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WO2016121155A1 - 多孔質材料または粒状材料を受容体層として有するセンサ - Google Patents

多孔質材料または粒状材料を受容体層として有するセンサ Download PDF

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WO2016121155A1
WO2016121155A1 PCT/JP2015/074659 JP2015074659W WO2016121155A1 WO 2016121155 A1 WO2016121155 A1 WO 2016121155A1 JP 2015074659 W JP2015074659 W JP 2015074659W WO 2016121155 A1 WO2016121155 A1 WO 2016121155A1
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WO
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sensor
group
sensor according
porous material
inorganic
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PCT/JP2015/074659
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English (en)
French (fr)
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弘太 柴
元起 吉川
悠輔 山内
孝宗 鈴木
岳 今村
皓輔 南
ハミッシュ ヘイマン ユン
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National Institute for Materials Science
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Definitions

  • the present invention relates to a sensor that enables highly sensitive and selective detection of a sample molecule (detection target substance molecule) by coating a porous material or a granular material on the sensor.
  • a sensor is used for measurement after being coated with a layer called “receptor layer” that enables highly sensitive and selective detection of analyte molecules.
  • Substances used as the receptor layer are diverse, such as self-assembled monolayers, DNA / RNA, proteins, antigens / antibodies, and polymers.
  • the interaction between the receptor substance and the surface having the detection function on the sensor (hereinafter simply referred to as the sensor surface) is important from the viewpoint of measurement reproducibility and sensor durability. It is desirable to create a stable bonded state. Therefore, the immobilization of the receptor substance needs to be performed under strictly controlled conditions, and optimization of the conditions is not easy.
  • the measurement environment of the sensor is limited depending on the substance to be coated, for example, a water-soluble polymer cannot be used for measurement in water.
  • the sensor selectivity can be designed from a very specific one, such as an antigen-antibody reaction, to one with a wide range of selectivity, such as a polymer that adsorbs a relatively wide variety of analytes. Is possible.
  • a very specific one such as an antigen-antibody reaction
  • selectivity such as a polymer that adsorbs a relatively wide variety of analytes.
  • the sensitivity improves until the film thickness reaches a certain value, and then decreases.
  • it is difficult to increase the film thickness of self-assembled monolayers, DNA / RNA, proteins, antigens / antibodies, etc. so it is not easy to improve sensitivity.
  • a polymer it is possible to increase the film thickness, but there are problems of solubility and weather resistance as described above.
  • the present invention uses a “porous material” or “granular material” that has not been used as a receptor layer material so far, and can control sensitivity and selectivity that cannot be achieved with conventional materials, It is an object to provide a durable receptor layer and a method for producing the same.
  • a porous material or a granular material is coated on a sensor body of a type that detects a physical parameter, and the physical parameter of the physical parameter is determined by adsorbing an analyte molecule to the porous material or the granular material.
  • a sensor is provided that detects the analyte molecule by a change.
  • the porous material or the granular material may be made of an inorganic substance.
  • the inorganic substance may be silica.
  • the porous material or the granular material may be a porous material having an average pore diameter of 1 mm or less.
  • the average pore size of the porous material may be 0.1 nm or more and 500 nm or less.
  • the silica may be mesoporous silica.
  • the porous material or granular material is an inorganic material, an organic material, an inorganic organic hybrid material, a metal-organic structure, a material incorporating a self-organized surfactant micelle in the structure, or a material in which fibers are dispersed in plastic. , Carbon material, and biomaterial.
  • the inorganic material is one or more materials selected from the group consisting of oxides, nitrides, sulfides, metals, and gold, or a composite of a plurality of materials selected from the group at an arbitrary ratio.
  • the organic material is an organic material having a polymerizable functional group as a main chain in the structure and having a substituent in a side chain
  • the inorganic-organic hybrid material includes the inorganic material and the organic material.
  • Materials incorporating structured surfactant micelles in the structure include materials in which a cationic surfactant is incorporated in the silica skeleton, and block copolymers in the metal skeleton.
  • the material selected from the group consisting of embedded materials, in which fibers are dispersed in plastic is a fiber reinforced plastic
  • the carbon material is a substance having a skeleton of sp2 carbon atoms
  • the biological material is a peptide or protein It may be a material selected from enzymes, sugars, lipids, and proteins, or a complex of a material selected from peptides, proteins, enzymes, sugars, lipids, and proteins and the inorganic material.
  • the composite in at least one of the inorganic material and the inorganic-organic hybrid material is a form in which Janus particles are heterogeneously joined, a core-shell form, and a form in which a plurality of other particles are dispersed inside one particle.
  • the form selected from the group consisting of The organic material may be selected from the group consisting of polystyrene, polymethyl methacrylate, polydivinylbenzene, polyisopropylacrylamide, porphyrin, a compound in which a substituent is introduced into a porphyrin ring, and a porphyrin metal complex compound having a transition metal.
  • the surface of the porous material or the granular material may be modified with a single type or a plurality of types of surface modifying groups.
  • at least one of the surface modifying groups may adsorb the analyte molecule.
  • the first surface modification group is a hydrophobic surface modification group, and the second surface modification different from the first surface modification group in the plurality of types of surface modification groups.
  • the group is hydrophilic and has a surface modification group shorter than the first surface modification group, so that the surface of the receptor layer is macroscopically hydrophobic, but microscopically hydrophilic. Good.
  • the second surface modifying group may be an aminopropyl group, and the first surface modifying group may be an alkyl group having a chain length longer than that of the aminopropyl group.
  • a plurality of types of substances may repeatedly appear on the surface of the porous material or granular material, and the plurality of types of substances may be modified by different types of the surface modifying groups.
  • the plurality of types of substances may be at least titania and silica.
  • the porous material or the particulate material may be nanoparticles.
  • the physical parameters are surface stress, stress, force, surface tension, pressure, mass, elasticity, Young's modulus, Poisson's ratio, resonance frequency, frequency, volume, thickness, viscosity, density, magnetic force, magnetic quantity, magnetic field, magnetic flux, Magnetic flux density, electrical resistance, electrical quantity, dielectric constant, power, electric field, charge, current, voltage, potential, mobility, electrostatic energy, capacitance, inductance, reactance, susceptance, admittance, impedance, conductance, plasmon, refractive index, It may be at least one selected from luminous intensity and temperature.
  • the sensor body may be a surface stress sensor or a QCM.
  • the porous material may then be formed on the surface of a sensor body of the type that detects physical parameters.
  • a sensor and a film that covers the sensor and that does not transmit liquid molecules but transmits at least some gas molecules.
  • a gap may be formed between the two.
  • the membrane may be a hollow fiber membrane or a semipermeable membrane. Moreover, you may have a means to apply negative pressure to the said space
  • the present invention it is possible to simultaneously realize sensitivity, selectivity, and durability, which cannot be achieved by a conventional receptor material, in a sensor type that detects surface stress and various other physical parameters. It becomes possible. This makes it possible to perform air / liquid measurement under various temperatures and solvent conditions. Moreover, the coating with a porous material or a granular material can be easily carried out, and no special reaction conditions and equipment are required.
  • A Optical microscope photographs before (left) and after (right) immersion of a membrane type surface stress sensor with a porous receptor layer coated with a porous material in liquid water and ethanol.
  • Example. The figure which shows an example of the apparatus structure utilized for the granular material synthesis
  • FIG. 3 is an SEM image of the granular material produced in Example 2.
  • FIG. The figure which shows the result of having measured 8 types of compounds using granular material coating
  • PVP polyvinylpyrrolidone
  • Example 3 the figure which shows the result of having measured 8 types of compounds using MSS which coat
  • Example 4 the optical microscope image before and behind immersing granular material covering MSS in water.
  • Example 4 the figure which shows the result of having measured eight types of compounds using granular material covering MSS before and behind immersion in water.
  • Example 4 the figure which shows the result of having measured 8 types of compounds using PVP coating
  • Example 5 the figure which shows the result of having measured eight types of compounds using granular material covering QCM.
  • Example 5 the figure which shows the result of having measured 8 types of compounds using PVP coating
  • MOF metal-organic frameworks
  • FIG. 16 is a diagram showing a part of the results of measuring nine types of compounds using MSS coated with ZIF-7 nanoparticles whose SEM images are shown in FIG. The figure which shows the remainder of the result of having measured nine types of compounds using MSS which coat
  • FIG. 16 is a diagram showing a part of the result of measuring nine types of compounds using MSS coated with ZIF-8 nanoparticles whose SEM image is shown in FIG. The figure which shows the remainder of the result of having measured nine types of compounds using MSS which coat
  • FIG. 16 is a diagram showing a part of the results of measuring nine types of compounds using MSS coated with ZIF-71 nanoparticles whose SEM images are shown in FIG.
  • FIG. 1 Chemical structure of T (3,5-DHP) P (5,10,15,20-tetrakis (3 ', 5'-dihydroxyphenyl) porphyrin, Por-OH), which is an example of porphyrin combined with graphene oxide (GO)
  • FIG. 1 The SEM image of the state which apply
  • Zn-T (3,5-DHP) P (5,10,15,20-tetrakis (3 ', 5'-dihydroxyphenyl) porphinatozinc (II), Zn, which is another example of porphyrin combined with graphene oxide (GO)
  • a porous or granular material (hereinafter simply referred to as a receptor material when the porous material and the granular material are collectively referred to) is directly coated on a sensor body of a type that detects temperature and various other physical parameters.
  • a sensor provided with a receptor layer configured as described above is provided.
  • a change in physical parameters caused by the receptor layer adsorbing analyte molecules is detected by the sensor body. Therefore, the sensor body usable in the present invention detects changes caused in the receptor layer by adsorbing the substance to be detected by the receptor layer formed by coating the surface of the receptor material with the receptor material. If there is, the structure, operation, etc. are not particularly limited. For example, when a surface stress sensor is used, the receptor layer that coats the surface adsorbs the substance to be detected, detects the stress change caused in the receptor layer, and the surface stress sensor outputs a signal. To do.
  • a QCM that is a mass sensor that measures a small amount of mass change by utilizing the property that the resonance frequency varies according to the mass when a substance is adsorbed on the electrode surface of a crystal resonator.
  • the receptor layer covering the surface detects a mass change caused by adsorbing the detection target substance and outputs a signal.
  • adsorption is used herein in the broadest sense including not only physical adsorption but also adsorption due to chemical bonding or biochemical action.
  • porous material receptor layer The porous material used for the receptor layer may be of any size, shape, composition and structure.
  • the composition for example, an inorganic material such as silicon oxide can be used, and thus a highly durable material can be used.
  • an inorganic material may be an oxide, nitride, sulfide, metal or the like, or various alloys. Further, the above substances may be combined at an arbitrary ratio.
  • the form of the composite may be non-uniformly joined in the form of Janus particles, a core-shell form, or one in which two or more (fine) particles are dispersed inside one particle.
  • porous materials having any metal or metal oxide can be used.
  • electrochemical techniques such as electrodeposition
  • metal oxides metal oxides
  • a sol-gel reaction or the like can be used.
  • the chemical property can be changed by surface-modifying the porous material.
  • any surface modification may be applied to the porous material as necessary.
  • the surface may be modified with an amino group, an alkyl group or the like.
  • porous material to an inorganic material.
  • organic materials organic materials, inorganic-organic hybrid materials, metal-organic structures, and materials incorporating self-organized surfactant micelles in the structure
  • Any component such as a material such as a fiber reinforced plastic in which fibers made of glass or carbon are dispersed in a plastic, a carbon material, a biological material such as a biological component, or the like can be used. If this kind of material is illustrated in a non-limiting manner, the organic material has a polymerizable functional group such as a double bond in the structure as a main chain, and various substituents in the side chain. Good.
  • polystyrene, polymethyl methacrylate, polydivinylbenzene, polyisopropylacrylamide, and the like may be used.
  • Porphyrin which is an organic compound having a porphyrin ring structure can be used.
  • transduced into the porphyrin ring and the complex compound which has transition metals may be sufficient.
  • an inorganic-organic hybrid in which the inorganic material and the organic material are combined at an arbitrary ratio can also be used.
  • this composite is the same as the composite in the inorganic material, such as non-uniformly joined Janus particles, core-shells, one in which two or more (fine) particles are dispersed inside one particle, etc. It may be.
  • a metal organic structure in which an arbitrary metal element and an organic compound form a periodic structure can also be used.
  • MOF examples include HKUST-1, IRMOF (IRMOF-1 etc.), MOF (MOF-5 etc.), ZIF (ZIF-7, ZIF-8, ZIF-71 etc.), UIO (UIO-66 etc.),
  • MILs such as MIL-101
  • MIL-101 MIL-101
  • incorporating self-assembled surfactant micelles into the structure include those in which a cationic surfactant is incorporated into the silica skeleton and those in which a block copolymer is incorporated into the metal skeleton. And so on.
  • the carbon material may be a group of substances having a skeleton of sp2 carbon atoms, such as graphene / graphite, carbon nanotube, fullerene, etc., and chemical modifications such as those in which they are oxidized and those into which substituents are introduced. May be given.
  • Biomaterials may be peptides, proteins, sugars, lipids, and the like, including enzymes that are based on proteins.
  • an inorganic material such as hydroxyapatite and a protein such as collagen may be combined in such a manner that the latter is adsorbed on the former surface, for example.
  • the average pore diameter of the porous material is 0.1 nm (from 0.05 nm in the case of trying to exert a sieving function (described later) regarding detection of extremely small molecules) to 1 mm.
  • the upper limit of the pore diameter is preferably 100 ⁇ m. More preferably, it is 10 ⁇ m, more preferably 1 ⁇ m, and even more preferably 500 nm.
  • the pore size can be easily controlled from about 1 nm to about 500 nm, but is not limited thereto.
  • the pore size can be adjusted in any way. In the case of a macropore region (pore size of 100 nm or more), colloidal beads may be used.
  • the structure can be controlled from a disordered porous structure to a regular structure (specifically, hexagonal structure, lamellar structure, Cubic structure, etc.).
  • the type of sensor such as a surface stress sensor that covers the porous material is not particularly limited, and any sensor may be used.
  • a membrane surface stress sensor or a cantilever sensor can be preferably used.
  • the raw material of the desired porous material is placed on the sensor surface by ink jet, spray, dip, etc., and in that case, the porous material is formed on the surface.
  • any method may be used, such as covering by applying or spraying a thin layer or powder of a porous material already produced on the sensor surface.
  • Another layer such as a layer for improving adhesion may be sandwiched between the surface of the surface stress sensor main body and the porous material receptor layer.
  • the receptor layer may have a layer structure. Such a configuration can contribute to an improvement in sensitivity, for example.
  • a sensor such as a surface stress sensor coated with the porous material may be measured in any environment such as in air, liquid, or vacuum.
  • the specific surface area of the porous material is extremely large, the area on which the measurement target substance can be adsorbed by using the porous material for the receptor layer increases accordingly, and the surface that is effectively applied to the surface stress sensor element Stress also increases.
  • the rigidity of the porous material is smaller than that of the material without pores, the rigidity of the detection portion of the surface stress sensor that generates a measurement signal due to mechanical deformation due to the application of surface stress can be kept low. Therefore, the output signal strength can be increased.
  • the surface stress sensor essentially detects mechanical deformation, and the detection surface is provided on a member such as a film or a thin plate that is easily deformed with a slight force.
  • the pore size of the porous material is extremely small.
  • the molecules and clusters of substances adsorbed by the receptor layer have a certain size for each type of substance
  • by adjusting the pore size of the porous receptor layer to function as a sieve It is possible to improve the selectivity for a desired substance.
  • the pore size is mainly set to 1 nm or less when adapting to such small size molecules. There is a need.
  • the pore diameter controllable up to 0.05 nm or 0.1 nm high selectivity for a wide range of molecules can be achieved in molecular detection utilizing the sieving function.
  • the particulate material may be of any size, shape, composition and structure.
  • the size if the particle size is 1 mm or less, the influence of intermolecular force is larger than that of gravity and the like, and thus the adhesive force becomes strong. More preferably, it is 100 ⁇ m or less, more preferably 1 ⁇ m or less, and still more preferably 100 nm or less.
  • the particle size is not limited as long as it is bonded to the surface of the sensor body by some interaction, but it is important in one aspect that the particles are not easily detached from the surface of the sensor body.
  • the change in physical parameters caused by the particulate material coated on the sensor surface being desorbed by the adsorption of the detection target substance may be detected.
  • Non-Patent Document 3 analysis results show that nanoparticles once tend to adhere to the surface, and thus are less likely to fall off. Therefore, when nanoparticles are used as the granular material, there are many cases where it is not necessary to take measures to increase the adhesion force, although it depends on the nature of the sensor body surface, the usage environment, and other required specifications for the sensor. On the contrary, when the particle size is large, it is often desirable that a bond is formed by chemical modification or the like on the surface of the particle and the sensor body.
  • the particle shape may be isotropic or anisotropic.
  • the substance constituting the particles may be composed of a simple substance such as a metal, or a compound such as an oxide or sulfide, a bio-related material such as a polymer, an inorganic-organic hybrid, or a protein.
  • the particle structure may be a dense structure, a sparse structure such as a porous or hollow structure, or a core-shell type structure.
  • an arbitrary surface modifying group can be appropriately fixed on the surface of the granular material according to the substance to be detected. Specifically, in addition to a silane coupling agent, a molecule having a thiol group, phosphonic acid, and the like, it may be combined with a polymer or a bio-related molecule.
  • the granular material may be synthesized by any method. Specifically, from precipitation reactions in homogeneous solutions and reactions in pseudo-homogeneous systems using emulsions to gas phase reactions using spray drying and thermal decomposition, and solid phase reactions such as ball milling, in particular. It is not limited.
  • An example of a sensor body covered with a granular material receptor layer is a surface stress sensor, but the shape, material, size, etc. thereof are not particularly limited, and any object can be used.
  • a flaky member supported at one place or a plurality of places can be preferably exemplified.
  • various forms such as a flaky object or a film body supported at two or more places such as a double-supported beam can be adopted.
  • the granular material receptor is coated to achieve the same effect as described above. be able to.
  • the method for coating the particulate material receptor on the sensor surface is not particularly limited, such as dip coating, spray coating, spin coating, inkjet spotting, casting, and coating using a doctor blade.
  • the particulate material is modified with a specific surface modifying group to adsorb the desired analyte molecule, improve the adsorption efficiency, or increase the selectivity of the adsorbed substance. Performance can also be improved.
  • the modification with the surface modifying group aims to improve the durability and environment resistance of the granular material sensor, such as the purpose not directly related to the adsorption of the analyte molecule, for example, the binding property between the particles and the adhesion to the substrate. Can also be done for.
  • the surface of the granular material may be modified so that a plurality of types of surface modifying groups are mixed at the nanometer level.
  • a gap is formed between the individual particles forming the granular body in the process of collecting the particles and forming the receptor layer. Most of the gaps become porous, so in most cases it is porous.
  • a receptor layer is not only a receptor layer formed by a granular material coating, but also a receptor layer formed by a coating of a porous body in which particles are accumulated. Accordingly, the features described herein for the porous material receptor layer apply directly to the granular material receptor layer, except where clearly different. Conversely, it should be noted that the receptor layer formed by the particulate material coating also has the characteristics described for the porous material-coated receptor layer as long as it is porous.
  • the receptor layer formed by coating a granular material made of a porous material is a porous material receptor layer as long as the pores on the surface of the receptor layer are not blocked. It is self-evident that it combines the features of both a particulate material receptor layer and a particulate material receptor layer.
  • the granular material receptor layer is not porous, since the diameter of the particles constituting the granular body is extremely small, there are pores between the particles left in the process of accumulation.
  • the particles When it is smaller than the size of the molecule assumed as the detection target and does not function as a porous material for the detection target, the particles have a plate shape with an extremely large aspect ratio, and the receptor layer Since most of the surface is covered with this flat plate, if the pores formed inside cannot open the surface of the receptor layer, the particles cover the surface of the sensor body only at a very low density. If there is a gap in the shape that cannot be said to be a “hole”, even if there is a hole inside the receptor layer, for some reason, If you are unable to reach an internal of the hole, and the like.
  • the sensitivity of the sensor depends on the film thickness of the receptor layer
  • the sensitivity can be controlled by laminating a porous material or a granular material by any method and controlling the film thickness.
  • the area that can be adsorbed by the measurement target can be controlled.
  • the specific surface area can be controlled by changing the pore diameter or granular material size of the porous material to be laminated.
  • a space (path) for allowing the measurement object to access the inside of the receptor layer can be secured.
  • the pores provide such a path when using a porous material.
  • the size of the void formed in the granular material can be controlled by changing the size of the granular material to be laminated.
  • a porous material or a granular material is used as the receptor layer, many degrees of freedom other than the substance used for the receptor layer are given. Specifically, a suitable porous material or granular material composition, type of surface modifying group, or a combination of a plurality of types of porous materials or granular materials can be selected according to the measurement object.
  • a porous material or granular material having the required hydrophilicity / hydrophobicity, heat resistance, chemical resistance and the like can be selected according to the measurement environment. That is, a material having a wider range of properties can be selected by attaching a porous material or a granular material as compared with a configuration in which the sensor surface is coated with a uniform layer as in the prior art.
  • the porous material or the particulate material such as nanoparticles in the present invention can realize various properties with only one kind of base material by allowing a plurality of different modifying groups to coexist on the surface.
  • modifying groups can be appropriately selected as necessary.
  • silica titania hybrid particles are used as particles, and the surface thereof is alkyl group and amino group. It is modified with a group.
  • the longest modifying group present on the nanoparticle surface is an alkyl group, and therefore macroscopically becomes hydrophobic.
  • an amino group exists microscopically, these also contribute to adsorption.
  • the alkyl group modification density is very sparse, or a chain with a chain length longer than the alkyl group is added. As long as there is not, the macroscopic property does not change, so it is not necessary to examine the coating conditions each time. For the reasons described above, it is possible to set and select the analyte molecules adsorbed by the receptor layer and the properties of the receptor layer almost independently of each other without special treatment.
  • the modifying group in the case of the porous material receptor layer is basically the same as above.
  • the inner surface area (the surface area of the pores inside the material) may be much larger than the outer surface area (the area of the macroscopic surface of the material).
  • the porous film in Example 1 described below is a film having a sponge-like structure fixed to the sensor surface. This sponge structure has an overly large internal surface area, while its external surface area is small.
  • there are relatively many modifying groups in the interior so that there is a shortage of modifying groups exposed on the outer surface, which may reduce the effect.
  • the macroscopic hydrophobicity mentioned above is considered to be determined by the outer surface rather than inside the pores, the above-described effect may not be sufficiently exhibited depending on the coating density of the modifying group.
  • Example 2 Since various inorganic porous or inorganic particles can be used as the receptor layer material, it is possible to impart high heat resistance to the receptor layer. Thereby, various substances can be detected with high sensitivity at high temperatures using various sensors such as a surface stress sensor. For example, a sensor that can operate at a high temperature of 250 ° C. is required when performing reflow soldering and performing measurement in the vicinity of molten solder.
  • a sensor that can operate at a high temperature of 250 ° C. is required when performing reflow soldering and performing measurement in the vicinity of molten solder.
  • an MSS coated with an aminopropyl group and octadecyl group modified silica titania hybrid particulate material given in Example 2 below uses a silica titania hybrid material as the particle, although the modifying group is organic. Therefore, it can endure to a considerably high temperature and operates sufficiently even at 250 ° C. When no modifying group is used in the receptor layer, higher heat resistance can be easily realized.
  • MSS having a porous material receptor layer formed by coating mesoporous silica using spray coating the film type surface stress sensor (MSS) described above is taken as an example of the surface stress sensor, and the effect when a mesoporous material having a pore diameter of several nanometers to several tens of nanometers as a porous material is coated as a receptor is described. To do.
  • a mesoporous silica thin film was used as the porous material.
  • a precursor solution comprising an organic template (surfactant / block copolymer), a silica source, and an organic solvent is prepared, and the precursor The solution was applied on the substrate.
  • the surfactant / block copolymer self-assembled and a silica skeleton formed around it.
  • the mold was removed by firing, and the desired mesoporous silica was obtained.
  • the pore diameter of the porous silica can be controlled by the size of the organic template (surfactant / block copolymer), and can be controlled from about 2 nm to about 100 nm.
  • mesoporous silica having an average pore diameter of 35 nm whose SEM image is shown in FIG. 1 was used.
  • FIG. 2 shows the measurement of various gases using MSS in which a porous material receptor layer is formed by coating the mesoporous silica described above and showing the SEM image in FIG. 1 by spray coating.
  • a gas introduction Teflon (registered trademark) tube is connected to a 2 ml vial containing about 1 ml of solutions corresponding to various gases listed in FIG. 4, and dry nitrogen gas is used as a carrier gas at a flow rate of 100 ml / min.
  • the solution was introduced into a chamber in which a sensor chip coated with mesoporous silica was installed for 10 seconds together with saturated vapor in the headspace of the vial. Thereafter, dry nitrogen gas was introduced for 10 seconds.
  • 3 (a) and 3 (b) show the changes in film shape and signal when the above-described mesoporous silica-coated MSS is immersed in liquid water and ethanol. More specifically, the signal before immersion is obtained under the same conditions as described above, with the gas being measured by alternately flowing saturated vapor of octane and dry nitrogen at a flow rate of 100 ml / min for 30 seconds. It is a thing. Water was allowed to flow through the sealed chamber in which the sensor chip was installed for about 1 minute, followed by ethanol for about 1 minute. All these operations were performed at room temperature. Thereafter, measurement was performed again under the same conditions as before immersion to obtain a signal. Thereby, it was confirmed that the appearance of the film shape on the MSS hardly changed before and after the immersion, and that the immersion in these liquids hardly affected the signal of the measurement result.
  • Example 2 MSS Coated with Aminopropyl Group and Octadecyl Group Modified Silica Titania Hybrid Granular Material
  • a granular material produced by the following method usually has a diameter of several nanometers to several hundred nanometers. Therefore, in this example, the used granular material is expressed as “nanoparticles”.
  • the granular material in the present invention is not limited to the nanometer level in diameter.
  • the nanoparticles are co-hydrolysis and condensation polymerization reaction of aminopropyltriethoxysilane (APTES) and titanium tetraisopropoxide (TTIP) in an ammonia-based isopropanol (IPA) aqueous solution in which octadecylamine (ODA) is dissolved.
  • APTES aminopropyltriethoxysilane
  • TTIP titanium tetraisopropoxide
  • IPA ammonia-based isopropanol
  • ODA octadecylamine
  • solution 1 APTES / IPA
  • solution 2 H 2 O / IPA / ammonia
  • solution 3 TTIP / IPA
  • solution 4 H 2 O / IPA.
  • the precursor solution was simultaneously sent at a constant speed by a syringe pump.
  • Solution 1 and solution 2, solution 3 and solution 4 were mixed in a parallel microreactor, and the discharge liquid from both reactors was mixed in another microreactor to obtain one reaction solution.
  • the reaction solution was discharged into a separately prepared precursor solution 5: ODA / H 2 O / IPA and stirred at a constant speed until the end of the discharge. Then, it left still at room temperature and obtained the said nanoparticle dispersion liquid.
  • the nanoparticle image observed by SEM is shown in FIG.
  • a sensor chip comprising a sensor body using a spray coater immediately after the particle concentration is adjusted to 1 g / L by mixing the nanoparticle dispersion with a certain amount of water, and the particles are dispersed by ultrasonic irradiation. Sprayed on top.
  • a piezoresistive MSS having a film type structure proposed in Patent Document 1 was used.
  • FIG. 6 shows an optical microscope image of the MSS coated with nanoparticles prepared in this example. By comparing with before coating, it can be confirmed that the entire membrane structure is coated.
  • PVP (1 g / L solution) which is an example of a general-purpose polymer
  • a piezoresistive MSS having the same structure using the same spray coater, and the measurement results are also shown in FIG. Show.
  • a signal of about 7 to 8 mV was obtained with the MSS with the receptor layer of the example, but a signal of about 6 mV was obtained with the MSS of the PVP coating to be compared.
  • the signal intensity decreased in the MSS of the example and was about 3 mV, but the PVP-coated MSS gave an output slightly lower than 6 mV.
  • Example 3 Sensitivity enhancement by laminating aminopropyl group and octadecyl group-modified silica titania hybrid nanoparticles So that the same concentration of nanoparticles as used in Example 2 is 1 g / L And used to coat MSS. Eight types of compounds were measured in the same manner as in Example 2 using MSS in which coating was performed five times with a spray coater and the thickness of the receptor layer was increased. The measurement results are shown in FIG.
  • Example 2 The tendency of the response characteristics with respect to a compound that is easily soluble or hardly soluble in water was the same as in Example 2.
  • the absolute value of sensitivity to water and water-soluble compounds increased by about 5 times.
  • Example 4 Use of MSS with receptor layer coated with aminopropyl group and octadecyl group-modified silica titania hybrid nanoparticles in liquid
  • the MSS with nanoparticle-coated receptor layer prepared in Example 2 was immersed in water for several seconds. Then, after lifting and drying, the above eight kinds of compounds were measured again. First, optical microscope images before and after immersion in water are shown in FIG. For comparison, an example of MSS coated with PVP is also shown. In the case of PVP, it is understood that PVP is completely dissolved after being immersed in water. On the other hand, in the case of the nanoparticle-coated MSS, the state of the MSS does not change at all before and after the immersion, and it can be confirmed that the receptor layer is completely retained at the visual level.
  • the sensor body when the sensor body was coated, it was sprayed with a suspension in which nanoparticles were dispersed. No strong granular material receptor layer was obtained.
  • attractive forces that can occur between particles include intermolecular forces and electrostatic attractive forces.
  • intermolecular forces when intermolecular forces are taken up, they increase in inverse proportion to the square of the particle radius, so the smaller the particles, the stronger Adhere to. Therefore, as already mentioned, the nanoparticles can be deposited once on the surface without any special treatment during the deposition or the use of other substances that aid in the deposition, such as a binder. Then, it adheres firmly on the surface and does not fall off easily. Of course, this does not prevent the use of any means for further improving the adhesion strength.
  • FIG. 10 measurement results of 8 kinds of compounds are shown in FIG. 10 and FIG.
  • a signal similar to that before immersion in water was obtained for a compound that was hardly soluble in water.
  • the sensitivity increased about twice as much for water and water-soluble compounds. This is presumably because excess ODA that had been nano-particles was washed away by immersion in water, and more analyte molecules could be adsorbed.
  • FIG. 11 in the case of PVP-coated MSS, as can be confirmed also in FIG. 9, the PVP receptor layer is dissolved in water by immersion in water, and hardly remains on the MSS surface. Almost no signal was confirmed for all compounds.
  • the bulk water in the liquid state is repelled, but the water vapor (in other words, water molecules dispersed in the gas and not the bulk water) is adsorbed.
  • the chain length of the octadecyl group and aminopropyl group is about several to 1 nm, for example, the above-mentioned nanoparticle-coated MSS is placed in water in which molecules (proteins, etc.) having affinity with amino groups are dissolved.
  • adsorption can be performed so as to selectively extract only the analyte molecules from the water. From the above, it can be seen that not only in-air measurement but also in-liquid measurement unprecedented so far, such as directly measuring the concentration of various gases in blood, can be realized.
  • the distance from the bulk water is expected to be less than 1 nm. Therefore, the dissolved molecule in the liquid can be detected by drawing it into the pocket. In other words, a kind of aerial measurement is performed in the liquid.
  • this measurement method uses a porous material. It should be noted that although it can basically be realized with the above receptor layer, it may not function sufficiently depending on the porous structure.
  • gas measurement in liquid is a material having a property of transmitting gas molecules but not liquid molecules (for example, two-dimensionally used for removing dissolved gas in liquids).
  • the sensor element is wrapped so that a gas atmosphere corresponding to the “pocket” as described above is formed around the sensor element. It can also be realized by making a structure. By doing so, the sensor element can detect the gas component dissolved in the liquid sample without touching the liquid sample.
  • any material that can be used for measurement of a gas sample can be used for the receptor layer that covers the sensor element.
  • a hydrophilic polymer such as PVP dissolves immediately when immersed in water, and measurement in liquid is impossible. If the principle of “measurement of gas in liquid” is used, measurement in water becomes possible.
  • FIG. 14 shows a conceptual diagram of a configuration example for measuring gas in liquid by housing a surface stress sensor in a bag-like hollow fiber membrane.
  • an MSS is used as the sensor body, and a surface stress sensor having a receptor layer adapted to the gas molecule to be measured formed on the surface thereof is housed in a bag-like hollow fiber membrane.
  • the signal line for carrying the detection signal taken out through the socket to which the MSS is connected is drawn upward as shown in the figure and connected to an A / D converter of a measuring instrument (not shown).
  • a hollow fiber membrane bag is attached in a watertight manner near the lower end of the tube that accommodates these signal lines.
  • a negative pressure can be applied to the hollow fiber bag through the tube.
  • the surface stress sensor is immersed in the liquid sample in a state of being accommodated in the bag of the hollow fiber membrane.
  • the hollow fiber membrane does not allow liquid (for example, water) molecules to pass through, certain gas molecules determined by the composition and structure of the membrane are permeated, so that gas molecules dissolved in the liquid sample permeate the hollow fiber membrane.
  • the permeation of gas molecules is accelerated by applying a negative pressure to the bag through the tube.
  • the volume of the hollow fiber membrane bag that is, the volume of the pocket-like gas atmosphere is reduced by the application of negative pressure due to the pressure difference between the inside and outside.
  • This “measurement of gas in liquid” has the following characteristics as compared with the case where a sensor element is installed immediately above a liquid sample and the vapor of the liquid sample is measured. Because the entire gas atmosphere corresponding to the sensor element and the closed “pocket” around it can be immersed in the liquid, measurement in a more stable environment is possible compared to an environment where the fluctuation of the gas atmosphere such as steam is large. Is possible.
  • the inside of the hollow fiber membrane, that is, the side where the sensor element is installed is made negative pressure by sucking with another pump or the like, so that it is present in the gas atmosphere corresponding to the “pocket”. Since it is possible to positively extract gas molecules from a liquid sample while reducing the components, more accurate measurement is realized.
  • FIG. 14 shows a structure in which the entire surface stress sensor is accommodated in a bag-like film. For example, only the surface of the surface stress sensor (or in addition to the sensor surface) is covered with the film. Thereby, a liquid gas sensor can be comprised compactly.
  • the hydrophilic modification group and the hydrophobic modification group can be mixed periodically or almost periodically on the surface of the nanoparticle of this example because the nanoparticle is a silica titania hybrid nanoparticle. This is because a silica portion and a titania portion to which each modifying group is bonded repeatedly appear on the surface.
  • a plurality of types of alkoxides may be mixed and reacted in the presence of an organic substance.
  • a flow synthesis method as in Example 2 may be used. The flow synthesis method is described in Non-Patent Document 4, for example.
  • a periodic mixture of modifying groups can be realized in the same manner.
  • the condition for microscopically hydrophilic is that the chain length of the hydrophobic group on the particle, more generally on the surface of the receptor layer, is longer than the hydrophilic group on the particle. Thereby, the bulk water is repelled by the hydrophobic group, but if it is a molecule, the hydrophilic group can also be accessed.
  • the same phenomenon can be theoretically realized even on a smooth surface that is not coated with nanoparticles. However, it is actually impossible to coat the surface of a smooth substrate or the like with modification groups having opposite properties such as hydrophilicity and hydrophobicity so as to be mixed at a narrow pitch where the above phenomenon occurs. Have difficulty. Having a plurality of contradictory properties such as hydrophilicity and hydrophobicity at the particle level is also advantageous in terms of ease of realization.
  • the function achieved by modifying the particle surface with a plurality of types of surface modifying groups is not limited to the above-described concerted action between the plurality of types of surface modifying groups.
  • some of the multiple types of modifying groups can improve detection sensitivity and selectively detect by binding to analyte molecules, and other modifying groups can be attached to the sensor body surface by binding to the sensor surface. It may be one that improves the durability of particle bonding and environmental resistance.
  • Example 5 Application to a type of sensor that detects different physical parameters (QCM as an example)
  • QCM was coated with nanoparticles by the same procedure as in Example 2, and the above eight types of compounds were measured. Even when QCM is used as the sensor body, the receptor layer covering the surface has almost the same structure as MSS.
  • the measurement results are shown in FIG.
  • the QCM before nanoparticle coating showed only a resonance frequency change of about 1 to 2 Hz for all the compounds, whereas the nanoparticle coating showed a resonance frequency change several hundred to thousand times. Furthermore, a clearly different signal waveform is shown for each compound, and the compound can be discriminated visually.
  • the above eight kinds of compounds were measured using a QCM coated with PVP.
  • the result is shown in FIG.
  • the resonance frequency change was large at about 50 Hz, and small at about several Hz.
  • the resonance frequency of the QCM before coating used this time was about 8,997, 130 Hz, and after the PVP coating, it was 8,991,055 Hz. Therefore, the resonance frequency change accompanying the coating was about 6 kHz.
  • the resonant frequency after the nanoparticle coating was 8,960,410 Hz, the change in the resonant frequency accompanying the coating was about 36 kHz.
  • the number of nanoparticles present on the surface of the QCM electrode is about 6 times that of PVP in terms of mass.
  • the coated receptor If the comparison per unit mass of the body material is performed, it is necessary to multiply the resonance frequency change in the former 6 times. In this case, the resonance frequency change is large and is 300 Hz, but even if this value is compared with the case of nanoparticle coating, it is still about 6 times smaller.
  • Example 6 MSS with Metal Organic Structure (MOF) Nanoparticle-Coated Receptor Layer
  • MOF Metal Organic Structure
  • Various materials other than those described above can be used for the receptor layer.
  • MSS having a receptor layer formed of MOF nanoparticles was prepared, and its detection characteristics for various compounds were measured.
  • MOF ZIF-7, ZIF-8, and ZIF-71, which show a schematic diagram of the crystal structure in FIG. 15 and an SEM image of the nanoparticles, were used.
  • the manufacturing methods of these MOF nanoparticles are well-known matters as described in Non-Patent Documents 5 to 7, but will be briefly described below.
  • the centrifugation / washing process was repeated two more times. Half of the resulting suspension was reserved for separate use and the remaining half was dried (at 90 ° C. for 2 to 3 hours in air, followed by vacuuming in vacuum) Dried at 180 ° C. overnight) to obtain 38 mg of a pale yellow solid (35% yield based on Zn).
  • Each of these three types of MOF nanoparticles is coated on MSS, and each of the nine types of compounds, specifically water (H 2 O), formalin (HCHOaq), ethanol (EtOH), isopropanol (IPA), acetone (
  • H 2 O water
  • HCHOaq formalin
  • EtOH ethanol
  • IPA isopropanol
  • acetone The time change of the detection output from the MSS when the vapors of Acetone, Hexane, Heptane, Benzene, and Toluene are intermittently given in a predetermined cycle is the same as in Example 2. Measured by the method. Note that the method used to coat ZIF-7, ZIF-8 and ZIF-71 on MSS was not the same, so the thickness of the receptor layer was different for different types of MOF. Therefore, the absolute values of the detection characteristics between different MOFs cannot be compared.
  • the detection characteristics when the same MOF is used can be compared. Furthermore, the tendency of detection characteristics when the sample substance is changed can be compared between different MOFs.
  • the detection outputs when the receptor layer is ZIF-7, ZIF-8, and ZIF-71 are shown in FIGS. 16A and 16B, FIGS. 17A and 17B, and FIGS. 18A and 18B, respectively.
  • FIG. 19 shows a graph in which the peak value of the time variation of the detection output obtained in this way (specifically, the detection output at 30 seconds after the start of introduction of the sample gas) is plotted.
  • these peak values are normalized with the maximum peak value for each MOF nanoparticle. From this graph, the approximate affinity of each MOF for polar and nonpolar compounds can be estimated.
  • Example 7 MSS with Receptor Layer Combining Graphene Oxide (GO) and Porphyrin
  • a receptor layer formed by combining porphyrin with graphene oxide (GO) was formed on an MSS, and detection outputs for various compounds were measured.
  • Porphyrin has the chemical structural formula T (3,5-DHP) P (5,10,15,20-tetrakis (3 ′, 5′-dihydroxyphenyl) porphyrin, Por-OH) and chemical structural formula shown in FIG. Zn-T (3,5-DHP) P (3 ', 5'-dihydroxyphenyl) porphinatozinc (II), Zn-Por-OH) shown in FIG. 24 was used.
  • GO is known to be easily porous.
  • the receptor layer of this example has a structure in which porphyrin (Por-OH, Zn-Por-OH) is placed in such a porous GO network.
  • porphyrin Por-OH, Zn-Por-OH
  • SEM image SEM image mentioned below, a small amount spin-coated on the Si substrate is observed so that each sheet can be clearly seen, but the one placed on the sensor film is as in Non-Patent Document 8. It is thought that a porous network is formed.
  • the mixed solutions (1) to (3) were respectively formed on the MSS by ink jetting to prepare MSS Ch1 to Ch3 with a receptor layer.
  • the GO aqueous solution 250 shots are jetted onto the MSS for comparison.
  • MSS Ch4 with a receptor layer was produced.
  • 22A and 22B are micrographs of the front surface (side on which ink jetting has been performed) and the back surface (side opposite to the surface on which ink jetting has been performed) of the MSS Ch1 to Ch4 thus manufactured. Respectively.
  • the mixed solutions (1 ′) to (3 ′) were formed on the MSS by ink jetting to prepare MSS Ch1 to Ch3 with a receptor layer.
  • Ch1 Mixed solution (1 ′) shot 250 shots
  • Ch2 Mixed solution (2 ′) shot 250 shots
  • Ch3 Mixed solution (3 ′) shot 750 shots
  • GO aqueous solution 250 shots on MSS for comparison MSS Ch4 with a receptor layer was produced by spraying.
  • 26A and 26B are micrographs of the front surface (side on which ink jetting has been performed) and the back surface (the side opposite to the surface on which ink jetting has been performed) of MSS Ch1 to Ch4 thus fabricated. Respectively.
  • FIG. 27 shows a graph of measurement results for AcOEt.
  • this measurement was also performed on the same conditions as Example 6 which is an immediately preceding example.
  • each measured value is normalized with the measured value of water for each of MSS Ch1 to Ch4.
  • the detection output of Ch1 to Ch3 having a receptor layer in which Por-OH is combined with GO is compared with the detection output of Ch4 having a receptor layer composed only of GO, the GO— It can be seen that when Por-OH is combined, the selectivity to water is higher than when only GO is used (the detection output to a compound other than water is smaller on the graph).

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Abstract

　物理パラメータを検出するタイプの様々なセンサ（例えば、表面応力センサ、ＱＣＭ、ＳＰＲなど）の受容体層の改良により、高い感度、選択性、耐久性を同時に実現する。受容体層として従来使用されていた一様な膜の代わりに、多孔質材料またはナノ粒子等の粒状材料を使用する。これにより、受容体層の膜厚を変えることにより感度を、多孔質材料または粒状材料に固定する表面修飾基を変えることにより選択性を、多孔質材料または粒状材料の組成および表面特性を変えることにより耐久性をそれぞれ制御することができるようになる。

Description

多孔質材料または粒状材料を受容体層として有するセンサ
　本発明は、多孔質材料または粒状材料をセンサ上に被覆することにより、検体分子（検出対象物質分子）の高感度かつ選択的検出を可能とするセンサに関する。
　一般にセンサは、検体分子の高感度かつ選択的な検出を可能とする「受容体層」と呼ばれる層で被覆した後、測定に用いられる。受容体層として利用される物質は、自己組織化単分子膜、ＤＮＡ／ＲＮＡ、タンパク質、抗原／抗体、ポリマーなど多岐に渡る。感度や選択性に加え、測定の再現性やセンサの耐久性などの観点から、受容体物質とセンサ上の検出機能を有する表面（以下、単にセンサ表面と称する）との相互作用は重要であり、安定的な結合状態を作り出すことが望まれる。そのため、受容体物質の固定化は厳密に制御された条件下で行われる必要があり、その条件最適化は容易ではない。また、例えば、水溶性のポリマーでは水中での測定に使用できないなど、被覆する物質によってはセンサの測定環境が限定されるといった問題もある。
　センサの選択性については、被覆する物質に応じて、例えば抗原抗体反応のようにきわめて特異的なものから、比較的多種の検体を吸着するポリマーのように広域な選択性をもつものまで幅広く設計可能である。一方、感度に関しては定まった指針が無く、明確な指針に基づく設計は行われていないのが現状である。近年、表面に印加される応力を検出するタイプのセンサに関して、非特許文献１および２にあるように、受容体物質の膜厚やヤング率などの物理パラメータが大きく影響することが報告された。具体的には、ヤング率一定の場合、膜厚がある値に達するまでは感度が向上し、その後は減少するといった形である。これを踏まえると、自己組織化単分子膜、ＤＮＡ／ＲＮＡ、タンパク質、抗原／抗体などについては、そもそも膜厚を増加するということ自体が困難であるため、感度向上は容易ではない。ポリマーの場合、膜厚を増加することは可能であるが、前述のように溶解性の問題や、耐候性の問題がある。以上のような背景から、限られた種類のセンサに関してのみ、感度および選択性を制御・最適化するための指針は存在するものの、それらを同時に満たす最適物質は未だ知られておらず、その発見ならびに実証が待たれている。
　本発明は、受容体層物質としてこれまで利用されることのなかった「多孔質材料」あるいは「粒状材料」を用いることにより、従来物質では成し得なかった感度および選択性の制御や、高い耐久性を有する受容体層並びにその作製方法について提供することを課題としている。
　本発明の一側面によれば、多孔質材料または粒状材料を、物理パラメータを検出するタイプのセンサ本体上に被覆し、検体分子を前記多孔質材料または粒状材料が吸着することによる前記物理パラメータの変化により前記検体分子を検出するセンサが提供される。
　ここで、前記多孔質材料または粒状材料は無機物質からなってよい。
　また、前記無機物質はシリカであってよい。
　また、前記多孔質材料または粒状材料は平均孔径が１ｍｍ以下の多孔質材料であってよい。
　また、前記多孔質材料の平均孔径は０．１ｎｍ以上５００ｎｍ以下であってよい。
　また、前記シリカはメソポーラスシリカであってよい。
　また、前記多孔質材料または粒状材料は無機材料、有機材料、無機有機ハイブリッド材料、金属有機構造体、自己組織化した界面活性剤ミセルを構造中に取り込んだ材料、繊維がプラスチック中に分散した材料、炭素材料、及び生体材料からなる群から選択されてよい。
　また、前記無機材料は酸化物、窒化物、硫化物、金属、金からなる群から選択される一もしくは複数の材料、または前記群から選択される複数の材料を任意の割合で複合化したものを含む無機物であり、前記有機材料は重合可能な官能基を主鎖として構造中に有し、側鎖に置換基を有する有機物であり、前記無機有機ハイブリッド材料は前記無機材料と有機材料とが任意の割合で複合化したものである無機有機ハイブリッドからなる群から選択され、前記金属有機構造体は、ＨＫＵＳＴ－１、ＩＲＭＯＦ、ＭＯＦ、ＺＩＦ、ＵＩＯ、及びＭＩＬからなる群から選択され、前記自己組織化した界面活性剤ミセルを構造中に取り込んだ材料は、シリカ骨格中に陽イオン性界面活性剤が取り込まれた材料、及び金属骨格中にブロックコポリマーが取り込まれた材料からなる群から選択され、繊維がプラスチック中に分散した材料は、繊維強化プラスチックであり、前記炭素材料は、ｓｐ２炭素原子を骨格とする物質であり、前記生体材料はペプチド、タンパク質、酵素、糖、脂質、及びタンパク質から選択される材料またはペプチド、タンパク質、酵素、糖、脂質、及びタンパク質から選択される材料と前記無機材料との複合体であってよい。
　また、前記無機材料及び前記無機有機ハイブリッド材料の少なくとも一方における前記複合化は、ヤヌス粒子状に不均一接合した形態、コアシェル状の形態、及び一方の粒子内部に他方の粒子が複数個分散した形態からなる群から選択される形態であってよい。
　また、前記有機物は、ポリスチレン、ポリメチルメタクリレート、ポリジビニルベンゼン、ポリイソプロピルアクリルアミド、ポルフィリン、ポルフィリン環に置換基が導入された化合物、および遷移金属を有するポルフィリン金属錯体化合物からなる群から選択されてよい。
　また、前記多孔質材料または粒状材料の表面を、単一種類のまたは複数種類の表面修飾基で修飾してよい。
　また、前記表面修飾基のうちの少なくとも一種類の表面修飾基は、前記検体分子を吸着してよい。
　また、前記複数種類の表面修飾基中、第１の表面修飾基は疎水性の表面修飾基であり、前記複数種類の表面修飾基中、前記第１の表面修飾基と異なる第２の表面修飾基は、親水性であるとともに前記第１の表面修飾基より短い表面修飾基であり、もって、前記受容体層の表面を巨視的には疎水性であるが、微視的には親水性としてよい。
　また、前記第２の表面修飾基はアミノプロピル基であり、前記第１の表面修飾基はアミノプロピル基よりも鎖長の長いアルキル基であってよい。
　また、前記多孔質材料または粒状材料の表面に複数種類の物質が繰り返し出現し、前記複数種類の物質はそれぞれ互いに異なる種類の前記表面修飾基により修飾されてよい。
　また、前記複数種類の物質は少なくともチタニアおよびシリカであってよい。
　また、前記多孔質材料または粒状材料はナノ粒子であってよい。
　また、前記物理パラメータは表面応力、応力、力、表面張力、圧力、質量、弾性、ヤング率、ポアソン比、共振周波数、周波数、体積、厚み、粘度、密度、磁力、磁気量、磁場、磁束、磁束密度、電気抵抗、電気量、誘電率、電力、電界、電荷、電流、電圧、電位、移動度、静電エネルギー、キャパシタンス、インダクタンス、リアクタンス、サセプタンス、アドミッタンス、インピーダンス、コンダクタンス、プラズモン、屈折率、光度および温度から選択された少なくとも一であってよい。
　また、前記センサ本体は表面応力センサまたはＱＣＭであってよい。
　また、物理パラメータを検出するタイプのセンサ本体の表面上で前記多孔質材料をその場合成してよい。
　本発明の他の側面によれば、センサと、前記センサを覆うとともに、液体の分子は透過しないが、少なくとも一部の気体の分子は透過する膜とを設け、前記センサのセンサ表面と前記膜との間に空隙が形成されてよい。
　ここで、前記膜は中空糸膜または半透膜であってよい。
　また、前記空隙に陰圧を印加する手段を有してよい。
　本発明によれば、従来の受容体材料では実現することのできなかった感度、選択性、耐久性を、表面応力やその他の様々な物理パラメータを検出するタイプのセンサにおいて、同時に実現することが可能になる。これにより、気中／液中測定を様々な温度、溶媒条件下で実施することが可能になる。また、多孔質材料または粒状材料による被覆は容易に実施可能であり、特別な反応条件や装置等を必要としない。
センサに被覆する多孔質材料の例であるメソポーラスシリカ薄膜（平均細孔径３５ｎｍ）の走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）像。 多孔質材料を被覆した多孔質受容体層付き膜型表面応力センサによるガス識別測定の例を示す図。各種ガスに対するセンサ出力の主成分分析結果である。 （ａ）多孔質材料を被覆した多孔質受容体層付き膜型表面応力センサを、液体の水およびエタノールに浸す前（左）と後（右）の光学顕微鏡写真。（ｂ）多孔質材料を被覆した多孔質受容体層付き膜型表面応力センサを、液体の水およびエタノールに浸す前（左）と後（右）に、オクタンの蒸気を測定した際のシグナルの例。 実施例２で粒状材料合成に利用した装置構成の一例を示す図。 実施例２で作製した粒状材料のＳＥＭ像。 実施例２の粒状材料により被覆する前後の膜型表面応力センサ（ＭＳＳ）の光学顕微鏡像。 実施例２の粒状材料被覆ＭＳＳおよびその比較対象としてのポリビニルピロリドン（ＰＶＰ）被覆ＭＳＳを用いて、８種類の化合物を測定した結果を示す図。 実施例３において、５回連続して粒状材料を被覆したＭＳＳを用いて８種類の化合物を測定した結果を示す図。 実施例４において、粒状材料被覆ＭＳＳを水に浸漬する前後の光学顕微鏡像。比較対象として、ＰＶＰ被覆ＭＳＳを水に浸漬する前後の光学顕微鏡像も示した。 実施例４において、水への浸漬前後の粒状材料被覆ＭＳＳを用いて、８種類の化合物を測定した結果を示す図。 実施例４において、水への浸漬前後のＰＶＰ被覆ＭＳＳを用いて、８種類の化合物を測定した結果を示す図。 実施例５において、粒状材料被覆ＱＣＭを用いて８種類の化合物を測定した結果を示す図。比較対象として、粒状材料被覆前のＱＣＭを用いて８種類の化合物を測定した結果も示した。 実施例５において、ＰＶＰ被覆ＱＣＭを用いて８種類の化合物を測定した結果を示す図。 気体分子は透過するが、液体分子は透過しない性質を持つ材料で構成された膜を使用して、液中気体測定を行うための構成例を説明する図。 構造の異なる三種類の金属有機構造体（metal-organic framework、ＭＯＦ）ＺＩＦ－７、ＺＩＦ－８及びＺＩＦ－７１のナノ粒子のＳＥＭ像。各ＳＥＭ像の右上隅は対応するＭＯＦの結晶構造式である。 図１５にＳＥＭ像を示したＺＩＦ－７ナノ粒子を被覆したＭＳＳを用いて９種類の化合物を測定した結果の一部を示す図。 図１５にＳＥＭ像を示したＺＩＦ－７ナノ粒子を被覆したＭＳＳを用いて９種類の化合物を測定した結果の残りを示す図。 図１５にＳＥＭ像を示したＺＩＦ－８ナノ粒子を被覆したＭＳＳを用いて９種類の化合物を測定した結果の一部を示す図。 図１５にＳＥＭ像を示したＺＩＦ－８ナノ粒子を被覆したＭＳＳを用いて９種類の化合物を測定した結果の残りを示す図。 図１５にＳＥＭ像を示したＺＩＦ－７１ナノ粒子を被覆したＭＳＳを用いて９種類の化合物を測定した結果の一部を示す図。 図１５にＳＥＭ像を示したＺＩＦ－７１ナノ粒子を被覆したＭＳＳを用いて９種類の化合物を測定した結果の残りを示す図。 図１５にＳＥＭ像を示した三種類のＭＯＦナノ粒子を被覆したＭＳＳを用いて測定した結果から導かれた、各ナノ粒子の極性・無極性化合物に対する親和性の傾向を示す図。 酸化グラフェン（ＧＯ）と組み合わせるポルフィリンの例であるＴ（３，５－ＤＨＰ）Ｐ（5,10,15,20-tetrakis(3',5'-dihydroxyphenyl)porphyrin、Ｐｏｒ－ＯＨ）の化学構造式を示す図。 ＧＯとＰｏｒ－ＯＨとの組み合わせを基板に塗布した状態のＳＥＭ像。 ＧＯとＰｏｒ－ＯＨとの組み合わせ（Ｃｈ１～Ｃｈ３）及びＧＯ水溶液（Ｃｈ４）をインクジェットにより成膜したＭＳＳの表面（ａ）及び裏面（ｂ）の光学顕微鏡像。 図２２に示した四種類の受容体被覆ＭＳＳ（Ｃｈ１～Ｃｈ４）で１４種類の化合物を測定した結果を示す図。 酸化グラフェン（ＧＯ）と組み合わせるポルフィリンの別の例であるＺｎ－Ｔ（３，５－ＤＨＰ）Ｐ（5,10,15,20-tetrakis(3',5'-dihydroxyphenyl)porphinatozinc(II)、Ｚｎ-Ｐｏｒ－ＯＨ）の化学構造式を示す図。 ＧＯとＺｎ－Ｐｏｒ－ＯＨとの組み合わせを基板に塗布した状態のＳＥＭ像。 ＧＯとＺｎ－Ｐｏｒ－ＯＨとの組み合わせ（Ｃｈ１～Ｃｈ３）及びＧＯ水溶液（Ｃｈ４）をインクジェットにより成膜したＭＳＳの表面（ａ）及び裏面（ｂ）の光学顕微鏡像。 図２６に示した四種類の受容体被覆ＭＳＳ（Ｃｈ１～Ｃｈ４）で１４種類の化合物を測定した結果を示す図。
　本発明では、表面応力、応力、力、表面張力、圧力、質量、弾性、ヤング率、ポアソン比、共振周波数、周波数、体積、厚み、粘度、密度、磁力、磁気量、磁場、磁束、磁束密度、電気抵抗、電気量、誘電率、電力、電界、電荷、電流、電圧、電位、移動度、静電エネルギー、キャパシタンス、インダクタンス、リアクタンス、サセプタンス、アドミッタンス、インピーダンス、コンダクタンス、プラズモン、屈折率、光度および温度やその他の様々な物理パラメータを検出するタイプのセンサ本体上に多孔質材料または粒状材料（以下、多孔質材料と粒状材料とを総称する場合には単に受容体材料と称する）を直接被覆して構成される受容体層を設けたセンサが与えられる。このセンサは、当該受容体層が検体分子を吸着することでそこに引き起こされる物理パラメータの変化を、センサ本体により検出する。従って、本発明で使用可能なセンサ本体は、その表面に受容体材料を被覆することで構成された受容体層が検知対象物質を吸着することによって受容体層に引き起こされる変化を検知するものであればその構造、動作等は特に制限されない。例えば表面応力センサを使用した場合には、その表面を被覆した受容体層が検知対象物質を吸着することで当該受容体層中に引き起こされた応力変化を検出して表面応力センサがシグナルを出力する。また、別の種類のセンサ本体として例えば、水晶振動子の電極表面に物質が吸着するとその質量に応じて共振周波数が変動する性質を利用して微量な質量変化を計測する質量センサであるＱＣＭを使用した場合には、その表面を被覆した受容体層が検知対象物質を吸着することで起こる質量変化を検出してシグナルを出力する。なお、ここで吸着という用語は、物理吸着だけではなく、化学結合や生化学的な作用による吸着も含む最も広い意味で用いていることに注意されたい。
［多孔質材料受容体層］
　受容体層に使用する多孔質材料は、いかなるサイズ、形状、組成および構造のものであってもよい。組成としては、例えば酸化シリコンなどの無機材料を利用することができ、従って耐久性の高い材料を利用することが可能である。
　これに限定するわけではないが、無機材料をここで例示すれば、酸化物、窒化物、硫化物、金属などを主成分とするもの、あるいは各種合金などであってよい。また、上記の物質が任意の割合で複合化したものであってよい。複合化の形態は、ヤヌス粒子状に不均一接合したもの、コアシェル状のもの、一方の粒子内部に他方の（微）粒子が２個以上分散したものなどであってよい。
　その他、あらゆる金属、金属酸化物を有する多孔質材料が使用可能である。金属の場合は電気化学的な手法（電析法など）などが、また金属酸化物の場合にはゾルゲル反応などが利用可能であるが、当然これらに限るものではない。また、多孔質材料を表面修飾することによってその化学的性質を変更することができる。本発明においては、必要に応じて多孔質材料に対していかなる表面修飾も施してよい。例えば、多孔質材料の表面を親水性あるいは疎水性にするために表面をアミノ基、アルキル基等で修飾してもよい。その他、これらに限定する意図はないが、必要に応じて、アミノプロピル基、オクタデシル基、あるいはシランカップリング剤、チオール基を有する分子、ホスホン酸などに加え、各種の高分子や生体関連分子で表面修飾を行うなどが可能である。
　更には、多孔質材料を無機材料に限定する意図はなく、無機材料以外にも、有機材料、無機有機ハイブリッド材料、金属有機構造体、自己組織化した界面活性剤ミセルを構造中に取り込んだ材料、ガラスや炭素などからなる繊維がプラスチック中に分散した繊維強化プラスチック等の材料、炭素材料、生体由来成分などの生体材料等、その成分は問わない。この種の材料を非限定的に例示すれば、有機材料は、二重結合等の重合可能な官能基を主鎖として構造中に有し、側鎖に種々の置換基を有するものであってよい。具体的には、ポリスチレン、ポリメチルメタクリレート、ポリジビニルベンゼン、ポリイソプロピルアクリルアミドなどであってよい。ポルフィリン環構造を有する有機化合物であるポルフィリンを使用することができる。また、ポルフィリン環に置換基が導入されたもの、および遷移金属（スズ、コバルト、クロム、マンガン、鉄、銅、ルテニウム、亜鉛、銀、白金等）を有する錯体化合物であってもよい。さらに、前記無機材料と有機材料とが任意の割合で複合化したものである無機有機ハイブリッドも使用可能である。この複合化の形態は、無機材料における複合化と同じく、ヤヌス粒子状に不均一接合したもの、コアシェル状のもの、一方の粒子内部に他方の（微）粒子が２個以上分散したものなどであってよい。また、任意の金属元素と有機化合物とが周期構造を形成する金属有機構造体（ＭＯＦ）も使用可能である。ＭＯＦの具体例として、ＨＫＵＳＴ－１、ＩＲＭＯＦ（ＩＲＭＯＦ－１など）、ＭＯＦ（ＭＯＦ－５など）、ＺＩＦ（ＺＩＦ－７、ＺＩＦ－８、ＺＩＦ－７１など），ＵＩＯ（ＵＩＯ－６６など）、ＭＩＬ（ＭＩＬ－１０１など）などがあり、これらは金属元素の種類や有機化合物に結合する置換基の種類などによって略称および通し番号が変化する。前記ＭＯＦはこのうちのいずれであってもよい。また、自己組織化した界面活性剤ミセルを構造中に取り込んだものの具体例としては、シリカ骨格中に陽イオン性界面活性剤が取り込まれたものや、金属骨格中にブロックコポリマーが取り込まれたものなどであってよい。また、ガラスや炭素などからなる繊維がプラスチック中に分散した材料の具体的例としては、ガラス繊維強化プラスチック、炭素繊維強化プラスチックと呼ばれるものであってよい。炭素材料は、グラフェン・グラファイト、カーボンナノチューブ、フラーレンなどのｓｐ２炭素原子を骨格とする物質群であってよいし、また、それらが酸化したもの、置換基が導入されたもの等、化学的な修飾が施されたものであってもよい。生体材料は、ペプチド、タンパク質、糖、脂質などであってよく、タンパク質を基に構成される酵素なども含まれる。その他、水酸アパタイトのような無機材料とコラーゲンのようなタンパク質とが、例えば前者の表面に後者が吸着しているような態様で複合化したものであってよい。
　また、多孔質材料の表面に官能基を結合することによる表面修飾を適宜行うことで感度の向上や検出される物質の選択性を向上させること等の機能の増強・追加を行うことができる。
　また、多孔質材料の平均孔径は０．１ｎｍ（きわめて小さな分子の検出に関するふるい機能（後述）を発揮させようという場合は０．０５ｎｍ）から１ｍｍである。孔径の上限は１００μｍとするのが好ましい。より好ましくは１０μｍ、更に好ましくは１μｍ、更には５００ｎｍとするのがよい。孔径がナノメートルレベルの多孔質材料を受容体材料として使用する場合、具体的には、細孔サイズとしては、１ｎｍから５００ｎｍ程度まで容易に制御可能であるが、これに限るものではない。製造プロセスで用いる界面活性剤、ブロックコポリマーなどの分子サイズを変えることで、細孔サイズはいかようにも調整可能である。また、マクロ細孔領域（細孔サイズ１００ｎｍ以上）の場合は、コロイダルビーズなどを用いると良い。 
　構造としては、無秩序な多孔質構造から規則的な構造（具体的には、ヘキサゴナル構造、ラメラ構造、Cubic構造など）まで、制御可能である。
　また、上記多孔質材料を被覆する表面応力センサ等のセンサは、種類は特に限定されず、どのようなものを使用しても良い。例えば膜型表面応力センサやカンチレバーセンサを好ましく利用することができる。
　また、上記多孔質材料をセンサ表面へ被覆する際には、インクジェット、スプレー、ディップなどによって所望の多孔質材料の原料をセンサ表面に載せ、その場合成により当該表面上に多孔質材料を形成・被覆することができる。あるいは、既に作製されている多孔質材料の薄層や粉末などをセンサ表面に貼り付けたり吹き付けたりすることで被覆を行うなど、どのような方法を利用しても良い。
　更に、表面応力センサ本体表面と多孔質材料受容体層との間に例えば接着性改善のための層などの別の層をはさんでもよい。また、受容体層を層構造としてもよい。このような構成は例えば感度の向上に寄与し得る。
　また、上記多孔質材料を被覆した表面応力センサ等のセンサは、気中・液中・真空中など、どのような環境で測定を行っても良い。
　多孔質材料は比表面積が極めて大きいため、受容体層に多孔質材料を使用することで測定対象物質が吸着可能な面積がそれに応じて大きくなり、実効的に表面応力センサ素子に印加される表面応力も大きくなる。また、多孔質材料は、孔を持たない材料と比較して、剛性が小さくなるため、表面応力の印加による機械的変形によって測定信号が発生する表面応力センサの検知部分の剛性を低く抑えることが可能であり、従って出力信号強度を高くすることが可能となる。更に、表面応力センサは本質的に機械的な変形を検出するものであり、また検出表面はわずかな力で容易に変形する膜や薄板等の部材上に設けられるが、本発明によれば、バルク状態では硬いあるいは脆い物質でできた受容体層をこのように変形しやすい部材上に設けても破損、剥離等が起こりにくくなる。また、これに限定するわけではないが多くの無機物質などの剛体が大きいため従来は受容体層用としては思いもよらなかった物質でも本発明の表面応力センサでは利用可能となるので、受容体層として利用可能な物質の選択の幅が広がる。
　更に、多孔質材料の孔径を極めて小さくした場合に特有の効果が発揮される。例えば、受容体層が吸着する物質の分子やクラスターは物質の種類毎に一定のサイズを有しているので、多孔質の受容体層の孔径を調節して多孔質をふるいとして機能させることにより、所望の物質に対する選択性を向上させることが可能となる。ここで、ガス分子の場合には分子量が小さいものが多いので、多孔質をふるいとして機能させる場合には、このような小さなサイズの分子に適合させる場合には、主に１ｎｍ以下の孔径とする必要がある。この孔径を０．０５ｎｍまで、あるいは０．１ｎｍまで制御可能に設定できるようにすることで、上記ふるい機能を利用した分子検出に当たって広範な分子に対する高い選択性を達成することができる。
［粒状材料受容体層］
　本発明における受容体材料として粒状材料を使用する場合も、［多孔質材料受容体層］のセクション冒頭の段落に記載した一般的説明および具体例がそのまま当てはまる。また、当該粒状材料はいかなるサイズ、形状、組成および構造のものであってもよい。サイズについては、粒径が１ｍｍ以下であれば、重力等に比べて分子間力の影響が大きいため付着力が強くなり好ましい。更に好ましくは１００μｍ以下、更に好ましくは１μｍ以下、更に好ましくは１００ｎｍ以下が好ましい。いずれにせよ、センサ本体表面と何らかの相互作用により結合している限りにおいては、粒子サイズは問わないが、粒子がセンサ本体表面から容易に脱離しないことが一側面では重要である。もう一つの側面では、検知対象物質が吸着することによって、センサ表面に被覆されている粒状材料が脱離し、その際に引き起こされる物理パラメータの変化を検出してもよい。
　一般に、たとえば非特許文献３に解析結果が示されているように、ナノ粒子は表面に一旦付着するとそこから脱落しにくい傾向がある。従って、粒状材料としてナノ粒子を使用する場合には、センサ本体表面の性質や使用環境、その他のセンサに対する要求仕様によっても異なるが、付着力を増大させる処置を取らなくても良い場合も多い。逆に、粒子サイズが大きい場合には、粒子およびセンサ本体表面の化学修飾等により結合が形成されていることが望ましい場合が多くなる。
　粒子の形状としては、等方性でも異方性でも良い。粒子を構成する物質としては、金属などの単体、あるいは酸化物、硫化物などの化合物、高分子、無機有機ハイブリッド、タンパク質などの生体関連材料などから成ってよい。粒子の構造は、緻密な構造、多孔質や中空など疎な構造、コアシェル型の構造などであってよい。さらに、粒状材料の表面には検知対象の物質等に応じて任意の表面修飾基を適宜固定することができる。具体的にはシランカップリング剤やチオール基を有する分子、ホスホン酸などに加え、高分子や生体関連分子と組み合わせてもよい。
　また、前記粒状材料はいかなる手法によって合成されるものであってもよい。具体的には、均一溶液中における析出反応や、エマルションを利用した擬似的な均一系における反応から、噴霧乾燥や熱分解を利用した気相での反応、ボールミリングなどの固相反応まで、特に限定されない。
　粒状材料受容体層により被覆されるセンサ本体の一例として、表面応力センサが挙げられるが、その形状・材質・サイズ等は特に限定されず、どのような物体でも使用することができる。例えば１箇所または複数個所で支持された薄片状部材を好ましく例示することができる。その他に、例えば、両持ち梁などの2か所あるいはより多くの箇所で支持された薄片状の物体、膜体など、様々な形態のものを採用することができる。
　さらには、表面応力センサ以外に、例えばＱＣＭやカンチレバーなどの振動子、表面プラズモン共鳴（Surface Plasmon Resonance, ＳＰＲ）を利用したセンサなどでも、粒状材料受容体を被覆して上記同様の効果を実現することができる。
　粒状材料受容体をセンサ表面に被覆するための手法は、ディップコーティング、スプレーコーティング、スピンコーティング、インクジェットスポッティング、キャスティング、ドクターブレードを用いた被覆など、特に限定されない。
　また、受容体層として使用する粒状材料が、それ自体で所望検体分子を効率よく吸着するのであれば、そのような粒状材料をそのまま使用して良い。あるいは、特定の表面修飾基で粒状材料を修飾することにより、所望検体分子を吸着するようにしたり、また吸着効率を向上させたり、または吸着される物質の選択性を高くしたりするなど、検出性能の改善を図ることもできる。また、表面修飾基による修飾は、検体分子の吸着とは直接関係のない目的、例えば粒子相互の結合性や基板との接着性等、粒状材料センサの耐久性、耐環境性等の向上を図るためにも行うことができる。また、具体的には後述するように、粒状材料の表面を複数種類の表面修飾基がナノメートルレベルで混在するように修飾してもよい。
　なお、本発明の粒状材料で被覆することにより形成された受容体層では、粒子が集積して受容体層を形成する過程で粒状体を形成する個々の粒子間に隙間が形成され、このような隙間が孔となるため、ほとんどの場合には多孔質となる。このような受容体層は、粒状材料被覆により形成された受容体層であると同時に、粒子が集積した多孔質体の被覆で形成された受容体層でもある。従って、多孔質体材料受容体層について本願明細書で説明する特徴は、明らかに異なる場合を除いて、そのまま粒状材料受容体層にも適用される。逆に、粒状材料被覆により形成された受容体層もそれが多孔質になっている限り、多孔質材料被覆受容体層について説明する特徴を有することに注意されたい。また、上で言及したところの、多孔質材料でできた粒状材料を被覆することで形成された受容体層は、受容体層表面の孔が塞がれていない限り、多孔質材料受容体層と粒状材料受容体層の両方の特徴を兼ね備えることは自明であろう。
　なお、粒状材料受容体層であっても多孔質でないという例外的な場合の例としては、粒状体を構成する粒子の径が極端に小さいため、その集積の過程で残される粒子間の孔が検出対象として想定される分子のサイズに比べて小さくなって、検出対象に対して実質的に多孔質材料として機能しない場合、粒子が極端にアスペクト比の大きな平板状をなしていて、受容体層表面のほとんどをこの平板が覆い尽くしているために、その内部に形成された孔が受容体層表面に開口できない場合、粒子がセンサ本体表面を極めて低い密度でしか被覆していないため、粒子間に大きな隙間があいてしまい、「孔」とは言えないような形状の隙間になっている場合、その他、受容体層内部に孔が存在したとしても、何らかの理由で受容体層表面からそのような内部の孔へ到達できない場合、などがあげられる。
　本発明の多孔質材料あるいは粒状材料被覆層を受容体とするセンサにより実現可能な事項を以下に例示する。
（１）センサの感度が受容体層の膜厚に依存する場合、任意の手法により多孔質材料あるいは粒状材料を積層させ、膜厚を制御することによって、当該感度を制御することができる。
（２）測定対象が吸着可能な面積を制御できる。具体的には、積層させる多孔質材料の孔径あるいは粒状材料サイズを変えることにより、比表面積を制御することができる。
（３）測定対象が受容体層の内部にまでアクセスできるようにするための空間（経路）を確保できる。具体的には、多孔質材料を使用する場合にはその孔がこのような経路を提供する。粒状材料を使用する場合には、積層させる粒状材料サイズを変えることにより、粒状材料中に形成される空隙サイズを制御することができる。
（４）受容体層として多孔質材料あるいは粒状材料を使用するため、受容体層に使用する物質以外の多くの自由度を与える。具体的には、測定対象に応じて、適した多孔質材料あるいは粒状材料の組成、表面修飾基の種類、あるいは複数種類の多孔質材料あるいは粒状材料の組み合わせなどを選択することができる。
（５）測定環境に応じて、必要とされる親水性／疎水性、耐熱性、耐薬品性などを有する多孔質材料あるいは粒状材料を選択することができる。つまり、従来技術のような一様な層をセンサ表面に被覆する構成に比べて、多孔質材料あるいは粒状材料を付着させる方が、より幅広い性質の材料が選択可能となる。
　上記（５）については、例えば従来技術でよく使われるポリマーの場合、多種多様なものが存在するので測定環境に応じて、適したポリマーを選択すれば良いが、ポリマー毎に適した溶媒や被覆の条件等が大きく異なるため、その都度最適条件を検討する必要が生じる。一方、本発明における多孔質材料あるいはナノ粒子等の粒状材料では、異なる修飾基をその表面に複数共存させることにより、一種類の母材だけで様々な性質を実現可能である。
　これらの修飾基は必要に応じて適宜選択することができるが、例えば、以下で説明する粒状材料受容体層の実施例では、粒子としてシリカチタニアハイブリッド粒子を使用し、その表面をアルキル基およびアミノ基で修飾している。なお、実施例２で作製したナノ粒子表面の構成で重要なのは、このナノ粒子表面に存在する最長の修飾基はアルキル基であり、そのため巨視的には疎水性となることである。これに対し、微視的にはアミノ基が存在するため、これらも吸着に寄与する。つまりアミノ基を別の修飾基に変えても、あるいはアミノ基に加えてさらに別の修飾基をつけても、アルキル基修飾密度を極めて疎にするか、アルキル基以上の鎖長のものをつけない限りにおいては、巨視的な性質は変わらないため、その都度被覆条件を検討する必要が無い。以上のような理由から、特別な処置を行わなくても、受容体層が吸着する検体分子の選択と受容体層の性質とを互いにほぼ独立に設定・選択することが可能となる。
　また、多孔質材料受容体層の場合の修飾基についても基本的に上と同様である。ただし、多孔質材料の場合にはその内表面積（材料内部の空孔の表面積）が外表面積（材料の巨視的な表面の面積）に比べて非常に大きくなる場合があるが、そのような場合には一部状況が異なる。例えば、以下で説明する実施例１における多孔質膜は、スポンジのような構造の膜がセンサ表面に固定されているものである。このスポンジ構造部分は内部の表面積が圧倒的に大きく、一方でその外表面積は小さい。結局、このような場合には修飾基は相対的に内部に非常に多く存在することになるので外表面に露出する修飾基が不足し、その効果が少なくなる可能性がある。例えば上で言及した巨視的な疎水性は細孔内というよりは外表面によって決まると考えられるため、修飾基の被覆密度によっては上で述べた効果が十分に発揮されない可能性がある。
（６）受容体層材料として多様な無機多孔質あるいは無機粒子を使用できることから、受容体層に高い耐熱性を付与することが可能となる。これにより、表面応力センサ等の各種のセンサを用いて高温下で多様な物質を高感度に検出することができる。例えば、半田のリフローを行う際、溶融した半田やその近傍での測定を行う際には、２５０℃もの高温下で動作し得るセンサが求められる。例として、以下の実施例２で与えられるアミノプロピル基およびオクタデシル基修飾シリカチタニアハイブリッド粒状材料により被覆されたＭＳＳは、修飾基は有機物であるものの、粒子としてはシリカチタニアハイブリッド材料を使用しているため、かなりの高温まで耐えることができ、２５０℃でも充分に動作する。受容体層に修飾基を使用しない場合には、さらに高い耐熱性が容易に実現可能となる。なお、実施例２は粒状材料受容体層の場合の例であるが、多孔質材料受容体層でも同じである。
　以下、実施例に基づいて本発明をさらに詳細に説明するが、当然ながら、本発明はこれら実施例に限定されるものではない。
＜実施例１＞スプレーコーティングを用いたメソポーラスシリカ被覆により多孔質材料受容体層を形成したＭＳＳ
　以下では表面応力センサとして上述の膜型表面応力センサ（ＭＳＳ）を例に挙げ、多孔質材料として数ナノメートルから数十ナノメートルの孔径を有するメソポーラス材料を受容体として被覆した際の効果を説明する。
　本実施例では多孔性材料としてメソポーラスシリカ薄膜を使用した。その製造方法は良く知られているが、簡単に説明すれば、先ずメソポーラスシリカ薄膜の作製に際し、有機鋳型（界面活性剤／ブロックコポリマー）、シリカ源，有機溶媒からなる前駆溶液を作り、その前駆溶液を基板上に塗布した。溶媒が揮発するにつれて界面活性剤／ブロックコポリマーが自己組織化し、その周りでシリカの骨格が形成された。焼成することで鋳型が取り除かれ、目的のメソポーラスシリカが得られた。多孔性シリカの孔径は有機鋳型（界面活性剤／ブロックコポリマー）の大きさにより制御可能であり，２ｎｍから１００ｎｍ程度まで制御可能である。本実施例では図１にそのＳＥＭ像を示す平均細孔径が３５ｎｍのメソポーラスシリカを使用した。
　図２は、上で説明し図１にＳＥＭ像を示したメソポーラスシリカをスプレーコーティングによって被覆することで多孔質材料受容体層を形成したＭＳＳを用いて各種ガスを測定し、その結果を主成分分析した結果を示す。測定に当たっては、図４に挙げた各種ガスに対応する溶液が１ｍｌ程度入った２ｍｌのバイアル瓶にガス導入テフロン（登録商標）チューブを接続し、乾燥窒素ガスをキャリアガスとして１００ｍｌ／分の流量で流すことにより、バイアル瓶のヘッドスペースの飽和蒸気とともにメソポーラスシリカが被覆されたセンサチップを設置したチャンバーに１０秒間導入した。その後、乾燥窒素ガスを１０秒間導入した。これを３回繰り返し、乾燥窒素ガスによって、メソポーラスシリカに吸着したガス分子をパージする際に得られる減衰カーブから、一定間隔の複数のシグナルの値を抽出し、これを用いて主成分分析を行った。ポリマーなどの材料を溶かす有機溶媒の飽和蒸気を用いた測定にもかかわらず、各種ガス成分が識別可能であることが確認できた。また、この結果は、繰り返し測定を行っても、ほとんど影響を受けることなく同様に測定可能であることも確認できた。
　図３（ａ）、（ｂ）は、上述のメソポーラスシリカ被覆ＭＳＳを、液体の水およびエタノールに浸した場合の膜形状とシグナルの変化を調べたものである。より具体的には、浸漬前のシグナルは、上記の説明と同様の条件で、ガスとしてはオクタンの飽和蒸気と乾燥窒素を交互に３０秒間ずつ１００ｍｌ／分の流量で流しながら測定して得られたものである。センサチップが設置されている密閉チャンバー内に水を１分間程度流し、引き続いてエタノールを１分間程度流した。これらの操作は全て室温で行った。その後、浸漬前と同じ条件で再度測定を行ってシグナルを得た。これにより、浸漬前後でＭＳＳ上の膜形状の外観はほとんど変化せず、またこれらの液体への浸漬は測定結果のシグナルにもほとんど影響を与えないことが確認できた。
　このように、多孔質材料を受容体層として利用した場合、高濃度ガスだけでなく、液体の溶媒に浸した場合でも、膜の形状やシグナルにほとんど影響を及ぼすことなく、繰り返し測定が可能であることが確認できた。このような高い耐久性は、本質的には上記実験で使用した多孔質材料として無機材料を使用したことに由来するものである。この実験結果を本発明との関係で評価すれば、本実験により受容体層を多孔質化しても充分高い耐久性を発揮されることがわかり、多孔質化が耐久性に与える悪影響はほとんど確認されなかった。
＜実施例２＞アミノプロピル基およびオクタデシル基修飾シリカチタニアハイブリッド粒状材料により被覆されたＭＳＳ
　以下では、上記粒状材料を用いた受容体層作製と測定の一実施例について説明する。一般的に、以下の方法で作製される粒状材料は、通常はその直径が数ナノメートルから数百ナノメートルとなる。従って、本実施例では、使用した粒状材料を「ナノ粒子」と表記する。しかし、本発明における粒状材料は、直径がナノメートルレベルに限定されるものではない。
　上記ナノ粒子は、オクタデシルアミン（ＯＤＡ）が溶解したアンモニア塩基性のイソプロパノール（ＩＰＡ）水溶液中における、アミノプロピルトリエトキシシラン（ＡＰＴＥＳ）とチタニウムテトライソプロポキシド（ＴＴＩＰ）の共加水分解、縮合重合反応により合成した。上記合成反応は、マイクロメートルサイズのＹ字型流路を有するテフロン（登録商標）製マイクロリアクタを用いて実施した（図４）（非特許文献４）。前駆溶液は、溶液１：ＡＰＴＥＳ／ＩＰＡ、溶液２：Ｈ２Ｏ／ＩＰＡ／アンモニア、溶液３：ＴＴＩＰ／ＩＰＡ、溶液４：Ｈ２Ｏ／ＩＰＡの４つとし、溶液１から溶液４まで体積を揃えて調製した。前駆溶液はシリンジポンプにより同時に一定速度で送液した。溶液１と溶液２、溶液３と溶液４を並列したマイクロリアクタ内でそれぞれ混合し、両リアクタからの吐出液をさらに別のマイクロリアクタ内で混合することにより、１つの反応液とした。反応液は別途調製しておいた前駆溶液５：ＯＤＡ／Ｈ２Ｏ／ＩＰＡ中へ吐出し、吐出終了まで一定速度で撹拌した。その後、室温で静置し、上記ナノ粒子分散液を得た。ＳＥＭにより観察したナノ粒子像を図５に示す。
　上記ナノ粒子分散液を一定量の水と混合することにより粒子濃度を１ｇ／Ｌに調製し、超音波照射により粒子を分散させた後、すぐにスプレーコーターを用いてセンサ本体を構成するセンサチップ上に噴霧した。センサ本体は特許文献１で提案した膜型構造を有するピエゾ抵抗型ＭＳＳを使用した。
　本実施例で作製した、ナノ粒子被覆後のＭＳＳの光学顕微鏡像を図６に示す。被覆前と比較することで、膜構造全体が被覆されていることが確認できる。
　このようにして形成された受容体層付きＭＳＳを用いて、水および水に易溶／難溶の化学種の測定を行った。具体的には、水、ホルムアルデヒド（ホルマリン）、エタノール、ＩＰＡ、ヘキサン、ヘプタン、ベンゼン、トルエンの８種類をそれぞれバイアルに分取し、そこへキャリアガスとして窒素を１００ｍＬ／ｍｉｎで流すことにより、一定量のサンプル蒸気を含んだガスとして、ＭＳＳが格納された密閉チャンバーへ導入した。各サンプル蒸気の測定結果を図７に示す。比較対象として、汎用的なポリマーの一例であるＰＶＰ（１ｇ／Ｌ溶液）を、同一構造のピエゾ抵抗型ＭＳＳに、同一のスプレーコーターを用いて被覆して測定を行った結果も図７中に示す。水およびホルムアルデヒドの場合、実施例の受容体層付きＭＳＳでは７～８ｍＶ程度のシグナルが得られたが、比較対象のＰＶＰ被覆のＭＳＳでは、６ｍＶ程度のシグナルが得られた。エタノールおよびＩＰＡの場合、実施例のＭＳＳではシグナル強度は低下し、３ｍＶ程度であったが、ＰＶＰ被覆のＭＳＳでは６ｍＶを僅かに下回る程度の出力が得られた。一方、水に難溶の化合物であるヘキサン、ヘプタン、ベンゼン、トルエンでは、いずれのＭＳＳでも１ｍＶ程度の微弱なシグナルが得られた。このように、ナノ粒子被覆による受容体層付きＭＳＳを、ＰＶＰのみを被覆したＭＳＳと比較すると、水系サンプルに対する感度は高く、逆にアルコール系サンプルに対する感度は低かった。これは、ＰＶＰが構造中に疎水的な炭化水素鎖と親水的な置換基（Ｎ、Ｏを含む極性基）をもつのに対して、ここで使用した親水的なアミノプロピル基を多く含むナノ粒子は、水を多く吸着したためと考えられる。以上により、ナノ粒子のみを被覆することによっても、汎用のポリマーと同等以上の感度が得られ、また修飾基の種類によって選択性を制御できることが示された。
＜実施例３＞アミノプロピル基およびオクタデシル基修飾シリカチタニアハイブリッドナノ粒子を積層させることによる高感度化
　実施例２で使用したものと同じナノ粒子を、その分散液の濃度が１ｇ／Ｌとなるように調製し、ＭＳＳへの被覆に用いた。スプレーコーターにより５回連続して被覆を行い、受容体層膜厚を増加したＭＳＳを用いて、実施例２と同様、８種類の化合物を測定した。その測定結果を図８に示す。
　水に易溶／難溶の化合物に対する応答特性の傾向は実施例２と同様であった。水および水に易溶の化合物に対する感度の絶対値はおよそ５倍程度に増加した。このように、ナノ粒子の被覆量を制御することによって、任意の膜厚を有し、かつ安定した測定が可能なナノ粒子受容体層を作製することが可能であることが実証された。また、この膜厚の増加に伴って、センサ感度を増幅することが可能であることも実証された。
＜実施例４＞アミノプロピル基およびオクタデシル基修飾シリカチタニアハイブリッドナノ粒子を被覆した受容体層付きＭＳＳの液中使用
　実施例２で作製した上記ナノ粒子被覆受容体層付きＭＳＳを水に数秒間浸漬した後、引き上げ、乾燥させてから、再度上記８種類の化合物の測定を行った。まず、水に浸漬前後の光学顕微鏡像を図９に示す。比較として、ＰＶＰを被覆したＭＳＳの例も併せて示す。ＰＶＰの場合、水に浸漬した後はＰＶＰが完全に溶解してしまっていることが分かる。一方、ナノ粒子被覆ＭＳＳの場合、浸漬前後でＭＳＳの様子は全く変化しておらず、目視レベルで受容体層が完全に保持されていることが確認できる。
　このように、本実施例では、センサ本体へ被覆を行う際にはナノ粒子を分散させた懸濁液をスプレーしただけであるにもかかわらず、水に浸漬しても流失等の損傷を起こさない強固な粒状材料受容体層が得られた。粒子間に生じうる引力として分子間力や静電引力等が挙げられるが、例えば分子間力を取り上げた場合、粒子半径の２乗に反比例して大きくなるため、粒子は小さければ小さいほど強固に付着する。従って、既に述べたように、付着の際に特別な処置を行ったり、あるいは付着過程でバインダなどの付着を助ける他の物質を使用したりしなくても、ナノ粒子は、表面上に一旦付着すると、表面上に強固に付着して簡単には脱落しない。もちろん、付着強度を更に向上させるための何らかの手段を併用することを妨げるものではない。
　続いて、８種類の化合物の測定結果を図１０および図１１に示す。図１０に示すナノ粒子被覆センサの場合、水に難溶の化合物については、水への浸漬前と同様のシグナルが得られた。また、水および水に易溶の化合物に対しては、２倍程度の感度の増加が見られた。これは、ナノ粒子していた余剰なＯＤＡが、水への浸漬により洗い流され、より多くの検体分子が吸着可能になったためと考えられる。一方、図１１に示すように、ＰＶＰ被覆ＭＳＳの場合、図９でも確認できるように、水への浸漬によってＰＶＰ受容体層が水に溶解してしまい、ＭＳＳ表面上にほとんど残っていないため、全ての化合物についてシグナルはほとんど確認できなかった。
　ＭＳＳチップを水から引き上げる様子を観察していると、ナノ粒子被覆受容体層付きＭＳＳは完全に水を弾いており、表面が疎水的であることが分かった。しかしながら、水系サンプルに対して高い感度を示す吸着特性は、親水的な表面の存在を示唆している。これは、チタニア表面に固定されたＯＤＡ由来のオクタデシル基と、シリカ表面に固定されたアミノプロピル基の協奏的な作用の結果と理解できる。つまり、鎖長の長いオクタデシル基の存在によって、巨視的には疎水的であるが、アミノプロピル基が共存することによって、微視的には水を吸着するサイトが多く存在しており、これにより、液体状態などのバルク状の水は弾くが、水蒸気（言い換えれば、気体中に分散した状態の水分子で、バルク状の水ではないもの）は吸着する状態が実現したものと考えられる。オクタデシル基およびアミノプロピル基の鎖長が数Åから１ｎｍ程度であることを踏まえると、例えば上記ナノ粒子被覆ＭＳＳを、アミノ基と親和性のある分子（タンパク質など）が溶解した水中に設置することにより、水中から検体分子のみを選択的に抜き取るように吸着することができると考えられる。以上により、気中測定のみならず、例えば血液中の各種のガスの濃度を直接測定するなど、これまでに例のない液中測定を実現できることがわかる。
　ここで言う「液中測定」をより具体的に説明すれば、以下のとおりである。すぐ上で述べたような親水および疎水基修飾を有する粒子を用いた場合、両修飾基が粒子表面で周期性をもって（あるいは厳密な意味で周期的でなくても、非常に短い間隔で相互に入れ替わって）配置されていると仮定すると、疎水基と親水基とが交互に存在することになる。このような状態の表面にバルクの水が接すると、隣接する疎水基の間には空気を含んだ「ポケット」のような状態ができる可能性がある。上に述べた配置状態の下では疎水基と疎水基との間には親水基が存在するためにこの「ポケット」ができる領域には親水基が存在していて、このような親水基先端とバルク水との距離は１ｎｍ弱になると予想される。したがって、液中の溶存分子をこのポケット中に引き抜くことによる当該溶存分子の検出が可能となる。言い換えれば、液中で一種の気中測定を行うことになる。なお、先に「本発明の多孔質材料あるいは粒状材料被覆層を受容体とするセンサにより実現可能な事項」の（５）で説明したことからわかるように、この測定方法は多孔質材料を使用した受容体層でも基本的には実現できるが、多孔質の構造によっては十分に機能しないこともある点に注意されたい。
　このような、所謂「液中気体測定」は、気体分子は透過するが液体分子は透過しない性質を持つ材料（例えば、液中の溶存ガス除去のためなどに使用される二次元状に広がった中空糸膜、その他このような性質を有する半透膜などが使用可能）を利用して、センサ素子の周りに上記のような「ポケット」に相当する気体雰囲気ができるようにセンサ素子を包んだ構造にすることによって実現することも可能である。こうすることで、センサ素子は液体試料に触れることなく、液体試料に溶存しているガス成分を検出することが可能となる。この場合、センサ素子に被覆する受容体層は、原理的には気体試料の測定に利用可能なあらゆる材料が利用可能となる。例えば、図９で確認されたように、ＰＶＰなどの親水性のポリマーは、水に浸すとすぐに溶解してしまい、液中測定は不可能であるが、ここで説明した中空糸膜などを利用した「液中気体測定」の原理を利用すれば、水中での測定も可能となる。
　図１４に袋状の中空糸膜中に表面応力センサを収容することにより、液中気体測定を行うための構成例の概念図を示す。図１４に示す液中気体センサにおいて、センサ本体としてＭＳＳを使用するとともに、その表面に測定対象の気体分子に適合した受容体層を形成した表面応力センサを袋状の中空糸膜中に収容する。また、ＭＳＳが接続されたソケットを介して取り出した検出信号を運ぶ信号線を図に示すように上方に引き出して、図示しない測定器のＡ／Ｄ変換器へ接続する。更に、これらの信号線を収容するチューブの下端付近に中空糸膜の袋を水密的に取り付ける。更に、チューブを介して中空糸の袋に陰圧を印加できるようにする。使用に当たっては、表面応力センサが中空糸膜の袋に収容されたままの状態で、液体試料中に浸漬する。中空糸膜は液体（例えば水）分子は通さないが、膜の組成や構造等で決まるある種の気体分子は透過するため、液体試料中に溶解している気体分子は中空糸膜を透過して中空糸の袋内部のポケット状気体雰囲気中に移動する。この状態でチューブを介して袋に陰圧を印加することにより、気体分子の透過を加速する。また、陰圧の印加により中空糸膜の袋の容積、すなわちポケット状気体雰囲気の体積は内外の圧力差から小さくなる。ポケット状気体雰囲気の体積が小さくなることにより、透過した気体の当該雰囲気中の濃度が平衡状態に短時間で到達できるようになる。
　なお、この「液中気体測定」は、液体試料の直上にセンサ素子を設置して、液体試料の蒸気を測定する場合に比べ、以下のような特徴が有る。センサ素子と、その周りの閉じた「ポケット」に相当する気体雰囲気全体を液中に浸すことが可能となるため、蒸気など気体雰囲気の揺らぎの大きい環境に比べて、より安定した環境での測定が可能となる。また、中空糸膜の内部、つまりセンサ素子が設置されている側を、別のポンプなどで吸引することによって陰圧にすることで、「ポケット」に相当する気体雰囲気中に存在している夾雑成分を減らしつつ、液体試料から積極的に気体分子を抽出することが可能になるため、より精度の高い測定が実現する。
　また、図１４では袋状の膜内に表面応力センサ全体を収容するという構造を示しているが、例えば表面応力センサのセンサ表面だけ（あるいはそれに加えてセンサ表面近傍）を膜で覆う構成とすることで、液中気体センサをコンパクトに構成することができる。
　なお、本実施例のナノ粒子表面に親水性の修飾基と疎水性の修飾基とが周期的にあるいはほぼ周期的に混在できるのは、このナノ粒子がシリカチタニアハイブリッドナノ粒子であって、その表面上にそれぞれの修飾基が結合するシリカ部分とチタニア部分とが繰り返し出現しているからである。このように複数種の材料が表面に繰り返し出現するナノ粒子を製造するには、実施例２に示したように、複数種のアルコキシドを有機物存在下で混合して反応させればよい。また、この反応により製造されるナノ粒子のサイズおよび形状を制御するには、例えば実施例２のようにフロー合成の手法を用いればよい。フロー合成手法については例えば非特許文献４で説明されている。なお、多孔質材料の場合も同様にして修飾基のこのような周期的な混在を実現できる。
　微視的に親水的となる条件は、粒子上、より一般的には受容体層表面上、の疎水性基の鎖長のほうが粒子上の親水性基より長いことである。これにより、バルクの水は疎水性基によりはね返されるが、分子であれば親水基にもアクセス可能となる。なお、同様の現象は、ナノ粒子で被覆されていない平滑な表面でも理論上は実現できると考えられる。しかし、平滑な基板等の表面を、親水性と疎水性のように互いに逆の性質を有する修飾基を、上述の現象が起こる程度の狭いピッチで混在するように被覆することは、実際には困難である。粒子レベルで親水性と疎水性のように相反する複数の性質を共に有しているということは、実現容易性の点でも有利である。
　なお、粒子表面に複数種類の表面修飾基による修飾を行うことによって達成される機能は、上述のようなこれら複数種類の表面修飾基相互の協奏的な作用によるものに限定されるわけではない。例えば、複数種類の修飾基のうちの或るものは、検体分子と結合することで検出感度の向上や選択的な検出を実現し、他の修飾基はセンサ本体表面と結合することでセンサ表面への粒子結合の耐久性、耐環境性を向上させるものであってもよい。
＜実施例５＞異なる物理パラメータを検出するタイプのセンサへの応用（一例としてＱＣＭ）
　実施例５では実施例２と同様の手順によりＱＣＭをナノ粒子により被覆し、上記８種類の化合物の測定に供した。センサ本体としてＱＣＭを使用した場合でも、その表面を被覆する受容体層はＭＳＳとほぼ同じ構造を有する。その測定結果を図１２に示す。ナノ粒子被覆前のＱＣＭは全ての化合物に対して１～２Ｈｚ程度の共振周波数変化しか示さないのに対し、ナノ粒子被覆後はその数百～千倍もの共振周波数変化を示した。さらには、それぞれの化合物に対して明らかに異なるシグナル波形を示しており、目視により化合物を判別することも可能である。
　比較対象として、ＰＶＰを被覆したＱＣＭを用いて、上記８種類の化合物の測定を行った。その結果を図１３に示す。共振周波数変化は大きいもので５０Ｈｚ程度、小さいもので数Ｈｚ程度であった。ここで、共振周波数変化はＱＣＭ上で生じる質量変化とほぼ比例関係にあることが知られている。今回使用した被覆前のＱＣＭの共振周波数はおよそ８，９９７，１３０Ｈｚであり、ＰＶＰ被覆後は８，９９１，０５５Ｈｚとなったことから、被覆に伴う共振周波数変化はおよそ６ｋＨｚであった。一方、ナノ粒子被覆後の共振周波数は８，９６０，４１０Ｈｚであったため、被覆に伴う共振周波数変化はおよそ３６ｋＨｚであった。つまり、ＱＣＭの電極表面上に存在するナノ粒子は質量換算でＰＶＰの６倍程度多いことになる。このことを踏まえると、ＰＶＰ被覆したＱＣＭを用いて得られた各化合物の測定結果とナノ粒子被覆したＱＣＭを用いて得られた各化合物の測定結果を比較するためには、被覆している受容体物質の単位質量当たりの比較を行うとすれば前者における共振周波数変化を６倍する必要がある。この場合、共振周波数変化は大きいもので３００Ｈｚということになるが、この値でナノ粒子被覆の場合と比較したとしても、依然として６倍程度小さい。
　以上により、ナノ粒子を他のセンサ表面に被覆することによっても、高い感度および選択性を実現でき、既存材料を受容体層とした場合を大きく上回ることが示された。多孔質受容体層付きの場合も同様な結果が得られる。
　＜実施例６＞金属有機構造体（ＭＯＦ）ナノ粒子被覆受容体層付きのＭＳＳ
　受容体層には上述したもの以外の多様な材料を使用できる。そのような他の材料の例としてＭＯＦナノ粒子で形成した受容体層を有するＭＳＳを作製して、各種の化合物に対するその検出特性を測定した。ＭＯＦとしては図１５に結晶構造模式図及びナノ粒子のＳＥＭ像を示すＺＩＦ－７、ＺＩＦ－８及びＺＩＦ－７１を使用した。これらのＭＯＦナノ粒子の製造方法はそれぞれ非特許文献５～７で説明されているように良く知られている事項であるが、以下で簡単に説明する。
［ＺＩＦ－７ナノ粒子の合成］
　非特許文献５に基づいて以下のようにしてこのナノ粒子を合成した。先ず、硝酸亜鉛六水和物（３０２ｍｇ、１．０２ｍｍｏｌ）をＮ，Ｎ－ジメチルホルムアミド（１０ｍＬ）中に溶解し、これをベンズイミダゾール（７６９ｍｇ、６．４ｍｍｏｌ）のＮ，Ｎ－ジメチルホルムアミド（１０ｍＬ）溶液中に室温で攪拌しながら急速に注ぎ込んだ。攪拌を１２時間継続した後、乳白色の懸濁液を１５０００×ｇで３０分間遠心分離した。上澄みを静かに注ぎ出してメタノールで置換し、この混合物を１分間超音波処理して粒子状物質を再分散させた。遠心分離／洗浄処理を更に３回繰り返した。その結果得られた懸濁液の半量は別途使用するために確保しておき、残りの半量を乾燥させて（大気中において６０℃で２～３時間、続いて真空中において真空引きを続けながら１８０℃で一晩乾燥）、黄色がかった白色の固形物を１０４ｍｇ得た（Ｚｎ基準で収率７１％）。
［ＺＩＦ－８ナノ粒子の合成］
　非特許文献６に基づいて以下のようにしてこのナノ粒子を合成した。先ず、硝酸亜鉛六水和物（２９７ｍｇ、１ｍｍｏｌ）をメタノール（２０ｍＬ）中に溶解し、これを２－メチルイミダゾール（６４９ｍｇ、７．９ｍｍｏｌ）のメタノール（２０ｍＬ）溶液中に攪拌しながら急速に注ぎ込んだ。攪拌を６時間３０分継続した後、乳白色の懸濁液を１５０００×ｇで１時間遠心分離した。上澄みを静かに注ぎ出して新しいメタノールで置換し、この混合物を５分間超音波処理して粒子状物質を再分散させた。遠心分離／洗浄処理を更に２回繰り返した。その結果得られた懸濁液の半量は別途使用するために確保しておき、残りの半量を乾燥させて（大気中において９０℃で２～３時間、続いて真空中において真空引きを続けながら１８０℃で一晩乾燥）、淡黄色の固形物を３８ｍｇ得た（Ｚｎ基準で収率３５％）。
［ＺＩＦ－７１ナノ粒子の合成］
　非特許文献６に基づいて以下のようにしてこのナノ粒子を合成した。先ず、無水酢酸亜鉛（２２０ｍｇ、１ｍｍｏｌ）をＮ，Ｎ－ジメチルホルムアミド（１０ｍＬ）中に溶解し、これを４，５－ジクロロイミダゾール（９６０ｍｇ、６ｍｍｏｌ）のＮ，Ｎ－ジメチルホルムアミド（１０ｍＬ）溶液中に室温で攪拌しながら急速に注ぎ込んだ。攪拌を４時間継続した後、乳白色の懸濁液を１５０００×ｇで３０分間遠心分離した。上澄みを静かに注ぎ出してメタノールで置換し、この混合物を１分間超音波処理して粒子状物質を再分散させた。遠心分離／洗浄処理を更に３回繰り返した。その結果得られた懸濁液の半量は別途使用するために確保しておき、残りの半量を乾燥させて（大気中で６０℃、続いて真空引きしながら１８０℃で一晩乾燥）、灰色がかった白色の固体を１０４ｍｇ得た（Ｚｎ基準で収率７１％）。その結果得られた懸濁液の半量は別途使用するために確保しておき、残りの半量を乾燥させて（大気中において６０℃で２～３時間、続いて真空中において真空引きを続けながら１８０℃で一晩乾燥）、茶色の粉末を７５ｍｇ得た（Ｚｎ基準で収率４６％）。
　これら３種類のＭＯＦナノ粒子をそれぞれＭＳＳ上に被覆して、それぞれ９種類の化合物、具体的には水（Ｈ２Ｏ）、ホルマリン（ＨＣＨＯａｑ）、エタノール（ＥｔＯＨ）、イソプロパノール（ＩＰＡ）、アセトン（Ａｃｅｔｏｎｅ）、ヘキサン（Ｈｅｘａｎｅ）、ヘプタン（Ｈｅｐｔａｎｅ）、ベンゼン（Ｂｅｎｚｅｎｅ）、トルエン（Ｔｏｌｕｅｎｅ）、の蒸気を所定周期で断続的に与えたときのＭＳＳからの検出出力の時間変化を実施例２と同じ方法で測定した。なお、ＺＩＦ－７、ＺＩＦ－８及びＺＩＦ－７１をＭＳＳに被覆する際に使用した方法は同一ではなかったため、ＭＯＦの種類が異なるとその受容体層の厚さは異なっていた。従って、異なるＭＯＦ間の検出特性の絶対値を比較することはできない。ただし、これ以外の測定条件はできるだけ揃えたため、同一のＭＯＦ間を使用した場合の検出特性を比較することはできる。更には検体物質を変えた場合の検出特性の傾向を異なるＭＯＦ間で比較することもできる。受容体層がＺＩＦ－７、ＺＩＦ－８及びＺＩＦ－７１の場合の検出出力をそれぞれ、図１６Ａ及び図１６Ｂ、図１７Ａ及び図１７Ｂ並びに図１８Ａ及び図１８Ｂに示す。
　更に、このようにして得られた検出出力の時間変化のピーク値（具体的には試料ガスの導入開始後３０秒における検出出力）をプロットしたグラフを図１９に示す。ただし、このグラフでは、これらのピーク値はＭＯＦナノ粒子毎に最大のピーク値で正規化してある。このグラフから、極性・無極性化合物に対する各ＭＯＦの大凡の親和性を推定することができる。
＜実施例７＞酸化グラフェン（ＧＯ）とポルフィリンとを組み合わせた受容体層付きのＭＳＳ
　酸化グラフェン（ＧＯ）にポルフィリンを組み合わせることで形成した受容体層をＭＳＳ上に成膜して、各種の化合物に対する検出出力を測定した。ポルフィリンとしては化学構造式を図２０に示すＴ（３，５－ＤＨＰ）Ｐ（5,10,15,20-tetrakis(3',5'-dihydroxyphenyl)porphyrin、Ｐｏｒ－ＯＨ）及び化学構造式を図２４に示すＺｎ－Ｔ（３，５－ＤＨＰ）Ｐ（3',5'-dihydroxyphenyl)porphinatozinc(II)、Ｚｎ－Ｐｏｒ－ＯＨ）を使用した。非特許文献８に記載されているように、ＧＯは多孔質になりやすいという性質が知られている。本実施例の受容体層は、そのような多孔質のＧＯのネットワーク中にポルフィリン（Ｐｏｒ－ＯＨ、Ｚｎ－Ｐｏｒ－ＯＨ）を載せた構造になっている。以下で言及するＳＥＭ像では、シートの一枚一枚がはっきり見えるようにＳｉ基板上で少量をスピンコートしたものを観察しているが、センサ膜上に載せたものは 非特許文献８のような多孔質状のネットワークが形成されていると考えられる。
［Ｐｏｒ－ＯＨ ＋ ＧＯ］
　ＧＯ水溶液（約１００ｍｇ／Ｌ）及びＰｏｒ－ＯＨメタノール溶液（１ｍＭ）を準備し、両者の混合比を変えて以下の３種類のＰｏｒ－ＯＨ及びＧＯ混合溶液を作製した。
（１）ＧＯ水溶液５００μＬ ＋ Ｐｏｒ－ＯＨメタノール溶液１０μＬ
（２）ＧＯ水溶液５００μＬ ＋ Ｐｏｒ－ＯＨメタノール溶液１００μＬ
（３）ＧＯ水溶液５００μＬ ＋ Ｐｏｒ－ＯＨメタノール溶液１０００μＬ
混合溶液（１）～（３）をＳｉ基板にスピンコートによって塗布し乾燥させたもののＳＥＭ像を図２１の丸付き数字１～３にそれぞれ示す。
　混合溶液（１）～（３）をそれぞれＭＳＳ上にインクジェットにより成膜することにより、受容体層付きＭＳＳ Ｃｈ１～Ｃｈ３を作製した。
Ｃｈ１：混合溶液（１）を２５０ショット噴射
Ｃｈ２：混合溶液（２）を２５０ショット噴射
Ｃｈ３：混合溶液（３）を７５０ショット噴射
更に比較対象としてＭＳＳ上にＧＯ水溶液をインクジェットで２５０ショット噴射することにより、受容体層付きＭＳＳ Ｃｈ４を作製した。このようにして作製されたＭＳＳ Ｃｈ１～Ｃｈ４の表面（インクジェット噴射を行った側）及び裏面（インクジェット噴射を行った面と反対側の面）の顕微鏡写真を図２２の（ａ）及び（ｂ）にそれぞれ示す。
　このようにして作製した４種類のＭＳＳを使用して１４種類の化合物、すなわち水（Ｈ２Ｏ）、アセトン（ａｃｅｔｏｎｅ）、メチルエチルケトン（ＭＥＫ）、メタノール（ＭｅＯＨ）、エタノール（ＥｔＯＨ）、イソプロパノール（ＩＰＡ）、ブタノール（ＢｕＯＨ）、酢酸（ＣＨ３ＣＯＯＨ）、ヘキサン（ｈｅｘａｎｅ）、オクタン（ｏｃｔａｎｅ）、ベンゼン（ｂｅｎｚｅｎｅ）、トルエン（ｔｏｌｕｅｎｅ）、テトラヒドロフラン（ＴＨＦ）、酢酸エチル（ＡｃＯＥｔ）、についての測定結果のグラフを図２３に示す。なお、この測定は直前の実施例である実施例６と同じ条件で行った。このグラフでは、ＭＳＳ Ｃｈ１～Ｃｈ４毎に、各測定値を水の測定値で正規化してある。このグラフにおいてＧＯにＰｏｒ－ＯＨを組み合わせた受容体層を有するＣｈ１～Ｃｈ３の検出出力とＧＯだけで構成された受容体層を有するＣｈ４の検出出力とを比較すると、ＧＯにＰｏｒ－ＯＨを組み合わせた場合には、ＧＯのみの場合に比べて水への選択性が高くなる（グラフ上で見れば、水以外の化合物への検出出力が小さくなる）ことがわかる。
［Ｚｎ－Ｐｏｒ－ＯＨ ＋ ＧＯ］
　ＧＯ水溶液（約１００ｍｇ／Ｌ）及びＺｎ－Ｐｏｒ－ＯＨメタノール溶液（１ｍＭ）を準備し、両者の混合比を変えて以下の３種類のＰｏｒ－ＯＨ及びＧＯ混合溶液を作製した。
（１’）ＧＯ水溶液５００μＬ ＋ Ｐｏｒ－ＯＨメタノール溶液１０μＬ
（２’）ＧＯ水溶液５００μＬ ＋ Ｐｏｒ－ＯＨメタノール溶液１００μＬ
（３’）ＧＯ水溶液５００μＬ ＋ Ｐｏｒ－ＯＨメタノール溶液１０００μＬ
混合溶液（１’）～（３’）をＳｉ基板にスピンコートにより塗布し乾燥させたもののＳＥＭ像を図２５の丸付き数字１～３にそれぞれ示す。
　混合溶液（１’）～（３’）をそれぞれＭＳＳ上にインクジェットにより成膜することにより、受容体層付きＭＳＳ Ｃｈ１～Ｃｈ３を作製した。
Ｃｈ１：混合溶液（１’）を２５０ショット噴射
Ｃｈ２：混合溶液（２’）を２５０ショット噴射
Ｃｈ３：混合溶液（３’）を７５０ショット噴射
更に比較対象としてＭＳＳ上にＧＯ水溶液をインクジェットで２５０ショット噴射することにより、受容体層付きＭＳＳ Ｃｈ４を作製した。このようにして作製されたＭＳＳ Ｃｈ１～Ｃｈ４の表面（インクジェット噴射を行った側）及び裏面（インクジェット噴射を行った面と反対側の面）の顕微鏡写真を図２６の（ａ）及び（ｂ）にそれぞれ示す。
　このようにして作製した４種類のＭＳＳを使用して、Ｐｏｒ－ＯＨ＋ＧＯの場合と同じく１４種類の化合物、すなわち水（Ｈ２Ｏ）、アセトン（ａｃｅｔｏｎｅ）、メチルエチルケトン（ＭＥＫ）、メタノール（ＭｅＯＨ）、エタノール（ＥｔＯＨ）、イソプロパノール（ＩＰＡ）、ブタノール（ＢｕＯＨ）、酢酸（ＣＨ３ＣＯＯＨ）、ヘキサン（ｈｅｘａｎｅ）、オクタン（ｏｃｔａｎｅ）、ベンゼン（ｂｅｎｚｅｎｅ）、トルエン（ｔｏｌｕｅｎｅ）、テトラヒドロフラン（ＴＨＦ）、酢酸エチル（ＡｃＯＥｔ）、についての測定結果のグラフを図２７に示す。なお、この測定も直前の実施例である実施例６と同じ条件で行った。このグラフでは、ＭＳＳ Ｃｈ１～Ｃｈ４毎に、各測定値を水の測定値で正規化してある。このグラフにおいてＧＯにＰｏｒ－ＯＨを組み合わせた受容体層を有するＣｈ１～Ｃｈ３の検出出力とＧＯだけで構成された受容体層を有するＣｈ４の検出出力とを比較すると、ここでも、ＧＯにＺｎ－Ｐｏｒ－ＯＨを組み合わせた場合には、ＧＯのみの場合に比べて水への選択性が高くなる（グラフ上で見れば、水以外の化合物への検出出力が小さくなる）ことがわかる。
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Claims (23)

  1. 　多孔質材料または粒状材料を、物理パラメータを検出するタイプのセンサ本体上に被覆し、
    　検体分子を前記多孔質材料または粒状材料が吸着することによる前記物理パラメータの変化により前記検体分子を検出する
    センサ。
  2. 　前記多孔質材料または粒状材料は無機物質からなる、請求項１に記載のセンサ。
  3. 　前記無機物質はシリカである、請求項２に記載のセンサ。
  4. 　前記多孔質材料または粒状材料は平均孔径が１ｍｍ以下の多孔質材料である、請求項１から３の何れかに記載の表面応力センサ。
  5. 　前記多孔質材料の平均孔径は０．１ｎｍ以上５００ｎｍ以下である、請求項４に記載のセンサ。
  6. 　前記シリカはメソポーラスシリカである、請求項３に記載のセンサ。
  7. 　前記多孔質材料または粒状材料は無機材料、有機材料、無機有機ハイブリッド材料、金属有機構造体、自己組織化した界面活性剤ミセルを構造中に取り込んだ材料、繊維がプラスチック中に分散した材料、炭素材料、及び生体材料からなる群から選択される、請求項１に記載のセンサ。
  8. 　前記無機材料は酸化物、窒化物、硫化物、金属、金からなる群から選択される一もしくは複数の材料、または前記群から選択される複数の材料を任意の割合で複合化したものを含む無機物であり、
    　前記有機材料は重合可能な官能基を主鎖として構造中に有し、側鎖に置換基を有する有機物であり、
    　前記無機有機ハイブリッド材料は前記無機材料と有機材料とが任意の割合で複合化したものである無機有機ハイブリッドからなる群から選択され、
    　前記金属有機構造体は、ＨＫＵＳＴ－１、ＩＲＭＯＦ、ＭＯＦ、ＺＩＦ、ＵＩＯ、及びＭＩＬからなる群から選択され、
    　前記自己組織化した界面活性剤ミセルを構造中に取り込んだ材料は、シリカ骨格中に陽イオン性界面活性剤が取り込まれた材料、及び金属骨格中にブロックコポリマーが取り込まれた材料からなる群から選択され、
    　繊維がプラスチック中に分散した材料は、繊維強化プラスチックであり、
    　前記炭素材料は、ｓｐ２炭素原子を骨格とする物質であり、
    　前記生体材料はペプチド、タンパク質、酵素、糖、脂質、及びタンパク質から選択される材料またはペプチド、タンパク質、酵素、糖、脂質、及びタンパク質から選択される材料と前記無機材料との複合体である、
    請求項７に記載のセンサ。
  9. 　前記無機材料及び前記無機有機ハイブリッド材料の少なくとも一方における前記複合化は、ヤヌス粒子状に不均一接合した形態、コアシェル状の形態、及び一方の粒子内部に他方の粒子が複数個分散した形態からなる群から選択される形態である、請求項８に記載のセンサ。
  10. 　前記有機物は、ポリスチレン、ポリメチルメタクリレート、ポリジビニルベンゼン、ポリイソプロピルアクリルアミド、ポルフィリン、ポルフィリン環に置換基が導入された化合物、および遷移金属を有するポルフィリン金属錯体化合物からなる群から選択される、請求項８に記載のセンサ。
  11. 　前記多孔質材料または粒状材料の表面を、単一種類のまたは複数種類の表面修飾基で修飾した、請求項１から１０の何れかに記載のセンサ。
  12. 　前記表面修飾基のうちの少なくとも一種類の表面修飾基は、前記検体分子を吸着する、請求項１１に記載のセンサ。
  13. 　前記複数種類の表面修飾基中、第１の表面修飾基は疎水性の表面修飾基であり、
    　前記複数種類の表面修飾基中、前記第１の表面修飾基と異なる第２の表面修飾基は、親水性であるとともに前記第１の表面修飾基より短い表面修飾基であり、
    　もって、前記受容体層の表面を巨視的には疎水性であるが、微視的には親水性とする、
    請求項１１または１２に記載のセンサ。
  14. 　前記第２の表面修飾基はアミノプロピル基であり、
    　前記第１の表面修飾基はアミノプロピル基よりも鎖長の長いアルキル基である、
    請求項１３に記載のセンサ。
  15. 　前記多孔質材料または粒状材料の表面に複数種類の物質が繰り返し出現し、
    　前記複数種類の物質はそれぞれ互いに異なる種類の前記表面修飾基により修飾される、
    請求項１１から１４の何れかに記載のセンサ。
  16. 　前記複数種類の物質は少なくともチタニアおよびシリカである、請求項１５に記載のセンサ。
  17. 　前記多孔質材料または粒状材料はナノ粒子である、請求項１から１６の何れかに記載のセンサ。
  18. 　前記物理パラメータは表面応力、応力、力、表面張力、圧力、質量、弾性、ヤング率、ポアソン比、共振周波数、周波数、体積、厚み、粘度、密度、磁力、磁気量、磁場、磁束、磁束密度、電気抵抗、電気量、誘電率、電力、電界、電荷、電流、電圧、電位、移動度、静電エネルギー、キャパシタンス、インダクタンス、リアクタンス、サセプタンス、アドミッタンス、インピーダンス、コンダクタンス、プラズモン、屈折率、光度および温度から選択された少なくとも一である、請求項１から１７の何れかに記載のセンサ。
  19. 　前記センサ本体は表面応力センサまたはＱＣＭである、請求項１８に記載のセンサ。
  20. 　物理パラメータを検出するタイプのセンサ本体の表面上で前記多孔質材料をその場合成する、請求項１に記載のセンサの製造方法。
  21. 　センサと、
    　前記センサを覆うとともに、液体の分子は透過しないが、少なくとも一部の気体の分子は透過する膜と
    を設け、
    　前記センサのセンサ表面と前記膜との間に空隙が形成される、
    液中気体センサ。
  22. 　前記膜は中空糸膜または半透膜である、請求項２１に記載の液中気体センサ。
  23. 　前記空隙に陰圧を印加する手段を有する、請求項２１または２２に記載の液中気体センサ。
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