(VNT)アンサンブルについて温度300KのNose−Hooverの温度制御を用いた。時間ステップは、5(a.u.)に設定された。Car−Parrinello動力学において電子の仮の質量を500(a.u.)とした。30×30×30Åの大きさの立法格子を用いた。   For all atoms, the Trouller-Martin norm-conserving pseudopotential was adopted. For a canonical (VNT) ensemble, a temperature control of 300K Nose-Hoover was used. The time step was set to 5 (au). In Car-Parrinello dynamics, the provisional mass of electrons was 500 (au). A cubic lattice with a size of 30 × 30 × 30 mm was used.

DFMDにおいて1ps後、セグメント化したCNCと相互作用しないアニリン分子を除去することによって、幾何学的に最適化した初期構造を作成した。ここで、6−31G*基本セットを用い、Gaussian09に実装されたB3LYPを採用した。結果を図12に示す。なお、比較のために、アニリンに代えてベンゼンとCNCとの系も計算した。 After 1 ps in DFMD, a geometrically optimized initial structure was created by removing aniline molecules that did not interact with the segmented CNC. Here, B3LYP mounted on Gaussian 09 was adopted using 6-31 G * basic set. The results are shown in FIG. For comparison, a system of benzene and CNC instead of aniline was also calculated.

[比較例2]
比較例2では、合成樹脂としてポリメチルメタクリレート(PMMA)のPMMAキャスト膜を製造した。実施例1においてCNCを用いない以外は同様の手順であった。実施例1で設計したガスセンサ装置において、CNC/PMMAキャスト膜に代えてPMMAキャスト膜を備えたQCM電極を配置し、芳香族アミンとしてアニリンに対する周波数変化を測定した。測定条件は、実施例1と同様であった。この結果を図8に示す。
[Comparative Example 2]
In Comparative Example 2, a PMMA cast film of polymethyl methacrylate (PMMA) was produced as a synthetic resin. The procedure was the same except that CNC was not used in Example 1. In the gas sensor device designed in Example 1, a QCM electrode provided with a PMMA cast film was disposed instead of the CNC / PMMA cast film, and the frequency change with respect to aniline as an aromatic amine was measured. The measurement conditions were the same as in Example 1. The result is shown in FIG.

[比較例3]
比較例3では、合成樹脂として膜状のポリメチルメタクリレート(PMMA)に、官能基を有する炭素多孔体に代えて活性炭(AC)を含有させたAC/PMMAキャスト膜を製造した。実施例1においてCNCに代えてACを用いた以外は同様の手順であった。ACとして木炭活性粉末(和光純薬工業株式会社製)を用いた。
[Comparative Example 3]
In Comparative Example 3, an AC / PMMA cast film was produced in which activated carbon (AC) was contained in the film-like polymethyl methacrylate (PMMA) as a synthetic resin instead of the carbon porous body having a functional group. The procedure was the same as in Example 1 except that AC was used instead of CNC. Charcoal active powder (Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) was used as AC.

得られたAC/PMMAキャスト膜の表面を実施例1と同様にSEM観察した。実施例1で設計したガスセンサ装置において、CNC/PMMAキャスト膜に代えてAC/PMMAキャスト膜を備えたQCM電極を配置し、芳香族アミンとしてアニリンに対する周波数変化を測定した。測定条件は、実施例1と同様であった。これらの結果を図6bおよび図8に示す。実施例1と同様に、ACのIRスペクトル、ラマンスペクトルおよびXPSスペクトルを測定した。結果を図11に示す。   The surface of the obtained AC / PMMA cast film was observed by SEM in the same manner as in Example 1. In the gas sensor device designed in Example 1, a QCM electrode provided with an AC / PMMA cast film was disposed instead of the CNC / PMMA cast film, and the frequency change with respect to aniline as an aromatic amine was measured. The measurement conditions were the same as in Example 1. These results are shown in FIG. 6b and FIG. In the same manner as in Example 1, the IR spectrum, Raman spectrum, and XPS spectrum of AC were measured. The results are shown in FIG.

以上の実施例および比較例1〜3の実験条件の一覧を表1に示し、結果を詳述する。   Table 1 shows a list of the experimental conditions of the above Examples and Comparative Examples 1 to 3, and the results are described in detail.

図6は、実施例1および比較例3の試料のSEM像を示す図である。   6 is a diagram showing SEM images of samples of Example 1 and Comparative Example 3. FIG.

図6(a)および(b)は、それぞれ、実施例1および比較例3の試料の表面のSEM像である。いずれもCNCあるいはACが数ミクロンオーダの塊となってPMMAの膜中に均一に分散している様子を確認した。   6A and 6B are SEM images of the surfaces of the samples of Example 1 and Comparative Example 3, respectively. In either case, it was confirmed that CNC or AC was in the order of several microns and was uniformly dispersed in the PMMA film.

図7は、水晶振動子ガスセンサ装置を示す図である。   FIG. 7 is a diagram showing a crystal resonator gas sensor device.

図7(A)は水晶振動子(QCM)ガスセンサ装置の外観を示し、図7(B)は水晶振動子ガスセンサ装置の内部を示し、QCM電極710を拡大して示す。QCM電極710は、それぞれ、QCM電極に付与された、実施例1のCNC/PMMAキャスト膜、比較例2のPMMAキャスト膜、ならびに、比較例3のAC/PMMAキャスト膜であった。   FIG. 7A shows the external appearance of the crystal resonator (QCM) gas sensor device, FIG. 7B shows the inside of the crystal resonator gas sensor device, and shows the QCM electrode 710 in an enlarged manner. The QCM electrodes 710 were the CNC / PMMA cast film of Example 1, the PMMA cast film of Comparative Example 2, and the AC / PMMA cast film of Comparative Example 3 applied to the QCM electrode, respectively.

図7に示すように、QCM電極710は、約5cmセンサチャンバに配置された。QCMガスセンサ装置において、QCMが発振回路により発振し、周波数カウンタが共鳴周波数を測定した。測定された共鳴周波数は、コンピュータ(図示せず)に記録された。なお、センサチャンバ内の湿度および温度も併せて記録した。QCMガスセンサ装置をガスフローユニットに接続し、アニリン含有NガスをQCMガスセンサ装置内のセンサチャンバに流した。なお、測定は、密閉されたガスリザーバユニット内で行った。 As shown in FIG. 7, the QCM electrode 710 was placed in an approximately 5 cm 3 sensor chamber. In the QCM gas sensor device, the QCM oscillated by the oscillation circuit, and the frequency counter measured the resonance frequency. The measured resonance frequency was recorded in a computer (not shown). The humidity and temperature in the sensor chamber were also recorded. The QCM gas sensor device was connected to a gas flow unit, and aniline-containing N 2 gas was allowed to flow into the sensor chamber in the QCM gas sensor device. The measurement was performed in a sealed gas reservoir unit.

図8は、実施例1および比較例2〜3の試料のアニリンに対する応答定数を示す図である。   FIG. 8 is a graph showing response constants for the samples of Example 1 and Comparative Examples 2 to 3 with respect to aniline.

図8によれば、CNC/PMMAキャスト膜のアニリンに対する応答定数は、PMMAキャスト膜およびAC/PMMAキャスト膜のそれらに比べて、大きいことが分かった。詳細には、CNC/PMMAキャスト膜のR値は、5.7Hz/ppmであり、これは、AC/PMMAキャスト膜のそれの約4倍であった。   According to FIG. 8, it was found that the response constant of the CNC / PMMA cast film to aniline is larger than those of the PMMA cast film and the AC / PMMA cast film. Specifically, the R value of the CNC / PMMA cast film was 5.7 Hz / ppm, which was about 4 times that of the AC / PMMA cast film.

図9は、CNCおよびACのIRスペクトルを示す図である。   FIG. 9 is a diagram showing IR spectra of CNC and AC.

CNCのIRスペクトルは、カルボン酸、ラクトン、および、酸無水物からなるカルボニル基に相当する1600cm−1および1720cm−1の2つのピークを示した。さらに、3200cm−1〜3400cm−1の極めてブロードなバンドは、フェノールのO−H伸縮に起因する。加えて、3000cm−1近傍の明瞭なピークは、CNCがC−Hユニットを含んでいることを示す。 IR spectra of the CNC, carboxylic acids, lactones, and showed two peaks of 1600 cm -1 and 1720 cm -1 corresponding to the carbonyl group consisting of acid anhydride. Furthermore, the extremely broad band of 3200 cm −1 to 3400 cm −1 is attributed to phenol O—H stretching. In addition, a clear peak near 3000 cm −1 indicates that the CNC contains C—H units.

図10は、CNCおよびACのラマンスペクトルを示す図である。   FIG. 10 is a diagram showing Raman spectra of CNC and AC.

ラマンスペクトルによれば、CNCとACとの間に明瞭な差異がないことが分かった。CNCのラマンスペクトルは、1600cm−1近傍にタンジェンシャル(tangential)Gバンド、および、1345cm−1近傍に欠陥由来のDバンドが観察され、CNCが、実質的量のグラフェンシートを含有していることが分かった。 According to the Raman spectrum, it was found that there was no clear difference between CNC and AC. Raman spectra of the CNC, 1600 cm -1 vicinity tangential (tangential) G band, and, D band derived from defects are observed in the vicinity of 1345cm -1, the CNC will contain a substantial amount of the graphene sheet I understood.

図11は、CNCのXPSスペクトル(A)およびACのXPSスペクトル(B)を示す図である。   FIG. 11 shows the XPS spectrum (A) of CNC and the XPS spectrum (B) of AC.

図中、点線で示すスペクトルは、解析前のオリジナルデータである。図11(B)のACの高分解能解析C1sスペクトルは、284.7eVのsp(−C=C−)炭素からの強いピーク、および、286eV〜290eV近傍の比較的弱いピークを有した。これらの弱いピークは、ヒドロキシ基(−C−OH)、カルボニル基(C=O)、カルボキシル基(−COOH)、エーテル基(−C−OR)の炭素に起因する。 In the figure, the spectrum indicated by the dotted line is the original data before analysis. The high-resolution analysis C1s spectrum of AC in FIG. 11B had a strong peak from 284.7 eV sp 2 (—C═C—) carbon and a relatively weak peak near 286 eV to 290 eV. These weak peaks are attributed to the carbons of the hydroxy group (—C—OH), carbonyl group (C═O), carboxyl group (—COOH), and ether group (—C—OR).

一方、図11(A)のCNCの高分解能解析C1sスペクトルは、ACのそれと比較して、286eV〜290eV近傍のピークの強度が高いことが分かった。このことは、CNCは、sp炭素(すなわち、芳香族ユニット)だけでなく、ヒドロキシ基、カルボニル基、カルボキシル基、エーテル基等の機能的な官能基を相当量含有していることを示す。 On the other hand, it was found that the high-resolution analysis C1s spectrum of CNC in FIG. 11A has a higher peak intensity in the vicinity of 286 eV to 290 eV than that of AC. This indicates that CNC contains a considerable amount of functional functional groups such as hydroxy group, carbonyl group, carboxyl group, ether group as well as sp 2 carbon (ie, aromatic unit).

図11の結果を表2にまとめて示す。   The results of FIG. 11 are summarized in Table 2.

以上の図8〜図11により、官能基を有する炭素多孔体としてCNCを含有する、合成樹脂としてPMMAからなる膜状の物質は、芳香族アミンとしてアニリンを吸着する、芳香族アミン吸着剤として機能することが確認された。また、芳香族アミンの吸着に好適な官能基は、好ましくは、ヒドロキシ基、カルボニル基、カルボキシル基、および、エーテル基からなる群から選択される官能基であることが示された。   From FIG. 8 to FIG. 11, a film-like substance made of PMMA as a synthetic resin containing CNC as a carbon porous body having a functional group adsorbs aniline as an aromatic amine and functions as an aromatic amine adsorbent. Confirmed to do. Moreover, it was shown that the functional group suitable for adsorption of the aromatic amine is preferably a functional group selected from the group consisting of a hydroxy group, a carbonyl group, a carboxyl group, and an ether group.

図12は、密度汎関数分子動力学法(DFMD)を用いたCNCとアニリンとのモデルを示す図である。   FIG. 12 is a diagram showing a model of CNC and aniline using the density functional molecular dynamics method (DFMD).

ここでは、図9〜図11の結果にしたがって、CNCの簡単な構造モデルを、官能基としてカルボニル基を有し、部分的にセグメント化したグラフェンナノシートであるとした。アニリンと相互作用する可能性のある分子は、C=O、O−H、および、5員環または6員環のπ−軌道である。ここでは、300Kにおいて、3つのアニリン分子をセグメントされたグラフェンナノシートの周りに配置し、密度汎関数分子動力学法(DFMD)を行った。この結果が図12(a)である。   Here, according to the results of FIGS. 9 to 11, the simple structural model of CNC is a graphene nanosheet having a carbonyl group as a functional group and partially segmented. Molecules that can interact with aniline are C═O, O—H, and 5- or 6-membered π-orbitals. Here, at 300 K, three aniline molecules were placed around segmented graphene nanosheets and density functional molecular dynamics (DFMD) was performed. This result is shown in FIG.

図12(a)に示されるように、1つのアニリン分子のみが、CNCモデルの近い位置にあるカルボニル基(C=O)と相互作用することが分かった。   As shown in FIG. 12 (a), it was found that only one aniline molecule interacts with a carbonyl group (C = O) located at a close position in the CNC model.

図12(b)および(c)は、それぞれ、B3LYP/6−31Gレベルにおける、CNC−アニリン錯体、および、CNC−ベンゼン錯体の最適化された構造パラメータを示す。 FIGS. 12 (b) and (c) show the optimized structural parameters of the CNC-aniline complex and the CNC-benzene complex at the B3LYP / 6-31G * level, respectively.

CNCとベンゼンとの間の結合エネルギーは、12.86kJmol−1と算出された。この値は、CNCとアニリンとの間の結合エネルギー(32.62kJmol−1)よりも19.76kJmol−1低かった。すなわち、ベンゼン分子は、CH−π相互作用を介して、カルボニル基(C=O)と弱く結合していることが分かった。このことから、アニリンが有するアミン基とCNCが有するカルボニル基との間の水素結合により、CNCがアニリンを選択的に吸着することが示唆される。 The binding energy between CNC and benzene was calculated to be 12.86 kJmol −1 . This value was 19.76 kJmol −1 lower than the binding energy (32.62 kJmol −1 ) between CNC and aniline. That is, it was found that the benzene molecule was weakly bonded to the carbonyl group (C═O) via the CH—π interaction. From this, it is suggested that CNC selectively adsorbs aniline by a hydrogen bond between the amine group of aniline and the carbonyl group of CNC.

また、多くの炭素に基づく吸着材料は、π−π相互作用により芳香族分子に対して高い親和性を有することが知られていることから、上述の水素結合に加えてπ−π相互作用もまた、本発明で用いるCNCのような官能基を有する炭素多孔体に、アニリンに代表される芳香族アミンに対する高い選択的吸着能を付与していると考察できる。   In addition, since many carbon-based adsorbent materials are known to have high affinity for aromatic molecules due to π-π interactions, in addition to the hydrogen bonds described above, π-π interactions also occur. Further, it can be considered that a carbon porous body having a functional group such as CNC used in the present invention is imparted with a high selective adsorption ability for an aromatic amine typified by aniline.

[参考例4]
参考例4では、エレクトロスピニング法を用いて、合成樹脂としてポリメチルメタクリレート(PMMA)をファイバ状に成形するための、PMMA濃度およびシリンジの先端からコレクタまでの距離Dについて調べた。ポリマー溶液は、溶媒としてN,N−ジメチルホルムアミド(DMF)にPMMAを溶解して調製した。ポリマー溶液中のPMMAの濃度は、それぞれ、5質量%、10質量%、15質量%、20質量%、25質量%および30質量%であった。
[Reference Example 4]
In Reference Example 4, the electrospinning method was used to examine the PMMA concentration and the distance D from the tip of the syringe to the collector for forming polymethyl methacrylate (PMMA) as a synthetic resin into a fiber shape. The polymer solution was prepared by dissolving PMMA in N, N-dimethylformamide (DMF) as a solvent. The concentrations of PMMA in the polymer solution were 5% by mass, 10% by mass, 15% by mass, 20% by mass, 25% by mass and 30% by mass, respectively.

このように調製したポリマー溶液にエレクトロスピニング法を行った。具体的には、図4に示すように、紡糸口としてニードル(NN−2138R、φ=0.08mm、テルモ株式会社製)を備えたシリンジ(SS−01P、1mL、テルモ株式会社製)にポリマー溶液を充填し、これを、高圧電源(HAR−50P6、松定プレシジョン株式会社製)の正電極に、シリンジポンプ(MSP−DT2、アズワン株式会社製)を介して接続した。シリンジから約20cm離れた位置にスチール製のハンドルのついた導電性板を配置し、アースした。スチール製のハンドル側をニードルに近い位置に配置した。導電性板にはファイバを回収するコレクタが備えられており、その面積は1cmであった。 The polymer solution thus prepared was electrospun. Specifically, as shown in FIG. 4, a polymer (SS-01P, 1 mL, manufactured by Terumo Corporation) equipped with a needle (NN-2138R, φ = 0.08 mm, manufactured by Terumo Corporation) as a spinneret is polymerized. The solution was filled, and this was connected to the positive electrode of a high-voltage power supply (HAR-50P6, manufactured by Matsusada Precision Co., Ltd.) via a syringe pump (MSP-DT2, manufactured by ASONE Co., Ltd.). A conductive plate with a steel handle was placed about 20 cm away from the syringe and grounded. The steel handle side was placed close to the needle. The conductive plate was provided with a collector for collecting the fiber, and its area was 1 cm 2 .

シリンジからのポリマー溶液の供給量および印加電圧は、それぞれ、0.5mL/hおよび20kVであった。シリンジの先端からコレクタまでの距離Dは、10cmまたは3cmであった。得られた試料について実施例1と同様にSEM観察を行った。結果を図13および図14に示す。   The amount of polymer solution supplied from the syringe and the applied voltage were 0.5 mL / h and 20 kV, respectively. The distance D from the tip of the syringe to the collector was 10 cm or 3 cm. The obtained sample was observed by SEM in the same manner as in Example 1. The results are shown in FIG. 13 and FIG.

図13は、参考例4の試料のSEM像を示す図である。
図14は、参考例4の試料の別のSEM像を示す図である。
FIG. 13 is a view showing an SEM image of the sample of Reference Example 4.
FIG. 14 is a view showing another SEM image of the sample of Reference Example 4.

図13(a)〜(e)は、それぞれ、シリンジの先端からコレクタまでの距離Dが10cmで製造した、PMMA濃度10質量%、15質量%、20質量%、25質量%および30質量%の試料のSEM像である。図中のスケールバーは、10μmを示す。   FIGS. 13A to 13E show the PMMA concentrations of 10 mass%, 15 mass%, 20 mass%, 25 mass%, and 30 mass%, respectively, manufactured at a distance D from the tip of the syringe to the collector of 10 cm. It is a SEM image of a sample. The scale bar in the figure indicates 10 μm.

図14(a)〜(e)は、それぞれ、シリンジの先端からコレクタまでの距離Dが3cmで製造した、PMMA濃度5質量%、10質量%、15質量%、20質量%および30質量%の試料のSEM像である。図中のスケールバーは、10μmを示す。   FIGS. 14 (a) to 14 (e) show PMMA concentrations of 5 mass%, 10 mass%, 15 mass%, 20 mass%, and 30 mass%, respectively, manufactured at a distance D from the tip of the syringe to the collector of 3 cm. It is a SEM image of a sample. The scale bar in the figure indicates 10 μm.

図13および図14によれば、距離Dに関わらず、PMMA濃度が低いと、径の細いファイバの生成に加えて粒が生成する傾向があり、PMMA濃度が高いと、径の太いファイバが生成する傾向があることが分かった。   According to FIGS. 13 and 14, regardless of the distance D, when the PMMA concentration is low, grains tend to be generated in addition to the generation of thin fibers, and when the PMMA concentration is high, fibers having a large diameter are generated. It turns out that there is a tendency to.

図13によれば、距離Dが長いと、PMMA濃度が20質量%以上では、ファイバが生成するものの、生成したファイバは直径が大きく、粗であり、PMMA濃度が10質量%以下では、ファイバが生成されなかった。一方、図14によれば、距離Dが短いと、PMMA濃度が15質量%を超えると、ファイバの直径が大きく、粗であり、PMMA濃度が5質量%以下では、ファイバが生成されなかった。   According to FIG. 13, when the distance D is long, the fiber is generated when the PMMA concentration is 20% by mass or more, but the generated fiber is large and coarse in diameter, and when the PMMA concentration is 10% by mass or less, the fiber is formed. Not generated. On the other hand, according to FIG. 14, when the distance D is short, when the PMMA concentration exceeds 15% by mass, the diameter of the fiber is large and rough, and when the PMMA concentration is 5% by mass or less, no fiber is generated.

これらの結果から、エレクトロスピニング法により合成樹脂をファイバ化するためには、シリンジの先端からコレクタまでの距離Dは、例えば、2cm以上10cm以下と短いことが好ましく、合成樹脂の濃度は5質量%より多く15質量%以下が好ましいことが分かった。   From these results, in order to fiberize synthetic resin by electrospinning, the distance D from the tip of the syringe to the collector is preferably as short as 2 cm or more and 10 cm or less, and the concentration of the synthetic resin is 5 mass%. More than 15% by mass was found to be preferable.

[参考例5]
参考例5では、エレクトロスピニング法を用いて、合成樹脂としてポリメチルメタクリレート(PMMA)をファイバ状に成形するための、ポリマー溶液の溶媒について調べた。参考例5では、参考例4の結果に基づいて、距離Dを3cmとし、合成樹脂としてPMMAの濃度を10質量%とした。溶媒としてDMFに加えて、テトラヒドロフラン(THF、和光純薬工業株式会社製)を用いた。DMFとTHFとの重量比は、7:3および5:5の2種類であった。シリンジからのポリマー溶液の供給量および印加電圧は、参考例4と同様に、それぞれ、0.5mL/hおよび20kVであった。得られた試料について実施例1と同様にSEM観察を行った。結果を図15に示す。
[Reference Example 5]
In Reference Example 5, the solvent of the polymer solution for forming polymethyl methacrylate (PMMA) as a synthetic resin into a fiber shape was examined using an electrospinning method. In Reference Example 5, based on the result of Reference Example 4, the distance D was 3 cm, and the concentration of PMMA as a synthetic resin was 10% by mass. Tetrahydrofuran (THF, manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) was used in addition to DMF as a solvent. There were two weight ratios of DMF and THF: 7: 3 and 5: 5. The amount of polymer solution supplied from the syringe and the applied voltage were 0.5 mL / h and 20 kV, respectively, as in Reference Example 4. The obtained sample was observed by SEM in the same manner as in Example 1. The results are shown in FIG.

図15は、参考例5の試料のSEM像を示す図である。   FIG. 15 is a view showing an SEM image of the sample of Reference Example 5.

図15(a)および(b)は、それぞれ、シリンジの先端からコレクタまでの距離Dが3cmとし、PMMA濃度が10質量%であり、DMSとTHFとの質量比が、7:3および5:5の試料のSEM像である。図中のスケールバーは、10μmを示す。   15 (a) and 15 (b), the distance D from the tip of the syringe to the collector is 3 cm, the PMMA concentration is 10% by mass, and the mass ratio of DMS and THF is 7: 3 and 5: 5 is an SEM image of 5 samples. The scale bar in the figure indicates 10 μm.

図14(b)と図15とを比較すると、溶媒としてDMFとともにTHFを用いることにより、均一なファイバが生成されることが分かった。さらに、図15(a)と(b)とを比較すると、DMFがTHFよりも多い方が、均一なファイバが生成されることが分かった。   Comparing FIG. 14B and FIG. 15, it was found that a uniform fiber was produced by using THF together with DMF as a solvent. Further, comparing FIGS. 15 (a) and 15 (b), it was found that a more uniform fiber was produced when DMF was higher than THF.

これらの結果から、エレクトロスピニング法により合成樹脂をファイバ化するためには、ポリマー溶液の溶媒は、N,N−ジメチルホルムアミド(DMF)およびテトラヒドロフラン(THF)の組み合わせが好ましく、中でも、DMFがTHFよりも多い方が、均一なファイバが生成されるため好ましい。   From these results, in order to fiberize the synthetic resin by electrospinning, the solvent of the polymer solution is preferably a combination of N, N-dimethylformamide (DMF) and tetrahydrofuran (THF), among which DMF is more than THF. A larger number is preferable because a uniform fiber is produced.

[実施例6]
実施例6では、合成樹脂としてファイバ状のポリメチルメタクリレート(PMMA)に、官能基を有する炭素多孔体としてケージ型炭素多孔体(CNC)を含有させた芳香族アミン吸着剤(CNC/PMMAファイバと呼ぶ)を製造した。
[Example 6]
In Example 6, an aromatic amine adsorbent (CNC / PMMA fiber and carbon-containing polymethyl methacrylate (PMMA) as a synthetic resin containing a cage-type carbon porous body (CNC) as a carbon porous body having a functional group. Manufactured).

CNCは、実施例1で製造したCNCを用いた。ポリマー溶液を調製後、エレクトロスピニング法により、ポリマー溶液を収容するシリンジに電圧を印加し、ポリマー溶液をシリンジから噴出させて、コレクタとして水晶振動子(QCM)電極で回収し、CNC/PMMAファイバを製造した(図4)。   As the CNC, the CNC manufactured in Example 1 was used. After preparing the polymer solution, a voltage is applied to the syringe containing the polymer solution by electrospinning, the polymer solution is ejected from the syringe, and is collected by a quartz crystal (QCM) electrode as a collector, and the CNC / PMMA fiber is Manufactured (Figure 4).

具体的な手順は次のとおりである。QCM電極は実施例1と同様に洗浄した。参考例4および参考例5に基づいてポリマー溶液を調製した。DMFとTHFとの混合溶媒(DMFとTHFとの重量比は7:3)に、CNCとPMMAとを溶解させ、これらを10分間超音波洗浄し、ポリマー溶液を得た。ポリマー溶液中のPMMA含有量を10質量%とし、CNCの含有量を5質量%、7質量%および10質量%と変化させた。参考例5と同様の条件で、エレクトロスピニング法によりCNC/PMMAファイバを製造した。   The specific procedure is as follows. The QCM electrode was cleaned in the same manner as in Example 1. A polymer solution was prepared based on Reference Example 4 and Reference Example 5. CNC and PMMA were dissolved in a mixed solvent of DMF and THF (weight ratio of DMF and THF was 7: 3), and these were ultrasonically washed for 10 minutes to obtain a polymer solution. The PMMA content in the polymer solution was 10% by mass, and the CNC content was changed to 5%, 7%, and 10% by mass. A CNC / PMMA fiber was manufactured by electrospinning under the same conditions as in Reference Example 5.

実施例1と同様に、CNC/PMMAファイバの表面をSEMで観察した。CNC/PMMAファイバの細部を、透過型電子顕微鏡(TEM)で観察した。これらの結果を図16に示す。   Similar to Example 1, the surface of the CNC / PMMA fiber was observed with an SEM. Details of the CNC / PMMA fiber were observed with a transmission electron microscope (TEM). These results are shown in FIG.

実施例1で設計したQCMガスセンサ装置(図7)に、CNC/PMMAファイバを備えたQCM電極(すなわち、QCMガスセンサ)を設置し、芳香族アミンとしてアニリンに対する周波数変化を測定し、応答定数を求めた。測定条件は、ATカット水晶において10MHzであった。結果を図17に示す。   A QCM electrode (that is, a QCM gas sensor) equipped with a CNC / PMMA fiber is installed in the QCM gas sensor device designed in Example 1 (FIG. 7), and a frequency change with respect to aniline as an aromatic amine is measured to obtain a response constant. It was. Measurement conditions were 10 MHz for AT-cut quartz. The results are shown in FIG.

さらに、QCMガスセンサ装置を用いて、CNC/PMMAファイバの繰り返し耐性を調べた。室温(300K)において、CNC/PMMAファイバを、アニリン(7ppm)と乾燥Nとに交互に晒し、その周波数変化を測定した。結果を図18に示す。 Further, the repeated resistance of the CNC / PMMA fiber was examined using a QCM gas sensor device. At room temperature (300 K), the CNC / PMMA fiber was alternately exposed to aniline (7 ppm) and dry N 2 and the frequency change was measured. The results are shown in FIG.

さらに、QCMガスセンサ装置を用いて、CNC/PMMAファイバのアニリン以外の種々の揮発性有機化合物(ベンゼン、トルエン、シクロヘキサン、エタノール、水、アセトン、酢酸、アンモニア)に対する周波数変化を測定し、応答定数を求めた。結果を図19に示す。   Furthermore, using a QCM gas sensor device, the frequency change for various volatile organic compounds (benzene, toluene, cyclohexane, ethanol, water, acetone, acetic acid, ammonia) other than aniline of CNC / PMMA fiber is measured, and the response constant is determined. Asked. The results are shown in FIG.

さらに、QCMガスセンサ装置を用いて、CNC/PMMAファイバのアニリンおよびベンゼンに対する周波数変化の濃度依存性(0ppm〜50ppm)を測定した。CNC/PMMAファイバについて、濃度依存性から吸着等温線のラングミュアプロットを求めた。これらの結果を図20に示す。   Furthermore, the concentration dependency (0 ppm to 50 ppm) of the frequency change with respect to aniline and benzene of the CNC / PMMA fiber was measured using a QCM gas sensor device. About CNC / PMMA fiber, the Langmuir plot of the adsorption isotherm was calculated | required from concentration dependence. These results are shown in FIG.

さらに、QCMガスセンサ装置を用いて、CNC/PMMAファイバの別の繰り返し耐性を調べた。室温(300K)において、CNC/PMMAファイバを、アニリン(5ppm)と乾燥Nとベンゼン(13ppm)とに交互に晒し、その周波数変化を測定した。結果を図21に示す。 Furthermore, another repeated resistance of the CNC / PMMA fiber was examined using a QCM gas sensor device. At room temperature (300 K), the CNC / PMMA fiber was alternately exposed to aniline (5 ppm), dry N 2 and benzene (13 ppm), and the frequency change was measured. The results are shown in FIG.

以上の参考例および実施例4〜6の実験条件の一覧を表3に示し、結果を詳述する。   A list of the experimental conditions of the above reference examples and Examples 4 to 6 is shown in Table 3, and the results will be described in detail.

図16は、実施例6の試料のSEM像を示す図である。   FIG. 16 is a view showing an SEM image of the sample of Example 6.

図16(a)〜(c)は、それぞれ、PMMAとCNCとの重量比が10:10(1:1)、10:7(1:0.7)および10:5(1:0.5)の試料のSEM像である。図16によれば、いずれもファイバが生成された。このことから、芳香族アミン吸着剤中の合成樹脂と官能基を有する炭素多孔体との重量比が、1:0.2以上1:5以下を満たすことが分かった。また、合成樹脂と官能基を有する炭素多孔体との重量比が、1:0.5以上1:1以下であれば、官能基を有する炭素多孔体が合成樹脂に分散した吸着剤を確実に得ることができる。さらに、生成されたファイバの直径、密度を考慮すると、合成樹脂と官能基を有する炭素多孔体との重量比が、1:0.7以上1:1以下が好ましいことが分かった。   16 (a) to (c) show that the weight ratio of PMMA to CNC is 10:10 (1: 1), 10: 7 (1: 0.7) and 10: 5 (1: 0.5), respectively. Is a SEM image of the sample. According to FIG. 16, all fibers were produced. From this, it was found that the weight ratio of the synthetic resin in the aromatic amine adsorbent to the carbon porous body having a functional group satisfies 1: 0.2 or more and 1: 5 or less. Further, if the weight ratio of the synthetic resin to the carbon porous body having a functional group is 1: 0.5 or more and 1: 1 or less, the adsorbent in which the carbon porous body having a functional group is dispersed in the synthetic resin is ensured. Can be obtained. Furthermore, in consideration of the diameter and density of the produced fiber, it was found that the weight ratio of the synthetic resin to the carbon porous body having a functional group is preferably 1: 0.7 or more and 1: 1 or less.

図16(b)の挿入図(TEM像)を参照すれば、ファイバの内部にCNCによる炭素の蜂の巣状の構造が確認された。このことから、エレクトロスピニング法により、官能基を有する炭素多孔体としてCNCがファイバ状の合成樹脂としてPMMAに含有された物質が製造されたことが示された。また、ファイバの直径は、50nm〜1μmの範囲にあることを確認した。   Referring to the inset (TEM image) of FIG. 16 (b), a carbon honeycomb structure by CNC was confirmed inside the fiber. From this, it was shown that a material containing CNC as a fiber-like synthetic resin in PMMA as a carbon porous body having a functional group was produced by the electrospinning method. Moreover, it confirmed that the diameter of the fiber exists in the range of 50 nm-1 micrometer.

図17は、実施例6の試料のアニリンに対する応答定数を示す図である。   FIG. 17 is a graph showing response constants of the sample of Example 6 to aniline.

図17は、PMMAとCNCとの重量比が10:7であるCNC/PMMAファイバの結果である。また、図17には、実施例および比較例1〜3の結果(図8)を併せて示す。図17によれば、CNC/PMMAファイバのアニリンに対する応答定数は、CNC/PMMAキャスト膜、PMMAキャスト膜およびAC/PMMAキャスト膜のそれらに比べて、顕著に大きいことが分かった。具体的には、CNC/PMMAファイバのR値は、14.6Hz/ppmであり、これは、CNC/PMMAキャスト膜のそれの2.6倍であった。このことから、官能基を有する炭素多孔体を含有した合成樹脂からなる芳香族アミン吸着剤として、合成樹脂がファイバ状であることが好ましいことが示された。これは、ファイバの比表面積は、膜のそれよりも大きいため、アニリンの吸着可能な面積が増大し、感度が向上したためである。図示しないが、他の重量比のCNC/PMMAファイバも同様にアニリンに対する応答定数が大きいことが分かった。   FIG. 17 shows the results for a CNC / PMMA fiber with a weight ratio of PMMA to CNC of 10: 7. Moreover, in FIG. 17, the result (FIG. 8) of an Example and Comparative Examples 1-3 is shown collectively. According to FIG. 17, it was found that the response constant of the CNC / PMMA fiber to aniline is significantly larger than those of the CNC / PMMA cast film, the PMMA cast film, and the AC / PMMA cast film. Specifically, the R value of the CNC / PMMA fiber was 14.6 Hz / ppm, which was 2.6 times that of the CNC / PMMA cast film. From this, it was shown that the synthetic resin is preferably fiber-like as an aromatic amine adsorbent composed of a synthetic resin containing a carbon porous body having a functional group. This is because the specific surface area of the fiber is larger than that of the membrane, so that the area where aniline can be adsorbed is increased and the sensitivity is improved. Although not shown, it was found that CNC / PMMA fibers having other weight ratios similarly have large response constants with respect to aniline.

図18は、実施例6の試料のアニリンに対する繰り返し耐性を示す図である。   FIG. 18 is a diagram showing the repeated resistance of the sample of Example 6 to aniline.

図18は、PMMAとCNCとの重量比が10:7であるCNC/PMMAファイバの結果である。図18によれば、CNC/PMMAファイバの周波数変化は、アニリンをフローすることにより増大し、Nをフローすることにより減少した。このことは、アニリンがCNC/PMMAファイバに吸着され、周波数変化が増大し、Nが吸着したアニリンを脱離させ、周波数変化が減少したことを示す。すなわち、本発明の芳香族アミン吸着剤は、Nをフローすることにより、吸着した芳香族アミンを脱離できるので、繰り返し使用できることが示された。図示しないが、他の重量比のCNC/PMMAファイバも同様の挙動を示した。 FIG. 18 is the result for a CNC / PMMA fiber with a weight ratio of PMMA to CNC of 10: 7. According to FIG. 18, the frequency change of the CNC / PMMA fiber increased with flowing aniline and decreased with flowing N 2 . This indicates that aniline was adsorbed on the CNC / PMMA fiber, the frequency change increased, N 2 adsorbed aniline was desorbed, and the frequency change decreased. That is, it was shown that the aromatic amine adsorbent of the present invention can be repeatedly used because the adsorbed aromatic amine can be eliminated by flowing N 2 . Although not shown, other weight ratio CNC / PMMA fibers showed similar behavior.

図19は、実施例6の試料の種々の揮発性有機化合物に対する応答定数を示す図である。   FIG. 19 is a diagram showing response constants of the sample of Example 6 for various volatile organic compounds.

図19は、PMMAとCNCとの重量比が10:7であるCNC/PMMAファイバの結果である。図19によれば、アニリンに対するR値は、他のいずれの揮発性有機化合物に対するそれよりも著しく大きく、CNC/PMMAファイバはアニリンに対してのみ高感度であることが分かった。このことからも、官能基を有する炭素多孔体としてCNCを含有した合成樹脂は、芳香族アミンのみを選択的に吸着する芳香族アミン吸着剤として機能することが示された。図示しないが、他の重量比のCNC/PMMAファイバも同様の挙動を示した。   FIG. 19 shows the result of a CNC / PMMA fiber having a weight ratio of PMMA to CNC of 10: 7. According to FIG. 19, the R value for aniline was significantly greater than that for any other volatile organic compound, indicating that the CNC / PMMA fiber is sensitive only to aniline. This also indicates that the synthetic resin containing CNC as a carbon porous body having a functional group functions as an aromatic amine adsorbent that selectively adsorbs only the aromatic amine. Although not shown, other weight ratio CNC / PMMA fibers showed similar behavior.

図20は、実施例6の試料のアニリンおよびベンゼンに対する吸着等温線(a)と、それのラングミュアプロット(b)とを示す図である。   FIG. 20 shows the adsorption isotherm (a) of the sample of Example 6 for aniline and benzene and its Langmuir plot (b).

図20は、PMMAとCNCとの重量比が10:7であるCNC/PMMAファイバの結果である。図20(a)によれば、CNC/PMMAファイバは、ベンゼンと比較して、極めて強くアニリンを吸着することが分かる。図20(b)によれば、アニリンおよびベンゼンのいずれに対するラングミュアプロットも、線形の関係を示し、アニリンおよびベンゼンは、いずれも、CNC/PMMAファイバに単分子層被覆していることが分かった。図示しないが、他の重量比のCNC/PMMAファイバも同様の挙動を示した。   FIG. 20 shows the results for a CNC / PMMA fiber with a weight ratio of PMMA to CNC of 10: 7. As can be seen from FIG. 20A, the CNC / PMMA fiber adsorbs aniline very strongly compared to benzene. According to FIG. 20B, Langmuir plots for both aniline and benzene showed a linear relationship, and it was found that both aniline and benzene were coated with a monolayer on a CNC / PMMA fiber. Although not shown, other weight ratio CNC / PMMA fibers showed similar behavior.

さらに、図20(b)から、CNC/PMMAファイバとアニリンまたはベンゼンとの結合定数(K)を算出した。CNC/PMMAファイバとアニリンとの結合定数は、1852.1M−1であり、CNC/PMMAファイバとベンゼンとの結合定数は、36.4M−1であった。結合定数の顕著な差からも、本発明の芳香族アミン吸着剤は、アニリンを選択的に吸着することが示された。 Furthermore, the coupling constant (K) between the CNC / PMMA fiber and aniline or benzene was calculated from FIG. The coupling constant between the CNC / PMMA fiber and aniline was 1852.1M −1 , and the coupling constant between the CNC / PMMA fiber and benzene was 36.4M −1 . The remarkable difference in the binding constants also showed that the aromatic amine adsorbent of the present invention selectively adsorbs aniline.

図21は、実施例6の試料のアニリンに対する別の繰り返し耐性を示す図である。   FIG. 21 is a diagram showing another repeated resistance of the sample of Example 6 to aniline.

図21は、PMMAとCNCとの重量比が10:7であるCNC/PMMAファイバの結果である。図21では、10分間、ベンゼン(13ppm)、N、および、アニリン(5ppm)の順にガスを、CNC/PMMAファイバ(詳細には、CNC/PMMAファイバを有するQCM電極を搭載したQCMガスセンサ装置)にフローし、周波数変化を測定した。なお、インターバルを5分とした。 FIG. 21 shows the results for a CNC / PMMA fiber with a weight ratio of PMMA to CNC of 10: 7. In FIG. 21, gas is supplied in the order of benzene (13 ppm), N 2 , and aniline (5 ppm) for 10 minutes, CNC / PMMA fiber (specifically, a QCM gas sensor device equipped with a QCM electrode having a CNC / PMMA fiber). The frequency change was measured. The interval was 5 minutes.

図21によれば、ベンゼン(13ppm)を、測定開始から5分、35分および65分にフローすると、周波数変化はわずか10Hzであった。一方、ベンゼンよりも濃度を十分に低くしたアニリン(5ppm)を、測定開始から20分、50分および80分にフローすると、周波数変化は50Hzであった。このことから、本発明の芳香族アミン吸着剤は、長期間繰り返し使用できることが示された。   According to FIG. 21, when benzene (13 ppm) was flowed at 5, 35 and 65 minutes from the start of measurement, the frequency change was only 10 Hz. On the other hand, when aniline (5 ppm) having a concentration sufficiently lower than that of benzene was flowed at 20, 50, and 80 minutes from the start of measurement, the frequency change was 50 Hz. From this, it was shown that the aromatic amine adsorbent of the present invention can be used repeatedly for a long time.

本発明による芳香族アミン吸着剤は、官能基により芳香族アミンのみが炭素多孔体に吸着することができるので、芳香族アミンのみを選択的に吸着する吸着剤として機能し得る。このような吸着剤を水晶振動子に担持させれば、微量な芳香族アミンを検出するガスセンサとなる。このようなガスセンサを用いれば、人の呼気のみから、発がん性物質の検出、あるいは、潜在肺ガン患者の早期発見を可能にする。   The aromatic amine adsorbent according to the present invention can function as an adsorbent that selectively adsorbs only the aromatic amine because only the aromatic amine can be adsorbed to the carbon porous body by the functional group. If such an adsorbent is supported on a quartz resonator, a gas sensor for detecting a minute amount of aromatic amine can be obtained. By using such a gas sensor, it is possible to detect a carcinogenic substance or detect an early stage of a potential lung cancer patient only from a person's breath.

110、120、520 芳香族アミン吸着剤
130 官能基を有する炭素多孔体
140 合成樹脂
210 炭素多孔体
220 官能基
310 ポリマー溶液
410 コレクタ
500 水晶振動子(QCM)ガスセンサ
510、710 水晶振動子(QCM)電極
530 水晶基板
540、540’ 電極
550、550’ リード線
110, 120, 520 Aromatic amine adsorbent 130 Carbon porous body having functional group 140 Synthetic resin 210 Carbon porous body 220 Functional group 310 Polymer solution 410 Collector 500 Quartz crystal (QCM) gas sensor 510, 710 Quartz crystal (QCM) Electrode 530 Crystal substrate 540, 540 ′ Electrode 550, 550 ′ Lead wire

Claims (20)

官能基を有する炭素多孔体を含有した合成樹脂からなる芳香族アミン吸着剤。   An aromatic amine adsorbent comprising a synthetic resin containing a carbon porous body having a functional group. 前記官能基は、ヒドロキシ基、カルボニル基、カルボキシル基、および、エーテル基からなる群から少なくとも1つ選択される、請求項1に記載の芳香族アミン吸着剤。   2. The aromatic amine adsorbent according to claim 1, wherein the functional group is at least one selected from the group consisting of a hydroxy group, a carbonyl group, a carboxyl group, and an ether group. 前記合成樹脂はファイバ状であり、前記炭素多孔体がファイバ状の合成樹脂に含有されている、請求項1に記載の芳香族アミン吸着剤。   The aromatic amine adsorbent according to claim 1, wherein the synthetic resin is in a fiber shape, and the carbon porous body is contained in a fiber-shaped synthetic resin. 前記ファイバの直径は、50nm以上1μm以下の範囲である、請求項3に記載の芳香族アミン吸着剤。   The aromatic amine adsorbent according to claim 3, wherein the fiber has a diameter of 50 nm or more and 1 μm or less. 前記合成樹脂は膜状であり、前記炭素多孔体が膜状の合成樹脂に含有されている、請求項1に記載の芳香族アミン吸着剤。   The aromatic amine adsorbent according to claim 1, wherein the synthetic resin is in a film form, and the carbon porous body is contained in the film-shaped synthetic resin. 前記合成樹脂と前記炭素多孔体との質量比は、1:0.2以上1:5以下の範囲である、請求項1に記載の芳香族アミン吸着剤。   The aromatic amine adsorbent according to claim 1, wherein a mass ratio of the synthetic resin to the porous carbon body is in a range of 1: 0.2 or more and 1: 5 or less. 前記炭素多孔体は、ケージ型炭素多孔体であり、
前記ケージ型炭素多孔体の比表面積は、1300m/g以上であり、かつ、比孔容量は、1.5cm/g以上である、請求項1に記載の芳香族アミン吸着剤。
The carbon porous body is a cage-type carbon porous body,
2. The aromatic amine adsorbent according to claim 1, wherein the cage-type carbon porous body has a specific surface area of 1300 m 2 / g or more and a specific pore volume of 1.5 cm 3 / g or more.
前記炭素多孔体は、ケージ型炭素多孔体であり、
前記ケージ型炭素多孔体のケージ径は、5nm以上15nm以下である、請求項1に記載の芳香族アミン吸着剤。
The carbon porous body is a cage-type carbon porous body,
The aromatic amine adsorbent according to claim 1, wherein the cage carbon porous body has a cage diameter of 5 nm or more and 15 nm or less.
前記炭素多孔体は、ケージ型炭素多孔体であり、
前記ケージ型炭素多孔体は、面心立方格子構造を有し、空間群Fm3mであるシリカ多孔体をテンプレートとして製造される、請求項1に記載の芳香族アミン吸着剤。
The carbon porous body is a cage-type carbon porous body,
2. The aromatic amine adsorbent according to claim 1, wherein the cage-type carbon porous body has a face-centered cubic lattice structure and is manufactured using a silica porous body having a space group of Fm3 m as a template.
前記合成樹脂は、ポリメチルメタクリレート(PMMA)、ポリメチルアクリレート(PAA)、ポリジメチルシロキサン(PDMS)、ポリ酢酸ビニル、エポキシ樹脂、ポリスチレン、ポリカーボネート、ポリプロピレン、ポリブタジエン、および、ポリエチレンからなる群から少なくとも1つ選択される、請求項1に記載の芳香族アミン吸着剤。   The synthetic resin is at least one selected from the group consisting of polymethyl methacrylate (PMMA), polymethyl acrylate (PAA), polydimethylsiloxane (PDMS), polyvinyl acetate, epoxy resin, polystyrene, polycarbonate, polypropylene, polybutadiene, and polyethylene. The aromatic amine adsorbent according to claim 1, wherein two are selected. 芳香族アミンとしてアニリンを吸着する、請求項1に記載の芳香族アミン吸着剤。   The aromatic amine adsorbent according to claim 1, which adsorbs aniline as an aromatic amine. 官能基を有する炭素多孔体および合成樹脂を含有するポリマー溶液を付与するステップを包含する、請求項1〜11のいずれかに記載の芳香族アミン吸着剤を製造する方法。   The method for producing an aromatic amine adsorbent according to claim 1, comprising a step of providing a polymer solution containing a carbon porous body having a functional group and a synthetic resin. 前記付与するステップは、エレクトロスピニング法により、前記ポリマー溶液を収容するシリンジに電圧を印加し、前記ポリマー溶液をシリンジから噴出させて、コレクタで回収する、請求項12に記載の方法。   The method according to claim 12, wherein in the applying step, a voltage is applied to a syringe containing the polymer solution by electrospinning, and the polymer solution is ejected from the syringe and collected by a collector. 前記シリンジと前記コレクタとの距離は、2cm以上10cm以下である、請求項13に記載の方法。   The method according to claim 13, wherein a distance between the syringe and the collector is 2 cm or more and 10 cm or less. 前記ポリマー溶液中の前記合成樹脂の含有量および前記炭素多孔体の含有量は、それぞれ、5質量%より多く15質量%以下である、請求項13に記載の方法。   The method according to claim 13, wherein a content of the synthetic resin and a content of the porous carbon body in the polymer solution are each greater than 5 mass% and not greater than 15 mass%. 前記ポリマー溶液の溶媒は、N,N−ジメチルホルムアミド(DMF)、テトラヒドロフラン(THF)、ジクロロメタン、クロロホルム、ジオキサン、アセトン、酢酸エチル、トルエン、および、ベンゼンからなる群から少なくとも1つ選択される、請求項12に記載の方法。   The solvent of the polymer solution is at least one selected from the group consisting of N, N-dimethylformamide (DMF), tetrahydrofuran (THF), dichloromethane, chloroform, dioxane, acetone, ethyl acetate, toluene, and benzene. Item 13. The method according to Item 12. 前記ポリマー溶液の溶媒は、N,N−ジメチルホルムアミド(DMF)およびテトラヒドロフラン(THF)の組み合わせである、請求項16に記載の方法。   The method of claim 16, wherein the solvent of the polymer solution is a combination of N, N-dimethylformamide (DMF) and tetrahydrofuran (THF). 前記付与するステップは、キャスト法により前記ポリマー溶液を滴下する、請求項12に記載の方法。   The method according to claim 12, wherein the applying step drops the polymer solution by a casting method. 請求項1〜11に記載の芳香族アミン吸着剤が水晶振動子電極に付与された水晶振動子ガスセンサ。   A crystal resonator gas sensor, wherein the aromatic amine adsorbent according to claim 1 is applied to a crystal resonator electrode. 官能基を有する炭素多孔体および合成樹脂を含有するポリマー溶液を水晶振動子電極に付与するステップを包含する、請求項19に記載の水晶振動子ガスセンサを製造する方法。   The method for manufacturing a quartz resonator gas sensor according to claim 19, comprising applying a polymer solution containing a carbon porous body having a functional group and a synthetic resin to a quartz resonator electrode.
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